CN108868688A - 处理钻井的方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及对钻井进行完整性修复处理的方法、系统和填充材料注入设备，该方法包括以下步骤：向钻井的填充空间中注入第一填充材料；向第一填充材料形成的裂隙中注入第二填充材料，其中第二填充材料的注入压力增大和/或减小的过程被延长，这样，在固井、弃井时由第一填充材料形成的裂隙将被第二填充材料弥补，设计的填充过程能够克服套管膨胀的影响，修补环空水泥对地层压力的完全隔离。

Description

处理钻井的方法、设备及系统

技术领域

本发明涉及钻井的处理，尤其涉及石油、天然气钻井的固井和弃井。

背景技术

在石油、天然气等钻井施工完成后，为了保证后面的继续安全钻进、加固井壁，或保证下部井眼的安全钻进，达到后期钻井封隔油、气和含水层的目的，需要进行下套管和注水泥浆的固井(cementing)施工。

在弃井(well abandonment)时，也会需要水泥的注入。需要弃井(wellabandonment)的一个例子是，在开采地下的矿石燃料如石油或天然气时，经常会伴有水的采出，为了提高其中矿石燃料与水的比例，人们陆续开发出了许多技术来改变地层的渗透性。这些技术并不总是有效的，最终，往往水的比例会不断提高，直到对目标钻井的继续开采不具有经济性(相比于采出的石油或天然气，采出的水的比例过高)。需要弃井另一个例子是，井下的矿石燃料随着开采而减少，进一步开采的技术难度变大，如需要注入二氧化碳来驱油，甚至采用辅助手段也不能以满意的产量进行进一步开采，开采方会因为继续开采的收益变小而决定弃井。

在上述及其它需要向钻井的空间内注入水泥的情形中，水泥凝固后可能会在其内部或在水泥与套管、水泥与井壁的接触面上形成裂隙，使固井、弃井后仍存在安全隐患，例如，地下的气、液可能会在压力的作用下通过裂隙泄漏到地层浅层甚至地面，污染浅层水，危害地面环境和人身安全。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，希望通过本发明的实施例提供一种新的处理钻井以改善井完整性的方法、设备和系统，避免井下的水、气通过水泥形成的裂隙渗透到地表。

根据本发明的第一方面的实施例，提供了一种处理井完整性的方法，包括以下步骤：向钻井的填充空间中注入第一填充材料；向第一填充材料形成的裂隙中注入第二填充材料，其中所述第二填充材料的注入压力增大和/或减小的过程被延长。

第一填充材料例如水泥，第二填充材料例如树脂，通过填充第二填充材料到第一填充材料形成的裂隙，可以弥补用第一填充材料填充井下空间所遗留的问题，更大程度上避免井下高压的气、液(水或石油)通过该裂隙泄漏。

通过有意地延长第二填充材料的注入压力的增大过程，可以有利于减小注入过程所导致的套管膨胀(casing ballooning)，而通过有意地延长第二填充材料的注入压力的减小过程，可以在材料还有流动性时使其填充进入由于压力减小导致的套管收缩所产生的空间里，进一步减小套管膨胀的影响。

可选地，在注入压力增大的过程中，判断预定条件是否满足；当预定条件满足时，将注入压力控制在预定压力范围之内。

进一步地，当预定条件满足时，继续增大注入压力并将其控制在预定压力范围之内。

可选地，预定条件包括以下任一项：注入压力达到预定压力范围；第二填充材料的注入速度达到较大速度值。其中，该预定压力范围为约4000psi至约6000psi。在这样的注入压力下，第二填充材料应可实现较快的注入速度，因此，该预定压力范围在上下文中也称为为较佳(或最佳)压力范围。

可选地，开始第二填充材料的注入后，注入压力呈现一个增大的过程，而注入压力持续增大至少约10分钟、20分钟甚至25分钟后，预定条件才被满足。应当注意，负责注入第二填充材料的设备一般是具备更快速增大注入压力的能力的，但是作为本发明的一个特点，注入压力从较低值(例如常压)增大至满足预定条件的过程被延长，这有利于抑制套管膨胀。

可选地，注入压力增大、减小的过程中，其变化曲线基本呈阶梯状。

与上述处理钻井的方法相对应地，根据本发明的第二方面的实施例，提供了一种用于井完整性处理的填充材料注入设备，包括：注入单元，配置为向钻井的填充空间中的第一填充材料形成的裂隙中注入第二填充材料；控制单元，配置为控制该注入单元，以使得第二填充材料的注入压力增大和/或减小的过程被台阶式延长。

