CN110382813A - 用于减少钻井操作中的井下损失、防止卡钻和孔清洁增强的方法和装置 - Google Patents
用于减少钻井操作中的井下损失、防止卡钻和孔清洁增强的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种用在延伸到地下地层中的井筒(110)内使用的井下工具(100)，包括井筒壁脱离组件(108)，该井筒壁脱离组件具有限定纵向轴线的管柱(102)，以及形成围绕管柱(102)的可伸缩套筒(114)的多个纵向叶片(104)，该可伸缩套筒处于关闭位置时具有基本连续的内部轮廓，并且其中基于管柱中靠近井下工具的内部压力致动可伸缩套筒。一种将井下工具(100)从延伸到地下地层中的井筒(110)壁脱离的方法，包括：降低井筒壁脱离组件(108)，该组件包括限定纵向轴线的管柱(102)和多个纵向叶片(104)，该纵向叶片形成围绕管柱的可伸缩套筒，可伸缩套筒处于关闭位置时具有基本连续的内部轮廓；以及致动可伸缩套筒。
Description
技术领域
本发明涉及用于勘探或生产烃的井的钻探。更具体地，本发明涉及用于使井下工具从延伸到地下地层中的井筒的壁脱离并且减少钻井操作中的井下损失的系统和方法。
背景技术
无论是在电缆操作期间还是在钻井过程中，地层评估通常都要求将来自地层的流体吸入井下工具用于测试和/或取样。各种取样设备(通常称为探测器)从井下工具延伸，以与井筒周围的地层建立流体连通并将流体吸入井下工具中。典型的探测器是从井下工具延伸并抵靠井筒侧壁定位的圆形元件。探测器端部的橡胶封隔器用于与井筒侧壁形成密封。用于与井筒侧壁形成密封的另一设备称为双封隔器。利用双封隔器，两个弹性环围绕工具径向膨胀，以在两个弹性环之间隔离一部分井筒。环与井筒壁形成密封，并且环允许流体被吸入井筒的隔离部中并进入井下工具的入口中。
在石油和天然气操作中，井下工具(例如电缆工具或钻柱)被输送到井筒中和从井筒中抽出。有时，在操作期间，井下工具可能会卡在井筒中。工具卡住经常发生在地层评估程序期间，例如取芯或地层流体取样期间，其中活塞和/或探测器延伸至与井筒衬里的泥饼接触。或者，如果工具接触并破坏泥饼层的完整性，则在向井筒输送或从井筒移除工具期间，工具也可能被卡住。地层本身通常处于相对较低的压力，而井筒处于相对较高的压力。因此，井下工具会移除泥饼层的一部分并使工具暴露于显著的压差，该压差将工具抵靠井筒壁保持。由压差产生的保持力难以克服并且通常可能超过能够由备用活塞、探测器或工具的其他可伸长部件所产生的力。使用活塞来移除卡住的工具也不能令人满意，因为工具与壁接触的确切部分通常是未知的，因此，必须提供围绕工具周向间隔开的若干活塞以确保可以在适当的方向上产生推力。这样的活塞在工具释放操作期间可能被损坏，从而阻碍了它们的撤回并加剧了卡住的问题。用于脱离井下工具的其他已知方法(例如打捞、拉线和通过管道推动工具)是非常困难和耗时的。
在一些在先技术的教导中，壁脱离组件由井下工具(例如图1的钻井工具10或图2的电缆工具10')承载。图1描绘了井下钻具10，其从钻塔5配置并且前进到地下以形成井筒14。井筒穿透包含地层流体21的地下地层F。井下钻具通过形成钻柱28的一个或多个钻铤11悬挂在钻塔上。“泥浆”被泵送通过钻柱28并且从钻具10的钻头30排出。泥浆通过井筒泵送回到地面以进行过滤和再循环。当泥浆通过井筒时，它沿着井筒壁17形成泥层或泥饼15。一部分泥浆会渗入地层形成地层F的侵入区域25。
井下钻具10可以从井筒移除，并且电缆工具10'(图2)可以经由电缆线缆18下降到井筒中。井下工具10'可配置到井筒14中并且用钻塔5下方的常规电缆18或导管或常规管道或盘管悬挂在井筒14中。所示的工具10'设置有各种模块和/或部件12，包括但不限于探测器26'，探测器26'用于与地层F建立流体连通并如箭头所示将流体21吸入井下工具。可以设置备用活塞8以进一步推动井下工具10'抵靠井筒壁17并且帮助探测器与井筒壁17接合。
然而，这些工具都不能用于涂抹烃井中的漏失区，或者不能够加固井筒以防止井下损失、防止卡钻、以及改善井清洁过程。
发明内容
