CN1440485A - 油井管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种海上油田管理系统，该系统包括：复合立管(50)，浮式浮标(80)，以及修井船(100)。立管(50)从水下井口(38)延伸到浮标(80)。优选地设置在立管(50)内的导线(74，76)与油井遥测系统连接。浮标(50)具有浮式或半潜式外壳(82)，该外壳(82)包括舱口(90)，该舱口(90)覆盖月池(86)，该月池(86)用于接收立管(50)。浮标(80)优选地包括卫星通信硬件(110)和计算机系统，并通过立管嵌入导线(74，76)与油井遥测系统进行通信。使用浮标通信系统可远程监视油井环境。油田井的维修是使用修井船(100)来实现的。修井船(100)优选地是一种自足式设施，该自足式设施装有为进行预定修井作业所必要的设备和材料。在浮标(80)已停泊在形成于修井船(100)内的舱(124)中之后，修井船人员可通过浮标舱口(90)把设备和材料布置到立管(50)内。

Description

油井管理系统

发明领域

本发明一般涉及用于经济管理位于海底下面的油气藏的系统和方法。更具体来说，本发明涉及：通用修井船，其适合于执行所有修井作业；以及浮式浮标，其与复合立管(riser)连接，该复合立管延伸到一个或多个水下井口。在一不同方面，本发明涉及用于维修深水油气田的方法。

发明背景

用于从海底下面采收油气藏的方案现已是平常之事。象陆地油田一样，海上油田可具有一口或多口井延伸到地层内。然而，需要附加设备和设施来进行海上油井作业，因为这些油井位于几百或许几千英尺水下。图1示出了一种典型现有海上钻井和生产系统，该系统适合在海洋环境中采收水下油气藏。

一般，常规海上钻井和生产系统包括：作业设施10，其位于海面12处；以及生产设备14，其位于海底上的泥线16处。在深水油田，即：水太深以致无法在海底为平台建立基础的油田中，使用诸如浮式钻机或半潜式船那样的浮式设施10进行钻井和插入作业。在泥线16处的设备可包括水下井口系统18，用于支撑水下井口24内的诸如套管和油管22那样的同心管状管柱，该套管和油管延伸到井眼26内。钢制海洋立管28从水下井口24延伸到浮式平台10。

在现有系统中，浮式平台10被拖引到大体在水下油田上方的位置。之后，浮式平台可用作基地，用于对一口或多口井进行钻井、完井、开采，并可进行修井。典型的是，浮式平台在水下油田的开采期期间保持在该位置。该浮式平台可继续用于今后的修井作业，例如，油井增产，插入，修井(workover)以及侧向孔钻孔。浮式平台一般是整体结构，该整体结构被设计成用于在苛刻的海洋环境中经受得起几十年的使用。经常，这些浮式平台必须满足由政府主管部门规定的严格安全法规。这样，正如众所周知的那样，花费十亿美元以上来建造和使用浮式平台不足为奇。

由于浮式平台牵涉到的资金费用巨大，因而油井业主必须有选择性地计划和开发深水油田。经常，只有那些能够足量生产油气来补偿这种最初资本支出的油田才可被定为开采目标。这种大量资本支出不仅会减少合格油田的数量，而且会降低最终所选各油田的赢利能力。

正如也众所周知的那样，油井作业者典型地优化浮式平台，以执行具体的油井作业，例如，与建井和完井早期阶段相关的钻井和测井工作。在钻得并完成一个或多个井眼之后，即使今后可采用不同构成更容易地进行油井的完井、插入和修井作业，浮式平台的总体构成在很大程度上也会保持不变。

这些现有油井建造和管理系统具有若干缺点。例如，由于各深水油田必须分别能达到足够的油气开采率，以支持至少一个专用浮式平台，因而许多不能满足这种最低赢利能力要求的油田就处于未开发状态。此外，平台通常是为建井而设计的，该阶段在油井开采期中仅花费很少的年份，而油井开采期可持续几十年。这样，就油井使用寿命的大部分时间而言，这些价格昂贵的平台不大最适合用于油井开采、修井、插入和其他维修作业。例如，浮式平台的提升和装卸设备(handling equipment)以及布置可适合给井眼钻井、下套管和注水泥，但不适合进行压裂(frac)或增产作业或专门钻井作业。

