CN102084085A - 井眼系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井眼系统，包括：延伸到地层(2)中的井眼(1)，所述井眼容纳流体团；和布置在井眼中的可膨胀管状元件(8)，因此，管状元件的壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲，从而限定围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部(10)。膨胀管部(10)可通过剩余管部(8)相对于膨胀管部的向下运动进行轴向延伸。流体团位于剩余管部中，流体管道(36)从流体团延伸到位于剩余管部上方的位置，所述流体管道可相对于剩余管部沿向上方向移动。

Description

井眼系统

技术领域

本发明涉及包括延伸到地层中的井眼的井眼系统，所述井眼包含流体团，因此，可膨胀管状元件布置在井眼中。

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 0044706A2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，需要改进的井眼系统，由此，管状元件在井眼中径向膨胀。

发明内容

根据本发明，提供了一种井眼系统，包括

a)延伸到地层中的井眼，所述井眼容纳流体团；

b)布置在井眼中的可膨胀管状元件，因此，所述管状元件的壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲以便限定围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，所述膨胀管部可通过剩余管部相对于膨胀管部的向下运动轴向延伸，其中，所述流体团位于剩余管部中；

c)从流体团延伸到位于剩余管部上方位置的流体管道，所述流体管道可相对于剩余管部沿向上方向移动。

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动，管状元件有效地从里向外翻转，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，通过使流体管道相对于剩余管部向上移动，实现了剩余管部可以在其上端延伸，同时流体通过流体管道从流体团排出，或者泵入流体团中。

适当地，流体管道布置为与剩余管部相对于膨胀管部的所述向下运动相对应，而相对于剩余管部沿向上方向移动。

优选地，剩余管部在其具有延伸构件的上端延伸，所述延伸构件具有横向开口以使流体管道穿过其中而从延伸构件外部进入延伸构件内部。这样，实现延伸构件移动到剩余管部上端的上方，因此，流体管道穿过横向开口，而不必取出流体管道。

在有利的实施例中，钻柱延伸穿过剩余管部，钻柱能够穿过延伸构件的横向开口从延伸构件外部到达延伸构件内部。因此，剩余管部可以在不必从井眼取出钻柱的情况下在其上端延伸。

适当地，剩余管部和钻柱布置成穿过井眼同时下降。

流体管道相对于剩余管部适当地密封，从而允许井眼中的流体被加压。

优选的是，管状元件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。

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，剩余管部承受产生所述运动的轴向压力。优选地，该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。随着剩余管部的长度的增加，其重量增加，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，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。由于所述壁部连续外翻弯曲，剩余管部逐渐缩短。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，壁部反向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。

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，弯曲区可以被加热以促进管壁的弯曲。

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示意性地显示了根据本发明的井眼系统的第一实施例的下部；

图2示意性地显示了第一实施例的上部；

图3示意性地显示了根据本发明的井眼系统的第二实施例的上部；

图4示意性地显示了在操作的最初阶段期间，根据本发明的井眼系统的第三实施例的上部；

图5示意性地显示了在操作的进一步阶段期间，第三实施例的上部；和

图6示意性地显示了在操作的更进一步的阶段期间，第三实施例的上部。

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。纵截面显示了一些特征，其中一些为清楚起见而部分地断开。

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的壁部由于其下端外翻而沿径向向外和轴向相反(即向上)方向弯曲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借助于由胀管工艺在膨胀衬管部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。

进一步参考图2，显示了图1所示系统的上部。未膨胀衬管部8的上端由卷绕在卷轴32上的金属片30形成。金属片30具有相对的边缘33、34。在从卷轴32上开卷之后，金属片30弯曲成管形，其后，边缘33、34通过焊接相互连接以形成未膨胀管部8。

形式为排出管道36的流体管道从未膨胀管部8的内部延伸到未膨胀管部8的上端的上方。排出管道36在其下端连接到位于未膨胀管部8中的管38上(或与其整体形成)。第一环形密封件40使管38相对于未膨胀衬管部8密封，第二环形密封件42使管38相对于钻柱20密封。排出管道36通过设置在管38的壁部上的开口44而与管38的内部空间流体连通。此外，管38设置有夹持装置46，其允许管38相对于未膨胀衬管部8向上滑动，但防止向下滑动。第一环形密封件40允许管38相对于未膨胀衬管部8向上滑动。

在图3中，显示了与第一实施例大体上类似的第二实施例的上部，只是附加的排出管道50从未膨胀衬管部8的内部延伸到未膨胀衬管部8的上端的上方。附加的排出管道50在其下端连接到管38上(或与其整体形成)，并且通过设置在管38的壁部上的开口52与管38的内部空间流体连通。如果希望的话，可以按照类似的方式使用两个以上的这类排出管道。

在图4中，显示了与第一实施例大体上类似的第三实施例的上部，只是在未膨胀衬管部8的上端布置延伸构件54，以代替卷绕的金属片。延伸构件54适合于使未膨胀衬管部8在其上端延伸，并且具有横向开口56，排出管道36和钻柱20可以穿过所述横向开口56从延伸构件54外部进入到延伸构件内部。横向开口56限定在延伸构件54的沿轴向延伸的相对纵向边缘58、59之间。延伸构件54可以例如由沿纵向方向切割以形成边缘58、59的管段形成，所述管段具有与未膨胀衬管部8相同的直径和壁厚。

