CN105658904A - 具有复合材料覆层的预磨铣窗 - Google Patents

Abstract

一种套管管段，其包括：主体，其包括壁；窗，其中所述窗是所述主体的所述壁中的开口；和覆层，其中所述覆层：(A)由复合材料组成；(B)位于所述主体的外表面上；(C)覆盖所述窗；和(D)至少横跨超出所述窗的周边足够距离，使得所述套管管段在所述窗的位置处具有期望压力额定值。一种在地下层中形成分支井筒的方法，其包括：将套管柱引入至井筒中，其中所述套管柱包括至少一个套管管段；从所述套管柱内部钻穿所述覆层的至少一部分以暴露所述窗；和邻近所述暴露窗形成所述分支井筒。

Description

具有复合材料覆层的预磨铣窗

技术领域

通过在套管管段中钻穿窗而形成分支井筒。可预磨铣窗。预磨铣窗通常覆盖一种材料来提供结构完整性并且形成至套管管段的流体密封。

附图简述

特定实施方案的特征和优点将在结合附图考虑时更易于了解。图不应解释为限制任何优选实施方案。

图1A是含有预磨铣窗和覆层的套管管段的示意图。

图1B是根据实施方案的套管管段和覆层的横截面图，其示出构成覆层的复合材料层。

图2是包括邻近套管管段的预磨铣窗定位在井筒中的铣刀转向器的井系统的示意图。

图3是来自图2的示意图，其示出使用钻头和铣刀转向器穿透预磨铣窗形成的分支井筒。

图4是来自图3的示意图，其示出完井分支井筒。

具体实施方式

如本文中所使用，词“包括(comprise)”、“具有”、“包括(include)”及其所有语法变形各旨在具有开放、非限制含义，其不排除额外元素或步骤。

应了解，如本文中所使用，“第一”、“第二”、“第三”等被任意指派且仅旨在视情况区分两层或更多层复合材料等，，并且不指示任何特定定向或序列。此外，将了解，仅仅使用术语“第一”无需存在任何“第二”，且仅仅使用术语“第二”无需存在任何“第三”等。

如本文中所使用，“流体”是具有连续相的物质，当在71°F(22℃)的温度和一个大气“atm”(0.1兆帕斯卡“MPa”)压力下测试物质时，其易于流动且符合它的容器的轮廓。流体可为液体或气体。

油气在一些地下层中自然产生。在油井工业中，含油气的地下层被称作储层。储层可位于地下或海底。储层通常位于几百英尺(浅储层)至几万英尺(超深储层)的范围中。为了生产油气，钻井筒至储层中或邻近储层钻井筒。从井筒生产的油、气或水被称作储层流体。

井可包括但不限于油、气或水生产井或注入井。如本文中所使用，“井”包括至少一个井筒。钻井筒至地下层中。地下层可为储层的一部分或邻近储层。井筒可包括垂直、倾斜和水平部分，并且它可能是直的、弯曲的或分支的。如本文中所使用，术语“井筒”包括井筒的任何套管和任何无套管裸眼部分。

钻头可用于形成主井筒。钻柱可用于协助钻头钻穿地下层以形成井筒。钻柱可包括钻管。在钻井操作期间，钻井流体(有时被称作钻井泥浆)可向下循环穿过钻管并且向上返回至井筒的壁与钻管外部之间的环空。钻井流体执行各种功能，诸如冷却钻头、维持井中的期望压力和将钻屑向上携带穿过井筒环空。

在钻出主井筒后，油管柱(被称作套管)可被放置至井筒中。可通过在井筒的壁与套管外部之间的环空中引入水泥组合物而胶结套管。水泥可帮助将套管稳定并且固定在井筒中。

通常期望形成从主井筒延伸至地下层中的一个或多个分支井筒。分支井筒可在主井筒的垂直、倾斜或水平部分中或在其组合的多个位置中形成。为了形成分支井筒，可首先形成窗。这通常通过将铣刀放置在主井筒中而完成。铣刀包括铣刀头，其可与用于形成主井筒的钻头相同或类似。铣刀可附接至位于套管内的钻柱。钻井流体向下循环穿过钻柱并且向上穿过钻柱外部与套管内部之间的环形空间。铣刀转向器可被放置在邻近期望窗位置的位置处。常见铣刀转向器的实例是造斜器。铣刀转向器包括倾斜部(通常称作锥面)，其中倾斜部极像直角三角形的斜边。固定机构可用于将铣刀转向器固定至套管内部并且帮助转向器保持固定。

