CN102365420A - 作为用于可扩张管件的锚固件的水泥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于使可扩张管件在钻孔中扩张的方法，包括以下步骤：a)将可扩张管件定位在钻孔中的希望位置；b)仅通过位于在管件和钻孔壁之间的环形空间内的第一水泥部分将管件锚固在希望位置；c)通过使扩张装置移动穿过管件来使管件扩张。水泥可以在进行步骤c)时固化或不固化并且可以在步骤c)期间破裂或不破裂。该方法可以包括给在扩张期间从水泥中排出的水提供出口路径，提供比第一水泥部分具有更长的固化时间的第二水泥部分，或者根据水泥性能和期望扩张力计算锚固需要的水泥长度。

Description

作为用于可扩张管件的锚固件的水泥

相关案情

本申请要求提交于2009年3月31日的美国申请序号No.61/165128的优先权，其在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及使用水泥质材料作为在管材扩张期间将管材锚固在井眼中以及在扩张之后提供层间隔离的装置。

背景技术

在油气钻探领域，水泥质材料(包括但不限于波特兰水泥、树脂、高炉矿渣和这些材料的混合物)通常放在位于套管和井眼之间的环形空间内，从而在井眼的钻探、完井和操作期间隔离并保护套管。一旦被泵送就位并被允许硬化，这些材料提供各种地层之间以及地层与表面之间的隔离，使得烃可以安全开采，或者替代地，井眼可以用于注入操作。

当水泥已经在井眼中硬化之后，众所周知，硬化水泥会受到机械损坏-应力破裂和/或与套管壁分离(剥离)-从而可能危及液压隔离。同样，在使由硬化水泥围绕的管件扩张过程期间，水泥经常机械失效，从而丧失隔离作用。因此，人们希望提供使管件能够在井眼中扩张并且仍然保持环形液压隔离的系统。

另外，包括使用可扩张管件在内的钻井操作变得越来越普遍。扩张可以利用自上而下技术(其中，扩张工具在可扩张管件的上端开始并且被推动穿过管件，直到它已经使管件的整个长度扩张为止)或者利用自下而上技术(其中，扩张工具在管件的底部开始并且被穿过管件向上拉动)实施。无论使用哪种技术，如果管件未锚固的话，它将随着扩张工具一起运动。如果没有扩张工具相对于管件的运动，将不会发生扩张。

在自上而下扩张技术中，扩张工具作用在管件上的向下作用力可通过将管件锚固到相邻管柱上或者通过利用其它工具施加向上作用力而被克服。然而，在自下而上扩张中，通常希望使管件的顶端在钻孔内自由运动，从而允许管件在扩张期间进行轴向收缩。因此，使用顶部锚固技术可能是不切实际的，作为替代，人们可能希望锚固管子的下端。

执行自下而上扩张的一种方法是使用机械千斤顶。机械千斤顶在管件内工作并且在无需给管件施加额外的外部作用力的情况下使管件的管段扩张。局部扩张用于将管柱充分锚固在井眼中，使得扩张工具随后能够被穿过管件拉动。因此，对于自下而上扩张来说，可以使用千斤顶使管件的下端扩张和锚固。然而，机械千斤顶系统的可靠性并未得到大家公认，对于某些应用而言，它们是不经济的。

另一种使管件在井眼中扩张的为大家所公认的方法仅使用液压压力。然而，这种方法也存在可靠性和成本问题。因此，仍然需要锚固管件的替代手段，使得扩张过程可以在无需千斤顶系统的帮助或者无需全部依赖于液压压力的情况下进行。

发明内容

根据本发明的优选实施例，提供了用于锚固管件以使得扩张过程可以在无需千斤顶系统帮助或无需依赖于液压压力的情况下进行和在管件扩张之后提供层间隔离的手段。

在一些实施例中，硬化水泥材料设计成具有特定的机械性能，以使得它能够承受足够大的作用力以允许管件径向扩张为较大直径。本发明的一些实施例包括双泥浆方法，其中，快硬水泥浆放在围绕要扩张的管件下部的环形空间内，从而提供锚固，第二缓凝泥浆围绕管件的第二部分放置并且在扩张过程完成之后才硬化，从而实现地层隔离。

在其它实施例中，一种或两种水泥浆设计成具有机械性能，以使得围绕管件底部放置的泥浆提供在扩张开始期间锚固管件的手段，而不会使一个或两个水泥护层发生机械故障。在进一步的实施例中，每一种水泥浆可以包含弹性体材料，其在与井眼或者地下流体例如水、烃、气和/或钻井流体等接触时膨胀，即使硬化水泥发生机械损坏，也会重新形成环形液压隔离。