因此，本公开的一个示例实施例是用在延伸到地下地层中的井筒内使用的井下工具。该工具包括井筒壁脱离组件，该井筒壁脱离组件具有限定纵向轴线的管柱，以及形成围绕管柱的可伸缩套筒的多个纵向叶片，该可伸缩套筒处于关闭位置时具有基本连续的内部轮廓，并且其中基于管柱中靠近井下工具的内部压力致动可伸缩套筒。在一个示例实施例中，可伸缩套筒可以以同轴关系安装至管柱。在一个示例实施例中，当可伸缩套筒处于打开位置时，可伸缩套筒的多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。
在一个示例实施例中，可伸缩套筒处于打开位置时防止流体沿横向方向流入井筒壁，而可伸缩套筒处于关闭位置时允许流体沿横向方向流动通过至少一个端口。在一个示例实施例中，可伸缩套筒构造成响应于可伸缩套筒相对于管柱的旋转而使管柱的纵向轴线远离井筒壁平移。该组件还可包括用于感测管柱上的压力的传感器，以及用于接收来自传感器的压力信号并致动可伸缩套筒的致动器。传感器可以是循环压力机构的一部分。致动器可以构造成将多个纵向叶片从关闭位置移动到打开位置，反之亦然。致动本质上可以是空气动力学的或流体动力学的。在一个示例实施例中，纵向叶片的外表面包括平滑或凹槽构造。该工具可用于涂抹烃井中的漏失区，并加固井筒以防止井下损失、卡钻和改善井清洁过程。
另一个示例实施例是一种使井下工具从延伸到地下地层中的井筒壁脱离的方法。该方法包括降低井筒壁脱离组件，该组件包括限定纵向轴线的管柱，以及形成围绕管柱的可伸缩套筒的多个纵向叶片，该可伸缩套筒在关闭位置具有基本连续的内部轮廓，并且其中基于管柱中靠近井下工具的内部压力致动可伸缩套筒。致动可以构造成将多个纵向叶片从关闭位置移动到打开位置。在一个示例实施例中，当可伸缩套筒处于打开位置时，可伸缩套筒的多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。该方法还可以包括处于打开位置时防止流体沿横向方向流入井筒壁；而处于关闭位置时允许流体沿横向方向流动通过至少一个端口。该方法还可以包括响应于可伸缩套筒相对于管柱的旋转而使管柱的纵向轴线远离井筒壁平移。
在一个示例实施例中，井筒壁脱离组件可包括用于感测管柱上的压力的传感器，以及用于接收来自传感器的压力信号并致动可伸缩套筒的致动器。致动本质上可以是空气动力学的或流体动力学的。该方法还包括涂抹烃井中的漏失区，并加固井筒以防止井下损失、卡钻和改善井清洁过程。
另一个示例实施例是用在延伸到地下地层中的井筒内使用的井下工具，该井下工具包括井筒壁脱离组件，该井筒壁脱离组件具有限定纵向轴线的管柱，以及形成围绕管柱的可伸缩套筒的多个纵向叶片。可伸缩套筒处于第一位置时可以具有基本连续的内部轮廓，而当可伸缩套筒处于第二位置时，可伸缩套筒的多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。
附图说明
因此，可以获得并且可以更详细地理解本发明的特征、优点和目的以及可能变得明白易懂的其他方面的方式，可以参考在附图中示出的实施例对上面简要概述的本发明进行更具体的描述，附图构成本说明书的一部分。然而，需要注意的是，附图仅示出了本发明的示例实施例，并且因此不应被视为限制本发明的范围，因为本发明可以允许其它等效实施例。
图1是根据在先技术的教导的具有防卡装置的井下工具的示意图。
图2是根据在先技术的教导的具有防卡装置的井下工具的示意图。
图3是根据本公开的一个或多个示例实施例的井下工具的示意图。
图4A-图4C示出了根据本公开的一个或多个示例实施例的井下工具的剖视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考示出本公开的实施例的附图更全面地描述本公开的系统和方法。本公开的系统和方法可以为许多不同的形式，并且不应该被解释为限于在本公开中阐述的所示实施例；而是，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相似的数字始终指代相似的元件。
