CN107002466A - 具有集成环状屏障和带孔短节的钻柱设备、方法以及系统 - Google Patents

Abstract

一种钻柱设备包括上部套管区段，所述上部套管区段具有带孔短节。所述带孔短节提供从所述上部套管区段的内部到所述上部套管区段周围的环空的可控开口。下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段。所述下部套管区段包括套管外封隔器和套管垫，所述套管垫联接到所述下部套管区段的外部部分。所述套管外封隔器在注水泥操作之前可膨胀到所述下部套管区段周围的环空，以避免水泥井漏到所述封隔器下方的薄弱地层。还公开了相关方法和系统。

Description

具有集成环状屏障和带孔短节的钻柱设备、方法以及系统

背景

在向井下输送随钻套管或内衬时，几乎总要考虑井筒完整性。井筒完整性可受到油藏枯竭、复杂钻井轨迹、地质构造、断层地层或反应性地层的影响。

在薄弱的地质地层中，钻头可在钻井操作期间与套管或内衬组合。因此，在钻出井筒的同时，使壁薄弱的井筒加有内衬。然而，这在适当位置对套管或内衬注水泥时可出现问题，因为薄弱地层无法承受沉重的水泥桩，从而损失水泥循环并且危及水泥与钻孔完整性。

附图简述

图1是根据本公开的各方面的包括钻孔中的钻柱设备的钻井系统的示意图。

图2是根据本公开的各方面的示出钻柱设备的更详细视图的示意图。

图3是根据本公开的各方面的示出钻井设备被移去之后并且套管处于注水泥的适当位置的套管的示意图。

图4是根据本公开的各方面的示出闩塞400的套管的下部区段的示意图，该闩塞用来对套管加压随后打开封隔器并使其膨胀。

图5是根据本公开的各方面的示出打开孔口和使水泥在套管封隔器上方循环的过程的套管的下部区段的示意图。

图6是根据本公开的各方面的示出用于钻井和注水泥的方法的流程图。

详细描述

为了解决上述挑战中的一些，诸如，在钻井期间需要维持井筒完整性和旋转套管/内衬以及其他挑战，本文中描述可进行操作以改善在井筒中对套管或内衬注水泥的情况的设备、系统和方法，所述套管或内衬已经输送到联接到钻头的井筒中。现在详细描述此类实施方案的实例。

图1是根据本公开的各方面的包括钻孔中的钻柱设备100的钻井系统的示意图。图2中更详细地示出钻柱设备并且随后进行论述。

公开用于实现定向(即，导向)钻井的方法、系统和设备。定向钻井可包括随钻下套管操作和/或随钻下内衬操作。

在随钻下套管操作中，将套管柱用作钻柱(即，代替钻杆，套管柱本身旋转并且使设置在套管柱的井下端或下端的钻头产生旋转，使得随着钻井进行，套管柱下降到钻孔中)。“内衬”是不延伸到钻孔的顶部的一种特殊套管柱。因此，在随钻下内衬操作中，钻柱可包括联接到内衬的钻杆，内衬继而联接到旋转导向系统(RSS)(所述RSS同样可以是井底钻具组件(BHA)的一部分或者以其他方式包括在BHA中)。

为了简洁起见，随后的论述只参考套管和随钻下套管。由于套管和内衬类似，因此，将假设对套管和随钻下套管的所有参考也是对内衬和随钻下内衬的参考。

定向钻井可由RSS完成，所述RSS可包括使钻头以“指向钻头式”方式径向偏离钻柱的轴的机构。RSS设置在RSS外壳中，所述RSS外壳联接到套管或内衬柱，使得RSS设置在套管或内衬柱内。在一些实施方案中，RSS可以是BHA的一部分或者以其他方式包括在BHA中。RSS可联接到设置在套管柱的井下端或下端的管下扩眼器和/或钻头。如随后参考图2所述，RSS相对于套管柱150的下部区段153旋转地固定。同时，下部区段153锚固并抓住井筒，因而使RSS和电子设备保持固定，以用于跟踪工具面。

参考图1，钻柱设备100设置在用作钻柱的套管柱150的下端或井下端。钻柱设备100可包括设置在套管柱的下端或井下端的管下扩眼器110和钻头111。

图1示出作为单独元件的钻头111和管下扩眼器110，其中管下扩眼器110在钻头的后面安装到RSS的内轴。然而，钻头111本身可包括扩眼器和/或钻头111可包括用于钻孔或使孔扩大以大体上大于套管柱150的外径的任何适当装置(例如，双中心钻头)。

