CN101896683B - 用于钻井筒的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于向地层中钻井筒(1)的系统。该系统包括延伸到井筒中的可膨胀管元件(4)，其中管元件(8)的壁的下端部分(11)沿径向向外且沿轴向反方向延伸，以便限定膨胀管段(10)，膨胀管段绕管元件的其余管段(4)延伸。该膨胀管段能通过其余管段相对于膨胀管段的向下移动而延伸，其中壁的所述下端部分(14)沿径向向外且沿轴向反方向弯曲。

Description

用于钻井筒的系统

技术领域

本发明涉及用于向地层中钻井筒的系统，可膨胀管元件由此延伸到该井筒中。

背景技术

在井筒中径向膨胀管元件的技术在从地下地层生产油气的工业中得到越来越多的应用。井筒一般设置有一个或多个套管或衬管，以给井筒壁提供稳定性，和/或在不同层的地层之间提供层位封隔。术语“套管”和“衬管”是指用于支撑和稳定井筒壁的管元件，其中，一般的理解是套管从地面向井筒中延伸而衬管从一定深度进一步向井筒中延伸。但是，在本文中，术语“套管”和“衬管”可互换地使用而不进行这种有意的区分。

在传统的井筒结构中，在不同的深度层段以嵌套布置方式放置若干套管，其中每个在后的套管通过前一套管下放，因而具有比前一套管更小的直径。结果，可用于油气生产的井筒横截面大小随深度减小。为减弱该缺点，已成为惯例的是，在井筒中的所需深度处径向膨胀一个或多个管元件，例如用以形成膨胀套管、膨胀衬管或紧靠已有套管或衬管的包层。另外，还曾提出使每一在后套管径向膨胀到与前一套管大致相同的直径以形成单孔井筒。因此与传统的嵌套布置相反，得以实现井筒的有效直径沿其(部分)深度大致保持恒定。

EP1438483B1公开了在井筒中膨胀管元件的系统，其中，在钻新井筒段的过程中，未膨胀状态下的管元件在开始被附接至钻柱。

为了膨胀这种井筒管元件，通常使用最大外径大致等于膨胀后的所需管径的圆锥形膨胀器。将该膨胀器泵送、推送或牵拉通过该管元件。这种方法可能会导致在膨胀器和管元件之间产生高摩擦力。另外，还存在膨胀器卡在管元件中的风险。

EP0044706A2公开了编织材料或布料制成的柔性管，通过外翻使该柔性管在井筒中膨胀以将被泵送到井筒中的钻井液(流体)与流向地面的泥浆钻屑分离。

但是，需要一种改进的用于钻井筒的系统，由此，可膨胀管元件延伸到井筒中。

发明内容

依照本发明，提供了一种向地层中钻井筒的系统，该系统包括：

-延伸到井筒中的可膨胀管元件，其中管元件的壁的下端部分沿径向向外且沿轴向反方向延伸，以便限定膨胀管段，所述膨胀管段绕管元件的其余管段延伸，该膨胀管段能通过其余管段相对于膨胀管段的向下移动而延伸，由此，壁的所述下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲；以及

-通过该其余管段延伸的钻柱，其中该管元件和该钻柱被设置成从该其余管段向该钻柱传递推力，并且其中该钻柱包括喷头，该喷头用于通过向井筒的底部喷射流体流来使井筒加深。

在钻井过程中，通过相对于膨胀管段向下移动其余管段，有效地使管元件由里向外翻转，由此，管元件的壁的下端部分连续地沿径向向外且沿轴向反方向弯曲，以使管元件在不需要被推送、牵拉或泵送通过管元件的膨胀器的情况下逐渐膨胀。按该方式，膨胀管段在钻井过程中形成安装在井筒中的套管或衬管，因此在钻井过程中能够维持相对较短的裸井段。

而且，能够使从该其余管段传递到钻柱的推力保持较小，因为相比于使用传统钻头进行钻井所需的较大推力，喷头仅需要较小推力。因此，必须施加至该其余管段以使其向下移动的向下力仅包括在钻井过程中用以推进钻柱的小部分。从而，相比于使用传统钻头进行钻井，显著降低了超过该其余管段的屈服强度的风险。

本发明的系统适宜地包括用于使喷头在该其余管段中对中的装置。

在一个优选的实施例中，钻柱设置有扩孔器，该扩孔器用于至少将井筒扩展至膨胀管段的外径。

为了在钻井时维持短的裸井段，优选将该其余管段和钻柱布置成同时在井筒中下放，其中，例如，将壁的所述下端部分布置成在钻井筒过程中以与钻柱的下放速度大致相同的速度下放到井筒中。

