CN111527280A - 井眼管件的增材制造 - Google Patents

Abstract

本申请提供了形成油气井井眼的套管的系统和方法。套管的形成包括：将套管打印头设置在油气井的井眼中；以及进行井下形成套管的作业，井下形成套管的作业包括运行套管打印头以喷射套管材料，从而在井眼中形成套管管件，以及运行套管打印头以将套管衬管材料喷射到位于套管管件与井眼的壁之间的环空区域中，从而在环空区域中形成套管衬管，套管管件和套管衬管形成井眼的套管。

Description

井眼管件的增材制造

技术领域

实施方案主要涉及开发井，并且更具体地涉及在井的井眼中的胶结材料的增材制造。

背景技术

井包括井眼(或“钻孔”)，将井眼钻入地下以提供通向地下地层(地球表面之下的地理地层)的通路，以便于从地下地层提取诸如烃和水之类的天然资源，以便于将流体注入地下地层中，或便于对地下地层的评价和监测。在石油工业中，通常对井进行钻探以从地下地层提取(或“生产”)烃，如油和气。术语“油井”用于指设计用于生产油的井。在油井的情况中，通常与石油一起生产一些天然气。生产油和天然气两者的井有时被称为“油气井”或“油井”。

通常，建立油井涉及若干阶段，包括钻井阶段、完井阶段和生产阶段。钻井阶段通常涉及将井眼钻入预期包含一定浓度的可生产的烃的地下地层中。预期包含烃的地下地层部分通常称为“油气层”或“储层”。通常，通过位于地球表面的钻机来促进钻井过程。钻机提供了操作钻头以钻出井眼、提升、降低和转动钻杆和工具、使钻井液在井眼中循环、以及总体上控制井眼中的各种作业(或“井下”作业)。完井阶段涉及使井准备好生产烃。在一些情况下，完井阶段包括将套管管道安装到井眼中、注水泥使套管就位、使套管管道和水泥穿孔、安装生产油管、以及将流体泵送至井中以使储层和井破裂、清洁或以其他方式准备以生产烃。生产阶段涉及通过井从储层生产烃。在生产阶段期间，通常会拆除钻机，并用通常被称为“生产树”的一组阀门作为替代，这些阀门可调节井眼中的压力，控制来自井眼的生产流，并且在需要进一步的完井工作的情况下提供到井眼的通路。有时使用泵杆驱动装置或其他机械装置来提供提升以帮助从储层提取烃，特别是在井中的压力如此低以致于烃不能自由地流动到地表的情况下更是如此。来自生产树的出口阀门的流动通常连接至诸如储罐、管线和运输车辆之类的中游设施的分配网络，这些中游设施将生产运输至下游设施，如精炼厂和出口终端。

完井的套管作业对于建立井的完整性会特别重要。套管组件通常包括大直径刚性套管管道(例如，中空圆柱形钢管)，该大直径刚性套管管道插入井眼中并且通过设置在套管管道的外部与井眼的壁之间形成的环空区域中的硬化材料(如水泥)来保持就位。套管作业通常包括将套管管道降下至井眼中，并将水泥泵送至环空区域中以确保套管管道就位并有效地密封环空区域，从而防止流体和气体移动通过环空区域。在完井作业期间，通常对套管管道和水泥进行穿孔以提供与周围部分的储层的流体连通。例如，在其中预期储层的给定井深间隔包含油和气的生产油井的情况中，可以在穿越该井深间隔的套管管道和水泥中进行穿孔，以便于油和气从储层流入套管管道内部。在生产阶段期间，套管管道的内部或位于套管内的生产油管可以用作将油和气体引导至地表的管道。

在传统的井中，套管系统通常包括多个层段的套管，其连续地放置在先前铺设的延伸至井眼深处的套管内。这些套管可以包括(例如)从地球表面延伸至第一井深间隔中的导管、从导管延伸至第二井深间隔中的表层套管、从表层套管延伸至第三井深间隔中的中间套管、以及从中间套管延伸至第四井深间隔中的生产套管。生产套管可(例如)包括穿孔，穿孔提供了与第四井深间隔内的周围储层的生产地带的流体连通。套管通常起到对于作业和保持井的完整性至关重要的多种功能。套管可以防止地层坍塌到井眼中(例如，通过提供内衬井眼的刚性结构)，可以提供对井下压力的控制(例如，通过密封环空区域以将加压的地层流体引导至套管的内部，其中可以通过连接至套管的阀门进行控制)，并且可以提供地层的不同部分的选择性隔离(例如，通过密封井眼的第一井深间隔以抑制穿越第一井深间隔的产水并且提供用于从存在穿孔的第二井深间隔产油的管道)。

发明内容

申请人已经认识到，用于套管井的现有技术具有缺点。例如，传统的套管作业可能不具有适当水平的结构完整性。在许多情况下，套管作业涉及将套管管道安装到井眼中以及固井作业以将套管管道固定在井眼中。固井作业通常涉及确定待填充水泥的形成于套管管道的外部与井眼壁之间的环空区域的体积，将确定体积的水泥泵送至环空区域中，以及使水泥硬化以将套管管道固定就位。这可以包括(例如)通过套管管道的内部向下泵送一定体积的水泥浆料，其中水泥浆料从套管的井下端排出并向上移动至环空区域中，以填充环空区域。遗憾的是，水泥的移动和放置可能难以预测和跟踪，并且易于出现不一致性，该不一致性可能损害水泥的完整性。例如，水泥的不精确放置可在水泥中产生不期望的孔隙，这可能会导致意外的断裂，并且当水泥暴露于井眼中的高压流体时甚至会造成灾难性破裂。考虑到水泥完整性的重要性，井操作者在安装的时候和在井的整个使用寿命期间都投入了大量的时间和金钱来检查和监测水泥。例如，井操作者可定期进行测井作业以评估水泥在井的使用寿命期间的状况。因此，传统的套管作业可能引入必须被识别和监测的不一致性，从而增加开发和操作井的复杂性、风险和成本。

作为缺点的另一示例，传统的套管作业可能是耗时且昂贵的。在许多情况下，套管作业需要大量时间来放置套管管道并注水泥使套管管道就位，并且在完成套管作业时需要暂停其他作业。例如，在钻好井的第一井深间隔之后，可拆除钻柱(例如，包括钻杆和钻头)，可将套管管道的第一层段定位在井眼的第一井深间隔中，可将水泥浆料泵送至环空区域中，可花费额外的时间以使水泥硬化，并且一旦水泥已硬化，就可继续进行下一井深间隔的钻井。这可以包括(例如)在套管的底部钻开硬化的水泥并且继续更深地钻入地层中。因此，传统的套管作业可能需要停止-启动方式，该方式需要额外的运转和操作(例如，拔出钻柱、运转套管管道、注水泥使套管管道就位、以及重新运转钻柱)，这增加了钻井和完井的时间和成本。

鉴于认识到现有的油井套管作业的这些和其他缺点，申请人已经开发了用于套管井的新的系统和方法。在一些实施方案中，用于井眼的套管作业采用诸如三维(3D)打印之类的增材制造(AM)技术，以在井眼中沉积诸如水泥之类的井眼衬管材料。例如，可将诸如3D水泥打印头之类的增材打印装置定位在井眼的环空区域中，该环空区域位于定位在井眼中的套管管道的外部与井眼的壁之间。增材打印装置能够在沿着井眼的环空区域的长度推进时，使水泥层精确地沉积在环空区域中，以产生套管衬管的打印层，从而组合形成填充环空区域的井深间隔的打印的套管衬管的体积。有利地，套管衬管材料的精确增量式布局可以有助于确保套管衬管材料沉积在特定位置并且不包括不一致性(如不需要的孔隙)，不一致性会负面地影响套管衬管的机械性质并且损害套管的完整性。例如，水泥的增材制造可以使得能够精确控制并监测在环空区域内的各个位置中用以形成打印的水泥套管衬管的沉积的水泥的量。