现在转到附图，图3是根据本公开的一个或多个示例实施例的井下工具或智能工具100的示意性剖视图，该井下工具或智能工具100用在延伸到地下地层中的井筒110内。工具100具有井筒壁脱离组件108，井筒壁脱离组件108包括：限定纵向轴线的管柱102，以及形成围绕管柱102的可伸缩套筒114的多个纵向叶片104。叶片104可以使用机械装置112附接到柱102，机械装置112本质上可以是空气动力学的或流体动力学的。尽管图3中仅示出了一个叶片104，但是可伸缩套筒可包括两个或更多个叶片104，如图4A-图4C所示。组件108还可包括：一个或多个传感器106，用于感测管柱上的压力；以及一个或多个致动器112，用于接收来自传感器的压力信号并致动可伸缩套筒114。例如，传感器106可以是循环压力机构的一部分。致动器112可以构造成将多个纵向叶片104从关闭位置移动到打开位置，反之亦然。如上所述，致动本质上可以是空气动力学的或流体动力学的。在一个示例实施例中，纵向叶片104的外表面可包括平滑的、成形的或凹槽的构造。工具100可用于涂抹烃井中的漏失区，并加固井筒以防止井下损失、卡钻和改善井清洁过程。
图4A-图4C示出了根据本公开的一个或多个示例实施例的井下工具200的剖视图。井下工具200与工具100相同，除了仅出于说明目的而示出三个叶片。如图4A所示，由叶片204形成的可伸缩套筒214可以在关闭位置具有基本连续的内部轮廓。可伸缩套筒214基于管柱202中靠近井下工具200的内部压力而被致动。在一个示例实施例中，可伸缩套筒214可以以同轴关系安装至管柱202。在另一个示例实施例中，可伸缩套筒214可以以不同轴关系安装至管柱202。如图4B和图4C所示，当可伸缩套筒214处于打开位置时，可伸缩套筒214的多个纵向叶片204扩展到具有增大的内径的位置。
在一个示例实施例中，可伸缩套筒214处于打开位置时防止流体沿横向方向流动到井筒壁中，如图4C所示，而可伸缩套筒214处于关闭位置时允许流体沿横向方向流动通过至少一个端口，如图4A所示。在一个示例实施例中，可伸缩套筒214构造成响应于可伸缩套筒214相对于管柱202的旋转而使管柱的纵向轴线远离井筒壁平移。这可以使用石油和天然气钻井领域的普通技术人员已知的机械或电气手段来实现。
另一个示例实施例是用在延伸到地下地层中的井筒内使用的井下工具或智能工具。该工具包括井筒壁脱离组件，该井筒壁脱离组件具有限定纵向轴线的管柱以及形成围绕管柱的可伸缩套筒的多个纵向叶片。可伸缩套筒处于第一位置(例如关闭位置)时可以具有基本连续的内部轮廓，而当可伸缩套筒处于第二位置(例如，打开位置)时，可伸缩套筒的多个纵向叶片能够扩展到具有增大的内径的位置。
再次参考图3，另一示例实施例是一种使井下工具或智能工具100与延伸到地下地层中的井筒110的壁脱离的方法。该方法包括将井筒壁脱离组件108降低到井筒110中。组件108可包括限定纵向轴线的管柱102，以及形成围绕管柱102的可伸缩套筒114的多个纵向叶片104。当多个叶片彼此邻接时，可伸缩套筒114处于关闭位置可以具有基本连续的内部轮廓。该方法包括基于管柱102中靠近井下工具的内部压力致动可伸缩套筒114。致动可以构造成将多个纵向叶片104从关闭位置移动到打开位置。在一个示例实施例中，当可伸缩套筒114处于打开位置时，可伸缩套筒的多个纵向叶片104扩展到具有增大的内径的位置。工具100处于打开位置时可以防止流体沿横向方向流入井筒壁110，并且工具100在关闭位置时可以允许流体沿横向方向流动通过的至少一个端口。该方法还可以包括响应于可伸缩套筒114相对于管柱102的旋转而使管柱102的纵向轴线远离井筒壁110平移。这可以使用石油和天然气钻井领域的普通技术人员已知的机械或电气手段来实现。
在一个示例实施例中，井筒壁脱离组件108可包括用于感测管柱102上的压力的传感器组件106，以及用于接收来自传感器106的压力信号并致动可伸缩套筒114的致动器112。致动本质上可以是空气动力学的或流体动力学的。致动可伸缩套筒114的步骤可以使得能够涂抹烃井中的漏失区，并加固井筒以防止井下损失、卡钻以及改善井清洁过程。尽管本文公开的某些示例实施例涉及术语“致动”，但该术语与术语“启动”同义。类似地，将工具从关闭位置平移到至少部分打开位置可以构成致动或启动，而将工具从至少部分打开位置平移到关闭位置可以构成“停用”。
本文公开的示例实施例的主要目的是以最有效的方式支持钻井工作、最小化钻井成本、并安全地提高运营成本效益。这包括多尺寸可互换的智能工具100、200，其根据需要被启动和止动，旨在涂抹漏失区，并且增强井筒加固以防止井下损失、卡钻以及改善井清洁过程。
智能工具或井下工具100、200可以在关闭位置运行并准备好启动至推荐的尺寸以防止发生损失。另外，它可以与井筒加强和堵漏材料结合使用，以利用机械方法和钻井液混合物来提高系统(泥浆和工具)的效率。智能工具或井下工具100、200可以在行进(tripping)期间或者可能需要时根据需要被启动和停用。
