CN102365419A - 膨胀抵靠用于层位封隔的水泥 - Google Patents

Abstract

一种用于改进沿着井眼的地层之间的层位封隔的方法，该方法包括：a)在井眼中设置管，其中管的至少一部分位于地层之间，b)在井眼壁与所述管部分之间的环形空间中设置水泥体，c)直到水泥体抵达至少70伯登稠度单位时，使水泥体固化，以及d)使所述管部分膨胀以减小井眼壁与所述管部分之间的环形空间的横截面积。

Description

膨胀抵靠用于层位封隔的水泥

本申请要求于2009年3月31日提交的美国专利申请No.61/165128的优先权，该美国专利申请通过引用合并于本文。

技术领域

本发明涉及一种将井下管状物外侧的水泥质材料作为用于在管状物膨胀之后提供层位封隔的装置的应用。

背景技术

在油气钻探的情况下，水泥质材料包括但并不限于：波特兰水泥、树脂、高炉矿渣以及这些材料的混合物，这些水泥质材料通常被放置在套管与井眼之间的环形空间中，以便在钻井、完井以及操作井期间隔离和保护套管。一旦被泵送到位并且使其变硬，这些材料提供各地层之间的隔离以及地层与地面之间的隔离，以使得烃可被安全地生产出，或者替代地井眼可用于注入操作。

在水泥已在井眼中硬化之后，公知的是：硬化的水泥将不可能完全按照要求填充环形空间。此外，硬化的水泥可能受到机械损伤--应力破裂和/或与套管壁的分离(剥离)，使得液压隔离可能受到损坏。同样地，在使由硬化的水泥所围绕的这些管状物膨胀的过程中，水泥的机械失效可导致层位封隔失效。因此，期望提供一种系统，利用该系统，管状物可在井眼中膨胀并且仍旧保持环形的液压隔离。

包括使用可膨胀管状物的钻井操作已经变得更加普遍。膨胀可通过使用自上向下的技术来实现，其中膨胀工具在可膨胀管状物的上端部开始，并且被推动通过该管状物，直到其已经使管状物的整个长度膨胀；或者膨胀可使用自下向上的技术来实现，其中膨胀工具在管状物的底部开始并且被向上推动通过该管状物。无论使用哪种技术，如果管状物没有被锚定，则其将随着膨胀工具一起移动。在膨胀工具相对于管没有运动的情况下，将不会发生膨胀。

在自上向下的膨胀技术中，膨胀工具在管状物上的向下作用力可通过将管状物锚固到相邻的生产管柱或者通过将一些其它装置施加向上的作用力而被阻挡。然而，在自下而上的膨胀中，通常期望使得管状物的顶端部在井眼中自由移动，以便在膨胀期间进行管状物的轴向收缩。因此，采用顶部锚定的技术可能并不是切实可用的，而是可能期望将管状物的下端部锚定。

一种进行自下而上的膨胀的方法是使用机械式起重器。机械式起重器在管状物内工作，并且在不需要向管状物施加附加外力的情况下使管状物的一部分膨胀。该局部膨胀用于将管状物柱充分地锚定在井眼中，以使得膨胀工具之后于是可被牵拉通过管状物。因此，起重器可用于在自下而上的膨胀时使管状物的下端部膨胀和锚定。另一种公认的用于使井眼中的管状物膨胀的方法仅仅使用了液压压力。

无论现有技术的水平如何，仍期望的是提供一种在进入环形空间并不是切实可行的情况下实现层位封隔的装置。

发明内容

根据本发明的优选实施例，提供了一种装置，该装置用于在进入环形空间并不是切实可行的情况下实现或改进层位封隔的装置，该情况例如是水泥已经在环形空间中硬化时。

在本发明的某些实施例中，通过下述步骤来改进沿着井眼的地层之间的层位封隔：a)在井眼中设置管，其中管的至少一部分位于地层之间，b)在井眼壁与所述管部分之间的环形空间中设置水泥体，c)使得直到水泥体达到至少70伯登稠度单位时水泥体固化，以及d)使所述管部分膨胀，以减小井眼壁与所述管部分之间的环形空间的横截面积。

