利用减小的表面压力钻探的方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种钻探方法包括在形成于地下地岩层中的井(14)中布置具有入口流体导管(9)和返回流体导管(10)的双钻柱(20)，使得在双钻柱(20)和井(14)的壁(21)之间形成井环空(22)。分隔物元件(3)设置在井环空(22)中以将井环空(22)分隔成上部环形区域(5)和下部环形区域(12)，上部环形区域(5)在分隔物元件(3)上方延伸至井环空(22)的表面，下部环形区域(12)在分隔物元件(3)下方朝井环空(22)的底部延伸。下部环形区域(12)包含第一流体(25)。第二流体(27)被进给到上部环形区域(5)中。该方法包括配置第二流体使得第二流体(27)的密度大于第一流体(25)的密度。
【专利说明】利用减小的表面压力钻探的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及钻井的方法和系统。
【背景技术】
[0002]为了从地下地岩层中的储层提取烃类流体，在地岩层中钻出井。钻探技术的发展已演化出在任何方向上钻井的可能性，例如以便提取存在于所钻探的地岩层中的尽可能多的烃类流体。井可以例如包括基本上竖直的部段和从竖直部段偏离的至少一个部段，可能地基本上水平的部段。从基本上竖直的部段偏离的部段趋向于较长，常常延伸几千米进入地岩层中。为了满足增加能源储备的日益增加的需求，烃类勘探正向更深的水域推进，并且井的深度在不断增加。
[0003]通常通过将钻柱一端上的钻头插入井中来进行钻探。钻柱的重量与钻柱的长度成比例。当在较大的水深处钻探时，水的深度也影响井中的压力条件，并且增加到钻柱的重量上。人们不希望地岩层流体在钻探期间渗入钻出的井中；因此，由钻探系统施加在地岩层上的压力应高于地岩层孔隙压力。钻探系统也应理解为包括在钻柱和无衬地岩层壁之间添加的流体。利用这种流体，人们还能在钻探期间控制井，并且因此将防止井喷。同时，还需要限制穿透无衬地岩层壁的钻井流体的量，并且也需要在生产开始之前防止钻出的井筒的侧壁破裂。这意味着由钻探系统施加的压力不得超出地岩层的破裂压力。地岩层孔隙压力也依赖于静液柱，并且在较大水深处，地岩层孔隙压力增加。当由钻探系统施加的压力朝由地岩层孔隙压力和地岩层破裂压力限定的边界移动时，在钻探可以继续之前，必须通过套管或尾管对井加套管。因此，需要提供一种钻探的方法，由此，钻探可以在地岩层孔隙压力和地岩层破裂压力之间的容许压力范围内继续更长的时段，即更宽的钻井窗口。
[0004]术语“钻探”应理解为是指借助于钻柱在地下建立孔。它尤其适用于在海上或陆地上在地壳中钻进，以用于回收烃类、隧道、水道或为了回收地热能。
[0005]WO 2010/039043 Al描述了一种包括工具单元的井下钻井工具。工具单元包括至少一个第一流体导管和返回流体导管，并且工具单元布置成置于井筒中，限定井单元和井筒或带套管的井筒之间的环形空间。返回流体导管可以布置在第一流体导管，在第一流体导管和返回流体导管之间留下环形空间以供第一流体流动，并且其中返回流体导管在返回流体导管的居中布置的空间内行进。
[0006]从文献WO 94/13925 Al知道利用彼此紧邻布置的双管道钻探，其中一根管道用于流体从表面到钻头的泵送，并且另一根管道用作供钻出的钻屑和流体从钻头到表面设施的返回管线。在钻柱的下部处，在钻头上方布置有密封活塞。在活塞上方为闭合管道和井筒壁或套管之间的空间的密封件，限定所述活塞和密封件之间的体积。泵入该体积内的诸如液压流体的加压流体液压地抵靠孔眼的底部施力于活塞和因此钻头。当在地岩层中钻探并试图到达潜在的烃类储层时，可能遇到具有比周围地岩层更高的地岩层孔隙压力的区域。这些区域可能是高压气体或水的气阱或贮存器。通过常规的钻探技术钻穿这样的区域可能是困难的或甚至不可能的，因为很难在欠平衡钻井(UBD)的同时或利用控制压力钻井(MPD)对孔隙压力保持控制，并且仍然进一步下探到高压地岩层区域。UBD是指套管或尾管内部的流体静压小于储层压力的钻探状态，而MPD是在地岩层孔隙压力和地岩层破裂压力之间的差值较低时的合适方法。MPD是用来更精确地控制贯穿井筒的环形压力分布的自适应钻探方法。
