用于钻出地下钻孔的钻井方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特别地但非排他性地出于从地下油藏抽出碳氢化合物的目的而钻出 地下钻孔的方法。
【背景技术】
[0002] 通常，使用被称为钻杆的钢管执行井眼的钻孔，钻杆在最下端带有钻头。可使用地 面钻井电动机旋转整个钻杆，或者可使用安装在钻头正上方的钻杆中的一个或多个流体动 力电动机将钻头独立于钻杆旋转。随着钻井的进行，泥浆流用于将因钻井过程形成的碎肩 带出井眼。泥浆顺着钻杆被抽送通过进入管路，通过钻头/经过钻头上方/到钻头周围，并 且经由钻杆外壁和井眼之间的环形空间（通常被称为环面）返回表面。当进行离岸钻井时， 提供套管并且套管包括环绕钻杆从井口向上延伸的较大直径管。套管和钻杆之间的环形空 间（下文中，被称为套管环面）用作环面延伸，并且提供了泥浆返回泥浆储藏器的导管。泥 浆另外可用于冷却钻头，以润滑系统并且为井下电动机提供动力。
[0003] 泥浆（mud)是广义钻井术语（相关技术中已知的），在这种背景下，它用于描述在 钻井期间使用的任何流体或流体混合物并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、 带有空气或氮气的泡沫流体、充空气或充氮气的流体、一直到比重大的油或水与固体颗粒 的混合物的大范围的流体或流体混合物。
[0004] 传统上，井眼敞开（钻井期间），暴露于大气压，在系统中不存在表面施加压力或 其它压力。钻杆自由旋转，没有任何密封元件在表面处施加于或作用于钻杆。在这种操作 中，不需要转移返回的流体流或对系统施压。
[0005] 在钻井期间，钻头穿透地下的岩石层和结构层，直到钻头到达一个或多个储层，储 层也被称为地层（formation)、孔隙或空隙，所述储层包含在岩石内含的处于一定温度和压 力下的碳氢化合物。这些碳氢化合物被包含在还可包含水、油和气体组成的岩石孔隙内。由 于正在从岩石层向地层上方施加力，这些地层流体在已知或未知压力（被称为孔压）下被 困在孔隙内。无计划地涌入这些地层流体（也被称为储层流体）是本领域熟知的，并且被 称为地层井侵或井涌。
[0006] 泥浆是给定密度（也被称为比重）的流体，最重要的是，泥浆还用于处理可能在钻 井期间出现的任何地层井侵（或井涌）。例如，在被称为"过平衡"钻井的一种钻井中，选择 泥浆的密度，使得该泥浆在井眼底部产生流体静压（由于泥浆的比重导致的）（井底压力或 BHP)，该流体静压高得足以平衡地层中的流体压力（"地层孔隙压力"），从而基本上防止流 体从被井眼穿透的地层涌入（到井眼）。换句话讲，泥浆用作抵抗地层流体进入井眼的屏 障。可通过利用泥浆密度和泥浆在井眼内的竖直大小之间的关系来变化和控制BHP，以增 大或减小泥浆在井眼底部施加的流体静压。如果BHP降至低于地层孔隙压力，则会出现地 层流体的井侵或井涌，即，气体、油或水可进入井眼。另选地，如果BHP过高，则它可能高于 地层中岩石的断裂应力。在这种情形下，井眼底部的泥浆压力可使地层断裂，泥浆可进入地 层。泥浆的这种损失造成BHP瞬间减小，这进而可导致形成井涌。超过地层断裂压力还可 导致随着泥浆井侵地层而损失泥浆。根据这些损失的大小，存在大的风险：井中静液压力的 随之减小将导致随着BHP对应至低于地层压力，井眼中泥浆的高度降低。这个不期望的状 况将有可能导致地层井侵。本领域中熟知的这些状况也被称为损失（少量、多量和全部/ 严峻的损失，取决于大小）或井漏。
