CN101883909B - 径向膨胀管状元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括使管状元件的壁部沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，所述弯曲在于管状元件的弯曲区内进行，和通过使所述弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动而使膨胀管部的长度增加。所述管状元件和所述井眼壁之一设置有至少一个密封构件，其布置为使所述膨胀管部相对于所述井眼壁产生密封。

Description

径向膨胀管状元件的方法

技术领域

本发明涉及在井眼中径向膨胀管状元件的方法。

背景技术

在从地下岩层中进行油气生产的工业中越来越多地使用在井眼中径向膨胀管状元件的技术。井眼通常设置有一或多个套管或衬管以给井眼壁提供稳定性，和/或在不同的地层之间提供油层隔离。术语“套管”和“衬管”是指用于支撑和稳定井眼壁的管状元件，通常应当理解，套管从地面延伸到井眼中，衬管从井下位置进一步延伸到井眼中。然而，在本文中，术语“套管”和“衬管”可互换地使用并且没有这种倾向性区分。

在传统的井眼结构中，若干根套管设定在不同的深度间隔处，在嵌套方案中，每个在后的套管穿过在先的套管下降，从而具有小于在先套管的直径。因此，用于油气生产的井眼横截面尺寸随深度减小。为了克服该缺陷，通常使井眼中位于预定深度处的一个或多个管状元件径向膨胀，例如形成膨胀套管、膨胀衬管或紧靠已有套管或衬管的护层。同样，人们建议使每个在后套管膨胀到与在前套管大致相同的直径以形成单孔井眼。因此可以实现井眼的有效直径沿着其(一部分)深度保持大体上不变，这与传统嵌套方案相反。

EP 1438483B1公开了一种在井眼中使管状元件径向膨胀的方法，因此，处于未膨胀状态的管状元件在钻进新井眼段期间首先附接到钻柱上。其后，管状元件径向膨胀并从管柱上松开。

为了使该井眼管状元件膨胀，通常使用圆锥胀管器，其最大外径大体上等于膨胀之后的所需管径。胀管器被泵送、推动或拉动穿过管状元件。这种方法会在胀管器和管状元件的内表面之间产生需要克服的高摩擦力。同样，存在胀管器卡在管状元件中的风险。

EP 0044706A2公开了一种在井眼中使由编织材料或织物制成的柔性管外翻而使其径向膨胀的方法，用于使泵入井眼中的钻井泥浆与流向地面的泥浆切屑隔开。

尽管已知的胀管技术在一些应用中具有满意效果，但是仍然需要用于使管状元件径向膨胀的改进方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

使管状元件的壁部沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，所述弯曲发生于管状元件的弯曲区内；

通过使所述弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动而使膨胀管部的长度增加；

其中，所述管状元件和所述井眼壁之一设置有至少一个密封构件，其布置为使所述膨胀管部相对于所述井眼壁产生密封。

因此，管状元件在弯曲加工期间有效地由内向外翻转。相应层的弯曲区限定了进行弯曲加工的位置。通过使弯曲区沿着管状元件轴向移动，可以在无需穿过管状元件推动、拉动或泵送胀管器的情况下使管状元件逐渐膨胀。

此外，利用相对于井眼壁密封膨胀管部，可以防止井内流体从井眼不希望地流出，或者防止地层流体经过膨胀管部不希望地流入井眼。

适当地，每个密封构件设置在管状元件上，其中，密封构件位于膨胀管部的外表面和内表面之一上。

密封构件可以通过适当的连接装置固定连接到膨胀管部上，或者它可以与膨胀管部整体形成。

优选的是，管状元件的壁包括在弯曲区发生塑性变形的材料，使得膨胀管部因所述塑性变形而保持膨胀形状。这样，可以实现膨胀管部由于壁部的塑性变形，即永久变形而保持膨胀形状。因此，无需外部作用力或压力保持膨胀形状。如果(例如)膨胀管部已经由于壁部的所述弯曲而膨胀抵靠井眼壁的话，不需要给膨胀管部施加外部径向力或压力以使其保持抵靠井眼壁。适当地，管状元件的壁部由金属制成，例如钢或能够通过管状元件外翻而产生塑性变形的任何其它延展性金属。膨胀管部具有足够的抗塌陷强度，例如为100-150巴左右。

如果管状元件在井眼中竖直延伸的话，可以使用剩余管部的重量来提供使弯曲区进行向下运动所需的作用力。

适当地，通过使剩余管部相对于膨胀管部沿轴向运动，使得弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向移动。例如，膨胀管部保持固定，而剩余管部穿过膨胀管部沿轴向方向移动，从而使壁部发生所述弯曲。