[0007]为了能够钻进，钻探系统的重量必须高于地岩层孔隙压力。有可能在活塞上方泵送诸如液压流体的加压流体，但这样旋转控制装置(RCD)(通常布置在井的顶部处且限定活塞和井的顶部之间的环形体积的上边界)将不得不经受来自泵出的加压流体的压力。因为钻柱伴随泥浆穿过RCD而旋转，对于这些产品来说将始终存在受限制的压力/旋转范围。
【发明内容】
[0008]在本发明的一方面，钻探方法包括在地岩层中钻出的井中布置具有一个入口流体导管和一个返回流体导管的双钻柱，使得在双钻柱和井的壁之间形成井环空。该方法包括在井环空中布置分隔物元件以将井环空分隔成上部环形区域和下部环形区域，上部环形区域在分隔物元件上方延伸至井环空的表面，下部环形区域在分隔物元件下方朝井环空的底部延伸。该方法包括将具有第二密度的第二流体进给到上部环形区域。进给包括配置第二流体使得第二密度大于第一密度。
[0009]在一个实施例中，第一流体的至少一部分是来自地岩层的流体。
[0010]在一个实施例中，进给第二流体包括将第二流体作为未加压流体提供。
[0011]在一个实施例中，该方法还包括在暴露于上部环形区域的分隔物元件的上表面和暴露于下部环形区域的分隔物元件的下表面中的至少一个处或附近测量压力。
[0012]在一个实施例中，该方法还包括使用测量的压力来选择性地调整第二密度，使得在井的钻探期间第二密度保持大于第一密度。
[0013]在一个实施例中，该方法包括在井环空的表面附近布置旋转控制单元。作用在旋转控制单元上的压力将由井中的压力和井环空中的流体的密度确定。
[0014]在本发明的另一方面，钻探系统包括具有一个入口流体导管和一个返回流体导管的双钻柱。双钻柱布置在形成于地岩层中的井中，使得井环空形成于钻柱和井的壁之间。布置在环空中的分隔物元件将井环空分隔成在分隔物元件上方延伸至井环空的表面的上部环形区域和在分隔物元件下方朝井环空的底部延伸的下部环形区域。下部环形区域包含具有第一密度的第一流体。具有第二密度的第二流体设置在上部环形区域中，在那里，第二密度大于第一密度。
[0015]在一个实施例中，钻探系统还包括流体入口，第二流体通过该入口进给到上部环形区域内。
[0016]在一个实施例中，钻探系统还包括布置在井环空的表面附近的旋转控制单元，在那里，旋转控制单元与流体入口连通。
[0017]在一个实施例中，钻探系统还包括布置在井环空的表面附近与旋转控制单元连接的防喷器，防喷器形成上部环形区域的上边界。
[0018]在一个实施例中，钻探系统还包括用于在暴露于下部环形区域的分隔物元件的下表面处或附近测量压力的装置。
[0019]在一个实施例中，钻探系统还包括用于在暴露于上部环形区域的分隔物元件的上表面处或附近测量压力的装置。
[0020]在一个实施例中，分隔物元件为活塞。
[0021]在一个实施例中，分隔物元件固定到双钻柱。
[0022]在另一个实施例中，分隔物元件可相对于双钻柱移动。
[0023]在一个实施例中，双钻柱的两个流体导管为同心的。
[0024]在一个实施例中，第一流体的至少一部分是来自地岩层的流体。
[0025]在一个实施例中，第二流体为未加压的。
[0026]应当理解，上述
【发明内容】
和下面的【具体实施方式】是本发明的示例，并且旨在提供用于理解本发明所要求保护的本发明的性质和特征的概述或框架。附图是为了提供对本发明的进一步了解而包含的，并且被纳入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种实施例并且与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]以下是对附图中的图的描述。附图未必按比例绘制，并且附图的某些特征和某些视图可能为了清楚和简明起见而按比例放大或以示意性方式显示。
[0028]图1示出具有根据本发明的一个实施例的钻探系统的井。
[0029]图2是示出对于两种不同重量的流体来说作为井环空中的深度的函数的压力的坐标图。
【具体实施方式】