在一些实施方案中，增材打印装置包括打印头，打印头具有一个或以上将井眼衬管材料递送至井眼内的特定位置的喷嘴。例如，增材打印装置可包括具有一个或以上喷嘴的3D水泥打印头，喷嘴将诸如水泥之类的套管衬管材料喷射到环空区域内的特定位置。在一些实施方案中，一个或以上喷嘴包括用于沉积形成打印的套管衬管的不同材料的喷嘴。例如，一个或以上喷嘴可包括一组用于沉积水泥的水泥喷嘴、以及一组用于沉积诸如聚合物之类的增材的增材喷嘴，增材可以与水泥一起沉积以形成打印的水泥套管。这种设置可使得能够在固井作业期间同时沉积多种材料以形成包括水泥胶结基料和其他材料的打印的套管衬管。

在一些实施方案中，打印的套管衬管形成为包括改良套管衬管的机械性质的一体化结构。在一些实施方案中，一体化结构包括打印的套管衬管内的套管衬管材料的孔隙的体积。例如，一体化结构可包括打印的套管水泥衬管中的孔隙，这些孔隙包括封装在水泥材料中的一定体积的气体、液体或固体(除了水泥材料之外)。在一些实施方案中，策略性地将一体化结构定位和成形以实现对套管衬管的诸如延展性或抗冲击性之类的机械性质的特定改良。例如，可将打印的水泥套管衬管打印为包括在井眼的径向或纵向方向上延伸的一体化结构的图案。这种一体化结构可降低打印的套管水泥在径向或纵向方向上的杨氏模量(相对于实心水泥结构的杨氏模量)，从而使水泥能够径向或纵向地变形以吸收作用在打印的水泥套管衬管上的径向或纵向应力的变化，而不破裂或不以其他方式失效。

在一些实施方案中，一体化结构独立于套管衬管材料的沉积而形成在井眼中。例如，可在井眼的环空区域中打印诸如蜂窝状聚合物材料的一体化结构，以形成具有形成在该结构中的连续孔隙的一体化结构。然后，可将水泥材料注入一体化结构的连续孔隙中，以形成由水泥材料的胶结基料和一体化结构材料形成的打印的套管衬管。在一些实施方案中，套管衬管材料独立于一体化结构而形成在井眼中。例如，可将水泥材料打印在井眼的环空区域中，其中在水泥材料中形成一个或以上连续的一体化孔隙结构，如连续的蜂窝状孔隙结构。然后，将诸如聚合物之类的一体化结构材料注入打印的水泥材料的一个或以上连续的一体化孔隙结构中，以形成由水泥材料的胶结基料和增材材料结构形成的打印的套管衬管。

在一些实施方案中，提供了一种方法，该方法包括将井眼钻入地下地层中，将套管管道定位在井眼中，以及进行固井作业，固井作业包括在套管管道的外部与井眼的壁之间的环空区域中的套管衬管的增材制造。

在一些实施方案中，套管衬管包括胶结材料，并且固井作业包括当打印头在环空区域内推进时，打印头使胶结材料沉积到位以形成套管衬管。在某些实施方案中，套管衬管包括套管衬管材料以及在套管衬管材料中形成的一个或以上一体化结构。在一些实施方案中，套管衬管材料包括水泥。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构中的至少一个包括套管衬管材料中的孔隙，孔隙包含除了水泥之外的物质。在一些实施方案中，该物质包括气体、流体或除了水泥之外的固体。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着径向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着径向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。在某些实施方案中，一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着纵向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着纵向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。在一些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的一体化结构(该一体化结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括将胶结材料注入一体化结构的一个或以上孔隙中。

在某些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的水泥结构(该水泥结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括将物质注入水泥结构的一个或以上孔隙中。在一些实施方案中，将套管管道定位在井眼中包括在井眼中对套管管道进行增材制造。在一些实施方案中，环空区域中的套管衬管的增材制造和井眼中的套管管道的增材制造包括在套管衬管和套管管道中形成一个或以上穿孔，以便于物质在地层与套管管道的中心通道之间的流动。

在一些实施方案中，提供了一种井系统，该井系统包括增材制造装置和井控制系统，增材制造装置包括打印头，打印头包括适合于使套管衬管材料沉积在井的井眼中的一个或以上喷嘴，井控制系统适合于进行固井作业，固井作业包括控制增材制造装置以进行井眼中的套管衬管的增材制造，增材制造包括使套管衬管材料沉积在井眼的环空区域中以在井眼中形成套管衬管，环空区域位于定位在井眼中的套管管道的外部与井眼的壁之间。

在一些实施方案中，套管衬管材料包括胶结材料，并且固井作业包括控制打印头在环空区域内推进，并且当打印头在环空区域内推进时使胶结材料沉积到位以形成套管衬管。在某些实施方案中，套管衬管包括套管衬管材料和在套管衬管材料中形成的一个或以上一体化结构。在一些实施方案中，套管衬管材料包括水泥。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构中的至少一个包括套管衬管材料中的孔隙，孔隙包含除了水泥之外的物质。在一些实施方案中，该物质包括气体、流体或除了水泥之外的固体。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着径向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着径向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。在一些实施方案中，一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着纵向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着纵向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。

在某些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的一体化结构(该一体化结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括控制胶结材料注入一体化结构的一个或以上孔隙中。在一些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的水泥结构(该水泥结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括控制物质注入水泥结构的一个或以上孔隙中。在一些实施方案中，井控制系统还适合于进行套管管道作业，套管管道作业包括控制增材制造装置以在井眼中进行套管管道的增材制造。在一些实施方案中，环空区域中的套管衬管的增材制造和井眼中的套管管道的增材制造包括在套管衬管和套管管道中形成一个或以上穿孔，以便于物质在地层与套管管道的中心通道之间流动。

在一些实施方案中，提供了一种非暂时性计算机可读介质，其包括存储在其上的程序指令，这些程序指令可由处理器执行以引起以下操作：将井眼钻入地下地层中，将套管管道定位在井眼中，以及进行固井作业，固井作业包括对套管管道的外部与井眼的壁之间的环空区域中的套管衬管的增材制造。

在一些实施方案中，套管衬管包括胶结材料，并且固井作业包括当打印头在环空区域内推进时，打印头使胶结材料沉积到位以形成套管衬管。在某些实施方案中，套管衬管包括套管衬管材料以及在套管衬管材料中形成的一个或以上一体化结构。在一些实施方案中，套管衬管材料包括水泥。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构中的至少一个包括套管衬管材料中的孔隙，孔隙包含除了水泥之外的物质。在一些实施方案中，该物质包括气体、流体或除了水泥之外的固体。在某些实施方案中，一个或以上一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着径向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着径向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。在一些实施方案中，一体化结构包括套管衬管材料中的细长孔隙，这些细长孔隙在环空区域中沿着纵向方向延伸，并且包含杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量的物质，从而使得套管衬管沿着纵向方向的杨氏模量小于套管衬管材料的杨氏模量。

在某些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的一体化结构(该一体化结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括将胶结材料注入一体化结构的一个或以上孔隙中。在一些实施方案中，套管衬管的增材制造包括环空区域中的水泥结构(该水泥结构具有形成于其中的一个或以上孔隙)的增材制造，并且固井作业还包括将物质注入水泥结构的一个或以上孔隙中。在某些实施方案中，将套管管道定位在井眼中包括在井眼中对套管管道进行增材制造。在一些实施方案中，环空区域中的套管衬管的增材制造和井眼中的套管管道的增材制造包括在套管衬管和套管管道中形成一个或以上穿孔，以便于物质在地层与套管管道的中心通道之间的流动。

