CN1446286A - 多梯度钻井方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于从一地面位置将一井孔钻入海底的多梯度装置包括一个注射设备，该注射设备用于将基本不可压缩的飘浮物质注入一个与井孔相连接的钻井液柱内。基本不可压缩的物质最好包括基本球形的中空体。

Description

多梯度钻井方法和系统
发明领域
本发明整体上涉及海上油气井的钻井，具体而言，本发明涉及一种用于海上油气井钻井的方法和装置，在该方法和装置内，可漂浮的基本上不可压缩物质在一个或多个注入点注射到钻井液柱内，以减小位于一个或多个注入点上方的钻井液柱的密度，从而调整或改变钻井液在整个所选钻井液柱部分上的压力梯度。
发明背景
在常规的海上钻井过程中，一个立管从海底延伸到钻井船。钻井液向下循环到钻杆内，并向上流经井筒的环形空间、设置在井筒内的套管组和立管，然后返回钻井船，这在本领域内已经是公知的。
钻井液起到多项作用，这些作用包括油井控制。钻井液的重量或密度的选择应该首先能够保证井筒环形空间内的压力高于地层的孔隙压力，这样，油井就不会“反冲”；并应该保证低于破裂压力，从而使流体不会水力压裂地层，而且还不会导致循环漏失。在深水中，孔隙压力和破裂压力的梯度一般非常接近。为避免导致循环漏失或避免出现“反冲”现象，就需将钻井液的压力保持在孔隙压力梯度和破裂压力梯度之间。
在传统的立管钻井过程中，钻井液的流体静压力梯度是一条从地面延伸出去的直线。这种流体静压力的梯度直线与孔隙压力梯度及破裂压力梯度在一个很短的垂直距离内横向交叉，这样就必须设置许多套管柱。设置多个套管柱就时间成本和设备成本方面来说比较昂贵。
近年来，已经有人提出了多种用于将立管内的钻井液的流体静压头与井筒内的有效和有用流体静压头分隔的装置。这种装置被称为双梯度钻井系统。在双梯度钻井装置中，位于泥线的环形空间内的流体静压力等于由海水的深度产生的压力，而作用于井筒上的压力等于钻井液的流体静压力。位于泥线的海水梯度和井筒内钻井液的梯度使每个套管柱设置的深度更大，而且减少了达到任意特定井孔深度所需套管柱的总量。
人们提出能够实现双梯度装置的三种机构。其中的一种机构是连续倾泻在海底回流的钻井液的机构。这种机构不仅污染环境，而且从经济角度考虑也不可行。
第二种机构是一种气举装置(gas lift)，该气举装置可将象氮气这样的气体注入到立管内。气举装置的一些优点在于：其不需要使用大型的海底机械设备。但是，这种气举装置还是存在一些缺陷。由于气体是可压缩的，因此限制了其可以应用的深度，而且还需用昂贵的地面设备。此外，由于当钻井液到达地面时，气体将膨胀，因此地面的流速可能过大。
能够形成双梯度装置的第三种机构是将钻井液从水下井口泵送到地面的机构。已经有人提出了多种泵送装置，包括喷射式泵、正排量泵和离心泵。海底泵送装置提供了处理钻井情况所需的灵活性，但其还存在成本高的问题；另外，保持复杂的泵送装置在海底可靠操作的可靠性也存在问题。
发明内容
本发明提供一种用于钻井井眼的多梯度方法和装置。简言之，本发明的装置可在一个或多个注入点将可漂浮且基本不可压缩的物质注射到与井筒相连的钻井液柱内。一个注入点可定位在一个海底取油管内，该海底取油管连接在海底井口和地面钻井位置、井筒的一个带套管部分或井筒的裸眼井部分之间。作为优选方式，基本不可压缩的物质包括中空的基本球形的物体。
在一个实施例中，一个导管被连接在地面位置和立管内的注入点之间。一种含有基本不可压缩的物质的浆液在地面位置被注射到导管内。在一个实施例中，该浆液包括基本不可压缩的物质和钻井液的混合物。钻井液可与在井筒内循环流动的初级钻井液具有相同的权重和成分，或者具有较小的权重。钻井液和不可压缩的浆液可直接注射到立管内。或者，可在注射前，将不可压缩的物质和钻井液分开，从而增加注射到立管内的不可压缩物质的浓度。已分离的钻井液可被送回地面。
浆液也可选择包括基本不可压缩的物质与水的混合物。在水浆液的实施例中，用于注入基本不可压缩的物质的设备包括用于在将基本不可压缩的物质注入立管内之前将基本不可压缩的物质与水分离的设备。在一个实施例中，用于分离基本不可压缩的物质的设备包括一个设置在注射点附近的容器。该容器可被气体加压，以形成一个水-气体界面。一个浆液入口设置在容器内位于水-气体界面的下方并与导管相连接。一个水出口设置在容器内低于水-气体界面的位置上。一个物质出口设置在容器内位于水-气体界面的上方并与注射点相连接。
本发明的装置可包括用于从由立管返回地面位置的钻井液中回收不可压缩物质的设备。在一个实施例中，用于将不可压缩的物质从钻井液中分离出来的设备包括一个用于将不可压缩的物质和钻屑从钻井液中分离出来的滤网装置。该滤网装置具有一定的网眼尺寸，而且不可压缩的物质大于该网眼尺寸。本发明的装置还包括用于将不可压缩的物质与钻屑分离的设备。用于将不可压缩的物质与钻屑分开的设备可包括一个装满水的容器，该容器被设置在一个能够从滤网装置处接收不可压缩物质和钻屑的位置上。钻屑将会下沉，而基本不可压缩的物质将会上浮，从而能够从容器内的水面上回收基本不可压缩的物质。
