用于对封装管状构件的环空进行密封的方法和系统的制作方法

用于对封装管状构件的环空进行密封的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于对在井眼内封装管状构件的环空进行密封的方法和系统。该方法包括以下步骤：将第一钻井液引入井眼内；使用悬撑在钻柱端部处的钻井工具钻出井眼的裸眼区段；用密封液驱替所述第一钻井液；将管状构件延伸入井眼的裸眼区段；和将部分密封液冲洗出井眼，使得管状构件和井眼壁之间的环空中充有密封液层。上述步骤可以根据需要重复。
【专利说明】用于对封装管状构件的环空进行密封的方法和系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及用于将管状构件封装在井眼内的环空进行密封的方法和系统。该系统和方法可应用于衬管在井眼内的固结。

【背景技术】
[0002]径向扩张管状构件的技术在从地层生产油气的工业中得到越来越多的应用。井眼通常配备一个或更多个套管或衬管，为井眼壁提供稳定性和/或在不同地层之间提供区带隔离。“套管”和“衬管”指用于支撑和稳固井眼壁的管状构件。典型地，套管从地表延伸进井眼，而衬管从一定深度进一步延伸进井眼。然而，在本文中，术语“套管”和“衬管”可以互换使用且没有刻意的区别。
[0003]在常见的井眼结构中，多个套管以不同的深度间隔设置且嵌套布置。在此，每个随后的套管通过前一个套管下放并因而具有比前一个套管更小的直径。结果，用于油气生产的井眼的有效横截面积随深度减小。
[0004]为了避免此种缺陷，可以在井眼内预定深度处径向扩张一个或更多个管状构件，如形成扩张的套管、扩张的衬管或抵靠已有套管或衬管的叠置层。另外，已提出径向扩张每个随后的套管到与前一个套管直径基本相同，以形成单一直径的井眼。与常见嵌套布置相反，这样获得井眼的有效直径沿其深度(的一部分)保持基本不变。
[0005]W02008/006841公开了用于在井眼中径向扩张管状构件的井眼系统。管状构件的壁被径向向外扩张并沿轴向相反方向弯曲，从而形成围绕管状构件的未扩张部分延伸的已扩张部分。通过例如压或推的方式而使未扩张部分移动进入已扩张部分，使已扩张管状部分的长度增加。这里，已扩张部分保持已扩张的管状。在未扩张部分的顶端，未扩张部分例如可通过增加管部分或解卷、折叠和焊接薄片材料形成管状的方式来延伸。
[0006]当使用W02008/006841的系统给井眼加衬时，已扩张管状构件和井眼壁之间的环空与传统套管系统比相对小。已扩张管部分接近井眼壁或甚至与井眼壁接触。因此，不可能执行常规的注水泥工作，在以嵌套布置形式使用传统套管时，注水泥工作典型地用于建立区域隔离。这里，注水泥工作意味着在封装衬管或套管的环空内施加水泥。
[0007]在传统注水泥工作中，形成水泥的浆体通过钻柱和钻柱的井下端部向井下泵送，随后通过套管或衬管与井眼壁之间的环空向上泵送。可替换地，水泥浆体可在容纳在两个水泥塞之间的情况下被泵送通过套管的内流体通道。
[0008]使用W02008/006841所公开的系统时，由于反转的管和井眼壁之间的环空相对较小，需要相对高的压差来将水泥浆体泵入环空中。另外，将水泥浆体泵入较小的环空中可导致不均匀地填充环空。另外，外翻的管沿其长度的至少一部分结合井眼壁，使所述环空从井下端到地表缺乏连续流道。当反转管沿一定长度结合井眼壁并由此建立区域隔离时，流体或水泥浆体将不可能通过环空进行流动。
[0009]类似于W02008/006841中公开的系统，W02009/074643公开了一种用于扩张管状构件的系统。其中，一管道延伸进入管状构件的已扩张部分和未扩张部分之间的盲环空。该管道能够实现使用一种替代流体来驱替上述盲环空中的流体。
