CN103459756A - 基于重力的流体圈闭 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在井孔中进行钻探时使用的方法，该方法包括：在井孔中放置钻柱（6），该钻柱包括至少两个导管（6a，6b）、上端和包括钻井工具（8a）的下端，由此在井孔壁和钻柱之间形成外环（11，12）；钻取包括至少一个u形部分的井孔部分；在u形部分以上的外环（12）中注入第一密度的第一流体；在钻柱（6）内和所述工具（8a）周围设置第二密度的第二流体；其中，第一密度大于第二密度。此外，本发明还描述一种用于执行所述方法的装置。

Description

基于重力的流体圈闭

技术领域

本发明涉及用于在井中执行钻孔活动的方法和装置。

背景技术

为了从地层的储层中提取石油流体而在地层中钻井。也可以在地表钻井以提供用于流体运输、电缆导引、运输工具、隧道、地热能使用等的通道。对于石油勘探和生产，钻井技术的研究现在已经发展为研究在所有方向进行钻井的可能性，以便从储层中提取尽可能多的资源。井可以例如包括基本竖直部分和偏离此竖直方向的至少一个部分（可以是基本水平部分）。偏离基本竖直方向的这些井部分倾向于变得较长，并且可以向地层中延伸数千米。井的地下深度也增加并且在增加的水深处钻井。

通常，通过将钻柱末端上的钻头插入井中来进行钻井。钻柱的重量与钻柱的长度成比例。当在较大水深处钻井时，水深也同样影响井和地层中的压力条件并且增加钻柱的重量。在钻井期间，通常不希望地层流体渗透到井孔中，因此，钻井流体施加到地层上的压力应该大于地层孔隙压力。钻孔设备还包括包含在钻柱和无衬地层壁之间的流体。钻井设备在钻井期间提供对井的控制并且将因此防止井喷。同时还需要限制渗透无衬地层壁的钻井流体的量，以及需要防止钻孔侧壁破裂。因此钻井设备施加的压力必须不超过地层的破裂压力。地层压力还受液体静压力影响，并且在较大的水深处地层压力也增大。当钻井设备施加的压力向破裂压力和地层孔隙压力之间的区间的边界移动时，需要在进一步钻井之前为井设置外壳或内衬。这通常意味着从井中拉出钻井设备，并且在继续钻井之前在井中设置新的外壳或内衬部分。因此，通常需要研究在允许的压力范围内（在地层孔隙压力和地层破裂压力之间）进行较长时间的钻井的钻井方法。

另一个因素是，当井偏离竖直方向时，由于重力钻柱的至少一部分也将倾向于与钻孔壁接触。对于水平部分，钻柱将倾向于靠在钻孔壁的较下部。当钻柱在钻井期间向井中进一步移动时或当向井外或内移动时，钻柱和钻孔壁之间的这种接触将产生摩擦。

当在较大水深处钻井、向地下进一步钻井并且斜井变得较长时，钻柱的重量和摩擦力增大。执行钻井的设备可以承受的重量和摩擦力必然是有限制的，并且这将限制常规钻柱的到达范围。

在US2004/0104052和WO2004/018828中，描述了用双钻孔管进行钻井的不同方法。在US5,964,294中描述了用于在水平井或高度倾斜的井中执行下向钻孔（down hole）功能的工具。

NO20100925公开了用于将双管钻孔钻柱的外侧上的环划分为两个不同部分的划分器元件及其用途。

发明内容

近年来，增加了对钻取斜井尤其是基本水平的井的注意，并且井的接近水平的部分增加了。当钻取距井口距离最远的最后部分时，在工具区域任何设备（包括划分器或活塞或类似设备）都会增大摩擦。本发明的一个目的是提供可在这些远程区域中应用的方法，该方法提供在环中使用不同流体但是不需要使用划分器、活塞或类似装置来保持流体分离的优点。