[0007] 泥浆施加的BHP的另一个方面是，BHP具有与之关联的两个值一静态BHP值和循 环BHP值。泥浆的静态BPH与当泥浆是静态（即，泥浆没有循环通过钻杆）时泥浆施加的 压力相关。泥浆的循环BHP与在钻井期间泥浆通过钻杆、环面并且通过套管通向表面进行 循环期间泥浆施加的压力相关。
[0008] 在循环期间，泥浆施加的压力高于泥浆是静态时。这是因为存在井眼总长度上的 摩擦损失，这种摩擦损失是由于（例如）钻杆相对于井眼的几何形状（这改变钻杆和井眼 之间的环形间隙）或流体的粘度或密度（这影响所述流体流过环面的方式）而造成的。这 使泥浆的流速降低。这些损失从井眼底部直至泥浆退出到地面上方的表面的点都存在。因 此，需要增大压力量来循环泥浆，以有效地移动固体，清洁井眼内的碎肩并且在钻井期间为 钻头/钻杆提供动力。在井眼底部产生最大压力，因为在这一点，沿着整个井眼长度出现摩 擦损失。一般将循环BHP的增加与当量循环密度（ECD)泥浆密度联系起来，该当量循环密 度泥浆密度出于所描述的原因高于静态泥浆的密度。当然，ECD和BHP都直接受泥浆的基 本密度影响。
[0009] 已知具有包括安全系数的静态泥浆密度（即，增大静态泥浆的密度），并且将这个 值同时用于静态状况和循环状况，使得BHP足以防止出现井涌。
[0010] 然而，要是系统变得欠平衡，例如，由于地层井侵，已知的是增加泥浆的密度以增 大井眼的BHP ;从而当泥浆在井眼中循环时恢复过平衡钻井状况。这个密度增大的泥浆被 称为压泥浆并且进行循环以填充整个井眼并且钻杆体积。用于恢复过平衡钻井状况的这种 操作可被称为井控操作。
[0011] 传统钻井系统的目的是，将BHP保持大于地层的井眼压力而低于地层的断裂应 力。以此方式控制BHP被称为控制压力钻井（MPD)。在控制压力钻井中，使用诸如旋转控制 装置、旋转防喷器（BOP)或套管钻井装置等压力抑制装置将环面或套管环面闭合。这个装 置包括密封元件，密封元件与钻杆的外表面接合，使得基本上防止了流体在密封元件和钻 杆之间流动，同时仍然允许钻杆旋转。这个装置的位置并不关键，并且对于离岸钻井而言， 它可被在水平面处或水平面上方或下方、海床上或甚至井眼内安装在套管中。密封元件被 设置在旋转控制装置（RCD)、旋转防喷器（RBOP)、随钻压力控制（PCWD)、或用于闭合套管环 面的旋转控制头（RCH)的外壳中，使密封元件直接接触钻杆。这样得到所需的套管环面与 大气隔离，同时确保了有足够的紧贴钻杆的密封以进行安全钻井。现有压力抑制设计中的 典型密封元件包括弹性体或橡胶衬垫/密封元件和轴承组件，轴承组件允许密封元件随钻 杆一起旋转。钻杆和密封元件之间没有旋转移动，因为轴承组件本身允许钻杆在钻井期间 进行旋转移动。这些是本领域中熟知的并且在美国专利7699109、7926560和6129152中进 行了描述。
[0012] 通常被称为流量滑阀的流动控制装置提供了使泥浆溢出环面/套管环面的流动 路径。在流量滑阀之后，经常存在压力控制歧管，该压力控制歧管带有用于控制泥浆流出环 面/套管环面的速率的至少一个可调节闸门或阀门。当在钻井期间被关闭时，压力抑制装 置在井眼中产生背压，可通过使用压力控制歧管上的可调节闸门或阀门来控制这个背压， 以控制泥浆流出环面/套管环面受限的程度。
[0013] 控制压力钻井和/或欠平衡钻井可使用被专门开发用于一直保持井关闭以保持 井口中的非大气的压力的设备；这不同于传统的过平衡钻井方法。因此，控制压力操作是闭 环系统。控制压力钻井还利用更轻的静态泥浆比重作为钻井流体，因为这些泥浆施加更小 的压力，从而保持BHP低于地层的断裂应力一与钻井期间施加背压的表面一起用于提供必 需的当量静液压力，以防止地层井侵进入井眼。
