CN105247159B - 页岩钻管 - Google Patents

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Abstract

一种钻管，用于油气钻井，包括两个工具接头(2)，和在工具接头之间的主要部分(1)，其中两个加厚部(1b)与工具接头相邻，和在加厚部之间的中央区段(1a)。主要部分的中央区段的外径小于主要部分加厚部的外径，且主要部分中央区段的外径在4”和41/2”之间。

Description

页岩钻管
相关申请的交叉引用
本申请涉及美国专利公开US7210710，公开日为2007年5月1日，其全部内容通过引用在此并入。
背景技术
本发明涉及一种钻管，一种具有61/8”到63/4”生产孔尺寸的用于非常规油气的管状钻柱部件。非常规油气钻井通常被称为页岩钻井。
页岩钻井不断发展，因为液压压裂或水力压裂法继续使得非常规回收更有效和经济。页岩钻井通常需要钻孔包括垂直分布，随后为水平分布，使得仅井的轨迹最大化到生产区域的暴露。通常巴肯(Bakken)井分布将具有在垂直分布和水平分布之间在约10，000英尺测量深度(MD)处的造斜点(kick-off point)，随后为另一10，000英尺MD的水平区段。通常从垂直到水平的造斜率为10度狗腿度或更高，增加井的弯曲度且从而增加在钻管上的周期应力。
关于常规钻井的问题在页岩钻井的情况下加重。钻水平井随着垂直和水平的钻井长度的增大变得更具挑战性。挑战包括管理ECD(当量循环密度)，提供朝向水平区段的尾端的方向控制，有效孔清洁，和处理由于钻柱屈曲和增加的管磨损导致的低效现象。
具有更长的水平区段的水平钻井倾向于增加孔清洁挑战性，且在钻井参数和泥浆特性没有被紧密监控和实时调整的情况下钻柱会卡住。
困难的钻井条件导致用于非常规钻井的钻管具有比用于常规钻井的钻管更短的钻管寿命。通常，页岩井水平区段利用钻柱在压缩情况下钻井，增加在管和地层或套管之间的接触，特别是在弯曲部分，导致磨损。用于页岩井的钻管的使用寿命通常从用于常规钻井的钻管的一般4-5年的使用寿命显著降低1-2年。页岩井中的钻管由此比常规使用的钻管需要更加频繁的维护，和更加频繁的更换，因此还导致成本更高。
当前使用的钻管通常具有4”的外径(OD)，遵循在API SPEC 5DP中描述的标准：钻管的说明，其全部内容在此通过引用并入。屈曲和中间区段磨损是与现有钻管相关的两个主要问题，其涉及钻管参数选择。
发明内容
用于非常规油气钻井的钻管在本文中公开，且示例性实施例包括第一和第二工具接头，其中第一和第二工具接头具有相同的外径和内径，在第一和第二工具接头之间的主要部分，其具有与第一和第二工具接头相邻的加厚部，和在加厚部之间的中央区段。主要部分的中央区段的外径小于主要部分加厚部的外径，且主要部分中央区段的外径与主要部分加厚部的外径之比被选择用于61/8”到63/4”的给定孔区段范围。
附图说明
示例性实施例的特性和益处在下面的描述中参考附图更详细地阐明。
图1示出了示例性实施例的第一变式的示意性截面视图；
图2示出了示例性实施例的第二变式的示意性截面视图；
图3示出了示例性实施例的第三变式的示意性截面视图；
图4示出了示例性实施例的第四变式的示意性截面视图；
图5示出了示例性实施例的第五变式的示意性截面视图；
图6示出了对于在63/4”钻孔中当前使用的管几何的设备限制流动速率分布；
图7示出了对于在63/4”钻孔中当前使用的管几何和本发明的示例性实施例的设备限制流动速率分布；以及
图8示出了对于在63/4”钻孔中当前使用的管几何和本发明的示例性实施例的当量循环密度。
具体实施方式
本文中提供的示例性实施例的目的和特征是提供一种页岩钻管，其具有优化的外径以最小化屈曲和中间区段磨损，和优化的钻井效率。示例性实施例增加钻柱屈曲抗性，且允许更高的流动速率。示例性钻管还可以具有一区域，以增加页岩钻管寿命预期。
