井筒中的气态密封注入的制作方法

优先权要求

本申请要求于2018年5月30日提交的美国专利申请第15/992,835号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本公开涉及井处理，并且更具体地涉及通过油气井的套管-套管-环空内的水泥中的紧密的微裂纹和通道来堵塞和密封流体开口。

背景技术：

井控流体可以用在井筒密封操作、井筒测试操作或其它井下类型的堵塞操作中，以例如通过堵塞裂纹或裂缝来减小井筒或注水泥套管中的井下壁或表面的渗透性。有时，井控流体是一种液体凝胶或固体材料，所述液体凝胶或固体材料被注入到井筒的环空中到达环空位置以堵塞并密封环空中的裂纹或其它裂缝。

技术实现要素：

本公开描述了用于处理井的井处理系统，该井处理系统例如用于堵塞和密封井筒的注水泥环空中的裂纹或裂缝。

本公开的某些方面包括一种用于处理井的方法。该方法包括使被加热至气相的密封剂流动到设置在井筒的环空中的水泥，该环空形成在安装在井筒中的套管与套管的径向外侧的圆筒形壁之间，其中水泥包括随时间推移在水泥中形成的流体漏失开口。所述方法还包括使处于气相的密封剂流动通过环空的水泥中的流体漏失开口，并且响应于使密封剂流动通过流体漏失开口，将处于气相的密封剂冷却至产生密封剂的相变，该相变包括密封剂从气相到固相的沉积或密封剂从气相到液相的冷凝中的至少一种。该方法还包括响应于冷却密封剂，利用密封剂密封流体漏失开口。

该方面以及其它方面可以包括以下一个或多个特征。该方法可以包括：在加热室中加热密封剂并且将密封剂转化为气相。将密封剂转化成气相可以包括密封剂从固相到气相的升华或密封剂从液相到气相。的蒸发中的至少一种。加热室可以包括电加热室，并且加热密封剂可以包括在电加热室中加热密封剂。该方法可以包括使用以流体连通的方式到加热室的惰性气体室吹扫加热室。使密封剂流动到设置在井筒的环空中的水泥可以包括利用压缩机将密封剂泵送到水泥中。使密封剂流动到设置在井筒的环空中的水泥包括使处于气相的密封剂连续地流动到水泥中，直到环空的正压测试发生为止。使密封剂流动到设置在井筒的环空中的水泥可以包括使处于气相的密封剂从井筒的顶部井眼表面沿井身向下流动通过环空。流体漏失开口可以包括在井筒的水泥中的裂纹，并且利用密封剂密封流体漏失开口可以包括利用密封剂对井筒的水泥中的裂纹进行压力密封。处于气相的密封剂可以包括惰性气体。

本公开的某些方面包括用于处理井的井处理系统，该井处理系统包括加热室，该加热室以流体连通的方式连接至井筒的环空，该加热室用于将密封剂加热至气相。处于气相的密封剂用于与设置在井筒的环空中的水泥中的流体漏失开口接合，并且在冷却密封剂时，密封剂从气相相变到液相或固相中的至少一种并堵塞流体漏失开口。

该方面以及其它方面可以包括以下一个或多个特征。井处理系统可以包括用于使处于气相的密封剂从加热室流动到井筒的环空的气体压缩机。井处理系统可以包括套管四通法兰，所述套管四通法兰用于接收来自加热室的密封剂流并将所述密封剂流引导到井筒的环空中。设置在井筒的环空中的水泥中的流体漏失开口可以包括水泥中的裂纹。环空的水泥中的裂纹可以包括水泥中的微裂纹。加热室可以包括电加热室。井处理系统可以包括以流体连通的方式连接到加热室以吹扫加热室的惰性气体室。环空可以形成在安装在井筒中的套管与在套管的径向外侧的圆筒形壁之间。圆筒形壁可以包括第二套管，该第二套管从第一套管或井筒的内壁径向向外地安装在井筒中。

本公开的某些方面包括一种用于处理井的方法。该方法包括：使处于气相的密封组合物流动通过井中的流体漏失开口；将密封组合物冷却至产生密封组合物的相变，该相变包括密封组合物从气相到固相的沉积或密封组合物从气相到液相的冷凝中的至少一种；和响应于将密封组合物冷却至产生密封组合物的相变，利用密封组合物密封流体漏失开口。