[0030]在以下详细描述中，可阐述许多具体细节以便提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员明显的是，本发明的实施例可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况下，可能不详细描述熟知的特征或过程，以免使本发明不必要地难理解。此外，类似或相同的附图标记可用于标识共同或类似的元件。
[0031]本发明涉及一种方法，该方法控制井环空中的压力，使得在井环空附近的旋转控制单元(RCD)处的压力保持较低。该方法涉及使用布置在井环空中的通常为活塞的分隔物元件的使用。该布置使得存在分隔物元件下方的流体和分隔物元件上方的流体，其中分隔物元件上方的流体为重流体，并且分隔物元件下方的流体为轻流体，即，分隔物元件上方的流体具有比分隔物元件下方的流体更高的密度。在图2中，线A表示作为系统的深度的函数的井环空中的压力，其中轻流体在分隔物元件下方，并且重流体在分隔物元件上方。相比之下，线B表示当分隔物元件上方和下方的流体均为例如具有基本上相等的密度的轻流体时或者当井环空中不存在分隔物元件时作为深度的函数的井环空中的压力。如图2所示，线A和线B具有相同的井底压力，如在Pl处所指示的。在分隔物元件正下方，在P2处，线A和线B的压力也相同。在分隔物元件上方，线A从线B分开。线A和线B的表面压力分别在P3和P4处示出。如图所示，线A的表面压力低于线P4的表面压力。这是由于由线A表示的在系统中的分隔物元件上方的重流体。这意味着，由线A表示的系统中的RCD将经受比由线B表示的系统中的RCD低的表面压力。这种作用于RCD上的压力的减小将允许更宽的钻井窗口。如果由线A表示的系统中的重流体为未加压的，那么作用于RCD上的压力可以低至零。[0032]图1示出了根据本发明的一方面的钻探系统I。钻探系统I将呈现出与图2的线A类似的井环空中的压力，如上所述。钻探系统I在海上钻探的背景下示出，但它也可以应用于陆上钻探。井14已钻穿地岩层32并且正钻穿覆盖烃类地岩层36的高压地岩层34。井14的上部设有套管2。井14的下部不带套管。钻探系统I由具有双管道的钻柱20组成。管道可以是同心的或彼此紧邻定位。在所示实施例中，管是同心的。第一管道29具有连接到入口流体导管10的入口流体路径A。第二管道30具有连接到返回流体导管9的返回流体路径B。返回流体导管9在入口流体导管10的内部上，但在备选实施例中，入口流体导管10可以在返回流体导管9的内部上。钻柱20的下部具有井底钻具组合(BHA) 15和钻头4，钻头4在其下端中具有钻井流体出口 18。BHA 15可以设有隔断阀16。钻屑入口 17定位在BHA 15的上部上。
[0033]钻柱20布置在井14中，使得在钻柱20和井14的壁21之间形成井环空22。诸如活塞、柱塞或油缸3的分隔物元件3在钻柱20的外部上布置在井环空22中。分隔物元件3将井环空22分隔成在分隔物元件3上方的上部环形区域5和在分隔物元件3下方的下部环形区域12。上部环形区域5从分隔物元件3的上表面3b延伸至井环空22的表面，而下部环形区域12从分隔物元件3的下表面3a朝井环空22的底部延伸。在一个实施例中，下部环形区域12 —直延伸至井14的底部。分隔物元件3可以插入带有套管2的井14的区域中或裸眼中。在一个实施例中，分隔物元件3固定到钻柱20。在这种情况下，如果作用于分隔物元件3的上表面3b上的力大于作用于分隔物元件3的下表面3a上的力，分隔物元件3将趋于向下移动。如果在分隔物元件3上的净力克服钻柱20的重量，钻柱20将通过分隔物元件3的运动向下(即，朝着井14的底部)施力。在另一个实施例中，分隔物元件3不固定地钻柱20并且相对于钻柱20自由移动。
[0034]在井14的表面或井环空22附近，在靠近海底13的区域中布置有防喷器(BOP) 8和旋转控制装置(RCD) 7。RCD 7与罐(未示出)或类似储存设施连通，该设施用于通过流体入口 6储存诸如钻井流体的流体。流体入口 6还通向限定在分隔物元件3上方的上部环形区域5。用于旋转或驱动钻柱的顶部驱动转接器11布置在水面船舶或平台(未示出)处。
[0035]当在井14中进行钻探操作时，钻探系统I还包括包含在下部环形区域12中的下部环形区域流体25和设置在上部环形区域5中的上部环形区域流体27。在一个实施例中，下部环形区域流体25的至少一部分来自在其中钻出井14的(多个)地岩层。下部环形区域流体25的剩余部分可以来自从钻柱20排入井14的底部中的流体。下部环形区域流体25将在分隔物兀件3的下表面3a上施加第一压力。
