用于径向膨胀管状元件的方法和系统的制作方法

文档序号:5346276阅读:166来源:国知局
专利名称:用于径向膨胀管状元件的方法和系统的制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于径向膨胀管状元件的方法和系统。本申请的方法和系统可用于为井眼加衬管。
背景技术
径向膨胀井眼中的管状元件的技术日益应用在油气生产工业中。井眼通常设置有一个或多个套管或衬管,以对井眼壁提供稳定性和/或提供不同地层之间的层间隔离。术语“套管”和“衬管”指的是用于支撑和稳定井眼壁的管状元件,由此其通常被理解为套管从地面延伸到井眼中,而衬管从井下位置进一步延伸到井眼中。然而,在本文的上下文中,术语“套管”和“衬管”可互换地使用,而没有这种预定区别。在传统的井眼构建中,若干套管设置在不同深度层段处,并且以嵌套布置方式设置。在此,每个后续套管穿过之前的套管下入,因此具有比之前套管更小的直径。结果,对于油气生产来说可用的横截面井眼尺寸随着深度增加而减小。为了减轻这种缺陷,可能的是在井眼的期望深度处径向膨胀一个或多个管状元件,例如形成已膨胀的套管、已膨胀的衬管或者抵靠已存在的套管或衬管的包层(clad)。同样,已经提出将每个后续套管径向膨胀成基本上与之前套管相同的直径,以形成单一直径的井眼。因此,所实现的是,与传统的嵌套布置相反地,井眼的可用直径沿着其深度(的一部分)保持基本上恒定。

EP-1438483 -B1公开了一种径向膨胀井眼中的管状元件的方法,由此,在钻出新的井眼部分期间处于未膨胀状态的管状元件最初附连到钻柱。其后,管状元件被径向膨胀,以及从钻柱释放。为了膨胀这种井眼管状元件,通常,圆锥形膨胀器可采用基本上等于膨胀后所需的管直径的最大外径。该膨胀器被泵送、推动或者牵拉穿过管状元件。该方法可导致需要克服膨胀器与管状元件的内表面之间的很大摩擦力。再者,也存在膨胀器卡在管状元件中的风险。EP-0044706-A2公开了一种方法,该方法通过在井眼中翻转而径向膨胀由编织材料或布料制成的柔性管,以将泵送到井眼中的钻井流体与朝着地面流动的泥浆碎屑分离开。然而,编织材料或布料具有的强度不足以支撑井孔壁和替代传统的套管。尽管在一些应用中,已知的膨胀技术已经得出满意的效果,但是仍旧存在对一种用于径向膨胀管状元件的改进方法的需要。W0-2008/006841公开了一种用于径向膨胀井眼中的管状元件的井眼系统。使得管状元件的壁沿径向向外且轴向反向方向弯曲,从而形成围绕管状元件的未膨胀部分延伸的已膨胀部分。已膨胀管状部分的长度是通过将未膨胀部分推进到已膨胀部分中而增加的。在此,已膨胀部分在翻转之后保持已膨胀的管状形状。在其顶端部处,未膨胀部分可例如通过增加管部分或者通过将一片材开卷、折叠和焊接成管状形状而延长。通过W0-2008/006841的系统,当管的壁太厚时或者当管材料的性质不足以支撑某一壁厚时,当管材料在其翻转之后被拉直时,可能发生对管材料的呈裂缝形式的损坏。该问题大体上可通过使用具有低于预定阈值的壁厚的管和/或使用充分延展性的材料而避免。对于某些预定的井条件,根据已翻转管周围的孔隙压力以及来自地层的可能气体或液体流入物,可能期望使用更坚硬的管以便能够承受管在井眼中所经受的内部(破裂)和外部(塌陷)压力差。

发明内容
本发明的目的是改进上面所述的方法和系统。因此 ,本发明提供了一种径向膨胀管状元件的方法,该方法包括以下步骤:径向向外且在轴向反向方向上弯曲管状元件,从而形成围绕未膨胀管状部分延伸的已膨胀管状部分,其中在弯曲区域中发生弯曲;通过促使弯曲区域在轴向方向上相对于未膨胀管状部分移动来增加已膨胀管状部分的长度;以及加热弯曲区域。因此,在弯曲过程期间管状元件有效地从里朝外翻转。弯曲区域限定了弯曲过程发生的场所。通过促使弯曲区域在轴向方向上沿着管状元件移动,实现了管状元件逐渐膨胀,而不需要推动、牵拉或者泵送穿过该管状元件的膨胀器。通过本发明的方法,防止了由于翻转所导致的对管状元件的损坏,从而能够使用具有较厚壁的管状元件。