在一些实施方案中，提供了一种形成油气井井眼的套管的方法。该方法包括：将套管打印头设置在油气井的井眼中；以及进行井下形成套管的作业，井下形成套管的作业包括：运行套管打印头以喷射套管材料，从而在井眼中形成套管管件；以及运行套管打印头以将套管衬管材料喷射到位于套管管件与井眼的壁之间的环空区域中，从而在环空区域中形成套管衬管，套管管件和套管衬管形成井眼的套管。

在一些实施方案中，井下形成套管的作业包括沿着井眼的长度推进套管打印头以及沿着井眼的长度喷射套管材料和套管衬管材料，以形成沿着井眼的长度的套管。在某些实施方案中，井下形成套管的作业包括在套管中形成穿孔。在一些实施方案中，在套管中形成穿孔包括运行套管打印头以形成延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙。在某些实施方案中，运行套管打印头以形成延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙包括运行套管打印头以沉积一次性材料，从而限定延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙，并且该方法还包括进行穿孔作业，穿孔作业包括除去一次性材料。在一些实施方案中，一次性材料包括可溶解材料，并且其中穿孔作业包括使可溶解材料暴露于适合于溶解可溶解材料的物质。在某些实施方案中，套管材料包括金属材料。在一些实施方案中，套管材料包括钢。在某些实施方案中，套管衬管材料包括胶结材料。在一些实施方案中，套管衬管材料包括套管水泥。

在一些实施方案中，提供了一种井眼套管系统，该井眼套管系统包括套管打印头，该套管打印头适合于设置在油气井的井眼中，并且适合于喷射套管材料以在井眼中形成套管管件，以及将套管衬管材料喷射到位于套管管件与井眼的壁之间的环空区域中，以在环空区域中形成套管衬管，套管管件和套管衬管形成井眼的套管。

在一些实施方案中，套管打印头适合于沿着井眼的长度推进，并且沿着井眼的长度喷射套管材料和套管衬管材料，以形成沿着井眼的长度的套管。在某些实施方案中，井下形成套管的作业包括在套管中形成穿孔。在一些实施方案中，在套管中形成穿孔包括形成延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙。在一些实施方案中，形成延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙包括沉积一次性材料，以限定延伸穿过套管管件和套管衬管的连续孔隙，其中一次性材料是可除去的。在某些实施方案中，一次性材料包括可溶解材料。在一些实施方案中，套管材料包括金属材料。在某些实施方案中，套管材料包括钢。在一些实施方案中，套管衬管材料包括胶结材料。在某些实施方案中，套管衬管材料包括套管水泥。

在一些实施方案中，提供了一种形成油气井井眼的衬管的方法。该方法包括：将衬管打印头设置在油气井的井眼中；以及进行井下形成衬管的作业，井下形成衬管的作业包括：运行衬管打印头以喷射管件材料，从而在井眼中形成管件；以及运行衬管打印头以将衬管材料喷射到位于管件与井眼的壁之间的环空区域中，从而在井眼中的环空区域中形成套管衬管，管件和套管衬管形成井眼中的内衬管件。在一些实施方案中，井下形成衬管的作业包括沿着井眼的长度推进衬管打印头以及沿着井眼的长度喷射管件材料和衬管材料，以形成沿着井眼的长度的套管。在某些实施方案中，管件材料包括金属，并且衬管材料包括胶结材料。

附图说明

图1为示出根据一个或以上实施方案的井环境的图。

图2A和图2B为示出根据一个或以上实施方案的通过增材制造法形成的示例性套管衬管的图。

图3为示出根据一个或以上实施方案的包括一体化结构的套管衬管的示例的图。

图4A和图4B为示出根据一个或以上实施方案的包括通过增材制造法形成的一体化结构的示例性套管衬管的图。

图5A和图5B为示出根据一个或以上实施方案的包括径向取向的一体化结构的示例性套管衬管的图。

图6A和图6B为示出根据一个或以上实施方案的包括纵向取向的一体化结构的示例性套管衬管的图。

图7A至图7N为示出根据一个或以上实施方案的示例结构的图。

图8为示出根据一个或以上实施方案的打印套管衬管的方法的流程图。

图9A和图9B为示出根据一个或以上实施方案的通过增材制造法形成的示例性套管的图。

图10为示出根据一个或以上实施方案的具有包括穿孔的一体化结构的打印套管的图。

图11为示出根据一个或以上实施方案的打印套管的方法的流程图。

图12为示出根据一个或以上实施方案的示例性计算机系统的图。

虽然本公开易于进行各种修改和替代形式，但是通过附图中的示例示出了具体实施方案，并且将进行详细描述。附图可能不是按比例绘制的。应当理解，附图和详细描述不是旨在将本公开限制为所公开的具体形式，而是旨在公开落入由权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改、等同方案和替代方案。

具体实施方式

本申请描述了用于套管井的系统和方法的实施方案。在一些实施方案中，用于井眼的套管作业采用了诸如三维(3D)打印之类的增材制造(AM)技术，以在井眼中沉积诸如水泥之类的井眼衬管材料。例如，可将诸如3D水泥打印头之类的增材打印装置定位在井眼的环空区域中，该环空区域位于定位在井眼中的套管管道的外部与井眼的壁之间。增材打印装置能够在沿着井眼的环空区域的长度推进时，使水泥层精确地沉积在环空区域中，以产生套管衬管的打印层，从而组合起来则形成了填充环空区域的井深间隔的打印的套管衬管体积。有利地，套管衬管材料的精确增量式布局可以有助于确保套管衬管材料沉积在特定位置而不存在不一致性(如不需要的孔隙)，不一致性会负面地影响套管衬管的机械性质并且损害套管的完整性。例如，水泥的增材制造可以使得能够精确地控制并监测在环空区域内的各个位置中用以形成打印的水泥套管衬管的沉积的水泥的量。

在一些实施方案中，增材打印装置包括打印头，打印头具有一个或以上将井眼衬管材料递送至井眼内的特定位置的喷嘴。例如，增材打印装置可包括具有一个或以上喷嘴的3D水泥打印头，喷嘴将诸如水泥之类的套管衬管材料喷射到环空区域内的特定位置。在一些实施方案中，一个或以上喷嘴包括用于沉积形成打印的套管衬管的不同材料的喷嘴。例如，一个或以上喷嘴可包括一组用于沉积水泥的水泥喷嘴，以及一组用于沉积诸如聚合物之类的增材的增材喷嘴，增材可以与水泥一起沉积以形成打印的水泥套管。这种设置可使得能够在固井作业期间同时沉积多种材料以形成包括水泥胶结基料和其他材料的打印的套管衬管。

在一些实施方案中，打印的套管衬管形成为包括改良套管衬管的机械性质的一体化结构。在一些实施方案中，一体化结构包括打印的套管衬管内的套管衬管材料的孔隙的体积。例如，一体化结构可包括打印的套管水泥衬管中的孔隙，这些孔隙包括封装在水泥材料中的一定体积的气体、液体或固体(除了水泥材料之外)。在一些实施方案中，策略性地将一体化结构定位和成形以实现对套管衬管的诸如延展性或抗冲击性之类的机械性质的特定改良。例如，可将打印的水泥套管衬管打印为包括在井眼的径向或纵向方向上延伸的一体化结构的图案。这种一体化结构可降低打印的套管水泥在径向或纵向方向上的杨氏模量(相对于实心水泥结构的杨氏模量)，从而使水泥能够径向或纵向地变形以吸收作用在打印的水泥套管衬管上的径向或纵向应力的变化，而不会破裂或以其他方式失效。