另一缺点是，只有在把人员、设备和材料运送到浮式平台上之后，才可进行油井插入和修井作业。为开始这些作业而做的准备工作经常包括：与地面基地供应中心联系，订购所需设备和材料，将这些设备和材料包装并装运到井场，在海上井场将这些设备和材料拆包，以及根据需要，拖引这些设备和材料。这样，在远距离海上浮式平台上的修井作业的物流变得复杂，并需要额外费用。

本发明会克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明可对在油气采收过程的各阶段中使用的支持结构的构成进行优化，该油气采收过程包括：油井建造、开采、插入和修井。示范性深水油田可包括一口或多口井，该一口或多口井具有井口和油井遥测系统，该油井遥测系统接收来自油井中的传感器和设备的电信号。本发明的优选实施例具有立管、浮式浮标和修井船。

立管采用抗疲劳复合材料形成，并优选地包括嵌入配线，该嵌入配线与油井遥测系统连接。立管的第一端与井口连接，而第二端与浮标连接。浮标具有浮式或半潜式外壳，该外壳包括舱口，该舱口覆盖月池(moon pool)。立管途经月池并大体在浮标舱口下方与外壳连接。在优选实施例中，浮标包括电信硬件和计算机系统，并通过立管嵌入配线与油井遥测系统进行通信。修井船具有舱，浮标在修井作业过程中停泊在该舱中。修井船优选地是一种自足式设施，该自足式设施具有为进行任何数量的修井作业所必要的所有人员、设备和材料。修井船人员通过浮标舱口把设备和材料部署到立管内。

本发明的优选方法包括把浮式钻机浮标拖引到深水油田内，以支持最初建井作业。在钻完井并安装了诸如井口等那样的泥线设备之后，拖引浮式钻机平台，以支持别处的油井作业。浮式浮标所在位置位于大体在井口上方的水面处。使用浮标通信系统可远程监视油井环境。需要时，可将修井船调遣到深水油田，以进行一项或多项修井作业。修井船停泊在浮标处，并把浮标拉入修井船的舱内。之后，修井人员通过浮标舱口把必要设备和材料部署到立管内。一旦修井作业完成，修井船就与浮标脱开，并航行到下一浮标或油田。

这样，本发明与现有技术比起来具有许多优点。例如，深水油田不再需要专用浮式钻机；这样，浮式钻机可用于许多海上油田，从而节省成本。并且，由于浮标在机械和结构方面的复杂程度小于浮式钻机，因而把维修保养支出降至最少。并且，由于浮标价格比浮式钻机要低得多，因而浮标由于天气或事故所受的经济损失也不那么大。况且，自足式修井船无需包装、拆包、装运和拖引设备和材料。