钻柱设备100还包括设置在套管柱150内的RSS 105。RSS 105的某一部分或一些部分可以可操作地联接到套管柱150，使得来自套管柱150的旋转力只施加到RSS 105的操作上联接的部分，继而施加到管下扩眼器110和/或钻头111。在此类实施方案中，RSS 105的一些部分(例如，它的外壳和设置在其上的部件)可以作为大体上不旋转的部分操作。

在一些实施方案中，BHA 100可包括泥浆马达(不参考图1，参考图2(201))，所述泥浆马达可被致动或以其他方式启动，以便在钻头上施加旋转力，如得益于本公开的本领域的技术人员将显而易见。在此类实施方案中，来自泥浆马达的旋转可以补充或代替通过旋转套管柱150而施加到钻头的旋转。泥浆马达包括转子和定子，所述转子和定子共同使用莫依诺原理，以便由于通过泥浆马达泵送流体(例如，钻井泥浆)而使钻柱旋转。

套管柱150还可包括多个套管接头151。每个套管接头151可以是连续联接到一个或多个其他套管接头151的一段套管。在一些情况下，套管接头151可以具有大约相等的长度，并且包括用于在任一端联接到其他套管接头的机构(例如，刻有螺纹以用于直接螺纹连接到另一套管接头或者用于连接到能够接纳两个套管接头的螺纹端的套管接头连接器)。

套管柱150可从钻孔160的顶部(例如，点161)延伸到钻孔160的井下点163。根据本公开的某些实施方案钻出的一些井可涉及使用多个套管柱，在这种情况下，每个套管柱将从钻孔160的顶部延伸到井下的点，针对每个套管柱，该井下点可以不同。

钻柱设备100包括旋转头，由图1所示的旋转头170的风格化表示示出。旋转头170可包括用于以不将来自旋转头170上方的套管接头151的旋转力传递到该旋转头下方的一个或多个套管接头151的方式联接两个套管接头151的任何适当机构(例如，旋转头170下方的套管接头151可被认为是从旋转头170上方的套管柱150的部分自由地悬挂)。因此，在套管柱150包括旋转头170的实施方案中，套管柱150可被限定为包括上部区段(例如，上部套管区段152)和下部区段(例如，下部套管区段153)，其中上部区段包括旋转头170上方的一个或多个套管接头，并且下部区段包括旋转头170下方的一个或多个套管接头。在此类实施方案中，RSS 105可至少部分设置在套管柱150的下部区段153内和/或联接到该下部区段。

在包括旋转头的一些实施方案中，套管柱150可另外包括沿着设有RSS 105的套管柱150的一部分设置的一个或多个扶正器125。这些扶正器可帮助套管柱150在钻孔160中维持大约居中的位置。

如上文所述，旋转头170可包括使两个套管接头151能够以不将来自旋转头170上方的套管接头151的旋转力传递到该旋转头下方的一个或多个套管接头151的方式进行联接的一个或多个机构。例如，旋转头170可包括一个或多个径向承力部件、一个或多个轴向承力部件以及密封机构。

图2是根据本公开的各方面的示出钻柱设备100的更详细视图的示意图。如先前参考图1论述，钻柱设备100包括设置在套管柱的下端或井下端的管下扩眼器110和钻头111，所述套管柱包括旋转头170上方的上部区段152和旋转头170下方的下部区段153。钻柱设备100还包括设置在套管柱150内的RSS 105。RSS外壳105可由例如一组或多组闩101联接到套管柱150。

在实施方案中，钻柱设备还可包括泥浆马达201，所述泥浆马达可操作地联接到驱动轴214并且(例如，由闩101)联接到上部套管区段152的上部区段。泥浆马达201可位于旋转头170的上方，如图2所示。在其他实施方案中，泥浆马达201可位于旋转头170的下方，跨过该旋转头而连接到管状部件，并且由闩101联接到上部套管。泥浆马达201可以能够致动(例如，通过使钻井泥浆穿过马达、通过发送电信号或者通过任何其他机构进行致动)，以便使驱动轴214旋转，继而使管下扩眼器110和钻头111旋转。泥浆马达201将旋转力提供到驱动轴214，继而RSS的内轴将旋转力提供到管下扩眼器110和/或钻头111。

图2还示出使用第一组RSS闩210和第二组RSS闩215联接到套管(此处，下部套管区段153)的(相对于下部套管区段153和上部套管区段152)大体上不旋转的RSS 105。因此，RSS闩组210、215将RSS 105旋转地固定到下部套管区段153。

驱动轴214联接到RSS 105的内轴。RSS 105的内轴可操作地联接到管下扩眼器110和/或钻头111，以便使管下扩眼器110和/或钻头111能够相对于套管柱的纵轴250径向转向。