此处所述的示例性页岩钻管的一个益处是能应用更多重量在钻头上，其产生更高的穿透速率，而不会经受管屈曲。此处所述的示例性页岩钻管的另一益处是通过减小上返时间(bottoms up time)以及上返周期的量以清洁井而提高孔清洁效率。示例性钻管可以用标准操纵设备(升降器)来操纵。此处所述的示例性页岩钻管的这些和其它目的、益处和结构在考虑了本说明书和附图之后对于本领域技术人员而言是明显的。
参考图1，页岩钻管元件包括第一和第二工具接头(2)，其具有内径(ID)。钻管还包括主要部分(1)，其包括接近工具接头的加厚部(upset)(1b)的中央区段(1a)。如图1和2所示，工具接头可以具有两个OD，近侧部分(2a)和远侧部分(2b)，其中近侧部分外径大于工具接头远侧部分外径。管的主要部分具有由其OD和ID限定的壁厚。比R限定为在管的主要部分OD和加厚部OD之间的比。图1示出了本发明的第一实施例。
图2示出了本发明的第二实施例，其与第一实施例不同之处在于它可以具有中央磨损带，如下所述。图3示出了本发明的第三实施例，其与第一实施例不同之处在于它可以不具有双OD特征，如下所述。图4示出了本发明的第四实施例，其与第三实施例不同之处在于它可以具有中央磨损带。如图1-4所示，本发明的示例性实施例可以贯穿整个工具接头(2)具有恒定内径，在工具接头直径和管道主要部分的中央区段(1a)之间内径增大，内径的增大发生在加厚区域(1b)。
如图5所示，工具接头为螺纹连接。管元件包括一个端部上的外螺纹连接部，和在另一个端部上的外螺纹连接部，允许管元件彼此连接以形成柱。
使用的工具接头(2)具有两个肩部连接部，譬如EAM快速连接部，其提供比其他工具接头在较瘦轮廓的情况下更高的扭矩和更长的使用寿命。工具接头外径和内径基于应用和使用的连接部而改变。连接部可以具有不同尺寸以确保与外径和内径的不同管组合的兼容。例如，存在各种尺寸的VAM快速连接部，譬如VAM快速VX39和VAM快速VX40，其与外径和内径的不同管组合兼容。
钻管主要区段和工具接头被分别制造。工具接头被锻造并且然后使用摩擦焊焊接到主要区段。加厚部需要被锻造在主要区段上，以实现一厚度，其确保在管和焊接区域之间的相同长度。最小加厚部外径(OD)由此给予焊接部的屈服强度确定，使得焊接区域的总拉伸强度为至少大于管道本体的总拉伸强度。最大加厚部OD被确定为使得加厚区域与操纵设备兼容。
在示例性实施例中，本发明的钻管长度可以为范围2或范围3，分别对应于31.5英寸的名义长度或45英寸名义长度。
在本发明的示例性实施例中，对于管壁厚的可接受范围为0.26-0.43”。
在本发明的示例性实施例中，管主要区段的外径大于4”且小于41/2”，而管中央区段的内径在3.826”到3.240”之间。
在本发明的示例性实施例中，加厚部的外径大于或等于管主要区段OD，且小于工具接头OD。由此，加厚部(1b)的外径大于4”且小于5”。
在本发明的示例性实施例中，对于具有主要区段外径4”<OD<41/2”的钻管元件,主要部分的中央区段(1a)的外径和主要部分的加厚部(1b)的外径的比R为0.9<＝R<＝0.99。
在优选实施例中，基于市场需要，管主要区段壁厚为0.330”。
在使用双肩部连接部(譬如VAM快速VX39)的优选实施例中，工具接头的外径为47/8”且工具接头的内径为3”。在使用双肩部连接部(譬如VAM快速VX40)的优选实施例中，工具接头的外径为51/4”且工具接头的内径为3”。
这对于增加设备流量限制是有益的，因为这提供更好的钻井效率和更好的孔清洁效率。参考图6，图表示出了对于在63/4”孔尺寸下具有不同OD的管的设备限制流动速率。图6示出了对于4”OD管和41/2”OD管的设备流量限制。4”OD管允许比41/2”OD管更大的设备限制流动速率。为了在本发明提出时刻的本领域技术人员，会预期管OD和设备限制流动速率之间为线性关系。由此，在本发明提出时刻的本领域技术人员将预期具有在4”和41/2”之间的OD的管将产生在4”OD管的设备限制流动速率和41/2”OD管的设备限制流动速率之间的设备限制流动速率。换句话说，在本发明提出时刻的本领域技术人员将预期增加OD导致更低的设备限制流动速率和更低的效率。