在一个可替代的实施例中，不可压缩的物质与初级(primary)钻井液相互混合。抽泥泵将不可压缩物质与初级钻井液的混合物向下通过钻柱泵送到一个内部注入点上，该注入点由一个钻柱分离和注射设备限定而成，其中该分离和注射设备设置在接近海底深度的钻柱内。钻柱的分离和注射设备将不可压缩的物质与钻井液分离并将已经分离的物质注入到立管内。已被分离的钻井液继续沿钻柱向下流向钻头并沿环形空间向上流向立管，在立管内，钻井液与不可压缩的物质相互混合，以备返回地面。钻柱注射法不需用将不可压缩的物质与返回地面的钻井液分离。
作为一种优选方式，基本不可压缩的物质最好以足够将位于注入点上方的钻井液的密度降低到一个预定值的流速注入到钻井液柱内。液柱内的钻井液的密度p根据下述等式确定：
p＝[(100-v)pf+vps]/100
其中，
pf为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps为基本不可压缩的物质的密度；
v为基本不可压缩的物质的浓度。在本发明的钻井液浆液的实施例中，立管内的钻井液的密度p需根据下述等式确定：
p＝(pmQm+psQs)/(Qm+Qs)
其中，
pm为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps浆液的密度；
Qm为钻井液的流速；
Qs为浆液的流速。
附图说明
图1为根据本发明的装置的示意图；
图2示出了根据本发明的钻井液浆液注射装置；
图3示出了根据本发明的一种海水流体浆液注射装置；
图4示出了根据本发明的一种海水流体浆液注射装置的细节；
图5示出了根据本发明的另一种海水流体浆液注射装置的细节；
图6示出了根据本发明的另一种钻井液浆液注射装置的细节；
图7示出了根据本发明的圆球回收装置；
图8示出了另一种装置，在该装置内，不可压缩的物质被注射到通过钻柱运送到注入点的初级钻井液浆液内；
图9示出了一种替代装置，在该装置内，不可压缩的物质通过一同心的钻柱被运送至注入点；
图10示出了另外一种替代装置，在该装置内，不可压缩的物质通过一个附加钻柱被运送至注入点。
对本发明的详细说明
现参照附图，首先见图1，钻井船或其它合适的海上钻井平台整体上由附图标记11表示。本领域的技术人员应该清楚：本发明的附图仅是示意图，而不是按照一定比例绘制的。钻井船11适合于以本领域技术人员公知的方式执行海上钻井操作。在图中，一个海底取油管13被连接在钻井船11和水下井口以及防喷器(如15所示)之间。
钻井船11通过一组从水面连接到底孔组件19的钻杆17完成钻井作业，而底孔组件19又与一个钻头21相连接。在钻井船11上设置有合适的升降装置(未示出)，以用于升降钻杆11，从而将载荷施加到钻头21上。另外，可在钻井船11上设置一个能够使钻头21转动的旋转设备(未示出)，例如一个转盘或一个顶部驱动装置。
钻井液以本领域技术人员公知的方式循环流动：向下流入钻杆17和底孔设备19，流过钻头21，然后向上流向井眼23和立管13，接着返回钻井船11。钻井液的循环系统包括一个抽泥泵25。抽泥泵25的出口与一个导管27相连接，而该导管又通过一个转动接头29与钻杆17相连接。
根据本发明，立管13内的钻井液轻于环形空间或钻柱17内的钻井液。钻柱17的底部压力大于井眼23的环带压力。当抽泥泵25被关闭时，例如当将钻杆的接头连接到钻柱17上时，底孔的压力差可能会由于U形管效应而使流体产生流动。因此，可在钻柱17内包括一个钻柱阀30，以防止当抽泥泵25被关闭时流体的流动。当钻井液被向下泵送到钻柱17内时，钻柱阀30必须允许流体流具有最小的压力损失，同时防止在抽泥泵25被关闭时流体流的流动。通过立管13返回钻井船11的钻井液被一个固体分离装置所清洗，该固体分离装置包括一个传统的泥浆振动筛31。清洁的钻井液被收集在一个容器33内，该容器通过一个导管35与抽泥泵25的入口相连接。
根据本发明，提供一种用于将可漂浮的不可压缩物质注入到靠近井口15的立管13内的装置。在附图中，不可压缩的物质由小圆圈来表示。在最佳实施例中，基本不可压缩的可漂浮物质包括直径大于约100微米且大体为球形的物质，从而能够利用传统的100目泥浆振动筛将其与钻井液分开。该物质的密度最好小于0.50gm/cm3(4.17磅/加仑(ppg))。另外，该物质还应该具有足够的强度，以能够承受在最大水深处的压力，而且本发明的装置就应用于最大水深处。合适的物质可以是由3M公司生产的ScotchliteTM牌玻璃泡和由德克萨斯州休斯顿的Balmoral Group International公司出售的MinispheresTM牌小球。ScotchliteTM牌的玻璃泡的密度约为0.38gm/cm3(3.17ppg)，其可用于最大可达9000英尺的工作深度下。MinispheresTM牌小球基本为中空球形体，其直径一般为10mm(0.39英寸)，并由纤维加固的环氧树脂制成。碳纤维MinispheresTM牌小球的密度介于约0.43gm/cm3(3.59ppg)和0.66gm/cm3(5.50ppg)之间，而且可用于工作深度最大达15000英尺的条件下。