从以下说明和权利要求中将了解其他目的和优点。

附图说明

现将参照附图，对本发明的优选实施例进行更详细说明，在附图中：

图1示出了深水环境中的现有海上平台的侧视图；

图2示出了油井管理和完井系统的优选实施例的侧视图；

图3A示出了立管连接的优选实施例的侧视图；

图3B示出了立管连接用的示范性滑脱接头的侧视图；

图3C示出了立管和生产油管的优选实施例的横断面视图；

图3D示出了立管和生产油管及其各自嵌入导线的横断面视图；

图4A示出了浮标的优选实施例的平面视图；

图4B示出了浮标的优选实施例的侧视图；

图4C示出了浮标的优选舱口上方的预连接位置中的示范性基部的侧视图；

图4D示出了与浮标的优选舱口连接的示范性基部的横断面侧视图；

图5A示出了系泊到修井船中的优选舱上的浮标在剖视图中的平面视图；以及

图5B示出了系泊到修井船上的浮标的侧视图，该修井船具有液压臂，用于接合浮标。

优选实施例的详细说明

本发明的系统和方法可在地下油气藏的整个寿命中实现对深水油田的有效、经济管理。现参照图2，图中示出了在深水油田32中使用的油田管理和完井(completiom)系统(以下简称“管理系统”)30，该深水油田32用于从油井36的泥线16处开采油气。油井36可包括井口38，井口38用于支撑井眼42中的套管和油管，套管和油管都用编号40来表示。为了简化起见，未示出诸如采油树、地下管网以及水下储罐那样的结构，因为其使用和位置对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。在该示范性环境中实施的优选管理系统包括：立管50；浮标80，其浮在海面上；以及修井船100。

立管50设有：导管，用于引导诸如井底钻具组件那样的油井设备；以及工作管柱，其从水面到井口38。此外，在以下情况，即：设置在立管50内的钻柱或工作管柱(未示出)把诸如钻井泥浆那样的流体输送到井眼42内的情况下，这些流体会通过位于内部钻柱或工作管柱和外部立管50之间的环形空间返回到水面。并且，立管50可用于把产生的地层流体带到海面。上述目的以及海洋立管的设计在本领域是公知的。因此，该论述针对的是本发明优选实施例中采用的立管50的有利特点。

立管50优选的是管状立管，并包括：水面端52，中间跨段(span)54，以及水下端56。水面端52与浮标80连接，水下端56与井口38连接。这两种连接优选的是水密连接，并且还包括在遇到必须切断这两种连接中的任一连接的情况时的紧急快速中断的特点。这些连接在本领域是公知的，因而将不再详细说明。

立管50还优选地主要涌用复合材料形成。正如可意识到的那样，浮标80将由于海洋波浪(汹涌海面)而周期性升降。由于立管50与浮标80连接，因而立管50将随着浮标80与海面一起升降而承受周期性张力。尽管周期性张力会快速导致金属的疲劳失效，然而复合材料在很大程度上不受周期性张力所施加应力的影响。针对在油气采收应用中使用的管采用复合材料这一情况在标题为“油井管理”的系列号为09/081,981的共同未审定的美国专利申请中作了论述，该申请已于1998年5月20日提交，并在本文中引用，以供各种实际场合参考。然而，应理解的是，也可使用具有类似抗疲劳破坏能力的其他材料。与金属立管相比，使用诸如复合材料那样的抗疲劳材料会延长立管的使用寿命，从而可实现对油井插入、完井和建井作业的长期规划。

立管50可以是单连续管或者由一系列接合管段组成的管。单连续立管无需具有水密连接。使用多节管段组成立管50可使这些管段能够采用更易于加工的长度制造。然而，必须注意的是在相邻管段之间形成连接，以防止海水进入立管50。这些设计依据以及在为深水应用设计立管方面所固有的其他因素将对本领域普通技术人员是显而易见的。例如，立管50的内径必须大到足以收纳油井36的必要油井作业所需的油井工具。

现参照图3A，图中示出了用于构成邻接复合管段60和62的示范性连接器58。一般，在管段60和62之间设有具有导电线和端子的连接器本体。有关适合与复合挠性油管管段一起使用的连接器的详情，在系列号为09/534,685的美国专利申请中作了揭示，该申请已于2000年3月24日提交，并在本文中引用，以供参考。图3B示出了另一连接，其中，邻接管段70和72使用公知的滑脱接头74来连接。

现参照图3C和图3C，立管50可选择装设嵌入导电线74。同样，设置在立管50内的生产油管75或其他油管也可装设嵌入导电线76。具有嵌入导线的复合管材在第6,004,639号和第5,921,285号美国专利以及系列号为09/081,981的共同未审定的美国专利申请中都作了说明，这些专利和申请全部在本文中引用，以供参考。正如以下将详细说明的那样，这些导电线可显著增强油井作业者监视和管理油气生产作业的能力。

现参照图4A和图4B，浮标80优选地是浮动或半潜式基部，用于接近立管50的立管水面端52(图2)。浮标80优选地是尺寸紧凑，并且不配装供人员长期占用的设备或设施。尽管如此，正如将显而易见的那样，浮标80根据需要既可简单，也可复杂，以便有效管理深水油田。优选的浮标包括外壳82和压载罐84。