铣刀接着行进穿过主井筒，直至它接合铣刀转向器的锥面。铣刀接着被侧向引导，即，在背离主井筒的中心轴朝向套管的方向上。铣刀沿着铣刀转向器行进直至铣刀切穿套管和水泥并且穿透地下层。通常通过移除钻柱，使得铣刀头可用钻头切换出来而将铣刀头从主井筒移除。钻头可接着用于使分支井筒延伸至地下层中达期望距离。套管或衬管可接着被插入至分支井筒中。分支井筒的套管或衬管可连接至主井筒中的套管，使得流体从分支井筒引导并且被引导至主井筒中(或反之亦然)，而无流体泄漏至地层中。套管或衬管也可以与在主井筒中执行胶结相同的方式胶结在分支井筒中。

当然，可能存在超过一个成形分支井筒。也可能存在一个或多个二级分支井筒，其从主分支井筒延伸出来以形成井筒的分支网络。如本文中所使用，术语“分支井筒”意指从主井筒或从另一个分支井筒(例如，二级、三级及等等分支井筒)延伸出来的井筒。

几个问题可能在传统开窗期间发生。例如，可能存在大量碎屑，其在铣刀头磨铣穿透常由钢制成的套管时形成。问题的另一个实例是在已开窗后需移除铣刀头以用钻头替换它可能非常耗成本且耗时。

克服这些和其它问题的先前努力包括在主井筒中安装之前在套管管段中预磨铣窗。预磨铣窗需密封以防止流体过早流动穿过窗。密封预磨铣窗的先前努力包括将材料放置在预磨铣窗的开口内。但是，这些努力不可靠并且可能导致预磨铣窗位置处的流体泄漏和套管管段的结构和压力完整性的损失。因此，需要预磨铣窗的改进密封，其能够维持套管管段的结构和压力完整性。

已发现可将复合材料涂敷至含预磨铣窗的套管管段的外部。密封面积可比窗的周边大，由此增加密封的压力完整性。复合材料可包括至少一个结构层，由此增加密封的结构完整性。

根据一个实施方案，套管管段包括：主体，其包括壁；窗，其中窗是主体的壁中的开口；和覆层，其中覆层：(A)由复合材料组成；(B)位于主体的外表面上；(C)覆盖窗；和(D)至少横跨超出窗的周边的足够距离，使得套管管段在窗的位置上具有期望压力额定值。

根据另一个实施方案，一种在地下层中形成分支井筒的方法包括：将套管柱引入至井筒中；从套管柱内部钻穿覆层的至少一部分以暴露窗；和邻近暴露窗形成分支井筒。

参考附图，图1A描绘套管管段15，其可为套管柱的部分。图1B描绘根据特定实施方案的覆层100。套管管段15包括壁，其在图1B中最佳所示。套管管段15也包括预磨铣窗16，其中窗是套管管段15的主体的壁中的开口。虽然在图1A中被描绘为形状为椭圆形，但是窗16可为任何期望形状和大小。例如，窗16在形状上可为椭圆形、圆形、正方形、矩形、三角形等。优选地，选择窗16的形状和大小，使得分支井筒可形成而无需扩大预磨铣窗的周边。换句话说，在钻分支井筒时，钻头优选地不在窗16的位置处接合套管管段15的主体的壁，其将增加在分支井筒形成期间形成的碎屑量。当然，套管管段15的一些可在分支井筒形成期间钻出。

套管管段15也包括覆层100。覆层100由复合材料组成。如本文中所使用，“复合材料”意指由具有不同物理和/或化学性质的两层或更多层物质组成的材料。相应地，复合材料可至少包括第一层101和第二层102。复合材料也可包括第三层103、第四层(未示出)和等等。根据一个实施方案，第一层101是承压层。承压层可承受特定压差。如本文中所使用，术语“承受”和其所有语法变型意指材料不碎裂、开裂、断裂、弯曲或另外受到将允许流体流动穿过或超出材料的任何类型的变形。第一层101可为可能不渗透并且不溶于接触第一层的流体，例如位于套管柱内的流体。第一层101可由聚合物质，(例如冷缩配合材料或塑料)组成。根据一个实施方案，第一层101具有厚度、顶部表面和底部表面。可选择第一层101的厚度，使得第一层至少可承受特定压差。厚度可变动并且可依据用于形成第一层的物质的精确类型。根据另一个实施方案，选择制成第一层的物质和第一层101的厚度，使得第一层在窗16的位置处向套管管段提供期望压力额定值15。特定压差可为来自套管管段15内部和套管管段外部，例如来自地下层的压力差。期望压力额定值可为特定压差。举例来说，预磨铣窗16的位置处的井筒中的压差可为1000磅力/平方英寸(psi)；因此，第一层101和/或复合材料的期望压力额定值可为1100psi或更大。