这种较厚壁将更坚硬,从而增加了通过本发明的方法翻转的管状元件的耐破裂强度和抗挤强度。已加热的弯曲区域减小了翻转管状元件所需的作用力,从而限制了在地面处施加给未膨胀部分的作用力。优选的是,管状元件包括在弯曲过程期间在弯曲区域中塑性变形的材料,从而由于所述塑性变形,已膨胀管状部分保持已膨胀形状。以这种方式,实现了已膨胀管状部分由于塑性变形(即,永久变形)保持其形状。因此,已膨胀管状部分保持其膨胀形状,而不需要外力或压力来保持其已膨胀形状。如果由于壁的弯曲,例如已膨胀管状部分已经被膨胀成抵靠井眼壁,则不需要外部径向作用力或压力施加到已膨胀管状部分上来使其抵靠井眼壁。适当地,管状元件的壁包括金属,例如钢,或者任何其他能够通过将管状元件外翻而塑性变形的易延展金属。于是,已膨胀管状部分具有足够的抗塌陷性,例如约为IOObar或150bar或者更大。如果管状元件在井眼中竖直地延伸,则未膨胀管状部分的重量可用来贡献出促使弯曲区域向下运动所需的作用力。适当地,通过促使未膨胀管状部分在轴向方向上相对于已膨胀管状部分移动,来促使弯曲区域在轴向方向上相对于未膨胀管状部分移动。例如,当未膨胀管状部分在轴向方向上移动穿过已膨胀管状部分来促使所述壁弯曲时,保持已膨胀管状部分固定不动。为了促使未膨胀管状部分的所述运动,优选地,未膨胀管状部分经受对促使所述运动起作用的轴向压缩作用力。轴向压缩作用力优选至少部分地由未膨胀管状部分的重量所导致。如果必要的话,该重量可通过施加到未膨胀管状部分以促使所述运动的外部向下作用力而得以补充。随着未膨胀管状部分的长度增加,进而重量增加,可能需要将向上作用力施加到未膨胀管状部分,以防止弯曲区域中的不受控制的弯曲或翘曲。如果弯曲区域位于管状元件的下端部处,由此,由于所述弯曲区域的运动,未膨胀管状部分在其下端部处轴向缩短,优选的是,对应于其下端部处的所述轴向缩短,未膨胀管状部分在其上端部处被轴向缩短。未膨胀管状部分由于壁的持续反向弯曲而逐渐在其下端部处缩短。所以,通过在未膨胀管状部分上端部处延长未膨胀管状部分来补偿其下端处的缩短,可持续反向弯曲该壁的过程,直到达到已膨胀管状部分的期望长度。未膨胀管状部分可例如通过将管状部以诸如焊接的任何适当方式连接到所述上端部而在其上端部处延长。可替代地,未膨胀管状部分可设置为呈盘管的形式,该盘管从卷轴开卷并且逐渐插入到井眼中。因此,盘管通过从卷轴开卷而在其上端部处延长。由于围绕未膨胀管状部分形成已膨胀管状部分,在未膨胀管状部分与已膨胀管状部分之间形成环形空间。为了增加已膨胀管状部分的抗挤强度,可将加压流体引入到环形空间中。流体压力可单独地由环形空间中的流体柱的重量所导致,或者另外也由施加到流体柱的外部压力所导致。适当地通过在管状元件下端部分处弯曲该管状元件的壁而开始膨胀过程。有益地,利用延伸穿过未膨胀管状部分的钻柱来钻出井眼。在该应用中,在使用钻柱进行钻进期间可同时下入未膨胀管状部分和钻柱。为了降低在膨胀过程期间未膨胀管状部分的翘曲趋势,未膨胀管状部分可通过任何适当的对中装置而在已膨胀管状部分内对中。


在下面参照所附的附图通过举例更详细地描述本发明,其中:图1示出了用于径向膨胀管状元件的系统的下部部分的竖直剖面;图2示出了图1的系统的上部部分的一个实例的竖直剖面;图3示出了图1的系统的上部部分的另一实例的竖直剖面;图4示出了本发明的一个实施例的细节的透视图;图5示出了图4的实施例的电线圈的剖面;图6示出了本发明的另一实施例的剖面;图7示出了本发明的再一实施例的剖面;图8示出了本发明的一个实施例的剖面;图9示出了本发明的一个实施例的平面示意图;图10示出了图9的实施例的剖面;图11示出了本发明的另一实施例的剖面;图12示出了本发明的一个实施例的剖面;以及图13示出了本发明的另一实施例的剖面。在这些附图和描述中,相同的附图标记表示相似的部件。
