用于环绕管状元件的环空进行密封的方法和系统的制作方法

用于环绕管状元件的环空进行密封的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于对环绕井眼中的管状元件的环空进行密封的方法和系统。所述方法包括以下步骤：i)将第一钻井流体引入到所述井眼中；ii)使用悬置于工具柱的端部处的钻井工具钻出井眼的裸眼段；iii)将包括颗粒的第二钻井流体泵送到井眼中；iv)在所述管状元件的井下端部附近将颗粒从第二钻井流体中过滤出；v)使得管状元件延伸到井眼的裸眼段中，而同时将已过滤出的颗粒的至少一部分引导至管状元件与井眼壁之间的环空。可根据需要的频率多次重复步骤i)至v)。
【专利说明】用于环绕管状元件的环空进行密封的方法和系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于对环绕管状元件的环空进行密封的系统和方法。这种系统和方法能够应用于沿着井眼中的衬管进行层间封隔。

【背景技术】
[0002]使管状元件径向膨胀的技术在从地下地层中生产出油和气的工业中找到日益广泛的应用。井眼通常设置有一根或多根套管或衬管，以向井眼壁提供稳定性和/或提供不同的地球地层之间的层间封隔。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。通常，套管从地表延伸到井眼中，而衬管从某一深度进一步延伸到井眼中。然而，在本文的背景中，术语“套管”和“衬管”可互换使用而无任何特定区别。
[0003]在传统井眼构造中，若干根套管以不同的深度间隔且以嵌套布置方式设置。在此，每根后续套管穿过前一根套管下入并且因此具有比前一根套管小的直径。结果，井眼的可用于油气生产的横截面面积随着深度的增加而减小。
[0004]为了减轻这种缺陷，可能在井眼中的期望深度处使得一个或多个管状元件径向膨胀，例如，以便形成膨胀的套管、膨胀的衬管或抵靠已有套管或衬管的包层。而且，已经提出使得每根后续套管径向膨胀，以便使其直径与先前套管的直径基本相等，从而形成单一直径井眼。因此，与传统的嵌套式布置相比，实现了井眼的可用直径沿着其深度(段)保持基本恒定不变。
[0005]W0-2008/006841公开了一种用于使得管状元件在井眼中径向膨胀的井眼系统。致使管状元件的壁径向向外并且沿着轴向相反方向弯曲，以便形成围绕管状元件的未膨胀段延伸的已膨胀段。通过使得未膨胀段运动(例如迫使或推动)进入已膨胀段中而增加已膨胀管状段的长度。在此，已膨胀段保持膨胀的管状形状。在其顶端部部处，未膨胀段可例如通过添加管段或通过对片材材料进行解绕、折叠和焊接而形成管状形状来扩展未膨胀段。
[0006]当使用W0-2008/006841的系统为井眼加装衬管时，与传统的套管系统相比，已膨胀管状元件与井眼壁之间的环空相对小。已膨胀管段将紧邻井眼壁或者甚至接合井眼壁。结果，不可能实施传统的固井作业，所述固井作业在使用嵌套布置的传统套管时通常用于建立层间封隔。
[0007]在传统的固井作业中，在固封衬管时，可以经由钻柱、经由钻柱的井下端部和井口以及经由套管或衬管与井眼壁之间的环空泵送用于形成固封的泥浆。否则，水泥泥浆可以在保持在两个水泥塞之间的同时被泵送通过套管的内流体通道。
[0008]由于当使用W0-2008/006841的系统时在倒转的管与井眼之间的的环空相对小，因此需要相对高的压差将水泥泥浆泵送到环空中。而且，将水泥泥浆泵送到小环空中可能导致非均匀地填充环空。另外，外翻的管可以沿着其长度的至少一部分接合井眼壁，使得环空可能缺乏从其井下端部至地表的连续流动路径。当倒转的管状件沿着某一长度接合井眼壁并且由此建立层间封隔时，循环流体或水泥泥浆将不可能流过环空。


【发明内容】

[0009]本发明旨在克服上述问题。
[0010]因此，本发明提供了一种用于对环绕井眼中的管状元件的环空进行密封的方法，其中，管状元件是环绕工具柱的可膨胀的管状元件，其中，可膨胀的管状元件的壁的井下端部部分径向向外并且沿着轴向反向方向弯曲，从而限定了围绕未膨胀管状段延伸的已膨胀管状段，所述方法包括以下步骤:
[0011]i)将第一钻井流体引入到井眼中；
[0012]ii)使用悬置于工具柱的端部处的钻井工具钻出井眼的裸眼段；
[0013]iii)将包括颗粒的第二钻井流体泵送到井眼中；
[0014]iv)在管状元件的井下端部附近将颗粒从第二钻井流体中过滤出；
[0015]V)通过将未膨胀管状段推入到已膨胀管状段中而使得管状元件延伸到裸眼段中，而同时将已过滤出的颗粒的至少一部分引导至已膨胀管状段与井眼壁之间的环空。
[0016]本发明的方法不需要使得水泥循环通过环空。这种方法还使得能够与用于通过外翻所述衬管而使得井眼中的衬管膨胀的系统相组合来密封环空。而且，例如在所述套管和环绕件之间的所述环形空间太小而不允许泵送水泥泥浆的情况中或在泵送所述水泥泥浆的压力超过可用泵送设备的最大输出压力的情况中，本发明的方法适于隔离开环绕传统套管的环形空间。
[0017]在一个实施例中，根据需要的频率重复步骤i)至V)。例如，根据需要的频率重复在环空中提供了足够的层间封隔。而且，可以用颗粒物质填充整个环空。
[0018]在另一个实施例中，过滤出颗粒的步骤包括在井口使得设置有过滤器构件的钻柱运动，直到所述过滤器构件接合管状构件的井下端部为止。
