CN1218112C - 形成井孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在地层中形成井孔的方法，该井孔包括一第一井孔区段和一穿过地层的烃类流体承载区(64)的第二井孔区段。该方法包括：钻该第一井孔区段；在该第一井孔区段中的选定位置上布置一个远程控制的钻井装置(3)，从该选定的位置上钻该第二井孔区段；在与井孔壁呈密封关系的该第一井孔区段中布置一个烃类流体产品管道70，该管道设有流体流动控制装置(76)和一个与所述选定位置流体相通的流体入口。该钻井装置在操作中钻探该第二井孔区段，从而在钻井装置穿过该烃类流体承载区进行钻的过程中，通过流体流动控制装置(76)控制烃类流体从第二井孔区段朝向产品管道的流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种在地层中形成井孔的方法，该井孔包括一第一井孔区段和一穿过地层烃类流体(hydrocarbon fluid)承载区的第二井孔区段。
背景技术
在常规的井孔钻探方法中，在其下端包括钻头的钻柱在井孔中旋转，与此同时，钻探泥浆通过该钻柱中的纵向通道被泵送，钻探泥浆通过钻柱和井孔壁之间的环隙返回到地表。当钻探一层不包含流体的地层时，钻探泥浆的重量和泵送速率是这样选择的，即使井孔壁处的压力保持在井孔变得不稳定的低压力级和井孔壁断裂的高压力级之间。当穿过一烃类流体包含区钻出井孔时，钻探泥浆的压力更应位于烃类流体开始流入井孔的压力之上，而位于不希望钻探泥浆侵入地层的压力之下。这些要求对钻探过程，尤其是对套管安装在井孔中的井孔段长度施加了一定的限制。例如，如果井孔底部的钻探泥浆的压力刚好低于不希望钻探泥浆侵入地层的上限，那么开口井孔段顶部的钻探泥浆的压力可接近于不希望烃类流体侵入的下限。开口段的最大允许长度取决于钻探泥浆的比重、地层中的烃类流体的压力以及钻探泥浆柱的高度。
而且，在实际中已在低于地层流体压力的井孔压力下钻通一个烃类流体承载区，即一种通称为欠平衡钻井的方法。在欠平衡钻井过程中，烃类流体流入井孔，因此地表的钻井设备不得不处理这样的流入量。而且，必须采取特定措施来控制钻井过程中井孔内的流体压力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种穿过一个地层烃类流体承载区来钻井的方法，该方法减少了在常规钻井中对钻井过程的限制，并允许井孔压力在地层流体压力之下，同时可充分处理任何流入井孔的烃类流体。
根据本发明所述，提供了一种在地层中形成井孔的方法，该井孔包括一第一井孔区段和一穿过地层烃类流体承载区的第二井孔区段，该方法包括
——钻第一井孔区段；
——在第一井孔区段的选定位置布置一个远程控制的钻井装置，从该选定的位置钻探第二井孔区段；
——在与井孔壁密封的第一井孔区段中布置一个烃类流体产品管道，该管道设有流体流动控制装置和一个与选定位置流体相通的流体入口；
——操纵钻井装置以钻探第二井孔区段，从而在钻井装置穿过烃类流体承载区进行钻探的过程中，通过流体流动控制装置控制烃类流体从第二井孔区段向产品管道的流动。
通过利用远程控制的钻井装置钻通烃类流体承载区，并通过产品管道排放任何流入井孔的烃类流体，井孔压力就不必在地层流体压力之上了。井孔压力是通过控制流体流动控制装置而得以控制的。而且，钻井设备没有必要采取特定措施来在钻探过程中处理烃类流体的产生。
在穿过没有烃类流体流入井孔的一层或多层后钻出第二井孔的情况下，优选的钻井装置包括一个泵系统，该泵系统具有一个入口和一个出口，该入口被布置成允许来源于钻井装置的钻井操作的钻屑流入其中，而该出口被布置成将所述钻屑排放到钻井装置后面的井孔中。
适宜的是，所述出口被布置成离钻井装置后面有一个选定距离，且位于一个流体通过井孔循环的井孔区段中的位置上，在该位置的流体夹带钻屑并将钻屑输送到地表。
第二井孔区段可为第一井孔区段的延续部分，或者可为第一井孔区段的旁路(side-track)(即分支)。