[0010]但是，W02009/074643所披露的系统缺少如何在围绕已扩张管状部分(即，已扩张管状部分和井眼壁或另一个套管之间)的环空内敷设水泥的任何指示。上述环空的上部例如通过使用水泥而被区域隔离或由于已扩张管状部分结合井眼壁而被区域隔离，并从而形成区域隔离区。环空的上部被隔离则使在所述环空中设置用于驱替流体的管道变成不可能实现，或者不可能以传统方式泵送水泥浆体。对于W02008/006841中的系统也存在上面所描述的相同问题。
[0011]本发明旨在克服上述问题。


【发明内容】

[0012]本发明因此提供一种用于对可扩张管状构件的已扩张部分周围的环空进行密封的方法，所述可扩张管状构件封装带地层测试器的钻柱，其中，可扩张管状构件的壁的井下端部分径向向外弯曲并沿轴向反向弯转，从而限定围绕可扩张管状构件的未扩张管状部分延伸的已扩张管状部分，该方法包括以下步骤:
[0013]i)将第一钻井液引入井眼内；
[0014]ii)使用悬撑在所述带地层测试器的钻柱端部的钻井工具钻制井眼的裸眼区段；
[0015]iii)用密封液驱替所述第一钻井液；
[0016]iv)通过将未扩张管状部分推入已扩张管状部分中，将管状构件延伸入井眼的裸眼区段；
[0017]v)将部分密封液冲洗出井眼，使环空中充有密封液层。
[0018]本发明的方法排除了使水泥通过环空流动的需要。该方法还使水泥的使用与通过外翻衬管而在井眼内扩张衬管的系统相结合。此外，本发明的方法适于在下述情况下固结传统套管，如在所述套管和封装部之间的环形空间太小不允许水泥浆体泵送的情况下，或在泵送水泥浆体所需的压力超过可用泵送设备的最大输出压力的情况下。
[0019]在一个实施例中，该方法包括如下步骤:
[0020]vi)允许密封液层在凝固时间期间凝固。
[0021]在另一个实施例中，如上所述的方法步骤可以重复。这样，该方法能沿井眼的预定部分提供衬管，在所述衬管和井眼壁之间留下相对小的环空，同时通过在环空内孔引入密封液来确保区域隔离。
[0022]通过相对于已扩张管状部分向下移动未扩张管状部分，管状构件有效从内向外翻。在没有将扩张器推、拉或泵送通过管状构件的情况下，管状构件被逐渐扩张。已扩张的管状部分可在井眼内形成套管或衬管。已扩张管状衬管可具有足以稳定或支撑井眼壁的抗塌陷强度。
[0023]优选的情况为:管状构件的壁包括在扩张过程塑性变形的材料。已扩张管状部分由于可扩张管状构件的壁的塑性变形(即，永久变形)将保持已扩张的形状。无需施加外力或压力将已扩张管状部分保持在已扩张的形式。如果例如已扩张管状部分与井眼壁结合，无需施加附加径向力或压力来保持已扩张管状部分抵靠井眼壁。
[0024]管状构件的壁可包括诸如钢的金属或能通过管状构件外翻而塑性变形的其他任何易延展的材料。已扩张管状部分优选具有足够的抗塌陷强度以支撑或稳定井眼壁。根据不同的地层，已扩张管状部分的抗塌陷强度可以超过如100巴到150巴。抗塌陷强度可以在例如200巴到大约1600巴或更大的范围内，如大约400巴到800巴或更大。
[0025]适当地，通过使剩余的管状部分相对于已扩张管状部分沿轴向移动，引起弯曲区域相对于所述剩余的管状部分沿轴向移动。例如，将已扩张管状部分轴向固定在某些位置，未扩张管状部分沿轴向移动通过已扩张管状部分，引起壁的弯曲。
[0026]为了引起未扩张管状部分的移动，未扩张管状部分承受一轴向压力而引起所述移动。该轴向压力优选至少部分来源于剩余管状部分的重量。一推压装置通过给剩余管状部分施加附加的外力而可对未扩张管状部分的重量进行补充，从而引起所述移动。所述推压装置可以将未扩张部分推入已扩张部分来使后者延伸。推压装置施加的附加力可以向上或向下。例如，当未扩张管状部分的长度增加而由此使得未扩张管状部分的重量增加时，需要对未扩张管状部分施加向上的作用力来保持施加在未扩张管状部分上的总作用力在预定范围内。保持所述总作用力在所述范围内将能够防止弯曲区域产生不可控的弯曲或翘曲。