在一些实施方案中，一体化结构独立于套管衬管材料的沉积而形成在井眼中。例如，可在井眼的环空区域中打印诸如蜂窝状聚合物材料的一体化结构，以形成具有形成在该结构中的连续孔隙的一体化结构。然后，可将水泥材料注入一体化结构的连续孔隙中，以形成由水泥材料的胶结基料和一体化结构材料形成的打印的套管衬管。在一些实施方案中，套管衬管材料独立于一体化结构而形成在井眼中。例如，可将水泥材料打印在井眼的环空区域中，其中在水泥材料中形成一个或以上连续的一体化孔隙结构，如连续的蜂窝状孔隙结构。然后，将诸如聚合物之类的一体化结构材料注入打印的水泥材料的一个或以上连续的一体化孔隙结构中，以形成由水泥材料的胶结基料和增材材料结构形成的打印的套管衬管。

图1为示出根据一个或以上实施方案的井环境100的图。在所示的实施方案中，井环境100包括位于地下地层(“地层”)104中的烃储层(“储层”)102和井系统(“井”)106。

地层104可包括位于地下、地球表面(“地表”)108之下的多孔或破裂的岩层。在井106为油气井的情况中，储层102可包括地层104的一部分，其包括(或至少经测定包括或预期包括)地下油气藏，如油藏和气藏。地层104和储层102可各自包括具有不同特性的不同岩石层，不同特性例如为不同程度的渗透性、孔隙率和电阻率。在井106作为生产井作业的情况中，井106可便于从储层102提取(或“生产”)烃。在井106作为注入井作业的情况中，井106可便于诸如水之类的流体注入储层102中。在井106作为监测井作业的情况中，井106可便于监测储层102的特性，如储层压力或水侵。

井106可包括井眼120、井控制系统(“控制系统”)122和井套管系统124。井控制系统122可控制井106的不同作业，如钻井作业、完井作业、井注入作业以及井和地层监测作业。在一些实施方案中，井控制系统122包括与至少关于图12描述的计算机系统2000的计算机系统相同或相似的计算机系统。

井眼120可包括从地表108延伸到地层104的目标区域(如储层102)中的钻孔。在地表108处或附近的井眼120的上端可被称为井眼120的“向上钻孔”端，而终止于地层104中的井眼120的下端可被称为井眼120的“向下钻孔”端。例如，可通过钻穿地层104和储层102的钻头来产生井眼120。井眼120可以在钻井作业期间提供钻井流体的循环、在生产作业期间提供从储层102到地表108的烃(例如，油和气)的流动、在注入作业期间提供将物质(例如，水)注入地层104和储层102中的一者或两者中、或者在监测作业期间(例如，在现场测井作业期间)提供将监测装置(例如，测井工具)通信到地层104和储层102中的一者或两者中。

在一些实施方案中，井眼120包括套管部分或无套管部分。例如，井眼120可具有套管部分132和无套管(或“裸眼”)部分134。套管部分132可包括井眼120的一部分，井套管系统124的套管140设置在该部分中。无套管部分134可包括井眼120的一部分，在该部分中没有设置套管140。

在一些实施方案中，套管140包括环空套管，该环空套管衬在井眼120的壁上以限定中心通道142，中心通道142提供了用于通过井眼120输送工具和物质的管道。例如，中心通道142可提供用于将测井工具降入井眼120中的管道、用于诸如油和气之类的生产物质从储层102流到地表108的管道、或用于诸如水之类的注入物质从地表108流入地层104的管道。在一些实施方案中，套管140包括穿孔144。穿孔144可包括在套管140的外部表面与套管140的中心通道142之间延伸的开口，以便于诸如油和气之类的生产物质从储层102流入中心通道142，或者便于诸如水之类的注入物质从中心通道142流入地层104。虽然为了说明的目的，某些实施方案将穿孔144描述为套管140中的一个或以上细长孔，但是实施方案可以包括任何合适形式的穿孔144。例如，穿孔144可包括由多个相对较小的孔限定的网状结构，这些相对较小的孔使得物质能够流动穿过这些孔，同时还从流动物质中过滤出较大的碎屑。

在一些实施方案中，如至少在图1的详细部分中所示，套管140包括套管管道150和套管衬管152。套管管道150可包括限定中心通道142的中空管道。套管管道150可包括(例如)中空圆柱形钢管。套管衬管152可包括设置在位于套管管道150的外部表面156与井眼120的内壁158之间的环空区域154中的刚性材料，如水泥。套管衬管152可填充环空区域154，以确保套管管道150就位并密封环空区域154。这可以有助于抑制诸如高压气体和液体之类的物质绕过中心通道142并流过环空区域154。

在一些实施方案中，通过增材制造法将套管衬管152安装在环空区域154中。例如，可由通过3D水泥打印方法沉积到位的水泥来形成套管衬管152。图2A和图2B为示出根据一个或以上实施方案的通过增材制造法形成的示例性套管衬管152的顶部和侧面剖视图的图示。在所示的实施方案中，套管衬管打印系统200包括定位在井眼120的环空区域154中的打印头202。打印头202可包括一个或以上喷嘴204(例如，喷嘴204a至204e)，喷嘴204连接至围绕套管管道150的外部表面156设置的圆柱形轴环206。在套管作业的套管衬管打印作业期间，套管衬管打印系统200能够从喷嘴204喷射套管衬管材料210以形成(或“打印”)套管衬管152。例如，在套管衬管打印作业期间，当从喷嘴204喷射诸如水泥之类的套管衬管材料210以将套管衬管材料210沉积在特定位置，从而在环空区域154中形成套管衬管152的至少第一层214a时，打印头202可围绕套管管道150和井眼120的纵轴208旋转(如由箭头212所示)。

在一些实施方案中，打印头202的多重旋转路径(multiple rotational passes)与打印头202沿着井眼120的长度(例如，平行于井眼120的纵轴208)推进协同进行，以沉积套管衬管材料210的多个套管衬管层214(例如，层214a至214e)，从而形成套管衬管152。继续前面的示例，在套管衬管打印作业期间，在通过打印头202围绕套管管道150的第一旋转路径形成第一层214a之后，打印头202可沿着井眼120的长度(如箭头216所示)(例如，平行于井眼120的纵轴208)纵向地推进与待形成的套管衬管152的第二层214b的厚度相等的距离，并且再次围绕套管管道150旋转(如箭头212所示)，同时从喷嘴204喷射套管衬管材料210以将套管衬管材料210沉积在特定位置，从而在环空区域154中形成套管衬管152的第二层214b。可以进行类似的重复成层方法以形成套管衬管152的其他层，如层214c至214e。层214a至214e可一起形成跨过井深间隔218的套管衬管152。可将所得的套管衬管层214和套管衬管152分别称为“打印的”套管衬管层214和“打印的”套管衬管152。虽然为了说明的目的仅讨论了套管衬管152的五个层(层214a至214e)，但是实施方案可以包括任何合适数目的层以形成跨过给定的井深间隔的打印的套管衬管152。虽然实施方案描述了在完成围绕井眼120的旋转路径之后以增量方式竖直地使打印头202推进，但是实施方案可以包括打印头202的任何合适的推进路径以形成套管衬管152。例如，打印头202可在其围绕井眼120旋转时竖直地推进，以(例如)形成跨过井深间隔的套管衬管材料210的连续螺旋层。

在一些实施方案中，由井控制系统122控制打印头202的作业，包括打印头202的定位和移动、喷嘴204的对准和方向以及套管衬管材料210从喷嘴204的喷射速率，以提供套管衬管材料210在特定位置的沉积。在一些实施方案中，每个喷嘴204包括流量传感器和沉积传感器，流量传感器和沉积传感器可以检测并报告来自喷嘴的套管衬管材料210的流量以及套管衬管材料210沉积的位置，并且井控制系统122可以使用流量信息和沉积信息来确定套管衬管材料210是否已经被适当地放置。