[0019]将第一钻井流体引入到井眼中的步骤可以包括在井下使得设置有过滤器构件的钻柱运动，直到所述过滤器构件与管状构件的井下端部脱开接合为止。
[0020]可替代地，颗粒可以是至少部分铁磁性的，其中，过滤出颗粒的步骤包括将磁体布置在管状构件的井下端部处，以便吸引颗粒的至少一部分。
[0021]通过使得未膨胀管状段相对于已膨胀管状段向下运动，管状元件有效地从里面转到外面。在没有被推动、拉动或泵送通过管状元件的膨胀器的情况下管状元件逐渐膨胀。已膨胀管状段可在井眼中形成套管或衬管。已膨胀管状衬管可以具有适于稳固或支撑井眼壁的抗外挤强度。
[0022]优选的是，管状元件的壁包括在膨胀期间可塑性变形的材料。已膨胀管状段将因可膨胀的管状元件的壁的塑性变形(即，永久变形)而保持膨胀形状。不需要施加外力或压力来保持已膨胀管状段处于其膨胀形式。例如，如果已膨胀管状段接合井眼壁，则不需要施加额外的径向力或压力来保持已膨胀管状段抵靠井眼壁。
[0023]管状元件的壁可以包括诸如钢的金属或能够通过外翻管状元件而塑性变形的任何其它易延展材料。已膨胀管状段优选地具有足够的抗外挤强度来支撑或稳固井眼壁。根据相应的地层，已膨胀管状段的抗外挤强度可以超过例如10bar至150bar。抗外挤强度可以处于例如200bar至大约1600bar或更大的范围内，例如处于大约400bar至800bar或更大的范围内。
[0024]适当地，通过使得其余管状段相对于已膨胀管状段沿着轴向方向运动而致使弯曲区域相对于其余管状段沿着轴向方向运动。例如，已膨胀管状段被轴向固定在某位置处，而未膨胀管状段沿着轴向方向运动通过已膨胀管状段，以便引致所述壁的弯曲。
[0025]为了引致其余管状段进行所述运动，其余管状段承受用于引致所述运动的轴向压缩力。该轴向压缩力优选至少部分地源自其余管状段的重力。推动装置可以通过将额外的外力施加到其余管状段来补充未膨胀管状段的重量从而引致所述运动。由推动装置施加的额外的力可以向上或向下。例如，随着未膨胀管状段的长度并且因此重量逐渐增加，可能需要将向上的力施加到未膨胀管状段，以便保持施加到未膨胀段的总力处于预定范围内。将总力保持处于所述范围内将防止弯曲区域不可控的弯曲或屈曲。
[0026]如果弯曲区域处于管状元件的下端部处，由此其余管状段因所述弯曲区域的运动而在其下端部处轴向缩短，则优选的是，其余管状段对应于其下端部处的所述轴向缩短在其上端部处轴向延伸。其余管状段因壁的持续反向弯曲而在其井下端部处逐渐缩短。因此，通过使得其余管状段在其上端部处延伸来弥补其在下端部处的缩短，能够持续进行壁反向弯曲的处理，直到达到已膨胀管状段的期望长度为止。例如通过以诸如焊接的任何适当方式将管状部分连接到上端部而使得其余管状段能够在其上端部处延伸。可替代地，其余管状段能够设置为从卷筒上解绕并且随后插入到井眼中的连续管。
[0027]可选地，能够加热弯曲区域以便促进管状壁的弯曲。

【专利附图】

【附图说明】
[0028]下文将参照附图以举例的方式详细描述本发明，附图中:
[0029]图1示出了用于使管状元件径向膨胀的系统的下部部分的竖直横截面；
[0030]图2不出了图1的系统的上部部分的不例的竖直横截面；
[0031]图3示出了图1的系统的上部部分的另一个示例的竖直横截面；
[0032]图4示出了井眼的竖直横截面，其表示根据本发明的方法中的第一步骤；
[0033]图5示出了井眼的竖直横截面，其表示根据本发明的方法中的第二步骤；
[0034]图6示出了井眼的竖直横截面，其表示根据本发明的方法中的第三步骤；
[0035]图7示出了井眼的竖直横截面，其表示根据本发明的方法中的第四步骤；
[0036]图8示出了用于在根据本发明的方法中使用的系统的一个实施例的竖直横截面；
[0037]图9示出了用于在根据本发明的方法中使用的系统的另一个实施例的竖直横截面；
[0038]图10示出了用于在根据本发明的方法中使用的系统的又一个实施例的竖直横截面；
[0039]图11示出了用于在根据本发明的方法中使用的过滤器的一个实施例处于第一位置中的竖直横截面；和
[0040]图12示出了图11的过滤器处于另一个位置中的竖直横截面。

【具体实施方式】
[0041 ] 在附图和描述中，相同的附图标记表不相同的部件。
[0042]图1示出了形成在大地地层2中的井眼I。例如可膨胀的钢衬管的径向可膨胀的管状元件4从地表6向下延伸到井眼I中。管状元件4包括未膨胀管状段8和已径向膨胀管状段10。未膨胀段8在已膨胀段10内延伸。优选地，已膨胀管状段10的外径基本等于井眼I的直径。
[0043]尽管图1中示出的井眼竖直延伸到地层2中，但是，本发明同样适于任何其它井眼。例如，井眼I可以至少部分沿着水平方向延伸。在下文中，井眼的上端部指的是地表6处的端部，而下端部指的是井下端部。
[0044]在其下端部处，未膨胀段8的壁径向向外并且沿着轴向反向(在图1中向上)方向弯曲，以便形成弯曲的井下段12，从而限定了管状元件4的弯曲区域14。弯曲段12的横截面是U状的并且将未膨胀段8和已膨胀段10互连。
