CN103415673B - 用于径向扩张管件并进行定向钻井的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于径向扩张管件的系统和方法。该方法包括以下步骤：在轴向相反的方向上径向朝外弯曲管件，以形成绕未扩张管部分延伸的扩张管部分，其中，在弯曲区域进行弯曲；通过在轴向上相对于扩张管部分推动未扩张管部分，使扩张管部分的长度增加；操作钻柱钻井眼，该钻柱伸入未扩张管部分中，钻柱的井下端部设置有钻头；以及，操作连接到钻柱上的定向钻井装置，使井眼偏斜并沿预定路径引导孔眼。

Description

用于径向扩张管件并进行定向钻井的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于径向扩张管件的方法和系统，其适于进行定向钻井。本申请的方法和系统可用于对井眼加衬。

背景技术

在井眼中径向扩张管件的技术逐渐地应用到油气开采领域。井眼通常布置有一个或更多个套管或衬管，以稳定井壁，和/或在不同地层之间形成区域隔离。术语“套管”和“衬管”表示用于支撑和稳定井壁的管件，因而，通常应理解为，套管从地面伸入井眼中，衬管从井下位置进一步延伸到井眼中。但是，在本说明书中，术语“套管”和“衬管”可交换使用，两者之间没有上述这种差异。

在传统井眼结构中，在不同的深度区间以嵌套的结构形式设置多个套筒。这种情况下，在前一套筒中下放随后的套筒，因而，随后的套筒直径比前一套筒小。因此，适于油气开采的井眼截面尺寸随着深度减小。

为了消除这种缺陷，可以在井眼中的所需深度位置上径向扩张一个或更多个管件，例如，形成扩张套管、扩张衬管或在已有的套管或衬管上形成覆层。

另外，已经有人提出，径向扩张每个随后的套筒使其直径基本上等于前一套筒直径，来形成直径一致的井眼。因而，可让井眼的有效直径沿其(一部分)深度范围基本上保持不变，这与传统嵌套式布置结构不同。

EP-1438483-B1公开了一种在井眼中径向扩张管件的方法，在钻新井部分的过程中，管件在未扩张状态下首先连接到钻柱上。之后，将管件径向扩张，然后从管柱上释放下来。

为了扩张这种井眼管件，通常使用锥形扩张器，扩张之后，所需的管直径基本上等于扩张器的最大外径。扩张器被泵送、推动或拉动穿过管件。这种方法会在扩张器和管件内表面之间产生需要克服的高摩擦力。另外，存在扩张器卡在管件中的危险。

EP-0044706-A2公开了一种方法，用于通过在井眼中使编织材料或织布材料制的柔性管外翻来径向扩张该柔性管，从而将泵送到井眼中的钻井液与朝地面流动的泥浆岩屑分离。但是，编织材料或织布材料的强度不足以支撑井壁和置换传统套管。

在某些应用场合中，公知的扩张技术已经达到满意效果，但是，仍需要一种改进的方法来径向扩张管件。

WO-2008/006841公开了一种井眼系统，用于在井眼中径向扩张管件。使管件的壁在轴向相反的方向上径向朝外弯曲，以形成绕管件的未扩张部分延伸的扩张部分。通过将未扩张部分推入扩张部分中来增加管件扩张部分的长度。此情况下，外翻之后，扩张部分保持已扩张的管形状。在未扩张部分的顶端处，例如，通过增加管部分可使未扩张部分延伸，或通过退卷片材、对片材进行折叠并焊接成管形而可使未扩张部分延伸。

除了上述这类在井眼中扩张管件的系统以外，还存在多种用于定向钻井的系统，这些系统能钻弯曲井眼以及传统的笔直井眼。但是，已经证实，公知的这些定向钻井系统不适于WO-2008/006841公开的这种系统。

发明内容

本发明的目的是改进上述方法和系统。

因而，本发明提供了一种方法，用于径向扩张管件，该方法包括以下步骤：

－在轴向相反的方向上径向朝外弯曲管件，以形成绕未扩张管部分延伸的扩张管部分，其中，在弯曲区域进行弯曲；

－通过在轴向上相对于扩张管部分推动未扩张管部分，增加扩张管部分的长度；

－操作钻柱来钻进井眼，该钻柱伸入未扩张管部分中，钻柱的井下端部设置有钻头；以及

－操作连接到钻柱上的定向钻井装置，使井眼偏斜并沿预定路径引导井眼。

因而，弯曲过程中管件可有效地由内朝外翻转。弯曲区域界定进行弯曲过程的位置。通过使弯曲区域在轴向上沿管件移动，可使管件逐渐扩张，而不需要将扩张器推动、拉动或泵送穿过管件。

优选地，管件包括在弯曲过程中在弯曲区域可塑变形，从而使扩张管部分保持由于所述塑性变形而致的扩张形状的塑性材料。以这种方式，可使扩张管部分的壁保持其塑性变形(即，永久变形)所致的形状。因而，扩张管部分保持其扩张形状，而不需要外力或压力来保持其扩张形状。例如，如果扩张管部分由于所述壁弯曲而已经扩张低靠井壁，那么，不需要对扩张管部分施加外部径向作用力或压力来保持其紧靠井壁。

合适地，管件的壁包括金属，如钢或任何其他可延展金属(外翻管件期间其能塑性变形)。扩张管部分从而具有足够的抗压强度，例如大致为100巴或150巴或更大。

如果管件在井眼中竖向延伸，那么可利用未扩张管部分的重量，起到使弯曲区域向下运动所需的作用力的作用。

合适地，通过使未扩张管部分在轴向上相对于扩张管部分运动，从而使弯曲区域在轴向上相对于未扩张管部分运动。例如，保持扩张管部分静止不动，而让未扩张管部分在轴向上在扩张管部分中运动以使壁弯曲。

为了使未扩张管部分进行所述运动，优选地，使未扩张管部分承受轴向压缩力，从而产生促使这种运动的效果。轴向压缩力优选至少部分缘于未扩张管部分的重量。如果需要，可在重力作用的基础上，另外补充向下的外部力施加到未扩张管部分上来促使所述运动。随着未扩张管部分的长度增加，因而其重量增加，从而，可能需要对未扩张管部分施加向上作用力，以避免不受控制地弯曲或在弯曲区域发生褶曲。