[0027]如果所述弯曲区域位于管状构件的下端，藉此，由于弯曲区域的移动，剩余管状部分在其下端部轴向变短，优选的情况为:与剩余管状部分的下端轴向缩短相对应，剩余管状部分在其上端轴向延伸。由于管状构件的壁持续反向弯曲，剩余管状部分的井下端部逐渐变短。因此，通过在其上端延伸剩余管状部分来弥补在其下端部的缩短，管状构件的壁的反向弯转的过程能持续进行直到达到已扩张管状部分的期望长度。例如，通过将管柱部分以任何合适的方式(如焊接)连接到剩余管状部分的上端，则能够使得剩余管状部分在其上端处延伸。可选择地，剩余管状部分可提供为连续油管的形式，该连续油管从卷轴开卷并随后插入井眼中。
[0028]可选择地，可加热所述弯曲区域来促进管壁的弯曲。

【专利附图】

【附图说明】
[0029]下文将参考附图的例子更详细地描述本发明，其中:
[0030]图1显示了用于径向扩张管状构件的系统的下部的竖向剖视图；
[0031]图2显示了图1的系统的上部的一个实例的竖向剖视图；
[0032]图3显示了图1的系统的上部的另一个实例的竖向剖视图；
[0033]图4显示了井眼的竖向剖视图，指示根据本发明方法中的第一步骤；
[0034]图5显示了井眼的竖向剖视图，指示根据本发明方法中的第二步骤；
[0035]图6显示了井眼的竖向剖视图，指示根据本发明方法中的第三步骤；
[0036]图7显示了井眼的竖向剖视图，指示根据本发明方法中的第四步骤；
[0037]图8显示了包含旁通阀的本发明的可替换实施例的竖向剖视图，旁通阀显示为处于关闭位置；
[0038]图9显示了旁通阀处于开启位置的图8的实施例的竖向剖视图；以及
[0039]图10显示了井眼的竖向剖视图，指示根据本发明方法中的第二步骤的可替换实施例。
[0040]在附图和说明书中，相同的标号指示相同的部件。

【具体实施方式】
[0041]图1显示地层2内形成的井眼I。径向可扩张的管状构件4(例如可扩张的钢制衬管)从地表6向下延伸进井眼I。管状构件4包括未扩张管状部分8和径向已扩张管状部分10。未扩张管状部分8在已扩张管状部分10内延伸。优选地，已扩张管状部分10的外径与井眼的直径基本相同。
[0042]尽管图1所示的井眼竖向延伸进地层2中，本发明同样适用于任何其他井眼。例如，井眼I可以至少部分沿水平方向延伸。下文中，井眼的上端是指处于地表6处的端部，而井眼的下端是指其井下端部。
[0043]在未扩张管状部分的下端处，该未扩张管状部分8的壁径向向外并沿轴向相反方向(图1中的向上)弯曲，从而形成弯曲的井下部分12，该弯曲的井下部分限定了管状构件4的弯曲区域14。该弯曲的井下部分12具有U形横截面，且使未扩张管状部分8和已扩张管状部分10相互连接。
[0044]钻柱20可从地表穿过未扩张衬管部分8延伸到井眼I的下端。钻柱20的井下端部配备钻头22。钻头包括例如领眼钻头24和扩眼器部分26，领眼钻头具有比未扩张衬管部分8的内径稍小的外径，扩眼器部分26具有适于将井眼I钻到其标称直径的外径。该扩眼器部分26径向可回缩到更小的外径，允许其通过未扩张衬管部分8，从而使钻头22能通过未扩张衬管部分8回收到地表。钻柱20可以包括多个钻杆部分28。钻杆部分28可以通过内外螺纹连接部30在相应端部处相互连接。钻柱20和未扩张管状部分8之间的环形空间32被称作钻孔环空32。
[0045]连接部30在图中没有详细地显示，但包括如带螺纹的、销式和箱式连接部。连接部30可以包括每个端部加工有外螺纹的接头，其中具有内螺纹的短的连接件(图中未示出)用于将钻柱的独立的接头连接在一起，或所述连接部包括一端具有外螺纹的接头且另一端具有内螺纹的接头。所述带螺纹的连接部可以包括由美国石油组织(API)标准化的连接部。
[0046]图1还显示了钻台40，其相对于地表6高出，并套装钻柱20和未扩张管状部分8的上端。钻台40是钻机的一部分，但是没有显示钻机的全部。顶管机42 (例如安装在钻台的下方)环绕未扩张管状部分8。顶管机例如由基架43支撑。基架43提供稳定性，且例如可连接到钻机或支撑在地表6上。顶管机可以包括安装在基架上的一个或更多个马达46和可由相应的马达驱动的一条或更多条传送带48。每条传送带48与未扩张管状部分8的外侧配合。传送带48能对所述未扩张管状部分8施加作用力，迫使未扩张管状部分移动进入已扩张管状部分10内。可想到顶管机42的其他实施例，其能够给未扩张管状部分施加向下或向上的作用力。