在一些实施方案中，套管衬管152包括在套管衬管材料210内形成的一体化结构。例如，套管衬管152可包括由水泥套管衬管材料210形成的胶结基料以及在水泥套管衬管材料210内形成一体化结构的一个或以上元件。图3为示出根据一个或以上实施方案的具有形成在套管衬管材料210内的一体化结构162的套管衬管152的示例的剖视图的图。在一些实施方案中，一体化结构162包括沉积的套管衬管材料210中的孔隙，该孔隙填充有除了套管衬管材料210之外的一定体积的物质，如气体、液体或固体。例如，套管衬管152可由水泥套管衬管材料210和一体化结构162形成，一体化结构162包括水泥套管衬管材料210中形成的聚合物囊。在一些实施方案中，一体化结构162可简单地包括形成的气囊，即套管衬管材料210的孔隙。

图4A和图4B为示出根据一个或以上实施方案的包括通过增材制造法形成的一体化结构162的套管衬管152的示例的顶部和侧面剖视图的图示。在一些实施方案中，打印头202可包括用于沉积诸如水泥套管衬管材料210之类的第一材料的喷嘴204的第一分组(例如，喷嘴204a至204e)和用于沉积诸如聚合物之类的一体化结构材料400以形成一体化结构162的喷嘴204的第二分组(例如，喷嘴204f至204j)。喷嘴204的第一分组可包括从圆柱形轴环206径向延伸的第一排喷嘴，并且喷嘴204的第二分组可包括偏离第一排喷嘴的第二排喷嘴。例如，喷嘴204的第一分组可包括形成沿着从圆柱形轴环206径向延伸的第一轴211a分布的第一排喷嘴204的喷嘴204a至204e，并且喷嘴204的第二分组可包括形成沿着偏离第一轴211a的第二轴211b分布的第二排喷嘴204的喷嘴204f至204j。在这样的实施方案中，一排喷嘴可“领先”，第二排喷嘴“在后”或“跟随”。例如，在打印头202顺时针旋转期间，第二排喷嘴204可由第一排喷嘴204带领而跟随，使得第一排喷嘴和第二排喷嘴一个接一个地依次经过一个区域。在一些实施方案中，每一排喷嘴的喷嘴204具有相同的径向分布，使得两组喷嘴204经过相同的径向位置。例如，喷嘴204a至204e可设置成在环空区域154中遵循分别与喷嘴204f至204j相同的圆周路径。这可使得在打印头202的单次旋转路径中在给定区域中沉积不同的材料。例如，在采用喷嘴204a至204e沉积第一材料(例如，水泥)并且采用喷嘴204f至204j沉积第二材料(例如，聚合物)的情况下，通过控制每组喷嘴204以在各区域中喷射第一材料或第二材料，可将第一材料或第二材料中的任一者沉积在环空区域154的各区域中。虽然为了说明的目的描述了两排，但是可采用任何合适的喷嘴204的设置。例如，可采用三排偏置的喷嘴204，其中三排中的每一排能够分别喷射第一材料、第二材料和第三材料。

在套管衬管打印作业期间，套管衬管打印系统200能够从喷嘴204的第一分组(例如，从喷嘴204a至204e)喷射套管衬管材料210，并且从喷嘴204的第二分组(例如，喷嘴204f至204j)喷射一体化结构材料400以形成套管衬管152。例如，参照图4A和图4B，在套管衬管打印作业期间，在第一路径中，当诸如水泥之类的套管衬管材料210从喷嘴204a至204e喷射时，打印头202可围绕套管管道旋转(如箭头212所示)，以使套管衬管材料210沉积在特定位置，从而在环空区域154中形成套管衬管152的第一层214a’。在第二、第三和第四路径中，打印头202可围绕套管管道150和井眼120的纵轴208旋转(如箭头212所示)，从而在套管衬管材料210从喷嘴204a至204e喷射时，使套管衬管材料210分别沉积在第二层、第三层和第四层即214a’、214b’和214c’的阴影部分中，并且在诸如聚合物之类的一体化结构材料400从喷嘴204f至204j喷射时，使一体化结构材料400分别沉积在第二层、第三层和第四层即214b’、214c’和214d’的非阴影部分中，以在环空区域154中分别形成套管衬管152的第二层、第三层和第四层即214b’、214c’和214d’。在第五路径中，当套管衬管材料210从喷嘴204a至204e喷射时，打印头202可围绕套管管道150和井眼120的纵轴208旋转(如箭头212所示)，以使套管衬管材料210沉积在特定位置，从而在环空区域154中形成套管衬管152的第五层214e’。虽然为了说明的目的描述了一体化结构的特定形状，但是可以使用所描述的增材制造法或类似方法来形成各种形状和设置的一体化结构。

在一些实施方案中，提供一体化结构162以改良套管衬管152的机械性质。例如，一体化结构162可以策略性地定位、成形并填充有特定类型的物质，以实现对套管衬管152的机械性质(如延展性或抗冲击性)的特定改良。例如，一体化结构162可包括填充有诸如聚合物之类的物质的囊，该物质的杨氏模量小于套管衬管材料210的杨氏模量，以有效地将所得的套管衬管152的杨氏模量降低至低于套管衬管材料210的杨氏模量的水平。作为另一个示例，一体化结构162可取向为在环空区域154中沿着径向方向(例如，垂直于套管管道150或井眼120的纵轴208)或纵向方向(例如，平行于套管管道150或井眼120的纵轴208)延伸。相对于由实心水泥套管衬管材料210形成的套管衬管152的杨氏模量，这种一体化结构162可降低套管衬管152在径向或纵向方向上的杨氏模量。这可以(例如)便于套管衬管152径向或纵向地变形，以吸收作用在套管衬管152上的径向或纵向应力的变化，而不会破裂或以其他方式失效。

图5A和图5B为示出根据一个或以上实施方案的包括在套管衬管材料210内形成的径向取向的一体化结构162的套管衬管152的示例的顶部和侧面剖视图的图示。在所示的实施方案中，每个取向的一体化结构162包括在套管衬管材料210中形成的细长孔隙，该细长孔隙在环空区域154中沿着径向方向(例如，垂直于套管管道150和井眼120的纵轴208)延伸。例如，图5A的每个取向的一体化结构162包括细长椭圆形孔隙，该细长椭圆形孔隙在横向上沿着环空区域154的宽度径向延伸，大致横贯井眼120的纵轴208和套管管道150。可将每个取向的一体化结构162封装在套管衬管材料210内。一体化结构162的孔隙可填充有诸如聚合物之类的物质，该物质的杨氏模量小于套管衬管材料210的杨氏模量，因此相对于仅由套管衬管材料210形成的实心套管衬管，可降低套管衬管152在径向方向上的杨氏模量。例如，如所描述的，可通过不在取向的一体化结构162的区域中沉积套管衬管材料210，或通过将一体化结构材料400代替套管衬管材料210而沉积到取向的一体化结构162的区域中来形成每个取向的一体化结构162。

图6A和图6B为示出根据一个或以上实施方案的包括在套管衬管材料210内形成的纵向取向的一体化结构162的套管衬管152的示例的顶部和侧面剖视图的图示。在所示的实施方案中，每个纵向取向的一体化结构162包括在套管衬管材料210中形成的细长孔隙，该细长孔隙在环空区域154中沿着纵向方向(例如，平行于套管管道150和井眼120的纵轴208)延伸。例如，图5B的每个取向的一体化结构162包括细长椭圆形孔隙，该细长椭圆形孔隙在沿着环空区域154的长度的方向上纵向延伸，大致平行于井眼120的纵轴208和套管管道150。可将每个取向的一体化结构162封装在套管衬管材料210内。一体化结构162的孔隙可填充有诸如聚合物之类的物质，该物质的杨氏模量小于套管衬管材料210的杨氏模量，因此相对于仅由套管衬管材料210形成的实心套管衬管152的杨氏模量，可降低套管衬管152在纵向方向上的杨氏模量。例如，如所描述的，可通过不在取向的一体化结构162的区域中沉积套管衬管材料210，或通过将一体化结构材料400代替套管衬管材料210而沉积到取向的一体化结构162的区域中来形成每个取向的一体化结构162。如本文所述，虽然为了说明的目的描述了椭圆形一体化结构162，但是实施方案可包括其他合适形状的一体化结构。

