CN102741499A - 在井眼中使管状元件膨胀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在形成于地层中的井眼内使管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括将管状元件布置在井眼中，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延伸，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，从而在所述膨胀管部和剩余管部之间限定环形空间。膨胀管部通过使剩余管部相对于膨胀管部向下运动进行轴向延伸，使得所述壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲。一管件定位在所述环形空间中，使得所述管件与膨胀管部大体上同心地延伸，其中，所述管件布置成支撑所述剩余管部和膨胀管部中的至少一个。

Description

在井眼中使管状元件膨胀的方法

技术领域

本发明涉及在形成于地层的井眼中使管状元件径向膨胀的方法。

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这种倾向性的区分。

在传统的井眼结构中，若干根套管安装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，需要在井眼中使管状元件径向膨胀的改进方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种使延伸到形成于地层中的井眼内的管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

将管状元件布置在井眼中，因此，管状元件壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向延伸，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，从而在所述膨胀管部和剩余管部之间限定环形空间；

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下运动来使所述膨胀管部轴向延伸，使得所述壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲；和

将管件定位在所述环形空间中，使得所述管件与膨胀管部大体上同心地延伸，其中，所述管件布置成支撑所述剩余管部和膨胀管部中的至少一个。

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下运动，管状元件有效从里向外翻转，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，通过将所述管件定位在环形空间内，可以实现所述管件给所述管件、剩余管部和膨胀管部的组件提供抗塌陷强度和/或爆裂强度。外翻的管状元件提供朝向井眼壁或布置在井眼中另一管状元件的密封作用。因此，外翻的管状元件的壁厚可以保持较薄，使得管状元件外翻所需的作用力相对较小。

为了将管件保持靠近管状元件的下端，适当地，所述管件与剩余管部的所述向下运动同时地在环形空间内相对于膨胀管部向下运动，因此，优选地，所述管件的向下运动的速度大体上等于所述壁部的下端部的向下运动的速度。

优选地，膨胀管部设置有外部密封装置，其布置成防止地层流体在膨胀管部和井眼壁之间沿轴向方向流动。这样，膨胀管部密封井眼壁，或者密封井眼中的另一管状元件的能力增强。

此外，为了平衡膨胀管部的壁上的流体压力，优选地，膨胀管部设置有至少一个开口，其布置成提供膨胀管部外部和膨胀管部内部之间的流体连通。

为了进一步提高密封性能，适当地，膨胀管部设置有内部密封装置，其布置成防止地层流体在所述管件和膨胀管部之间沿轴向方向流动。

为了实现膨胀管部保持其膨胀形状，优选的是，管状元件的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自动保持膨胀。在这方面，塑性变形是指永久变形，如各种延展性金属在超过材料的屈服强度时变形期间发生的那样。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。

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，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得到补充。随着剩余管部的长度增加，而由此使得重量增加，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。

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示意性地显示了与本发明方法一起使用的井眼系统的第一实施例；

图2示意性地显示了图1的细节A；

图3示意性地显示了与本发明方法一起使用的井眼系统的第二实施例；和

图4示意性地显示了与本发明方法一起使用的井眼系统的第三实施例。

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。

参考图1和2，显示了井眼系统，其中，井眼1延伸到地层2中，形式为衬管4的管状元件从地面向下延伸到井眼1中。衬管4已经通过其壁部5外翻部分地径向膨胀，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5由于其下端外翻而沿径向向外和轴向相反(即向上)方向延伸，从而形成使未膨胀衬管部8和膨胀衬管部10相互连接的壁部的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方式(未显示)锚固到井眼壁上。

膨胀管部10和剩余管部8限定了位于其间的环形空间16，管件18延伸到所述环形空间中，从而使管件18和膨胀管部10同心布置。

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。参考标记28表示未膨胀衬管部8的中心纵向轴线。

如图2所示，管件18延伸到靠近衬管4的壁部的U形下部11，因此，管件18的下边缘19具有与衬管4的U形壁部11的形状大体上互补的圆形形状。箭头29表示在外翻加工期间壁部5和管件18相对于膨胀衬管部10的相应的运动方向。

参考图3，显示了衬管4和管件18的下端，改进之处在于，衬管4的壁部5具有多个通孔30。在膨胀衬管部10处，通孔30提供壁部5的外部和内部之间的流体连通。

参考图4，显示了衬管4和管件18的下端，进一步改进在于衬管4的壁部5设置有多个沿轴向均匀隔开的外部环形密封件32和内部环形密封件34。在膨胀衬管部10处，外部环形密封件32连接至壁部5的外表面，内部环形密封件34连接至壁部5的内表面。每个外部环形密封件32防止地层流体在膨胀衬管部10和井眼壁14之间沿轴向方向流动。每个内部环形密封件34防止地层流体在管件18和膨胀衬管部10之间沿轴向方向流动。

在第一实施例(图1和2)的正常操作期间，衬管4的下端部首先外翻，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。

随后通过对未膨胀衬管部8施加足够大的向下作用力而使其逐渐向下运动，因此，未膨胀衬管部8在弯曲区12逐渐外翻。这样，未膨胀衬管部8逐渐转变成膨胀衬管部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运动。