[0045]钻柱20可以从地表延伸通过未膨胀衬管段8抵达井眼I的下端部。钻柱20的井下端部设置有钻头22。钻头包括:例如定向钻头24，所述定向钻头24的外径略微小于未膨胀衬管段8的内径；和扩孔器段26，所述扩孔器段26的外径适于将井眼I钻至其标称直径。扩孔器段26可以径向缩回成更小的外径，从而允许其通过未膨胀衬管段8，使得能够将钻头22通过未膨胀衬管段8重新取回至地表。钻柱20可以包括多节钻杆段28。钻杆段28可以通过阳螺纹和阴螺纹连接件30在相应端部处互连。钻柱20与未膨胀管状元件8之间的环形空间32被称作钻井环空32。
[0046]虽然没有详细示出连接件30，但是其包括例如带螺纹的公连接件和母连接件。连接件30可包括在每个端部处制有阳螺纹的接头，其中，具有阴螺纹的长度短的联接构件(未示出)用于与钻柱的各接头连结在一起，或者与在一个端部上具有阳螺纹而在另一端部上具有阴螺纹的接头连结在一起。所述螺纹连接件可以包括由美国石油协会(API)标准化的连接件。
[0047]图1还示出了钻台40，所述钻台40相对于地表6升高并且环绕钻柱20的上端部和未膨胀管状段8的上端部。钻台40是钻机的一部分，然而并没有完全示出钻机。例如布置在钻台下方的顶管机42环绕未膨胀段8。顶管机例如由底架43支撑。底架43提供了稳定性，并且可以例如连接到钻机或被支撑在地表6上。顶管机可以包括:一个或多个马达46，所述马达46布置在底架上；一条或多条传送带48，所述传送带48能够由相应的马达驱动。每条传送带48接合未膨胀段8的外侧。传送带48能够将力施加到所述未膨胀段8，以便迫使未膨胀段运动到已膨胀段10中。可以设想顶管机42的能够将向下或向上的力施加到未膨胀段的其它实施例。
[0048]密封装置50能够连接到已膨胀衬管段10的上端部，以便将未膨胀衬管段8相对于已膨胀衬管段10密封。在此，密封装置50使得未膨胀衬管段8能够相对于密封装置50沿着轴向方向滑动。密封装置包括管道52，所述管道连接到泵(未示出)，用于将流体泵送到盲环空44 ( S卩，未膨胀衬管段8与已膨胀衬管段10之间的环空)中或者将流体从盲环空44中泵送出。环形空间44称作盲环空，原因在于其在井下端部处被弯曲区域14封闭。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接合未膨胀段8的外侧并且防止所述流体离开盲环空。优选地，密封装置50包括至少两个密封件56、58，以便提供至少一个额外密封，以便在第一密封件可能失效的情况下提高安全性和可靠性。
[0049]密封装置50能够被视作盲环空防喷器(BABOP)。因此，密封件56、58、将密封装置50连接到已膨胀段10的上端部的连接件和用于封闭管道52的一个或多个阀(未示出)将都设计成至少承受可能在井控情况中产生的流体压力。根据地层的具体情况，密封装置50例如设计成承受下述压力:在井喷的情况中，所述压力可以预计例如处于200bar至1600bar的范围内，例如大约为400bar至800bar或更大。与井控情况结合，在例如因可膨胀管状件4断裂而导致失效的情况中，例如在盲环空44中可以产生这种压力。
[0050]通过任何适当的固定装置轴向固定已膨胀衬管段10，以便防止轴向运动。已膨胀衬管段10可以在其上端部处固定在地表处。例如，所述已膨胀段的上端部可以例如通过焊接和/或螺接而连接到环形件或凸缘59。所述环形件能够附接到地表处的任何适当结构(诸如，密封装置50)或集成在所述任何适当结构中。所述环形件的内径可以大于已膨胀段的外径。可选地，例如凭借因膨胀过程所产生的已膨胀衬管段10与井眼壁224之间的摩擦力而使得已膨胀段10可以固定到井眼壁224。可替代地或另外地，通过任何适当的锚固装置能够将已膨胀衬管段10例如锚固到井眼壁。
[0051]在由线I1-1I表示的接触面处，图1中示出的系统的下部部分能够连接到如图2和图3所不的上部部分。
[0052]图2示出了连接到上端部连接零件62的顶部驱动装置60，所述上端部连接零件62能够相对于顶部驱动装置旋转。优选地，上端部连接零件包括无接箍管，所述无接箍管具有光滑的外表面。远离顶部驱动装置的连接零件端部64设置有如上所述的螺纹连接件30。螺纹端部64连接到其它钻柱段66。通常，其它钻柱段66将基本等同于钻柱段28，如图1所示。在线I 一 I示出的接触面处，其它钻杆段66能够连接到图1示出的钻柱20的上端部。
[0053]钻井环空密封装置70可以覆盖钻井环空32的顶端部。密封装置70包括壳体72，所述壳体72环绕连接零件62并且提供了内部空间74。在顶端部处，在顶部驱动装置60附近，壳体可以包括一个、两个或更多个密封件76、78，所述密封件76、78接合管62的外侧。优选地，密封件76、78使得壳体能够沿着管62滑动。在相对的端部处，壳体可以包括一个、两个或更多个密封件80、82，所述密封件80、82接合其它可膨胀管段84的外侧。除了密封件之外，壳体还可以包括夹持器106，所述夹持器106可以接合管段84的外侧和/或内侧。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106。流体管道90连接到内部空间74，用于将流体(钻井流体)供应到环形空间32中或从环形空间32排出。
