专利名称：在下套管井中地层取样的设备和方法
技术领域：
本发明属于井筒周围地层探测领域，尤其涉及下套管井眼的钻孔、测压、下套管井周围地层中的流体取样以及下套管中孔眼的再封堵。
尽管当今寻找石油和天然气资源日益迫切，但是在北美，每年仍有二百多口油井要被废弃，再加上有几千口井处于空转状态。这些废弃油井在数量上和经济上考虑都被认为已不能再产油气了，然而这些油井中的大部分都是在六十年代末和七十年代钻进的，当初所采取的测井技术，按现在的标准只能算是原始的测井技术。最近的研究证明了在这些废弃油井中还储藏有大量的可开采石油和天然气(可能达100～200兆立方英尺)，用传统的开采技术，这么多的石油天然气就只能白白地丢掉了。由于这些油井已经花费了钻井、下套管和注水泥方面的大量资金，因此，利用这些油井生产石油和天然气将是一项投资少、又能提高碳氢化合物和天然气的产量的事业。
在测井过程中，油藏工程师用来判定是否具有可开采资源的参数中，最重的是井下压力。通常在打钻(开孔)完成后立即进行测井(测压和流体取样)，从而确定第一个生产层和第二个生产层的位置。在钻井和地层井筒形成过程中，在井筒的一段或多段处需要用钢套管加固和支撑井筒周围的地层。在套管的外面要用水泥来使套管固定在一个位置上、提高结构的完整程度以及在地层和套管之间进行封堵。
在许多种情况下，为了从地层中开采资源和在套管的后面作测试，如果需要，还要穿过周围的水泥，都需要穿过套管和水泥打一个或多个钻孔。例如，工业上利用一种工具，它可以沿钢丝绳下放到井筒的套管区段，这种工具包括一个用于射孔的聚能射孔弹和一个测试和取样装置，用来测量套管后面环境的水利参数和/或在所说的环境内进行流体取样。
在油井生产期间和第一个生产层开采枯竭后，将一系列的聚能射孔炸药放到井筒和套管的下面，在第二个生产层的套管上射孔。目前，这种技术也被用来在老井套管后面开采中来获得压力和孔隙度信息。然而，如果在这个生产层中没有碳氢化合物或没有足够的压力，那么这些钻孔必须被封堵，防止在流体层之间发生窜流。
而且，根据穿过套管钻孔后的测试结果，决定是否要进行射孔以便投入生产还是放弃并将这个生产层重新封死或堵塞，“堵塞”这个术语传统上就是把油井的整个断面堵塞住的意思。射孔可以用通过钻杆注入水泥来堵塞。也可以用弹性密封的方法将整个油井封堵，这是通过在生产期间或生产后将弹性塞下面的生产层隔开的方式来实现的。弹性塞也用作注射水泥的固定器。利用软管也可以很好地进行封堵。防止流体层之间窜流而进行的封堵射孔包括一个叫做“挤水泥”的步骤，这个步骤需要用水泥将钻孔区段分隔开，既费时又困难。
利用这种工具在套管上钻孔从而进行测试，这种方法有一个缺点就是，当开采或生产层封堵不能迅速跟上时，留在套管上的钻孔会带来一些问题。在某些情况下井筒内的岩屑把钻孔堵塞住，如果这些岩屑永久地将这些钻孔堵住，那么就会带来一些危害。如果这些钻孔是开着的话或部分开着的话，就会有相当多的地层流体漏失到地层和/或降解地层。在一些情况下，地层中的流体进入井筒，会带来有害的影响。气体浸入井筒是特别成问题的。
不仅对套管上的射孔的封堵会存在一些问题，而且在套管上进行钻孔也会存在一些问题。在套管上进行钻孔存在一个主要的问题是目前所使用的钻孔设备包括聚能射孔弹炸药。使用这种炸药常常造成套管上钻孔不规则。因此，这些钻孔很难进行封堵，往往需要用固体堵塞和非固体的封堵材料来封堵。这就使得套管上钻孔的封堵工作变得更复杂而且费时更多。