具体实施例方式图1示出 了形成于地层2中的井眼I。可径向膨胀的管状元件4 (例如可膨胀的钢衬管)从地面6向下延伸到井眼I中。管状元件4包括未膨胀管状部分8和已径向膨胀管状部分10。未膨胀部分8在已膨胀部分10中延伸。优选地,已膨胀管状部分10的外径基本上等于井眼I的直径。尽管如图1中所示的井眼竖直延伸到地层2中,本发明同样适合于任何其他的井眼。例如,井眼I可至少部分地在水平方向上延伸。以下,井眼的上端部指的是地面6处的端部,而下端部指的是井下端部。在其下端部处,未膨胀部分8的壁径向向外且在轴向反向方向上(在图1中向上)弯曲以形成了弯曲的下部部分12,从而限定出管状元件4的弯曲区域14。弯曲部分12的横截面是U形的,并且互连未膨胀部分8和已膨胀部分10。钻柱20可从地面穿过未膨胀衬管部分8而延伸到井眼I的下端部。钻柱20的下端部设置有钻头22。钻头例如包括定向钻头24和扩孔器部分26,该定向钻头具有稍微小于未膨胀的衬管部分8的内径的外径,该扩孔器部分具有适于将井眼I钻到其标称直径的外径。扩孔器部分26可径向收缩到较小外径,从而使得其能穿过未膨胀衬管部分8,从而钻头22可穿过未膨胀衬管部分8收回到地面。钻柱20可包括多个钻管部分28。该管部分28可在各自的端部处通过内外螺纹连接部30而互相连接。钻柱20与未膨胀管状部分8之间的环形空间32指的是钻井环空32。连接部30并未详细示出,但是包括例如带螺纹的公螺纹和母螺纹(pin and box)型连接部。连接部30可包括在每个端部上制造有阳螺纹的接头,其中具有阴螺纹的短长度的联接构件(未示出)用来将钻柱的各个接头连接在一起,或者包括在一端上有阳螺纹而在另一端有阴螺纹的接头。所述螺纹连接部可包括通过美国石油组织(API)标准化的连接部。图1还示出了钻台40,该钻台相对于地面6而被升高,并且封装了钻柱20的上端部和未膨胀管状部分8的上端部。钻台40是钻机的一部分,但是并未将其整体示出。顶管机42例如布置在钻台下方,可封装未膨胀部分8。顶管机例如由底架45支撑。底架45提供了稳定性,并且例如可连·接到钻机或者被支撑在地面6处。顶管机可包括布置在底架上的一个或多个马达46,以及包括可由各自的马达驱动的一个或多个传送带48。每个传送带48接合未膨胀部分8的外侧。传送带48可将作用力施加到所述未膨胀部分8,以迫使未膨胀部分移动到已膨胀部分10中。顶管机42的其他实施例是可以想到的,它们能将向下或向上的作用力施加给未膨胀部分。密封装置50可连接到已膨胀衬管部分10的上端部,来将未膨胀衬管部分8相对于已膨胀衬管部分10密封。在此,密封装置50使得未膨胀衬管部分8相对于密封装置50在轴向方向上滑动。密封装置包括导管52,该导管连接到泵(未示出),用来将流体泵送到盲环空43 (即,未膨胀衬管部分8与已膨胀衬管部分10之间的环形空间)中或者从其中泵送出。环形空间44被认为是盲环空,因为它通过弯曲区域14而在井下端部处闭合。该密封装置包括一个、两个或更多个环形密封件56、58。密封件56、58接合未膨胀部分8的外侧并且防止所述流体离开该盲环空。优选地,密封装置50包括至少两个密封件56、58,以提供至少一个附加的密封件,来提高万一第一密封件可能失效的安全性和可靠性。密封装置50可被认为是盲环空防喷器(BABOP)。因此,密封件56、58,该装置50的连接到已膨胀部分10的上端部的连接部,以及用于封闭导管52的一个或多个阀(未示出)将全部设计成用来至少经受得住井控状况下可出现的流体压力。根据地层的特殊性,密封装置50例如被设计为经受住在井喷情况下可预见的压力,该压力例如在200bar到1600bar范围内,例如大约400bar到800bar或者更大。与井控情况相结合地,在可膨胀管4的失效(例如由于破裂)的情况下可例如在盲环空44中出现这种压力。已膨胀衬管部分10是通过任何适当的固定装置而轴向被固定,以防止轴向运动。已膨胀衬管部分10可在其上端部固定在地面处。例如,已膨胀部分的所述上端部可例如通过焊接和/或螺纹连接而连接到环或凸缘59。所述环可附连到或者结合到地面处的任何适当结构(诸如密封装置50)中。所述环的内径可比膨胀部分的外径大。可选地,已膨胀部分10可例如依靠由于膨胀过程在已膨胀衬管部分10与井眼壁12之间的摩擦力固定到井眼壁12。