[0054]密封装置70可以包括延伸零件或插入管100。插入管延伸到其它可膨胀管段84的内部。插入管可以包括密封件102、104和/或夹持器106，以便接合管段84的上端部。插入管还可以包括密封件108，以便接合管段84的下端部，并且插入管还可以包括密封件110，以便接合未膨胀管状段8的上端部的内部(图1所示)。后备气体工具(backing gastool) 198可以在密封件108、110之间结合在所述插入管中。后备气体工具覆盖其它可膨胀管段84和未膨胀管状段8之间的内界面。
[0055]插入管可以至少比管段84略微长，使得插入管可以延伸到未膨胀段8中，这将使得插入管能够用作用于使得管段84和未膨胀段8对准的对准工具。
[0056]实践中，管段84的长度可以处于大约5-20米的范围内，例如为大约10米。插入管将例如比管段84长大约2%至10%，例如长5%。环形空间112设置在插入管和管62之间，以便提供从环空32至空间74和管道90的流体连接。
[0057]密封装置70可以称作钻井环空防喷器(DABOP) 70。密封件76_82、夹持器106和用于封闭管道88和90的一个或多个阀(未示出)将都设计成至少承受可能在井控情况中产生的流体压力。根据地层的具体情况和预期最大孔隙压力，钻井环空防喷器70例如设计成承受压力，所述压力处于大约200bar至800bar或更大的范围内，例如为大约400bar。
[0058]钻井环空防喷器可以包括任何数量的密封件。钻井环空防喷器70可以包括一个密封件76和一个密封件80，或者包括多个密封件。在一个实际实施例中，对管62实施密封的两个密封件76、68和对管状段84实施密封的两个密封件将提供例如一方面失效-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内部的内密封件102、104以及接合可膨胀管84外部的外密封件80、82提供的双重防护提高了密封装置70的可靠性和密封性。
[0059]图3示出了图1的系统的上部部分。未膨胀衬管段8在其上端部处由卷绕在卷筒132上的(金属)片材130形成。金属片材130具有相对的边缘133、134。在从卷筒132上解绕之后，金属片材130被弯曲成管状并且边缘133、134通过例如焊接互连，以便形成未膨胀管状段8。结果，可膨胀管状元件4可以包括纵向焊接部135。
[0060]流体管道136从未膨胀管状段8的内部延伸至未膨胀管状段8的上端部的上方。流体管道136可以在其下端部处连接到位于未膨胀管状段8中的管138或与所述管138形成为一体。第一环形密封件140将管138相对于未膨胀衬管段8密封，第二环形密封件142将管138相对于钻柱20密封。流体通道136经由设置在管138的壁中的开口 144与管138的内部空间流体连通。而且，管138设置有夹持器装置146，所述夹持器装置146允许管138相对于未膨胀衬管段8向上滑动但防止其向下滑动。第一环形密封件140允许管138相对于未膨胀衬管段8向上滑动。
[0061]图3中示出的上部部分能够与图1中示出的下部部分相组合，其中，然而，未膨胀管状段8围绕钻柱20连续形成。在此，在图3中省略了图1中示出的特征中的一些特征，以便提高图3的清晰性，诸如密封装置50、顶管机42和钻台40。
[0062]将在下文后续步骤中描述根据本发明的对环绕衬管的环空进行密封的方法。可以重复实施步骤的顺序，以提供加设衬管和层间隔离的井眼。
[0063]图4示出了设置在大地地层2中的井眼I。井眼设置有可膨胀的衬管4。衬管包括未膨胀段8和已径向膨胀段10。已膨胀段10是抵靠井眼壁224的包层，或者可以在已膨胀段10与井眼壁224之间留有相对小的环形空间202。钻柱20延伸穿过衬管4并且在其井下端部200处靠近井眼I的底部处设置有钻头22。钻头可以包括定向钻头24和扩孔器段26。
[0064]已膨胀段10与井眼壁224之间的环空202设置有密封材料层204，从而提供了井眼的先前密封段206。
[0065]在第一步骤中，从先前密封段206开始，连续钻出钻孔1，而不需要使得衬管4反转，从而产生了裸眼段208。在使用扩孔器26扩孔之后，所述裸眼段208的直径可以略微大于已膨胀衬管段10的外径。在此，略微大表示处于大约0.1mm至20mm的范围内，典型地为数毫米或更小。在钻进期间，用钻井流体210填充包括裸眼段208的井眼I。
[0066]在第二步骤中(图5)，将过滤器构件212布置在衬管4的弯曲区域14处。过滤器构件可以具有适于搁置在弯曲区域14处或附近的预定位置处的任何形状。随后，颗粒220被包括在钻井流体210中并且被向井下泵送通过钻头22而且随后被过滤器构件212捕获。
[0067]如图5所示，过滤器构件可以具有筒状本体214，所述筒状本体214装配在未膨胀衬管段8的内径内。筒状本体设置有径向延伸的凸缘构件216，以便接合弯曲区域14并且将过滤器构件保持在适当位置中。凸缘构件216可以缩回，以使得能够将过滤器构件通过未膨胀衬管段8的内侧通道引入。凸缘构件216的外径可以大约等于或小于已膨胀衬管段10的外径，以允许颗粒通过凸缘构件并且抵达环空202。
[0068]过滤器构件例如设置有开口或流体通道，所述开口或流体通道本质上允许钻井流体通过，但是开口或流体通道小于颗粒220的平均粒径。例如，过滤器构件可以包括设置有金属网的开口，所述金属网的开口小于颗粒的所述粒径。