然而，参考图7，申请人显示41/4”管实际上允许比4”OD管更大的限制流动速率。换句话说，41/4”OD设备限制流动速率性能意外地没有落在4”OD管和41/2”OD管的设备限制流动速率之间。参考图8，在63/4”OD孔中4”OD,41/4”OD和41/2”OD管的流动速率敏感性分布被示出。根据图8，对于41/2”OD管在大于16000英尺的深度处，当量循环密度水平大于可接受的安全工作限制。在示例性实施例中，钻管中的当量循环密度不大于13ppg。在示例性实施例中，在5000英尺深度和19000英尺深度之间，对于钻管的设备限制流动速率为至少250gpm。
在图6和7中呈现的数据来自数学模型，该数学模型显示在几个井的现场经验中是精确的。
在优选实施例中，中央区段为的外径41/4”，且中央区段内径为3.590”。
在优选实施例中，加厚部的外径为41/2”，其中加厚部内径与工具接头内径相同。
在优选实施例中，R＝0.944到本领域中的标准工程公差，其对应于优选的41/4”主要区段管OD，和4-1/2”主要区段加厚部OD。
在优选实施例中，钻管提供抗拉伸能力以安全地执行钻井和起下钻操作。在一些实施例中，钻管用S-135等级钢(具有135ksi的屈服强度)，由拉伸负载要求确定。
为了改善管对屈曲的抗性，刚性的增大可以通过增加管OD来获得。通过将页岩钻管OD从4”增加到41/4”，管刚性增加且SDP可以比标准4”管处理多18％的钻压(WOB)，而不会在旋转钻井操作期间屈曲。更高的钻压产生更大的穿透速度，且总体上更有效的钻井操作。当起下钻或钻井时，屈曲往往由于轴向压缩负载而产生，其可以进一步增加扭矩和阻力。屈曲的管在严重情况下可产生锁死，由此使得难以传递机械能到钻头。尽管增加管OD有益于屈曲和磨损，增加管ID也有益于增加流动速率，降低液压损失和增加孔清洁和钻井效率。对于每个孔尺寸，存在给出最低液压损失的钻管尺寸。对于63/4”孔尺寸和本文所述的页岩钻管的示例性实施例，使用41/4”OD和3.590”的中央区段ID，与当前使用的4”OD管相比，立管压力获得150psi的提高，流动速率获得12.5％的提高，其中立管压力限定为穿过管柱以及管柱和孔之间所有压力降之和。具有较大内径的钻管元件产生较小的液压损失。尽管增加工具接头ID将会对压力损失具有一些影响，总益处是不显著的，而且难以量化。
对于给定生产尺寸孔，无论在OD和ID方面的改变，所有孔必须被清洁到相同标准，其需要优化钻管设计，使得清洁流动速率至少与满足标准所需的一样大。
对于给定流动速率，具有较大OD的钻管对于孔清洁是更有效的，因为在钻管和孔壁之间向孔上方行进的流体的环形速度将增大。环形速度的增大改善清洁效率高至20％，在上返次数和清洁井的时间(上返在材料从钻孔底部抵达表面时实现)，以及用于每次上返的循环小时数方面，使得期望水平的清洁被实现。数学模型显示要清洁孔的上返次数从6.3减少到5.4，且循环小时数从6.7-10小时减少到5.8-8小时，取决于流动速率。流动速率可以被选择以对所有孔获得恒定环形速度和相同水平的孔清洁，而不会使得当量循环密度超过安全工作极限。
参考图3和图4，在优选实施例的变式中，对于63/4”孔区段，工具接头的外径(OD)是恒定的。在优选实施例的第一变式中，工具接头的外径为51/4”。诸如VAM快速VX40这样的连接部可以被使用。该实施例提供了利用标准打捞筒的按需要将钻柱捞出的能力。
参考图1和2，在用于61/8”孔区段的优选实施例的变式中，工具接头具有双OD：近侧部分(2a)和远侧部分(2b)，其中近侧部分外径大于工具接头远侧部分外径。双OD结构增加工具接头寿命且增加了升降能力而不降低钻管的液压性能。双OD结构还改善了管间隙，其减少侧壁力和相关联的管磨损。在优选实施例中，工具接头近侧部分的外径为51/4”，而工具接头远侧部分的外径为47/8”。诸如VAM快速VX39这样的连接部可以被使用。优选实施例的第二变式与用于在61/8”孔尺寸中的捞出操作的标准打捞筒和标准操纵设备兼容。优选实施例的第一变式与61/8”孔尺寸设备不兼容。
参考图2和4，为了延长管寿命，磨损带可以定位在管的中间区段，使得磨损带承受更多的OD磨损，由此延长管需要更换的时间。