本发明的一些实施例包括一种用于使可扩张管件在钻孔中扩张的方法，包括以下步骤：a)将可扩张管件定位在钻孔中的希望位置，b)仅通过位于在管件和钻孔壁之间的环形空间内的第一水泥部分将管件锚固在希望位置，和c)通过使扩张装置移动穿过管件来使管件扩张。第一水泥部分在进行步骤c)时可以固化或可以不固化。第一水泥部分可以包含在进行步骤c)时交联的聚合物和/或可以包含环状凝胶剂。如果第一水泥部分在进行步骤c)时固化，步骤c)可以(或者可以不)使水泥破裂。该方法还可以包括给在扩张期间从水泥中排出的水提供出口路径的步骤和/或还可以包括在环形空间内提供第二水泥部分的步骤，其中，第二水泥部分具有比第一水泥部分更长的固化时间。该方法还可以包括根据水泥性能和期望扩张力计算锚固需要的水泥的长度的步骤。

当在本说明书和权利要求书中使用时，下列术语具有下列含义：

术语“锚固”是指在管件和钻孔壁之间提供充分接合以允许扩张工具相对于管件运动并因此使管件扩张的系统或装置。

当在此使用时，“衬管”和“套管”可互换地使用，这是因为本发明涉及套管的方面也涉及衬管，反之亦然。

当在这里使用时，除非另有说明，术语“底部”、“下部”和“井下”等是指远离表面的位置，即使钻孔并非竖直。

还应当理解，所述水泥配方可以包含本领域已知的任何添加剂以实现为泵送和放置所需的特定泥浆性能，包括用于泡沫状水泥的添加剂和气体。

附图说明

为了更详细地理解本发明，参考附图，其中：

图1是具有可扩张衬管和管柱的钻孔底部的示意图。

具体实施方式

参考附图，钻孔10可以包含可扩张衬管12和管柱14。扩张装置16固定到管子14的下端。扩张装置16显示为扩张锥，但是可以是能够随着装置穿过套管而使可扩张衬管逐渐径向扩张的任何适当装置。该组件还可以包括偏心导鼻、位于锥上方的稳定器、自动填充浮箍、带突板球阀(dart)捕集器、两个带突板球阀、安全接头、碎屑捕集器和通向表面的钻管(全部未显示)，例如本领域已知的那样。该设备装配好并利用钻管下放入井中。

如果衬管12的上端(未显示)在钻孔内自由运动，则施加到扩张装置16上的向上作用力将仅仅使衬管12向上运动，而不会产生扩张。为了提供扩张装置16相对于衬管12的必要运动，必须将衬管12锚固在钻孔中。

如果没有在衬管上端通过机械手段完成管件的必要锚固，例如与相邻上部管件的下端进行接合，则锚固可以通过水泥实现。在下面的讨论中，所讨论的水泥是指位于在衬管12和钻孔10之间的环形空间内的水泥，如参考数字18所示。特别地，水泥可以提供管件外部和钻孔壁内部之间的机械接合。如果水泥是唯一的锚固手段，这种机械接合必须足以克服在扩张开始时施加的大的向上作用力来约束管件。

在优选实施例中，水泥被混合并泵送到井下。当泵送水泥时，它优选地通过两个带突板球阀与其它流体分离。第一带突板球阀座放入带突板球阀捕集器中，表示水泥即将进入环形空间。泵送额外的流体，直到第二带突板球阀座放为止，表示所有的水泥都在环形空间内。在泵送若干桶以清除钻柱的水泥之后，停止泵送。一旦泵送停止，浮箍起到背压阀的作用，以防止水泥沿着钻柱流回。在经过允许水泥至少部分地固化的预定时间之后，通过在钻柱上拉动以开始锥处的运动来启动套管扩张。组件中优选地包括安全接头以使得在工具或操作出现任何问题时能够从钻柱容易地脱离。

本发明的一些实施例包括双泥浆方法，其中，快硬水泥浆放在围绕待扩张管件的第一部分的环形空间内，从而提供锚固，第二缓凝泥浆围绕管件的第二部分放置并且在扩张过程完成之后才硬化，从而实现地层隔离。第二泥浆可以位于环形空间中的第一部分上方，如图22所示，或者位于其下方。在这些实施例中，快凝水泥部分可能在扩张过程中破裂，但尽管如此，仍然可以保持其锚固管件的能力。