本发明的目的是提供消除或至少减少与常规钻井相关的上述缺点的方法和装置。

一个目的是提供限制钻柱和井孔壁之间的摩擦的方法和装置。另一个目的是提供特别是通过降低地层流体渗透和井喷风险来增加钻井操作的安全性的方法和装置。

这些目的由所附权利要求限定的方法和装置满足。

本发明涉及在井孔中进行钻探时所使用的方法，所述方法包括：

在井孔中放置钻柱，该钻柱包括至少两个导管、上端和包括钻井工具的下端，由此在井孔壁和钻柱之间形成外环；

钻取包括至少一个u形部分的井孔部分；

在u形部分以上的外环中注入第一密度的第一流体；

在钻柱内和所述工具周围设置第二密度的第二流体；

其中，第一密度大于第二密度。

井孔的u形轨迹和两种流体之间的密度差的结合致使当流体分界面被布置在u形部分的井下时两种流体不会明显混合。

u形部分提供井孔轨迹中的局部最小值。

所述方法提供了使外环中的第一流体具有特定性质的可能性。除了用以使第一流体和第二流体由于u形部分和重力而保持分离的所需密度差之外，可以独立地选择钻柱内的第二流体的性质。钻柱的上端位于井孔上方，并且钻柱的上端可以从陆上、海床或海面上的井孔的入口设施进入。

这里应用的术语“密度”指的是所讨论的流体的比重，本领域技术人员可以容易地测量流体的比重/密度。

在本文背景下使用的术语“钻柱”指的是包括至少两个管道的柱，这些管道可以被布置为两个平行的通道和/或可选择地被布置为同轴管。在一个实施例中，钻柱为盘管（coiled tubing）形式。此外，钻柱可以包括可包含电缆或光缆的额外柱或用于通信或电力传输的其它柱。钻柱还可以包括并非用于流体循环而是用于改变钻柱重量的通道、管或柱，诸如一个或多个充气柱。

钻取具有近似水平部分的井孔是众所周知的；定向钻进导致u形部分也是众所周知的并且在钻井期间常常无意地产生。然而，直到现在仍未意识到这类u形部分形成流体圈闭并且可以以所公开的有利方式利用该基于重力的圈闭。

在根据本发明的方法的一个方面，所述方法包括通过钻柱中的至少两个导管在钻柱内循环第二流体。此外，所述方法可以包括通过由钻柱中的至少两个导管中的第一个形成的第二内部环形空间使第二流体循环到井孔中，并且通过由钻柱中至少两个导管中的第二个形成的中心孔使第二流体从井孔循环出去。

在根据本发明的方法的另一方面，流体的密度为使得钻柱至少部分地漂浮或上浮在外环中的第一流体中。

在本发明的一个实施例中，注入外环的第一流体是压井泥浆。压井泥浆的特性是泥浆的重量足以抑制地层流体流入井孔环。

根据本发明的一个方面，所述方法包括在工具上方和用于将第二流体循环到第二导管中的开口上方、在外环中的第一流体和第二流体之间形成流体分界面。

此外，在一个特定实施例中，所述方法进一步包括在第一流体和第二流体之间的分界面中、在外环中提供第三流体，其中，第三流体具有在第一流体的密度和第二流体的密度之间的密度。

根据前述技术方案之一所述的方法，其中，至少一个u形部分下方的井孔是无衬井孔。

利用本方法，可以为第一流体提供特定的性质，该性质针对外环中的钻井区域中的底层破裂压力和地层孔隙压力被调整。

通过本发明，由于可以具体调节从地层上的钻井设备施加给该地层部分的压力，因此还可以在不需要在井中设置内衬或外壳的情况下实现钻取更长部分的井。利用此方法，还可以在更多的水平部分中的井中为钻柱提供至少一些浮力并由此限制钻柱和井孔之间的摩擦力，如下面将要解释的。

此外，还可以在井孔中包括额外的u形部分，并且在不同u形部分井下的不同区域的外环中具有不同的流体，并且由此可能使井在不用外壳的情况下或在斜井中进一步进行更远的钻井。

根据一个方面，所述方法可以包括通过管中的两个孔在管内循环第二流体。所述管还可以是另一种管，并且所述工具可以是用于在井中执行另一种活动的不同工具。

根据所述方法的一个方面，第二流体的密度小于第一流体的密度，在这方面，流体的密度为使得双孔钻柱至少部分地漂浮在外环中的第一流体中。通过在钻柱内具有比钻柱外轻的流体（其中单位体积内此较轻流体的重量和双孔钻柱的重量小于相同单位体积内位于外环中的第一流体的重量），由于阿基米德原理，当双孔钻柱被浸没在第一流体中时，除了其他方面钻柱将受到浮力。此浮力将减小或消除双孔钻柱沿井孔移动时双孔钻柱和井孔壁之间的摩擦力。由于钻柱移动期间的摩擦力减小，因此相同设备的顶部可以移动更长的钻柱，由此延长进行倾斜钻探的范围。此外，当单位体积的双孔钻柱和第二流体的重量小于单位体积的在井孔竖直部分中的外环中的流体的重量时，由于浮力抵消重力，将减小来自悬垂在井孔的基本竖直部分中（并且由此也悬挂在设备顶部）的双孔钻柱的重量的力。