步骤d)可消除水泥体中的流体通道和/或增大水泥体的密度。步骤c)可以或者不可以使得第二水泥体破裂。该方法还可包括在环形空间中设置第二水泥体，其中第二水泥体具有比第一水泥部分更长的固化时间。第二水泥体在实施步骤d)时不必然被固化。

该水泥体中的至少一个可包含环状凝胶和/或其它聚合体。

该方法还可包括为在膨胀期间从水泥中排出的水提供排出路径的步骤。

在一些实施例中，硬化的水泥材料被设计成具有特定机械性能，以使得其可承受足够大的作用力，以使该管状物径向膨胀到较大直径。本发明的一些实施例包括双泥浆入口，在该双泥浆入口中，较快硬化的水泥泥浆被布置在要膨胀的管状物的下部部分周围的环形空间中，以及第二缓固泥浆被布置在管状物的第二部分周围并且直到完成膨胀过程之后也没有变硬。

在其它实施例中，一种或两种水泥泥浆可被设计成具有机械性能，以使得围绕管状物底部周围设置的泥浆提供一种用于在开始膨胀期间使管状物锚定的装置，但是并不会导致一个或两个水泥护套的机械失效。在另外的实施例中，任一种水泥泥浆可包括弹性体材料，该弹性体材料如果与井眼或者地下流体(例如水、烃、气和/或钻井流体等)一接触就膨胀，以及即使对硬化的水泥有机械损坏也能重建环形液压隔离。

如说明书和权利要求书中所使用的，下面的术语具有下述含义：

词语“锚定件”指的是一种提供管状物与井眼壁之间充分接合以使得膨胀工具相对于管状物移动并且由此使管状物膨胀的系统或装置。

如在此所使用的，“衬管”和“套管”可互换地使用，根据本发明的各方面，其指的是套管，也指衬管，反之亦然。

除非另外指出，在此所使用的术语“底部”“下部”以及“井下”，即使在井眼并不竖直的情况下，指的是远离地面的位置。

还应理解的是，所述水泥成分可包含任何本领域已知的添加剂，以获得泵送和设置所必需的特定泥浆性能，包括用于泡沫化水泥的添加剂和气体。

附图说明

为了更加详细地理解本发明，参照附图进行说明，附图中：

图1是井眼底部的示意图，其中存在可膨胀衬管和生产管柱。

图2是沿着图1中线2-2的示意性剖视图。

图3是示出了图2系统膨胀后的示意性剖视图。

具体实施方式

首先参照图1和2，井眼10可包含可膨胀衬管12以及生产管柱14。膨胀装置16附设到生产管14的下端部。膨胀装置16图示为膨胀锥，但是也可以是任何能够随着装置运动穿过套管而使可膨胀衬管逐渐径向膨胀的适当装置。该组件还可包括如本领域已知的偏心导鼻、在膨胀锥上方的稳定器、自动装填的浮箍、突板捕集器(dart catcher)、两个突板(dart)、安全接头、碎屑捕集器以及通到地面的钻杆(都未示出)。该设备被组装并且用钻杆下入钻孔中。

如果衬管12(未示出)的上端部在井眼中自由移动，则施加到膨胀装置16的向上力将仅仅使衬管12向上移动而不会导致膨胀。为了提供膨胀装置16相对于衬管12的必要运动，将衬管12锚定在井眼内是必需的。

如果管状物的必要锚定通过在衬管的上端部处的机械装置(诸如与相邻的上部管状物的下端部的接合装置)或者通过在衬管的下端部处的机械装置(例如通过起重器)来实现，然后可通过水泥提供锚定。在下面的论述中，关于水泥的论述是指如由附图标记18所表示的衬管12与井眼10之间的环形空间中的水泥。具体地，水泥可提供管状物外侧与井眼壁的内侧之间的机械接合。如果水泥是唯一的锚定装置，则机械接合必须足以限制该管状物抵抗在膨胀开始时所施加的大的向上作用力。且不说或除了用作锚定装置之外，水泥还可典型地用于密封该环形空间。