下面将参照附图通过示例对本发明进行更详细的说明。
附图说明
图1A示意性地示出了用在本发明方法中的钻井装置一实施例的下部；
图1B示意性地示出了图1实施例向上方向上的延续部分；
图2示意性地示出了在钻探第二井孔区段之前的图1A和1B的钻井装置；
图3示意性地示出了在钻探第二井孔区段过程中的图1A和1B的钻井装置。
具体实施方式
参见图1A和1B，示出了一个井孔1，其内布置有一个远距离控制的钻井装置3。钻井装置3具有一个带有电动机/泵组件7的圆柱壳体5，电动机/泵组件7包括一个电动机9，电动机9具有一个圆柱定子10和一个共轴布置在该定子内的中空转子12。转子12被布置用来驱动钻井装置3下端的钻头13。组件7的泵14在结构上与众所周知的Moineau型电动机相似，并由一个转子16和一个定子20构成，转子16由具有纵向凸起通道16b的弹性材料16a的圆柱体形成，而定子20由贯穿通道16b的螺旋形元件形成。弹性材料16a和螺旋形元件20的主体的尺寸是这样的，即当弹性材料16a的主体相对于螺旋形元件20转动时，流体通过通道16b被泵送，从而泵送方向取决于相对转动的方向。弹性材料16a的主体固定地连在电动机转子12的内表面上，从而在正常操作中，弹性材料16a的主体经转子12转动。电动机9的转动方向是这样的，即在电动机的操作中，流体通过通道16b沿远离钻头13的方向被泵送。螺旋形元件20在其相对于钻头13的端部通过一个电动操作的离合器24与一隔墙22相连，隔墙22被固定地布置在壳体5内。当处于接合模式下时，离合器24防止螺旋形元件20相对于隔墙22转动，而当处于未接合模式下时，离合器24允许螺旋形元件20相对于隔墙22转动。
钻头13设有一个使钻头13的底部28和通道16b之间流体相通的通道26。通道16b在远离钻头13的一侧与一出口管34流体相通，出口管34穿过一个设在隔墙22中的开口36，并朝远离钻头13的井孔1伸入一段所选择的距离。在泵14和设在隔墙22中的开口36之间的壳体5中布置有一个装置38，该装置通过机械或电磁装置将钻屑粉碎成小颗粒。
壳体5设有一个靠近钻头13的前稳定器40和一个靠近与钻头13相对的壳体5端部的后稳定器42。这两个稳定器40、42都是可操作的，以便于通过电控装置(未示出)相对于壳体5同心或偏心地定位。一组液压操纵的、可径向延伸的四个夹持器44(仅示出两个)被布置在稳定器40、42之间的选定位置上。每个夹持器44沿着设在壳体5上的导向杆46在壳体5的纵向上可滑动一段所选择的冲程。壳体设有一个液压操纵的推进器组件48，用来沿其各自的导向杆46推进每个夹持器44。夹持器44和推进器组件48都是由液压动力操纵并由一电控系统(未示出)控制的。液压动力是通过一个由辅助电动机(未示出)驱动的泵单元(未示出)提供的。
电缆50形式的电缆线通过一个可松脱的连接器51与相对于钻头13的壳体5的端部相连，该连接器51包括一个闭锁机构(未示出)，该闭锁机构用来将电缆50锁在壳体5后端的凹槽52中。一个电感耦合器54将电缆50连接到电动机9、装置38、稳定器40、42的控制装置、驱动液泵的辅助电动机、用于夹持器和推进器组件的电控系统、电动操纵离合器24以及机械耦接头上。靠近机械连接器51的电缆端部设有许多通过电缆50与地表的记录设备(未示出)电连接的地层估测传感器56。
为了在发生电源故障的情况下，通过电缆50从钻井装置3中取回电缆50，钻井装置3设有一个独立的电源(未示出)，该电源在发生这样的电源故障的情况下收回夹持器44并松脱连接器51。
钻井装置3中有一个惯性导航系统(INS，未示出)，该惯性导航系统对数据进行采样，从而通过井孔1帮助钻井装置3导航。
下面再参照图2和3对钻井装置3的正常操作加以描述。