形成一体化结构162的一体化结构材料400可为各种物质中的任一种，包括气体、液体或固体。气体的实例包括空气、氮气和氦气。液体的实例包括水、盐水(例如氯化钙和溴化钙、氯化钾)、有机液体(例如N-丁基-吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮和N-甲基吡咯烷酮)、有机离子液体(例如咪唑鎓盐如丁基-咪唑鎓四氟硼酸盐)和含硅液体(例如硅氧烷和胶体二氧化硅)。液体的其他实例可以包括单体液体，该单体液体在活化时交叉聚合以制备具有改良的流变性质的液体。固体的实例包括金属(例如钢、铝和镍铝合金)、聚合物(例如聚酯、聚碳酸酯、聚酐、聚酰胺、聚芳酰胺和聚氨酯)和胶结复合材料(例如波特兰水泥、索雷尔水泥、铝酸盐水泥和火山灰/石灰水泥)。虽然出于说明的目的，通常将套管衬管材料210描述为水泥，但是套管衬管材料210可包括任何合适的材料，如环氧树脂、酚醛树脂、单体物质(如丙烯酰胺)，单体物质在活化时聚合以提供固体材料。在一些实施方案中，这些材料可以是不含溶剂的硬性凝固材料或含有溶剂的固化为凝胶的材料。其他实例包括层状复合材料。这些可以包括设置为层的如上述材料那样的固体、气体或液体的组合。这样的层状复合材料可为井眼内条件提供有利的机械性质或化学性质。

在一些实施方案中，一体化结构162独立于套管衬管材料210的沉积而形成在井眼中。例如，可将由一体化结构材料400形成的一体化结构162(如由聚合物形成的蜂窝状结构)打印在井眼120的环空区域154中，以形成具有在结构材料中形成的一个或以上连续孔隙的一体化结构162。然后，可将诸如水泥之类的套管衬管材料210注入一体化结构162的一个或以上连续孔隙中，以形成包括套管衬管材料210的基料和一体化结构162的材料的套管衬管152。在一些实施方案中，套管衬管材料210独立于一体化结构材料400的沉积而沉积在井眼中。例如，可将诸如水泥之类的套管衬管材料210打印在井眼120的环空区域154中，套管衬管材料中形成有一个或以上连续的一体化孔隙结构，如连续的蜂窝状孔隙结构。然后，可将诸如聚合物之类的一体化结构材料400注入打印的套管衬管材料210的一个或以上连续的一体化孔隙结构中，以形成包括套管衬管材料210的基料和一体化结构162的材料的套管衬管152。

图7A至图7N示出了根据一个或以上实施方案的示例性一体化结构162(包括一体化结构700a至700n)。一体化结构162的设置可适合于提供适合于一体化结构所处的井眼环境的特性。例如，一体化结构可以包括各种图案，并且可以由某些材料或不同材料的组合来形成。在一些实施方案中，一体化结构700a至700n包括结构元件702和相应的孔隙区域704。孔隙区域704可包括相应结构的结构元件702内的一个或以上连续通道或区域。图7A示出了沉积在井眼中并具有纵向取向的六边形结构元件702和相应的纵向取向的六边形孔隙区域704的蜂窝状一体化结构700a。图7B示出了具有径向取向的六边形结构元件702和相应的径向取向的六边形孔隙区域704的蜂窝状一体化结构700b。图7C示出了具有径向取向的结构元件702和相应的径向取向的圆柱形孔隙区域704的网状一体化结构700c。图7D示出了具有径向取向的矩形结构元件702和相应的径向取向的矩形孔隙区域704的网状一体化结构700d。图7E示出了具有径向取向的成角度结构元件702和相应的径向取向的成角度孔隙区域704的网状一体化结构700e。图7F示出了具有径向取向的多边形结构元件702和相应的径向取向的多边形孔隙区域704的网状一体化结构700f。图7G示出了具有纵向和径向取向的图案化矩形结构元件702和相应的纵向和径向取向的图案化矩形孔隙区域704的网状一体化结构700g。图7H示出了具有径向取向的波浪状结构元件702和相应的径向取向的波浪状孔隙区域704的网状一体化结构700h。图7I示出了具有径向取向的螺旋结构元件702和相应的径向取向的螺旋孔隙区域704的网状一体化结构700i。图7J示出了具有径向长度不同的径向取向的圆形结构元件702和相应的径向取向的圆形孔隙区域704的网状一体化结构700j。图7K示出了具有径向长度不同的径向取向的长方体结构元件702和相应的径向取向的孔隙区域704的网状一体化结构700k。图7L示出了具有径向长度不同的径向取向三棱体结构元件702和相应的径向取向的孔隙区域704的网状一体化结构700l。图7M示出了具有径向取向的长方体结构元件702和相应的径向取向的孔隙区域704的图案的网状一体化结构700m。图7N示出了具有径向取向的长方体单元结构元件702(例如，单元结构元件702的不同分组由不同材料形成，如由单元结构元件的分组的不同阴影所示)和相应的径向取向的孔隙区域704的图案的网状一体化结构700n。虽然为了说明的目的描述了一体化结构162的某些设置，但是这些设置可以具有任何合适的形状，并且可以由任何合适的材料形成。例如，一体化结构162的设置可以包括螺旋结构、砖层结构、圆形结构、棱形结构或其他几何形状，并且可以包括砖形图案、马赛克图案、拼花图案、具有三角形、圆形、正方形的图案或其他几何图案。一体化结构162的设置可以由液体、固体和气体中的一种或它们的组合形成。

如上所述，在一些实施方案中，可通过诸如三维3D打印之类的增材制造技术形成一体化结构700a至700n。例如，使用增材制造技术将由一体化结构材料400形成的一体化结构162(如由聚合物形成的蜂窝状一体化结构700a或700b)打印在井眼120的环空区域154中。可将诸如水泥之类的套管衬管材料210注入环空区域154和孔隙区域704中，以形成包括套管衬管材料210的基料和一体化结构162的一体化结构材料400的套管衬管152。在一些实施方案中，放置套管衬管材料210以限定具有孔隙的结构，并且在所得的孔隙区域中沉积一体化结构材料400。例如，可使用诸如3D打印之类的增材制造技术将具有与一体化结构162的结构元件702一致的结构的套管衬管材料210(如水泥)打印在井眼120的环空区域154中，以形成打印的套管衬管材料210，打印的套管衬管材料210具有在套管衬管材料中形成的一个或多个孔隙，这些孔隙对应于一体化结构162的孔隙区域704，如一体化结构700a或700b的蜂窝状孔隙704。可将诸如聚合物之类的一体化结构材料400注入在打印的套管衬管材料210中形成的孔隙区域704中，以形成包括套管衬管材料210的基料和一体化结构162的一体化结构材料400的套管衬管152。虽然为了说明的目的讨论了蜂窝形状，但是实施方案可以采用任何合适的结构设置，如一体化结构700a至700n中的任何一体化结构的那些结构设置。