在优选的实施例中，水泥被混合并被泵送到井下。优选地，当水泥被泵送时，其通过两个突板与其它流体分隔开。第一个突板坐落于突板捕集器中，标识出水泥将要进入环形空间。泵送额外的流体直到第二突板抵达，标识出全部水泥处于环形空间中。泵送优选地在已泵送几桶以从钻柱清扫掉任何水泥之后被停止。一旦泵送停止，浮箍起背压阀的作用，以防止水泥向上流回到钻柱。在用于使水泥至少部分地固化的一段预定时间之后，套管膨胀通过在钻柱上进行牵拉以在锥体处开始运动而启动。安全接头优选地被包括在组件中，以使得如果存在与工具或操作相关的任何问题时能够易于与钻柱脱开。

已经发现的是，如图3所示，在已经水泥固化的区域中通过使管状物膨胀而抵靠水泥可能改善层位封隔。如果水泥被压碎，其可增大密度，使否则可能允许流体在环形空间中流动的通道或空穴(pockets)关闭。因此，如果水泥可被膨胀以减小其横截面积，也就是说，通过减小环形空间的面积，则可消除水泥中的缺陷并且在环形空间中形成优良的密封。

还已经发现的是，允许水泥在膨胀之前至少部分固化可在膨胀之后提供优良的环状密封。因而，在优选的实施例中，允许水泥被水化到一定程度，在该程度下，水泥的可泵性是至少70伯登稠度单位(Bearden units of consistency)(Bc)。一旦水泥已被固化到这种程度，膨胀装置被推进穿过衬管，从而导致衬管径向向外膨胀。如果地层充分耐压缩，则衬管的径向膨胀将导致环形空间的横截面积减小、粉碎和压缩水泥。

因为膨胀压碎水泥，可消除最初可能存在于环形空间水泥中的任何通道或空穴，并且改善膨胀区域中的层位封隔。因此，本发明可用于固化有缺陷的水泥密封，该有缺陷的水泥密封可通过测井进行定位或者通过在环形空间中存在流体流动进行标识。

本发明的一些实施例包括两个泥浆入口，其中，快凝的水泥泥浆布置在围绕要膨胀的管状物的第一部分的环形空间中，从而提供可选的锚定，而第二缓凝的泥浆围绕管状物的第二部分布置并且直到膨胀过程完成之后才会变硬，以使地层隔离得以增强。第二泥浆可如图中的22所示设置在环形空间中的第一泥浆之上，或者在其之下。在这些实施例中，快凝的水泥部分可在膨胀过程期间断裂，但是仍可以保持其锚定管状物的能力。

在既使用快凝水泥又使用缓凝的水泥的实施例中，每种水泥部分的固化时间取决于各种因素，包括：井下温度、水泥含水率以及所存在的添加剂。优选的是，这些因素尽可能被控制，以使得快凝的水泥部分在第一预定时间窗内凝固，而缓凝的水泥部分在第二预定的时间窗内凝固，第二预定时间窗比第一预定时间窗长。仅仅举例来说，第一水泥可在少于12小时内固化，而缓凝水泥可在不少于50小时内固化。

在其它实施例中，水泥泥浆中的一种可设计为具有机械性能，以使得围绕管状物底部布置的泥浆提供用于在开始膨胀期间锚定管状物的装置，但是其可被径向膨胀而并不导致一个或两个水泥护套的机械失效。可径向膨胀但并不断裂的水泥层的形成可通过使用可在现场固化的由乳胶、橡胶颗粒、纤维以及粘合剂形成的各种混合物，例如液压水泥、交联聚合物、树脂、橡胶等。

优选在该实施例中受控制的参数包括管与水泥之间的剪固结合以及水泥自身的机械性能，该机械性能包括：其杨氏模量、泊松比、内聚力和摩擦角。用于确定对于这些性质的期望范围以及用于在水泥中控制这些性质的方法对于本领域技术人员来说是已知的。

在某些实施例中，用于锚定可膨胀衬管的水泥部分可包括交联聚合物凝胶，该凝胶包括如环状凝胶(ringing gel)的本领域已知的那些凝胶。适当的聚合物的实例包括在US 7,267,174中所公开的那些聚合物。在优选的实施例中，锚定可膨胀衬管的水泥部分包括交联聚合物以及适当的水泥质材料，该水泥质材料包括但并不限于：波特兰水泥、火山灰和/或矿渣。