为了产生剩余管部的所述运动，优选的是，剩余管部经受产生所述运动的轴向压力。优选地，轴向压力至少部分地由剩余管部的重量引起。必要时，重量可以通过施加到所述剩余管部上以引起所述运动的外加向下作用力而增加。由于剩余管部的长度增加而导致重量增加，需要给剩余管部施加向上作用力，以防止在弯曲区内产生不受控制的弯曲或纵弯。

如果弯曲区位于管状元件的下端的话，剩余管部由于弯曲区的所述运动而在其下端轴向缩短，优选的是，将所述剩余管部相应于其下端处的所述轴向缩短而在其上端轴向延伸。由于壁部连续反向弯曲，剩余管部下端逐渐缩短。因此，通过使剩余管部在其上端伸长以补偿其下端处的缩短，壁部反复弯曲工艺可以连续进行，直到达到膨胀管部所需的长度。例如，通过将管状部分以任何适当方式(例如，通过焊接)连接至所述上端，可以使剩余管部在其上端伸长。可选地，剩余管部可以设置为盘管，其从绞盘上开卷并且随后插入井眼中。

作为围绕剩余管部形成膨胀管部的结果，在未膨胀管部和膨胀管部之间形成环形空间。为了提高膨胀管部的抗塌陷强度，加压流体可以注入环形空间中。流体压力可以单独由环形空间内的液柱重量产生，或者另外，还来自施加给液柱的外压力。

适当地，胀管工艺通过各种适当的手段适当地起始于使管状元件的壁部在其下端部弯曲。

有利地是，井眼利用延伸穿过未膨胀管部的钻柱进行钻进。在这种应用中，未膨胀管部和钻柱优选地在利用钻柱钻井期间穿过井眼同步下降。

选择性地，弯曲区可被加热以促进管壁的弯曲。

为了减少未膨胀管部在胀管加工期间的任何压曲趋势，剩余管部有利地保持定心在膨胀管部内。

附图说明

下面将参考附图以举例方式更详细地描述本发明，其中：

图1示意性地显示了在衬管外翻初始阶段期间的井眼系统的第一实施例；

图2示意性地显示了在衬管外翻后续阶段期间的第一实施例；

图3示意性地显示了图2的细节A；

图4示意性地显示了在衬管外翻初始阶段期间的井眼系统的第二实施例；

图5示意性地显示了在衬管外翻后续阶段期间的第二实施例；

图6示意性地显示了在衬管外翻初始阶段期间的井眼系统的第三实施例；

图7示意性地显示了在衬管外翻后续阶段期间的第三实施例；

图8示意性地显示了图7的细节B；和

图9示意性地显示了第一实施例，改进在于钻柱延伸穿过井眼衬管。

具体实施方式

在附图和说明书中，相同的数字表示相同的部件。

参考图1-3，显示了第一实施例的纵向剖视图，包括延伸到地层2中的井眼1和形式为向下延伸到井眼1中的衬管4的管状元件。衬管4已经通过衬管壁外翻部分地径向膨胀，由此形成衬管4的径向膨胀管部10，其具有与井径大体上相等的外径。衬管4的剩余管部8在膨胀管部10内同心地延伸。

衬管4的壁部由于其下端外翻而沿径向向外和轴向相反(即向上)方向延伸以形成使剩余衬管部8和膨胀衬管部10相互连接的衬管的U形下部16。衬管4的U形下部16限定了衬管的弯曲区18。

膨胀衬管部10通过膨胀衬管部10和井眼壁19之间由膨胀过程产生的摩擦力轴向固定到井眼壁19上。可选地或者另外，膨胀衬管部10通过任何适当的锚固装置(未显示)锚固到井眼壁上。

衬管4设置有多个沿衬管4轴向隔开的环形密封构件20。为了便于参考，只显示了一个密封构件20。在剩余衬管部8上，每个密封构件20定位在剩余衬管部8的内表面上(图1)。在衬管外翻之后，密封构件20定位在膨胀衬管部10的外表面上(图2)。另外，每个密封构件20压靠井眼壁19，从而在膨胀衬管部10和井眼壁19之间形成密封。

密封构件20可以由适于压靠井眼壁19的任何适当材料制成，所述材料例如钢、橡胶、复合材料等。

此外，密封构件20可以通过适当的连接装置固定连接到衬管4上，或者密封构件20可以与衬管4整体形成。

进一步参考图4和5，显示了与第一实施例大体上类似的第二实施例的纵向剖视图。然而，代替与衬管相连的环形密封构件，在第二实施例中，环形密封构件25与井眼壁19相连。密封构件25可以通过适当装置固定连接到井眼壁19上，或者密封构件25可以与井眼壁整体形成。在后一种情况下，密封构件25可以形成为例如从井眼壁19径向向内延伸的环形突脊。