根据本发明，不可压缩的物质以钻井液或海水浆液的形式被注入到立管13内。浆液从钻井船11通过一导管43被泵送到立管13的注入点41，而导管43又与泵45的出口相连接，而且泵45可以是一个传统的抽泥泵。可在导管43内邻近注射点41的位置上设置一个合适的阀或注射装置47。
浆液最好在一个混合罐51内被混合，而混合罐51又通过一个导管53与泵45的入口相连接。正如如下所述，可对浆液的成分和将物质注射到立管13内的注入速度进行控制，以使在立管13内钻井液达到所需的密度。当物质被注射到立管13内时，不可压缩的物质与钻井液在立管13内相互混合，从而降低立管13内位于注入点41上方的流体的密度。
钻井液和物质的混合物在立管13内向上朝钻井船11流动到一个分流器内。带有物质和钻屑的钻井液由分流器通过一个导管55被运送到泥浆振动筛31。泥浆振动筛31将物质和钻出的固体与钻井液分开。清洁的钻井液通过泥浆振动筛31流入钻井液容器33内，物质和钻出的固体经泥浆振动筛31移动到一个分离容器57内。从分离容器57中收集不可压缩的物质并通过一个导管59将其输送到混合容器51内。在本发明的钻井液浆液的实施例中，钻井液可通过一个与钻井液容器33或一个独立的钻井液源(例如“基准泥浆(base mud)”)相连接的导管61进送到混合容器51内。在本发明的海水浆液的实施例中，导管61与海水源相连接。
现参照图2，图中示出了根据本发明的钻井液注射装置的细节。如图2所示，导管43与立管13在注入点41处相互连接。不可压缩物质的浆液和钻井液在注入点41处被注射到立管13内。可按下述方式选择由泵45(图1)产生的压力：使该压力大于立管13在注入点41处的流体静压力。可在导管43内设置一个合适的单向阀(未在图2中示出)，以使钻井液不能回流到导管43内。
根据本发明，用于形成浆液的钻井液可轻于初级钻井液装置内的钻井液。由于稀释作用，浆液中的钻井液越轻，那么立管13内流体密度的减小量也就越大。浆液流体的权重可在形成浆液前通过从初级钻井液中去掉填料的方式得以减轻。或者，也可单独配制权重轻的基准泥浆流体。在两种情况下，在将初始钻井液向下泵送到钻柱内之前必须准确地进行加重。
现参照图3，图中示出了一个根据本发明的海水浆液注入装置。导管43通过一个分离和注入装置71提供海水和(不可压缩)物质的混合物。下面将参照图4和5对装置71加以详细说明。装置71的输出端通过一根合适的导管73与注入点41相连接。钻井液可通过一个合适的导管75从立管13转送到导管43或装置71内，其中导管75在图中以虚线示出。
现参照图4，图中示出了根据本发明的一种海水浆液注入装置。在图4中，由标记71a表示的分离和注入装置包括一个与浆液导管43相连接的分流导管77。一个网眼尺寸小于不可压缩物质直径的滤网79设置在浆液导管43和分流导管77之间。滤网79将不可压缩物质从海水中分离出来。海水通过分流导管77被排放出去。
已经分离出来的物质被迫进入泵的入口，在图示的实施例中，采用了一个由附图标记81表示的Moineau泵。对于本领域的技术人员而言，这种Moineau泵是公知的设备，而且包括一个渐进式空腔泵，该泵设置有一对螺旋形的齿轮对，其中一个齿轮为转子，另一个齿轮为定子。Moineau泵81的出口与注入点43相连接。导管75与Moineau泵81的入口相连接，以将钻井液从立管13进送给Moineau泵81的入口。Moineau泵81可通过不可压缩的物质被向下泵送的流体导管43所驱动，从而无需从地面设置单独的电路或液压管路。Moineau泵81形成了钻井液和不可压缩物质的浆液并在注入点41将这种浆液喷射到立管13内。尽管在图示的实施例中采用了Moineau泵，但是，本领域的技术人员应该知道：根据本发明，可以采用任何合适的泵，例如叶片泵、活塞泵、膜片泵、离心泵等。
根据图5，图中示出了另一种可替换的注射装置71b。注射装置71b包括一个容器85，该容器85设置在海底附近并接近注入点41。容器85包括一个能够从导管43接收海水浆液的浆液入口87。容器85包括一个沿垂直方向定位于入口87之上方的海水出口89。容器85还包括一个沿垂直方向设置在海水出口89上方的(不可压缩的)物质出口91。容器89局部被气体加压，以在海水出口89的上方形成一个气体/水的界面。如图5所示，海水浆液由入口87流入容器85内。可飘浮的不可压缩物质在容器85内向上朝向气体/水的界面流入容器85内，从而使其本身与海水分离。被分离的海水通过海水出口89从容器85内流出。不可压缩的物质被收集到一起并通过一个合适的注射设备注射到立管13内，该注射设备整体上由附图标记93表示。注射设备93可以是一个Moineau泵或类似装置。
现参照图6，图中示出了根据本发明的另外一种分离和注射装置，在该装置中，物质以钻井液浆液的形式由地面泵送，其中钻井液可与初始钻井液具有相同的成分和重量，或者也可以是基准泥浆。基准泥浆是不含加重材料的水或合成油的混合物。除被分离的钻井液返回地面外，图6所示的分离和注射装置与图4所示的海水浆液注射装置基本相同。由标记71c表示的分离和注射装置包括一个与一浆液导管43相连接的分流导管77c。一个网眼尺寸小于不可压缩物质之直径的滤网79c被设置在浆液导管43和分流导管77c之间。滤网79c将物质与钻井液分开。被分离的钻井液通过一个与分流导管77c相连接的回收管路80返回地面。