如果弯曲区域位于管件的下端，由于弯曲区域的所述运动而使未扩张管部分下端的轴向长度变短，优选地，未扩张管部分的上端根据其下端的轴向长度变短而轴向延伸。由于使所述壁连续地反向弯曲，因而未扩张管部分的下端将逐渐变短。因而，通过延伸未扩张管部分的上端可以补偿其下端变短，从而，可继续进行反向弯曲壁的过程直到扩张管部分达到所需的长度为止。例如，通过以任何合适方式(如焊接)将管部分连接到未扩张管部分的上端，未扩张管部分在其上端可延伸。可供选择地，未扩张管部分可以以连续油管的形式来提供，所述连续油管可从卷筒退卷下来，然后逐渐插入井眼中。从而，通过从卷筒上将连续油管退卷下来，连续油管的上端可延伸。

由于绕未扩张管部分形成扩张管部分，因而，未扩张管部分和扩张管部分之间形成环形空间。为了提高扩张管部分的抗压强度，可将加压流体引入环形空间中。可仅通过环形空间中的液柱重量来产生流体压力，或者，除液柱重量外还可通过施加给液柱的外部压力来产生流体压力。

合适地，可通过弯曲管件下端部分的壁来开始扩张过程。

采用钻柱钻井期间，可同时降下未扩张管部分和钻柱。

扩张处理期间，为了减小未扩张管部分发生任何褶曲的可能性，可通过任何合适的定中装置将未扩张的管部分在扩张部分内定中布置。

根据另一方面，本发明提供了一种用于径向扩张管件的系统，包括：

－管件，其在轴向相反的方向上径向朝外弯曲，以形成绕未扩张管部分延伸的扩张管部分，其中，在弯曲区域进行弯曲；

－顶管器，其通过使扩张管部分在轴向上相对于未扩张管部分移动而使扩张管部分的长度增加；

－钻柱，其用于钻井眼，该钻柱伸入未扩张管部分中，钻柱的井下端部设置有钻头；以及

－定向钻井装置，其连接到钻柱上，该定向钻井装置使井眼偏斜并沿预定路径引导井眼。

附图说明

参照附图，下面将通过实例更详细地描述本发明，附图如下：

图1示出了用于径向扩张管件的系统的下部的竖向截面图；

图2示出了图1所示系统的上部的一实例的竖向截面图；

图3示出了图1所示系统的上部的另一实例的竖向截面；

图4是示意性侧视图，示出了可转向的钻井系统的细节部分；

图5A示出了本发明的系统的一实施例处于第一状态时的细节部分的截面；

图5B示出了图5A的细节部分；

图6示出了图5所示的实施例处于第二状态时的截面；

图7示出了图5所示的实施例处于第三状态时的截面；

图8示出了本发明的系统的另一实施例的细节部分的截面；

图9示出了本发明的系统的另一实施例处于第一状态时的细节部分的截面；

图10示出了图9所示的实施例处于第二状态时的截面；

图11示出了本发明的系统的另一实施例的细节部分的截面；

图12示出了本发明的一实施例的截面；

图13示出了本发明的另一实施例的截面；

图14-17示出了图13所示的实施例处于不同使用状态时的细节部分的截面；

图18示出了本发明的另一实施例的截面；

图19-21示出了图18所示的实施例处于不同使用状态时的细节部分的截面；

图22是剖面侧视图，示出了本发明的系统的另一实施例；

图23是示意性剖面侧视图，示出了图22所示的实施例所解决的问题；

图24和25示出了使用图22所示系统进行钻井的方法的后续步骤。

在附图和说明书中，类似数字标记表示类似元件。

具体实施方式

图1示出了形成在地层2中的井眼1。可径向扩张的管件4(如可扩张的钢衬管)从地面6向下延伸到井眼1中。管件4包括未扩张的未扩张管部分8和径向扩张的扩张管部分10。未扩张管部分8在扩张管部分10内延伸。扩张管部分10的外径可基本上等于井眼1的直径。

尽管图1所示的井眼竖向延伸入地层2中，但是本发明同样适用于任何其他井眼。例如，井眼1至少局部可在水平方向上延伸。在下面的描述中，井眼上端表示位于地面6处的端部，下端表示井下的端部。

在未扩张管部分下端，未扩张管部分8的壁在轴向相反的方向上径向朝外弯曲，以形成弯曲的下端部分12，从而界定了管件4的弯曲区域14。弯曲部分12的截面为U形，弯曲部分12使未扩张管部分8和扩张管部分10相互连接。

钻柱20可从地面伸入未扩张的衬管部分8中、到达井眼的下端。钻柱20的下端设置有钻头22。钻头例如包括领眼钻头24和扩眼器部分26，领眼钻头24的外径稍小于未扩张的衬管部分8的内径，调节扩眼器部分的外径钻进井眼1，使井眼达到公称直径。扩眼器部分26可径向伸缩至使其外径更小，这样就可穿过未扩张衬管部分8，从而钻头22能通过未扩张的衬管部分8返回到地面。

钻柱20可包括多个钻杆部分28，钻杆部分28的各端部可通过阳、阴螺纹连接件30相互连接。钻柱20和未扩张管部分8之间的环形空间32称之为钻孔环空32。

图中未详细示出连接件30，但是连接件例如包括螺纹接头、阳螺纹-阴螺纹式接头。连接件30可以包括每端上都制造有阳螺纹的接头，使用带有阴螺纹的短型连接件(未示出)将钻柱的各接头连接在一起；或者，使一端上的阳螺纹与另一端上的阴螺纹连接。所述螺纹连接件可包括符合美国石油协会(API)标准的连接件。