在一些实施例中，在膨胀发生之前，水泥不会完全固化，所以，用作锚定件的水泥部分仅仅部分固化。在这种情况下，优选的是，通过使用诸如上面设定的那些参数来计算必需被水泥固定的生产管的最小长度。为该管提供了高剪切结合的水泥可仅仅需要较短长度的被水泥固定的管，以用于提供锚定力，而在膨胀时并未获得这些剪切结合的水泥将需要与管状物的更大表面积接触，进而需要与环形空间的较大轴向部分接触。

下列的实例图示了前述原理中的一些。

实例1

9又5/8英寸、43.5lb/ft、24英寸长的套管部分布置在13又3/8英寸套管的外护套内部。在安装之前，9又5/8英寸的管的外侧被喷涂有中型砂砾氧化铝，以增大管的粗糙度，进而提高管与水泥之间的剪切结合。环形空间被填充有由API类H波特兰水泥+73％淡水+0.6％羟乙基纤维素(稠化剂)+0.2％降失水剂组成的并且在13.8lb/gal下混合而成的水泥泥浆。该水泥在170°F和大气压力下固化大约8小时，在这段时间中，样品表现出具有579psi的耐压强度。在这段时间中，作用力被施加到9又5/8英寸的套管，与此同时保持外护套和水泥静止。破坏水泥护套与9又5/8英寸套管之间的剪切结合所需要的作用力被记录为38,200lbs，其等于68.2psi。然后，该信息用于确定用作执行膨胀的锚定件所需要的被水泥固定的套管长度。例如，期望100英尺的被水泥固定的套管承受2.4百万lbs的张力。

应理解的是，根据本发明的锚定泥浆可包括任何波特兰或非波特兰的水泥质材料，并且同样利用任何本领域已知的混合流体以及添加剂来根据需要提供可布置在井眼中的可泵送泥浆。另外，还应理解的是，该成分可包括如本领域已知的任一种添加剂或它们的组合以获得特定的机械性能，所述添加剂例如但并不限于：弹性体、聚合物、共聚物、乳胶、粘合剂、纤维、盐类以及聚成物。适当聚合物的实例包括可从Halliburton，Houston，Texas获得

和

产品。

在另外的实施例中，任一种水泥泥浆可包括弹性体材料，该弹性体材料如果与井眼或者地下流体(水、烃类、气和/或钻井流体等)接触就膨胀，以及可在甚至对硬化的水泥有机械损坏的情况下重建环形液压隔离。这种可膨胀的弹性体对于本领域技术人员来说是已知的。

无论选择哪种水泥性能用于实施本发明，还可期望的是，增加水泥对管的剪切结合，以使得在存在剪切力的情况下其不太可能与管状物的表面分开。用于实现这一点的技术在本领域中是公知的，包括但并不限于：将后凝固的膨胀剂(氧化锰、铝酸三钙、盐类)添加到水泥泥浆、塑性凝固的膨胀器(泡沫、活性气体发生器)以及表面活性剂。

排出的水

还已经发现的是，当膨胀装置被牵拉通过被锚定在固化的水泥中的管状物的一部分时，施加到水泥的压缩力足够大以迫使未起作用的水从固化的水泥中出来。如本领域技术人员所已知的是，大部分液压水泥仅仅使用所存在的水的一部分以用于起作用，剩余的水仅仅存在用于辅助混合并布置泥浆。在膨胀过程期间从水泥中排出的水量可能是大量的。如果不设置逃逸路径，则该截留的水可导致难题：诸如进行膨胀所需要的作用力过大，甚至超出钻机的能力；或者压力增大足以破坏管，甚至达到断裂的程度。应意识到的是，这些未起作用的水的一些部分，在一些情况下是全部，可经由自然渗透性或者经由自然裂隙或所产生的裂隙而逃逸到地层中。然而，这种出口可能并不总是存在或者可能并不以提供所期望的膨胀率的体积流率的方式而存在。人们认为，通过提供一路径可实现显著的优点，该排出的水可通过该路经从压缩区域逃逸。