可替代地或者另外地,已膨胀衬管部分10可通过任何适当的锚固装置而被锚固,例如锚固到井眼壁。在由线I1-1I所标识的界面处,图1中所示的系统的下部部分可连接到例如图2和3中所示的上部部分。图2示出了连接到上端连接部部分62的顶部驱动器60,该上端连接部部分可相对于顶部驱动器旋转。优选地,上端连接部部分包括冲洗管,该冲洗管具有平滑的外表面。远离顶部驱动器的管端部64设置有如上所述的螺纹连接部30。螺纹端部64连接到附加的钻柱部分66。典型地,附加的钻柱部分66将基本上等于在图1中不出的钻柱部分28。在线1-1所示出的界面处,附加的钻柱部分66可连接到图1中所示的钻柱20的上端部。钻井环空密封装置70可罩住钻井环空32的顶端。密封装置70包括壳体72,该壳体封装了连接部部分62并且提供了内部空间74。在该顶端部处,靠近顶部驱动器60,壳体包括一个、两个或更多个接合管62外侧的密封件76、78。优选地,密封件76、78使得壳体沿着管62滑动。在相反端部处,壳体可包括一个、两个或更多个接合附加的可膨胀管部分84外侧的密封件80、82。除了密封件之外,壳体可包括夹持器106,该夹持器可接合管部分84的外侧和/或里侧。激活线路88连接到壳体,用于激活或释放密封件80、82和/或夹持器86。流体导管90连接到内部空间74,用来将(钻井)流体供给到环形空间32或者从该环形空间排出。 密封装置70可包括延伸部分或者尾管(stinger) 100。尾管延伸到附加的可膨胀管部分84的内侧。尾管可包括密封件102、104和/或夹持器106,以接合管部分84的上端部。尾管还可包括接合管部分84的下端部的密封件108,以及接合未膨胀管状部分8的上端部的内侧(在图1中示出)的密封件110。背衬气体工具(backing gas tool)192可集成到尾管中、在密封件108、110之间。背衬气体工具罩住了附加的可膨胀管部分84与未膨胀管状部分8之间的内部界面。尾管可至少稍微长于管部分84,以使得尾管可延伸到未膨胀部分8中,这将使得尾管用作用于将管部分84和未膨胀部分8校直的校直工具。实际上,管部分84的长度可以是在大约5-20米的范围内,例如10米。尾管将例如比管部分84长大约2%到10% (例如5%)。环形空间112设置在尾管与管62之间,以提供从环空32到空间74和导管90的流体连接。密封装置70可以指钻井环空防喷器(DABOP) 70。密封件76_82、夹持器86、一个或多个用来关闭导管88和90的阀(未示出)将全部被设计为至少承受在井控条件下可出现的流体压力。根据地层的特殊性以及预期的最大孔隙压力,DAB0P70例如被设计为承受大约200bar到800bar或者更大范围中的压力,例如大约400bar。DABOP可包括许多密封件。该DAB0P70可包括一个密封件76和一个密封件80,或者包括多个密封件。在实际的实施例中,用于相对于管62密封的两个密封件76、78以及用于相对于管状部分84密封的两个密封件将提供一方面例如失效安全性和可靠性与另一方面成本之间的平衡。例如,由接合可膨胀管84内侧的内密封件102、104以及接合可膨胀管84外侧的外部密封件80、82所提供的双重屏障改善了密封装置70的可靠性和防泄漏性。图3示出了图1系统的上部部分。未膨胀衬管部分8在其上端部处形成有由缠绕在卷轴132上的(金属)片材130。金属片材130具有相对的边缘133、134。在从卷轴132开卷之后,金属片材130被弯曲成管状形状,并且边缘133、134例如通过焊接互连,以形成未膨胀管状部分8。因此,可膨胀管状元件4可包括纵向焊缝135。流体导管136从未膨胀管状部分8的内部延伸到未膨胀管状部分8的上端部之上。流体导管136可在其下端部处连接到位于未膨胀管状部分8中的管子138,或者与该管子138形成为一体。第一环形密封件140相对于未膨胀衬管部分8密封管子138,而第二环形密封件142相对于钻柱20密封管子138。流体导管136经由设置在管子138的壁中的开口 144与管子138的内部空间相流体连通。此外,管子138设置有夹持器装置146,该夹持器装置允许管子138相对于未膨胀衬管部分8向上滑动,而防止其向下滑动。第一环形密封件140允许管138相对于未膨胀衬管部分8向上滑动。图3中所示的上部部分可与图1中所示的下部部分相结合,然而,其中未膨胀管状部分8连续地围绕钻柱20形成。因此,为了提高后面附图的清楚性,图1中所示的其中一些特征在图3中省略,这些特征诸如是密封装置50、顶管机42和钻台40。