图1也示出了钻台40，钻台相对于地面6被升高，钻台包围钻柱20和未扩张管部分8的上端。钻台40是钻机的一部分，但是图中未示出钻机的全部部分。顶管器42例如设置在钻台下方，顶管器包围未扩张部分8。例如，顶管器被底座43支撑。该底座43提供稳定性，例如底座可连接到钻机上或在地面6处受到支撑。顶管器可包括一个或更多个马达46、以及一条或更多条传送带48，马达设置在所述底座上，传动带分别被各马达驱动。每条传动带48与未扩张部分8的外侧接合。传动带48可对所述未扩张部分8施加力以迫使未扩张部分移入扩张部分10中。可以构想出顶管器42的、将能对未扩张部分施加向下或向上的作用力的其他实施例。

密封装置50可连接到已扩张的扩张衬管部分10的上端，以相对于扩张衬管部分10密封未扩张衬管部分8。鉴于此，密封装置50能让未扩张衬管部分8在轴向上相对于密封装置50滑动。密封装置包括管道52，该管道连接到泵(未示出)上，该泵用于将流体泵入或泵出盲环空44。盲环空在此为未扩张衬管部分8和扩张衬管部分10之间的环形空间。由于环形空间44的井下的端部被弯曲区域14封闭，因而该环形空间称为盲环空。密封装置可包括一个、两个或更多个环形密封件56、58。密封件56、58与未扩张部分8的外侧接合，以防止所述流体流出所述盲环空。优选地，密封装置50包括至少两个密封件56、58以在第一密封件出现故障的情况下提供可提高安全性和稳定性的至少一种辅助密封。

密封装置50可认为是盲环空防喷器(BABOP)。因而，密封件56、58、密封装置50的连接到所述扩张管部分10的上端的连接件、以及一个或更多个用于关闭管道52的阀(未示出)将被设计为：至少可承受住井控情况下可能出现的流体压力。根据地层的具体情况，密封装置50例如被设计为，可承受住井喷情况下的预期压力，例如该压力在大约200巴至大约1600巴范围内，例如大致为400巴至800巴或更大。例如，在井控情况下，如果可扩张管4由于(局部)破裂而出现故障，盲环空44中将会出现这种压力。

通过任何合适的固定构件轴向固定扩张的衬管部分10，以防止其轴向运动。扩张的衬管部分10的上端可固定在地面上。例如，扩张部分的所述上端例如可通过焊接和/或螺栓连接方式连接到环或凸缘59上。所述环可连接到或组合在地面上的任何合适结构(如密封装置50)上。所述环的内径可大于扩张部分的外径。可选择地，例如，由于扩张过程的原因，会在扩张的衬管部分10和井壁12之间产生摩擦力，通过该摩擦力扩张部分10可固定到井壁12上。可供选择地，或，另外，扩张的衬管部分10可通过任何合适的锚定装置锚定到井壁上。

在线II-II所示的交界面处，图1所示的系统的下部分例如可连接到图2和3所示的系统的上部分。

图2示出了连接到上端连接部分62上的顶驱60，所述上端连接部分可相对于顶驱旋转。优选地，上端连接部分包括具有光滑外表面的无接箍管子。远离所述顶驱的管端64设置有上述螺纹连接件30。带螺纹的管端64连接到其他钻柱部分66上。通常，该其他钻柱部分66基本上与图1所示的钻柱部分28相同。在线I-I所示的交界面处，该其他钻柱部分66可连接到图1所示的钻柱20的上端。

钻孔环空密封装置70可覆盖住钻孔环空32的顶端。密封装置70包括壳体72，该壳体包围连接部分62并提供内部空间74。在该壳体的靠近顶驱60的顶端处，壳体包括一个、两个或更多密封件76、78，它们接合管62的外侧。优选地，密封件76、78可允许所述壳体沿管62滑动。在所述壳体的相对端，该壳体可包括一个、两个或更多密封件80、82，它们与另外的扩张管部分84的外侧接合。除密封件以外，壳体还可包括夹具106，该夹具可与所述另外的能够扩张的管部分84的外侧和/或内侧接合。致动管线88连接到所述壳体上以致动或释放密封件80、82和/或夹具86。流体管道90连接到所述内部空间74以将(钻井)液供送到环形空间32中或将(钻井)液从环形空间排出。

密封装置70可包括延伸部件或插入器100。插入器伸入所述另外的能够扩张的管部分84的内部。插入器可包括密封件102、104和/或夹具106以接合所述另外的能够扩张的管部分84的上端。插入器还可包括与所述另外的能够扩张的管部分84的下端结合的密封件108以及与未扩张管部分8(图1所示)的上端的内侧结合的密封件110。气动背撑工具(backinggastool)198可组合在插入器中，位于密封件108、110之间。气动背撑工具覆盖所述另外的能够扩张的管部分84和未扩张管部分8之间的内交界面。

插入器至少比所述另外的能够扩张的管部分84稍长一些，这样插入器可伸入未扩张部分8中，从而插入器能起到校准工具的作用，从而使所述另外的能够扩张的管部分84和未扩张部分8对准。

实际上，所述另外的能够扩张的管部分84的长度可大致在5-20米范围内，例如为10米。例如，插入器比所述另外的能够扩张的管部分84长大约2％至10％，例如长大约5％。环形空间112设置在插入器和管62之间，从而提供从环形空间32至所述内部空间74和管道90的流体连接。

密封装置70可称之为钻孔环空防喷器(DABOP)70。密封件76-82、夹具86以及一个或更多个用于关闭管道88和90的阀(未示出)将被设计为至少可承受住井控情形下可能出现的流体压力。根据地层的具体情况以及预期的最大孔压力，DABOP70例如被设计为可承受住大致200巴至大致1600巴的压力，例如大致为400巴至800巴或更大。

钻孔环空防喷器可包括任意数量的密封件。钻孔环空防喷器70可包括一个密封件76和一个密封件80，或多个密封件。在实际的实施例中，相对于管62进行密封的两个密封件76、78以及相对于所述另外的能够扩张的管部分84进行密封的两个密封件会使系统安全性、可靠性和成本这两方面之间达到平衡。例如，由与所述另外的能够扩张的管部分84的内侧结合的内密封件102、104和与所述另外的能够扩张的管部分84的外侧结合的外密封件80、82所提供的这种双重密封可提高密封装置70的可靠性和密封性。

