专利名称：密封井筒中环形空间的方法
技术领域：
本发明涉及一种密封形成在布置于井筒中的可膨胀管状元件与围绕该可膨胀管状元件的壁之间的环形空间的方法，从而在环形空间中的第一位置和环形空间中与第一位置轴向隔开的第二位置之间形成压差。
背景技术：
用于生产烃类流体的井筒通常设有一个或多个套管以给并筒壁提供稳定性，并在不同地层之间提供油层隔离。通常，将多个套管以嵌套布置方式设置在不同深度处，从而每个(顺序的)套管的直径小于前面的套管的直径，以便允许该套管下放通过前面的套管。每个套管和井筒壁之间的环形空间填充有混凝土以提供环形密封并将套筒支撑在井筒中。在大多数应用中，只要环形空间不太窄，这种混凝土层就提供足够的密封功能。
最近，已经开始实践使套筒在井筒中径向膨胀。在安装可膨胀套筒的一种有吸引力的方法中，每个相继的套筒下放通过前面的套筒，然后径向膨胀到基本上与前面的套筒相同的直径。这样，获得了大体均匀直径的井筒。这种工艺对于较深的井筒或者延伸到达的井筒特别有利。此外，曾经提出使套筒膨胀到抵靠井筒壁，使得在套筒与井筒壁之间在两者之间没有混凝土层的情况下形成密封。尽管这种抵靠地层的膨胀被认为可行，但仍然存在对于套筒已经抵靠地层膨胀之后密封的有效性的担忧。经验表明，考虑到混凝土可能不会充分地流进环形空间并且考虑到在硬化时(窄)环形混凝土层的可能的收缩，混凝土对于密封非常窄的环形空间来说不是一种很好的解决方案。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种密封形成在布置于井筒中的可膨胀管状元件与围绕该可膨胀管状元件的壁之间的环形空间的改进方法，其克服了现有技术的缺点。
根据本发明，提供了一种密封环形空间的方法，所述环形空间形成在布置于井筒中的可膨胀管状元件与围绕该可膨胀管状元件的壁之间，由此在环形空间中的第一位置和环形空间中与第一位置轴向隔开的第二位置之间形成压差，所述方法包括—将管状元件安装在井筒中；—将一流体团定位在环形空间中所述第一位置和第二位置之间，所述流体具有如此选择的屈服强度，即，在管状元件的径向膨胀之后，所述压差不足以引起环形空间中所述流体团的轴向流动；以及—使管状元件径向膨胀。
因此实现了可以在管状元件膨胀之前将流体以较低的泵送压力插入到环形空间中，原因是环形空间在膨胀过程之前较宽。一旦流体处于环形空间中并且管状元件已经膨胀，引起流体团通过环形空间纵向运动所需的压力以及因此导致的环形流体团的密封能力增加。如果环形空间例如在管状元件膨胀到抵靠井筒壁的情况下变得非常窄，则这种增加几乎是指数的。因此应理解，本发明的方法对于管状元件径向膨胀到井筒壁附近或者甚至局部抵靠井筒壁的应用特别有利。
优选地，所述流体是非硬化流体，从而避免由于硬化而产生的环状体收缩的风险。
用在本发明的方法中的一种适当流体是触变流体。优选地，该流体选自凝胶、宾汉塑料和赫谢尔-巴尔克莱流体。
用在本发明的方法中的适当凝胶的例子是1)可从斯伦贝谢或OFPG公司获得的诸如MarasealTM、MarcitTM的铬交联的聚丙烯酰胺。这些凝胶基于部分水解的交联有经由醋酸铬合成体释放的Cr(III)的聚丙烯酰胺聚合物。在应用时，对于Maraseal，温度为124℃，对于Marcit，温度为104℃。在固化之后，凝胶可以抵抗高浓度的二价离子。
2)交联有(光合作用的)专用试剂的聚乙烯醇，例如高级凝胶技术公司在US 2002/0128374A1中公开的名为WondergelTM的聚乙烯醇。对于WondergelTM，更广泛的描述可以参考WO 03/083259、WO04/041872、WO 98/11239、US 2004/0072946A1、US 2002/0128374A1或GB 2396617A1。