[0069]在第三步骤中(图6)，管状构件4被进一步外翻。结果，弯曲区域将接合过滤器构件212并且使得所述过滤器构件向井下运动。在衬管4外翻期间，包括所述微粒物质220的钻井流体210经由钻柱20被泵送到井下。过滤器212将捕获钻井流体的返回流中的颗粒220。所述捕获的颗粒220将在外侧通过过滤器构件并且进入到环空202中。因此，颗粒220填充环空，封闭环空并且提供了井眼的最近加设衬管段的环空中的层间封隔。
[0070]环空中的颗粒薄层222被捕获在已膨胀管状段10与井眼壁224之间。所述薄层的厚度可以相当于环空202的厚度，例如处于大约1mm或更小的范围内。
[0071]在第四步骤中(图7)，当管状元件4已经外翻并且沿着井眼段208延伸预定距离之后，从井眼移除过滤器构件212并且通过经由钻柱20沿着井眼向下泵送适当的流体(无颗粒)而冲掉任何没有被捕获在环空202中的过量颗粒212。
[0072]在完成第四步骤之后，能够从第一步骤开始重复进行处理(图4)。
[0073]应当指出的是，上述方法还适于提供在包围常规的非外翻的衬管的环形空间中的颗粒层或其它颗粒物质层。如果所述衬管没有外翻，而是衬管仅仅能够被引入到井眼中直到达到阈值长度为止，这是因为衬管和颗粒之间的摩擦将最终防止衬管进一步运动。
[0074]图11中示出的过滤器212允许进行连续处理。在此，能够连续地钻出井眼和使得管4外翻。分批或连续地向下泵送颗粒220。钻井流体中的颗粒总量至少足以提供在过滤器212下方被捕获在已膨胀衬管段10和井眼壁之间的环空中的足够量的颗粒。颗粒被捕获在筒形过滤器段的外侧与井眼壁224之间。筒形过滤器段的井下端部设置有柔性翼片252。所述翼片优选地具有圆形形状。可替代地，翼片可以由多个翼片构成，所述多个翼片一起构成所述圆形形状。翼片252具有关闭位置(图11)，在关闭位置中，翼片252至少部分地封闭筒形过滤器段252与钻柱20之间的间隙。当翼片下方的流体的流体压力超过预定阈值压力时，翼片252可以打开至打开位置(图12)，在打开位置中，筒形过滤器段252与钻柱20之间的间隙的至少一部分敞开，以提供流体通道。
[0075]当过滤器段252的内侧上的翼片252处于关闭位置中(图11)时，翼片至少部分地密封钻柱与过滤器段之间的环空。这允许在过滤器段250与井眼壁224之间的环空中生成压力。所述压力稍微已经压实被捕获在过滤器段250与井眼壁224之间的颗粒。由于管状元件4的外翻，颗粒被捕获在已膨胀衬管段10与井眼壁224之间，从而甚至更多地压实所述颗粒。
[0076]当例如由于从钻头流出太多的钻井流体而使得翼片252两侧的压差超过阈值压力时，一个或多个翼片打开(图12)。打开翼片允许使得钻井流体的循环(包括将颗粒传送到环空以及从钻孔移除钻肩)和由过滤器212压实颗粒之间达到平衡。这还防止颗粒堵塞钻柱20与未膨胀管段8之间的钻井环空。
[0077]翼片252可以以多种方式在关闭位置和打开位置之间运动。可以例如逐渐或瞬时从关闭过渡到打开。在此逐渐指的是柔性翼片将例如通过弯曲而逐渐打开。后者允许无阶性地打开环空并且允许所述环空根据压差而打开至介于O至100%的百分比之间的任何预定的百分比。因此，翼片使得能够有中间位置，在中间位置中，环空部分关闭且部分打开，例如，处于半打开位置。翼片例如可以由具有适当弯曲刚度的柔性橡胶制成。另外，翼片的几何结构和形状能够设计成使得预定弯曲与压差相关。瞬时打开使得翼片以阶梯式的方式(即，或打开或关闭的方式)从关闭位置运动到打开位置。后者大体相当于照明开关的机构。
[0078]层222的长度例如处于大约Ikm或更小的范围内，例如为大约500米向下至数米。本发明的层间封隔处理是半连续性的，并且避免将钻柱在井眼中的起下钻。
[0079]本发明使得能够将颗粒220捕获在已膨胀衬管段10与井眼壁之间，而同时限制所述颗粒对已膨胀衬管段10与井眼壁之间的环空202的密封能力，即，防止颗粒堵塞井眼的其它部分。
[0080]当通过钻柱20向井下泵送颗粒220时，它们需要被捕获在弯曲区域14处的环空的中。为此，一个实际的实施例包括:
[0081]I)过滤器构件212在所施加的钻井流体中漂浮(图8)。所述过滤器构件能够沿着钻柱20自由运动。弯曲区域14防止过滤器构件向上(井口 )运动，从而将过滤器保持在适当位置中。
[0082]在钻出井眼期间，过滤器构件212向井下运动，以便允许钻肩通过过滤器。当钻柱20在钻进同时向井下运动时，径向延伸的脊状件230可以接合过滤器构件212并且迫使过滤器构件随同钻杆一起向井下运动而远离弯曲区域14。
[0083]2)过滤器构件212 (图9)被附接到钻杆20。所述过滤器构件典型地可以具有筒状本体，所述筒状本体比过滤器构件的其它实施例的筒状本体长。过滤器构件可以不设置凸缘构件。钻杆20相对于弯曲区域14的准确位置并不重要，这是因为过滤器较长。
[0084]3)(强)磁体240可以布置在已膨胀衬管段与未膨胀衬管段之间的环空44中(图10) ο颗粒选择成至少部分为铁磁性的。在泵送颗粒的同时，磁体吸引颗粒并且将所述颗粒捕获在弯曲区域14处。在未膨胀衬管段8的内侧处，(钻井)流体的速度较快，而在弯曲区域14下方或在弯曲区域14处流体流动将停滞。结果，铁磁性颗粒将附接到衬管14的弯曲区域14，并且不会堵塞未膨胀衬管段8与钻杆20之间的环空。在衬管4外翻的同时，附接到弯曲区域的所述颗粒将被运送到环空202并且被捕获在所述环空202中。
