CN102257242A - 通过增加压缩来改变膨胀力 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使钻孔中的管状物膨胀的方法，所述管状物具有上端部和下端部，所述系统包括：a)向管状物的上端部施加压缩负载；以及b)通过在保持压缩负载的同时使膨胀装置相对于管状物运动来使管状物膨胀。步骤a)可包括将重物搁置在管状物的上端部上或者将液压压力施加到管状物的上端部。管状物的下端部可在步骤b)之前接合地层，或者作为步骤b)的结果管状物的下端部可接合地层。

Description

通过增加压缩来改变膨胀力

相关申请

本申请要求申请号为61/115787的申请的优先权，而且本申请与同时提交的申请号为61/115779、名称为“通过增加压缩来改变膨胀力”的申请有关。

关于联邦政府资助的研究与发展的声明

不适用。

技术领域

本公开总体涉及一种用于使钻出的孔中的可膨胀套管膨胀的系统和方法。更特别地，本发明涉及用于减小使套管膨胀所需的膨胀力的量的方法。

背景技术

传统地，在形成井眼时，很多套管被安装在钻孔中，以防止钻孔壁塌陷以及防止钻井流体不期望地流入地层中或者来自地层的流体不期望地流入钻孔中。在多个层段中钻出钻孔，由此，要安装在下部钻孔层段中的套管通过上部钻孔层段的之前已安装的套管而被下入。该过程的结果是，下部层段的套管通常具有比上部层段的套管小的直径。因此，套管呈现嵌套布置，其中套管直径沿着向下方向减小。水泥通常设置在套管的外表面与钻孔壁之间，以便从钻孔壁密封套管。

该嵌套布置的结果是，在井眼的上部部分处需要较大钻孔直径。这样的大钻孔直径由于套管操纵装备重、钻头大以及钻井流体和钻井钻屑的体积增大而引起成本增加。另外，在钻孔底部所需要的小直径套管不可能允许钻井流体的期望流速。由于这些原因，可能期望使一个或多个套管柱的直径扩张，以降低否则必要的直径减小。可膨胀套管在本领域是已知的。

使上部套管段的直径扩张允许下部套管段具有较大直径，这是由于管的较宽部段将通过膨胀的上部层段套管安装。除了其它技术之外套管的膨胀可通过使心轴经过套管来实现。心轴通常呈截头圆锥形并且具有比套管的未扩张直径大直径。在自底向上的技术中，心轴通常在套管段插入钻孔之前放置在套管段的底部。在一些实例中，可膨胀套管可在心轴上被下入钻孔中。在套管和心轴被放置到钻孔中之后，心轴被向上牵拉通过未膨胀的套管，从而使套管膨胀。

如果可膨胀套管被搁置在心轴上并且由心轴支承，则在心轴上施加向上的力将使套管向上运动。在其它实例中，套管可以不支承在心轴上，但是心轴上的可用的向上力不足以克服开始使套管径向膨胀所需的膨胀力。在任一种情况下，期望减小所需的膨胀力。

附图说明

下述附图形成本说明书的一部分并且被包括以便进一步举例说明本发明请求保护的主题的某些方面，而且不应该用来限制或限定本发明请求保护的主题。因此，通过参照结合附图进行的下述说明将得到对本发明的实施例、进一步的特征及其优点的更全面的理解，其中：

图1是示出根据本发明的一个实施例用于使管膨胀的一种系统的示意图；

图2是示出根据本发明的第二实施例用于使管膨胀的另一种系统的示意图；

图3是示出根据本发明的第三实施例用于使管膨胀的又一种系统的示意图；

图4是示出根据本发明的第四实施例用于使管膨胀的再一种系统的示意图；

图5是示出根据本发明的第五实施例用于使管膨胀的另一种系统的示意图。

然而，应注意的是，所附附图仅仅说明本发明请求保护的主题的某些实施例，因此不能看作限制本发明请求保护的主题的范围，这是由于本发明请求保护的主题容许其它等效的实施例。

应理解的是，附图不是按比例绘制的，而且不用于说明部件的尺寸或相对尺寸。另外，应理解的是，在此参照竖直钻孔说明的构思等同地适用于弯曲的、倾斜的以及其它非竖直的钻孔。

