CN101896689A

CN101896689A - 在井眼中使管状元件膨胀的方法

Info

Publication number: CN101896689A
Application number: CN200880120340.0A
Authority: CN
Inventors: P·C·克里塞尔斯
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CA2704890A1; US20100270036A1; WO2009074639A1; US8387709B2; AU2008334610B2; AU2008334610A1; CN101896689B

Abstract

本发明提供了一种在形成于地层中的井眼内使管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括将管状元件(4)布置在井眼中，因此，管状元件壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向延伸，从而限定围绕管状元件的剩余管部(8)延伸的膨胀管部(10)；和通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动选定距离而使所述膨胀管部轴向延伸，使得所述壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲。剩余管部在其上端轴向延伸有延伸的管状部分，所述延伸管状部分的长度至少等于剩余管部向下移动的所述距离。

Description

在井眼中使管状元件膨胀的方法

技术领域

本发明涉及在形成于地层的井眼中使管状元件径向膨胀的方法。

背景技术

在井眼中径向膨胀管状元件的技术在从地下岩层中进行油气生产的工业中产生越来越多的应用。井眼通常设置有一个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，衬管从某一深度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区别。

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，用于油气生产的横截面井眼尺寸随深度减小。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膨胀的系统，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。

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。这种方法可以在胀管器和管状元件之间产生高摩擦力。同样，存在胀管器卡在管状元件中的风险。

EP 0044706 A2公开了一种通过外翻在井眼中膨胀的由编织材料或织物制成的柔性管，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。

然而，需要在井眼中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：

将管状元件布置在井眼中，因此，管状元件的壁的下端部沿径向向外和轴向相反方向延伸，从而限定围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部；

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动选定距离而使所述膨胀管部轴向延伸，使得所述壁的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲；

使剩余管部在其上端轴向延伸，且延伸的管状部分的长度至少等于剩余管部向下运动的所述距离。

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动，管状元件有效从里向外翻转，因此，在无需穿过管状元件推动、拉动或泵送的胀管器的情况下使管状元件逐渐膨胀。膨胀管部可以在井眼中形成套管或衬管。

此外，由于壁连续反向弯曲，剩余管部在其下端逐渐缩短。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，壁反向弯曲工艺可以连续进行，直到膨胀管部达到希望长度。

在有利的应用中，管道延伸到剩余管部中，其中，延伸的管状部分围绕管道装配。这样，剩余管部可以在不取下管道的情况下在其上端延伸。

适当地，所述延伸的管状部分由彼此轴向偏移的第一和第二壁部，以及与所述第一和第二壁部轴向重叠的第三壁部形成。因此可以实现第一和第二壁部之间的连接不会在剩余管部的整个圆周上延伸。这具有如下好处：在外翻加工期间第一和第二壁部之间连接受到损坏的情况下，这种损坏不会沿着剩余管部的整个圆周扩散。

在优选的应用中，所述第一和第二壁部包括在第一列壁部内，所述第三壁部包括在第二列壁部内，所述第一列、第二列沿轴向方向彼此交错。

为了进一步降低在外翻期间损坏沿圆周方向扩散的风险，第一和第二壁部适当地在相对于剩余管部的中心纵向轴线倾斜延伸的连接处相互连接。

在流体团位于剩余管部中的情况下，适当地，流体管道从流体团延伸到位于剩余管部上方的位置，因此，流体管道相对于剩余管部能够沿向上方向移动。通过响应于剩余管部在其上端的延伸使流体管道向上移动，可以通过流体管道保持与井眼中的流体团的流体连通。

在优选实施例中，管道是用于进一步钻进井眼的钻柱。适当地，操作所述钻柱以进一步钻进井眼，其中，所述剩余管部和钻柱穿过井眼同步下降。

为了实现膨胀管部保持其膨胀形状，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自动保持膨胀。在这方面，塑性变形是指永久变形，如各种延展性金属在超过材料的屈服强度时变形期间发生的那样。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。

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的长度增加而造成的重量增加，需要给剩余管部施加向上作用力，以防止弯曲区内不受控制的弯曲或纵弯。