3)诸如LAPONITETM的合成层状硅酸盐粘土。
4)比如US 5,677,267公开的用于蒸汽喷射器的触变式亲脂基粘土封隔器凝胶。
5)诸如US 4,258,791或US 5,607,901公开的油基隔热凝胶，它们是对于环境安全、非水成、非腐蚀性并且隔热的凝胶，其中液体部分包括动物油或植物油的酯。
6)通常用在蒸汽喷射器的切断中的原地可胶凝成分，例如US 4,858,134所公开的。
7)在升高温度条件下具有长寿命的热固合成凝胶，例如诸如道康宁的SylgardTM的RTV硅树脂凝胶和/或诸如信越的SIFELTM的全氟醚硅树脂凝胶。
8)用于温度低于60℃的改性黄原胶。
9)由无机硅酸盐构成的SilJelTM，其在预定固化时间后在溶液中固化以形成永久的凝胶。所述溶液在已经过去固化时间的90％之前具有接近水的粘度。固化时间与温度和pH有关，并且根据pH，在高达93℃的温度下在几分钟到几小时之间变化。在更高的温度下，添加尿素导致延迟的胶凝时间，其原因是在氨的形成过程中尿素的缓冲能力。
10)InjectrolTM，其是内部催化的硅酸盐系统。根据所应用的催化剂，可以有三种类型的InjectrolTM系统，即用于温度介于23-66℃的G型、用于温度介于49-82℃的IT型以及用于温度介于82-149℃的U型。内部催化剂系统能够在材料固化成硬凝胶之前将低粘度的溶液(通常1.2mPa.s)泵送到地层中。催化剂的量以及底孔温度决定胶凝时间。对于G型系统，胶凝时间介于66℃下的几分钟到23℃下的600分钟之间。
11)哈里伯顿开发的H2zeroLTTM或H2zeroTM，其包括分子量为250.000的丙烯酰胺-丙烯酸酯共聚物，且聚乙烯亚胺作为交联体。对于温度低于50℃的应用，ZrOCl2(氯氧化锆)用作交联体以获得减少的胶凝时间。
12)哈里伯顿开发的PermSeal E+TM或PermSeal 600TM，包括丙烯酸酯单体和热控催化剂。氯化钾(KCl)、水以及pH调节剂(醋酸)被包括在内以提供标准化的离子浓度。催化剂的热降解导致聚合物的原地聚合。在21-65℃的温度下，胶凝时间可以控制在1到20小时之间。PermSeal最初具有和水一样的粘度，并且在被泵送到井筒之后形成聚合物。
13)哈里伯顿开发的Floperm 700TM，包括作聚丙烯酰胺和为交联体的苯酚以及甲醛。通过降解反应原地形成苯酚以及甲醛的前体例如对苯二酚和四氮六甲圜毒性较小。Floperm 700TM可以在高达约175℃的温度下使用。聚合物浓度为3000-7000的量级。
14)哈里伯顿开发的HE300TM，包括三个单体(丙烯酰胺基单体)。该单体推荐用于超过100℃的温度。可以与有机成分例如苯酚以及甲醛或者苯酚以及甲醛的前体的混合物交联。间苯二酚可用于加速低温下的反应，而铁离子可以延迟胶凝过程。
为了强化凝胶体在环形空间中的密封和/或阻塞性能，凝胶体适当地包括多个大颗粒尺寸分布的固体颗粒。
可以包括在流体团内的适当的固体颗粒是—可锻颗粒，例如胡桃壳、纤维(有机的或者无机的，例如尼龙或者聚乙烯)；中空陶瓷球体、碎木材以及锯末；—高密度颗粒，例如氧化锰(Mn3O4)(MicromaxTM)、重晶石、钛铁矿、赤铁矿、磁铁矿、硅铁、镜铁矿、磷铁、石英粉、石英砂、矾土颗粒、微型铝球以及微型钢球；—低密度颗粒，例如飞尘、低密度球体(例如CarbopropTM)、膨润土、火山灰、膨胀珍珠岩、粉煤、GilsoniteTM、微型玻璃球以及微型陶瓷球；—分类欠佳的颗粒系统，例如Dense CreteTM、Lite CreteTM、SandabandTM以及SilverfoxTM。