在已有技术中，例如美国专利5195588(Dave)，在这个例子中说明了取样结构。在这个专利中，公开了一种对套管上钻孔进行封堵的设备。它的取样方法暴露出上面提到的在地层延长深度中进行取样时所受的限制。Dave阐述了利用聚能射孔炸药在套管上钻孔的技术。虽然在Dave的专利中提到了在下套管井中进行射孔和取样，但是实际上没有对如何形成规则钻孔或如何延长取样的地层深度的技术作出探讨。并且，虽然Dave的专利与本发明相似，但是Dave的发明目的是关于对套管上已有的钻孔进行封堵的技术。因此，仍需要形成更规则的钻孔以及更深的地层取样深度。
本发明的目的包括提出在井筒的套管段进行钻孔和测试时所存在的问题并设计一种切实可行的设备和方法来解决这个问题。
本发明的目的之一是在井筒套管上形成更规则的钻孔。
本发明的目的之二是使钻孔的深度能够大于井筒的直径。
本发明的目的之三是通过井筒套管进行测压和地层流体取样。
本发明的目的之四是堵塞和封堵井筒套管上的钻孔。
根据本发明的一种实现方式，提供了在井筒中进行钻孔和对套管进行再封堵的设备和方法。这种设备也能对地层流体进行取样和测试。设备用钢丝绳和/或油管安装，在套管内可以移动。在这个设备的内部是一个钻孔装置、用来钻进穿过套管进入井眼的钻孔。封堵装置也安装在这个设备的内部，用来封堵钻孔。设备内部可以存放许多塞子，使得在井筒中只用一次下钻就能对多个钻孔进行封堵。该设备还包括用于对套管后面的地层流体进行测试/取样的装置。(测试和取样是指对流体的性质，如流量进行测试和对流体进行取样)。
在本发明的一个实施例中，钻孔装置包括一个挠性钻杆，挠性钻杆用于钻进穿过套管和地层的钻孔。挠性钻杆的挠性使得能够钻出长度大于井筒直径的钻孔，因而能在大于井筒直径的地层深度中取样。封堵装置也安装在设备内部，用来对钻孔进行封堵。在本发明的一个实施例中，封堵钻孔用的封堵装置包括一个将固体材料插入钻孔中去的装置。
为了把设备安装在井筒中，本发明中有一个装置可以将所说的设备置于一个固定位置。当设备处于某一固定位置时，本发明能够激励钻孔装置和封堵装置，使其进行操作。在这个实施例中，也可以有一个装置，用它来把钻孔装置移动到井筒中一个需要的位置。也有一个装置，用它来把封堵装置移动到钻孔对面。
尽管本发明中包括了一些已有技术，但是本发明与已有技术相比，有许多优点。首先，本发明中采用非炸药钻孔装置来钻孔，钻出的孔更规则，不需用非固体封堵装置，钻孔很容易封堵。其次，本发明中所钻出的钻孔长度比井筒的直径大。本发明的一个主要优点是用钢丝绳就可以施工，它不需要油管，当然如果要用油管也是可以的。另外一个优点就是连接电动机和电源装置时具有更大的机动性。另一个优点是当所用的工具仍在钻孔位置时就可以进行钻孔的封堵，因此封堵操作能准确地针对钻孔进行，它不需要确定钻孔的位置，也不需要封堵一个比钻孔本身大得多的区域，浪费封堵材料。
下面结合附图对本发明作详细说明，使本发明的特征和优点容易被理解。
图1是本发明中设备的示意图，这设备能被用于实现本发明中的方法。
图2是本发明实施例中操作过程的流程图。
图3是传统的用于打钻孔和封堵钻孔的钻头系统视图。
图4a是沿直径方向挠性钻杆的钻具剖面图。
图4b是本发明中挠性钻杆的工具纵向剖面图。
图5是一对互相搭配的导向板中的一块。
图6a是封堵装置中各部件的侧视图。
图6b是封堵装置在操作过程中各部件的侧视图。
图6c是用本发明的封堵装置进行封堵时的封堵孔的侧视图。
图7是本发明封隔器和储塞库的侧视图。
本发明的一个实施例如图1所示，操作流程如图2所示。工具12用一根钢索13悬挂在钢制套管11中，钢制套管11用水泥10b支撑着，并保护着井筒10。井筒10中一般都充满完井液或水。钢索13的长度决定着这个工具12放入井筒内的深度。深度计能确定支持结构(如滑车轮)上的钢索的位移以及测井工具12下放的深度。钢索的长度利用地面上的装置来控制，例如用滚筒。深度也可以用电子、核子或其它传感器来确定，通过这些传感器使深度与油井中的测量或套管相互之间成一定的关系。在地面上提供了控制联通的电路和测井工具12的处理电路。这些电路可以用已知类型的电路，不需要具有新颖特征。图2中方框800表示将工具12下放到一特定的深度。