图3示出了图1所示系统的上部分。未扩张衬管部分8的上端由缠绕在卷筒132上的(金属)板130形成。金属板130具有相对的边缘133、134。金属板130从卷筒132上退卷下来之后被弯曲成管形，例如通过焊接将边缘133、134相互连接，以形成未扩张管部分8。因此，可扩张的管件4可包括纵向焊缝135。

流体管道136从未扩张管部分8的内部延伸至未扩张管部分8的上端的上方。流体管道136的下端可连接到位于未扩张管部分8中的管138，或与该管一体形成。第一环形密封件140相对于未扩张衬管部分8密封所述管138，第二环形密封件142相对于钻柱20密封所述管138。流体管道136通过设置在管138的壁上的开口144与管138的内部空间保持流体连通。另外，管138设置有夹具146，该夹具允许管138相对于未扩张衬管部分8向上滑动，并防止该管相对于未扩张衬管部分向下滑动。第一环形密封件140允许管138相对于未扩张衬管部分8向上滑动。

图3所示的上部分可与图1所示的下部分组合，其中，未扩张管部分8可绕钻柱20连续形成。为了让图3清楚，图3中省去了图1中所示的一些部件，如密封装置50、顶管器42和钻台40。

图4示出了可转向钻井系统300的普通实例，其中，钻柱20的下端设置有井底钻具组合304，井底钻具组合包括可驱动钻头22的马达302。该马达302的纵轴线相对于钻柱20以预定角度α布置。在井底钻具组合的上方，钻柱设置有上稳定器306和下稳定器308。

可在第一模式或称为旋转模式和第二模式或称为滑动模式之间调节系统300。在旋转模式下，钻柱20旋转、钻出的孔是笔直的。由于存在角度α的原因，井眼内径将大于钻头22的外径。在滑动模式下，仅马达302的下端部分旋转。在此，所述马达包括所谓的泥浆马达，输送到钻柱20中的加压钻井液(泥浆)流可驱动泥浆马达。通过从地面推动钻柱，可形成斜井(即，不直或弯曲的井)。两个马达稳定器306、308和钻头22抵靠井壁的枢转运动可实现井底钻具组合的转动。

组合使用可转向钻井系统300(图4)和让管件4扩张的系统(图1-3任一图所示)时，至少会遇到以下问题：

1)优选地，既要扩孔又要使钻井转向。在此，扩孔意为，相对于领眼钻头24的外径扩大井眼。通常使用外径更大的管下扩眼器26来扩孔。事实已经证明，使用带有弯曲壳体的马达(图4所示)难以同时进行扩孔和转向操作。

2)当结合图1-3中任一图所示的衬管系统钻制井眼时，优选地，能确定弯曲区域14和钻头22之间的相对位置。在此，在一优选实施例中，保持弯曲区域14和钻具22(其可包括领眼钻头24和管下扩眼器26)之间的距离L1相对小，以在形成井眼之后立即就能设置套管。相对小的距离L1意味着裸眼井段相对短，与传统套筒系统相比，这是这种加衬系统的一个主要优点。

下述实施例表示怎样克服这些问题的实例。

图5A示出了钻柱20，其被设置为将轴向扭矩载荷和运动从钻机(图1)传递给井底钻井钻具组合320。该钻井钻具组合包括马达302和钻头22。钻头22可包括领眼钻头24和管下扩眼器26。另外，该井底钻具组合包括(机械)定位工具322。该定位工具包括一个或更多个夹具324。所述夹具可连接到一个或更多个弹簧加载阀326上。压力释放系统330包括流体腔332和管道334，该管道使流体腔与钻柱20内的、用于钻井液340的内部流体通道336连通。流体腔332设置有密封件，其能相对于未扩张衬管部分8的内表面密封流体腔。所述密封件可根据所述钻具组合相对于弯曲区域14的位置而打开或关闭。马达302的外侧设置有一个、两个或更多个稳定器338。稳定器连接到马达上并可沿未扩张部分的内表面滑动。稳定器与未扩张部分8的所述内表面接合以使马达稳定。

如图5B所示，根据钻具组合相对于弯曲区域14的位置，弹簧加载阀326可在打开状态(图5B所示)和关闭状态之间移动。弹簧加载阀326可移动地设置在孔342中，该孔342可使马达302的内部和环形空间32之间保持流体连通。所述孔设置有阀座343以提高阀处于关闭位置时的流体密封性。弹簧加载阀326连接到由弹簧346加载的杆344上。所述杆也可连接到一个或更多个夹具324上。每个夹具324的外表面348形成为与管件4(图6)的弯曲区域14的内侧相一致或基本适配。

因此，如图5所示，当钻井钻具组合320位于管件4内部时，机械夹持系统322不起动。弹簧加载阀326处于打开位置，即，孔342打开。当钻井液340可通过孔342从钻井钻具组合排出时，钻井钻具组合内的压力相对低，这可从地面测出和观察到。在此，低压例如可包括大致55-65巴的压力。所述低压也能保证管下扩眼器26保持不被启动，即，管下扩眼器26处于收缩状态，使其外径小于未扩张部分8的内径，从而可保证管下扩眼器26不损害管件4。压力释放系统330在该阶段关闭，从而，钻井钻具组合运行到未扩张部分8中时可保证钻头和管下扩眼器旋转。

如图6所示，当钻井钻具组合相对于弯曲区域14位于预定的合适位置时，夹具324的表面348将接合弯曲区域14。鉴于此，弹簧346朝马达302移动杆344。因此，夹具324将朝外移动以接合弯曲区域，弹簧加载阀326将关闭孔324。当孔324关闭时，钻井液的压力将增大，这也可在地面测量出和观察到。在此，增大的压力例如包括大致在70至80巴范围内的压力。