[0085]颗粒可以例如由流体流运送。可替代地，颗粒可以漂浮在所使用的特别钻井流体中。结果，需要相对低密度的颗粒。
[0086]颗粒可以包括以下中的一种或多种:
[0087]?溶胀橡胶、弹性体或黏土。在此溶胀可以表示制成颗粒的材料在与某一流体(诸如水或碳氢化合物)接触时将溶胀。如果颗粒220溶胀，则环空202的层间封隔将随着时间推移而得以提高。在布置期间颗粒的溶胀程度优选地保持最小，例如体积或直径的溶胀为0%至10%。在布置时颗粒的溶胀程度优选地大于布置期间的溶胀程度，例如，体积或直径的溶胀为100%至200%，例如体积溶胀高达1000%。对于适当的材料而言，例如参照US-7578347 ο
[0088].非溶胀橡胶、弹性体或钻肩。在衬管4膨胀期间研磨颗粒并且形成紧密充填层222。
[0089]?包括活性成分的颗粒，所述活性成分将有助于将剩余流体留置在环空中。活性成分可以包括例如超吸收聚合物或化学反应物质中的一种或多种。可以通过例如下述方式释放活性成分:在预定的弥散时间期间从颗粒弥散，或者可溶解的胶囊，或者当在衬管膨胀期间被压碎时破碎的胶囊。
[0090]天然浮性颗粒的密度小于钻井流体的密度。典型地，钻井流体的密度与水的密度大体相同，g卩，大致为I比重(SG)。例如，钻井流体的密度可以在从0.8SG至5SG的范围内或者例如在ISG至2.5SG的范围内。对钻井流体的选择可取决于多种因素来，包括地层的性质。浮性颗粒的密度低于钻井流体的密度，优选地其密度与钻井流体密度的差为0.1SG或更大。浮性颗粒的密度可以在0.7SG至2.4SG的范围内。
[0091]颗粒可以具有非均匀一致的粒径。粒径分布可以例如取决于环空202的尺寸或地层的渗透性。最大的颗粒可以与已膨胀衬管段10与井眼壁224之间的环形空间202 —样大或略微大于所述环形空间202。所述环形空间例如在0.1mm至20mm的范围内，或者例如在3mm至6mm的范围内。最小的颗粒的粒径可以取决于地层和所选择的钻井流体。最小颗粒可以填充较大颗粒之间的空隙，由此产生致密的充填。最小颗粒的粒径可以是纳米颗粒或更大。优选地，颗粒在环空中充填的渗透性低于相应位置处的地层的渗透性。
[0092]在另一个实施例中，作为具有能够在管反转部(即，弯曲区域14)的部位前方处使用的密封颗粒的替代手段，能够使用比泥浆颗粒轻的颗粒。所述颗粒由于其浮力具有向上行进的趋势。通过将不可渗透的管布置在外径比孔小且具有针对原始(未翻转)SOCCS管的(运动)密封件的反转区域处，在反转部位处的下方产生了环空。比泥浆轻的颗粒具有聚集在所述空间中的自然趋势，并且因此作为反转管周围所需的密封材料。当使得管反转并且使得已膨胀段延伸时，捕获在不可渗透管与井眼壁之间的颗粒的至少一部分将被运送到已膨胀管状段10与井眼壁之间的环空中。一旦颗粒位于后述环空中，则颗粒可以提供如上所述的相对于其它实施例的层间封隔。
[0093]在一个实际的实施例中，能够选择衬管4的直径和/或壁厚，使得在膨胀处理期间已膨胀衬管段10压抵在井眼壁224上。已膨胀衬管10可以因此对井眼壁密封和/或使得井眼壁稳定。而且，已膨胀衬管可以将颗粒220挤压在其外表面与井眼壁之间。
[0094]衬管4的壁厚可以等于或大于大约2mm (0.08英寸)。衬管4的壁的厚度可以例如大于2.5mm，例如大约介于3mm至30mm，或大约3.2mm至10mm。未膨胀段的外径可以为大约50mm (2英寸)或更大，例如在大约50mm至400mm (16英寸)的范围内。已膨胀段可以具有适于或通常用于碳氢化合物井眼的外径。衬管的壁可以包括相对强的材料，诸如金属或优选地钢，或可以由固体金属或脱氧钢制成。因此，衬管4能够设计成具有适当的抗挤压强度，以便在针对碳氢化合物储层钻井时支撑井眼壁和/或承受内部压力或外部压力。
[0095]在井眼延伸期间，未膨胀衬管段8的长度并且因此重量将逐渐增加。因此，对应于未膨胀衬管段8的逐渐增大的重量能够逐渐减小推动装置42所施加的向下力。随着所述重量增加，向下力最终可能需要由向上力来替代以将总力维持在预定范围内。这可防止衬管段8的屈曲。
[0096]在钻进期间，未膨胀衬管段8行进到井眼中，同时钻柱20也逐渐行进到井眼I中。可以以大约两倍于钻柱20的速度将未膨胀衬管段8推入到井眼中，使得弯曲区域14保持位于钻头22上方的相对短的距离处。在此，所述短距离表示井眼I的裸眼段208 (即，无衬管段)的长度LI (见图1和图4)。本发明的方法使得裸眼段的长度LI在钻出井眼期间总是小于例如大约100米，或者小于50米。
[0097]未膨胀衬管段8可以由钻柱20支撑，例如由连接到钻柱的支承装置(未示出)支撑，所述支承装置支撑弯曲区域14。在那种情况中，向上的力适当地施加到钻柱20，随后通过支承装置传递到未膨胀衬管段8。而且，未膨胀衬管段8的重量于是能够传递到钻柱并且用于提供施加到钻柱22的推力。
[0098]经由输出管道90将包含钻肩的钻井流体从井眼I排放出。可替代地，钻井流体可以以反向模式循环，在反向模式中，钻井流体经由管道90被泵送到井眼中并且经由钻柱20从井眼中排放出。