图8为示出根据一个或以上实施方案的打印套管衬管的方法800的流程图。方法800通常可包括将井眼钻入地下地层中(框802)、将套管定位在井眼中(框804)、以及进行包括套管衬管的增材制造的固井作业(框806)。如本文所述，在一些实施方案中，将井眼钻入地下地层中(框802)包括将井眼120钻入地层104和储层102中。例如，井控制系统122可控制钻机以沿着给定的井眼轨迹将井眼120钻入地层104和储层102中。在一些实施方案中，将套管定位在井眼中(框804)包括将套管150定位在井眼120中。例如，井控制系统122可控制钻机将套管150降下至井眼120的给定井深间隔中。如本文所述，在一些实施方案中，进行包括套管衬管的增材制造的固井作业(框806)包括通过增材制造法在环空区域154中形成套管衬管152，如套管衬管材料210或套管衬管材料210和一体化结构材料400的3D打印，以形成不具有或具有一体化结构162的套管衬管152。例如，如本文所述，井控制系统122可控制套管衬管打印系统200以沉积套管衬管材料210、或套管衬管材料210和一体化结构材料400，以形成不具有一体化结构162(例如，如关于至少图2A和图2B所述)或具有一体化结构162(例如，如关于至少图3至图7所述)的套管衬管152。

在一些实施方案中，可以采用增材制造在适当的位置制造诸如套管管道或生产油管之类的管件。例如，当套管衬管打印系统200的打印头推进通过井眼120时，套管衬管打印系统200能够在井下打印套管衬管152和套管管道150这两者。这可以(例如)使得单个套管打印作业能够代替使诸如钢管之类的套管150运转进入井眼120中以及将诸如水泥之类的套管衬管单独安装到环空区域154中。图9A和图9B为示出根据一个或以上实施方案的通过增材制造法形成的示例性套管140的顶部和侧面剖视图的图示。在所示的实施方案中，套管打印系统900包括定位在井眼120中的套管打印头902。套管打印头902可包括多个喷嘴904(例如，喷嘴904a至904g)。在套管打印作业期间，套管打印系统900能够从喷嘴904的第一分组(例如，从喷嘴904a至904e)喷射套管衬管材料210并且从喷嘴904的第二分组(例如，喷嘴904f和904g)喷射套管管道材料910，从而形成套管150。例如，在套管打印作业期间，打印头902可围绕井眼120的纵轴208旋转(如箭头912所示)，同时从喷嘴904的第一分组(例如，喷嘴904a至904e)喷射诸如水泥之类的套管衬管材料210，并且从喷嘴204的第二分组(例如，喷嘴904f和904g)喷射诸如钢之类的套管管道材料910，以同时将套管衬管材料210和套管管道材料910沉积在特定位置，从而在井眼120中形成套管140的至少第一层914a。

在一些实施方案中，打印头902的多重旋转路径与打印头902沿着井眼120的长度推进协同进行，以沉积套管衬管材料210和套管管道材料910的多个层，从而在井眼120中形成套管衬管152和套管管道150。继续前面的示例，在套管打印作业期间，在通过打印头902围绕井眼120的第一旋转路径形成第一层914a之后，打印头902可沿着井眼120的长度(例如，平行于井眼120的纵轴208)(如由箭头916所示)纵向地推进与待形成的套管140的第二层914b的厚度相等的距离，并且再次围绕井眼120的纵轴208旋转(如由箭头912所示)，同时从喷嘴204的第一分组(例如，喷嘴904a至904e)喷射诸如水泥之类的套管衬管材料210，并且从喷嘴204的第二分组(例如，喷嘴904f和904g)喷射诸如钢之类的套管管道材料910，以同时将套管衬管材料210和套管管道材料910沉积在特定位置，从而在井眼120中形成套管140的至少第二层914b。可以进行类似的重复成层方法以形成套管衬管152的其他层914。例如，可形成套管140的其他层914c至914e，以形成跨过井深间隔918的套管140。可将所得的套管140称为“打印的”套管。虽然为了说明的目的仅讨论了套管140的五个层(914a至914e)，但是实施方案可以包括任何合适数目的层以形成跨过给定井深间隔的打印的套管140。虽然实施方案描述了在完成围绕井眼120的旋转路径之后以增量方式竖直地使打印头902推进，但是实施方案可以是打印头902的任何合适的路径以形成套管140。例如，打印头902可在其围绕井眼120旋转时竖直地推进，以(例如)形成连续的螺旋层，该连续的螺旋层形成跨过井深间隔的打印的套管140。虽然为了说明的目的描述了套管作业，但是实施方案可以包括以类似的方式形成其他类型的管状构件。例如，生产油管可单独地在井下形成、或者与套管的形成相结合而形成(例如，具有套管管道的生产油管和围绕生产油管的套管衬管)。在这样的实施方案中，可将喷嘴设置在对应于生产油管的壁的径向位置处，并且可喷射诸如钢之类的生产油管材料，从而以与关于套管140所述的方式类似的方式形成生产油管。

在一些实施方案中，套管打印作业可以包括将一体化结构打印到套管140中。例如，套管打印作业可以包括将与关于至少图3至图7所讨论的那些一体化结构类似的一体化结构打印到打印的套管140的套管衬管152中。在一些实施方案中，一体化结构可以包括穿孔。穿孔可包括径向延伸穿过套管140(例如，从打印的套管150的内壁到打印的套管衬管152的外表面)的连续孔隙，以限定在套管140的外部与套管140的中心通道142之间延伸的开口。穿孔可便于诸如油和气之类的生产物质从储层102流入中心通道142，或者便于诸如水之类的注入物质从中心通道142流入地层104。图10为示出根据一个或以上实施方案的具有包括穿孔144的一体化结构162的打印的套管140的图。在一些实施方案中，穿孔144可由固体物质形成，该固体物质最初抑制穿过穿孔的流动，但该固体物质可以溶解或以其他方式移除以使流体能够流动穿过其中。例如，可通过将聚合物打印到限定穿孔144的孔隙区域中来形成穿孔144，并且聚合物可随后暴露于溶解该聚合物的化学品或熔化该聚合物的高温，从而留下由孔隙限定的通道。虽然为了说明的目的描述了单独的细长穿孔，但是实施方案可以包括任何合适形式的穿孔。例如，穿孔144可由打印到套管管道150中的一体化网格(或“筛网”)和形成在套管衬管152中的相邻开口所限定。该网格可阻止碎屑在地层的周围部分与套管150的中心通道142之间行进。

图11为示出根据一个或以上实施方案的打印套管的方法1100的流程图。方法1100通常可包括将井眼钻入地下地层中(框1102)和进行包括套管的增材制造的套管作业(框1104)。如本文所述，在一些实施方案中，将井眼钻入地下地层中(框1102)包括将井眼120钻入地层104和储层102中。例如，井控制系统122可控制钻机以沿着给定的井眼轨迹将井眼120钻入地层104和储层102中。如本文所述，在一些实施方案中，进行包括套管的增材制造的套管作业(框1104)包括通过增材制造法在井眼120中形成套管140，如套管管道材料910、套管管道材料910和套管衬管材料210、或套管管道材料910、套管衬管材料210和一体化结构材料400的3D打印，以形成套管140，套管140包括套管管道150和不具有或具有一体化结构162的套管衬管152。例如，如本文所述，井控制系统122可控制打印头902以沉积套管管道材料910、套管管道材料910和套管衬管材料210、或套管管道材料910、套管衬管材料210和一体化结构材料400，以形成套管140，套管140包括套管管道150和不具有或具有一体化结构162的套管衬管152。虽然为了说明的目的描述了套管作业，但是实施方案可以包括以类似的方式形成其他类型的管状构件。例如，生产油管可单独地在井下形成，或者与套管的形成相结合而形成(例如，具有套管管道的生产油管和围绕生产油管的套管衬管)。在这样的实施方案中，可将喷嘴设置在对应于生产油管的壁的径向位置处，并且可喷射诸如钢之类的生产油管材料，从而以与关于套管140所述的方式类似的方式形成生产油管。

虽然某些实施方案描述了包括以自下而上的方式成层(例如，在前一层的顶部上(或向上钻孔侧上)形成后续层)以形成打印的套管衬管152或打印的套管140的增材制造，但是实施方案可以采用任何合适的技术来形成打印的套管衬管152或打印的套管140。例如，实施方案可以包括以自上而下的方式成层(例如，在前一层之下(或向下钻孔侧上)形成后续层)以形成打印的套管衬管152或打印的套管140。