在图1所示的实施例中，工具12通常有一个圆柱体工具腔17，圆柱体工具腔17内有一个内腔14以及一些电子器件。固定活塞15使工具封隔器17b靠紧套管11，在工具和套管之间形成一个耐压密闭的密封，并将工具稳固住，见方框801。在内腔14内，包含了钻孔装置、测试和取样装置以及封堵装置。内腔14通过内腔调节活塞16沿工具的轴线竖直移动。通过这个移动活塞，可使这三个装置中的每个装置的部件连续地被移动到套管上的同一位置。
挠性钻杆18位于内腔的里面，它是通过导向板14b导引，导向板与内腔构成一个整体。(导向板如图5所示)，在马达20的驱动下，钻头19通过挠性钻杆18而转动。马达20安装在内腔中的马达夹子21上。夹子21连接在移动式马达22上。通过旋转与马达夹子21内的螺母相配合的螺杆23，移动式马达就使内腔14发生移动。挠性钻杆移动马达在挠性钻杆上提供一个向下的作用力，控制着钻进。这种钻孔系统钻出的孔的深度比工具12的直径大。这个钻进过程如方框802所示。
有一种技术，利用这种技术钻出的孔的深度比工具的直径要小一些。方法之一如图3所示。在这种方法中，钻头31直接装在直角传动箱30上，钻头和直角传动箱都被包覆起来，它们与工具轴线垂直。如图所示，直角传动箱30和钻头31必须装在井筒内。在这个图中，钻头的长度受到限制，这是因为直角传动箱大约占去了井筒直径的一半。这个装置还包括一个驱动轴32和一出油管33。
为了测量和取样，在内腔中还设置了一个测量装置17C和一根出油管24。当钻孔钻好后，内箱的移动活塞16将移动内箱14，从而把测量装置移到钻孔处。测量装置的封隔活塞24b推动测量装置17c，使它紧靠套管，从而在钻孔和出油管之间形成一条封闭的管道，如方框803所示。于是就可以进行压力测量和流体取样了，见方框804。然后测量封隔活塞被撤回，见方框805。
在内箱14中还设置了一个储塞箱26。在进行测量和流体取样之后，内腔活塞16移动内箱14，从而把储塞箱26移到钻孔处，见方框806。塞子的安装活塞25把一个塞子从储塞箱推入套管，然后将钻孔重新封堵住，见807。封堵的完全性可以被测试出来，它是通过再次把内腔移动，使测量封隔器再次被移到塞子的地方，然后激发测量封隔器孔，见808。当下拉活塞被激发，使之下降并保持在一恒定值的压力时，通过出油管来监测压力。在下拉活塞被激发后，如果油管出现回压，则表示封堵塞子发生了泄露。应当注意，在钻孔之前，用相同的测试方法可以验证工具装置密封的完全性。然而，在这个测试中，测量封隔器不紧靠套管，使得工具装置可以支撑住下拉活塞。最后将工具固定装置放开，从而完成这一系列的操作。然后工具可以从方框800开始重复这个次序进行操作。
下面对本发明中各部件作详细描述。挠性钻杆挠性钻杆的详细结构如图4a和图4b所示。挠性钻杆的导向板如图5所示。沿直径方向的工具的剖面图显示了工具体17上挠性钻杆和钻的情况。钻头19通过一个接头39与挠性钻杆18相接。接头可以型锻在挠性钻杆上。导向套筒40包覆钻头，使钻头固定某一平直位置上。图4b是纵向的工具纵向剖面图，显示了本发明的挠性钻杆与传统技术相比所具有的优越性。图5显示了两块互相配合的导向板中的一块导向板42，在导向板上有一条“J”形的通道43，挠性钻杆就是穿过这条通道43传送下来的。
挠性钻杆是一种有名的用于弯头附近传输扭矩的机器元件。它是用多层缆索绕中间的芯索以相对方向盘绕而成的。通过每层中缆索的数量、层数、纲索直径和缆索材料的改变，从而制成具有特定性能的挠性钻杆，使其适合于特定的应用条件。在这种特定的运用中，挠性钻杆的疲劳寿命(转数)、最小曲率半径、和传输转矩都应进行优化。