参考图6-8，显示了与第一实施例大体上类似的第三实施例的纵向剖视图。然而，在第三实施例中，环形密封构件30设置在剩余衬管部8的外表面上，而非内表面上。与第一实施例相同，密封构件30可以通过任何适当的连接装置连接到衬管4上，或者密封构件30可以与衬管4整体形成。如图7所示，在外翻加工之后，密封构件30位于膨胀衬管部10的内表面上，因此，在每个密封构件30的位置处，膨胀衬管部8的壁部比没有密封构件的相邻位置更加径向向外延伸(图8)。

进一步参考图9，显示了第一实施例的纵向剖视图，改变之处在于，钻柱40从地面穿过未膨胀衬管部8延伸到井眼1的底部。钻柱40具有井底钻具组件，其包括井底电机42和由所述井底电机42驱动的钻头44。钻头44包括导向钻头46和扩孔部48，所述导向钻头的基准直径略小于剩余衬管部8的内径，所述扩孔部的基准直径适于将井眼1钻到其公称直径。扩孔部48可径向缩回至允许其穿过未膨胀衬管部8的外径，使得钻柱40可以通过未膨胀衬管部8取回到地面。

在第一实施例(图1-3)的正常操作期间，衬管4的下端部首先外翻，即，下部沿径向向外和轴向相反方向弯曲。从而首先形成U形下部16和膨胀衬管部10。随后，已经形成的短膨胀衬管部10通过任何适当的锚固装置锚固到井眼壁上。根据衬管4的几何结构和/或材料性质，可选地，膨胀衬管部10可以因膨胀衬管部10和井眼壁19之间的摩擦自动锚固到井眼壁上。

随后给未膨胀衬管部8施加足够大小的向下作用力F，以便使未膨胀衬管部8逐渐向下移动。因此，未膨胀衬管部8逐渐外翻，从而将未膨胀衬管部8逐渐转变为膨胀衬管部10。在外翻加工期间，弯曲区18以未膨胀衬管部8的运动速度大约一半的速度沿向下方向移动。

在外翻加工期间，密封构件20从剩余衬管部8的内部移动到膨胀衬管部10的外面。因为膨胀衬管部10的外表面具有与井径大体上相同的直径，并且因为密封构件20从所述外表面径向向外延伸，密封构件被压紧在膨胀衬管部10和井眼壁19之间。因此，密封构件经受来自井眼壁19的径向向内反作用力，其使膨胀衬管部10的壁部产生微小的弹性变形。由于该弹性变形，密封构件20保持压靠井眼壁19，使得膨胀衬管部10永久密封抵靠井眼壁19。

这样，可以实现来自井眼的流体，或者来自周围地层的流体不能在膨胀衬管部10和井眼壁19之间发生泄漏。

如果希望的话，可以选择衬管4的直径和/或壁厚，使得膨胀衬管部10位于相邻密封构件20之间的部分由于胀管工艺而压靠井眼壁19，从而密封井眼壁和/或稳定井眼壁。这样，密封构件20提供了附加的密封性能。

由于未膨胀部8的长度逐渐增加，由此使重量逐渐增加，向下作用力F的大小可以根据未膨胀部8的重量增加而逐渐减小。

第二实施例的正常操作与第一实施例的正常操作大体上相似，区别在于，在衬管4外翻之前，密封构件25连接到井眼壁19上或与其整体形成。当弯曲区18在衬管4外翻期间稳定地向下移动时，密封构件25顺次被压在膨胀衬管部10和井眼壁19之间(图5)。

第三实施例(图6-8)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似。如上所述，密封构件30在外翻处理之后位于膨胀衬管部10的内表面上。衬管4的壁部的抗弯强度在密封构件30与衬管相连的位置高于没有密封构件的相邻位置。因此，在每个密封构件30的位置处，衬管4的壁部在外翻加工期间以比没有设置密封构件的相邻位置处更大的弯曲半径弯曲。

就此而言，在每个密封构件30的位置处，膨胀衬管部8的壁部的部分32比相邻位置(图8)更加径向向外地延伸。

因此，每个壁部分32压靠井眼壁19并且承受来自井眼壁19的径向向内反作用力，其使壁部分32产生微小的弹性变形。该弹性变形使壁部32保持压靠井眼壁19，使得膨胀衬管部10永久密封抵靠井眼壁19。