图6示出了处于钻井位置(即，用于钻井眼1的优选位置)的钻井钻具组合。在此，夹具324可在径向上张开，从而其位于弯曲区域14下方。至少由于两种效果可在表面上察觉到上述现象。首先，当弹簧加载阀326关闭时，钻柱20内的流体340的流体压力增加。第二，在钻台上注意到压力增加之后，接着，钻井者可拉动夹具324使其经过弯曲区域14、返回到未扩张部分8中，从而钻井者就可确定钻井钻具组合的位置。在钻柱20被拉回的过程中，钻井者将会注意到，拉回钻柱所需的力或拉力将增加预定值或预定量(通常为几吨)，然后会突然降低至先前的值。这表明，夹具324已经缩回，返回到未扩张部分8内部，即，位于图5所示的位置。同时，由于弹簧加载阀326重新打开，因而钻井液340的压力将降回至原值。返回到图6所示的状态，关闭弹簧加载阀326会使管下扩眼器26内的液流量和流体压力增加，从而，管下扩眼器将打开至其展开状态，使管下扩眼器的外径增加。

当钻井钻具组合320位于弯曲区域14前方且两者距离太大时，如图7所示，压力释放系统330经过弯曲区域14，此时流体腔332打开。当打开的流体腔332为钻井液340提供朝着井眼1的流动通道时，钻井钻具组合内的压力下降，这可在钻机上的表面处观察到。另外，马达302、管下扩眼器26和领眼钻头24构成的组件上的压差将降低至低于临界压力值，于是，钻头缓慢地旋转，管下扩眼器将收缩至其缩回位置上。实际上，钻井钻具组合320将停止钻井。在此，临界压力值例如大致等于或小于55巴，例如大约为50巴。

如图8所示，井下马达302包括弯曲壳体部分350，其将钻头22连接到笔直壳体部分352上。在一实施例中，笔直壳体部分352的外表面设置有一个或更多个弹性元件354、356，所述弹性元件可在闭合位置和打开位置之间移动。在此，示出弹性元件354位于打开位置，弹性元件356位于闭合位置。

钻井钻具组合320(其包括管下扩眼器以及马达)转向所涉及的一个问题是，井眼1的内径过大，以致不能支撑钻井钻具组合、不能防止其向侧面运动(即，径向运动)。当仅使用领眼钻头24钻井眼时，弯曲壳体350的支撑区域358能接合井壁，从而推动弯曲壳体远离井壁，并将径向力传递给钻头。但是，在组合有管下扩眼器26的情况下，井眼直径过大以致不能使所述支撑区域358接合井壁。

使用管下扩眼器26时，如图8所示，一个或更多个弹性元件354、356确保钻井钻具组合320保持在井眼中间。弹性元件将接触井壁，将径向、朝侧面的作用力传递给弯曲壳体部分350。当钻柱位于未扩张管部分8内部时，弹性元件被压缩，参见弹性元件356。当一个弹性元件离开未扩张部分8时，其移动至打开或展开状态，如弹性元件354所示。

当摩擦力改变时，在地面上可注意到从所述闭合位置到所述打开位置的转变。采用图8所示的实施例，领眼钻头24和管下扩眼器26可进一步远离弯曲区域14，与图5所示的实施例相比，它们之间的相对位置不那么重要。图8所示的实施例的操作与图4所示的定向(水平)钻井系统300的操作相似。

图9所示的实施例包括刀架370，刀架设置在马达302外侧。多个切削楔或刀具372之一设置在所述刀架上。在朝向领眼钻头24的侧部上，刀具372设置有楔扶正器374。

钻井期间，领眼钻头24形成导孔376，随后该导孔被切削楔(即，刀具)372扩大。切削楔372由于接触管件4的弯曲区域14而被向前推动。如图10所示，切削楔372“切开”刀具前方的地层378(如已被切开的地层部分380所示)，从而扩大了井眼1的直径使其达到容纳翻转管10所需的尺寸。切削操作可产生反作用力，反作用力可朝弯曲区域14推动一个或更多个刀具372的底部，从而增加了使管件4外翻所需的作用力。所述作用力可在地面上监测出，表明扩大井眼至达到翻转管10的尺寸十分艰难。当所述作用力超过预定极限值时，钻头24可被拉回到未扩张管部分8中，通过领眼钻头24的旋转以及钻井液的流动的共同作用可清理导孔376。

切削楔372前方的扶正器374可保证刀具372相对于导孔376切出同心孔。钻井钻具组合的其他部分与上述实施例类似。

在图11所示的实施例中，钻柱20既可包括连续油管，又可包括钻杆部分28。井底钻具组合或钻井钻具组合320除了包括马达302、管下扩眼器26和钻头22的领眼钻头24以外，还包括用于支撑弯曲区域14的支撑元件390。例如，由于图4所示的作用力F所引起的作用在钻头22上的钻压借助于弯曲区域14来施加，弯曲区域14推压支撑元件390，从而将所述作用力传递给钻头。在此，作用在弯曲区域上的作用力例如通过顶管器42而在地面处施加给未扩张部分8。

运行和操作完毕期间，即，钻井钻具组合经过管件4移入或移出井眼期间，用于支撑弯曲区域14的支撑元件390的能够收缩的臂和管下扩眼器移动到闭合、收缩位置而使其外径减小。钻头位于底部时，即，领眼钻头24接合井眼最末端时，所述臂打开，在翻转管件4的期间由于弯曲区域14的运动，钻压可从未扩张部分传递给支撑元件390和钻头22。

参照图1来描述本发明的系统的操作。管件4伸入井眼1中。通过使衬管4的壁外翻而使该衬管局部径向扩张，从而形成径向扩张的管部分10，该径向扩张的管部分10绕未扩张部分8同心地延伸。由于衬管4的下端外翻，因而衬管在轴向相反(例如向上)的方向上径向朝外弯曲，从而形成U形下端部分，界定了弯曲区域14(图1)。

在本发明的系统的正常运行期间，还未扩张的衬管4的下端部分以任何合适方式在轴向相反的方向上径向朝外弯曲，形成U形下部分12。衬管4的预定长度部分已经外翻之后，已扩张的衬管部分10可通过任何合适构件被轴向固定。

然后将足够大的向下作用力F施加给未扩张的衬管部分8，以将未扩张的衬管部分8逐渐移动到已扩张的衬管部分10中。因此，未扩张的部分8在相反方向上逐渐弯曲，从而逐渐使未扩张的衬管部分8转变为扩张的衬管部分10。外翻过程中，弯曲区域14移动的速度大致为未扩张部分8的速度的一半。