当把推力作用通过挠性钻杆作用到钻头上时，另一个关心的问题是挠性钻杆的可靠性。在钻孔操作过程中，钻头上受到不同大小的推力，以便进行钻进。施加推力的大小取决钻头的锋利程度和所钻材料性质。比较锋利的钻头要求通过挠性钻杆施加推力很小。这很小的推力实际上对钻杆的可靠性没有影响。较钝的钻头要求施加推力较大，这种较大的推力可能会损伤挠性钻杆。一种解决的办法是直接把推力作用在钻头上，而不通过挠性钻杆。在这种方法中，作用在工具内活塞上的力由活塞传输给钻头。钻孔所需的推力对挠性钻杆没有影响作用。这种技术在美国专利申请中有进一步的描述，案卷号为20.2650，这个申请与本发明是同时申请的。另一种解决方法是在每次钻孔操作中，都用锋利的钻头。在工具里能储存许多钻头，在每次钻孔操作中都使用新的钻头。正如前面所说，锋利的钻头所要求的推力大小对挠性钻杆的影响很小。这种技术在一个美国专利申请中有更详细的描述，案卷号为202651，它与本申请是同时提交的。导向板当挠性钻杆传输转矩和推力时，如本申请中的情况，需要用一些装置支撑挠性钻杆，防止挠性钻杆因受到推力而发生弯曲。钻头的推力需要通过挠性钻杆传输的。在本发明的实施例中，提供了一对相互配合的导向板，在导向板中形成一条“J”形的通道，这条通道用于支持挠性钻杆，挠性钻杆穿过这个通道传送下来。利用一对导向板来形成这个几何通道是一种可行的装配方法，在整个装置中起着辅助作用，但是从功能上看，这种结构不是严格必须的，利用“J”形的管道也可以起到相同的作用。在导向板上形成的通道的直径稍微大于挠性钻杆的直径。这种紧密配合在转矩很大时，可以减小挠性钻杆的扭曲同时也可以提高把转矩传输给钻头的效率。导向板的材料应与挠性钻杆相适合。在挠性钻杆和导向板之间可以使用一些润滑剂。钻头本发明中所用的钻头要求具备几种特性。钻头必须足够坚韧，使它钻进钢铁时不会折断锋利的刃边。钻头同时也必须足够坚硬，使钻头在钻进磨蚀的地层时，不会使钻头变钝。钻头必须有一个尖端形状，能提供与挠性钻杆的功能相匹配的转矩和推力。钻头上必须有一条螺纹槽，使得钻孔时所产生的切屑能被排出钻孔。钻头应能钻出足够直、圆的并不能过大的钻孔，以便能用金属塞子将其封堵。封堵机构封堵机构如图6a、6b和6c所示。这种封堵技术与美国专利5195588的封堵原理相似。但是所用的塞子不同。这种塞子由两个部件构成管座76和锥形塞77。管座76的一端封闭，后部有一封唇78，中间有一槽79。锥形塞77从管座76的开口端插入，封唇78可以固定住管座76，并可以在把锥形塞插入管座时，防止管座76穿过套管壁。
安设塞子包括两个步骤。当活塞向前移动时，管座76被推进钻孔，如图60所示。锥形塞77的锥形形状使管座76径向膨胀，从而在管座和套管表面之间形成一个牢固的封闭。槽79可以帮助进行封闭，防止塞子从钻孔中喷出。管座76上如果有多个槽79，则管座就越容易与套管上不规则的钻孔周边相吻合，从而保证了良好的封闭效果。
图7显示了把塞子插入钻孔的机械封堵器。这个封堵器包括两个安装活塞(外部活塞71和内部活塞80)。在封堵过程中，当活塞71和80都受到推力时，整个活塞装置就在空间81内移动一段距离，从而把塞子装置76和77推入钻孔。当管座76上的封唇78到达套管时，外部活塞71运动停止。外部液压继续作用到活塞装置上，使内部活塞80克服弹簧82的弹力向前移动，从而把锥形塞77推入管座76内。
图7也显示了储存多个塞子84的储塞箱以及在封堵过程中进行提供塞子的情况。当把一个塞子插入钻孔，活塞装置71和80全部撤回之后，另一个塞子被推上来，推到封堵下一个钻孔的位置。将塞子向上推动的推力来自推动装置83。这种推力可以用弹簧86或者流体来产生。