下面将参照附图通过示例更详细地描述本发明，附图中图1示意性地显示了设有可膨胀套筒的井筒以及正被泵送到井筒中的凝胶流；图2示意性地显示了凝胶流泵送到井筒之后的图1的井筒；图3示意性地显示了可膨胀套筒径向膨胀期间的图1的井筒；图4示意性地显示了可膨胀套筒径向膨胀之后的图1的井筒；和图5示意性地显示了表示井筒中管状元件的径向膨胀对管状元件与井筒壁之间的环形空间中的凝胶体的密封性能的作用的曲线图。
具体实施例方式
附图中，相似的附图标记涉及相似的部件。
参考图1，示出了形成在地层2中的井筒1，地层2包括含有烃类流体的油藏层3和覆盖油藏层3的上覆岩层4。井筒1穿过上覆岩层4并延伸到油藏层3。套管6形式的可膨胀管状元件从地表延伸到井筒1中，使得套筒6的下端布置在井筒1的底部8上方一小段距离。环形空间7形成在套筒6和井筒壁之间。通过使用定位在套筒6中的泵塞12将凝胶流10泵送通过套筒6并泵送到井筒1的下部中。泵塞12将凝胶流10与尾随凝胶流10和泵塞12的适当的泵送流体(例如盐水)分离。凝胶具有根据下面讨论的选择标准选择的屈服强度。
参考图2，示出了凝胶流10已经完全泵送到井筒1之后的井筒1，从而泵塞12定位在套筒6的下端。凝胶10延伸到环形空间7中，从而形成环形凝胶体11。
参考图3，示出了套筒6通过使用借助于管柱16连接至位于地面的泵(未示出)的膨胀锥14而径向膨胀期间的套筒6。膨胀锥14可在塌缩状态和膨胀状态之间操作，在塌缩状态中，锥14具有小于未膨胀套筒6的内直径的最大直径，在膨胀状态中，锥14具有与套筒要膨胀到的内直径相当的最大直径。此外，膨胀锥设有纵向通道18，该通道18提供膨胀锥14下方的套筒6的内部与管柱16之间的流体连通。封隔器20设在套筒6的下端。与锥14类似，封隔器20可在塌缩状态与膨胀状态之间操作，在塌缩状态中，封隔器20具有小于未膨胀套筒6的内直径的最大直径，在膨胀状态中，封隔器20具有与套筒要膨胀到的内直径相当的最大直径。
参考图4，示出了其径向膨胀之后的套筒6，从而膨胀锥14和塞20从套筒6中移除，并且生产油管22从地表延伸通过膨胀的套筒6，并延伸到井筒1的下开孔部分13中。生产油管22在地表处与常规生产设备(未示出)相连，以便允许所生产的烃类流体从井筒1的下开孔部分13流到生产设备。此外，生产油管22在其下端附近借助于生产封隔器24密封到套筒6。凝胶流10位于井筒1的下开孔部分13中的部分已经从井筒1移除。
在正常操作期间，将套筒6下放到井筒中并从地表悬挂在井筒1中所需深度处。环形空间7填充有盐水(未示出)。随后，将凝胶流10经由套筒6通过泵塞12泵送到井筒1中，泵塞12在套筒中尾随凝胶流10(图1和2)。凝胶流10流入环形空间7，从而逐渐取代环形空间7中存在的盐水的位置。
当泵塞12到达套筒6的下端时，停止泵送，并且使用适当的回收管柱(未示出)将泵塞12从套筒6中移除。在这一步骤，凝胶10填充井筒1的下开孔部分13并延伸到环形空间7中，从而形成环形凝胶体11。
在下一步骤，膨胀锥14和封隔器20进入到它们相应的塌缩状态，并且封隔器20可移除地连接至锥14的下端。然后借助于管柱16将相结合的锥14和封隔器20下放通过套筒6，直到锥14延伸到套筒6的下端下方，即，延伸到井筒1的开孔部分13中。然后锥14进入到其膨胀状态，并通过使用扩力器(未示出)拉入到套筒6中，从而使套筒6的下端部分径向膨胀。当锥14和封隔器20完全定位在套筒6中时，封隔器20逐渐膨胀，从而锚固到套筒6的内表面上。在封隔器20已经放置好之后，将锥14从封隔器20分离，并将盐水经由管柱16和通道18泵送到锥14和封隔器20之间的套筒6的内部。锥14从而向上移动通过套筒6并逐渐使套筒6膨胀(图3)。随着环形空间7在膨胀过程中变得更窄，环形凝胶体11向上移动。当膨胀锥14达到环形空间7中不再存在凝胶的高度处，环形凝胶体11停止。在附图中，该高度用虚线A表示。