[0047]密封装置50可连接到已扩张衬管部分10的上端，以相对于已扩张衬管部分10密封未扩张衬管部分8。在此，密封装置50允许未扩张衬管部分8能够沿轴向相对密封装置50滑动。该密封装置包括管路52，该管路连接到泵(未显示)上，该泵用于将液体泵入或泵出盲环空44(即，在未扩张衬管部分8和已扩张衬管部分10之间的环形空间)。由于环形空间44在井下的端部由弯曲区域14封闭，因此，该环形空间被称为盲环空。密封装置包括一个、两个或多个环形密封件56、58。密封件56、58与未扩张衬管部分8的外侧配合，防止液体流出盲环空。优选地，密封装置50包括至少两个密封件56、58，以在第一密封件失败情况下提供至少一个辅助密封件来提高安全性和可靠性。
[0048]密封装置50能被当作盲环空防喷器(BABOP)。因此，密封件56、58、密封装置50与已扩张部分10上端的连接部以及用于闭合所述管路52的一个或更多个阀(图中未示出)都设计成至少能够承受井在受控状态下所产生的流体压力。根据地层的特性，密封装置50例如设计成能够承受喷发情况下预期的压力，如在200巴到1600巴范围内的压力，例如大约400巴到800巴或更多。例如，在故障情况下在盲环空44中会产生这种压力，例如由于可扩张管4破裂与井控情况相结合而会产生所述故障。
[0049]已扩张衬管部分10通过任何合适的固定装置轴向固定，以防止轴向移动。已扩张衬管部分10的上端可固定在地表处。例如，已扩张部分的上端可通过如焊接和/或螺丝旋拧的方式连接到环或法兰59。所述环可以附接到或结合到处于地表处的任何合适的结构(如密封装置50)中。环的内径可以大于已扩张部分的外径。可选择地，已扩张部分10可以通过例如由于扩张过程引起的已扩张衬管部分10和井眼壁224之间的摩擦力固定到井眼壁224。可替换或另外附加地，已扩张衬管部分10可以通过任何合适的锚固装置锚固到诸如井眼壁上。
[0050]在图1中的线I1-1I所示的界面处，图1所示的系统的下部可连接到如图2和3所示的上部。
[0051]图2示出了连接到上端连接部分62的顶部驱动部60，所述上端连接部分可相对于顶部驱动部旋转。优选地，所述上端连接部分包括具有光滑外表面的无接箍管子。与所述顶部驱动部相远离的连接部分端部64配备如上所述的螺纹连接部30。带螺纹的端部64连接到附加钻柱部分66。典型地，该附加钻柱部分66与图1所示的钻柱部分28基本相同。在线1-1所示的界面处，附加钻柱部分66能连接到图1所示的钻柱20的上端。
[0052]钻孔环空密封装置70可以覆盖钻孔环空32的顶端。密封装置70包括壳体72，其包绕连接部分62并提供内部空间74。所述壳体在其靠近所述顶部驱动部60的顶端处可以包括一个、两个或更多个与管62外侧配合的密封件76、78。优选地，密封件76、78能允许壳体沿管62滑动。在该壳体的相对端部处，壳体可以包括一个、两个或更多个与附加的可扩张管部分84的外侧配合的密封件80、82。除了所述密封件以外，壳体还可包括能够与管部分84的外侧和/或内侧相结合的夹持器106。致动管路88连接到所述壳体，用于致动或释放密封件80、82和/或夹持器106。流体管道90连接到内部空间74，以给环空32提供钻井液或从所述环空排出钻井液。
[0053]密封装置70可以包括延伸段或插入部100。该插入部延伸进附加的可扩张管部分84内。该插入部可以包括与管部分84的上端配合的密封件102、104和/或夹持器106。该插入部还可以包括与管部分84的下端配合的密封件108和与未扩张管状部分8 (如图1所示)的上端内侧配合的密封件110。背衬气体工具198可以集成在插入部中且处于密封件108、110之间。背衬气体工具覆盖附加的可扩张管部分84和未扩张管状部分8之间的内结合面。