具体实施方式

参照图1，第一衬管124放置在地层128内的钻孔126内部。如果井是离岸井，则通过搁置在海底上的钻机、浮式钻机或其它舰船钻出钻孔126。在该情况下，包括从海底到水面舰船的长钢管的隔水管132允许钻井泥浆被泵送到钻孔126中并且返回到水面。

如本领域所已知的，第一衬管124具有上端部134，该上端部可通过在第一衬管124与地层128之间的环形空间之间填充水泥而固定在钻孔中。上端部134可联接至防喷器(BOP)138，在过大的地层压力有从井中喷出的预兆的情形中可关闭该防喷器。

在通常的操作中，钻井循环持续进行，直到达到期望深度，由此，钻头被移除，而且第一衬管124被下入钻孔中。然后，若期望的话，第一衬管124被膨胀和/或被用水泥固定。然后，钻头穿过第一套管124被重新插入钻孔中，第二钻井循环开始并且持续进行，直到达到下一期望深度。钻头再次被移除，第二衬管140被插入穿过第一衬管124并且进入钻孔126中。第二衬管140的外直径小于第一衬管124的内直径，从而在第二衬管140经过第一衬管124时提供间隙。衬管140具有上端部144和下端部146。

如果期望的话，第二衬管140可被膨胀，而且可通过第一衬管124和第二衬管140继续进行钻井循环。通常，套管的一个或多个段在将第二衬管140放置在钻孔126之前已经定位于钻孔126中。

衬管140的膨胀可通过将膨胀锥102向上牵拉通过衬管140来实现。可替代地，膨胀可通过提供液压膨胀装置来实现，该液压膨胀装置提供径向膨胀力并且逐渐运动穿过衬管140。不管如何进行膨胀，必须克服管的屈服强度以使管变形到其扩张直径。

膨胀锥或心轴102优选地包括可配合在衬管140内的窄部分104和具有比衬管140更大直径的宽部分106。宽部分106优选具有比第一衬管124的内直径小的直径，以使得心轴102在使衬管140膨胀之后可从套管中移出并且向上拉到水面。

心轴102优选从经过衬管124和衬管140的钻柱154或者本领域所已知的其它引导柱悬垂下来。当心轴经过衬管140时，心轴102将使衬管140沿径向向外塑性变形，从而使衬管140的内直径增大(而且，通常外直径也增大)。

根据本发明的一个实施例，压力机构114被施加至衬管140以便于衬管140膨胀。例如，在图1的实施例中，压载管120可包含在第二衬管140的上端部处。压载管120优选在第二衬管140已经被下放到其期望深度时保持在第一衬管124内。压载管120的重量将向下的压缩力施加在衬管140的上端部上。压载管120的重量和衬管140本身的重量在衬管140的底部产生组合的轴向压缩负载。

已经发现向可膨胀管施加轴向压缩负载减小使管塑性变形所需的径向膨胀力。因此，将压载管120施加到衬管140的上端部导致所需膨胀力的减小。在衬管140搁置在心轴102上时，压载管120的增加重量也导致由膨胀锥向衬管140施加的膨胀力增大。因此，如果所需的膨胀力减小而且所施加的膨胀力增大，直到二者相等，则向衬管140的上端部施加压载管或其它增重装置可用来开始衬管140的径向膨胀。即使衬管140未搁置在心轴102上，诸如在衬管140搁置在钻孔底部的情况下，压载管120的增加重量依然导致所需的膨胀力减小。因此，使用压载管或其它增重装置是有利的，不管衬管140是否被支承在膨胀装置上，以及不管膨胀装置是否向上或向下运动通过衬管140。

在膨胀期间，衬管140将具有膨胀部分156和未膨胀部分158。随着心轴102继续从下端部146朝向上端部144向上牵拉，膨胀部分156将加长，直到没有留下未膨胀部分158为止。心轴102优选充分窄以便适合通过第一衬管124并且在利用管柱或其它装置154向上拉时从水面取出。

应注意的是，心轴102不必须相对于第二衬管140向上运动；还可向下运动。类似地，如下述所讨论的，衬管140可在心轴102上方被向下推，或者该两个部件可相对于钻孔同时运动。再者，在不使用心轴的情况下，诸如通过施加液压力或机械力，可向衬管140施加径向膨胀力。如果期望的话，炸药或高压化学反应也可用于或可替代地用于使心轴102运动通过管。