优选地，管元件的壁包括在弯曲过程中发生塑性变形的材料，以使膨胀管段保持作为所述塑性变形结果的膨胀形状。因而，不需要施加外力或压力到膨胀管段以维持其膨胀形式。如果，例如作为壁的所述弯曲的结果，膨胀管段膨胀而抵靠井筒壁，则无需施加外部径向力或压力到膨胀管段以保持其抵靠井筒壁。管元件的壁适宜地由金属制成，比如钢或任何其它能够通过管元件的外翻而塑性变形的可延展金属。于是，膨胀管段具有充分的抗挤强度，例如在100-150bar的范围内。

适宜地，在使膨胀管段在井筒中保持固定的同时引发该其余管段向下移动。

为了引发所述向下移动，优选使该其余管段经受轴向压缩力，该轴向压缩力可至少部分来源于该其余管段的重量。如果必要，该重量可由施加到该其余管段的外部向下力来补充以引发所述移动。当该其余管段的长度增加，从而其重量增加时，可能需要对该其余管段施加向上力以防止壁发生不受控制的弯曲或屈曲。

适宜地，与其向下移动相应，该其余管段在其上端被轴向延伸。这一点例如通过以任何适当的方式(比如焊接)在上端增加管部分来实现。替代地，该其余管段形成为盘管，该盘管从卷轴上展开，并随后插入井筒。这样，可以继续管元件的外翻过程直到膨胀了所需长度的管元件为止。

附图说明

下面将参照附图通过示例更详细地描述本发明，其中：

图1示意性示出本发明的系统的第一实施例的下部部分；

图2示意性示出处在切削井筒中的管元件的过程中的第一实施例；

图3示意性示出本发明的系统的第二实施例的下部部分。

在附图和描述中，类似的附图标记涉及类似的部件。

具体实施方式

参照图1和2，示出了包括井筒1和可膨胀管元件的系统，井筒1延伸到地层2中，可膨胀管元件呈从地面向下延伸到井筒1中的衬管4的形式。衬管4已通过衬管壁的外翻而部分径向膨胀，由此，已形成衬管4的径向膨胀管段10，其具有大致等于井筒直径的外径。呈未膨胀衬管段8的形式的衬管4的其余管段在膨胀管段10内同心地延伸。

由于其下端处的外翻，衬管4的壁沿径向向外且沿轴向反方向(即，向上)弯曲，以便形成将未膨胀衬管段8和膨胀衬管段10相互连接的U形下段11。衬管4的U形下段11限定了衬管的弯曲带12。

膨胀衬管段10通过任何适当的锚固装置(未示出)，或通过产生于膨胀过程的存在于膨胀衬管段10和井筒壁14之间的摩擦力，而轴向固定至井筒壁14。衬管4的U形下段11位于在井筒底部上方一小段距离的地方，因此将裸井井筒段13限定在U形下段11下方。

钻柱20从地面通过未膨胀衬管段8延伸到井筒1的底部，其中喷头22位于钻柱20下端处。喷头22包括多个喷射喷嘴24和切削喷嘴26。喷射喷嘴24定向成用于对着井筒1的底部和/或壁喷射流体射流28。每一流体射流28均适宜地包括其中夹带有磨料颗粒的流体流，例如水流。切削喷嘴26从喷头向外径向定向。

钻柱20设置有具有曲面部分32的导向装置30，该曲面部分32被设置成能够从衬管4向钻柱20传递推力，并且在衬管4外翻过程中支撑和引导衬管4的U形下段11。导向装置30可相对于钻柱20绕其中心纵向轴线旋转。而且，导向装置30是可收缩的，以便使其能够通过未膨胀的衬管段4(图2)。

图3示出第二实施例，它与第一实施例大致相似，除外的是切削头22设置有扩孔器33，扩孔器33适于将井筒1扩展到与膨胀衬管段10的外径大致相等的名义直径。扩孔器33可径向回缩，以容许扩孔器33在处于回缩模式时通过未膨胀的衬管段4。

在第一实施例的正常操作过程中(图1和2)，开始时将衬管4的下端部分外翻。也即，将该下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲，由此开始U形下段11和短长度的膨胀衬管段10。之后，通过锚固装置将膨胀衬管段10锚固至井筒壁14。根据衬管4的几何和/或材料特性而定，替代地，可使膨胀衬管段10通过膨胀衬管段10和井筒壁14之间的摩擦力自动地锚固至井筒壁。