在钻井期间为了控制钻井钻具组合320，可使用图12-21所示的实施例(下面对其进行描述)。图12-21所示的实施例可与图5-11所示的任一实施例(其用于控制钻头22相对于弯曲区域14的相对位置)相组合。

在图10所示的实施例中，钻井钻具组合320的中心线402相对于未扩张部分8的中心线400倾斜，倾斜角为α(图10)。该系统包括定位工具322，定位工具例如包括夹具324。圆柱形套筒404在使用期间保持固定不动或不旋转状态，该圆柱形套筒包围马达302的一部分。圆柱形套筒404可设置有一个或更多个摩擦片406以接合未扩张部分8的内表面。在圆柱形套筒404的两相对端处，马达壳体设置有相应的轴承环408、410。

钻井期间，摩擦片406保持圆柱形套筒404不旋转。夹具324可用于控制钻井钻具组合相对于弯曲区域14的位置，优选用于保持不旋转的圆柱形套筒404位于弯曲区域14正后方和未扩张的管部分8内部。通过使不旋转的圆柱形套筒404作用在轴承环408上，可向前推动正在旋转的钻柱20而使其进入井眼中。

在另一实施例中，如图13所示，安装马达302使其偏离套筒中心线400，即，相对于套筒中心线偏心地安装。因此，领眼钻头24和/或管下扩眼器26也偏心布置。在此，优选地，领眼钻头24和管下扩眼器26构成所谓的双心钻头，其是一种组合有偏心管下扩眼器26的一体式钻头。钻井钻具组合设置有一个、两个或更多个偏心稳定器420、422，以在钻井期间将钻井钻具组合稳定在管件4内，并保持钻井钻具组合处于偏心位置上。将可调节的造斜构件424(kickoff)设定为0度。造斜器具组合包括井下马达302和可调节的造斜构件(AKO)424。可设定造斜构件达到合理的曲率，从而朝目标区域引导钻头。

如图14所示，在第一步骤中，让整个钻柱20旋转，引起钻井钻具组合绕中心线400如箭头426所示旋转。这称之为旋转模式，井眼沿中心线400的方向笔直钻进。在此，井眼1的内径大于管下扩眼器26的外径。

如图15所示，在第二步骤中，钻柱20停止旋转，起动井下马达302，以使领眼钻头24和管下扩眼器26绕钻进钻具组合的中心线402如箭头428所示旋转。这称之为滑动模式，这种模式下，所钻出的井眼部分430的内径基本上等于管下扩眼器26的外径，从而形成台肩部分432。台肩部分432是井眼中的逐级变化特征。台阶或台肩部分432的尺寸例如大致为5至10毫米。

第二步骤期间，包括管下扩眼器26的钻头22钻进，直到弯曲区域14接合台肩部分432为止(图16)。

在随后的步骤(图17)中，仍为滑动模式，弯曲区域14将抵靠台肩部分432滚动。此时，中心线402和中心线400之间的夹角α增加，从而井眼1的轨迹改变。如图所示，继续以滑动模式进行钻井操作，从而形成一系列台肩部分432。

在另一实施例中(图18)，马达302设置在管件4的中心线400上。马达设置有稳定器338以在钻井期间将马达稳定在未扩张部分8中。

以角度β设定造斜构件424(图19)，例如角度β大致为0.5度。此时，角度β出现两次，即，角度β也出现在弯接头444(其具有中心线446)和钻头22之间的弯曲连接件440处。管下扩眼器26(其处于直径减小的回缩模式下)的中心线442平行于中心线400延伸。钻头22也可绕弯接头的轴线旋转，如箭头448所示。

当管下扩眼器前行至超过弯曲区域14时，运转管下扩眼器至展开状态，使其直径扩大。在旋转模式下(图20)，包括钻头22的钻柱20绕中心线400旋转，如箭头426所示。此情况下，井眼将沿中心线400笔直钻井。

在滑动模式下(图21)，钻柱不旋转，起动马达302以使领眼钻头24和管下扩眼器26绕弯接头444的中心线旋转，如箭头448所示。以滑动模式钻井的过程中，井眼将开始偏离中心线400，如图21所示。

图22示出了本发明的系统的改进实施例，其包括导向套500，用于引导弯曲区域14进入井眼1。此情况下，为让图22清楚，相对于其他实施例而言，图22中未示出上述定向钻井的一些特征，但是任何所述特征可与图22所示的实施例组合。

在一实施例中，导向套500包括前部分502和后部分504。管状的后部分504从弯曲区域14开始包围扩张的管部分10的一端。管状的前部分502在弯曲区域14前方延伸，其包括弯曲接触面506，用于接合衬管的弯曲区域14。接触面506的曲率基本上等于弯曲区域外侧的预期曲率。所述前部分的壁厚大约为扩张部分10、未扩张管部分8和环形空间44的厚度之和。所述前部分可包括鼻部508。鼻部优选包括楔形端510，以使鼻部穿过井壁的不规则部分。楔形端510外侧(即，面向井壁的侧部)包括锥形部。另外，楔形端的内侧(即，面向钻柱的侧部)还包括锥形边缘512，参照图24。这种情况下，楔形端510的末端大致位于两锥形面之间的中间位置上。

前部分502和后部分504可通过柔性中间部分514连接，以让导向套顺应弯曲的井眼。可供选择地，所述前部分502和/或后部分504可由具有弹性的材料制成，该材料适于顺应井眼的预期弯曲曲度。这种弹性材料例如包括合适的金属和钢，如弹簧钢。

图23示出了弯曲井眼部分520的实例，该部分包括斜井部分430和台肩部分432。非有意地，台肩部分432可包括不规则部分522，该不规则部分2可卡住弯曲区域14并阻止弯曲区域进一步沿井眼向下行进。此时，请注意：为清楚起见，图23中扩大了台肩部分和不规则部分522的尺寸。

钻井期间，如图24和25所示，鼻部508可使所述前部分502穿过井壁中的不规则部分，而所述后部分可使弯曲区域和井壁分开，从而可防止弯曲区域被卡住。

在实际的实施例中，与扩张衬管部分10相叠置的所述后部分的长度可在20厘米至4米的范围内，例如大致为50厘米。该长度例如可根据井眼直径或扩张部分的壁厚而变化。所述前部分的长度可在20厘米至1米的范围内，例如大致为50至70厘米。楔形端510的长度在1至10厘米范围内，例如大致为2至5厘米。