外壳82设有月池86、甲板88以及舱口90。甲板88优选地是顶边增强平表面，适合于安全支撑修井设备和人员。月池86是外壳82中的开口，该开口可允许接近下面的水。立管水面端52(图2)被接收在月池86内，并使用法兰或接箍(未示出)固定到外壳82上。舱口90大体设置在月池86的上方，并形成到甲板88内。舱口90包括活动盖91，该活动盖91当被提升时，可允许接近月池86和立管50。当关闭时，舱口90可防止海水和其他污染物进入下面的立管50。尽管为简化起见示出了平台80和一个月池，然而应理解的是，可使用两个或多个月池。并且，浮标80可采用任何几何形状，包括圆柱形、球形或矩形。根据公知方法，外壳82采用高强度耐腐蚀材料形成，以便在公海环境中经受得住延长的使用寿命。

现参照图4B，围绕外壳82的周边设置的压载罐84为浮标80提供浮力，并从而提供浮标80的吃水。优选的是，压载罐84是气密室，并可选择性填充诸如海水那样的流体。正如在本领域公知的那样，压载罐84的受控注水将往往会使浮标80潜没，并且压载罐84的抽空将往往会使浮标80上升。可使用诸如单向止回阀和高压空气那样的公知方法和装置进行压载罐84的受控注水和抽空。应理解的是，压载罐84仅仅是一种用于提供浮标80受控浮动的手段，并且本发明不限于任何具体形式的压载罐。实际上，可无需选择性浮力，并且外壳82自身可构成用于提供期望的吃水。

正如可意识到的那样，浮标80适合于许多可增强浮标80效用的设计变化。例如，舱口90可构成用于具有一般啮合面，该啮合面可与修井船100上的设备实现快速啮合。正如以下论述的那样，在开始修井作业之前，浮标80停泊在修井船100处。对于某些作业，修井船人员可只需提升舱口盖91并把设备引入月池86和立管50内。其他作业可能会需要通过堆叠装置(stack)进入月池86，该堆叠装置可包括：缓冲器，防喷器，注入器，阀门组件和其他此类设备。这样，舱口90优选地装设用于使诸如堆叠装置那样的油井设备以可松脱方式接合的装置。例如，舱口90可包括螺纹部分或环形盖，其具有用于接收紧固件的孔。或者，可使用环形接箍或滑套(未示出)来将舱口90与油井设备一起锁定。并且，可使用液压驱动锁来替代螺纹端或紧固件。然而，优选的是，舱口88的设计较简单，以便把暴露于自然环境的部件数量减至最少，从而把易腐蚀和易破损的部件数量减至最少。

浮标80也可选择配装缆绳(未示出)，以便把浮标80锚定到海底。或者，可使用公知的动态定位系统，以使浮标80大体就位在井口38的上方。动态定位系统以及紧急中断特点都在第5,978,739号和第4,205,379号美国专利中作了论述，这些专利在此引用，以供参考。

浮标80也可选择装设诸如微处理器和电信系统那样的电子装置。现参照图2和图3D，微处理器(未示出)可分别与立管50和生产油管75的嵌入配线74和76连接。嵌入配线74和76可实现在微处理器和传感器(未示出)与沿立管50、水下井口38处以及油井36内的装置之间的电信号交换。示范性信号包括传感器传输的信号，这些传感器监视立管50的完整性以及地层流体压力。示范性信号还包括有关阀门、闸门的位置指示以及采出液的化学成分的指示。微处理器可收集、处理和存储所接收的数据。此外，所接收的数据可由诸如卫星传输器110那样的电信系统传输到远程站(未示出)，用于实时分析。向浮标80供电可采用诸如电池供电那样的任何数量的手段进行，也可通过诸如靠潮汐运动而运行的发电机进行。潮汐发电机在第5,872,406号美国专利中作了论述，该专利在此引用，以供参考。