钻柱设备100还包括在下部套管区段153的外部并且设置于其上的集成环状屏障(例如，套管外封隔器)257和套管垫255。在实施方案中，套管外封隔器257在套管垫255的下方设置在下部套管区段153上。套管封隔器257可之后在注水泥过程期间使用，以承受静压水泥桩。

在套管注水泥方法中，封隔器257可利用在注水泥之前注入到封隔器257中的流体(例如，钻井泥浆)进行膨胀，如随后论述。

套管垫255提供与井筒的侧面的摩擦，以便使下部套管区段153在井筒中保持大体上旋转地固定。除套管垫255之外的其他机构可用于这个目的。

带孔短节260在旋转头170的上方合并到钻柱设备100中。带孔短节260设置在上部套管区段152中，并且可包括从上部套管区段152的内部到上部套管区段152周围的环空的可控开口。孔口260可以针对注水泥方法打开，如随后参考图6的流程图论述。如果地质地层能够支撑水泥的静压力，那么钻柱设备100也通过保持孔口260关闭来支持更传统的注水泥方法。因此，在图6的注水泥方法中，孔口260打开，从而允许水泥流过孔口并进入上部套管区段152中，并且在传统注水泥方法期间，孔口关闭以便水泥从下部套管区段153的端部流出。随后参考图3到图5，结合图6中示出的方法更详细地示出和论述这些概念。

图3是根据本公开的各方面的示出钻井设备被移去之后并且套管处于注水泥的适当位置的套管的示意图。图4是根据本公开的各方面的示出闩塞400的套管的下部区段的示意图，该闩塞用来对套管加压随后打开封隔器并使其膨胀。图5是根据本公开的各方面的示出打开孔口和使水泥在套管封隔器上方循环的过程的套管的下部区段的示意图。图6是根据本公开的各方面的示出用于钻井和注水泥的方法的流程图。现在将参考图1到图5的钻柱设备100来描述水泥注入方法。

在框601中，执行随钻下套管操作(例如，导向随钻下套管)。例如，这个操作可如图1所示那样执行。在框603中，一旦钻出孔，便放开BHA并且通过利用钢丝绳或钻杆进行捞取来取回。在定向钻井内衬应用中，可通过将内衬临时悬挂在母套管中并且松开内管以将BHA从孔中拉出来取回BHA。图3示出BHA被移去后的钻孔300中的上部套管区段152和下部套管区段153以及处于收缩状态(即，没有膨胀)的外封隔器257。

在框605中，确定将以传统方式(例如，孔口260关闭)还是孔口260打开的本公开的方法来完成针对套管的注水泥过程。这个决定取决于井筒300完整性。如果确定地质地层强到足以承受水泥桩，那么可以执行传统注水泥过程(例如，孔口260关闭)。如果地质地层薄弱并且可被水泥桩破坏，那么执行本公开的注水泥方法，其中孔口260打开。

在框607中，当使用传统注水泥方法时，使孔口保持关闭607。在框608中，向井下启动上部浮阀。在框609中，利用顶替塞来泵送水泥浆，所述顶替塞可处于套管中的上部浮阀处。图3到图5中没有示出传统注水泥方法的结果。

在框611中，如果执行本公开的注水泥方法，那么使外封隔器257朝着井筒壁300膨胀并且打开孔口260。图4和图5中示出这个操作的结果。可以看出，外封隔器257现在大体上阻塞(例如，密封)下部套管区段153周围的环空。

套管垫255利用RSS大体上减少或消除下部套管区段153的旋转，使得下部套管区段153相对于上部套管区段152大体上旋转地固定。

在框612中，在打开孔口之后，水泥承转器可以进入到孔中，以便利用内管来注水泥或者通过泵送浮阀塞以处于套管的上部区段中的闩101中的一个上来注水泥。浮阀将防止水泥在套管内部出现U型管效应。塞400用来打开外部套管塞的孔口。

在框613中，通过利用处于上部浮阀处的水泥顶替塞经由套管来泵送水泥浆，开始注水泥。图5中示出水泥流沿上部套管区段152向下行进并且从孔口260中流出。图5中示出顶替塞与浮阀500。在注水泥期间，上部套管区段152可旋转以改善水泥覆盖和附着。顶替塞与浮阀500可避免出现U型管效应。随后说明U型管效应。图5现在示出完成的注水泥方法，其中水泥柱500在上部套管区段152中处于适当位置。随后的钻井可使用钻头来移去套管内的水泥。