[0036]上部环形区域流体27可以通过流体入口 6进给到上部环形区域5中。上部环形区域流体27将在分隔物元件3的上表面3b上施加第二压力。上部环形区域5可以部分地或完全地用上部环形区域流体27填充。在上部环形区域5中的流体的柱的表面处的压力将决定在井环空22的表面处的压力。作用于RCD 7上的压力将由在井14中的压力和井环空22中的流体的密度确定，该密度与井环空22中的压力有关。
[0037]在一个实施例中，上部环形区域流体27的密度大于下部环形区域流体25的密度。在这种情况下，在分隔物元件3的上表面3b处的流体静压将大于在分隔物元件3的下表面3a处的流体静压。在一个实施例中，上部环形区域流体27为“未加压的”，即，不具有人为产生或保持的升高的压力。如果上部环形区域流体27为未加压的，那么在井环空22的表面处且作用于RCD 7上的压力将基本上为零。上部环形区域流体27可以是例如钻井流体。一般来讲，上部环形区域流体27可以是液体、一种或多种液体的混合物、或一种或多种液体与一种或多种类型的固体颗粒的混合物。上部环形区域流体27的组成将被选择以实现所需的密度，该密度将优选地大于下部环形区域流体25的密度。通常，上部环形区域流体27的密度将大于l.0kg/1。
[0038]在一个实施例中，在分隔物元件3的上表面3b处或附近布置有压力传感器24，以测量上表面3b处或附近的压力。备选地或附加地，压力传感器26可布置在分隔物元件3的下表面3a处或附近，以测量下表面3a处或附近的压力。如此前所提及的，上部环形区域流体27的密度需要大于下部环形区域流体25的密度。如果上部环形区域流体27的密度大于下部环形区域流体25的密度，那么在分隔物元件3的上表面3b处或附近测量的压力将大于在分隔物元件3的下表面3a处或附近测量的压力。如果传感器24、26的输出表明上部环形区域流体27的密度不大于下部环形区域25的密度，那么上部环形区域流体27的密度可以增加。表面3a、3b处或附近的压力的监测可以在钻探过程期间的不同时间进行。这是因为在下部环形区域12中的条件可能随时变化，例如由于地岩层流体流入或沿钻柱20向下泵送的流体的组成中的变化。上部环形区域流体27的密度的调整可以是手动的或自动的。
[0039]如上所述，通过使用在分隔物元件3上方的重流体减小作用于RCD 7上的压力的方法可以与诸如欠平衡钻井模式、控制压力钻井模式和过平衡钻井模式的任何钻井模式一起使用。这意味着上部环形区域流体27的密度的选择可以受地岩层孔隙压力影响。
[0040]虽然本发明结合一些优选实施例进行描述，但可以做出变型。例如，流体流动方向以及钻屑和钻井流体的入口和出口可以互换。本领域的技术人员应理解，存在可以在所附权利要求中限定的本发明的范围内做出的其它变型和修改。
【权利要求】
1.一种钻探方法,包括: 在地岩层中钻出的井(14)中布置具有一个入口流体导管(9)和一个返回流体导管(10)的双钻柱(20)，使得在所述双钻柱(20)和所述井(14)的壁(21)之间形成井环空(22)； 将分隔物元件(3)设置在所述井环空(22)中以将所述井环空(22)分隔成上部环形区域(5)和下部环形区域(12)，所述上部环形区域(5)在所述分隔物元件(3)上方延伸至所述井环空(22)的表面，所述下部环形区域(12)在所述分隔物元件(3)下方朝所述井环空(22)的底部延伸，所述下部环形区域(12)包含具有第一密度的第一流体；以及 将具有第二密度的第二流体进给到所述上部环形区域(5)中，所述进给包括配置所述第二流体，以使得所述第二密度大于所述第一密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一流体的至少一部分是来自所述地岩层的流体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括将所述第二流体作为未加压流体而提供。