在使用快凝和缓凝水泥两者的实施例中，每种水泥部分的固化时间取决于多种因素，包括井下温度、水泥含水率和存在的添加剂。优选地，尽可能控制这些因素，以使得快凝水泥部分在第一预定时间窗口内凝固，缓凝水泥在比第一预定时间窗口更长的第二预定时间窗口内凝固。仅举例来说，第一水泥可以在小于12小时内固化，而缓凝水泥可以在不小于50小时内固化。

在其它实施例中，一种或两种水泥浆设计成具有机械性能以使得围绕管件底部放置的泥浆提供在膨胀开始期间锚固管件的手段，而且能够在不导致一个或两个水泥护层发生机械故障的情况下径向扩张。通过使用乳胶、橡胶颗粒、纤维以及就地固化的粘合剂(例如水凝水泥、交联聚合物、树脂、橡胶等)的各种混合物，能够形成在不破裂的情况下径向扩张的水泥层。

本实施例优选控制的参数包括管和水泥之间的剪固结力(shearbond)、水泥本身的机械性能(包括其弹性模量、泊松比、粘结力和摩擦角)。用于确定这些性能的希望范围以及用于控制水泥中的这些性能的方法为本领域技术人员所熟知。

在一些实施例中，用于锚固可扩张衬管的水泥部分可以包括交联聚合物凝胶，包括本领域已知的环状凝胶(ringing gel)。适当聚合物的实例包括美国专利7,267,174中公开的聚合物。在优选实施例中，锚固可扩张衬管的水泥部分包括交联聚合物和适当的水泥质材料，包括但不限于波特兰水泥、火山灰与/或矿渣。

在一些实施例中，水泥在扩张发生之前未完全固化，因此，起到锚固件作用的水泥部分仅部分固化。在这种情况下，优选地利用例如如上所述的参数计算必须灌注水泥的管子最小长度。提供与管的高剪固结力的水泥仅需要较短长度的灌注水泥管来提供锚固力，而在扩张时并不实现同样大的剪固结力的水泥需要与管件的更大表面面积接触，因此与环形空间的更大轴向部分接触。

下面的实例显示了一些如上所述的构思。

实例1

24英寸长的95/8英寸、43.5lb/ft套管段放在133/8英寸套管的外护层内。在安装之前，用中砂氧化铝对95/8英寸管的外部进行喷砂以增大管的粗糙度，从而增加管和水泥之间的剪固结力。将环形间隙充以由API H级(API Class H)波特兰水泥+73％清水+0.6％羟乙基纤维素(稠化剂)+0.2％防滤失剂在13.8lb/gal下混合形成的水泥浆。水泥在170°F和大气压力下固化大约8小时，此时抽样显示579psi的抗压强度。这时，给95/8英寸套管施加作用力，同时保持外护层和水泥固定不动。破坏水泥护层和95/8英寸套管之间的剪固结力所需的作用力记录为38,200lbs，等于68.2psi。随后，使用该信息来确定起到锚固件作用以进行扩张所需的灌注水泥套管的长度。例如，100ft的灌注水泥套管可期望承受240万磅的拉伸作用力。

应当理解，根据本发明的锚固泥浆可以由任何波特兰或非波特兰水泥质材料构成，同样，可以使用本领域已知的任何混合流体和添加剂来提供能够根据需要放在井眼中的可泵送泥浆。进一步地，还应当理解，成分可以包含本领域已知的任何添加剂或其组合以实现特定的机械性能，例如但不限于弹性体、聚合物、共聚物、乳胶、粘合剂、纤维、盐和聚合体。适当聚合物的实例包括可从Halliburton，Houston，Texas购得的和

产品。

在另外的实施例中，每一种水泥浆可以包含弹性体材料，其在与井眼或者地下流体(水、烃、气和/或钻井流体等)接触时膨胀，即使硬化水泥发生机械损坏，也会重新形成环形液压隔离。这种可膨胀弹性体为本领域技术人员所熟知。

不管为实施本发明选择哪种水泥性能，人们还希望增大水泥与管的剪固结力，从而使其在存在剪切力的情况下更不易从管件表面分离。用于实现这点的技术为本领域所熟知，包括但不限于给水泥浆添加固化后膨胀剂(氧化锰、铝酸三钙、盐)，塑性固化膨胀剂(泡沫、活性气体发生器)和表面活性剂。

排出水(Expelled Water)