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示意性地显示了与本发明方法一起使用的井眼系统的下部的实施例；

图2示意性地显示了在操作初始阶段期间图1所示系统的上部的第一实施例；

图3示意性地显示了操作后续阶段期间的第一实施例；

图4示意性地显示了在操作初始阶段期间图1所示系统的上部的第二实施例；

图5示意性地显示了操作后续阶段期间的第二实施例；

图6示意性地显示了在操作初始阶段期间图1所示系统的上部的第三实施例；

图7示意性地显示了操作后续阶段期间的第三实施例；

图8A-C示意性地显示了在不同使用阶段的图1所示系统的上部的第四实施例；和

图9示意性地显示了图1所示系统的上部的第五实施例。

具体实施方式

在附图和说明书中，相同的参考数字表示相同的部件。

参考图1，显示了一种井眼系统，包括延伸到地层2中的井眼1和形式为从地面向下延伸到井眼1中的衬管4的管状元件。衬管4已经通过衬管壁外翻而部分地径向膨胀，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(形式为未膨胀衬管部8)在膨胀管部10内同心地延伸。

衬管4的壁由于其下端外翻而沿径向向外和轴向相反(即向上)方向延伸以形成使未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10相互连接的衬管的U形下部11。衬管4的U形下部11限定了衬管的弯曲区12。

膨胀衬管部10借助于由胀管处理在膨胀衬管部10和井眼壁14之间产生的摩擦力而轴向固定到井眼壁14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。

钻柱20从地面通过未膨胀衬管部8延伸到井眼1的底部。钻柱20在其下端设置有钻头22，所述钻头22包括导向钻头24和扩孔部26，所述导向钻头的基准直径略小于未膨胀衬管部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26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20可以通过未膨胀衬管部8取回到地面。参考标记28表示未膨胀衬管部8的中心纵向轴线。

图2和3显示了图1所示系统的上部的第一实施例，未膨胀衬管部8(位于地面)具有上部边缘30、32。每个边缘30、32沿着未膨胀衬管部8的圆周的一部分延伸，因此，边缘32从边缘30向上偏移。第一壁部34、第二壁部36和第三壁部38装配为剩余管部的延伸上部40(图3)。壁部34、36、38具有半球形横截面形状。图3显示了由壁部34、36、38装配而成并且连接到膨胀衬管部8的上端的延伸上部40。

图4和5显示了图1所示系统的上部的第二实施例，未膨胀衬管部8(位于地面)具有上部边缘42、44。每个边缘42、44沿着未膨胀衬管部8的外周的一部分延伸，并且相对于衬管部8的中心纵向轴线倾斜，因此，边缘44从边缘42向上偏移。第一壁部46、第二壁部48和第三壁部50装配为剩余管部的延伸上部52(图5)。壁部46、48、50具有半球形横截面形状。图5显示了由壁部46、48、50装配好之后并且连接到膨胀衬管部8的上端的延伸上部52。

图6和7显示了图1所示系统的上部的第三实施例，未膨胀衬管部8(位于地面)具有沿着未膨胀衬管部8的整个圆周连续延伸的上部边缘56。为未膨胀衬管部8在其上端的延伸设置延伸构件54，所述延伸构件54具有横向开口56，钻柱20可以穿过所述横向开口。横向开口56限定在延伸构件54的一对纵向边缘58、59之间。延伸构件54可以例如由与未膨胀衬管部8具有相同直径和壁厚的管段形成，沿纵向方向切割以形成边缘58、59。图7显示了边缘58、59已经焊接在一起之后，并且延伸构件54焊接到未膨胀衬管部8的上部边缘56之后的延伸构件54。