图2是示出用于使管膨胀的另一种系统的示意图，而且包括本发明的至少一个方面。图2所示的各元件类似于图1的带相同附图标记的元件。但是，在如图2所示的系统中，如图1所示的作为单独装置120的压载物替代地可包括衬管140的一部分。例如，衬管140将完全滑动通过第一衬管124，直到期望的部分142位于衬管124下方。衬管140位于衬管124内的部分143用作搁置在衬管140的下部部分142上的重物。如上所述的，上部部分143的重量使压缩力增大，使所需的膨胀力减小，而且可使在下部部分142中所施加的膨胀力增大。在该实施例中，优选的是提供一种诸如本领域所已知的用于将用作压载物的管部分与管的其余部分分开的装置，以使得压载物可从钻孔中移出。

应理解的是，可使用用于提供重量的各种其它机构或者压载管。例如，压载管可具有与衬管140的直径不相等的直径，结果是压载管不能直接搁置在衬管140上。在这些实例中，压载管的重量可通过在压载管与衬管140之间的接触面处的任何合适的重力传送机构传送至衬管140。用于将压载管或重物联接至衬管140的装置包括但不限于可接合相应的孔、狭槽、脊等或者通过其它方式接合衬管140的钩、桩、齿、支柱等。压载管120的重量因此优选被支承，直到心轴102已经完全通过可膨胀部分142，由此，压载管120的重力被传送至心轴102以用于从钻孔中移出。

当然，如果衬管140被支承在膨胀装置上，则优选的是在第二衬管140的底部处的总向下力不会如此大以使得它过早地克服膨胀力，或者衬管140将在其被下入期望位置之前在心轴102上方向下滑动。因此，或者压载物可在衬管140已经定位在钻孔中的期望轴向位置处之后施加至衬管140的上端部，或者压载物可在衬管140没有搁置在膨胀装置上时施加。在前一种情况下，优选的是提供一些用于诸如通过确保膨胀的衬管140接合钻孔壁来防止膨胀的衬管140向下落入钻孔中的装置。可替代地，可膨胀衬管的底部可由除了心轴102之外的一些部件支承，例如或者可膨胀衬管搁置在钻孔底部或者可膨胀衬管的底部已经被膨胀(使用起重器)并且被“设置”成抵靠在钻孔壁上。在该情况下，添加的压缩力仅仅使得更容易使可膨胀衬管膨胀。

心轴102可具有起始角，该起始角在心轴102进入衬管140时向衬管140的下端部146提供相对大的轴向压缩和相对小的径向膨胀。心轴102还可具有膨胀角，该膨胀角的锥度比起始角大，并且在心轴102运动通过第二衬管140时提供比起始角相对更小的轴向压缩和相对更大的径向膨胀。相反的情况也是可能的：心轴102可具有非常大锥度的起始角，并且向衬管140提供相对大的径向膨胀和仅相对小的轴向压缩。心轴102还可具有提供比起始角大的轴向压缩和比起始角小的径向膨胀的膨胀角。还可想到具有多于两个角度的心轴。

压载管120可包括任何合适的材料，而且不需要是可膨胀的。用于在第二衬管140上提供轴向压缩、力或压力的任何重物或者其它装置可用作压载管120。衬管140优选地由可膨胀材料制造而成。因此，在心轴102从井中取出时，心轴102仅仅将压载管120带出钻孔。

图3是示出了用于使管膨胀的又一种系统的示意图，图3所示的各元件类似于图1和2的具有相同附图标记的元件。但是，在如图3所示的系统中，压载管120可由用于在衬管140上提供轴向压缩的其它装置代替。如果期望的话，例如，压力机构114可包括与衬管140的上端部144邻近的杯状物122(或者夹持器或者楔形物)。在杯状物122的后面(上方)施加流体压力将使杯状物122变形而抵靠在衬管124内部，从而形成密封。进一步的压力将使杯状物122承载在衬管140的上端部144上。以这种方式，杯状物122可向衬管140的上唇缘144施加压缩力，从而产生与压载构件120相同的益处。不变的且同时向上的压缩力或压力被施加至第二衬管140的下唇缘146。