进一步发现，当穿过锚固在固化水泥中的管件的部分拉动扩张装置时，施加给水泥的压力大到足以迫使未反应的水从固化水泥排出。如本领域技术人员所知，大部分水凝水泥只利用存在的一部分水反应，剩余的水仅用于帮助混合和放置泥浆。在扩张过程中从水泥中排出的水量可能非常大。如果没有提供排出路径，这些截留的水可能会造成麻烦，例如需要过大的作用力进行扩张，甚至超过钻塔能力，或者压力增大到足以损坏管，甚至达到坍陷点。可以认识到，这些未反应水中的一部分(有时候全部)可以通过天然渗透性或者天然或生成裂缝流到地层中。然而，这样的出口不总是存在或者具有能适应希望的扩张速率的体积流量。人们相信通过提供使排出水能从压缩区排出的路径可以获得显著的优点。

给排出水提供路径的一种方法是在水泥护层中提供就地牺牲性坍陷体积。利用这种方法，当发生扩张并且套管和地层之间或者套管之间的环形间隙减小时，牺牲性坍陷体积提供了就地可压缩体积，从而提供了在扩张过程中避免截留压力增大的手段。给水泥护层提供这种可坍陷体积的一种方法是泡沫水泥，其中，水泥在泵送期间利用诸如空气或氮气的气体形成泡沫，使得在水泥硬化之后，水泥护层包括一定体积分数的可压缩气体。通过在水泥混合物中包括空心微球体(例如，可从诸如3M公司等公司购得的硼硅酸盐空心微球体)可以实现提供就地坍陷的另一手段。对本领域技术人员显而易见的是，这些方法还均减少了单位体积固化水泥中的未反应水的体积，并且可以针对一个个井分别定制牺牲性坍陷体积。另外，显而易见的是，可坍陷水泥护层还可以包括其它机械改性剂，例如但不限于前面提到的橡胶颗粒、共聚物、乳胶、就地气体生成混合物以及其它手段。

给位于可扩张管件后面的环形间隙提供液体释放路径的其它方法包括但不限于对本领域技术人员显而易见的旁通管、爆破盘、容积室等。

在一种优选实施例中，可能希望以开始容积释放的方式准备井眼。这可以通过多个手段实现，包括但不限于在扩张之前在井眼中施加液压压力以开始使井眼失效。在另一种实施例中，可通过在将可扩张管件下送到井眼中之前对地层进行液力喷射以产生管子应力集中凹槽来影响地层。这在地层中形成弱化区并且允许它在扩张过程中由于压力增大而更易于破碎，但是不需要一定在此之前破碎，从而允许井眼更易控制、循环和灌注水泥。

在一些优选实施例中，环形空间内的水泥被替置，使得可扩张管件的下端由钻井流体、水泥隔层或者位于井底的其它非水泥流体包围。另外，该流体可还包含具有比上述锚固水泥更长的固化时间的水凝水泥。这样的方法是优选的，从而允许扩张过程利用较小的作用力开始。

在一些优选实施例中，可能希望在已经完成扩张过程之后泵送附加的水凝水泥或其它流体。该流体的目的是确保扩张管件的环形空间内的橡胶化水泥不会泄漏或者允许来自更深地层的在扩张管件后面的流体连通。这种实施手段通常被本领域技术人员称作挤水泥(shoesqueeze)。

应当理解，这里公开的水泥锚固技术可以单独使用，或者与其它锚固技术，例如千斤顶或悬挂装置结合使用。同样，这里公开的技术可以对扩张衬管的连续长度段重复使用，每个长度段可以扩张至相同的内径，从而形成单一直径的钻孔。

Claims (10)

1.一种用于使可扩张管件在钻孔中扩张的方法，包括以下步骤：

a)将可扩张管件定位在钻孔中的希望位置；

b)仅通过位于在管件和钻孔壁之间的环形空间内的第一水泥部分将管件锚固在希望位置；和

c)通过使扩张装置移动穿过管件来使管件扩张。

2.如权利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分在进行步骤c)时并不固化。

3.如权利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分包含在进行步骤c)时交联的聚合物。

4.如权利要求4所述的方法，其中，第一水泥部分包含环状凝胶剂。

5.如权利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分在进行步骤c)时固化。

6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤c)使水泥破裂。

7.如权利要求5所述的方法，其中，步骤c)并不使水泥破裂。

8.如权利要求1所述的方法，还包括给在扩张期间从水泥排出的水提供出口路径的步骤。

9.如权利要求1所述的方法，还包括在环形空间内提供第二水泥部分的步骤，其中，第二水泥部分具有比第一水泥部分更长的固化时间。

10.如权利要求1所述的方法，还包括根据水泥的性能和期望扩张力计算锚固需要的水泥的长度的步骤。