本发明涉及管状元件4的翻转。已翻转的管状元件可形成导管,或者构成井眼的内衬或者已存在管的内衬,参见图1。在此,对于管状元件材料的损坏,例如呈裂缝形式的损坏,可能在材料完成翻转之后校直材料时发生。裂缝可典型地发生在已膨胀部分10的内表面上。这种损坏例如可在初始未膨胀管的壁太厚时和/或在管的材料性质不足以支撑某一壁厚时发生。未膨胀部分的外侧将变成已翻转或已膨胀部分的里侧,承受总应变方面的最大变形,因此最易于受到裂缝损坏。变形量反比于转向半径r。这里,转向半径r是弯曲部分12的横截面中部的半径。局部加热弯曲区域附近的管状元件降低了变形区域中的应力,从而提高了已膨胀部分的整体性。对于整体性的提高包括减弱或者消除损坏(诸如裂缝)。结果,加热弯曲区域使得能够使用具有较厚且较坚硬壁的管。管状元件的壁厚可等于或者厚于大约2mm (0.08英寸)。该壁例如超过2.5mm厚,例如大约2.8mm到50mm厚,或者大约3mm到30mm。未膨胀部分的外径可大于50mm (2英寸),例如在大约50mm到400mm (16英寸)的范围中。未膨胀部分可具有适用于或者通常用于烃生产中的外径。衬管的壁可包括相对坚硬的材料,诸如金属或者优选钢,或者可由固体金属或钢制成。因而,衬管4可设计为具有足够的耐塌陷强度,以支撑井眼壁和/或承受在钻烃储层时所遭遇的内部压力或外部压力。管状元件的耐塌陷强度可设置成任何预定水平,这依赖于壁厚和材料性质。在实际的实施例中,管状元件4的耐塌陷强度可处于200bar到1600bar或者更大的范围内。在一个实施例中,加热元件300包括电线圈302。图4示出了线圈302布置在已膨胀部分10与未膨胀部分8之间的盲环空44中。线圈302定位成靠近U型部分12。加热元件优选地能够加热包括翻转场所304在内的弯曲区域14。翻转场所是管状元件4开始翻转的场所。线圈302连接到电力源,该电力源可将电流I提供给线圈,例如在由图4中箭头所指示的方向中。所述电流I将引起围绕线圈的磁场,其中磁通量由磁力线306表示。可替代地,电线圈可包括多根电线308,以增强磁场。当线圈302包括n根电线308时,通过线圈的总电流将是nl安培,如图5中所示。因此,H/B表示磁场强度/感应场。在图6中所示的实施例中,通量导体310布置为与电线圈302相连。通量导体例如是圆柱形的,并且布置在线圈之上,处于盲环空44中。通量导体包括低损耗且高Pr材料,或者可全部由低损耗且高U r材料制成。所述材料优选是铁磁性材料,例如Fe304。由于通量导体,由电线圈的磁场所感生的热量可集中到预定热量集中区域312中。在此,与管状元件4的材料中的损失相比,低损耗暗指更低的损耗。当管状元件由钢所制成时,其中的损耗将比由Fe3O4制成的通量导体310中的损耗更大。如图1中所示,通量导体310可至少部分地封装电线圈302。在此,通量导体优选地设置有环状开口 314。所述开口能够使得更精确地确定热量集中区域312,例如热量集中区域更加集中在翻转场所304处或翻转场所附近。可选地,电线圈302可布置在未膨胀部分8的内侧上,如图8中所示。在此,线圈302可嵌入到通量导体31 0的环形腔316中。通量导体例如是圆柱形的,设置有弯曲表面318,以与衬管的U形部分12互补。通量导体可由支撑件320支撑,所述支撑件连接到钻柱