在示例性实施例中，钻管主要部分的中央区段具有特定金属热喷涂金属化涂层磨损带，譬如WearSox(WearSox的商标)，其比管体材料对磨损更具抗性。在优选实施例中，WearSox被施加在定位在管中央区段处的8英尺长的区域上，具有1/16”到1/8”的厚度。使用这样的中央磨损带可以在一般页岩地层中增加管寿命200％或更多。
在示例性实施例中，加硬带被用在工具接头上。与在管中间区段上的加硬带不同，工具接头加硬带为热焊接工艺，其保护壳体和工具接头不受磨损。用于工具接头的标准加硬带通常为3”长，且可以施加到工具接头OD或在槽中。在示例性实施例中，至少一个工具接头具有加硬带区段，其外径比工具接头的外径大3/16”或等于工具接头的外径。
在另一实施例中，内部塑料涂层(IPC)被施加在钻管内部，以保护不受腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。IPC可以改善液压效率。IPC可以为液体、固体或环氧树脂。
由于本发明在不背离其范围的情况下还存在很多可能的实施例，应理解此处参数和附图中示出的所有内容都应被解释为示意性且非限制性的。

Claims (13)

1.一种钻管，用于穿过孔区段的油气钻探，包括：
具有螺纹部分的第一工具接头，所述第一工具接头具有第一工具接头外径；
具有螺纹部分的第二工具接头，所述第二工具接头具有第二工具接头外径；
在第一和第二工具接头之间的主要部分，所述主要部分具有主要部分外径；
其中主要部分外径小于第一工具接头外径，且小于第二工具接头外径；
其中主要部分外径大于41/8英寸且小于43/8英寸；并且
其中第一和第二工具接头具有近侧部分和远侧部分，近侧部分的外径大于远侧部分的外径，并且近侧部分外径在5英寸和51/4英寸之间，远侧部分外径在51/4英寸和47/16英寸之间。
2.如权利要求1所述的钻管，其中主要部分的外径为41/4英寸。
3.如权利要求1所述的钻管，其中主要部分包括与第一和第二工具接头相邻的加厚部，以及
在加厚部之间的中央区段；
其中主要部分的中央区段的外径和主要部分的加厚部的外径之比在0.9和0.99之间。
4.如权利要求3所述的钻管，其中主要部分的中央区段的外径和主要部分的加厚部的外径之比为约0.944。
5.如权利要求1所述的钻管，其中钻管还包括至少一个磨损带，其具有大于主要部分外径的外径，定位在钻管的中间区段处且延伸6和12英尺之间。
6.如权利要求5所述的钻管，其中磨损带的外径比主要部分的外径大1/16英寸到1/8英寸。
7.如权利要求1所述的钻管，其中第一和第二工具接头为双肩部工具接头。
8.如权利要求1所述的钻管，其中钻管主要部分包括S-135等级材料。
9.如权利要求3所述的钻管，其中主要部分的中央区段的内径为3.590英寸，且钻管的剩余部分的内径为3英寸。
10.一种用于制造油气钻管的方法，包括：
形成第一和第二工具接头，以及在第一和第二工具接头之间的主要部分；
其中主要部分的外径小于第一工具接头外径且小于第二工具接头外径,所述第一和第二工具接头具有近侧部分和远侧部分，近侧部分的外径大于远侧部分的外径；所述形成进一步包括：
将主要部分的外径选择为大于41/8英寸且小于43/8英寸，
将近侧部分外径选择为在5英寸和51/4英寸之间，并且将远侧部分外径选择为在51/4英寸和47/16英寸之间。
11.如权利要求10所述的方法，其中主要部分的外径为41/4英寸。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述形成还包括形成加厚部，其与第一和第二工具接头相邻，以及形成在加厚部之间的中央区段，且其中所述选择进一步包括将主要部分的中央区段的外径和主要部分的加厚部的外径之比选择在0.9和0.99之间。
13.如权利要求10所述的方法，其中主要部分的中央区段的外径和主要部分的加厚部的外径之比为约0.944。
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