在套筒6已经完全膨胀之后，或者在套筒6的所需部分膨胀之后，锥14和封隔器20从套筒中移除。然后清洁井筒1的开孔部分13，并以常规方式安装生产油管22和生产封隔器24。
当井投入生产时，烃类流体从油藏层3流入井筒的开孔部分13，并从那里流入到生产油管22并到达地表。环形凝胶体11密封环形空间7并从而防止烃类流体在向上的方向上沿套筒6的外侧流动。为了环形空间7中凝胶体11承受进入井筒1的烃类流体的(高)流体压力，凝胶的屈服强度选择成使得跨凝胶体11的轴向压差低于引起凝胶体11运动所需的跨凝胶体11的最小轴向压差。
下面描述对于给定凝胶屈服强度计算引起凝胶体运动所需的跨环形凝胶体的最小轴向压差的示例。
示例将井筒钻到2000米的深度，且井筒下部的直径为0.302米(11.9英寸)。地层中2000米深度处的流体压力为200巴。将可膨胀套管安装在井筒中使得套筒的下端定位在井筒底部上方一小段距离。未膨胀状态下套筒的外直径为0.244米(9.625英寸)。屈服强度为1000Pa(0.01巴)的凝胶流以上述方式泵送到井筒中，使得2.28立方米的环形凝胶体容纳在未膨胀套管和井筒壁之间的环形空间中。在套筒径向膨胀之前，环形凝胶体的长度为92.08米。在套筒的下端处，将凝胶泵送到环形空间中所需最大压力为63.74巴，其远低于周围岩层的断裂压力。套筒然后径向膨胀到0.286米(11.261英寸)的外直径。环形空间因此变得更窄，使得环形空间中凝胶体的长度增加到大约304.8米(1000英尺)。套筒的膨胀对于在环形空间中引起凝胶体纵向运动所需的最小轴向压力的影响是双重的。首先，由于与井筒壁和套筒壁两者更长的接触表面，凝胶体对轴向运动的抵抗增加，其次，环形凝胶体的横截面积减小。在本示例中，发现引起凝胶体通过环形空间纵向运动所需的跨凝胶体的最小轴向压差从套筒膨胀之间的211巴增加到套筒膨胀之后的751巴。在本示例中，跨凝胶体的轴向地层流体压差仅取决于沿凝胶体长度的地层流体的流体静力学柱，其约为30巴。因此，跨凝胶体的实际轴向流体压差远低于引起凝胶体的纵向运动所需的最小轴向流体压差。因此，在本示例中，如果需要或者作为备选方案，具有较低屈服强度的凝胶可以安全地适用，环形空间中凝胶体的长度可以减小。
进一步参考图5，其显示了一曲线图，该曲线解对于凝胶的不同大小的屈服强度，跨长度为10米的环形凝胶体的引起凝胶体纵向移动通过宽度为T(毫米)的环形空间所需的最小轴向压差Pa(巴)，其中—线(a)表示屈服强度为50Pa的凝胶；—线(b)表示屈服强度为100Pa的凝胶；—线(c)表示屈服强度为200Pa的凝胶；—线(d)表示屈服强度为400Pa的凝胶；—线(e)表示屈服强度为800Pa的凝胶；—线(f)表示屈服强度为1600Pa的凝胶；从图中可以明显地看出，随着T降低为零，Pa的大小成指数地增加。因此，管状元件的径向膨胀的影响是可以使用较低屈服强度的凝胶，或者可选地可以使用较短的环形凝胶体，以在环形空间中实现有效密封。如果管状元件径向膨胀到靠近井筒壁，或者甚至局部地抵靠井筒壁，凝胶的密封功能特别有效。
代替将凝胶泵送到井筒中，可以泵送在被泵送到井筒之后一段时间转变成凝胶的流体。因此，这种流体获得所需的屈服强度并且可选地在插入到井筒之后获得所需的触变性能。
权利要求