可将一个合适的地下用泵82设置在回收管路80内，以利于将被分离的钻井液运送到地面。或者，为有利于将钻井液提升到地面，也可设置一个气举装置或其它合适的设备。在另一可替代的实施例中，可在泵81的入口附近设置一个节流门84，以在通向立管13的流动管路中形成压降，从而能够在地面抽泥泵45(图1)的动作下将已分离的钻井液送回地面，同时省去了泵82。在这种情况下，节流门84是必须的；否则，在“U形管”效应的作用下，海底就不会有足够的压力将钻井液送回地面，因为回收管路80中的钻井液比导管43中的浆液要更重一些。
已被分离的物质集中在泵的入口处，在图示的实施例中，该泵就是由附图标记81c表示的Moineau泵。做为一种优选方式，可通过对地下用泵82的流速与抽泥泵45的液体成分之流速进行平衡，而使物质的浓度最大。例如，如果含有体积为50％的物质的浆液以800加仑/分钟(gpm)的流速向下泵送到导管43内，那么物质的流速就为400加仑/分钟，流体的流速为400加仑/分钟。如果地下用泵82以400加仑/分钟的流速泵送已被分离的钻井液，那么球形物质在Moineau泵81c之入口处的浓度将基本为100％。被注入立管13内的物质之间的空间可被通过一个由虚线表示并与Moineau泵81c的入口相连接的导管86从立管13分流出的钻井液所充满。
Moineau泵81c的出口与注入点43相连接。Moineau泵81c可通过带有物质的向下泵送流体的导管43提供动力，从而无需在地面设置一个单独的电路或液压管路。尽管在图示的实施例中所用的泵为Moineau泵，但是本领域的技术人员应该知道：根据本发明，还可以采用叶片泵、活塞泵、膜片泵、离心泵等。
基准泥浆的重量远小于被加重的钻井液的重量(例如9ppg对14ppg)。基准泥浆与被增重的浆液具有相同的化学性质。因此，与球形物质一起被注射到立管内的少量基准泥浆不会污染立管13内的钻井液。
在图6中示出的那种已分离流体的回收装置可与海水浆液装置一起使用，目的在于满足任何环境要求。在这种装置中，已分离的海水将被送回地面，而不是被排放到靠近井口的海洋中。已回收的海水可被重新用来制造浆液，或者，也可在将其排放到海洋中之前，对其进行处理。
现参照图7，图中示出了用于将被钻出的固体物质和不可压缩物质与钻井液分离的装置之细节。由立管13中回收的钻井液沉积在泥浆振动筛表面上。如本领域所知，泥浆振动筛31将尺寸比钻井液大的固体物质分离。被分离的钻井液经泥浆振动筛31流入钻井液罐33内。被分离的固体，包括不可压缩物质和钻屑，通过泥浆振动筛31移动到罐57内。罐57内局部被水充满。因此，钻屑将下沉，而不可压缩物质将飘浮起来，从而将不可压缩的物质与钻出的固体分开。可从容器57的底部将钻出的固体收集在一起，以备排出。可从容器57的表面上将不可压缩的物质收集到一起，以用于再次注射到立管内。
现参照图8，图中示出了另外一种装置，在该装置中，不可压缩的物质以浆液的形式被运送到位于立管13内部的注入点上，而浆液是由初级钻井液形成的。在图8所示的装置中，不可压缩的物质与初级钻井液相互混合并通过钻柱17被输送到内部注入点41a处。初级抽泥泵25(图1)将不可压缩物质和初级钻井液的浆液沿钻柱向下泵送到钻柱的分离和注射装置101内，该分离和注射装置101在靠近海底的深度处设置在钻柱内。钻柱的分离和注射装置101包括一个管状部件，而该管状部件又设置有一滤网103和多个孔105。钻柱的分离和注射装置101将不可压缩的物质与钻井液分开并将已经分离的物质注入到立管内。已被分离的钻井液继续沿钻柱向下流向钻头并沿环形空间流回立管，在立管内，流回的流体与不可压缩的物质相互混合，以备返回地面。钻柱注射方法无需将不可压缩物质与返回地面的钻井液分离。
正如将从图8中可清楚地看到那样，注入点可设置在一个带套管的井孔部分上，该部分由附图标记107表示；或者设置在井筒的一个裸眼井部分上，该部分由附图标记109表示。本领域的技术人员应该知道：加套的井孔部分107由一个固定在井筒113内的套管111限定而成。裸井部分109是井孔内一个没有安装套管的部分。
可通过在井筒内向下移动注入点的方式对井筒内位于注入点上方和下方的压力梯度作进一步地改变。通过将物质注入到加套的井孔部分内，就可使井筒的裸眼井部分内的压力梯度随物质浓度的降低而降低。可通过在多个注入点注入物质的方式对注入点之间的压力梯度进行调整，以使其压力梯度介于裸眼井的破碎梯度和孔隙压力梯度之间，从而进一步减少需要设置加套的部分的数量。
现参照图9，图中示出了另一种可替代的装置，在该装置内，钻井液和不可压缩物质的浆液通过一个同心的钻杆装置115输送到注入点41b处。同心钻杆115包括一个具有常规钻杆功能的内部钻杆117和一个被用作浆液导管的外管119。如图9所示，注入点41b由外管119的端部121限定而成。就图8所示的装置而言，注入点41b可被设置在立管13内的有套管井孔部分107或裸眼井部分109处。