覆层100可位于主体的外表面上。第一层101可定位在主体的外表面的正上方，使得第一层101的底部表面接触套管管段15的外表面。第一层101也可充当由复合材料组成的后续层的基层。第二层102可定位在第一层101的顶部表面的正上方。

复合材料也可包括第四层(未示出)，其定位在第一层101的顶部上或邻近第一层101。这个层可能是有用的，前提是第一层101无法完全承受特定压差。以此方式，复合材料的压力额定值可经由包括增加复合材料的总压力额定值的一个或多个中间层而增大至期望压力额定值。可选择构成承压层的物质以实现期望压力额定值。

复合材料也包括第二层102。第二层102可为结构层，其中结构层向复合材料提供期望强度。结构层可增加覆层在不断裂的情况下可承受的所施加应力的数量。应力可为例如压缩应力、拉伸应力或剪应力。根据一个实施方案，期望强度大约为与套管管段15相同的强度。以此方式，一旦覆层100被放置至套管管段15上，并且覆盖窗16，就存在沿着套管管段15的整个长度的均匀强度。结构第二层102可包括高强度材料，诸如碳纤维。优选地，高强度材料在被磨铣或钻穿时不形成大量碎屑。由于不渗透的承压第一层101，结构第二层102无需不渗透流体。

复合材料层可以多种方式附着至彼此。举例来说，可通过经由施敷热(通常称作冷缩配合材料)在尺寸上收缩而使层绕套管管段15的外表面或另一层紧密配合。一层也可经由粘着剂(诸如胶水)附着至另一层。一层的物质也可被加热至它的熔点并且接着被喷涂或挤出至套管管段15的外表面或另一层上。相应地，当材料冷却时，它结合至套管管段或先前层。能够以液化状态被喷涂或挤出的物质的实例是热塑性材料。一层的物质也可以带的形式包括在胶带内，其中胶带可绕套管管段15的外表面或另一层缠绕。举又一个实例来说，一层的物质可编织至套管管段15的外表面或另一层，其中编织物质内嵌在胶水基质内，其将编织层结合至下方的套管管段或层。本领域一般技术人员将能够基于用作各层的精确物质选择用于将复合材料层附着至彼此及将复合材料附着至套管管段15的外表面的适当方法。

下文是使用多种粘着技术形成具有两层或更多层的复合材料的一些实例。下列实例并非仅仅是可给出的实例，并且不意在限制本公开的范围。一层复合材料可喷涂或挤出至套管管段的外表面或另一层上。挤出可包括加热层的物质以液化物质且接着经由施敷头和喷嘴将液化物质注入至期望外表面上。施敷头可完全围绕外表面，由此施敷头可横跨套管管段的期望长度。可选的保径模具也可用于在保径模具和施敷头横越套管管段的长度时追随施敷头。保径模具可具有特定内径。保径模具可沿着套管管段的长度缓慢移动，使得它压迫层以在物质冷却时具有均匀外径。对于冷缩配合材料，层的物质可绕套管管段的外部或另一层定位。物质可接着被加热，使得物质开始收缩，直至层已紧密附着至套管管段的外表面或另一层。也可将粘着剂(诸如胶水)施敷至套管管段的外表面或另一层且接着可将另一层放置在粘着剂的顶部。可接着允许粘着剂完全干燥，使得层附着至彼此。当物质是胶带形式时，层也可绕套管管段的外表面或另一层缠绕。

每个层的厚度可经由施敷技术调整。例如，对于液化物质，可通过施敷头横穿套管管段的长度的遍次，沿着套管管段的长度的行进速度和保径模具的内径和其它调整层的厚度。可也通过绕套管管段的外表面或另一层缠绕胶带形式的物质进行的遍次次数而调整厚度。也可存在多层相同物质。

复合材料也可包括第三层103。第三层103可为(不限制)承压层、结构层或磨损层(例如，涂层)。作为磨损层，第三层103可帮助保护结构第二层102(例如，碳纤维)不受环境影响。