这样，可以实现来自井眼的流体，或者来自周围地层的流体不能在膨胀衬管部10和井眼壁19之间发生泄漏。

如果希望的话，可以选择衬管4的直径和/或壁厚，使得膨胀衬管部10位于壁部32之间的部分由于胀管处理也压靠井眼壁19。这样，壁部32提供了附加的密封性能。

就衬管4的外翻而言，改进的第一实施例(图9)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似。另外，下列特征适用于改进的第一实施例的正常操作。操作井底电机42以使钻头44旋转，从而通过进一步钻进使井眼1变深。因此，钻柱40向下逐渐移动到井眼1中。同时，剩余衬管部8以受控方式并且以与钻柱40大体上相同的速度向下移动，从而确保弯曲区18保持在钻头44上方的短距离处。可以通过控制如上所述的向下作用力F实现剩余衬管部8的受控下降。

最初，需要给未膨胀衬管部8施加向下作用力F以使其随着钻柱40的下降而同步下降。随着未膨胀衬管部8的长度增加，及由此造成的重量增加，向下作用力F的大小可以逐渐减小，最终被向上作用力取代以防止未膨胀衬管部8发生纵向弯曲。这种向上作用力可以在地面施加给剩余衬管部8，或者它可以施加给钻柱40并且通过适当的力传递装置(未显示)传递给剩余衬管部8。在井眼1的钻进期间，还可以使用未膨胀衬管部8的重量与作用力F(如果有的话)的组合给钻头44施加推力。

还可以通过将剩余衬管部8轴向限制到钻柱40上实现剩余衬管部8和钻柱40的同步下降。例如，钻柱40可以设置有支承装置(未显示)，其支撑衬管4的U形下部16。

在进行钻进时，相应于未膨胀衬管部8下降到井眼中而在其顶部上增加管段，与用于将套管或衬管安装到井眼中的正常操作相同。

当需要将钻柱40取回地面时，例如，当钻头44将要更换或者当井眼1的钻进完成时，将扩孔部42置于其径向收缩模式。随后，钻柱24穿过未膨胀衬管部8取回地面。

在实施本发明的方法时，可以使用第一、第二和第三实施例的各种组合。因此，在单个应用中，密封构件可以设置在剩余衬管部的内表面上、剩余衬管部的外表面上和井眼壁上。

此外，环形密封构件优选地由在与井内流体和/或地层流体接触时可发生膨胀的可膨胀弹性体制成或者包括该可膨胀弹性体。因此，可以实现在可膨胀弹性体膨胀之后，增强密封构件密封抵靠井眼壁。为了防止可膨胀弹性体在安装到井眼中期间过早膨胀，适当地，每个环形密封构件设置有保护涂层，其在密封构件随着它穿过弯曲区发生径向膨胀时，或者在密封构件压紧在膨胀衬管部和井眼壁之间时发生破裂。在保护涂层破裂之后，可膨胀弹性体暴露给井内流体或地层流体，从而开始膨胀。如果对密封构件来说只有很少或没有空间膨胀，密封构件更牢固地压紧在井眼壁和膨胀衬管部之间，从而提高了其密封性能。

利用如上所述的方法，在钻进过程期间，井眼用正位于钻头上面的外翻衬管逐渐加衬。因此，在钻井过程期间始终只有相对较小的井眼开放井段。这种短开放井段的优点在钻入地层的含烃类流体层期间最为显著。就此而言，对于许多应用来说，只在钻入烃类流体储层期间进行钻进期间的衬管外翻处理就足够了，而井眼的其他部分以传统的方式加衬管或加套管。可选地，钻进期间的衬管外翻工艺根据环境在地面或者在井下选定位置开始。

就钻进期间的短开放井段而言，显著降低了井内流体压力梯度超过岩层破裂梯度，或者井内流体压力梯度降低到岩层的孔隙压力梯度以下的风险。因此，与必须在选定间隔处设置直径呈阶梯式减小的套管的常规钻进相比，能够以单一的公称直径钻进相当长的间隔。

同样，如果井眼钻穿页岩层的话，这种短开放井段消除了由页岩层隆起而可能引起的问题。

在井眼1已经钻到预定深度并且钻柱40已经从井眼中取出之后，仍然留在井眼1中的未膨胀衬管部8的管段可以留在井眼中或者可以从膨胀衬管部10上切下并取回地面。

在未膨胀衬管部8的管段留在井眼1中的情况下，对完井来说有若干种选择。例如，如下所述。

A)将例如海水的流体泵入未膨胀衬管部和膨胀衬管部8、10之间的环形空间内，以便给环形空间加压和提高膨胀衬管部10的抗塌陷强度。选择性地，在U形下部16上设置一个或多个孔以允许泵送流体循环。