现参照图10，图中示出了根据本发明的又一可替代的装置。在图10的装置中，钻井液和不可压缩物质的浆液通过一个附加管柱131被输送到位于井筒的加套部分107内的注入点41c处。附加管柱131被固定到位于套管111和井筒壁133之间的环形空间内。
操作时，最好以足以将立管内流体的密度降低到远小于海水密度的流速将不可压缩的飘浮物质注入到靠近海底的立管内。立管内流体的密度p由下述等式给出：
p＝[(100-v)pf+νps]/100
其中，pf为不含基本不可压缩的物质的钻井液之密度；
ps为基本不可压缩的物质的密度；
ν为基本不可压缩的物质的浓度。
从该等式可看出：体积浓度为20％的3.17ppg球形物质可将10ppg的钻井液之密度降低到与海水(8.6ppg)的密度相等的程度；而将14ppg的钻井液之密度降低到与海水相同的程度则要求浓度为50％。因此，本发明的方法和装置能够在一个很宽的浆液重量范围内有效地起作用。
在本发明的钻井液浆液(无流体回收)的实施例中，不可压缩物质以浆液形式由钻井船11泵送到海底。被泵送到海底的浆液与立管内的钻井液相互混合，从而提高了立管内流体的流速并稀释了球形物质的浓度。在钻井液浆液的实施例中，立管内流体的密度p由下式给出：
p＝(pmQm+psQs)/(Qm+Qs)
其中，
pm为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps为浆液的密度；
Qm为钻井液的流速；
Qs为浆液的流速。
当以800加仑/分钟的流速将浆液(例如，与在井筒内循环流动的初始钻井液具有相同重量的钻井液中，含有体积为60％的3.17ppg球形物质)泵送到流速为800加仑/分钟的钻井液内时，立管内的流速将会增加到1600加仑/分钟，而球形物质的浓度将下降至约30％。因此，与海水输送装置或设置有分离流体回收装置的钻井液输送装置中约为50％的浓度相比，利用钻井液浆液装置能够得到的最大球形物质浓度约为30％。因此，可用于将立管内的密度降低到与海水密度相同的不包括流体回收装置的本发明之实施例中，初始钻井液浆液的最大钻井液密度约为10.3ppg。因此，使用较高权重的钻井液，初级钻井液浆液装置就不能单独将立管内的流体密度降低到与海水密度相同的程度。因此，在这种情况下，可以使用海水浆液注入装置，重量轻的钻井液系统，或者采用具有流体回收装置的物质聚集装置。作为一种替代，在钻井液的权重较高的情况下，本发明的装置可与其它双梯度钻井技术例如气举装置或地下用泵一起使用。
从上面的说明中可以看出：本发明提供了一种能够克服现有技术之缺陷的多梯度钻井装置。通过将不可压缩的可飘浮物质注入到立管内，减小或消除了对复杂地下用泵的需求，因为地下用泵不仅成本高，而且难于操作。不可压缩的可飘浮物质可利用传统的抽泥泵泵送到注入点，从而无需采用昂贵的压缩机和气举装置所需的氮气。如果需要，还可以利用传统的泥浆振动筛从由井筒中回收的钻井液内除去这些不可压缩的物质。这些物质可在多个位置注入到钻井液柱内，以形成多个压力梯度，从而进一步减少套管的安装数量。

Claims (88)

1、一种用于由一个钻井位置将一个具有一井底的井筒钻入海底的装置，该装置包括：
一个钻井液装置，其用于在所述井底上方形成钻井液柱；
一个用于在介于所述井底和所述钻井位置之间的一个注入点上将基本不可压缩的物质注入到所述液柱内的装置，所述不可压缩物质的密度小于所述钻井液的密度。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述用于注入所述基本不可压缩的物质的装置包括：
一个连接在一地面位置和所述注入点之间的导管。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述用于注入所述基本不可压缩的物质的装置包括：
用于在所述地面位置将一种浆液注入所述导管内的设备，所述浆液包括一种流体和所述基本不可压缩的物质。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述浆液中的所述流体包括钻井液。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述浆液中的所述流体包括基本未加重的钻井液。
6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述浆液中的所述流体包括水。
7、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述用于注入所述基本不可压缩物质的设备包括：
用于在将所述基本不可压缩的物质注入到所述液柱内之前使所述基本不可压缩物质与所述浆液中的所述流体分离的设备；
用于将已被分离的基本不可压缩物质注入到所述液柱内的设备。
8、根据权利要求7所述的装置，还包括：用于将已被分离的流体送回一地面位置的设备。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述用于将已分离流体送返所述地面位置的设备包括一个回收管路。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述用于将分离流体送回所述地面位置的设备包括用于在所述回收管路内举升已被分离的流体的设备。