由于全球的石油和天然气运营商致力于提高钻井效率并降低钻塔的成本和非生产时间，因此提高钻井操作性能的新方法是提供适合涂抹钻孔的智能可互换设计系统。这种智能工具在其设计中具有明确的特征，该特征为可伸缩以实现更稳健的钻井模式。这种智能设计将允许操作员控制工具的扩展程度，以适应内部的孔尺寸形状和条件，防止孔坍塌，同时可用作井筒加固机械工具，防止卡钻。在上述示例实施例中描述的智能工具或井下工具100、200出于安全目的可以通过来自钻台或办公处的泥浆脉冲进行控制。
另一个优点是智能工具或井下工具100、200适合不同的钻杆标准连接。如果在表面孔、中间孔或生产孔段钻孔时预期完全堵漏，则可以使用智能工具。可以使用智能工具钻更复杂的井来维持钻井条件并按需提供用途，因为它在钻井期间发生意外事件(例如打捞、缩径等)时足够耐用。
上述示例实施例的智能工具或井下工具100、200具有流体动力学内置设计以启动并防止压差卡钻(differential sticking)，并且智能工具或井下工具100、200可以用作智能机械设备以释放压差卡钻，并且允许将孔打开恢复至原始孔尺寸从而消除钻孔过程中的机械卡钻。此外，智能工具被设计用于在垂直、偏斜和水平段中的所有应用。重要的是，该工具的主要目的之一是它能够增强孔清洁能力，以便穿过偏斜或水平段更好地切割搅拌，从而消除卡钻。
另外，智能工具或井下工具100、200能够提供优化的智能解决方案以及钻井液，以避免在钻井时遇到的最具长期挑战性的钻孔问题，例如卡钻、堵漏和孔清洁等。这种智能工具还能够填补当前技术中流体和井下工具之间的间隙。可以连接其他更智能的工具，如实时数据采集，以扩展智能工具的功能和有效性，从而涵盖所有功能，以便提高钻井性能并降低成本。
包括发明内容、附图的简要说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域技术人员应理解，本发明包括说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和用途。本领域技术人员应理解，本公开不限于说明书中给出的具体实施方案的描述或由说明书中给出的具体实施方案的描述限定。
本领域技术人员还应理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应以与每个术语的上下文一致的最广泛的方式解释。除非另外定义，否则说明书和所附权利要求中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”和“所述”、“该”包括复数指代，除非文中另有明确说明。动词“包括”及其同源形式应被解释为以非排他性方式引用元件、部件或步骤。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确引用的其他元件、部件或步骤一起存在、使用或组合。
条件语言，例如，尤其是，“能够”、“可”、“可能”或“可以”，除非另有明确说明，或者在所使用的文中以其他方式理解，通常旨在表达某些实施可以包括，而其他实施不包括某些功能、元件和/或操作。因此，这样的条件语言通常并不旨在暗示对于一个或多个实施以任何方式需要特征、元件和/或操作，或者一个或多个实施必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定的逻辑，不论这些功能、元件和/或操作是包含在任何特定实施中还是将要在任何特定实现中执行。
因此，本文所述的系统和方法非常适于实现所述目的并获得所提到的目的和优点，以及其中固有的其他目的和优点。虽然出于公开的目的给出了系统和方法的示例实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其他类似的修改对于本领域技术人员而言可以容易地提出，并且这些和其他类似的修改旨在包含在本文公开的系统和方法的精神内以及所附权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种用在延伸到地下地层中的井筒内的井下工具，包括：
井筒壁脱离组件，其包括：
限定纵向轴线的管柱；以及
多个纵向叶片，其形成围绕所述管柱的可伸缩套筒，所述可伸缩套筒处于关闭位置时具有基本连续的内部轮廓，并且其中基于所述管柱中靠近所述井下工具的内部压力致动所述可伸缩套筒。