参照图2，穿过一上地层62钻出井孔1的第一区段60，直到井孔1到达上层62下方地层的烃类流体储集层64。为此采用一个常规的井孔组件，井孔1充满一种合适的钻井泥浆。下端具有一个套管靴67的金属套管66被布置在第一井孔区段60中，并通过一层水泥68固定于井孔壁。钻井装置3可通过一个合适的连接装置(未示出)可松脱地与烃产品管道70的下端相连，管道70在其下端设有一个膨胀型封隔器72，而恰好在该封隔器72的上方设有两个循环口73，循环口73可通过管道70外部的液压脉冲在开启和闭合位置之间操作。管道70接着下降到套管66中，直到钻井装置3靠近第一井孔区段60的底部，此后，管道70通过使封隔器72膨胀而固定在套管66上，封隔器7 2密封住了管道70和套管66之间的环隙74。地表的井头76通过一根管子77使管道70和一烃类流体处理装置(未示出)之间流体相通。井头76设有一个阀(未示出)，该阀控制从管道70流到处理装置的流体的流动。封隔器72上方的环隙74充满了盐水。
电缆50通过一个井头76中的开口(未示出)和管道70下降，直到电缆50的闭锁机构锁到钻井装置3的凹槽52中。必要时电缆50通过管道70被泵送，直到闭锁机构锁到凹槽52中，在此情况下，首先通过液压脉冲从环隙的盐水中打开循环口73。
再次参照图3，利用钻井装置3采取下文将描述的方式钻出第二井孔区段80，该第二井孔区段80是第一井孔区段60的延续部分，并延伸到储集层64。为了开始钻出第二井孔区段80，通过电缆50将电动力输送到辅助电动机，从而驱动将液压动力输送到夹持器44和推进器组件48的泵单元。控制信号通过电缆50被输送到离合器24，从而与离合器脱离，进而输送到电控系统，从而引导夹持器44径向延伸，直到夹持器44紧紧地压靠在套管66上，此后引导推进器组件48沿着它们各自的导向杆向后推进夹持器44，从而将钻头13推靠在井孔底部。同时，通过电缆50将电动力输送给电动机9，从而使钻头13转动。通过与离合器24的脱离，螺旋形元件20与转子12和弹性材料16a的主体一同转动，从而使泵14不运转。
由于钻头13转动着靠到井孔底部上，所以井孔一直加深到夹持器44向后到达它们冲程的终端为止。接着电控系统被操纵以引导夹持器44被径向缩回，从而使夹持器44向前移动到它们冲程的终端，并引导夹持器44径向延伸直到紧紧地压靠在井孔壁上。接着，引导推进器组件48再一次向后推进，从而进一步加深井孔1的深度。必要时重复该过程多次，以到达井孔1的理想深度。如果需要改变井孔轨迹的话，便操纵控制稳定器40、42的电控装置，从而引导稳定器到达相对于壳体所选择的偏心位置，从而使钻头13在井孔1中有所倾斜，从而开始钻探弯曲的井孔区段。一旦到达井孔1的理想方位，就可引导稳定器到达相对于壳体5的同心位置，以进一步钻出一个直的区段。
随着钻井装置3钻凿的进行，操纵地层估测传感器56用来测量所选地层的特性并将表示特性的信号通过电缆50传递给地表的记录设备。
在钻第二井孔区段80的过程中，烃类流体从储集层64流至第二井孔区段80中，并通过管道70、井头76和管子77从那里流到处理设备。井孔1原本所具有的钻井泥浆便逐渐地被烃类流体取代。流速取决于储集层64和第二井孔区段80内部之间的压力差，并且通过控制井头7 6的阀而得到控制。随着烃类流体沿着第二井孔区段80的流动，来源于钻井操作的钻屑夹杂到烃类流体流中并被传输给处理装置。
在地层包括多层被岩石层(不包含流体)分开的储集层的情况下，在钻井装置的钻井过程中，钻屑通过一岩石层以下面的方式从井孔中去除。相匹配的控制信号通过电缆50被传递给离合器24，以便与离合器24接合并使装置38操作。由于与离合器接合，所以泵14的螺旋形元件20在弹性材料16a的主体转动的同时固定不动，从而泵14通过通道26、16b和出口管34将井孔中的流体(烃类流体、钻探泥浆或其混合物)从井孔底部泵送到出口管34后端的井孔1中。井孔底部处或附近的钻屑被泵送的流体夹带，因此也被排放到出口管34后端的井孔1中。钻屑在沿着装置38通过的时候被装置38粉碎成较小的颗粒。管34的长度是这样的，即其后端延伸到烃类流体流入井孔1的部分井孔中，也就是井孔与储集层相交的地方。被排放到出口管34后端的钻屑夹杂在烃类流体中流至井孔1内，并被烃类流体输送到地表。