20。支撑件可沿着通量导体的下端部滑动,以使得通量导体可基本上保持固定不动。图8还示出了圆筒形构件15位于盲环空44中,以支撑和控制衬管4的弯曲。井底钻具组件25可包括在钻柱20的端部处,以驱动钻头22。电线圈302优选地经由电线(未示出)连接到地面处的AC (交流)电源。因此,包括电线圈302的系统可与没有第二线圈的变压器相比照。根据理论,将发生以下损耗:I)磁滞损耗,其与AC电流的频率成比例地增加;2)与通过空气短路的磁通量相关的通量损耗。尽管这些并非直接的功率损耗,它们促进了使得(典型地,铜)线圈302磁化所需的无功功率,因此增加了线圈302中的阻抗损耗;3)涡流损耗,S卩,由于在金属部件中感生的循环电流引起的损耗。在变压器中,这些通常通过使用低传导的芯材料(诸如铁氧体或者层压铁)而最小化。在本发明中,涡流是为了控制掩盖其他损耗的效果。磁化磁芯的阻抗可表示为磁阻R,该磁阻为Tesla中的感生磁场B除以磁场强度H,所以 R=B/H。通量集中器310提供了通过集中器310的低阻抗的路径,以及高阻抗和损耗的路径。后者提供了热量集中区域312,因此其可位于如图中所示的预定场所处。如图10中所示,加热元件可包括摩擦装置330,该摩擦装置用于由于摩擦装置与管状元件之间的摩擦而产生热量。摩擦装置可包括一个或多个臂332,所述臂连接到钻柱20并且在径向方向上延伸(图9)。在此处的连接暗指摩擦装置与钻柱一起旋转。在钻进期间,从地面使钻柱旋转以使钻头22旋转。因此可通过调整钻柱20的旋转速度而调整摩擦产生的热量的量。摩擦臂332例如设置有摩擦表面334,所述摩擦表面接合未膨胀部分8的内侧和弯曲区域14 (的一部分)。所述摩擦表面适于引起所述表面与管状元件之间的摩擦,从而产生热量。摩擦表面可例如设置有引起摩擦的材料和/或设置有机加工(金属)表面。摩擦表面334具有与弯曲区域14的内表面互补的形状。臂332优选地被限制形状以在优选的场所处产生热量。例如,臂332在轴向方向(由轴向延伸部336表不)上延伸。在可替代的实施例中,加热装置包括布置在弯曲区域14附近的混合器350 (图11)。混合器可以是容器352,该容器具有两个或更多个输入导管354、356以及至少一个输出导管358。每个输入导管可将具有预定组分的流体供给到混合器。此处,由第一输入导管和第二输入导管分别供给的流体将提供在混合器350中的放热反应。所述反应的热量将加热容器352的壁,该壁将所述热 量传送到弯曲区域14。混合器350可位于盲环空44中。可替代地,混合器可位于未膨胀部分内。后者的实施例具有以下优点:输入导管和输出导管可包括在钻柱中。在此,钻头优选地通过使用井底钻具组件而旋转,以使得钻柱在钻井期间并不旋转。如上所述的实施例可与传热流体370组合,所述传热流体布置在盲环空44(图12)中。传热流体可促进传热和/或可确保弯曲区域14温度均匀。优选地,流体370在阈值温度以下凝固,所述阈值温度选择成使得在存在由上述加热装置加热的情况下,流体将凝固,从而阻止了衬管4的外翻。所述阈值温度(稍微)高于在各井下应用中所预期的最大温度。对于典型的井眼,所述最大温度可处于100摄氏度到400摄氏度的范围内。传热流体370可结合有传导元件372 (图13)。热量传导元件372是圆柱形的、固体的。热量传导元件将所产生的热量输送远离弯曲区域,以确保进一步远离弯曲区域和流体370而温度逐渐降低。本发明的系统的操作可参照图1进行描述。管状元件4延伸到井眼I中。衬管4已经通过外翻其壁而被局部径向膨胀,形成了围绕未膨胀部分8同心地延伸的径向已膨胀管状部分10。衬管4由于在其下端处的外翻而径向向外且在轴向反向(例如向上)方向上弯曲,以形成U形下部,从而限定出弯曲区域14 (图1)。在本发明的系统的正常操作期间,尚未膨胀的衬管4的下端部分径向向外且在轴向反向方向上以任何适当方式弯曲,形成了 U形下部部分12。在衬管4已经被外翻预定长度之后,已膨胀衬管部分10可通过任何适当的装置而被轴向固定。如图4中所示,大小足够的向下作用力F于是被施加到未膨胀衬管部分8,以将未膨胀衬管部分8逐渐移动到已膨胀衬管部分10中。结果,未膨胀部分8逐渐地在反向方向上弯曲,从而逐渐将未膨胀衬管部分8转换成已膨胀衬管部分10。在外翻过程期间,弯曲区域14以未膨胀部分8的速度的大约一半速度移动。