覆层100覆盖窗16并且至少横跨超出窗16的周边足够距离，使得套管管段15在窗16的位置上具有期望压力额定值。根据一个实施方案，选择复合材料层、构成每层的物质和每层的厚度，使得复合材料具有期望压力额定值和期望强度。期望压力额定值可大于或等于井筒的井底压力。期望强度可小于、大于或等于套管管段的强度，优选地大于或等于。套管管段的长度可为大约20英尺(6.1米)。根据一个实施方案，覆层100横跨套管管段15的整个长度(如图1A中所示)。因此，套管管段15将具有沿着管段的完整长度的均匀外径。

图2至图4描绘井系统10。井系统10可包括井筒11。井筒11延伸至地下层20中。井筒11可为主井筒或分支井筒。井筒11可具有垂直、水平、倾斜、笔直或弯曲管段和其组合。井筒11的至少一段是套管井筒。套管井段可包括套管管段15。套管管段15可经由水泥13胶结在井筒11中。

方法包括将套管柱引入至井筒11中，其中套管柱包括至少一个套管管段15。当然，可将含预磨铣窗16的超过一个套管管段15放置在井筒11中用于形成多个分支井筒。井系统10可包括铣刀转向器18。铣刀转向器18的实例是造斜器。可将铣刀转向器18放置在套管柱内的井筒11中。如图2中可见，铣刀转向器18可包括主体和锥面。铣刀转向器18也可包括固定机构。可在邻近套管管段15的预磨铣窗16的位置处经由固定机构将铣刀转向器18固定至套管柱。适当的固定机构的实例包括但不限于封隔器、闩锁、衬管悬挂器、闭锁心轴、扩管、机械滑块或夹头。固定机构可用于在期望位置处将铣刀转向器18固定在套管柱内，使得铣刀转向器18在力的作用下的向下和旋转移动被抑制，且优选地被消除。方法可还包括在邻近窗16位置处将铣刀转向器18固定在套管柱中的步骤，其中固定步骤可在将套管柱引入至井筒11中的步骤后执行。

方法包括从套管柱内部钻穿覆层100的至少一部分以暴露窗16。方法可包括将钻头210引入至套管柱的内部。钻头210可在油管柱、弯管或电缆220上下钻至井筒中。钻头210可接着钻穿复合材料的一层或更多层，在从套管柱内朝向套管柱外部的一个方向上行进。

根据一个实施方案，覆层100的一层或更多层复合材料在引入至井筒中后经历从固体至液体或半液体的相变。举例来说，一个或多个层可在井筒的井底温度下熔化。如本文中所使用，术语“井底”意指井筒内预磨铣窗16所处的位置。举另一个实例来说，一层或更多层可在溶剂中溶解。此外，层的部分也可经历相变，例如胶水基质粘结剂。溶剂可为引入至井筒中的流体(例如，作为现场溶剂)或它可为储层流体。经加热流体也可被引入至井筒中以导致层或层的部分熔化。这些实施方案可用于进一步减小在钻穿覆层100期间形成的碎屑量。根据这些实施方案，可选择针对将经历相变的层选择的物质，使得层在期望时间段内经历相变。举例来说，可选择物质，使得一旦套管管段15到达井筒11内的期望位置，物质就经历相变。相应地，钻头可能仅需钻穿第二层102。

方法包括邻近暴露窗形成分支井筒11a的步骤。如在图3中可见，钻头210在遇到铣刀转向器18的锥面时，可背离套管管段15的中心轴导向。以此方式，钻头可开始接合覆层100的复合材料的内部。钻头钻穿覆层100的复合材料的所有或其余层以暴露预磨铣窗16。钻头210可接着钻穿水泥13。钻头210可接着钻入地下层20中以形成分支井筒11a。也可存在使用本公开的原理形成的超过一个分支井筒。井筒11可为主井筒或分支井筒。成形的分支井筒11a可为主、第二、第三等分支井筒。

如在图4中可见，分支井筒11a可在形成分支井筒的步骤后完井。分支井筒11a的完井可包括将套管柱15a引入至分支井筒中并且也可将水泥组合物13a引入至套管柱的外部与分支井筒的壁之间的环空中。