本发明中的设备和方法与已有技术相比，具有很大的优越性。虽然本发明利用最佳实施例进行了详细的说明，但是本发明不局限于这些实施例。对本发明基本设计作出的改变和变换都没有脱离本发明的原理。在本发明中所描述的技术的提示下，这些改变和变换对本领域的普通技术员是显而易见的。这些改变和变换都在权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种从下套管井筒中在延深的地层深度中进行取样的设备，包括一个在套管上进行钻孔的装置，这个所说的钻孔装置能使钻出的孔的长度大于井筒的直径；一个封堵装置，这个封堵装置将一个固体材料的塞子插入钻孔，从而将钻孔封堵住；一个在延深的地层中，通过钻孔进行液压测试和取样的装置；一个工具腔，这个工具腔可以在套管内移动，所说的钻孔装置、封堵和测试装置都安装在工具腔的内部。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所说的工具腔安装在钢索上，可以在井筒内上下移动。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括一个用于移动钻孔装置的移动装置，它将钻孔装置移到在套管和地层上进行钻孔处的对面。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所说的移动装置包括用于控制钻孔装置在工具腔大体上固定于某一位置时，相对于工具腔的移动。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所说的移动装置连接于所说的工具腔中的内箱上，所说的内箱中包括一个所说的钻孔装置，相对于工具腔，内箱可以移动。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括一个装置，它位于所说的工具腔内，用它可以把工具腔固定在井筒中的某一位置，另外还包括一个用于激发钻孔装置的装置和一个用于激发封堵装置的装置，而此时所说的工具腔大体上处于一个固定的位置。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所说的钻孔装置包括一个钻进装置、钻进激发装置和一个挠性装置，这个挠性装置用于连接钻进装置和激发装置，这个挠性装置能使钻出的孔的深度大于井筒的直径。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所说的挠性装置是一根挠性钻杆。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所说的挠性钻杆为一根缆索。
10.根据权利要求7的设备，还包括通过挠性连接装置把力量作用到钻进装置上的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所说的动力装置为一个移动式马达。
12.根据权利要求7所述的设备，还包括一个为挠性装置进行导向的装置，使得所说的钻进装置能准确地在所说的套管上进行钻进所说的孔。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所说的导向装置是一个固体元件，这个固体元件中有一条槽，所说的挠性连接装置从这条槽中穿过，这样，挠性连接装置就被定形并在钻孔过程中被导向。
14.一种从下套管井筒中在延深的地层中进行取样的设备，包括一个在套管上钻孔的装置，这个装置钻出的孔的深度比井筒直径大，当所说的钻孔装置被激发时，所说的钻孔装置的一个部件在所说的井筒的某一位置与所说的套管总是接触的；一个用于液压测试和地层取样的装置，这个装置也安装在所说的工具腔内，通过钻孔在延伸的地层深度上进行所说的测试和所说的地层取样；一个可以在套管内移动的工作腔，工具腔内装了所说的钻孔装置和测试装置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中的腔安装在纲索上，在井筒中可以上下移动。