根据情况，所述后部分504的内表面的表面粗糙度可增加，以增加所述内表面和扩张管部分10之间的摩擦。因此，使衬管4外翻的期间，所述后部分相对于扩张部分10的运动将会产生摩擦，进而将会朝弯曲区域14拉动弯曲表面506。

如果需要，可选择衬管4的直径和/或壁厚，这样，由于扩张处理的原因而会使扩张衬管部分10牢固地压靠井壁，从而密封住井壁和/或稳定住井壁。由于未扩张部分8的长度逐渐增加，因而其重量逐渐增加，从而，通过顶管器42作用在未扩张部分上的向下作用力F的大小将随着未扩张部分8的重量的增加而逐渐减小。

如果需要将钻柱20取回到地面，例如当需要置换钻头或已经完成井眼1的钻探操作时，支撑环和/或扩眼器部分26径向缩回。随后，钻柱20通过未扩张衬管部分8被取回到地面。支撑元件390可保持在井下。可供选择地，可使支撑元件390收缩，从而可使支撑元件在收缩模式下通过未扩张衬管部分8而被取回到地面。

局部加热弯曲区域附近的管件，可减小变形区域上的应力，从而可提高扩张部分的整体性。提高整体性包括，减小或消除对管件的损害。加热弯曲区域则可使用壁更厚和/或更坚固的管件。

管件的壁厚可大致等于或大于2毫米(0.08英寸)。例如，壁厚大于2.2毫米，例如大致为2.5至50毫米，或大致为2.8至30毫米。未扩张部分的外径大致等于或大于50毫米(2英寸)，例如大致为50至400毫米(16英寸)。扩张部分的外径适于或通常用于油气开采。

衬管的壁可包括相对坚固的材料，如金属或优选为钢，或由坚固金属或钢制成。因而，衬管4可被设计成具有足够的抗压强度，以支撑井壁，和/或承受得住钻探油气层时产生的内部或外部压力。

根据壁厚和材料性质，可将管件的抗压强度设定为任何预定值。在实际的实施例中，管件4的抗压强度可为200巴至1600巴或更大。

上述实施例例如适于钻探内径大致为16英寸(大致为40厘米)或更小的井眼，例如，大致为6英寸(大致15厘米)或更小。例如，这些实施例适于使用外径大致为二又八分之三英寸(大致为6厘米)的钻柱。钻具接头的外径大致为二又六分之五英寸，该钻具接头包括连接件30以连接钻柱部分28。该系统可包括泥浆马达，其是一种容积式马达，具有相对高的扭矩和低转速(转/分钟)。钻头22可具有大致为三又八分之七英寸的外径。管下扩眼器26可在收缩状态(未示出)和展开状态(图1)之间转换，在收缩状态下管下扩眼器26的外径大致为三又四分之三英寸(大致为9-10厘米)，在展开状态下其外径大致为5.1英寸。也可使用通常用于油气钻探的其他钻头和管下扩眼器。

通过上述方法，在钻井操作过程中，可利用处于钻头正上方的外翻衬管对井眼逐步加衬。因此，在钻井过程中，井眼总是只具有相对短的裸眼井段。在钻入含烃流体层的地层期间，这种短的裸眼井段的优点最显著。鉴于此，如果仅在钻探含烃流体储层过程中，在钻进时实施衬管的外翻处理，那么这种短的裸眼井段就足以满足许多应用场合的需求，井眼的其他部分以传统方式施加衬管或套管。可供选择地，根据环境情况，钻井期间使衬管外翻的过程可在地面或井下选定位置开始。

由于钻井期间裸眼井段L1(参见图1)相对短，因而，井眼流体压力梯度超过岩层断裂梯度的危险显著降低，或井眼流体压力梯度降低至低于岩层孔压梯度的危险显著减低。因而，相比传统的钻井操作(其中，直径逐级减小的套筒必须以选定间距布置)，通过这种操作在单一的标称直径下钻进的间距要长得多。此情况下，裸眼井段表示还未加衬的井眼部分。通过本发明的系统，裸眼井段的长度L1小于大致500米，例如大致小于100米。

另外，如果井眼钻入页岩层，这种短的裸眼井段会消除由于页岩层移动所导致的可能问题。

另外，本发明的系统和方法可实现定向钻井，同时可采用衬管对井眼加衬，该衬管的强度足以支撑住井壁。在此，本发明的系统可控制钻头和弯曲区域之间的距离，从而可保证裸眼井段如上述那样保持相对短。

井眼1已被钻入所需的深度且钻柱24已从井眼中移出之后，仍位于井眼1中的一段未扩张的衬管部分8可保持在井眼中，或被切断与扩张部分10分开、然后被取回到地面。

如果该段未扩张衬管部分8保留在井眼1中，有几种选择方案可进行完井。这几种选择方案如下：

A)将流体(如盐水)泵送到未扩张衬管部分8和扩张衬管部分10之间的环形空间中，以对环形空间加压，增加扩张衬管部分10的抗压强度。根据情况可在U形下端部分16、20上设置一个或更多个孔，以允许泵送流体循环。

B)将重质流体泵送到所述环形空间以支撑扩张衬管部分10并增加其抗压强度。

C)将水泥泵送到所述环形空间中，这样，在水泥硬化之后可在未扩张衬管部分8和扩张衬管部分10之间形成固体，从而，水泥在硬化会膨胀。

D)例如，通过将扩张器(未示出)泵送到、推入或拉入未扩张衬管部分8中，从而使未扩张衬管部分8朝扩张衬管部分10径向扩张。

在上面的实例中，衬管在地面或井下位置处开始扩张。在近海井眼的情况下，近海平台定位在井眼之上且高于水面，其优点为，可在近海平台上启动扩张过程。在此，弯曲区域从近海平台移动到海底，然后进一步从海底移动到井眼中。因而，最终的扩张管件不仅形成为井眼中的衬管，而且形成为从近海平台延伸到海底的立管。因而就不需要单独的立管了。