可选地，控制单元配置为执行以下操作：在注入压力增大的过程中，判断预定条件是否满足；当该预定条件满足时，控制注入单元将注入压力控制在预定压力范围之内。

进一步地，控制单元进一步配置为执行以下操作：当该预定条件满足时，控制注入单元继续增大注入压力并将其控制在该预定压力范围之内。

可选地，上述的填充材料注入设备可用于(天然气、石油钻井的)固井和弃井。

可选地，第一填充材料包括水泥或其它适于填封井下的填充空间的材料，第二填充材料包括树脂。

根据本发明的第三方面的实施例，提供了一种处理井完整性的系统，其中，包括上述的填充材料注入设备。

与现有技术相比，根据本发明的实施例的方法、设备和系统进一步密封了套管与套管之间，以及套管与井壁之间的环空，并且，通过延长树脂的注入压力的增大和/或减小过程，可以最小化套管膨胀/收缩的影响。而如果直接升压至最高压力，用最大的力量来将材料挤入到环空水泥裂隙中，会导致最严重的套管膨胀，而这一膨胀又使得水泥裂隙临时关闭，材料无法被挤入。该发明将挤注过程台阶式延长，使得材料在一定驱动力和不严重的套管膨胀条件下挤入裂隙，实现修复完整性的目的。

附图说明

通过阅读以下结合附图所做的详细说明，本发明实施例的上述及其它特点、优势将会更明显和易于理解。

图1a为用水泥对钻井的填充空间进行填充的示意图；

图1b为图1a中的结构在截面AA’上的截面图；

图2a为根据本发明的实施例的对钻井完整性进行处理的方法流程示意图；

图2b示出了根据本发明的实施例的图2a中的步骤24的具体流程；

图3示出了根据本发明的实施例的第二填充材料的注入压力的变化曲线；

图4示出了根据本发明的实施例的填充材料注入设备的功能框图；

其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件/特征。

应当提到的是，这些附图意图说明在某些示例性实施例中所利用的方法、结构的一般特性，并且对后面提供的书面描述做出补充。但是这些附图并非按比例绘制并且可能没有精确地反映出任何给定实施例的精确的结构或性能特性，并且不应当被解释成定义或限制由示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。在各幅图中使用类似的或完全相同的附图标记是为了表明类似的或完全相同的单元或特征的存在。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

图1a为用水泥对钻井的填充空间进行填充的示意图，图1b为图1a中的结构在截面AA’上的截面图。三个套管分别是：位于最外侧的第一(外部)套管102、位于中间的第二套管104、位于内部的第三套管106。第一套管102与第二套管之间104的环空形成了一个填充空间101，第二套管104和第三套管105之间的环空形成了另一个填充空间103，如图中的线状和点状阴影区域所示，这两个填充空间中均注入了第一填充材料，例如水泥。

向套管之间或者套管与井壁之间注入第一填充材料例如水泥是本领域已知的固井、弃井手段，编号US4,189,002的美国专利，以及编号CN105064951A的中国发明申请公开等大量文献有记载，它们的全文通过引用方式并入本申请。

水泥在填充空间内凝固后，可能会出现以下问题而形成不利的裂隙：

第二套管104的内侧表面和填充空间103内的水泥脱离；

第二套管104的外侧表面和填充空间101内的水泥脱离；

第三套管106的外侧表面和填充空间103内的水泥脱离；

某填充空间内的水泥出现剪切裂隙(shear cracks)或径向裂隙，

这些情形中的脱离或裂隙所产生的不利的空间在本申请上下文中统称为裂隙。

图2a为根据本发明的实施例的对钻井进行处理的方法流程示意图，图2b示出了根据本发明的实施例的图2a中的步骤24的具体流程。

为了应对上述的裂隙，提供了如图2a-2b所示的处理井完整性的方法。在步骤22中，如上文结合图1a-1b已经介绍的，向钻井的填充空间注入第一填充材料例如水泥，下文中，都将以水泥作为第一填充材料的例子介绍各实施例，但本领域技术人员理解，水泥可能被其它替代材料取代，而这些替代材料(或其组合)仍在本申请的权利要求限定的保护范围之内。

在步骤24中，向水泥所产生的裂隙中注入第二填充材料，例如树脂，下文中将以此作为第二填充材料的例子介绍各实施例，但本领域技术人员理解，其它具有类似特性能够实现本发明实施例的目的的材料(或其组合)可以替代树脂，而仍在本申请的权利要求所限定的保护范围之内。

树脂向裂隙中的注入可以采用表面注入法，即，将树脂从水泥结构的(上)表面通过压力注入。

树脂的注入还可以依靠切面锻铣(section mill)技术，先在水泥结构的较深的部位打开一个空间，再从这个空间向着水泥结构内部或边缘的裂隙注入树脂。编号US 6,920,923的美国专利记载了切面锻铣的实现方式，其全文通过引用方式并入本申请。