本发明还涉及一种钻井装置，其包括：包括至少第一导管和第二导管的钻柱；附接在钻柱的下端的工具；形成在钻柱和井孔壁之间的外环空间；用于将第一流体提供到外环空间的供应装置，其中，钻柱和所述工具被配置为使得第二流体通过钻柱中的第一导管被向下传送到所述工具，并且从所述工具经由环形空间的下部进入第二导管中的至少一个开口并且通过第二导管返回钻柱的上端。根据本发明，所述装置进一步包括在进入第二导管的至少一个开口上方的环形空间中的第一流体和第二流体之间的流体分界面。

第二流体存在于外环空间的下部，而第一流体存在于环形空间的上部。由于流体总体上通过密度差和重力影响而保持分离，因此根据本发明的装置不需要划分器装置。

在本发明的一个方面，钻柱包括外管和内管，所述外管和内管被布置为在外管和内管之间形成内环空间，从而提供第一导管。此外，所述装置可以包括用于向环形空间中的第一流体和第二流体之间的流体分界面提供第三流体的供应装置。

在根据本发明的装置的一个实施例中，第一流体是压井泥浆。压井泥浆的特性是泥浆的重量足以抑制地层流体流入井孔环。

根据一个方面，双孔管可以包括外管和内管，所述外管和内管被布置为在外管和内管之间形成内环空间。

第一流体和第二流体之间的流体分界面的位置在工具和进入第二导管的开口上方。由此，当建立了导致流体圈闭效应的u形井孔时，第一流体不进入第二导管。在一个实施例中，第一流体注入井孔上部的外环中。上部应该被理解为靠近井的入口点或地表。在本发明的一个方面，第一流体从井的上部一路向下到工具的正上方的区域填充外环。

在钻井期间，在本发明的一个方面，第一流体和第二流体之间的流体分界面的位置被控制和保持在靠近工具的区域。特别地，当第一流体是压井泥浆时，地层流体的流入由此在除了工具周围区域的整个井孔中被阻挡。

在一个方面，在第一流体和第二流体之间的流体分界面区域中还可以包括第三流体。这在第一流体和第二流体密度不同但当接触时相对容易混合的情况下尤其受关注。应该选择密度在第一流体和第二流体的密度之间并且与第一和第二流体之间的溶解性较低的第三流体。

此外，在本发明的另一实施例中，密度小于第一流体密度的第四流体可以被包含在u形部分的井孔上孔的上部中的部分外环中。在孔上部引入密度小于第一流体的此第四流体的原因是减小或限制井环压力，使其保持在地层的可接受压力范围内。因此，第一流体可以被限制为仅填充部分井环，并且可以被集中在水平部分，在该水平部分限制钻柱和地层之间的摩擦力是重要的。u形部分以类似方式提供通过重力作用使第四流体与第一流体分离的流体圈闭。第四流体和第一流体之间的流体分界面形成在u形部分的环形上孔中。

在井的部分竖直上部中使用第四低密度流体的另一原因是增加钻柱的重量。这将具有较高的钻压能力并且因此当钻井时具有更快的穿透速率。

第一流体和第四流体可以从井孔上部被供应到外环中。还可以通过从地表穿过钻柱通道之一供应第一流体来将第一流体从井孔下部供应到外环中。

本发明的系统和方法可以与无立柱钻井系统或具有水下立柱的钻井系统一起使用。

附图说明

现在将参照示出了本发明的原理的附图并利用实施例来解释本发明。

图1示意性地示出具有无立柱（riserless）系统的水下钻井。

具体实施方式

附图标记A示意性示出浮子上的装置，B示意性示出布置在水中的部分设备并且B下方的部分在地下用于进行钻井。在浮子上，将布置流体处理和循环系统1，该系统将钻井流体提供到从水面上方向下延伸到底孔组件8的双孔钻柱6中，该底孔组件8包括钻头8a。在浮子上，还将布置顶部驱动转接器2，其使得当流体流到流体处理和循环系统1时双钻柱6可以旋转。

在延伸到地下的井的顶部布置有防喷器（BOP）3。外壳4被安装在井的一些部分中，并且部分延伸到地下。外壳可以前进到更下方，到达点AA或超过该点。外环5形成在双钻柱6和外壳4或外壳4下方的井孔壁9之间。