现在参照图4，压力机构114包括用于向衬管140提供轴向压缩的可替代机构。在该实施例中，压缩机构114包括可联接至第一衬管124的第一隔膜148和可联接至第二衬管140的上唇缘144的第二隔膜150。第一隔膜148优选不联接至柱154。液压管线152提供通入第一隔膜148与第二隔膜150之间的空间159的流体。通过管线152将流体泵送到空间159中导致向衬管140的上端部44施加压缩力。与图3所示的实施例相比，图4所示的实施例不需要用加压流体填充衬管124的整个体积。液压管线152可包括软管或诸如本领域所已知的其它合适装置。

现在参照图5，压力机构114可替代地包括联接至心轴102而不是联接至第一衬管124的上部隔膜148。液压管线152将流体压力供给到上部隔膜148与下部隔膜150之间的空间159。在该实施例中，流体压力将迫使下部隔膜150从第一隔膜148向下，而且同时迫使上部隔膜148向上，从而将心轴102向上牵拉通过衬管140。上部隔膜148和下部隔膜150协作以便向第二衬管140施加轴向压缩力。

在图4和图5所示的实施例中，施加液压压力将导致衬管140上的压缩力增大。

在一种实施方式中，施加给衬管140的向下压缩力大约等于由心轴施加的向上轴向力。因此，由心轴施加的向上轴向力以及沿第二轴向方向的压缩力将提供零净轴向力，以使得管上的唯一净力是径向向外的。在另一实施方式中，沿第二轴向方向施加的压缩力将明显大于由心轴施加的向上轴向力。在这种情况下，如果衬管没有搁置在一些部件(诸如钻孔底部)上，则向下的力可能足以使管运动越过心轴。在另一种实施方式中，管的底部接合钻孔壁，以使得壁施加与由心轴所施加的向上力相反的向下力。在这种情况下，所施加的压缩便于通过减小所需的膨胀力而膨胀。在其它不太期望的实施中，由心轴施加的向上轴向力使心轴向上运动通过管，同时使管膨胀。

在一些实施例中，起重器可用来开始变形(即心轴相对于管的运动)。压力机构用于在膨胀位置处增大管上的压缩力，从而减小膨胀力(起重力)。

因此，已经描述了若干实施方式和实施例。但是，应意识到在本公开的范围内可由其它实施方式和实施例代替。例如，心轴可由机电装置(诸如马达)替代，该机电装置可施加比钻柱内的张力大而且也比井中流体的重力大的径向力。机电装置还可包括传感器，该传感器可检测管内的裂缝或其它结构问题，而且能够根据管承受径向力而不被损坏的能力调节径向力的大小。

因此，尽管本发明已经参照若干个示例性实施例进行了描述，但是应理解的是已经使用的用语是描述性和说明性的用语，而不是限制性用语。尽管本发明已经参照特定方式、材料和实施例进行了描述，但是本发明不旨在被限定成所公开的特定形式，而是本发明扩展到所有功能等同的结构、方法和应用，仍然在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于使钻孔中的管状物膨胀的方法，所述管状物具有上端部、下端部和位于所述上端部下方的膨胀装置，所述方法包括：

a)向管状物的上端部施加压缩负载；以及

b)通过在保持所述压缩负载的同时使所述膨胀装置朝向所述管状物的上端部运动来使管状物膨胀。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)包括将重物搁置在管状物的上端部上。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)包括将液压压力施加到管状物的上端部。

4.如权利要求3所述的方法，其中步骤a)包括在管状物的上端部上方形成能运动的流体密封，以及在所述密封上方施加流体压力以使所述密封承靠在所述管状物的上端部上。

5.如权利要求3所述的方法，其中步骤a)包括在所述管状物的上端部上方形成液压腔，以及在所述液压腔内施加流体压力以使所述液压腔承靠在所述管状物的上端部上。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述膨胀装置是心轴，以及向所述液压腔施加流体压力也使得所述心轴相对于所述管状物运动。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在步骤b)之前使地层与所述管状物的下端部接合的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述管状物的下端部在步骤b)之前不接合地层。

9.如权利要求8所述的方法，其中作为步骤b)的结果，所述管状物的下端部接合地层。

10.如权利要求7所述的方法，还包括在步骤b)之前将所述管状物搁置在钻孔底部的步骤。

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