16.根据权利要求15所述的设备，还包括一个用于移动所说的钻孔装置的移动装置，它将所说的钻孔装置移到在所说的套管和地层上进行钻孔处的对面。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所说的移动装置包括用于控制钻孔装置相对于所说的工具腔的移动，而此时所说的工具腔大体上固定在某一个位置上。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所说的移动装置连接到可移动的内腔上，内腔中包括一个所说的钻孔装置，相对于工具腔，内腔可以移动。
19.根据权利要求14所述的设备，还包括一个安放装置，这个安放装置位于所说的工具腔内，用它可以把工具腔固定在所说的井筒中的某个位置，另外还包括一个用于激发钻孔装置的装置和一个用于激发封堵装置的装置，而此时所说的箱子大体上处于一个固定的位置。
20.根据权利要求14所述的设备，其中所说的钻孔装置包括一个钻进装置、钻进激发装置和一个挠性装置，所说的挠性装置用于连接钻进装置和激发装置，这个挠性装置能使钻出的孔的深度大于井筒的直径。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述的挠性装置是一根挠性钻杆。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所说的挠性钻杆为一个缆索。
23.根据权利要求20所述的设备，还包括通过挠性连接装置把力量作用到钻进装置上的装置。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所说的动力装置为一个移动式马达。
25.根据权利要求20所述的设备，还包括一个为挠性装置进行导向的装置，使得钻进装置能准确地在套管上进行钻进。
26.根据权利要求25所述的设备，其中的导向装置是一个固体元件，这个固体元件中有一条槽，所说的挠性装置从所说的槽中穿过，这样，所说的挠性连接装置就被定形，并在钻孔过程中被导向。
27.从下套管井中在延深的地层中取样的方法包括以下几个步骤将一个装置移到井筒中的某一位置；将所说的装置固定在井筒中所说的位置；在所说的套管和地层中进行钻孔，所钻出的孔的深度大于所说的井筒的直径；当所说的装置还固定在所说的位置上时，在所说的装置和钻孔之间建立流体通道；以及并通过钻孔进行地层流体取样。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所说的钻孔装置利用挠性钻杆，使得钻出的孔的深度要比井筒的直径大。
全文摘要
本发明公开了一种在地层井筒中进行钻孔、测试和再封堵套管的设备。这种设备在套管中可以移动。设备可以安装在钢索上或管道上，也可同时用钢索和管道来安装。在这个设备内部，安装了一个钻孔装置，用于在套管上进行钻孔。钻孔装置包含一个挠性钻进装置，使得钻出的孔的深度要比井筒的直径大。设备通常还包括一个在套管后面的地层中进行液压测试和地层取样的装置。在设备的内部还安装了一个用固体塞对钻孔进行堵塞和再封闭的装置。
文档编号E21B7/04GK1162689SQ97104889
公开日1997年10月22日 申请日期1997年2月19日 优先权日1996年2月20日
发明者T·麦道盖尔, D·拉杜, A·柯尔克希恩, M·杰罗斯卡, A·弗洛尔斯 申请人:施卢默格海外有限公司