如果期望的话,衬管4的直径和/或壁厚被选择成使得已膨胀衬管部分10由于膨胀过程而变得牢固地压缩抵靠井眼壁,从而密封抵靠井眼壁和/或稳定该井眼壁。因为未膨胀部分8的长度进而重量逐渐地增加,向下作用力F的大小(图4)可相应于部分8的增加重量而逐渐减小。当需要将钻柱24收回到地面时,例如当要更换钻头时,或者当钻井眼I完成时,支撑环26和扩孔器部分42被径向地缩回。随后,钻柱24穿过未膨胀衬管部分8而被收回到地面。导向构件28可保持在井下。可替代地,导向构件28制造成可折叠的,从而使得其以折叠方式穿过未膨胀衬管部分8而收回到地面。通过上述的方法,实现了在钻井过程期间井眼逐渐地嵌衬有在钻头正上方的外翻的衬管。结果,在钻井过程期间一直存在仅仅井眼的较短的裸井部分。这种较短的裸井部分的优点在钻到地层的含烃流体层期间最显著。鉴于此,对于许多应用,如果在钻井期间衬管外翻过程仅仅在钻到烃流体地层中期间应用,而井眼的其他部分被以传统方式下衬管或下套管,这就足够了。可替代地,钻井期间衬管外翻过程可在地面处开始,或者在所选定的井下场所处开始,这取决于环境。鉴于在钻井期间较短的裸井部分LI (参见图1 ),存在井眼流体压力梯度超过岩层的破裂梯度的风险,或者存在井眼流体压力梯度降到岩层的孔隙压力梯度以下的风险。因此,相比于在选定 层段必须设置具有逐步减小直径的套管的常规钻井实践,可以单一标称直径钻通非常长的层段。在此的裸井部分是指未嵌衬衬管的井眼部分。通过本发明的系统,裸井部分可具有长度LI,该长度小于大约500m,例如小于大约100m。再者,如果井眼钻通页岩层,则这种短的裸井部分消除了由于页岩升沉(heaving)导致的潜在问题。在井眼I已经钻到期望深度且钻柱24已经从井眼移出之后,仍旧存在于井眼I中的一段未膨胀衬管部分8可留在井眼中,或者其可从已膨胀部分10切断并且收回到地面。在该一段未膨胀衬管部分8留在井眼I中的情况下,存在用于完井的若干选项。例如存在如下选项:A)流体(例如盐水)被泵送到未膨胀衬管部分8与已膨胀衬管部分10之间的环形空间中,以加压该环形空间,并且增加了已膨胀衬管部分10的耐塌陷强度。可选地,一个或多个孔设置在U形下部部分16、20中,以允许所泵送的流体循环。B)重流体被泵送到环形空间中,从而支撑已膨胀衬管部分10,并且增加其耐塌陷强度。C)水泥被泵送到环形空间中,以在水泥硬化之后在未膨胀衬管部分8与已膨胀衬管部分10之间形成固体本体,由此,水泥可在变硬时膨胀。D)例如通过泵送、推动或者牵拉膨胀器(未示出)穿过未膨胀衬管部分8使未膨胀衬管部分8径向膨胀抵靠已膨胀衬管部分10。在上述实例中,在地面处开始或者在井下场所处开始衬管的膨胀。在离岸井眼的情况下,其中离岸平台定位在水面之上的井眼上方,在离岸平台处开始膨胀过程可能是有益的。在此,弯曲区域从离岸平台移动到海底,并且从该处进一步移动到井眼中。因此,所产生的已膨胀管状元件不仅形成了井眼中的衬管,而且形成了从离岸平台延伸到海底的隔水导管。因而避免了对于单独的隔水导管的需要。此外,用于与井下设备连通的诸如电线或者光纤的导管可在已膨胀和未膨胀部分之间的环形空间中延伸。这些导管可在管状元件膨胀之前附连到管状元件的外表面。再者,已膨胀衬管部分和未膨胀衬管部分可用作电导体,以将数据和/或动力传送到井下。
因为在外翻过程完成之后仍旧存在于井眼中的任一段未膨胀衬管部分承受比已膨胀衬管部分更不精确的负载条件,与已膨胀衬管部分相比,这一段未膨胀衬管部分可具有更小的壁厚,或者可具有更小的质量或者钢号。例如,其可由具有较低屈服强度或塌陷参数的管制成。代替在膨胀过程之后将一段未膨胀衬管部分留在井眼中的是,可采用本发明的方法使整个衬管膨胀,以使得没有未膨胀的衬管部分保持在井眼中。在这种情况下,细长构件(例如管柱)可用于在膨胀过程的最后阶段向未膨胀衬管部分施加必要的向下作用力F。为了在上述实例中任一个中所描述的膨胀过程期间减小未膨胀管部分与已膨胀管状部分之间的摩擦作用力,适当地,将减摩层(例如聚四氟乙烯层)施加在未膨胀管状部分与已膨胀管状部分之间。例如,减摩涂层可在膨胀之前施加到管状元件的外表面。