再参照图2，修井船100适合于使用浮标80进行修井作业。酸洗、压裂作业、防砂、打捞作业、射孔、分支井眼钻井作业、地层取样以及测井都是可由修井船100支持的维修和作业的例子。因此，修井船100优选地配装：通用计算机，液压泵，电缆测井设备，氮气罐，井底钻具组件(BHA)和支撑设备，储罐，水泥，钻井泥浆，压裂液，油藏记载设备以及可实现深水油井评估和修井的其他类似系统。而且在修井船中还设有：人员生活区，通信系统，发电机以及可使修井船在深水油田中长期使用的其他公知设施和系统。

现参照图5A，修井船100包括船尾部分122，该船尾部分22设有舱124，用于停泊在浮标80(在剖视图中示出)处。舱124包括：钻机甲板126和凹部128，该凹部128的外形与浮标80的形状大体互补。优选的是将浮标80有效置于修井船100内，以使平台甲板88和钻机甲板126大体在同一平面上，并使浮标80和修井船100之间的相对运动减至最少。采用这种方式使浮标80与修井船100系泊可使修井船人员能够通过浮标80内的舱口90把以船为基础的设备安全快速地引入立管50(未示出)内。现参照图5B，或者，修井船100可包括一对液压臂130，该对液压臂130可使浮标80接合，并可把浮标80牵引成紧贴修井船100的侧部。

如下所述，完井系统可用于以低成本方式维修深水油田。示范性用途可包括已由浮式钻机钻过的多个深水水下井。在这种建井过程中，在油井36中安装有一个或多个水面可驱动的流动控制装置。此类装置在标题为“油井管理系统”的系列号为09/396,406的美国专利申请中作了说明，该申请在本文中引用，以供参考。在油井36内还可设有适合于传输电信号的其他装置，以便检测油井状况。公知的遥测系统可用于处理和转发电信号。在这种最初建井阶段之后，把浮式钻机拖引到另一油田，并且，如果使用的是非复合立管，则将该立管换用复合立管50。复合立管的嵌入配线和生产油管(如果使用的话)的嵌入配线与油井遥测系统连接。

之后，各油井36的复合立管50与浮标80连接。根据具体情况，一个浮标80可与多根复合立管50连接，或者各立管50均可具有专用浮标80。装在浮标上的卫星通信系统和微处理器与立管50和生产油管75的嵌入配线连接，从而建立与油井遥测系统的表面连接。随着油井装置把信号提供到油井遥测系统内，这些信号由卫星通信系统接收并转发到一远程位置。在该远程位置的工作人员会通过卫星中继站监视油井状况。此外，工作人员还可通过卫星系统传输用于启动油井装置的信号。这样，可为油井工作人员装设双向实时油井监视系统。并且，装在浮标80上的微处理器可执行油井装置信号的预处理，也可只需存储数据供今后检索。因此，尽管浮标90仅处于浮动状态，或者在深水水下油田上方处于半潜式状态，当然该浮标80也可配装用于增强其总效用的仪器。

油井作业者可决定，通过插入或修井可提高深水油田的开采率。该插入或修井可包括：从第一区中的主井眼36钻侧向井，以及第二区中的压裂作业。将修井船调遣给深水油田。修井船朝第一浮标80转向并被操纵，以使舱124朝浮标80定向。然后，可将抓捞钩投掷和系拴到浮标80上。可给浮标压载罐84注水或抽空，以使浮标甲板88与修井船100的维修甲板126大体对准。一旦浮标80与舱124大体对准，浮标80就被拉回、停泊并系泊到修井船100上。为了接近立管50，可从浮标开口处取下舱口盖91，并将适配器固定到月池86上。对于示范性钻井作业，可在把诸如BOP和注入器那样的设备安装在浮标80上之后，下入井底钻具组件(BHA)，BHA适合于钻侧向孔。同样，挠性油管装卸设备也可用于把压裂设备输送到井下。一旦完成全部所需作业，就可从油井36中抽出设备并将该设备堆放在修井船100上。在紧闭浮标舱口90之后，可使浮标80与舱124脱开。之后，修井船100移到下一浮标。