树脂的注入需要压力，这一压力来自于用于注入树脂的注入设备。于是，注入过程就要求注入压力从起始点例如常压提高，而在注入结束前，又需要从某一个较高的数值降低。注意，由于树脂起到密封裂隙的作用，而裂隙可能承受着一定的地层压力，因此，树脂注入压力降低的终值可能需要根据地层压力设计，以确保安全，在一个例子中，这个压力值为约1000psi。

注入压力的增大过程

图3示出了根据图2中的方法(主要为步骤24)所实现的树脂的注入压力的变化曲线。作为本发明实施例的一个重要特征，注入压力的增大，例如，从0到6000psi，经历了一个被特意延长的过程。这主要体现为，注入压力一般与注入速度成正比，而尽快达到较高的注入速度对于这个过程而言是有利的，但是本发明中，注入压力的增大过程被延长。

上下文中，以注入压力的变化趋势来定义其是在增大还是降低，例如，从图3的0时刻到大约90分钟，这段时间内虽然注入压力有时会呈现短暂不变的情况，但整体在这90分钟内，注入压力呈现逐步增大的趋势，因此，将这段时间都视为是注入压力在增大的过程，注入压力在增大的间歇保持不变更进一步有利于延长压力的整个增大过程。

这种有目的的延长体现为以下两个方面：

1.满足预定条件前

根据图2所示的流程，在步骤242中在树脂注入压力增大的过程中，需判断是否满足预定条件，这里的预定条件可以是以下任一项：注入压力达到预定压力范围；树脂的注入速度达到较大速度值。当预定条件不满足时，系统可以等待下一个判断时刻到来，再执行步骤242。

这里的预定压力范围例如约4000psi至约6000psi。根据钻井的各种客观条件不同，预定压力值也可能会不同于上述数值。

优选地，在树脂注入的过程中，对树脂的注入速度进行监测计算，并在监测到较大的注入速度值时，判断预定条件满足，而进入步骤244。这一判断的方式可以具体为，当发现注入压力的增大不再能明显提高注入速度时，判断注入速度达到了上述的较大值。

由于树脂的注入速度与注入压力之间在钻井条件类似的情况下，可能存在较为稳定的对应关系，本领域技术人员也可以在这种关系已知的情况下，通过监测注入压力来判断预定条件是否满足，例如，在已知某个压力范围能够实现较大的注入速度的情况下。

2.满足预定条件后

如果步骤242的判断结果为，预定条件满足，也即，注入速度达到较大值，或者，注入压力达到了预定压力数值范围，例如，达到了该范围的下限，约4000psi，该方法进入步骤244，其中：

注入压力将被控制在预定压力范围之内，优选地，注入压力还将在这个预定压力范围内继续增大。

优选地，在这个预定压力范围内，注入压力的增大速度整体上要慢于注入压力还未达到该预定压力范围时的增速，如图3所示，注入压力用约25分钟从0增大到4000psi，而直到60分左右才进一步增大到5000psi，又到了80分左右到达6000psi。这不仅有利于对抗套管膨胀，也使得树脂能以较大的注入速度注入相对较长的时间。

如图3所示，本发明的实施例中，注入压力增大直至达到预定压力范围所需的时间体现了注入压力的增大过程是被延长了的，其中，注入压力经约25分钟达到约4000psi，即该压力范围的低点。本领域技术人员理解，注入设备的增压能力往往明显高于这一速度，因此，即使这一时间段为20分钟，甚至10分钟，仍明显高于设备本可提供的注入压力增速，从一定程度上抑制了套管膨胀。

注入压力的降低过程

在图3中，从第90分钟开始，注入压力开始减小。压力减小的原因可能是树脂在加压注入过程中变得逐渐粘稠，而过于粘稠的树脂是无法被继续注入，因此，在监测到树脂粘稠度达到一定程度时，有利地，注入压力开始减小。与增大过程的控制类似地，在设备能力允许更快速度将(注入)压力减小到目标值(本例中为1000psi)的情况下，根据本发明的实施例，这一降低/减小过程被有意地延长，本例中，从90分开始降低，经大约5分钟降至预定压力范围的下限，约4000psi，而后不久，开始再次降低，并在100分钟后不久达到约2000psi，最后在110分左右降至1000psi，前后经历了20分钟，构成了被延长的注入压力的降低过程。而后，树脂的压力将维持在1000psi，以抵御井内被抑制的气、液的压力。这种被延长的压力减小过程的好处在于，在材料还有流动性时使其填充进入由于压力减小导致的套管收缩所产生的空间里，进一步减小套管膨胀的影响。

本领域技术人员理解，虽然图3中的注入压力的增大和降低都体现为阶梯式变化，在一个变化例中，注入压力的增大和/或降低可以呈现为更平缓的变化曲线，本发明的保护范围不受限于图示的阶梯式变化。