另外，用于与井下设备通信的线管(如电线或光缆)可在扩张部分和未扩张部分之间的环形空间中延伸。这类线管可在管件扩张之前连接到管件的外表面上。另外，扩张衬管部分和未扩张衬管部分可用作为电导体，以传递井下数据和/或电力。

在外翻过程结束之后，由于未扩张衬管部分的任何一段仍保留在井眼中，因而，相比扩张衬管部分，未扩张衬管部分承受的载荷条件就没那么严酷，与扩张衬管部分相比，未扩张衬管部分的这一段的壁厚可更小，或者质量可更轻或钢号可更低。例如，这一段可由屈服强度相对低或抗压等级相对低的管构成。

在扩张过程之后，取代将未扩张衬管部分的某一段保留在井眼中，可通过本发明的方法使整个衬管扩张，从而没有未扩张衬管部分保留在井眼中。这种情况下，在扩张过程的最后阶段，可使用细长构件(如管柱)对未扩张衬管部分施加所需的向下作用力F。

在上述任一实例中描述的扩张过程中，为了减小未扩张管部分和扩张管部分之间的摩擦力，可将合适的减摩层(如聚四氟乙烯层)涂覆在未扩张管部分和扩张管部分之间。例如，可在管件扩张之前将减摩涂层涂覆到管件外表面上。这种减摩材料层可进一步减小未扩张部分和扩张部分之间的环形间隙，从而降低了未扩张部分褶曲的可能性。除了施加这种减摩层以外，或者取代施加这种减摩层，还可将在未扩张部分和扩张部分之间使用扶正垫和/或辊子，以减小两部分之间的摩擦力和环形间隙。

可取代使扩张衬管部分朝井壁扩张(如上所述)，而是使扩张衬管部分朝已位于井眼中的另一管件的内表面扩张。

本发明的方法和系统适用于在钻探产烃井眼的同时对井眼加衬。另外，该方法和系统可用于形成(弯曲)管线。这类管线例如可在河流(所谓的渡河)、道路或一个或更多个建筑物下方经过。在此，本发明的方法可钻定向孔、扩大的绞孔，同时也可对扩大的孔进行加衬。从而，该系统省去了用于将钻柱和/或衬管下入井眼或运出井眼的多个步骤，因而，节省了时间和花费。另外，该系统可安装强度足够大的(金属或钢)衬管，该衬管的强度足以支撑住井壁。

上述的本发明可与辊子(如WO-2008/061969中的前述内容)和/或管件的外表面或内表面上的纵向槽(如WO-2008/049826中所述)组合，这两篇文献均包含在文中作为参考。本发明也可与防喷器(如欧洲专利申请No.10190010.8中所述)组合，该篇文献包含在文中作为参考。

在所附权利要求书的范围内，可以构思出上述实施例的许多改进形式。各实施例的特征例如可相互组合。

Claims (12)

1.一种用于径向扩张管件的方法，该方法包括以下步骤：

－在轴向相反的方向上径向朝外弯曲管件，以形成绕未扩张管部分延伸的扩张管部分，其中，在弯曲区域进行弯曲；

－通过在轴向上相对于所述扩张管部分推动所述未扩张管部分，从而增加扩张管部分的长度；

－操作钻柱钻井眼，该钻柱伸入所述未扩张管部分中，钻柱的井下端部设置有钻头；以及

－操作连接到钻柱上的定向钻井装置，以使井眼偏斜并沿预定路径引导井眼；

其中，所述定向钻井装置包括基准装置，用于表明钻头和弯曲区域之间的相对距离；

其中，该基准装置包括：

－定位工具；以及

－压力释放系统；

其中，所述定位工具包括用于接合所述弯曲区域的至少一个夹具。

2.根据权利要求1的方法，其中，压力释放系统包括至少一个弹簧加载阀，该弹簧加载阀连接到所述至少一个夹具上，从而，根据所述至少一个夹具相对于所述弯曲区域的位置，该弹簧加载阀打开或关闭钻柱上的相应孔。

3.根据权利要求1的方法，其中，所述压力释放系统包括至少一个流体腔和管道，该流体腔适于密封未扩张管部分的内表面；该管道将流体腔连接到钻柱内的内部流体通道。

4.根据权利要求3的方法，其中，所述流体腔设置有密封件，该密封件相对于未扩张管部分的内表面能够密封所述流体腔；根据钻头相对于弯曲区域的位置，所述密封件适用于实现打开或关闭。

5.根据权利要求1的方法，其中，定向钻井装置包括一个、两个或更多个稳定器，用于接合未扩张管部分的内表面。

6.根据权利要求5的方法，其中，稳定器包括弹性元件，弹性元件能够在闭合位置和打开位置之间移动，在闭合位置，所述弹性元件接合未扩张管部分的内表面，在打开位置，弹性元件接合井壁。

7.根据权利要求5的方法，其中，一个或更多个稳定器相对于未扩张管部分的中心线偏心。

8.根据权利要求1的方法，其中，钻头包括领眼钻头和管下扩眼器。

9.根据权利要求1的方法，其中，钻柱的井下端部设置有马达，用于使钻头旋转。

10.根据权利要求9的方法，其中，马达的至少一部分相对于未扩张管部分的中心线以一定角度延伸。

11.一种用于径向扩张管件的系统，包括：

－管件，其在轴向相反的方向上径向朝外弯曲，以形成绕未扩张管部分延伸的扩张管部分，其中，在弯曲区域进行弯曲；

－顶管器，其通过在轴向上相对于扩张管部分推动未扩张管部分，使扩张管部分的长度增加；

－钻柱，其用于钻井眼，该钻柱伸入未扩张管部分中，钻柱的井下端部设置有钻头；以及

－定向钻井装置，其连接到钻柱上，该定向钻井装置使井眼偏斜并沿预定路径引导井眼。

12.根据权利要求11的系统，该系统包括导向套，用于引导弯曲区域进入井眼，该导向套包括：

－前部分，其在弯曲区域前方延伸；以及

－后部分，其连接到所述前部分上并包围扩张管部分。