[0099]当要求将钻柱20收回到地表时，例如当更换钻头22或当钻井眼I完成时，能够压缩扩孔器段26至其径向缩回模式，在径向缩回模式中，径向直径小于未膨胀衬管段8的内径。随后，能够通过未膨胀衬管8将钻柱20收回至地表。
[0100]通过本发明的井眼系统，实现了在钻进处理期间用在钻头正上方外翻的衬管为井眼逐渐加设衬管，结果，在钻井处理期间总是仅仅存在相对短的裸眼段208。在此，短可以表示裸眼段的长度LI (图1)小于lkm，例如所述长度LI在大约10米至300米的范围内。短裸眼段的优势包括限制流入到井眼中的可能性，这将最小化所造成的压力升高或压力偏差并且简化以及改善了井控。在钻入到大地地层中的含碳氢化合物流体的储层期间，这种短裸眼段的优势将最为显著。鉴于此，对于多种应用而言，优选的是，如果仅仅在钻入到碳氢化合物流体储层或包含异常现象的地层段中的钻进期间仅仅在钻进期间施加对衬管的外翻处理，而井眼的其它段以传统方式加设衬管或套管。可替代地，根据情况，在钻进期间，可以在地表处开始或在选定的井下位置处开始对衬管的外翻处理。
[0101]鉴于钻进期间的裸眼段短，显著降低了井眼流体压力梯度超过岩石地层的压裂梯度或井眼流体压力梯度下降到低于岩石地层的孔隙压力梯度的风险。因此，较之在必须以选择的间隔设置阶梯式直径减小的套管的传统钻井实践，能够以单一的标称直径钻出明显更长的间隔。
[0102]而且，如果穿过油页岩层钻出井眼，则这种短裸眼段消除了因油页岩的隆起趋势而导致的可能问题。
[0103]在已经将井眼钻至理想深度并且已经从井眼移除钻柱之后，未膨胀衬管段的仍然留存于井眼中的一段能够留置在井眼中，或者能够从已膨胀衬管段切断所述段并且收回到地表。
[0104]在未膨胀衬管段的所述段留存于井眼中的情况中，存在多种用于完井的选项。例如，如下文概述。
[0105]A)例如盐水的流体被泵送到未膨胀衬管段与已膨胀衬管段之间的盲环空44中，以便为环空加压并且增加已膨胀衬管段10的抗挤压强度。可选地，一个或多个孔设置在弯曲区域14中，以便允许所泵送的流体循环。
[0106]B)将水泥泵送到盲环空44中，以便在水泥硬化之后在未膨胀衬管段8与已膨胀衬管段10之间产生固态体。水泥在硬化时可膨胀。
[0107]C)例如通过泵送、推动或拉动扩管器通过未膨胀衬管段而使得未膨胀衬管段径向膨胀(即，包层)而抵靠已膨胀衬管段。
[0108]在上述示例中，在地表处或在井下部位处使得衬管开始膨胀。在离岸井眼的情况中，其中，海上平台定位在井眼上方，可能有利的是在海上平台处、在水面处或水面上方处开始膨胀处理。在此，弯曲区域从海上平台运动至海床并且随后进入到井眼中。因此，所形成的已膨胀管状元件不仅仅形成井眼中的衬管而且还形成从海上平台延伸至海床的立管。由此不需要单独的立管。
[0109]而且，诸如用于与井下设备连通的电线或光纤的导管能够在已膨胀段与未膨胀段之间的环空中延伸。在管状元件膨胀之前这种导管能够附接到管状元件的外表面。而且，已膨胀衬管段和未膨胀衬管段能够用作电导体，以便向井下传输数据和/或电力。
[0110]较之已膨胀衬管段，因为在完成外翻处理之后仍然存在于井眼中的未膨胀衬管段的任何一段都将承受较为宽松的负荷条件，所以较之已膨胀衬管段，这种未膨胀衬管段的所述段可以具有较小的壁厚或可以具有较低的质量和钢等级。例如，其可以由具有相对低屈服强度或相对低的抗挤压额定值的管制成。
[0111]作为使得在膨胀处理之后未膨胀衬管段的一段留存在井眼中的替代方案，可以用上述方法使得整个衬管膨胀，以使得未膨胀衬管段保持在井眼中。在这种情况中，细长的构件，例如管柱能够用于在膨胀处理的最后阶段期间向未膨胀衬管段施加必要的向下力。
[0112]为了减小在膨胀处理期间未膨胀衬管段和已膨胀衬管段之间的摩擦力，诸如Teflon层的减小摩擦层可以施加在未膨胀衬管段与已膨胀衬管段之间。例如，减小摩擦层能够施加到未膨胀段8的外表面。减小摩擦层减小了使得衬管外翻和将未膨胀段推入到井眼中所需的力。因此，保持所述力进一步低于所谓的临界屈曲载荷，所述临界屈曲载荷是未膨胀衬管屈曲或失效的力。作为减小摩擦层的替代方案或附加方案，能够将对中垫和/或辊子施加在未膨胀段与已膨胀段之间的盲环空中，以便减小摩擦力和环空空隙。
[0113]作为使得已膨胀衬管段膨胀抵靠井眼壁(如所述的)的替代方案，能够使得已膨胀衬管段膨胀抵靠已经存在于井眼中的另一个管状元件(例如，套管或衬管)的内表面。
[0114]尽管已经描述本发明的包括顶部驱动装置的实施例，但是，本发明同样适于与可替代的钻井系统一起使用。后者可以包括例如井下马达以取代顶部驱动装置。所述井下马达是包括在钻柱中、位于钻头正上方的钻井工具。通过激活加压钻井流体，其致使钻头转动而在钻柱没有旋转。井下马达的示例包括正排量马达和井下涡轮马达。而且，任何其它钻井工具可以布置用于钻出钻孔。这种钻井工具可以例如包括悬置于管柱端部处的磨料喷射
目.ο
[0115]同样，本发明还适于定向钻井，即，在钻进时能够调整钻井方向。例如，在井下马达位于钻头和弯接头之间的情况中或者在马达的壳体可以弯曲的情况中，井下马达可在定向钻井中用作造斜工具，
[0116]本发明并不局限于其上述实施例，其中，在所附的权利要求的范围内可以想到多种变型方案。例如，可以组合相应实施例的各个特征。
【权利要求】