图12为示出根据一个或以上实施方案的示例性计算机系统(或“系统”)2000的图。在一些实施方案中，系统2000为可编程逻辑控制器(PLC)。系统2000可包括存储器2004、处理器2006和输入/输出(I/O)接口2008。存储器2004可包括非易失性存储器(例如，闪存、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM))和大容量存储存储器(例如，CD-ROM或DVD-ROM、硬盘驱动器)中的一者或多者。存储器2004可包括其上存储有程序指令2010的非瞬态计算机可读存储介质。程序指令2010可包括可由计算机处理器(例如，处理器2006)执行以引起下述功能操作的程序模块2012：如关于井控制系统122、方法800或方法1100所描述的那些操作。

处理器2006可为能够执行程序指令的任何合适的处理器。处理器2006可包括中央处理单元(CPU)，该中央处理单元执行程序指令(例如，一个或多个程序模块2012的程序指令)以进行所描述的算术、逻辑和输入/输出操作。处理器2006可包括一个或多个处理器。I/O接口2008可提供用于与一个或多个I/O设备2014通信的接口，I/O设备如操纵杆、计算机鼠标、键盘和显示屏(例如，用于显示图形用户界面(GUI)的电子显示器)。I/O设备2014可包括一个或多个用户输入设备。I/O设备2014可通过有线连接(例如，工业以太网连接)或无线连接(例如，Wi-Fi连接)连接到I/O接口2008。I/O接口2008可提供用于与一个或多个外部装置2016通信的接口，外部装置如传感器、阀门、马达、其他计算机和网络。在一些实施方案中，I/O接口2008包括天线和收发器中的一者或两者。在一些实施方案中，外部设备2016包括套管衬管打印系统200或套管打印系统900。

鉴于本说明书，本公开的各个方面的进一步修改和替代实施方案对于本领域技术人员是明显的。因此，本说明书仅被解释为说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施这些实施方案的一般方式。应当理解，本文示出和描述的实施方案的形式将被视为实施方案的示例。本文示出和描述的元件和材料可被替代，部件和步骤可被颠倒或省略，并且实施方案的某些特征可被独立地使用，所有这些对于受益于本说明书的本领域技术人员而言是显而易见的。在不脱离所附权利要求中描述的实施方案的精神和范围的情况下，可对本文描述的元素进行改变。本文使用的标题仅用于组织目的，而不意味着用于限制说明书的范围。

应当了解，本文描述的过程和方法是根据本文描述的技术采用的过程和方法的示例性实施方案。可修改这些过程和方法以便于它们的实现和用途的变体。可对所提供的过程和方法以及操作的顺序进行改变，并且可对各种元素进行添加、重新排序、组合、省略、修改等。可在软件、硬件或它们的组合中实施过程和方法的部分。可由本文描述的处理器/模块/应用中的一个或多个来实现过程和方法的部分中的一些或全部。

如贯穿本申请所使用的，词语“可以”是在许可的意义上(即，意味着具有可能性)而不是在强制的意义上(即，意味着必须)使用的。词语“包括(include、including和includes)”表示包括但不限于此。如贯穿本申请所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。因此，例如，提及“一个元件”可包括两个或以上元件的组合。如贯穿本申请所使用的，除非另有说明，否则术语“或”以包含的意义使用。也就是说，描述为包括A或B的元件可指包括A和B中的一者或两者的元件。如贯穿本申请所使用的，短语“基于”不将相关操作限制为仅基于特定项目。因此，例如，除非上下文另有明确说明，否则“基于”数据A的处理可包括至少部分基于数据A和至少部分基于数据B的处理。如贯穿本申请所使用的，术语“来自”不将相关操作限制为直接来自。因此，例如，接收“来自”实体的项目可包括接收直接来自该实体或间接来自该实体(例如，经由中间实体)的项目。除非另有特别说明，否则如从论述中显而易见，应当了解，贯穿本说明书论述利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等术语指代诸如专用计算机或类似专用电子处理/计算设备等特定装置的动作或处理过程。在本说明书的上下文中，专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备能够操纵或变换信号，这些信号通常表现为专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备的存储器、暂存器或其他信息存储设备、传输设备或显示设备内的物理量、电子量或磁性量。

Claims (23)

1.一种形成油气井井眼的套管的方法，该方法包括：

将套管打印头设置在油气井的井眼中；以及

进行井下形成套管的作业，所述井下形成套管的作业包括：

运行所述套管打印头以喷射套管材料，从而在所述井眼中形成套管管件；以及

运行所述套管打印头以将套管衬管材料喷射到位于所述套管管件与所述井眼的壁之间的环空区域中，从而在所述环空区域中形成套管衬管，所述套管管件和所述套管衬管形成所述井眼的套管。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述井下形成套管的作业包括沿着所述井眼的长度推进所述套管打印头以及沿着所述井眼的所述长度喷射所述套管材料和所述套管衬管材料，以沿着所述井眼的所述长度形成所述套管。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述井下形成套管的作业包括在所述套管中形成穿孔。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述套管中形成穿孔包括运行所述套管打印头以形成延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的连续孔隙。

5.根据权利要求4所述的方法，其中运行所述套管打印头以形成延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的连续孔隙包括：运行所述套管打印头以沉积一次性材料，从而限定延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的所述连续孔隙，并且所述方法还包括：

进行穿孔作业，所述穿孔作业包括除去所述一次性材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一次性材料包括可溶解材料，并且其中所述穿孔作业包括使所述可溶解材料暴露于配置为溶解所述可溶解材料的物质。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套管材料包括金属材料。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套管材料包括钢。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套管衬管材料包括胶结材料。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套管衬管材料包括套管水泥。

11.一种井眼套管系统，其包括：

套管打印头，其配置为设置在油气井的井眼中，所述套管打印头配置为：

喷射套管材料以在所述井眼中形成套管管件；以及

将套管衬管材料喷射到位于所述套管管件与所述井眼的壁之间的环空区域中，以在所述环空区域中形成套管衬管，所述套管管件和所述套管衬管形成所述井眼的套管。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述套管打印头被配置为沿着所述井眼的长度推进，并且沿着所述井眼的长度喷射所述套管材料和所述衬管套管材料，以沿着所述井眼的长度形成所述套管。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的系统，其中所述井下形成套管的作业包括在所述套管中形成穿孔。

14.根据权利要求13所述的系统，其中在所述套管中形成穿孔包括形成延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的连续孔隙。

15.根据权利要求14所述的系统，其中形成延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的连续孔隙包括沉积一次性材料，以限定延伸穿过所述套管管件和所述套管衬管的所述连续孔隙，其中所述一次性材料是可除去的。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述一次性材料包括可溶解材料。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的系统，其中所述套管材料包括金属材料。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的系统，其中所述套管材料包括钢。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的系统，其中所述套管衬管材料包括胶结材料。

20.根据权利要求11至19中任一项所述的系统，其中所述套管衬管材料包括套管水泥。

21.一种形成油气井井眼的衬管的方法，该方法包括：

将衬管打印头设置在油气井的井眼中；以及

进行井下形成衬管的作业，所述井下形成衬管的作业包括：

运行所述衬管打印头以喷射管件材料，从而在所述井眼中形成管件；以及

运行衬管打印头以将衬管材料喷射到位于所述管件与所述井眼的壁之间的环空区域中，从而在所述井眼中的所述环空区域中形成套管衬管，所述管件和所述套管衬管形成所述井眼中的内衬管件。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述井下形成衬管的作业包括沿着所述井眼的长度推进所述衬管打印头以及沿着所述井眼的长度喷射所述管件材料和所述衬管材料，以形成沿着所述井眼的长度的所述套管。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中所述管件材料包括金属，并且所述衬管材料包括胶结材料。

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