CN101952543A

CN101952543A - 在井筒中膨胀管元件的方法

Info

Publication number: CN101952543A
Application number: CN2008801203383A
Authority: CN
Inventors: P·范尼乌库普
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: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CN101952543B; GB2468230B; BRPI0819928A2; WO2009074633A2; WO2009074633A3; US20100263878A1; AU2008334604B2; US8430159B2; CA2705249A1; AU2008334604A1; GB201008098D0; GB2468230A

Abstract

提供了一种在形成在地层中的井筒中径向膨胀管元件的方法，该方法包括在井筒中布置管元件，由此使该管元件的壁的下端部分沿径向向外且沿轴向反方向延伸，以便形成绕管元件的其余管段延伸的膨胀管段，由此，在所述膨胀管段和其余管段之间限定环形空间，以及通过相对于膨胀管段向下移动其余管段使膨胀管段轴向延伸，以使壁的所述下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲。通过控制环形空间中的流体压力来控制膨胀管段的直径。

Description

在井筒中膨胀管元件的方法

技术领域

本发明涉及在形成于地层中的井筒中径向膨胀管元件的方法。

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安装若干套管，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，需要一种改进的在井筒中径向膨胀管元件的方法。

发明内容

依照本发明，提供了一种在形成于地层中的井筒中径向膨胀管元件的方法，该方法包括：

a)在井筒中布置管元件，由此使该管元件的壁的下端部分沿径向向外且沿轴向反方向延伸，以便形成绕管元件的其余管段延伸的膨胀管段，由此，在所述膨胀管段和其余管段之间限定环形空间；

b)通过相对于膨胀管段向下移动其余管段而使膨胀管段轴向延伸，以使壁的所述下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲；以及

c)通过控制环形空间中的流体压力来控制膨胀管段的直径。

通过相对于膨胀管段向下移动其余管段，管元件有效地由里向外翻转，由此，使管元件在不需要被推送、牵拉或泵送通过该管元件的膨胀器的情况下逐渐膨胀。膨胀管段能够在井筒中形成套管或衬管。

此外还发现，通过控制环形空间中的流体压力能够控制膨胀管段的直径。例如，能够通过改变环形空间中的流体压力使膨胀管段的直径适应于井筒直径的变化。膨胀管段的直径在外翻过程中减小以增加环形空间中的流体压力，并且在外翻过程中增加以减小环形空间中的流体压力。可以认为，该效果由在环形空间中的流体压力相对较高时壁的所述下端部分恰沿径向向外且沿轴向反方向弯曲之前稍微沿径向向内弯曲的趋势来产生。

优选地，在相对于膨胀管段向下移动其余管段的同时控制环形空间中的流体压力。

适宜地，增加环形空间中的流体压力以减小膨胀管段的所述直径，或减小环形空间中的流体压力以增加膨胀管段的所述直径。

为了实现膨胀管段相对于井筒壁的充分密封，适宜地，使膨胀管段的外表面经受井筒流体压力，其中步骤c)包括控制环形空间中的流体压力使其大于井筒流体压力。

适宜地，步骤c)包括使环形空间中的流体压力经历压力变化，以便形成膨胀抵靠着井筒壁且相对于井筒壁密封的一部分膨胀管段。

为了形成相对于膨胀管段的剩余部分直径增加的一部分膨胀管段，压力变化优选包括使流体压力暂时减小到低于井筒流体压力。

为了使膨胀管段保持其膨胀形式，优选地，管元件的壁包括在弯曲带中塑性变形的材料，以使膨胀管段作为所述塑性变形的结果自动保持膨胀。塑性变形在这一方面是指永久变形，正如各种不同的可延展金属在超过材料的屈服强度时变形的过程中所发生的。因而，无需外部的力或压力来维持膨胀形式。如果，例如膨胀管段已作为壁的所述弯曲的结果而膨胀抵靠着井筒壁，则不需要在膨胀管段上施加外部的径向力或压力以保持其抵靠着井筒壁。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。膨胀管段于是具有足够的抗挤强度，例如在100-150bar的范围内。

为了引发其余管段的所述移动，其余管段优选地经受用以引发所述移动的轴向压缩力。该轴向压缩力优选至少部分来源于该其余管段的重量。若必要，该重量可通过施加到该其余管段的用于引发所述移动的外部向下力来补充。当其余管段的长度增加、从而其重量增加时，可能需要在其余管段上施加向上力以防止弯曲带中发生不受控制的弯曲或屈曲。