代替钻屑被排放到烃类流体从地层流入井孔的井孔部分中的是，钻屑可排放到钻井泥浆(或任何其它合适的流体)通过井孔得以循环的井孔部分中，从而钻屑被循环的钻井泥浆(或其它合适的流体)夹带。
在井孔被钻至所要求的深度之后，钻井装置3可留在井孔中，这样电缆50就从钻井装置3松脱并返回到地表。
或者，仅仅将钻井装置的第一部分留在井孔中，而将钻井装置的第二部分取回。此时，这两部分通过合适的连接装置相互连接，可通过远程控制其松脱，例如通过电缆将电信号输送给钻井装置。第二部分是通过管道同时取回电缆和第二部分而取回的。
Claims (9)
1.一种在地层中形成井孔的方法，该井孔包括一第一井孔区段和一穿过地层的烃类流体承载区的第二井孔区段，该方法包括：
——钻该第一井孔区段；
——在该第一井孔区段内的选定位置上布置一个远程控制的钻井装置，从该选定的位置钻该第二井孔区段；
——在该第一井孔区段中以与井孔壁呈密封关系布置一个烃类流体产品管道，该管道设有流体流动控制装置和一个与所述选定位置流体相通的流体入口；
——操纵该钻井装置以钻该第二井孔区段，从而在钻井装置穿过该烃类流体承载区进行钻井的过程中，通过该流体流动控制装置控制烃类流体从该第二井孔区段流入该产品管道的流动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第一井孔区段中布置该钻井装置包括从该产品管道悬置该钻井装置，同时使该产品管道和钻井装置降低到该第一井孔区段中。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该第一井孔区段设有一个套管，而该产品管道在其下端部设有一个用于相对于该套管密封该管道的膨胀型封隔器，并且，在将该产品管道和该钻井装置降低到该第一井孔区段中的同时，使该钻井装置与所述封隔器可松脱地连接。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于，该钻井装置是通过电力操作的，并且该方法还包括通过该产品管道降低电缆线并使电缆线与该钻井装置相连。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将一泵送元件与该电缆线相连并通过该产品管道泵送该泵送元件，从而通过该产品管道降低电缆线。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该钻井装置设有这样的装置，即其测量有关地层特性、井孔特性和钻井特性中至少一个特性的数据，并且，该方法还包括通过电缆线将所述数据传输给地表。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该钻井装置包括一个前部元件、一个后部元件和推进装置，该前部元件包含一个钻头，该后部元件设有将其固定在井孔壁上的可收回固定装置，该前部元件和后部元件被布置成可伸缩的关系，该推进装置在相对于该后部元件沿向外伸缩的方向推进该前部元件，并且，操纵该钻井装置的步骤包括将该后部元件固定在井孔壁上，以及引导该推进装置以相对于该后部元件沿向外伸缩的方向推进该前部元件并使之靠在该井孔底部上。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该钻井装置包括一个泵系统，该泵系统具有一个入口和一个出口，该入口被布置成允许来源于该钻井装置的井孔操作的钻屑流入其中，而该出口被布置成将所述钻屑排放到该钻井装置后面的井孔中。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述出口布置在离该钻井装置后面有一个选定距离，且在流体通过井孔循环的井孔区段中的一个位置上，在该位置流体夹带钻屑并将钻屑输送给地表。
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