可通过假设管的立柱Y代表环空并且立柱X代表井中的钻杆(钻柱)来说明U型管效应的出现。U型管的底部代表井的底部。在多数情况下，流体在钻杆和环空两者中产生静压力。大气压力可以忽略，因为它对两个立柱的作用相同。如果钻杆和环空两者中的流体具有相同密度，那么静压力将相等并且流体将在管的两侧上保持静态平衡。如果环空中的流体较重，那么它将向下施加压力并且将流到钻柱中，从而迫使较轻流体中的一些离开钻柱并且导致表面出现流。环空中的液面将下降，直到压力相等。这是因为静压力的差异迫使流体移动，直到达到平衡点。这种现象通常被称为U型管效应，并且它说明了在进行连接时钻杆中可能有流流出的原因。

图6的方法可用于放置导向内衬。在这样的实施方案中，将RSS闩到或联接到内衬的下部部分。

实例1是一种定向钻柱设备，所述定向钻柱设备包括：

上部套管区段，所述上部套管区段包括带孔短节，所述带孔短节提供从所述上部套管区段到所述上部套管区段周围的环空的开口；以及下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段，所述下部套管区段包括：环状屏障，所述环状屏障联接到所述下部套管区段的外部部分；和套管垫，所述套管垫联接到所述下部套管区段的外部部分；其中套管外封隔器在注水泥之前可膨胀到所述下部套管区段周围的环空。

在实例2中，如实例1所述的主题还可包括设置在所述下部套管区段内的旋转导向系统(RSS)和RSS外壳。

在实例3中，如实例1至2所述的主题还可包括：其中所述RSS外壳利用至少一组闩联接到所述下部套管，使得所述RSS外壳相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定。

在实例4中，如实例1至3所述的主题还可包括：其中所述下部套管区段被配置成固定的，而所述上部套管区段被配置成可旋转，其中所述带孔短节在所述注水泥期间打开。

在实例5中，如实例1至4所述的主题还可包括联接到所述RSS的内轴的钻头。

在实例6中，如实例1至5所述的主题还可包括联接到驱动轴的泥浆马达，其中所述驱动轴联接到所述RSS的所述内轴。

在实例7中，如实例1至6所述的主题还可包括在所述钻头与所述RSS之间联接到所述RSS的所述内轴的管下扩眼器。

在实例8中，如实例1至7所述的主题还可包括：其中所述钻头还包括管下扩眼器。

在实例9中，如实例1至8所述的主题还可包括：其中所述环状屏障包括套管外封隔器，所述套管外封隔器被配置成利用流体进行膨胀。

在实例10中，如实例1至9所述的主题还可包括：其中所述上部套管区段包括上部内衬区段，并且所述下部套管区段是下部内衬区段。

实例11是一种用于钻井和注水泥的方法，所述方法包括：利用井底钻具组件来执行钻井操作，以形成井筒；打开套管的上部区段中的孔口；使套管的下部区段中的外封隔器朝着井筒壁膨胀，所述下部区段联接到所述套管的所述上部区段；以及经由所述套管向井下泵送水泥浆和水泥顶替塞，其中所述打开的孔口被配置成允许所述水泥浆离开所述套管的所述上部区段到达环空，并且所述外封隔器被配置成阻止所述水泥浆越过所述外封隔器继续向井下前进。

在实例12中，如实例11所述的主题还可包括：其中所述钻井操作包括定向随钻下套管操作。

在实例13中，如实例11至12所述的主题还可包括：其中所述钻井操作包括定向随钻下内衬操作。

在实例14中，如实例11至13所述的主题还可包括在泵送所述水泥浆的同时旋转所述套管的所述上部区段。

在实例15中，如实例11至14所述的主题还可包括以相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定的方式来维持下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段。

在实例16中，如实例11至15所述的主题还可包括：其中所述钻井操作包括导向钻井操作。

在实例17中，如实例11至16所述的主题还可包括在泵送所述水泥浆之前移去所述井底钻具组件。

实例18是一种钻井系统，所述钻井系统包括：钻柱设备，所述钻柱设备包括：上部套管区段，所述上部套管区段包括带孔短节，所述带孔短节提供从所述上部套管区段的内部到围绕所述上部套管区段的环空的可控开口；以及下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段，所述下部套管区段包括：套管外封隔器，所述套管外封隔器联接到所述下部套管区段的外部部分，所述套管外封隔器被配置成在注水泥操作之前朝着井筒壁膨胀；其中所述上部套管区段被配置成在所述注水泥操作期间旋转，而所述下部套管区段相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定。