该方面以及其它方面可以包括以下一个或多个特征。流体漏失开口可以包括设置在井的井筒环空中的水泥中的开口。该方法可以包括在使处于气相的密封组合物流动通过井中的流体漏失开口之前，在加热室中加热密封组合物，并将密封组合物转化为气相。

在附图和说明书中阐述了本公开中描述的主题的一种或多种实现方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，本主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是包括井处理系统的示例性井系统的示意性局部剖视图；

图2是示例性井处理系统的示意图；以及

图3和图4是示出用于处理井筒的示例性过程的流程图。

在各个附图中，相同的参考数字和标记指示相同的元件。

具体实施方式

本公开描述了用于密封例如在井筒的套管附近的注水泥环空中的井筒中的裂纹、裂缝或其它开口的系统和方法。井处理系统向一个或多个开口提供呈气态形式的密封剂，并且该密封剂冷却以发生从气相到固相或液相的相变以堵塞并密封一个或多个开口。本公开描述密封微裂纹，该微裂纹包括对于常规的液体或固体密封剂而言太小而无法填充的裂纹或其它开口。许多井筒包括：套管，该套管内衬井筒长度的至少一部分；以及水泥，所述水泥填充形成在套管和另一个外圆筒形壁(例如，井筒壁或另一个套管)之间的环空。由于随着时间的推移，水泥易于开裂和磨损，因此井流体或地层流体(或两者)的迁移可以通过水泥中的流体漏失开口发生，例如通过水泥中的与流体开口区域连通的裂纹和微通道发生。本公开描述了将气态密封剂注入到裂纹和微通道以及其它流体漏失开口中，并且本公开描述了当密封剂被设置在流体漏失开口内时密封剂到固体或液体形式的相变，从而堵塞和密封流体漏失开口以防止流体漏失或其它流体迁移。尽管本公开描述了在井筒的环空的水泥中的微裂纹或其它流体漏失开口，但是流体漏失开口可以存在于井筒的其它区域中。例如，流体漏失开口可以存在于井筒的裸眼部分中，存在于设置在井筒内的井下型井工具中，存在于井筒套管中，存在于这些的组合或井筒内的其它表面中。本公开也适用于这些额外的流体漏失开口的密封。

在常规的密封系统中，液相或固相密封流体(例如，凝胶流体或水泥浆)被泵送到井筒的裂纹或其它流体漏失开口的位置以密封该开口。流体漏失开口可以包括裂纹、裂缝、射孔或井筒中的部件(例如套管、井筒环空中的水泥、井工具、地层或井系统的其它部件)中的其它开口。然而，在某些情况下，由于形成开口的介质的渗透性不足，因此使密封剂在其液相或固相中流动到流体漏失开口可能是困难的或不可能的。相反，使密封剂以气态形式流动更加容易，这是因为处于气相的密封剂能够流动通过具有一渗透性的介质，所述渗透性则可能会限制液相或固相密封剂流动通过所述介质。例如，液相或固相密封流体太大而无法渗透和密封一些小型(例如，微型)的流体漏失开口。例如，微裂纹的尺寸可以为十至五十微米。水泥具有天然孔隙率，但渗透率有限，除非例如在油井或气井的整个生命周期中形成微裂纹或较大的裂纹，并且所述微裂纹或较大的裂纹相互连接，并导致从高压地层到地面井口装置的压力传递。在本公开中，密封组分例如在井筒的地面处的加热室中被加热至气相，然后被泵送到流体漏失开口(一个或多个)的位置。处于其气相的密封组分可以进入包括小型开口和微裂纹的流体漏失开口，然后冷却至其固相或其液相以堵塞流体漏失开口。处于气相的密封剂可以进入较小的开口，如处于液相或固相的密封剂无法进入或流入到其中的微裂纹。例如，在水泥环空中，密封剂可以流入到由水泥中形成的微裂纹产生的一个或多个流体连通通道并密封所述流体连通通道。密封剂或密封组分将在后面更详细地描述。密封井筒环空的水泥中的微裂纹和其它流体漏失开口可以减少或消除环空中不想要的流体流，例如石油或天然气流，并减少或消除环空和相应井口装置中的压力累积。水泥中的微裂纹和其它流体漏失开口的密封可以帮助减少或消除井口装置处存在高压和在井的套管后的可能的窜流。