[0054]所述插入部可至少比管部分84稍长，从而使得插入部可以延伸进入未扩张部分8，使插入部可以作为对准工具，而用于使管部分84和未扩张部分8相对准。
[0055]在实践中，管部分84的长度可以在大约5-20米范围内，如大约10米。插入部例如比管部分84长大约2%到10%，如长5 %。所述插入部和管62之间的环形空间112提供了从环空32到空间74和管道90的流体连通。
[0056]密封装置70可以被称作钻孔环空防喷器(DABOP) 70。密封件76_82、夹持器106和用于关闭管道88和90的一个或更多个阀(图中未示出)都设计成至少能够承受井在受控情况下产生的流体压力。根据地层的特性和预期的最大孔隙压力，钻孔环空防喷器70设计成承受例如大约200巴到800巴或更高范围内的压力，如大约400巴。
[0057]钻孔环空防喷器可以包括任何数量的密封件。钻孔环空防喷器70可以包括一个密封件76和一个密封件80，或多个密封件。在实践中的实施例中，由两个密封件76、78对管62进行密封且由两个密封件对管状部分84进行密封，这样会在失效-安全和可靠性方面和成本方面之间提供平衡。例如，与可扩张管84的内侧相结合的内密封件102、104和与可扩张管84的外侧相结合的外密封件80、82提供的双重阻障改善了密封装置70的可靠性和防泄漏性。
[0058]图3显示图1所示的系统的上部。未扩张衬管部分8在其上端处由卷在卷轴132上的(金属)薄片130形成。金属薄片130具有相对边缘133、134。从卷轴132解卷后，金属薄片130被弯曲成管状，且边缘133、134通过如焊接方式相互连接而形成未扩张管状部分8。因此，可扩张管状构件4可包括纵向焊缝135。
[0059]流体管道136从未扩张管状部分8的内部延伸到未扩张管状部分8的上端上方。流体管道136在其下端连接到位于未扩张管状部分8内的管138，或与未扩张管状部分内的所述管整体形成。第一环形密封件140相对于未扩张衬管部分8密封所述管138，而第二环形密封件142相对于钻柱20密封所述管138。流体管道136与管138的内部空间通过布置在管138壁内的开口 144流体连通。此外，管138配备允许管138相对于未扩张衬管部分8向上滑动并防止其向下滑动的夹持装置146。第一环形密封件140允许管138相对于未扩张衬管部分8向上滑动。
[0060]图3所示的上部能与图1所示的下部组合，其中，未扩张管状部分8是围绕钻柱20连续形成的。这里，图1所示的一些特征如密封装置50、顶管机42和钻台40在图3中省略，以改善图3的清晰度。
[0061]下面按步骤描述根据本发明固结衬管的方法。步骤的顺序可以重复执行，来形成衬有衬管并已固结的井眼。
[0062]图4显示了地层2中的井眼I。井眼配备可扩张衬管4。该衬管包括未扩张部分8和径向已扩张部分10。已扩张部分10可抵靠在井眼壁224上，或可选择地在两者之间沿井眼的至少一部分保留相对小的环形空间。钻柱20延伸穿过衬管4，并在其靠近井眼I的底部的井下端部200处配有钻头22。钻头可包括领眼钻头24和扩眼器部分26。
[0063]已扩张部分10和井眼壁224之间的环空202布置有水泥层204，从而提供预先固结的部分206。
[0064]在第一步骤中，从预先密封的区域206开始，在不进一步外翻衬管4的情况下连续钻进井眼，从而形成裸眼区段208。在使用扩眼器26扩孔后，裸眼区段208可具有稍大于已扩张衬管部分10外径的直径。这里稍大指的是稍大的范围例如为大约0.1mm到20mm，典型地几毫米或更少。钻孔过程中，包括裸眼区段208的井眼I充注有钻井液210。
[0065]在第二步骤(如图5所示)中，井眼I中的钻井液210替换成密封液220的浆体。基本上，包括裸眼区段208的井眼I充满一池的密封液220。