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示意性示出利用了本发明的方法的井筒系统的一个实施例，其包括井筒衬管的未膨胀段和膨胀段；

图2示意性示出图1的细部A；

图3示意性示出膨胀衬管段和未膨胀衬管段之间的环形空间中的压力处在较低状态下的细部A；

图4示意性示出环形空间中的压力处在较高状态下的细部A；

图5示意性示出膨胀衬管段向外凸出的部分；以及

图6示意性示出经过修正的图1所示实施例，其中钻柱延伸通过膨胀衬管段。

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，示出了井筒系统，其中井筒1延伸到地层2中，并且呈衬管4的形式的管元件从地面向下延伸到井筒1中。衬管4已通过其壁5的外翻而部分径向膨胀，由此形成衬管4的径向膨胀管段10，其外径大致等于井筒直径。衬管4的呈未膨胀衬管段8的形式的其余管段从地面6同心延伸到膨胀管段10中。

衬管4的壁5由于其下端处的外翻而沿径向向外且沿轴向反方向(即向上)弯曲，以便形成壁5的将未膨胀衬管段8和膨胀衬管段10互连的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依靠由膨胀过程产生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。替代地或者另外地，膨胀衬管段10能够通过任何适当的锚固装置(未示出)锚固至井筒壁。

膨胀管段10和其余管段8在其间限定了环形空间16，环形空间16容纳处于高流体压力的流体本体18。

下面参照图2，示出了图1的细部A，其中，实线表示U形下段11的实际形状，并且其中，虚线表示U形下段11在环形空间16中的流体压力减小的状态下的假想形状20。井筒1中的流体压力由“P”表示，作用在未膨胀衬管段8的内表面和膨胀衬管段10的外表面上。

下面参照图3，示出了图1的细部A，这时流体本体18中的流体压力低于井筒流体压力P。膨胀衬管段10和井筒壁14之间存在小的环形间隙22。

下面参照图4，示出了图1的细部A，这时流体本体18中的流体压力高于井筒流体压力P。环形间隙22已消失。

图5示出膨胀衬管段10的径向向外凸出的部分23。

图6示出修正了的实施例，其中，钻柱24从地面6通过未膨胀衬管段8延伸到井筒1的底部。钻柱24在其下端设置有钻头26，钻头26包括导向钻头28和扩孔器段30，导向钻头28的规格直径稍小于未膨胀衬管段8的内径，而扩孔器段30的规格直径适于将井筒1钻到其名义直径。扩孔器段30可径向回缩到容许其通过未膨胀衬管段8的外径，以便钻柱20能够通过未膨胀衬管段8收回至地面。

在图1-5所示实施例的正常操作过程中，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和膨胀衬管段10。之后，通过任何适当的锚固装置将已形成的短长度的膨胀衬管段10锚固至井筒壁。根据衬管4的几何和/或材料特性而定，替代地，可将膨胀衬管段10借助膨胀衬管段10和井筒壁14之间的摩擦自动地锚固至井筒壁。

然后通过在其上施加足够大的向下力而使未膨胀衬管段8逐渐向下移动，由此，未膨胀衬管段8在弯曲带12中渐渐外翻。以这种方式，未膨胀衬管段8渐渐转变为膨胀衬管段10。在外翻过程中，弯曲带12以为未膨胀衬管段8的速度大约一半的速度向下移动。

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，因此与衬管段8的渐增的重量相应，可逐渐降低向下力的大小。随着重量增加，向下力最终可能需要由向上力来取代，以防止衬管段8屈曲。

与未膨胀衬管段8的向下移动同时，环形空间16中的流体压力被维持在高于井筒流体压力P的压力P₁下。

衬管4的直径和/或壁厚选择成使得在环形空间中的流体压力处在P₁水平的情况下，膨胀衬管段10作为外翻过程的结果被稍微压靠在井筒壁14上，以便形成相对于井筒壁14的密封和/或稳定该井筒壁(图4)。

在外翻过程中，按照规则的间隔，将环形空间16中的流体压力暂时降低到低于井筒流体压力P的压力P₂。在每个这种间隔中，U形下壁段11由于环形空间16中的流体压力的下降而径向向外移动，由此，膨胀衬管段10被更牢固地压靠在井筒壁14上。在环形空间16中的流体压力P₂下将很短的衬管段外翻之后，环形空间中的流体压力被再次增加到压力P₁。结果，对于每个这种间隔都形成径向向外凸出的部分23(图5)，从而增强了膨胀衬管段10和井筒壁14之间的密封。