图1是示例性井系统100的示意性局部截面侧视图，所述井系统100包括从地面105处的井口装置104向下延伸到地球内进入到一个或多个感兴趣地下层带的大致圆筒形的井筒102。在示例性井系统中，一个或多个感兴趣地下层带包括第一地下层带106和第二地下层带107。井系统100包括垂直井，在所述垂直井中，井筒102从地面105基本垂直地延伸到第一地下层带106和第二地下层带107。然而，此处描述的概念可适用于井的许多不同构造，包括垂直井、水平井、倾斜井或以其他方式偏斜的井。

在钻进部分或全部井筒102之后，井筒102的从井口装置104延伸至地下层带106或地下层带107的一部分可以被内衬有一定长度的管件，所述管件被称为套管或衬管。井筒102可以分段钻进，套管可以安装在各段之间，并且可以执行固井操作以在套管和从套管径向向外定位的圆筒形壁之间分段注入水泥。圆筒形壁可以是井筒102的内壁，使得水泥被设置在套管和井筒壁之间，圆筒形壁可以是第二套管，以使得水泥被设置在两个管状套管之间，或者圆筒形壁可以是套管径向外侧的不同的大致管状或圆筒形表面。在图1的示例性井系统100中，系统100包括第一衬管或第一套管108，例如地面套管，所述第一衬管或第一套管由管件的内衬井筒102的从地面105延伸到地球中的第一部分的长度限定。第一套管108被示出为仅部分地沿井筒102延伸并延伸到地下层带106中；然而，与图1中示意性示出的相比，第一套管108可以更进一步地延伸到井筒102中或在井筒102中沿井身更进一步向上终止。在第一套管108和井筒102的内壁之间且在第一套管108的径向外侧的第一环空109被示出为填充有水泥。示例性井系统100还包括第二衬管或第二套管110，该第二衬管或第二套管110从第一套管108径向向内定位，并且由管件的内衬井筒102的第二部分的长度限定，该第二衬管或第二套管110比第一套管108更进一步地延伸到井筒102的井下。所示的第二套管110仅部分地沿井筒102延伸并延伸到第二地下层带107中，且井筒102的其余部分被示出为裸眼(例如，没有衬管或套管)；然而，比图1中示意性地示出的第二套管110相比，第二套管110可以进一步地延伸到井筒102中或者在井筒102中沿井身更进一步向上终止。在第二套管110的径向外侧且在第一套管108和第二套管110之间的第二环空111被示出为填充有水泥。第二环空111可以部分地或全部填充有水泥。在某些情况下，该第二环空111是例如套管-套管环空(cca)，因为套管-套管环空是井筒中两个管状套管之间的环空。尽管图1示出示例性井系统100包括两个套管(第一套管108和第二套管110)，但是井系统100可以包括更多套管或更少套管，例如一个、三个、四个或更多个套管。在一些示例中，井系统100不包括套管，并且井筒102是至少部分或完全的裸眼井筒。

井口装置104限定井系统100的其它设备的用于附接到井102的附接点。例如，井口装置104可以包括圣诞树结构，该圣诞树结构包括用于调节流入或流出井筒102的流的阀，套管附件(例如连接到套管环空(一个或多个)的套管四通出口)，这些元件的组合，或结合在井口装置104中的其它结构。在图1的示例性井系统100中，井柱112被示出为已经从地面105处的井口装置104被下入到井筒102中。在一些情况下，井柱112是一连串连接长度的首尾相接的管件或连续的(或未连接的)连续油管。井柱112可以组成在井系统100的使用寿命期间使用的作业柱、测试柱、生产柱、钻柱或其它井柱。井柱112可以包括许多可以钻进、测试、生产、干预或以其它方式接合井筒102的不同的井工具。例如，图1将井柱112示出为包括在井柱112的最底部的井下端处的井工具114。

示例性井系统100还包括例如通过流体导管118以流体连通的方式连接至井口装置104的井处理系统116。井处理系统116向井口装置104提供密封剂材料，这将密封剂引导至井系统100内的位置。例如，井系统100的部件(例如第一环空109的水泥或第二环空111的水泥)可以包括流体漏失开口，该流体漏失开口允许不希望的流体在井筒102、环空或井系统100中的其它位置内迁移。流体漏失开口可以包括裂纹、裂缝、射孔或其它允许不希望的流体流动或泄漏的开口。井处理系统116向这些流体漏失开口中的一个或多个提供密封剂材料，以部分地或完全地密封一个或多个流体漏失开口，从而减少或防止通过一个或多个流体漏失开口的流体迁移。