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括:在暴露于所述上部环形区域 (5)的所述分隔物元件(3)上表面(3b)和暴露于所述下部环形区域(12)的所述分隔物元件(3)下表面(3a)中的至少一个处或附近而测量压力。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，还包括使用所述测量的压力来选择性地调整所述第二密度，以使得所述第二密度在所述井的钻探期间保持大于所述第一密度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括将旋转控制单元布置在所述井环空的所述表面附近，其中，作用于所述旋转控制单元上的压力由所述井中的压力和所述井环空中的流体的密度确定。
7.—种钻探系统(1)，包括: 双钻柱(20)，其布置在形成于地岩层中的井(14)中，以使得在所述双钻柱(20)和所述井(14)的壁(21)之间形成井环空(22)，所述双钻柱具有一个入口流体导管(10)和一个返回流体导管(9)； 分隔物元件(3)，其布置在所述井环空(22)中以将所述井环空(22)分隔成上部环形区域(5)和下部环形区域(12)，所述上部环形区域(5)在所述分隔物元件(3)上方延伸至所述井环空(22)的表面，并且所述下部环形区域(12)朝向所述井环空(22)的底部在所述分隔物元件(3)下方，所述下部环形区域(12)包含具有第一密度的第一流体(25);以及 第二流体(27)，其具有第二密度且设置在所述上部环形区域(5)中，所述第二流体被配置成使得所述第二密度大于所述第一密度。
8.根据权利要求7所述的钻探系统(I)，还包括流体入口(6)，所述第二流体通过所述流体入口(6)进给到所述上部环形区域(5)中。
9.根据权利要求8所述的钻探系统(I)，还包括布置在所述井环空(22)的所述表面附近的旋转控制单元(7),所述旋转控制单元(7)与所述流体入口(6)连通。
10.根据权利要求9所述的钻探系统(I)，还包括与所述旋转控制单元(7)连接而布置在所述井环空(22)的所述表面附近的防喷器，所述防喷器(8)形成所述上部环形区域(5)的上边界。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的钻探系统(I)，还包括用于在暴露于所述下部环形区域(12)的所述分隔物元件(3)下表面(3a)处或附近而测量压力的装置。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的钻探系统(I)，还包括用于在暴露于所述上部环形区域(5)的所述分隔物元件(3)上表面(3b)处或附近而测量压力的装置。
13.根据权利要求7至12中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述分隔物元件(3)为活塞。
14.根据权利要求7至13中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述分隔物元件(3)固定到所述双钻柱(20)。
15.根据权利要求7至13中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述分隔物元件(3)能相对于所述双钻柱(20)移动。
16.根据权利要求7至14中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述双钻柱的所述两个流体导管(9，10)为同心的。
17.根据权利要求7至16中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述第一流体(25)的至少一部分是来自所述地岩层的流体。
18.根据权利要求7至17中的任一项所述的钻探系统(I)，其中，所述第二流体(27)是未加压的。
【文档编号】E21B17/20GK104040107SQ201280053006
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年8月22日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】O.M.维斯塔维克 申请人:里尔韦尔公司