图8A-C显示了图1所示系统的上部的第四实施例，未膨胀衬管部8在其上端延伸有延伸的管状部分62，其由具有平行边缘65、66的螺旋缠绕的金属条64形成。

图9显示了图1所示系统的上部的第五实施例，因此，未膨胀衬管部8在其延伸的上端具有螺旋缠绕的金属条68，所述金属条具有平行边缘69、70。金属条68从围绕流体排出管道72大体上同心布置的卷轴71上开卷，所述流体排出管道用于将钻井泥浆从形成在钻柱20和未膨胀衬管部8之间的环形空间排出。流体排出管道72设置有侧部出口74并且以这样的方式大体上同心地延伸到未膨胀衬管部8中，以允许流体排出管道72相对于未膨胀衬管部8沿轴向方向滑动。设置环形密封件76以将流体排出管道72密封到未膨胀衬管部8的上部。

在正常操作期间，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11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方式锚固到井眼壁上。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14之间的摩擦自动锚固到井眼壁上。

随后通过施加足够大的向下作用力而使未膨胀衬管部8逐渐向下移动，因此，未膨胀衬管部8在弯曲区12逐渐外翻。这样，未膨胀衬管部8逐渐转变成膨胀衬管部10。在外翻加工期间，弯曲区12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。

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由于外翻加工而压靠井眼壁14，从而密封井眼壁14和/或稳定井眼壁。

由于未膨胀衬管部8的长度逐渐增加而造成重量逐渐增加，向下作用力的大小可以根据衬管部8的重量增加而逐渐减小。当重量增大时，最终需要用向上作用力代替向下作用力以防止衬管部8纵向挠曲。

与未膨胀衬管部8向下运动到井眼中同时，操作钻柱20以使钻头22旋转，从而通过进一步钻进使井眼1变深。因此，钻柱20向下逐渐移动到井眼1中。未膨胀衬管部8以受控方式并且以与钻柱20大体上相同的速度向下移动，从而确保弯曲区12保持在钻头22上方的短距离处。例如，可以通过控制如上所述的向下作用力或向上作用力实现未膨胀衬管部8的受控下降。适当地，未膨胀衬管部8例如通过连接到钻柱上的支承装置(未显示)由钻柱20支撑，所述支承装置支撑U形下部11。在这种情况下，向上作用力适当地施加给钻柱20，随后通过支承装置传递给未膨胀衬管部8。此外，未膨胀衬管部8的重量可以通过支承装置传递给钻柱并用于给钻头22提供推力。

未膨胀衬管部8以下文所述的方式在其上端对应于所述向下运动进行延伸。

就所述上部的第一实施例(图2、3)而言，壁部34、36、38朝向中心纵向轴线28沿径向方向移动，从而围绕钻柱20使用，随后装配以形成延伸上部40。壁部彼此焊接焊接在一起并焊接到未膨胀衬管部8上，因此，第一壁部34焊接至边缘30，第二壁部36焊接至第一壁部34的上端。第三壁部38焊接至边缘32，沿轴向方向与第一和第二壁部34、36重叠。

就所述上部的第二实施例(图4、5)而言，壁部46、48、50朝向中心纵向轴线28沿径向方向移动，从而围绕钻柱20使用，随后装配以形成延伸上部52。壁部彼此焊接在一起并焊接到未膨胀衬管部8上，因此，第一壁部46焊接至边缘42，第二壁部48焊接至第一壁部46的上端。第三壁部50焊接至边缘44，沿轴向方向与壁部46、48重叠。

就所述上部的第三实施例(图6、7)而言，延伸构件54朝向中心纵向轴线28沿径向方向移动，因此，钻柱20穿过横向开口56(图4)。延伸构件54随后围绕钻柱20弯曲，直到边缘58、59邻接为止。在下一步骤中，边缘58、59焊接到一起，延伸构件54焊接至未膨胀衬管部8的上部边缘56(图7)。

就所述上部的第四实施例(图8A-C)而言，金属条64围绕钻柱20成螺旋形缠绕，随后，相邻绕圈的邻接边缘65、66焊接在一起，从而首先形成延伸的管状部分62(图8A)。在下一步骤中，延伸的管状部分62在下部平面67a和上部平面67b切割，所述下部平面和上部平面均大体上垂直于中心纵向轴线28(图8B)。延伸的管状部分62的下部边缘随后焊接到未膨胀衬管部8的上部边缘(图8C)上。