2.根据权利要求1所述的井下工具，其中，所述可伸缩套筒以同轴关系安装至所述管柱。
3.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，当所述可伸缩套筒处于打开位置时，所述可伸缩套筒的所述多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述可伸缩套筒处于打开位置时防止流体沿横向方向流入所述井筒壁，而所述可伸缩套筒处于关闭位置时允许所述流体沿横向方向流动通过至少一个端口。
5.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述可伸缩套筒构造成响应于所述可伸缩套筒相对于所述管柱的旋转而使所述管柱的纵向轴线远离所述井筒壁平移。
6.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述井筒壁脱离组件还包括：
用于感测所述管柱上的压力的传感器，以及
用于接收来自所述传感器的压力信号并致动所述可伸缩套筒的致动器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述传感器是循环压力机构的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述致动器构造成将所述多个纵向叶片从所述关闭位置移动到打开位置，反之亦然。
9.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，该致动本质上是空气动力学的或流体动力学的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述纵向叶片的外表面包括平滑或凹槽构造。
11.根据前述权利要求中任一项所述的井下工具，其中，所述工具用于涂抹烃井中的漏失区，并且加固所述井筒以防止井下损失、卡钻和改善井清洁过程。
12.一种将井下工具从延伸到地下地层中的井筒壁脱离的方法，包括：
降低井筒壁脱离组件，所述组件包括限定纵向轴线的管柱和多个纵向叶片，所述纵向叶片形成围绕所述管柱的可伸缩套筒，所述可伸缩套筒处于关闭位置时具有基本连续的内部轮廓；以及
基于所述管柱中靠近所述井下工具的内部压力致动所述可伸缩套筒。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该致动构造成将所述多个纵向叶片从所述关闭位置移动到打开位置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述可伸缩套筒处于打开位置时，所述可伸缩套筒的所述多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
处于打开位置时防止流体沿横向方向流入所述井筒壁；以及
处于关闭位置时允许所述流体沿横向方向流动通过至少一个端口。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
响应于所述可伸缩套筒相对于所述管柱的旋转而使所述管柱的纵向轴线远离所述井筒壁平移。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述井筒壁脱离组件还包括：
用于感测所述管柱上的压力的传感器，以及
用于接收来自所述传感器的压力信号并致动所述可伸缩套筒的致动器。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述致动本质上是空气动力学的或流体动力学的。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
涂抹所述烃井中的漏失区；以及
加固所述井筒以防止井下损失、卡钻、以及改善井清洁过程。
20.一种用在延伸到地下地层中的井筒内的井下工具，包括：
井筒壁脱离组件，其包括：
限定纵向轴线的管柱；以及
多个纵向叶片，其形成围绕所述管柱的可伸缩套筒，所述可伸缩套筒处于第一位置时具有基本连续的内部轮廓，并且其中当所述可伸缩套筒处于第二位置时所述可伸缩套筒的所述多个纵向叶片扩展到具有增大的内径的位置。
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