1.一种用于对环绕井眼中的管状元件的环空进行密封的方法， 其中，所述管状元件是环绕工具柱的可膨胀的管状元件，其中，所述可膨胀的管状元件的壁的井下端部部分径向向外并且沿着轴向相反方向弯曲，从而限定了围绕未膨胀管状段延伸的已膨胀管状段，所述方法包括以下步骤: i)将第一钻井流体引入到所述井眼中； ?)使用悬置于所述工具柱的端部处的钻井工具钻出所述井眼的裸眼段； iii)将包括颗粒的第二钻井流体泵送到所述井眼中； iv)在所述管状元件的井下端部附近将颗粒从所述第二钻井流体中过滤出； V)通过将所述未膨胀管状段推入到所述已膨胀管状段中而使得所述管状元件延伸到井眼的裸眼段中，而同时将已过滤出的颗粒的至少一部分引导到至所述已膨胀管状段与井眼壁之间的环空。
2.根据权利要求1所述的方法，包括重复步骤i)至V)的步骤vi)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，引导至环空的所述颗粒为所述环空填充颗粒层O
4.根据权利要求1所述的方法，其中，过滤出颗粒的步骤包括: 一在井口使得设置有过滤器构件的钻柱运动，直到所述过滤器构件接合所述管状构件的井下端部为止。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将第一钻井流体引入到所述井眼中的步骤包括: 一在井下使得设置有过滤器构件的钻柱运动，直到所述过滤器构件与所述管状构件的所述井下端部脱开接合为止。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，过滤步骤使用过滤器装置，所述过滤器装置包括: 一过滤段，所述过滤段从所述管状段的井下端部延伸到所述井眼中；和一柔性的翼片，所述翼片布置在所述过滤段的井下端部处，以便至少部分地封闭所述过滤段与钻柱之间的环空。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述翼片两侧的压差超过阈值压力时，所述柔性的翼片将至少部分地打开所述过滤段与所述钻柱之间的环空。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述翼片由一个或多个翼片段构成，所述一个或多个翼片段一起构成圆形形状。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒是至少部分铁磁性的，并且其中过滤出颗粒的步骤包括: 一将磁体布置在所述管状构件的所述井下端部处，以吸引所述颗粒的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒的至少一部分在与预定流体接触时溶胀。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预定流体包括水或碳氢化合物。
12.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤: 一将不可渗透管布置在所述管状元件的井下端部处，所述不可渗透管的外径小于所述井眼的外径，并且包括在所述不可渗透管和所述管状元件的井下端部之间的(运动)密封件，从而在所述管状元件的井下端部的下游处产生环形空间； 一确保所述第二钻井流体中的颗粒的颗粒密度低于所述第二钻井流体中的泥浆密度； 一其中，从所述第二钻井流体中过滤出颗粒的步骤包括将所述颗粒因它们的浮力而聚集在所述环形空间中。
13.一种用于对环绕井眼中的管状元件的环空进行密封的系统，所述系统包括: 一工具柱，所述工具柱具有悬置于井下端部处的钻井工具，用于钻出所述井眼的裸眼井段； 一可膨胀的管状元件，所述可膨胀的管状元件环绕所述工具柱，其中，所述可膨胀的管状元件的壁的井下端部部分径向向外并且沿着轴向相反方向弯曲，从而限定了围绕未膨胀管状段延伸的已膨胀管状段； 一引入装置，所述引入装置用于将第一钻井流体引入到所述井眼中； 一泵送装置，所述泵送装置用于将包括颗粒的第二钻井流体泵送到所述井眼中；一过滤器装置，所述过滤器装置布置在所述管状元件的井下端部附近，用于将颗粒从第二钻井流体中过滤出，并且用于将已过滤出的颗粒中的至少一部分引导至所述已膨胀管状段与井眼壁之间的环空中。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述过滤器装置选自以下组: 一过滤段，所述过滤段从所述管状段的井下端部延伸到所述井眼中；和柔性翼片，所述柔性翼片布置在所述过滤段的井下端部处，以便至少部分地封闭所述过滤段与钻柱之间的环空； 一布置在所述管状元件的井下端部处的不可渗透管，所述不可渗透管的外径小于所述井眼的外径，并且包括在所述不可渗透管和所述管状元件的所述井下端部之间的(运动)密封件，从而在所述管状元件的井下端部的下游处产生环形空间。
15.根据权利要求13所述的系统，所述系统用于实施根据前述权利要求中的任意一项所述的方法。
【文档编号】B29C63/36GK104471178SQ201380027774
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】P·C·克里塞尔斯, S·A·哈特曼, E·K·科内利森, D·萨什德哈 申请人:国际壳牌研究有限公司