[0066]在此，密封液适于包含在已扩张管部分和井眼壁224之间的环空内起密封作用的任何流体或液体和一种或更多种固体的混合物。此种密封液可以或不可以随时间或被外源激活。
[0067]这种密封液的实际实施例包括下面的一种或更多种:水泥；可膨胀弹性体；可硬化树脂；沙和粘土的混合物；和钻屑。可硬化树脂包括但不限于:有机树脂，例如，双酚A缩水甘油醚树脂、丁氧基甲基丁基缩水甘油醚树脂、双酚A联二苯醇丙烷表氯醇树脂、双酚F树脂、环氧化物树脂、酚醛清漆树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、呋喃树脂、聚氨酯树月旨、缩水甘油醚树脂、其他环氧树脂以及它们的混合物。在一个实施例中，可硬化的树脂可以包括弹性化合物，该弹性化合物可包含环氧树脂成分、聚天冬氨酸成分和/或硅橡胶成分。
[0068]所述浆体可以在预定的设定时间内凝固和硬化，来形成耐用的固体材料。所述浆体的一个例子包括水泥浆体。可选择地，密封液可以适时保持柔性。一个例子可以包括与诸如水或碳氢化合物的活化液接触时膨胀的某些类型的环氧树脂或弹性体。
[0069]在第三步骤(如图6所示)中，管状构件4进一步外翻，将已扩张管状部分10延伸进密封液220的池中。衬管4的外翻过程中，在已扩张管状部分10和井眼壁224之间形成密封液薄层222。所述薄层可具有与环形空间202的厚度相差无几的厚度，例如在大约1mm或更少的范围内。
[0070]在图7所示的随后步骤中，管状构件4已经外翻并在密封液220中延伸超过预定的距离时，过多的水泥通过使用如钻井液冲洗去除。为了保持水泥层222并防止水泥层从管和井眼壁之间的环空202泄露，可以使用下列的一种或多种方法:
[0071]I)引入重的和/或粘性的第二钻井液230来驱替密封液220，并使该第二钻井液保留至密封液薄层222凝固。术语“重的”在这里优选意味着具有超过密封液浆体220比重(即单位体积的重量)的比重。取决于特定井眼的条件和需求，所示密封液浆体典型地具有大约0.1到10的比重(SG)。此处所指的“粘性流体”包括不触碰时具有糖浆特性的流体，且在受到搅动或通过其他方式(例如通过钻柱的运动)激励时能够流动。
[0072]钻头22位于井眼的井下端附近时，所述重的第二钻井液可以引入井眼I中。随后，密封液220被冲出直到所述重的第二钻井液从井眼I的井下端充注井眼，并大体充注至衬管4的弯曲的井下部分12。这样，当所述重的第二钻井液的液柱保持最小高度时，所述重的第二钻井液将防止水泥222从环空泄露，来限制所述液柱所引起的液体静压。其后，将钻柱和钻头22从地表拉进井眼，直到钻头经过所述弯曲的井下部分12，而密封液220的残留部分则使用标准钻井液210冲出；和
[0073]2)设置环形密封件232来阻挡环空202的井下端部，以防止水泥还没有凝固时水泥层22从环空中泄露。
[0074]第四步骤完成后，可以重新开始图4所示和上面所述的第一步骤。
[0075]请注意，上述方法还适于在围绕非外翻衬管的环空内提供水泥层或其他密封液层。如果管是非外翻的，该管则被推进水泥中。只有管的预定长度将被布置水泥层，这是因为在水泥凝固之后将使得该管固定。
[0076]水泥薄层222的长度可在大约Ikm或更少范围内，如几百米到几米。本发明的固结过程是半连续的，避免钻杆升降(即:移出并重新引入地孔中)。
[0077]诸如水泥的密封液优选具有下列特性:
[0078].具有相对低的密度。实践中，比重(SG)可以尽可能接近1SG。比重可以在大约0.5到5范围内，如大约I或2SG。这里所述的比重是密封液密度(单位体积的质量)与(纯)水的密度(同样单位体积的质量)的比率。
[0079].凝固后，层222具有相对弹性；
[0080]?硬化后的层222将密封环空，密封在这里暗示例如能承受沿井眼高达大约400巴或高达大约1200巴的不同流体压力。
[0081]可采用其他材料来替换水泥，密封液可以包括预定时间后能够凝固的任何其他浆体材料，或可以包含不同硬化材料的组合:
[0082].可硬化树脂，如上面所公开的树脂；
[0083].砂和粘土的混合物，衬管4外翻时所述混合物被挤入并固定在环空内；
[0084].钻屑，衬管4外翻时所述钻屑被卡滞在环空内。
[0085]在第二步骤中，有多种方法用水泥或其他密封液来替代钻井液，如:
[0086]1.通过钻柱20泵送水泥，该钻柱包括可选的井底钻具组合(BHA，图中未示出)，并让水泥通过钻头22流出；
[0087]2.通过钻柱20泵送水泥，但让水泥通过安装在钻头22附近的旁通阀240流出。钻孔期间旁通阀处于图8所示的关闭位置并在水泥引入井眼时移动到图9所示的开启位置。
[0088]使用触发机构242而可控制所述旁通阀240在关闭位置和开启位置之间转换。所述触发机构可附装在钻柱20上。例如通过沿预定距离L2(由箭头246指示)将钻柱拉入管状构件，直到触发机构242与未扩张管状部分8的内表面接触(如图9所示)来致动所述触发机构。
[0089]可选择地，可以通过下放一个或更多个触发物体到井眼内来控制所述阀，每个触发物体具有预定的尺寸，用于根据相应触发物体的尺寸来开启或关闭所述阀。触发物体可包括例如球或投射物。可以投下多个触发物体来重复从开启位置到关闭位置以及从关闭位置到开启位置的改变。这样可避免钻杆升降，即:从井眼中移出并重新引入钻杆；和
[0090]3.使用相同种类的触发机构(242)，水泥流可以从钻柱20转入旁通管244内，该旁通管附装在处于钻头22和衬管4的弯曲的井下部分12之间的钻柱上。
[0091]选项2)和3)能够更好地保护井底钻具组合(Bottom Hole Assembly)中的设备，所述设备对水泥很敏感。可替换地，任何上述方法的执行期间，上拉钻柱20直到钻头22被封装在已扩张衬管部分8中是有利的。在这里，钻柱被上拉超过箭头246指示的距离。扩眼器部分26可被压缩以将钻头22的外径减小到小于未扩张管状部分8的内径。
[0092]在实践中的实施例中，衬管4的直径和/或壁厚度可以这样选择:使得已扩张衬管部分10在扩张过程中压靠井眼壁224。已扩张衬管部分10因此密封井眼壁和/或稳定井眼壁。
[0093]衬管4的壁厚可以等于或大于大约2mm(0.08英寸)。衬管4的壁厚可以为例如大于2.5mm,如大约3_30mm或大约3.2到10mm。未扩张部分的外径可以为大约50mm(2英寸)或更多，如在大约50mm到400mm (16英寸)范围内。已扩张部分可具有适于或常用于油气井的任何外径。衬管的壁可包括相对坚固的材料，如金属或优选为钢，或由硬质金属或硬质钢制成。这样，衬管4可以设计成具有足够的抗塌陷强度来支撑井眼壁和/或承受对油气储层钻孔时遇到的内部或外部压力。
[0094]因此，在井眼延伸期间，未扩张衬管部分8的长度(并由此使其重量)会逐渐增力口。与未扩张衬管部分8增加的重量相对应，推压装置42施加的向下的力逐渐减少。随着上述重量的增加，向下的作用力最终需要由向上的作用力替代，来保持总的作用力在预定范围内。这可以防止衬管部分8的翘曲。
[0095]钻孔期间，未扩张衬管部分8进入井眼内，与此同时，钻柱20也逐渐进入井眼I内。未扩张衬管部分8被推入井眼内的速度为钻柱20的速度的大约两倍，由此使弯曲区域14以相对短的距离保持在钻头22上方。这里，所述短的距离指井眼I的裸眼区段208 (即井眼的未加衬部分)的长度LI (见图1和4)。本发明的方法使裸眼区段的长度LI在钻进井眼的所有时间内小于如大约100或小于50米。
[0096]未扩张衬管部分8可以由钻柱20支撑，如借助于连接到钻柱上的支撑装置(图中未示出)，该支撑装置支撑弯曲区域14。在此种情况下，向上的作用力适于施加到钻柱20，然后通过支撑装置传到未扩张衬管部分8。此外，未扩张衬管部分8的重量然后被传递到钻柱，并用于为钻头22提供推力。
[0097]包含钻屑的钻井液通过输出管90从井眼I排出。可替换地，钻井液可以在反向循环模式下流通，在所述反向循环模式中，钻井液通过管道90而被泵入井眼，并通过钻柱20从井眼内排出。