11、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述用于将所述已分离的基本不可压缩物质注入到所述液柱内的设备包括一个泵。
12、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述用于分离所述基本不可压缩物质的设备包括一个滤网，所述滤网的网眼尺寸小于所述基本不可压缩的物质。
13、根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述用于分离所述基本不可压缩物质的设备包括：
一个容器，所述容器被气体增压，从而形成一个水-气体界面；
一个浆液入口，所述浆液入口设置在所述容器内低于所述水-气体界面的位置上，而且所述浆液入口还与所述导管相连接；
一个设置在所述容器内低于所述水-气体界面的水出口；
一个物质出口，该物质出口在一个设置在所述容器中位于水-气体界面上方的位置上，并与所述注入点相连接。
14、根据权利要求1所述的装置，还包括：用于从所述液柱内回收的钻井液中分离出所述不可压缩物质的设备。
15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于：所述用于从所述钻井液中分离出所述不可压缩物质的设备包括：
一个用于将所述不可压缩物质及钻屑与所述钻井液分离的滤网装置。
16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述滤网装置具有一定的网眼尺寸，而且所述不可压缩物质大于所述网眼尺寸。
17、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述用于将所述不可压缩物质与所述钻屑分开的设备包括：
一个至少部分充满水的容器，该容器被放置成能够从所述滤网装置上接收所述不可压缩物质和所述钻屑的结构形式。
18、根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述滤网装置包括一个泥浆振动筛。
19、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述液柱的一部分由一个与一海底井口相连接的立管及一个地面位置限定而成，所述注入点设置在邻近所述井口的所述立管上。
20、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质以足以将所述液柱内的钻井液密度降低到一个预定密度的流速注入到所述立管内。
21、根据权利要求20所述的装置，其特征在于：所述液柱内的钻井液之密度p根据下式确定：
p＝[(100-v)pf+νps]/100
其中，
pf为不含基本不可压缩的物质的钻井液密度；
ps为基本不可压缩的物质的密度；
ν为基本不可压缩的物质的浓度。
22、根据权利要求20所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质以一种包括基本不可压缩物质与钻井液的混合物的浆液形式被注入所述液柱内，所述立管内的钻井液的密度p根据下式确定：
p＝(pmQm+psQs)/(Qm+Qs)
其中，
pm为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps为浆液的密度；
Qm为钻井液的流速；
Qs为浆液的流速。
23、根据权利要求20所述的装置，其特征在于：所述预定的密度基本等于海水的密度。
24、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括基本球形的物质。
25、根据权利要求24所述的装置，其特征在于：所述基本上球形的物质的外径大于约100微米。
26、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括中空的玻璃珠。
27、根据权利要求26所述的装置，其特征在于：所述中空的玻璃珠的外径大于约100微米。
28、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括被强化的中空塑料物质。
29、一种用于由一个钻井位置将一个具有一井底的井筒钻入海床的方法，该方法包括下述步骤：
在一个介于所述井筒底部和所述钻井位置之间的注入点处将基本不可压缩的物质注入到所述钻井液柱内，所述不可压缩物质的密度小于所述钻井液的密度。
30、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：注入所述基本不可压缩物质的所述步骤包括：
向所述注入点输送一种浆液，这种浆液包括所述基本不可压缩的物质和浆液流体。
31、根据权利要求30所述的方法，其特征在于：所述注入基本不可压缩物质的步骤包括：
在将所述不可压缩的物质注入到所述钻井液柱内之前，将所述基本不可压缩的物质与所述浆液流体分离的步骤。
32、根据权利要求29所述的方法，包括：从返回所述井筒的钻井液中分离出所述不可压缩物质的步骤。