就所述上部的第五实施例(图9)而言，金属条68从卷轴71内部开卷，同时以螺旋方式卷绕钻柱20。为此，卷轴71围绕中心纵向轴线28沿箭头76的方向旋转。相邻绕圈的邻接边缘69、70焊接在一起。流体排出管道72在未膨胀衬管部8向下运动期间保持固定，因此，环形密封件76沿着未膨胀衬管部8的内表面滑动。

利用如上所述的方法，可以实现未膨胀衬管部8在其上端延伸，同时保持通过其上端与未膨胀衬管部8内部的连通。因此，在未膨胀衬管部8在其上端延伸期间，不必将钻柱20从井眼中拆下或断开。

此外，利用第一和第二实施例(图2-5)，可以实现沿圆周方向延伸的每个焊缝，例如壁部34和壁部36之间的焊缝只沿着圆周的一部分延伸，即，不沿着整个圆周延伸。这具有下列优点，在这种圆周焊缝在外翻加工期间受损的情况下，受损焊缝不会沿着未膨胀衬管部8的整个圆周延伸。第二实施例(图4，5)的附加优点是所有焊缝轴向延伸或相对于中心纵向轴线倾斜地延伸。因此，进一步降低了在外翻加工期间，受损焊缝沿圆周方向扩散的风险。

随着钻进的进行，未膨胀衬管部通过以类似的方式连接附加壁部而在其上部进一步延伸。

当需要将钻柱20取回地面时，例如，当钻头26将要更换或者当井眼1的钻进完成时，扩孔部26达到其径向收缩模式。随后，钻柱20穿过未膨胀衬管部8取回地面。

利用本发明的井眼系统，可以实现在钻井过程期间，井眼利用位于钻头正上方的外翻衬管逐渐进行加衬。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工艺就足够了，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趋势而可能引起的问题。

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

在未膨胀衬管部的管段留在井眼中的情况下，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的抗塌陷强度。选择性地，在U形下部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和膨胀衬管部之间产生固体，从而使水泥在硬化时膨胀。

D)例如通过将胀管器泵送、推动或拉动穿过未膨胀衬管部而使未膨胀衬管部靠着膨胀衬管部径向膨胀(即，形成包层)。

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导体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，整个衬管可以利用如上所述的方法膨胀，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。

为了在胀管加工期间减小未膨胀和膨胀衬管部之间的摩擦力，可以在未膨胀管部和膨胀衬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进一步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

1.一种在形成于地层中的井眼内使管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

使剩余管部在其上端轴向延伸，且延伸的管状部分的长度至少等于剩余管部向下移动的所述距离。

2.如权利要求1所述的方法，其中，一管道延伸到剩余管部中，并且其中，所述延伸的管状部分围绕管道装配。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述延伸的管状部分由彼此轴向偏移的第一壁部和第二壁部，以及与所述第一和第二壁部轴向重叠的第三壁部形成。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一壁部和第二壁部包括在第一列壁部内，所述第三壁部包括在第二列壁部内，所述第一列和第二列沿轴向方向彼此交错。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中，所述第一壁部和第二壁部在相对于剩余管部的中心纵向轴线倾斜地延伸的连接处相互连接。

6.如权利要求2-5中任意一项所述的方法，其中，所述管道是布置为进一步钻进井眼的钻柱。

7.如权利要求6所述的方法，其中，操作所述钻柱以进一步钻进井眼，并且其中，所述剩余管部和钻柱穿过井眼同步下降。

8.如权利要求2-7中任意一项所述的方法，其中，所述延伸的管状部分由单个壁部形成，所述单个壁部具有用于使管道穿过的横向开口。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，流体团位于剩余管部中，并且其中，一流体管道从流体团延伸到位于剩余管部上方的位置，所述方法还包括与剩余管部在所述上端轴向延伸相一致，使所述流体管道相对于所述剩余管部向上移动。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，所述管状元件壁包括在弯曲加工期间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。

11.如权利要求1-10中任意一项所述的方法，其中，所述剩余管部承受引起该剩余管部的所述向下移动的轴向压力。

12.如权利要求11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。

13.基本上如上文参考附图所描述的方法。