提供用于排出的水的路径的一种方法是在水泥护套中提供现场自损破裂的容积。通过这种方法，随着发生膨胀以及套管与地层之间或者套管之间的环形间隙减小，自损破裂的容积提供了就地的可压缩容积，由此提供一种在膨胀期间防止截留压力增大的方式。一种用于将该可破裂容积提供给水泥护套的方法是泡沫化水泥，其中该水泥可在泵送期间被诸如空气或氮气的气体泡沫化，以使得在水泥变硬之后，水泥护套包括一定体积百分比的可压缩气体。另一种用于提供就地破裂的方法可通过在水泥混合物中包括中空的微球体来实现，例如可从诸如3M公司获得的硼硅酸盐中空微球体。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，这些方法中的任一种还减小了每体积凝固水泥中的未起作用的水的体积，以及自损破裂的容积可在井与井的基础上定制。此外，显而易见的是，可破裂的水泥护套还可包括机械调节剂，例如但并不限于之前所描述的橡胶颗粒、共聚物、乳液、就地造气复合物以及其它物质。

用于提供将液压释放到可膨胀管状物后面的环形间隙的路径的其它装置包括但并不仅限于：分流管、破裂膜片、容积室以及对于本领域的技术人员来说显而易见的类似物。

在一个优选的实施例中，可能期望以促使容积释放的方式形成井眼。这可通过若干种方式来实现，包括但并不限于：在膨胀之前在井眼中施加液体压力以促使井眼失效。在另一个实施例中，可通过经由在将可膨胀管状物下入井眼中之前对地层进行喷液而产生应力提升，从而影响该地层。这将在地层中产生弱点，并且使得其在膨胀过程期间由于压力增大而更容易失效，但是没有必要在该程度之前失效，因而使得可更加容易地控制、循环和水泥固化井眼。

在一些优选的实施例中，环形空间中的水泥可被上移，以使得可膨胀管状物的下端部由钻井流体、水泥隔离件或其它在井底处的非粘性流体围绕。此外，该流体还可由水凝水泥组成，该水凝水泥具有比在其上方的锚定水泥的凝固时间更长的凝固时间。这种方法是优选的，从而允许在较少的作用力下开始膨胀过程。

在一些优选的实施例中，可能期望的是，在膨胀过程已经完成之后泵送另外的水凝水泥或其它流体。该流体的目的在于确保膨胀后的管状物的环形空间中的碎石化(rubblized)水泥不会泄漏，或者相反地允许膨胀后的管状物后面的流体与来自较深地层的流体连通。这种实践对于本领域的技术人员来说通常指的是挤水泥。

应理解的是，在此公开的水泥锚定技术可被单独使用，或者与其它诸如起重器或悬挂器的锚定技术组合使用。同样地，在此公开的技术可对于连续长度的可膨胀衬管重复使用，每段长度的可膨胀衬管可被膨胀到相同的内径，以使得形成单一直径的井眼。

Claims (9)

1.一种用于改进沿着井眼的地层之间的层位封隔的方法，所述方法包括：

a)在井眼中设置管，其中所述管的至少一部分位于所述地层之间；

b)在井眼壁与所述管部分之间的环形空间中设置水泥体；

c)直到水泥达到至少70伯登稠度单位时，使水泥体固化；以及

d)使所述管的至少一部分膨胀以减小井眼壁与所述管的至少一部分之间的环形空间的横截面积。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤d)消除了水泥体中的流体通道。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤d)增大水泥体的密度。

4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在环形空间中设置第二水泥体的步骤，其中所述第二水泥体具有比第一水泥部分更长的固化时间。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述第二水泥体在实施步骤d)时并不固化。

6.如权利要求4所述的方法，其中至少一个水泥体包含聚合体。

7.如权利要求6所述的方法，其中至少一个水泥体包含环形凝胶。

8.如权利要求4所述的方法，其中步骤c)不会使得第二水泥体断裂。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括为在膨胀期间从水泥中排出的水提供排出路径的步骤。

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