33、根据权利要求32所述的方法，包括：从所述钻井液中分离出所述不可压缩物质和钻屑的步骤。
34、根据权利要求33所述的方法，包括：从所述钻屑中分离出所述不可压缩物质的步骤。
35、根据权利要求34所述的方法，其特征在于：将所述不可压缩的物质与所述钻屑分开的方法包括：
将所述不可压缩的物质和所述钻屑排放到一个至少部分被水充满的容器内。
36、根据权利要求35所述的方法，包括：从所述至少部分被水充满的容器中回收所述不可压缩的物质的步骤。
37、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述注入点设置在一个海底取油管内，该海底取油管连接在一地面钻井位置和一海底井口之间。
38、根据权利要求37所述的方法，其特征在于：所述物质通过一个设置在所述立管外部的导管被运送到所述注入点。
39、根据权利要求37所述的方法，其特征在于：所述物质通过一个设置在所述立管内部的导管被运送到所述注入点。
40、根据权利要求39所述的方法，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
41、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述注入点定位在所述井筒的一个加套部分上。
42、根据权利要求41所述的方法，其特征在于：所述物质通过一个设置在所述加套部分的套管外部的导管被输送到所述注入点上。
43、根据权利要求41所述的方法，其特征在于：所述物质通过一个设置在所述加套部分的套管内部的导管被输送到所述注入点上。
44、根据权利要求43所述的方法，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
45、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述注入点定位于所述井筒的一个裸眼井部分上。
46、根据权利要求45所述的方法，其特征在于：所述物质通过一个设置在所述裸眼井部分内的导管被输送到所述注入点上。
47、根据权利要求46所述的方法，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
48、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述不可压缩的物质以一个足以在所述钻井液柱的一部分上达到预定的钻井液压力的流速被注射。
49、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述不可压缩的物质以一个足以使所述钻井液柱内的钻井液在所述注入点上方达到一预定密度的流速被注射。
50、根据权利要求49所述的方法，其特征在于：所述钻井液柱内的所述钻井液的密度p根据下式确定：
p＝[(100-v)pf+νps]/100
其中，
pf为不含基本不可压缩的物质的钻井液的密度；
ps为基本不可压缩的物质的密度；
ν为基本不可压缩的物质的浓度。
51、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述基本不可压缩的物质以一种浆液的形式被注入到所述的液柱内，所述浆液包括基本不可压缩物质和一种浆液流体的混合物；所述液柱内的钻井液的密度p由下式确定：
p＝(pmQm+psQs)/(Qm+Qs)
其中，
pm为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps为浆液的密度；
Qm为钻井液的流速；
Qs为浆液的流速。
52、根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述不可压缩物质的密度小于水的密度。
53、一种用于调整钻井液柱内压力梯度的装置，其包括：
一个导管，该导管连接于一个钻井位置和一个位于所述钻井液柱内的注入点之间；
一个用于将一种浆液注入所述导管内的装置，所述浆液包括基本不可压缩的物质和浆液流体的混合物，所述不可压缩物质的密度小于所述钻井液的密度。
54、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述浆液流体包括一种钻井液。
55、根据权利要求54所述的装置，其特征在于：所述浆液流体包括基本未加重的钻井液。
56、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述浆液流体包括水。
57、根据权利要求53所述的装置，包括：
用于在将所述基本不可压缩物质注入到所述液柱内之前将所述基本不可压缩的物质与所述浆液流体分离的设备；和
用于将已被分离的基本不可压缩物质注入到所述液柱内的设备。
58、根据权利要求57所述的装置，包括：用于将已被分离的流体送返一地面位置的设备。
59、根据权利要求58所述的装置，其特征在于：所述用于将已被分离的流体送返所述地面位置的设备包括一个回收管路。
60、根据权利要求59所述的装置，其特征在于：所述用于将已分离流体送返所述地面位置的设备包括用于将已分离流体举升到所述回收管路内的设备。