图2是示例性井处理系统116的示意图，所述井处理系统116可以在图1的井系统100中使用。井处理系统116产生呈气态形式的密封剂组合物，并将气态密封剂提供给井筒(例如井筒102)的期望部分。例如，参照图1和图2，示例性井处理系统116可以向井口装置104提供气态密封剂，特别是井口装置104的套管四通侧法兰，并且井口装置104可以将气态密封剂引导至井筒102的环空，例如第一环空109、第二环空111或井筒102的另一个环空或cca。由于第一环空109和第二环空111被注水泥，因此气态密封剂可以被注入到这些环空中一个或多个中，并且可以流动这些环空的水泥中的任何流体漏失开口并流动通过所述任何流体漏失开口，并可以冷却至固相或液相密封剂，以填充、堵塞、阻塞或以其它方式密封水泥中的流体漏失开口。例如，在套管四通出口法兰处通过压力计监测的注水泥环空中的高压积聚可以表明水泥中形成的微裂纹的存在。响应于这种监测到的高压，密封剂注入过程可以继续以部分或全部地密封环空中的水泥中的流体连通通道。

图2的示例性井处理系统116包括彼此以流体连通的方式连接的加热器202、压缩机204和吹扫组件206、以及以流体连通的方式连接井处理系统116并允许密封剂流动到井口装置104的流体导管118。加热器202包括加热室208，所述加热室用于将密封剂加热到气相。在一些实施方式中，加热器202包括电加热室208，所述电加热室在密封剂的加热过程期间被密封以免于大气。在其它实施方式中，加热器202可以包括燃烧型加热器或其它非电加热室。然而，在示例性井处理系统116是井系统的一部分并且可能被暴露于井系统处存在的碳氢化合物或其它可燃材料的实施方式中，燃烧型加热器可能是危险的，而电型加热器是优选的。

在加热室208中被加热之前，密封剂可以是处于固相、液相或两者的组合，例如混合相凝胶型材料。固相或液相密封剂212在图2中被示出为在相变成气态密封剂之前设置在加热室208中。密封剂的示例可以发生变化，并且密封剂可以通过汽化或升华在加热器202中转变成气相。在一些实施方式中，密封剂是惰性的，这是因为所述密封剂不会与钢、水泥或包括水或碳氢化合物的地层流体发生化学反应。在某些实施方式中，密封剂可以在相对较低的温度(例如在250摄氏度至300摄氏度之间)下汽化或升华，并且沸点在施加压力的情况下变化较低。例如，当在压缩机204内时，由于压缩机204内部的压力，处于气相的被加热的密封剂在注入期间保持其相并且不会返回到其初始相，例如固相或液相。在一些示例中，密封剂可以包括凯夫拉尔纤维、焦油、萘、其它化学品或化学品混合物、或这些的组合。

加热器202将其加热室208中的密封剂加热到高于密封剂材料的汽化温度或升华温度的温度，以引起密封剂到其气相的相变。在密封剂处于气相的情况下，井处理系统116可以使密封剂流动到井系统的流体漏失开口(一个或多个)并流动通过所述流体漏失开口，并且在密封剂冷却之后，当密封剂被设置在流体漏失开口(一个或多个)中时，密封剂可以返回到其初始固相、液相或混合相，从而密封(部分或全部地)流体漏失开口以防止流体迁移。密封剂的加热温度和冷却温度取决于密封剂沸点温度。在一个示例中，如果密封剂的沸腾温度和蒸发温度为250摄氏度(℃)，则密封剂在被向下注入到环空中的水泥的裂纹中之前，应在加热器202中被加热至300℃-350℃。当密封剂行进穿过水泥裂纹时，密封剂将逐渐散失热量，并在相同的250℃的沸点下返回其初始相。在一些示例中，密封剂可以在加热器202中被加热至比其沸腾温度、蒸发温度或升华温度高的50-100℃，然后注入到注水泥环空中以填充由微裂纹产生的流体漏失开口和通道。密封剂然后可以逐渐冷却到其沸腾温度、蒸发温度或升华温度以下，同时留在流体漏失开口和通道中，从而密封流体漏失开口和通道。由密封剂产生的密封件可以是部分或完全压力密封件、部分或完全流体密封件、部分或完全阻塞件或其它类型的密封件。在一些示例中，井筒和周围地球的温度比注入的气态密封剂低得多。因此，密封剂冷却下来并在冷却时间后返回到其固相或液相。随着执行更多的注入，更多的固体或液体密封剂填充裂纹，并阻止任何进一步的注入。一旦注入压力达到预定的最大水平，就可以停止注入。由于环空的温度小于密封剂的汽化或升华温度，因此可以自然地发生密封剂从其气相到其初始液相或固相的冷却。密封剂被注入水泥中，并占据水泥中的裂纹、渗漏点或其它流体漏失开口中存在的空间，并自然冷却下来，这促使密封剂相变回到其固相或液相。