尽管已对本发明的优选实施例作了图示和说明，然而本领域技术人员可在不背离本发明的精神或原理的情况下对本发明进行修改。例如，所述实施例一般使用浮在海面或海面附近的浮标。然而，可使浮标潜入海面以下预定深度。该浮标位置可以在以下情况是优选的，即：存在有水面船只可能会与浮标发生碰撞的危险的情况。有关浮式或潜没式浮标以及与这些浮标的连接，在第4,650,431号美国专利中作了论述，该专利在此引用，以供参考。因此，本文中所述实施例仅是示范性的，而不是限制性的。在本发明的范围内可对系统和装置作许多改动和修改。因此，本发明的范围不限于本文中所述实施例，而是仅由随后的权利要求来限制，该权利要求的范围应包括权利要求主题的所有等同主题。

Claims (20)

1.一种系统，用于维修一口或多口水下井，各水下井均具有井口，该系统包括：

浮标；

复合立管，其从井口延伸到上述浮标；以及

修井船，其具有舱，该舱被构成用于使上述浮标以可松脱方式停泊在该修井船内，该修井船设置成用于通过上述浮标和上述复合立管进行至少一项修井作业。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述立管包括多段立管，该多段立管由一个或多个连接器连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述立管包括管壁，该管壁具有至少一根导线嵌入在该管壁内，该导线适合于传输来往于水下井的电信号。

4.根据权利要求3所述的系统，该系统还包括至少一个水面可驱动的油井装置，该油井装置以操作方式与上述立管导线连接。

5.根据权利要求3所述的系统，该系统还包括至少一台传感器，该传感器以操作方式与上述立管导线连接。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，上述浮标还包括电信系统，该电信系统与上述立管导线连接。

7.根据权利要求3所述的系统，该系统还包括：油管，其轴向设置在上述复合立管内；以及配线，其设置在该油管内；并且其特征在于，上述浮标还包括电信系统，该电信系统与上述油管配线连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述浮标还包括发电系统。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述浮标还包括动态定位系统。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述浮标是选择性漂浮。

11.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括：多根复合立管，每根复合立管均从井口延伸，并且其特征在于，上述浮标适合于接收该多根复合立管。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，上述修井船适合于进行油井增产和插入作业。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，上述油井作业包括钻井作业。

14.一种方法，用于管理海上油气田，该方法包括：

钻至少一口水下井；

在油井上安装井口；

把复合立管的一端与井口连接，并把复合立管的另一端与浮标连接；

使浮标停泊到修井船内；

采用通过浮标和立管接近油井的方式，执行至少一项修井作业；以及

松开浮标。

15.根据权利要求14所述的方法，该方法还包括：提供在水面可驱动的油井装置和浮标之间的信号传输。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，钻多口水下井；在各水下井上均安装井口；使立管的一端与各井口连接；使各立管的另一端与浮标连接；使各浮标均依次停泊到修井船内；针对各井执行至少一项修井作业；以及依次松开各浮标。

17.一种方法，用于维修深水油田中的多口水下井，该方法包括：

把复合立管的底端与各水下井连接；

使各复合立管的顶端浮起，以使该顶端大体浮在海面上；

把油井设备运送到与一根立管的顶端接近的位置；

通过进入复合立管的顶端，把修井设备引入水下井内；

通过复合立管从水下井中取出至少一些修井设备；

把油井设备运送到与另一立管的顶端接近的位置；

通过进入另一复合立管的顶端，把修井设备引入水下井内；以及

通过复合立管从水下井中取出至少一些修井设备。

18.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括：为水下井装设至少一台传感器，该传感器适合于传输表示预定油井状况的信号；通过设置在复合立管内的配线把信号传输到水面；以及监视传感器信号。

19.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括：为水下井装设至少一个水面可驱动的流量控制装置；以及激活该流量控制装置。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，流量控制装置由通过设置在立管内的配线传输的信号来激活。

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