61、根据权利要求57所述的装置，其特征在于：所述用于将所述已被分离的基本不可压缩物质注入到所述液柱内的设备包括一个泵。
62、根据权利要求57所述的装置，其特征在于：所述用于分离所述基本不可压缩的物质的设备包括一个滤网，所述滤网的网眼尺寸小于所述基本不可压缩的物质。
63、根据权利要求57所述的装置，其特征在于：所述用于分离所述基本不可压缩的物质的设备包括：
一个容器，所述容器被气体加压，以形成一个水-气体界面；
一个浆液入口，所述浆液入口设置在所述容器内低于所述水-气体界面的位置上，而且所述浆液入口还与所述导管相连接；
一个设置在所述容器内所述水-气体界面下方的水出口；
一个物质出口，该物质出口设置在所述容器中位于所述水-气体界面上方的位置上并与所述注入点相连接。
64、根据权利要求53所述的装置，包括：用于将所述不可压缩物质与由所述液柱中回收的钻井液分离的设备。
65、根据权利要求64所述的装置，其特征在于：所述用于将所述不可压缩物质与所述钻井液分离的设备包括：
一个滤网装置，其用于将所述不可压缩的物质及钻屑从所述钻井液中分离出来。
66、根据权利要求65所述的装置，其特征在于：所述滤网装置具有一定的网眼尺寸，所述不可压缩的物质大于所述网眼尺寸。
67、根据权利要求66所述的装置，其特征在于：所述用于将所述不可压缩物质与所述钻屑分离的设备包括：
一个至少部分被水充满的容器，该容器设置在能够从所述滤网装置上接收所述不可压缩物质和所述钻屑的位置上。
68、根据权利要求65所述的装置，其特征在于：所述滤网装置包括一个泥浆振动筛。
69、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述液柱的一部分由一与一海底井口相连接的立管及一地面位置限定而成，所述注入点设置在邻近所述井口的所述立管上。
70、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质以足以将位于所述注入点上方的所述液柱内的钻井液的密度降低到一个预定密度的流速注入到所述立管内。
71、根据权利要求70所述的装置，其特征在于：所述钻井液柱内位于所述注入点上方的所述钻井液的密度p根据下式确定：
p＝[(100-v)pf+νps]/100
其中，
pf为不含基本不可压缩的物质的钻井液的密度；
ps为基本不可压缩的物质的密度；
ν为基本不可压缩的物质的浓度。
72、根据权利要求70所述的装置，其特征在于：所述浆液被注入到所述的钻井液柱内，所述立管内的钻井液的密度p根据下式确定：
p＝(pmQm+psQs)/(Qm+Qs)
其中，
pm为不含基本不可压缩物质的钻井液的密度；
ps为浆液的密度；
Qm为钻井液的流速；以及
Qs为浆液的流速。
73、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述不可压缩物质的密度小于水的密度。
74、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括基本球形的中空物质。
75、根据权利要求74所述的装置，其特征在于：所述基本上球形的中空物质的外径大于约100微米。
76、根据权利要求75所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括中空的玻璃珠。
77、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述基本不可压缩的物质包括已被加强的中空塑料物质。
78、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述注入点设置在一个海底取油管上，而所述海底取油管又连接在一个地面钻井位置一个海底井口之间。
79、根据权利要求78所述的装置，其特征在于：所述导管设置在所述立管的外部。
80、根据权利要求78所述的装置，其特征在于：所述导管设置在所述立管的内部。
81、根据权利要求80所述的装置，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
82、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述注入点设置在所述井孔的一个加套部分上。
83、根据权利要求82所述的装置，其特征在于：所述导管设置在所述加套部分的套管外部。
84、根据权利要求82所述的装置，其特征在于：所述导管设置在所述加套部分的套管内部。
85、根据权利要求84所述的装置，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
86、根据权利要求53所述的装置，其特征在于：所述注入点定位在所述井孔的一个裸眼井部分内。
87、根据权利要求86所述的装置，其特征在于：所述导管设置在所述裸眼井部分内。
88、根据权利要求87所述的装置，其特征在于：所述导管包括一个钻杆。
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