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由于外翻加工而压靠井眼壁14，从而密封井眼壁14和/或稳定井眼壁。

随着未膨胀衬管部8的长度逐渐增加，其重量逐渐增加，向下作用力的大小可以相应于衬管部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。

在未膨胀衬管部8向下运动到井眼中的同时，操作钻柱20以使钻头22旋转，因此，导向钻头24将钻孔钻到小直径，并且扩孔部26将钻孔扩大到最终基准直径。因此，钻柱20向下逐渐运动到井眼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运动，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例如通过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，将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的至少一部分重量可以通过支承装置传递给钻柱20，从而给钻头22提供推力。

未膨胀衬管部8在其上端相应于所述向下运动进行延伸。

此外，在未膨胀衬管部8向下运动到井眼中的同时，管件18以大体上等于衬管4的U形壁部11的向下运动速度的速度下降到环形空间16中，使得管件18的下边缘19保持靠近U形壁部11。这样，实现了井眼1在钻进期间设置衬管。膨胀衬管部10的壁部5与管件18的壁厚相比较薄，使得衬管4外翻所需的作用力较小，而管件18给膨胀衬管部10提供抗塌陷强度和爆裂强度。

第二实施例(图3)的正常操作与第一实施例的正常操作大体上类似。区别如下：通孔30提供膨胀衬管部10的内部和外部之间的流体连通。因此，在容纳于周围地层的孔中的流体给膨胀衬管部10的外表面施加压力的情况下，这种压力通过通孔30与膨胀衬管部10的内表面连通，使得在壁部5上实现压力平衡。从而可以大大降低下述风险，即，膨胀衬管部10在孔隙流体压力的作用下压在管件18上，从而妨碍膨胀衬管部10和管件18之间的相对运动的风险。

第三实施例(图4)的正常操作与第二实施例的正常操作大体上类似。区别如下：每个外部环形密封件32通过防止膨胀衬管部10和井眼壁14之间的地层流体流动经过外部环形密封件而使膨胀衬管部10相对于井眼壁14密封。类似地，每个内部环形密封件34防止通过通孔30进入管件18和膨胀衬管部10之间的地层流体流动经过内部环形密封件34。

当需要将钻柱20取回地面时，例如，当钻头22将要更换或者当井眼1的钻进完成时，扩孔部22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工艺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，本发明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。

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。如果希望的话，所述管件可以在外翻加工已经完成之后按照传统方式略微径向膨胀，从而进一步增强膨胀衬管部朝向井眼壁的密封。

进一步，为了降低管件和未膨胀衬管部及膨胀衬管部之间的轴向摩擦，所述管件可以在外翻加工期间围绕其中心纵向轴线旋转。管件的旋转可以连续进行或者以振荡方式进行。同样，连续或震荡的轴向作用力可以施加到所述管件上以克服这样的轴向摩擦力。在进一步的应用中，所述管件承受压力波，从而使管件直径发生轻微震荡以克服这种轴向摩擦力。

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，弯曲区从海上平台运动到海底并且从海底进一步运动到井眼中。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，例如诸如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，可以在管件和未膨胀衬管部及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，摩擦减少涂层可以在胀管之前施加于衬管的外表面，或者施加到所述管件的内和/或外表面上。

代替使膨胀衬管部靠着井眼壁(如详细说明中所述)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 (12)

1.一种在形成于地层中的井眼内使管状元件径向膨胀的方法，所述方法包括：

将管状元件布置在井眼中，由此使管状元件壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向延伸，从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部，从而在所述膨胀管部和剩余管部之间限定环形空间；

通过使剩余管部相对于膨胀管部向下运动来使所述膨胀管部轴向延伸，使得所述壁部的下端部沿径向向外和轴向相反方向弯曲；和

将一管件定位在所述环形空间中，使得所述管件与膨胀管部大体上同心地延伸，其中，所述管件布置成支撑所述剩余管部和膨胀管部中的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在进行所述剩余管部的向下运动的同时，所述管件在所述环形空间内相对于膨胀管部向下运动。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述管件的向下运动的速度大体上等于所述壁部的下端部的向下运动的速度。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述膨胀管部设置有外部密封装置，该外部密封装置布置成防止地层流体在膨胀管部和井眼壁之间沿轴向方向流动。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述膨胀管部设置有至少一个开口，该至少一个开口布置成提供膨胀管部外部和膨胀管部内部之间的流体连通。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述膨胀管部设置有内部密封装置，该内部密封装置布置成防止地层流体在管件和膨胀管部之间沿轴向方向流动。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，操作钻柱以进一步钻进井眼，所述钻柱延伸穿过剩余管部。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述钻柱和剩余管部在井眼中同时下降。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，所述管状元件的壁部包括在所述壁部弯曲期间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。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，所述剩余管部承受引起该剩余管部的向下运动的轴向压力。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述轴向压力至少部分地由所述剩余管部的重量引起。

12.基本上如上文参考附图所描述的方法。

Images