1.一种密封环形空间的方法，所述环形空间形成在布置于井筒中的可膨胀管状元件与围绕该可膨胀管状元件的壁之间，由此在环形空间中的第一位置和环形空间中与第一位置轴向隔开的第二位置之间形成压差，所述方法包括—将管状元件安装在井筒中；—将一流体团定位在环形空间中所述第一位置和第二位置之间，所述流体具有如此选择的屈服强度，即，在管状元件的径向膨胀之后，所述压差不足以引起环形空间中所述流体团的轴向流动；以及—使管状元件径向膨胀。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在管状元件膨胀之前，通过将所述流体经由管状元件泵送到环形空间中而将所述流体团至少部分地定位在环形空间中。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，通过使管状元件径向膨胀的步骤将所述流体团至少部分地定位在环形空间中。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，所述壁为井筒壁。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于，所述流体是非硬化流体。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，所述流体是触变流体。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，所述流体选自宾汉塑料和赫谢尔-巴尔克莱流体。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，所述流体是凝胶。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述凝胶包括铬交联的聚丙烯酰胺、借助于碳原子主链交联的聚合物、合成层状硅酸盐粘土、亲脂基粘土封隔器凝胶、油基隔热凝胶、原地可胶凝成分、热固合成凝胶以及改性黄原胶中的至少一种。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述凝胶包括借助于碳原子主链交联的聚合物，并且所述碳原子主链包括能够与聚合物形成键的基团。
11.根据权利要求8-10中任一项的方法，其特征在于，所述凝胶包括由高级凝胶技术公司(AGT)市售的HydroGelTM凝胶。
12.根据权利要求8-11中任一项的方法，其特征在于，所述凝胶包括MarasealTM形式的铬交联的聚丙烯酰胺。
13.根据权利要求8-12中任一项的方法，其特征在于，所述凝胶包括LAPONITETM形式的合成层状硅酸盐粘土。
14.根据权利要求8-13中任一项的方法，其特征在于，所述凝胶包括包含有RTV硅树脂凝胶和全氟醚硅树脂凝胶中的至少一种的热固合成凝胶。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述凝胶包括SylgardTM形式的RTV硅树脂凝胶。
16.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，所述凝胶包括SIFELTM形式的全氟醚硅树脂凝胶。
17.根据权利要求8-16中任一项的方法，其特征在于，所述凝胶流包括不同尺寸的多个固体颗粒。
18.一种参考附图基本上如前所述的方法。
全文摘要
提供了一种密封环形空间(7)的方法，该环形空间位于布置于井筒中的可膨胀管状元件(6)和围绕该可膨胀管状元件的壁之间，由此在环形空间中的第一位置和环形空间中与第一位置轴向隔开的第二位置之间出现压差。所述方法包括将管状元件(6)安装在井筒中；将一流体团(10)定位在环形空间(7)中所述第一位置和第二位置之间，所述流体具有如此选择的屈服强度，即，在管状元件(S)的径向膨胀之后，所述压差不足以引起所述环形空间(7)中的所述流体团的轴向流动；以及使管状元件(6)径向膨胀。
文档编号E21B33/13GK101080549SQ200580042883
公开日2007年11月28日 申请日期2005年12月13日 优先权日2004年12月15日
发明者M·G·R·博斯马, E·K·科内利森, M·B·盖利克曼 申请人:国际壳牌研究有限公司