在一些实施方式中，如图2所示，压缩机204将气态密封剂从加热器202向井系统的流体漏失开口泵送。压缩机204是气体压缩机，并且将气态密封剂的受控注入压力提供给流体导管118。压缩机204可以以连续压力在较高和较低压力的周期中或以另一注入方式经由流体导管118将气态密封剂泵送至井筒102的环空。

在某些情况下，井处理系统116、井口装置104或两者都包括压力传感器(未显示)，以监测第一环空109、第二环空111、井筒102、作业柱112或这些的组合中的压力。例如，在井处理系统116将气态密封剂提供给第二环空111(cca)的情况下，压力传感器可以监测第二环空111中的压力。来自压力传感器的监测数据可以用于确定注入压力、注入过程周期、压力测试周期以及这些的组合。在一些示例中，当井处理系统116在注入过程周期中向第二环空111提供气态密封剂时，来自压力传感器的正压测试结果可以表明不可能进行进一步的密封剂注入，第二环空111的水泥中的流体漏失开口被密封，或者两者情况都有。

如前所述，第一环空109中的水泥、第二环空111中的水泥或两个环空中的水泥都易于产生裂纹或其它磨损，该裂纹或其它磨损会允许流体泄漏和不希望的流体迁移通过水泥。处于气相的密封剂比处于固相或液相的密封剂具有更高的注入可能或渗透率。利用井处理系统116，与固体或液体密封剂相比，气态密封剂可以以更高的注入可能性和渗透率被引入并注入到流体漏失开口中，一旦密封剂已经设置在流体漏失开口内，所述密封剂仍然可以冷却并相变到其初始固相或液相。

在一些实施方式中，在完成密封剂的加热和注入过程之前或完成当时(或两者情况都存在)，加热器202的加热室208被吹扫组件206吹扫。图2的示例性吹扫组件206包括一个或多个惰性气体缸210(示出了五个)，且每个惰性气体缸210均具有受控阀，该受控阀控制从缸210到加热器202的加热室208的惰性气体供应。供应到加热室208的惰性气体吹扫加热室208，例如以降低高温下加热室208中任何残留材料的不期望燃烧的风险或防止该不期望的燃烧。在一些示例中，在密封剂的加热过程之前，惰性气体用于通过流体导管118中的排气阀(未示出)将所有空气推出加热室208，并将所述空气释放到大气，或将所述空气引导至单独的吹扫储罐。在加热过程期间，惰性气体可以用于吹扫加热室208，并将室208内的气态密封剂212推入到压缩机204中，以被注入到套管环空中。在一些实施方式中，加热、吹扫和注入过程以周期的方式被重复，直到在环空中达到期望的压力锁定并且不再可能进行注入为止。惰性气体缸210可以包括氮气、氦气或其它惰性气体的惰性气体供应。

图3是描述例如由图2的示例性井处理系统116执行的用于处理井的示例性方法300的流程图。在302处，被加热至气相的密封剂流动到设置在井筒的环空中的水泥。环空形成在安装在井筒中的套管与套管径向外侧的圆筒形壁之间，其中水泥包括随时间推移在水泥中形成的流体漏失开口。在304处，处于气相的密封剂流动通过井筒的水泥中的流体漏失开口。在306处，将处于气相的密封剂冷却至产生密封剂的相变。该相变包括密封剂从气相到固相的沉积或密封剂从气相到液相的冷凝中的至少一种。在308处，密封剂响应于冷却密封剂而密封流体漏失开口。

图4是描述用于处理井的示例性方法400的流程图，该方法例如由图2的示例性井处理系统116执行。在402处，处于气相的密封组合物流动通过井中的流体漏失开口。在404处，将密封组合物冷却至产生密封组合物的相变。该相变包括密封组合物从气相到固相的沉积或密封组合物从气相到液相的冷凝中的至少一种。在406处，密封组合物响应于将密封组合物冷却至产生密封组合物的相变而密封流体漏失开口。

已经描述了许多实施方式。然而，将理解的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。