然后在未膨胀的衬管段8上施加向下力，以便使其逐渐向下移动。结果，未膨胀的衬管段8渐渐外翻，由此，将未膨胀的衬管段8转变为膨胀衬管段10。弯曲带12在外翻过程中以为未膨胀衬管段8向下移动的速度大约一半的速度向下移动。

如果想要的话，衬管4的机械特性和尺寸可选择成使得作为膨胀过程的结果，使膨胀衬管段10被压在井筒壁14上，以便对井筒壁进行密封和/或稳定该井筒壁。

由于未膨胀衬管段8的长度逐渐增加并且从而其重量逐渐增加，因此与未膨胀衬管段8的渐增的重量相应，可逐渐降低向下力的大小。最后，向下力可能需要被向上力来取代，以防止衬管段8屈曲。

与未膨胀衬管段8的向下移动相应，未膨胀衬管段8相应地在其上端被延伸，例如通过给衬管添加管段，或者通过由卷轴上的金属薄板连续形成衬管来实现。

与未膨胀衬管段8进入到井筒中的向下移动同时，操作钻柱20以通过对着井筒底部喷射流体射流28来加深井筒，其中钻柱慢慢旋转。钻柱20因而逐渐向下移动进入井筒1。施加到未膨胀衬管段4上的力受到控制，以使得衬管4的U形段11以与钻柱20相同的速度向下移动并且保持与导向装置30的曲面部分32接触，由此，U形下段11在钻柱20上施加小的推力。随着衬管4的逐渐外翻，推力的增大部分由未膨胀衬管段8的重量产生。

由于相对于以传统钻头进行钻井所需要的推力，喷头22仅需要较小的推力来开凿井筒，因此能够使未膨胀衬管段4中的压缩负载保持较低。因而显著降低了未膨胀衬管段4无意中屈曲的风险。

如果需要切削未膨胀衬管段4，则收缩导向装置30并升起钻柱20，直到切削喷嘴26被定位在所需的切削水平(图2)。随后通过切削喷嘴26对着未膨胀衬管段4喷射具有夹带的磨料颗粒的流体射流36，从而切削衬管段4。

第二实施例的正常操作与第一实施例的正常操作大致相似。另外，扩孔器33在使用钻柱20进行钻井的过程中保持在膨胀模式下，因而将井筒1的直径扩大到名义直径。

在第二实施例的一个修正型式中(未示出)，钻柱在下端设置有传统的导向钻头，用以钻较小直径的导向孔，并且扩孔器设置有喷射喷嘴以将井眼扩大到其名义直径。由于喷射喷嘴在流体射流的方向和速度方面能够受到精确地控制，因此扩孔器中的喷射喷嘴使得能够将井眼精确地钻到其名义直径。

当需要将钻柱20收回地面时，径向回缩导向装置30和扩孔器33(如果存在)并且通过未膨胀衬管段8收回钻柱20。

利用本发明的系统，实现了井筒在钻井过程中由直接位于喷头上方的外翻衬管逐渐加衬。结果，无论什么时候，井筒仅有相对较短的裸井段。在钻入地层的含烃流体层的过程中，这种短裸井段的优势将最为显著。因此，对于许多应用来说，如果钻井过程中的衬管外翻过程仅在钻入烃流体储层过程中应用，而井筒的其它段以传统方式加衬或包套，就将是足够的。替代地，根据不同情况，钻井过程中的衬管外翻过程可在地面或经过选定井下位置处开始。

由于钻井过程中的裸井段较短，井筒流体压力梯度超过岩层断裂梯度的风险或井筒流体压力梯度下落到岩层孔隙压力梯度之下的风险显著降低。因此，相比传统的钻井作业，能够以单一名义直径钻出显著更长的层段，其中在传统的钻井作业中，必须在选定距离处设置直径阶梯式减小的套管。

另外，如果通过页岩层钻井筒，这种较短的裸井段则消除了可能因页岩的升沉倾向而产生的问题。

在井筒已钻出所需深度并且钻柱已从井筒移除之后，可将仍存在于井筒中的一定长度的未膨胀衬管段保留在井筒中，或者可将其从膨胀衬管段上切下并收回至地面。

如果这段未膨胀衬管段保留在井筒中，对于井筒的完井有几种选择。例如，如下：

A)将流体(例如盐水)泵送到未膨胀衬管段和膨胀衬管段之间的环形空间中，以便对该环形空间加压并增加膨胀衬管段的抗挤强度。可选的是，在U形下段中设置一个或多个孔以容许被泵送流体循环。