减摩材料层另外减小了未膨胀部分与已膨胀部分之间的环形间隙,从而导致未膨胀部分翘曲趋势减小。代替这种减摩层的是或者除了这种减摩层,对中垫和/或辊可施加到未膨胀部分与已膨胀部分之间,以减少摩擦作用力,以及未膨胀部分与已膨胀部分之间的环形间隙。代替使已膨胀衬管部分膨胀抵靠井眼壁(如上所述)的是,已膨胀衬管部分可被膨胀抵靠已经存在于井眼中的另一管状元件的内表面。在此,如上面所描述的本发明可结合有如之前在W02008/061969中所述的辊,和/或可结合有如W02008/049826中所描述的其中任一层的外表面或内表面上的纵向凹槽,这两个专利文献均为了该目的而通过引用包含于本文。在所附的权利要求范围内,上面描述的实施例的许多修改是可以想到的。可例如将各个实施例的特征进行·组合。
权利要求
1.一种用于径向膨胀管状元件的方法,该方法包括以下步骤: -径向向外且在轴向反向方向上弯曲管状元件,从而形成围绕未膨胀管状部分延伸的已膨胀管状部分,其中在弯曲区域中发生弯曲; -通过促使弯曲区域在轴向方向上相对于未膨胀管状部分移动来增加已膨胀管状部分的长度;以及 -加热弯曲区域。
2.如权利要求1所述的方法,其中,增加已膨胀管状部分的长度的步骤包括将未膨胀管状部分推动到已膨胀管状部分中。
3.如权利要求1所述的方法,其中,钻柱延伸穿过未膨胀管状部分,并且其中操作钻柱以进一步钻出井眼。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,加热弯曲区域的步骤包括激活布置在弯曲区域附近的加热元件。
5.如权利要求4所述的方法,其中,加热元件包括电线圈。
6.如权利要求5所述的方法,其中,电线圈布置在未膨胀管状部分与已膨胀管状部分之间。
7.如权利要求5所述的方法,其中,电线圈附连到钻柱。
8.如权利要求5所述的方法,其中,通量集中器布置在电线圈附近,用于集中电磁场。
9.如权利要求4所述的方法,其中,加热元件包括一个或多个摩擦元件,所述摩擦元件附连到钻柱,并且在弯曲区域处或弯曲区域附近接合管状元件。
10.如权利要求4所述的方法,其中,加热元件包括用于混合两种或更多种输入流的混合元件。
11.如权利要求1所述的方法,其中,在未膨胀管状部分与已膨胀管状部分之间形成环形空间,该方法还包括将传热流体引入到环形空间中。
12.如权利要求12所述的方法,其中,传热流体在阈值温度以下凝固,从而停止通过促使弯曲区域在轴向方向上移动来增加已膨胀管状部分的长度的步骤。
13.如权利要求1所述的方法,还包括: -在未膨胀管状部分的上端部处轴向延伸未膨胀管状部分。
14.如权利要求3所述的方法,其中,在利用钻柱钻井期间同时穿过井眼下入未膨胀管状部分和钻柱。
15.一种用于径向膨胀管状元件的系统,所述系统包括: -管状元件,所述管状元件被径向向外并且在轴向反向方向上弯曲,从而形成围绕未膨胀管状部分延伸的已膨胀管状部分,其中在弯曲区域中发生弯曲; -顶管机,所述顶管机用于通过促使已膨胀管状部分在轴向方向上相对于未膨胀管状部分移动来增加已膨胀管状部分的长度;以及 -加热元件,所述加热元件布置在弯曲区域附近,用于加热弯曲区域。
全文摘要
本发明涉及一种用于径向膨胀管状元件(8)的系统和方法。该方法包括以下步骤径向向外且在轴向反向方向上弯曲管状元件(8),以便形成围绕未膨胀管状部分(8)延伸的已膨胀管状部分(10),其中在弯曲区域(14)中发生弯曲;以及通过促使弯曲区域(14)在轴向方向上相对于未膨胀管状部分(8)移动来增加已膨胀管状部分(10)的长度。该方法还包括加热弯曲区域的另一步骤。描述了能够进行加热的若干实施例。
文档编号E21B7/20GK103249905SQ201180058091
公开日2013年8月14日 申请日期2011年12月1日 优先权日2010年12月3日
发明者L·范登斯泰恩, P·C·克里塞尔斯 申请人:国际壳牌研究有限公司
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