方法可还包括从地下层20生产储层流体，诸如油或气。生产步骤可包括经由生产井生产油或气。

因此，本发明非常适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。上文公开的特定实施方案只是说明性的，因为本发明可以受益于本文教示的本领域技术人员所知的不同但等效方式修改并且实践。此外，不旨在限制本文中所示的构造或设计的细节，如下文权利要求描述除外。因此，明显地，上文公开的特定说明性实施方案可被变更或修改，且所有这些变动被视为在本发明的范围和精神内。虽然参考“包括(comprising)”、“包含”或“包括(including)”各种组份或步骤来描述组合物和方法，但是组合物和方法也可由各种组件和步骤“大体上组成”或“组成”。每当公开具有下限和上限的数字范围时，具体公开落在所述范围内的任何数字和任何所包括范围。尤其，本文中公开的每个值范围(形式，“从大约a至大约b”或等效地“从大约a至b”)将被理解为陈述更宽的值范围内涵盖的每个数字和范围。此外，权利要求中的术语具有它们的平常、常规含义，除非专利权所有人另外明确以及清楚规定。此外，如权利要求中所使用的不定冠词“一个(a或an)”在本文中被定义来意指它所介绍的一个或超过一个元件。如果本说明书和可能以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其它文件中词或术语的使用存在任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。

Claims (22)

1.一种套管管段，其包括：

主体，其包括壁；

窗，其中所述窗是所述主体的所述壁中的开口；和

覆层，其中所述覆层：

(A)由复合材料组成；

(B)位于所述主体的外表面上；

(C)覆盖所述窗；和

(D)至少横跨超出所述窗的周边足够距离，使得所述套管管段在所述窗的位置处具有期望压力额定值。

2.根据权利要求1所述的套管管段，其中所述套管管段是套管柱的部分。

3.根据权利要求1所述的套管管段，其中选择所述窗的形状和大小，使得分支井筒可形成而无需扩大所述窗的所述周边。

4.根据权利要求1所述的套管管段，其中所述复合材料包括第一层，其中所述第一层是能够承受特定压差的承压层。

5.根据权利要求4所述的套管管段，其中所述第一层是不可渗透的并且不溶于与所述第一层接触的流体。

6.根据权利要求4所述的套管管段，其中选择所述第一层的厚度，使得至少所述第一层可承受所述特定压差。

7.根据权利要求4所述的套管管段，其中选择制成所述第一层的物质和所述第一层的所述厚度，使得所述第一层在所述窗的所述位置处向所述套管管段提供期望压力额定值。

8.根据权利要求4所述的套管管段，其中所述复合材料还包括额外承压层，且其中所述额外承压层增大所述复合材料的所述压力额定值。

9.根据权利要求4所述的套管管段，其中所述复合材料还包括第二层，其中所述第二层是结构层，且其中所述结构层向所述复合材料提供期望强度。

10.根据权利要求9所述的套管管段，其中所述期望强度大约为与所述套管管段相同的强度。

11.根据权利要求10所述的套管管段，其中所述第二层包括高强度材料。

12.根据权利要求11所述的套管管段，其中所述高强度材料是碳纤维。

13.根据权利要求9所述的套管管段，其中选择所述复合材料的层、构成每层的物质和每层的厚度，使得所述复合材料具有期望压力额定值和期望强度。

14.根据权利要求13所述的套管管段，其中所述期望压力额定值大于或等于包含所述套管管段的井筒的井底压力。

15.根据权利要求13所述的套管管段，其中所述期望强度小于、大于或等于所述套管管段的强度。

16.根据权利要求1所述的套管管段，其中所述覆层横跨所述套管管段的整个长度。

17.一种在地下层中形成分支井筒的方法，其包括：

将套管柱引入至井筒中，其中所述套管柱包括至少一个套管管段，其中所述套管管段包括：

(A)主体，其包括壁；

(B)窗，其中所述窗是所述主体的所述壁中的开口；和

(C)覆层，其中所述覆层：

(i)由复合材料组成；

(ii)位于所述主体的外表面上；

(iii)覆盖所述窗；和

(iv)至少横跨超出所述窗的周边足够距离，使得所述套管管段在所述窗的位置处具有期望压力额定值。

从所述套管柱的内部钻穿所述覆层的至少一部分以暴露所述窗；和

邻近所述暴露窗形成所述分支井筒。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述复合材料包括两个或更多个层，且其中所述复合材料的所述层中的一个或多个在引入至所述井筒后经历从固体至液体或半液体的相变。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个层在所述井筒的井底温度下熔化。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个层在溶剂中溶解。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述分支井筒在形成所述分支井筒的所述步骤后完井。

22.根据权利要求15所述的方法，其还包括从地下层生产储层流体，其中所述井筒穿透所述地下层。