B)将重流体泵送到该环形空间中，以便支撑膨胀衬管段并增加其抗挤强度。

C)将水泥泵送到该环形空间中，以便在水泥变硬后在未膨胀衬管段和膨胀衬管段之间产生坚实固体，其中水泥可在变硬时膨胀。

D)使未膨胀衬管段抵靠着膨胀衬管段径向膨胀(也即，包盖)，例如通过泵送、推送或牵拉膨胀器经过未膨胀衬管段来实现。

在上述示例中，衬管的膨胀在地面或在一井下位置处开始。在海上井筒的情况下，其中在井筒上方、在水面处安置有海上平台，在海上平台处开始膨胀过程会是有利的。在这种过程中，弯曲带从海上平台向海床移动并且从那里进一步移动到井筒中。这样，所得到的膨胀管元件不仅在井筒中形成衬管，而且形成从海上平台向海床延伸的立管。因而无需单独的立管。

此外，可使管道(比如用以与井下设备通信的电线或光纤)在膨胀段和未膨胀段之间的环形空间中延伸。这种管道可在管元件膨胀之前附接至管元件的外表面。另外，膨胀衬管段和未膨胀衬管段可用作电导体以向井下传送数据和/或电力。

由于在外翻过程完成后仍存在于井筒中的任何长度的未膨胀衬管段相比膨胀衬管段所经受的负载状况不太严峻，因此这段长度的未膨胀衬管段相比膨胀衬管段可具有较小的壁厚，或者可以具有较低质量或较低钢等级。例如，它可由具有相对较低的屈服强度或相对较低的收缩额定值的材料制成。

作为在膨胀过程之后在井筒中保留一定长度的未膨胀衬管段的替代，可利用上述方法膨胀整个衬管，以使井筒中未剩余未膨胀衬管段。在这种情形中，可在外翻过程的最后阶段中使用一伸长部件(例如管柱)在未膨胀衬管段上施加所需的向下力。

为了减小膨胀过程中存在于未膨胀衬管段和膨胀衬管段之间的摩擦力，适宜地将一减摩层(比如特氟纶(Telfon)层)应用在未膨胀衬管段和膨胀衬管段之间。例如，可将减摩涂层在膨胀前应用至衬管的外表面。而且，这种减摩材料层还减小了未膨胀段和膨胀段之间的环形空隙，这导致未膨胀段的屈曲倾向减少。替代地或另外地，可在未膨胀段和膨胀段之间应用这种减摩层、对中垫和/或辊子，以减小摩擦力和其间的环形空隙。

作为使膨胀衬管段抵靠着井筒壁膨胀(如所描述的)的替代，可使膨胀衬管段抵靠着已存在于井筒中的另一管元件的内表面膨胀。

Claims (8)

1.一种向地层中钻井筒的系统，包括：

-延伸到井筒中的可膨胀管元件，其中该可膨胀管元件的壁的下端部分沿径向向外且沿轴向反方向延伸，以便限定膨胀管段，所述膨胀管段绕该可膨胀管元件的其余管段延伸，膨胀管段能通过其余管段相对于膨胀管段的向下移动而延伸，由此壁的所述下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲；以及

-通过该其余管段延伸的钻柱，其中该可膨胀管元件和该钻柱被设置成从该可膨胀管元件向该钻柱传递推力，并且其中该钻柱包括喷头，该喷头用于通过对着井筒的底部喷射流体流来使井筒加深。

2.如权利要求1所述的系统，还包括用于使喷头在该其余管段中对中的装置。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中膨胀管段具有外径，并且钻柱设置有扩孔器，该扩孔器用于至少将井筒扩展至膨胀管段的外径。

4.如权利要求1所述的系统，其中该其余管段和钻柱布置成同时在井筒中下放。

5.如权利要求4所述的系统，其中将壁的所述下端部分布置成在钻井筒过程中以与钻柱的下放速度大致相同的速度下放到井筒中。

6.如权利要求1所述的系统，其中该可膨胀管元件的壁包括易于在壁的所述弯曲过程中发生塑性变形的材料，以使膨胀管段保持作为所述塑性变形结果的膨胀形状。

7.如权利要求1所述的系统，其中该其余管段经受轴向压缩力，该轴向压缩力用以引发该其余管段的所述向下移动。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述轴向压缩力至少部分来自于该其余管段的重量。

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