存在用于将第一流体提供到外环5的连通构件14。第一流体可选择地经由如图所示的BOP 3在环上部被引入外环5中。第一流体被设置为外环5的第一部分12中的障碍流体。构件14此外还包括延伸到如图所示的浮子的流体线。通过浮子上的流体处理和循环系统1将双钻柱6a、6b内的第二流体提供到钻柱6的末端中的工具。在本实施例中，所示工具包括具有钻头8a的底孔组件8和双浮阀7。阀7被布置为使得通过形成在外管和内管（形成双钻柱6）之间的第二环6b在井中向下流动的流体被导引到通过钻头8a的中心流，并且从钻头8a周围的环形流被导引返回，通过双钻柱6的中心孔6a向上流至浮子。第二流体填充外环5的末端部分11。第二流体和第一流体在流体分界面13处流体接触。所述流体通过重力和密度差而保持分离。井孔的布局包括形成基于重力的流体圈闭的至少一个u形部分。圈闭被实现的特性在于存在比点AA在井内更深的至少一点BB，在BB处的井孔的最低点等于或高于穿过点AA的水平面H-H。由于此流体闸和重力，具有较大密度的第一流体阻止环的第一部分12被第二流体填充。通过调节井下部/内部的第一流体，由于实现了对无衬井壁上的钻井设备所施加的压力的较好的控制，因此可以在内衬和/或外壳4必须被安装到井中之前钻取更长的井通道。

还可以提供具有在外壳的上端和上面的浮子之间延伸的立柱的钻井系统。

当利用本发明时，必须首先在井孔上建立至少一个u形部分。因此，在初始阶段，直到已建立第一u形部分为止，外环中的第一流体需要额外的物理障碍，如NO20100925所公开的，以便第一流体的密度显著高于在钻柱中循环的第二流体的密度，从而避免流体混合。然而，一旦钻井进度超过了点BB，就可以在不导致两种流体明显混合的情况下改变第一流体的密度以及其它性质。

在一个实施例中，两种流体在初始阶段的混合不被认为有问题，因为流体处理系统1完全能够在返回时处理混合到第二流体中的任何第一流体。因此，在整个钻井过程中都可以利用高密度流体作为第一流体。

现在已经参照非限制性实施例解释了本发明，并且本领域技术人员应该理解，可以在所附权利要求限定的本发明的范围内采用所述备选方案对实施例进行改变和改型。

Claims (12)

1. 一种在井孔中进行钻探时使用的方法，包括：

在井孔中放置钻柱，该钻柱包括至少两个导管、上端和包括钻井工具的下端，由此在井孔壁和钻柱之间形成外环；

钻取包括至少一个u形部分的井孔部分；

在u形部分以上的外环中注入第一密度的第一流体；

在钻柱内和所述工具周围设置第二密度的第二流体；

其中，第一密度大于第二密度。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括通过钻柱中的至少两个导管在钻柱内循环第二流体。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括通过由钻柱中的至少两个导管中的第一个形成的第二内部环形空间使第二流体循环到井孔中，并且通过由钻柱中的至少两个导管中的第二个形成的中心孔使第二流体从井孔循环出去。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述流体的密度为使得钻柱浮在外环中的第一流体中。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，注入外环的第一流体是压井泥浆。

6. 根据权利要求3或4或5所述的方法，其中，所述方法包括在所述工具上方和用于将第二流体循环到第二导管中的开口上方、在外环内的第一流体和第二流体之间形成流体分界面。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法进一步包括在第一流体和第二流体之间的分界面中的外环中提供第三流体，其中，第三流体具有在第一流体的密度和第二流体的密度之间的密度。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个u形部分下方的井孔是无衬井孔。

9. 一种钻井装置，包括：

包括至少第一导管和第二导管的钻柱；

附接在钻柱的下端的工具；

形成在钻柱和井孔壁之间的外环空间；

用于将第一流体提供到外环空间的供应装置，其中，钻柱和所述工具被配置为使得第二流体通过钻柱中的第一导管被向下传送到所述工具，并且从所述工具经由环形空间的下部进入第二导管中的至少一个开口并且通过第二导管返回钻柱的上端，

其特征在于包括

在进入第二导管的至少一个开口上方的环形空间中介于第一流体和第二流体之间的流体分界面。

10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，钻柱包括外管和内管，所述外管和内管被布置为在外管和内管之间形成内环空间，从而提供第一导管。

11. 根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于向环形空间中的第一流体和第二流体之间的流体分界面提供第三流体的供应装置。

12. 根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一流体是压井泥浆。