修正过的实施例(图6)的正常操作与图1-5所示实施例的正常操作大致相似，除与下面有关的之外。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24以旋转钻头26，由此，导向钻头28钻出井眼的开始部分而扩孔器段30将井眼扩大到最终的规格直径。钻柱24因而渐渐向下移动到井筒1中。未膨胀衬管段8以受控方式且以大致与钻柱24相同的速度向下移动，以便能够确保弯曲带12保持在钻头26上方的一短段距离处。未膨胀衬管段8的受控下放可例如通过控制上文提及的向下力或向上力而实现。未膨胀衬管段8适宜地由钻柱24来支撑，例如通过连接至钻柱的支承装置(未示出)，其支撑U形下段11。在该情形中，适宜地，将向上力施加到钻柱24上并经由支承装置将其传递到未膨胀衬管段8。而且，未膨胀衬管段8的至少一部分重量能够被支承装置传递到钻柱24，以便为钻头26提供推力。

环形空间16中的流体压力向未膨胀衬管段8提供向下力，该向下力能够被支承装置传递到钻柱24，以便为钻头26提供推力。由于环形空间中的流体压力能够受到精确地控制，因此环形空间16中的流体压力所提供的推力也能够受到精确地控制。

当需要使钻柱24收回地面时，例如当钻头26要被替换时或者当井筒1的钻井完成时，扩孔器段30进入其径向回缩模式。之后，钻柱24通过未膨胀衬管段8收回地面。

试验显示，如果环形空间16中的流体压力相对较高，则环形间隙22会消失。因此，在一个替代实施例中，U形下壁段11设置有约束装置，比如靠着U形壁段11的内表面安置的金属环，以便防止U形壁段11径向向内移动。当环形空间16中的流体压力增加到压力P₁或超过压力P₁时，利用处在适当位置中的约束装置，则防止了U形壁段11径向向内移动，并且环形间隙22消失。

利用本发明的井筒系统，实现了井筒在钻井过程中由直接位于钻头上方的外翻衬管逐渐加衬。结果，无论什么时候，在钻井过程中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，如下所概述：

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)应用在管和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，或者应用至管的内表面和/或外表面。

作为使膨胀衬管段抵靠着井筒壁膨胀(如具体实施方式中所描述的)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

1.一种在形成在地层中的井筒中径向膨胀管元件的方法，该方法包括：

b)通过相对于膨胀管段向下移动其余管段使膨胀管段轴向延伸，以使壁的所述下端部分沿径向向外且沿轴向反方向弯曲；以及

c)通过控制环形空间中的流体压力来控制膨胀管段的直径。

2.如权利要求1所述的方法，其中在相对于膨胀管段向下移动其余管段的同时控制环形空间中的流体压力。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中增加环形空间中的流体压力，以便减小膨胀管段的所述直径。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中减小环形空间中的流体压力，以便增加膨胀管段的所述直径。

5.如权利要求1-4任一所述的方法，其中使膨胀管段的外表面经受井筒流体压力，其中步骤c)包括控制环形空间中的流体压力使其大于井筒流体压力。

6.如权利要求5所述的方法，其中步骤c)包括使环形空间中的流体压力经历压力变化，以便产生膨胀抵靠着井筒壁且相对于井筒壁密封的一部分膨胀管段。

7.如权利要求6所述的方法，其中压力变化包括将流体压力减小到低于井筒流体压力。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中管元件设置有约束装置，该约束装置被布置成抑制壁的所述下端部分的径向向内移动。

9.如权利要求1-8任一所述的方法，其中操作钻柱以进一步钻井筒，该钻柱延伸通过该其余管段。

10.如权利要求9所述的方法，其中在将该其余管段下放到井筒中的同时操作该钻柱。

11.如权利要求1-10任一所述的方法，其中管元件的壁包括在壁的所述弯曲过程中经历塑性变形的材料，以使膨胀管段保持作为所述塑性变形的结果的膨胀形状。

12.如权利要求1-11任一所述的方法，其中该其余管段经受引发该其余管段的所述向下移动的轴向压缩力。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述轴向压缩力至少部分来源于该其余管段的重量。

14.大致如上文参照附图所描述的方法。