在图5中，显示了在延伸构件54的纵向边缘58、59已经焊接到一起之后的第三实施例的上部。

在图6中，显示了在纵向边缘58、59已经焊接到一起并且延伸构件54已经通过焊接连接到未膨胀衬管部8的上端之后的第三实施例的上部。

在第一实施例(图1和2)的正常操作期间，衬管4的下端部初步外翻，即，下部沿径向向外和轴向相反方向弯曲。从而形成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。

随后给未膨胀衬管部8施加向下作用力，从而使未膨胀衬管部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由于胀管工艺而压靠井眼壁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，由此造成其重量逐渐增加，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。随着重量的增大，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例如借助于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的重量可以传递给钻柱并用于给钻头22提供推力。

在钻柱20工作期间，钻井泥浆从地面通过钻柱20和钻头22泵入井眼1中，使得井眼充满延伸到未膨胀衬管部8和管38中的流体团。包含钻屑的钻井泥浆通过排出管道36从井眼1排出。可选地，钻井泥浆可以按照反向循环方式循环，因此，钻井泥浆通过排出管道36泵入井眼并且通过钻柱20从井眼排出。

通过使金属片30从卷轴32上开卷，随后使金属片30围绕排出管道36和钻柱20弯曲以及将边缘33、34焊接到一起以使金属片30形成管形，未膨胀衬管部8在其上端响应于其向下运动进行延伸。

此外，与未膨胀衬管部8的向下运动以及其上端的相应延伸同时，管38相对于未膨胀衬管部8产生向上滑动，使得排出管道36的上端保持在未膨胀衬管部8的上方。这可以例如通过使管38和排出管道36的组件保持固定，而未膨胀衬管部向下移动来实现。夹持装置46防止组件相对于衬管段8发生偶然的向下运动。

第二实施例的正常操作(图3)与第一实施例的正常操作大体上类似，因此，除了排出管道36之外，使用附加管道50从井眼排放流体以增大排出流体的流动区域。

第三实施例(图4-6)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似，只是使用延伸构件54使未膨胀衬管部8在其上端延伸，以代替卷绕的金属片。此外，延伸构件54沿横向方向移动到未膨胀衬管部8的顶部上方，使得钻柱20和排出管道36穿过横向开口56(图4)。在进一步的阶段中，延伸构件54围绕钻柱和排出管道弯曲，使得边缘58、59相抵接，而后将边缘58、59焊接在一起(图5)。延伸构件56随后下降到未膨胀衬管部8的顶部上并且通过焊接(图6)连接于此，从而形成未膨胀衬管部8的整体部分。随着钻进进行，类似的延伸构件以相应的方式增加给未膨胀衬管部8。

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加工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。

此外，排出管道能够相对于未膨胀衬管部进行轴向移动的特征允许未膨胀衬管部在顶部延伸，并且不会妨碍井眼中的钻井泥浆通过未膨胀衬管部和排出管道进行循环。

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，而且形成从海上平台延伸到海底的隔水管。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。

为了在上述任意一个实例中描述的胀管加工期间减小未膨胀衬管部和膨胀衬管部之间的摩擦力，可以在未膨胀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 (11)

1.一种井眼系统，包括：

a)延伸到地层中的井眼，所述井眼容纳流体团；

b)布置在井眼中的可膨胀管状元件，因此，所述管状元件的壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲以便限定围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，所述膨胀管部能够通过剩余管部相对于膨胀管部的向下运动而轴向延伸，其中，所述流体团位于剩余管部中；

c)从流体团延伸到位于剩余管部上方位置的流体管道，所述流体管道能够相对于所述剩余管部沿向上方向移动。

2.如权利要求1所述的井眼系统，其中，所述流体管道布置为与剩余管部相对于所述膨胀管部的所述向下运动相对应，而相对于剩余管部沿向上方向移动。

3.如权利要求1或2所述的井眼系统，还包括适于使剩余管部在其上端延伸的延伸构件，所述延伸构件具有横向开口以使流体管道从延伸构件外部穿过所述横向开口进入到延伸构件内部。

4.如权利要求3所述的井眼系统，其中，钻柱延伸穿过所述剩余管部，所述钻柱能够穿过延伸构件的所述横向开口从延伸构件外部进入到延伸构件内部。

5.如权利要求4所述的井眼系统，其中，所述剩余管部和钻柱布置成穿过井眼同时下降。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的井眼系统，其中，所述流体管道相对于所述剩余管部密封。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的井眼系统，其中，所述流体管道设置有夹持装置，该夹持装置布置为防止流体管道相对于所述剩余管部向下运动。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的井眼系统，其中，所述管状元件的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。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的井眼系统，其中，所述剩余管部承受引起该剩余管部的所述向下运动的轴向压力。

10.如权利要求9所述的井眼系统，其中，所述轴向压力至少部分地缘于所述剩余管部的重量。

11.基本上如上文参考附图所描述的井眼系统。

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