在实例19中，如实例18所述的主题还可包括套管垫，所述套管垫在所述套管外封隔器的上方联接到所述下部套管区段并且被配置成使所述下部套管区段在钻孔中保持旋转地固定。

在实例20中，如实例18至19所述的主题还包括设置在所述下部套管区段内的指向钻头式旋转导向系统(RSS)，所述RSS外壳利用至少一组闩联接到所述下部套管区段。

尽管本文中已经示出并描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将理解，经计算以实现相同目的的任何布置都可替代所示的特定实施方案。各种实施方案使用本文所述的实施方案的置换和/或组合。应理解，上述描述意图说明而不是限制，并且本文中使用的措辞或术语用于描述的目的。在研究上述描述之后，本领域的技术人员将明白上述实施方案和其他实施方案的组合。

Claims (20)

1.一种定向钻柱设备，所述定向钻柱设备包括：

上部套管区段，所述上部套管区段包括带孔短节，所述带孔短节提供从所述上部套管区段到所述上部套管区段周围的环空的开口；以及

下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段，所述下部套管区段包括：

环状屏障，所述环状屏障联接到所述下部套管区段的外部部分；以及

套管垫，所述套管垫联接到所述下部套管区段的外部部分；

其中套管外封隔器在注水泥之前可膨胀到所述下部套管区段周围的环空。

2.如权利要求1所述的钻柱设备，其还包括设置在所述下部套管区段内的旋转导向系统(RSS)和RSS外壳。

3.如权利要求2所述的钻柱设备，其中所述RSS外壳利用至少一组闩联接到所述下部套管，使得所述RSS外壳相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定。

4.如权利要求3所述的钻柱设备，其中所述下部套管区段被配置成固定的，而所述上部套管区段被配置成可旋转，其中所述带孔短节在所述注水泥期间打开。

5.如权利要求4所述的钻柱设备，其还包括联接到所述RSS的内轴的钻头。

6.如权利要求5所述的钻柱设备，其还包括联接到驱动轴的泥浆马达，其中所述驱动轴联接到所述RSS的所述内轴。

7.如权利要求5所述的钻柱设备，其还包括在所述钻头与所述RSS之间联接到所述RSS的所述内轴的管下扩眼器。

8.如权利要求5所述的钻柱设备，其中所述钻头还包括管下扩眼器。

9.如权利要求1所述的钻柱设备，其中所述环状屏障包括套管外封隔器，所述套管外封隔器被配置成利用流体进行膨胀。

10.如权利要求1所述的钻柱设备，其中所述上部套管区段包括上部内衬区段，并且所述下部套管区段是下部内衬区段。

11.一种用于钻井和注水泥的方法，所述方法包括：

利用井底钻具组件来执行钻井操作，以形成井筒；

打开套管的上部区段中的孔口；

使套管的下部区段中的外封隔器朝着井筒壁膨胀，所述下部区段联接到所述套管的所述上部区段；以及

经由所述套管向井下泵送水泥浆和水泥顶替塞，其中所述打开的孔口被配置成允许所述水泥浆离开所述套管的所述上部区段到达环空，并且所述外封隔器被配置成阻止所述水泥浆越过所述外封隔器继续向井下前进。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述钻井操作包括定向随钻下套管操作。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述钻井操作包括定向随钻下内衬操作。

14.如权利要求11所述的方法，其还包括在泵送所述水泥浆的同时旋转所述套管的所述上部区段。

15.如权利要求14所述的方法，其还包括以相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定的方式来维持下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述钻井操作包括导向钻井操作。

17.如权利要求11所述的方法，其还包括在泵送所述水泥浆之前移去所述井底钻具组件。

18.一种钻井系统，所述钻井系统包括：

钻柱设备，所述钻柱设备包括：

上部套管区段，所述上部套管区段包括带孔短节，所述带孔短节提供从所述上部套管区段的内部到围绕所述上部套管区段的环空的可控开口；以及

下部套管区段，所述下部套管区段通过旋转头联接到所述上部套管区段，所述下部套管区段包括：

套管外封隔器，所述套管外封隔器联接到所述下部套管区段的外部部分，所述套管外封隔器被配置成在注水泥操作之前朝着井筒壁膨胀；

其中所述上部套管区段被配置成在所述注水泥操作期间旋转，而所述下部套管区段相对于所述上部套管区段大体上旋转地固定。

19.如权利要求18所述的钻井系统，其还包括套管垫，所述套管垫在所述套管外封隔器的上方联接到所述下部套管区段并且被配置成使所述下部套管区段在钻孔中保持旋转地固定。

20.如权利要求18所述的钻井系统，其还包括设置在所述下部套管区段内的指向钻头式旋转导向系统(RSS)，所述RSS外壳利用至少一组闩联接到所述下部套管区段。