B)将重流体泵入环形空间，从而支撑膨胀衬管部10和提高其抗塌陷强度。

C)将水泥泵入环形空间以便在水泥硬化后在未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10之间产生固体，从而使水泥在硬化时膨胀。

D)例如通过使胀管器泵送、推动或拉动穿过未膨胀衬管部8而使未膨胀衬管部8靠着膨胀衬管部10径向膨胀(即，产生包层)。

在上述实例中，在地面或在井下位置使衬管膨胀。在海上平台位于井眼上方的近海井眼的情况下，在海面上，有利地是在海上平台开始胀管加工。在这种工艺中，弯曲区从海上平台移动到海底并且从海底进一步移动到井眼中。因此，最终的膨胀管状元件不仅在井眼中形成衬管，而且隔水管从海上平台延伸到海底。从而不再需要单独的隔水管。

此外，例如用于与井下设备连通的电线或光纤的管道可以在位于膨胀部和未膨胀部之间的环形空间内延伸。这种管道可以在管状元件膨胀之前附接到管状元件的外表面上。同样，可以使用膨胀和未膨胀衬管部作为电气管道以在井下传送数据和/或电能。

由于在外翻加工完成之后仍然保留在井眼中的未膨胀衬管部的任意管段与膨胀衬管部相比经受没那么苛刻的负载条件，这段未膨胀衬管部与膨胀衬管部相比可以具有更小壁厚，或者可以具有更低的质量或钢号。例如，它可以由具有较低屈服强度或较低挤毁等级的管子制成。

代替在胀管加工之后在井眼中保留一段未膨胀衬管部，整个衬管可以利用本发明的方法膨胀，使得在井眼中不保留未膨胀衬管部。在这种情况下，在胀管加工的最后阶段，可以使用例如管柱的细长构件给未膨胀衬管部施加必要的向下作用力F。

为了在上述任意一个实例中描述的胀管加工期间减小未膨胀管部和膨胀管部之间的摩擦力，可以在未膨胀和膨胀管部之间施加适当的摩擦减小层，例如聚四氟乙烯层。例如，摩擦减小涂层可以在胀管之前施加到管状元件的外表面上。此外，这种由摩擦减小材料制成的层减少了未膨胀管部和膨胀管部之间的环状间隙，从而使未膨胀管部减少压曲趋势。代替或另外，可以在未膨胀管部和膨胀管部之间施加这种摩擦减小层、定心垫和/或滚子以减少其间的摩擦力和环状间隙。

代替使膨胀衬管部靠着井眼壁(如上所述)膨胀，膨胀衬管部可以靠着已经存在于井眼中的另一个管状元件的内表面膨胀。

Claims (13)

1.一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

使管状元件的壁沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，其中，所述弯曲在管状元件的弯曲区内进行；

使所述弯曲区相对于所述剩余管部沿轴向方向移动以便使所述膨胀管部的长度增加；

其中，所述管状元件和井眼壁二者之一设置有至少一个密封构件，其布置为使所述膨胀管部相对于所述井眼壁产生密封。

2.如权利要求1所述的方法，其中，每个密封构件包括在与选自地层流体和井内流体的流体接触时能够发生膨胀的可膨胀弹性体。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，每个密封构件设置在管状元件上，其中，所述密封构件位于膨胀管部的外表面和内表面之一上。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述密封构件固定连接到膨胀管部上。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述密封构件与膨胀管部整体形成。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述管状元件的壁包括在弯曲加工期间在弯曲区中易于发生塑性变形的材料，使得膨胀管部因所述塑性变形而保持膨胀形状。

7.如权利要求1所述的方法，其中，通过使剩余管部相对于膨胀管部沿轴向方向移动而使所述弯曲区相对于剩余管部沿轴向方向移动。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述剩余管部承受使该剩余管部进行所述移动的轴向压力作用。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述轴向压力至少部分地缘于所述剩余管部的重量。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述轴向压力至少部分地缘于施加给所述剩余管部的外部作用力。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述剩余管部由于弯曲区的所述移动而在其下端轴向缩短，并且其中，所述方法还包括使剩余管部相应于其下端的所述轴向缩短在其上端发生轴向延伸。

12.如权利要求1所述的方法，其中，钻柱延伸穿过剩余管部以进一步钻进井眼。

13.如权利要求12所述的方法，其中，剩余管部和钻柱在利用钻柱钻井期间穿过井眼同步下降。

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