[0014] 欠平衡钻井允许储层流体在钻井和起下钻期间与泥浆/钻井流体一起流向表面。 因此，在压力抑制装置的压力密封件下方存在含有碳氢化合物、固体和钻井流体的承压环 面。这两种方法都导致压力包含装置的密封件下方存在含有钻井流体、和/或固体、和/或 地层流体的承压环面。
[0015] 进行控制压力钻井或欠平衡离岸钻井比岸上钻井更困难，在海下越深的地方钻 井，困难程度越大。这是因为，从海床到钻井平台的套管节段变成井眼的延伸部并且其长度 因此随水深的加大而变大。因此，井眼中产生的增大的静水压力和相关联的摩擦损失显著 增加了泥浆的E⑶。在这些深度处，E⑶的这些增加常常可超过地层断裂应力。此外，地层 断裂应力可低于岸上预见的，所以，由于地层断裂的高风险，导致传统的过平衡状况是不期 望的。
[0016] 另选地，这些深水井情形下的地层压力可异常地高，从而需要更重的泥浆比重来 平衡井并且防止地层井侵。这个情形还会造成循环/钻井BHP超过地层断裂应力。
[0017] 这些状况可导致窄钻井工作包线一也被称为在钻井余量。它被定义为小循环/钻 井BHP窗口，所述小循环/钻井BHP窗口是由随着井总长度增加的较低断裂应力和较高孔 隙压力的上下限导致的。这导致了在钻井和/或连接期间循环BHP的灵活性降低，从而带 来很大的挑战。
[0018] 因此，离岸Mro操作变得更难以降低这些风险并且难以增加钻井平台上的整体安 全性。MPD的套管解决方案允许对套管的压力控制增强并且允许通过排放/控制歧管进行 地层井侵（如果出现井侵）的安全转移。它还允许使用更轻的泥浆比重，从而导致用于钻井 通过下断裂应力区的静水压力降低，利用表面施加的背压对井眼强加另外的静水压力（如 果需要的话）。
【发明内容】
[0019] 根据本发明的第一方面，提供了一种使用钻杆钻出地下井眼的方法，该方法包括 以下步骤：基于所述井眼的一部分中的钻井流体的当量循环密度，估计或确定所述钻井流 体的减小的静态密度；提供基本上具有该减小的静态密度的钻井流体；将具有所述减小的 静态密度的钻井流体引入所述井眼中；以及经由返回管路从所述井眼去除所述钻井流体。
[0020] 在本说明书中，术语"当量循环密度"用于描述当钻井流体在井眼中循环时产生的 底孔压力的增大（即，在给定密度的钻井流体以特定流速循环期间的底孔压力和当这个钻 井流体在井眼中静止时的底孔压力之间的差异）。
[0021] 所述钻井流体的所述减小的静态密度因此可低于当钻井流体没有循环时控制井 (即，用于平衡地层压力）所需的流体的密度。
[0022] 所述钻井流体可经由所述钻杆被引入所述井眼中。
[0023] 所述方法可包括使用管状套管以形成围绕所述钻杆的大体环形空间，使得所述钻 井流体经过所述环形空间到达所述返回管路。
[0024] 所述方法可包括使用密封装置密封所述环形空间以形成在所述密封装置下方且 具有第一环形空间的管状套管的第一部分和在所述密封装置上方且具有第二环形空间的 管状套管的第二部分，使得在所述第一环形空间和所述第二环形空间之间形成流体基本不 能渗透的密封。
[0025] 所述方法还可包括：使所述钻井流体经过所述第一环形空间；以及经由所述返回 管路从所述第一环形空间去除所述钻井流体。
[0026] 可在所述第一环形空间和所述第二环形空间之间设置流体连通装置，可以设置用 于打开和关闭所述流体连通装置的装置。所述流体连通装置可包括流送通道或者管路以及 阀门，所述阀门能够用于允许或防止流体沿着所述流送通道流动。
[0027] 可在所述第一环形空间中贮存压井流体。
[0028] 所述方法可包括倘若在所述井眼中出