图4示出了根据本发明的实施例的填充材料注入设备的功能框图，填充材料注入设备4包括注入单元402和控制单元404。在具体实现时，注入单元402可以具有压力源和树脂注入管路等部件，而控制单元404可以实现为处理器，并与注入单元402之间可操作地(有线或无线)连接。

一套完整的用于固井、弃井的系统除了包含各原有设备外，还可以包含上述的填充材料注入设备4，用于向水泥的裂隙中注入树脂，具体的操作方式如上文中结合图2和图3所描述的内容，不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

虽然示例性实施例可以有多种修改和替换形式，但是在附图中以举例的方式示出了其中的一些实施例，并且将在这里对其进行详细描述。但是应当理解的是，并不意图将示例性实施例限制到所公开的具体形式，相反，示例性实施例意图涵盖落在权利要求书的范围内的所有修改、等效方案和替换方案。相同的附图标记在各幅图的描述中始终指代相同的单元。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

应当理解的是，当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。与此相对，当一个单元被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一单元时，则不存在中间单元。应当按照类似的方式来解释被用于描述单元之间的关系的其他词语(例如“处于...之间”相比于“直接处于...之间”，“与...邻近”相比于“与...直接邻近”等等)。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

还应当提到的是，在一些替换实现方式中，所提到的功能/动作可以按照不同于附图中标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两幅图实际上可以基本上同时执行或者有时可以按照相反的顺序来执行。

除非另行定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有与示例性实施例所属领域内的技术人员通常所理解的相同的含义。还应当理解的是，除非在这里被明确定义，否则例如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释成具有与其在相关领域的上下文中的含义相一致的含义，而不应按照理想化的或者过于正式的意义来解释。

Claims (21)

1.一种处理钻井的方法，包括以下步骤：

a.向所述钻井的填充空间内注入第一填充材料，所述填充空间位于相邻套管之间和/或套管与地层之间；

b.向所述第一填充材料形成的裂隙中注入第二填充材料，所述第二填充材料的注入压力增大和/或减小的过程被延长。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二填充材料的注入压力在其增大和/或减小的过程中的变化曲线基本呈阶梯状。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b包括：

b1.在所述注入压力增大的过程中，判断预定条件是否满足；

b2.当所述预定条件满足时，将所述注入压力控制在预定压力范围之内。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述步骤b2包括：

b2.当所述预定条件满足时，继续增大所述注入压力并将其控制在所述预定压力范围之内。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定条件包括以下任一项：

所述注入压力达到所述预定压力范围；

所述第二填充材料的注入速度达到较大速度值。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述预定压力范围为：约4000psi至约6000psi。

7.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述注入压力持续增大至少约10分钟，所述预定条件才被满足。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述注入压力持续增大至少约20分钟，所述预定条件才被满足。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述注入压力持续增大至少约25分钟，所述预定条件才被满足。

10.一种用于处理钻井的填充材料注入设备，包括：

注入单元，配置为向钻井的填充空间内的第一填充材料形成的裂隙中注入第二填充材料，所述填充空间位于相邻套管之间和/或套管与地层之间；

控制单元，配置为控制所述注入单元，以使得所述第二填充材料的注入压力增大和/或减小的过程被延长。

11.根据权利要求10所述的填充材料注入设备，其中，所述控制单元控制所述注入单元以使得所述第二填充材料的注入压力在其增大和/或减小的过程中的变化曲线基本呈阶梯状。

12.根据权利要求10所述的填充材料注入设备，其中所述控制单元进一步配置为执行以下操作：

在所述注入压力增大的过程中，判断预定条件是否满足；

当所述预定条件满足时，将所述注入压力控制在预定压力范围之内。

13.根据权利要求12所述的填充材料注入设备，其中，所述控制单元进一步配置为执行以下操作：

当所述预定条件满足时，继续增大所述注入压力并将其控制在所述预定压力范围之内。

14.根据权利要求12所述的填充材料注入设备，其中，所述预定条件包括以下任一项：

所述注入压力达到所述预定压力范围；

所述第二填充材料的注入速度达到较大速度值。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的填充材料注入设备，其中，所述预定压力范围为：约4000psi至约6000psi。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的填充材料注入设备，其中，所述注入压力持续增大至少约10分钟，所述预定条件才被满足。

17.根据权利要求16所述的填充材料注入设备，其中，所述注入压力持续增大至少约20分钟，所述预定条件才被满足。

18.根据权利要求17所述的填充材料注入设备，其中，所述注入压力持续增大至少约25分钟，所述预定条件才被满足。

19.根据权利要求10至14中任一项所述的填充材料注入设备，所述填充材料注入设备用于以下任一项操作：

-固井；

-弃井。

20.根据权利要求10至14中任一项所述的填充材料注入设备，其中：

所述第一填充材料包括水泥；

所述第二填充材料包括树脂。

21.一种处理钻井的系统，其特征在于，包括如权利要求10至20中任一项所述的填充材料注入设备。