[0098]当要求将钻柱20收回到地表时，例如钻头22需要更换或井眼I钻孔完毕时，可使扩眼器部分26回缩到径向回缩模式，在此模式中，扩眼器部分的径向直径小于未扩张衬管部分8的内径。随后，钻柱20通过未扩张衬管部分8收回到地表。
[0099]本发明的井眼系统实现了在钻孔过程期间用钻头正上方的外翻衬管逐渐对井眼加衬。结果，在钻孔过程的所有时间内仅存在相对短的裸眼区段208。术语“短”这里指的是裸眼区段的长度LI小于1km，如在大约10米到300米范围内。短的裸眼区段的优势包括进入井眼的管涌的可能性非常有限，这样会使所导致的压力的增加量最小化且简化对井的控制。如此短的裸眼区段的优势在钻进地层中的含烃流层期间最显著。有鉴于此，对于很多应用来说，在钻孔期间如果仅对烃储层实施衬管外翻工艺而对井眼的其他部分以传统方式加衬管或套管就足够了。可替换地，钻孔期间衬管外翻的工艺可以根据情况在地表或在选定的井下位置展开。
[0100]由于钻孔期间的裸眼区段较短，这样就显著降低了井眼流体压力梯度超过岩石地层破裂梯度的危险或井眼流体压力梯度降到低于岩石地层空隙压力梯度的危险。因此，与传统钻孔实践中的必须沿选定距离设置阶梯式直径减小的套管相比，本申请能够以相当长的距离单一标称直径钻进。
[0101]另外，如果井眼钻进通过页岩层，如此短的裸眼区段则消除了由于页岩起伏趋势所可能带来的问题。
[0102]当井眼钻到预期深度且钻柱从井眼移出后，依然存在于井眼内的一定长度的未扩张衬管部分可留在井眼内，或可从已扩张衬管部分截断并回收到地表。
[0103]如果一定长度的未扩张部分留在井眼内，完成井眼有几个选项，这些选项例如概述如下:
[0104]A)将诸如盐水的流体被泵入未扩张衬管部分和已扩张衬管部分之间的盲环空44内，从而使环空增压并增加已扩张衬管部分10的抗塌陷强度。可选择地，在弯曲区域14内提供一个或更多个孔，以允许被泵送流体的流通。
[0105]B)将水泥泵入盲环空44中，以便在水泥硬化后在未扩张衬管部分8和已扩张衬管部分10之间产生实体。水泥可以随硬化而膨胀。
[0106]C)将未扩张衬管部分径向扩张而抵靠(如覆置)已扩张衬管部分，例如通过泵送、推或拉动扩张器穿过未扩张衬管部分。
[0107]在上述的实施例中，衬管的扩张开始于地表或井下某一位置。在离岸井眼的情况下，其中离岸平台布置在井眼上方，在离岸平台处、在水表面处或在水表面上方开始扩张过程是有益的。在此，所述弯曲区域从离岸平台移动到海底并随后进入井眼内。这样，所产生的已扩张管状构件不仅形成井眼内的衬管，而且形成从离岸平台到海床延伸的立管。这样就避免了对单独立管的需要。
[0108]此外，如用于与井下设备通讯的电线或光学纤维的管道可在已扩张部分和未扩张部分之间的环空中延伸。这种管道可附装在扩张前的管状构件的外表面上。另外，已扩张衬管部分和未扩张衬管部分能被用做导体来传输井下数据和/或动力。
[0109]由于在外翻过程完成后仍然留在井眼内的任何长度的未扩张衬管部分所承受的负载条件不像已扩张衬管部分所承受的负载条件那样严苛，因此，此种长度的未扩张衬管部分与已扩张衬管相比可以具有更小的壁厚，或更低的质量或采用更低的钢号。例如，所述未扩张衬管部分可由具有相对低的屈服强度或相对低的抗塌陷等级。
[0110]可采用上述方法对全部衬管进行扩张，而不是在外翻过程后留一段未扩张衬管部分在井眼内，这样则没有未扩张衬管部分留在井眼内。在这种情况下，可采用诸如管柱的细长部件在扩张过程的最后阶段期间对未扩张衬管部分施加必要的向下的作用力。
[0111]为了减少未扩张衬管部分和已扩张衬管部分之间在扩张过程中的摩擦力，诸如特氟纶(聚四氟乙烯)层的减摩层可以应用在未扩张衬管部分和已扩张衬管部分之间。例如，减摩覆层可应用在未扩张部分8的外表面上。减摩层减少使衬管外翻并将未扩张部分推进井眼所需的作用力。这样，上述作用力进一步被保持为远低于所谓的临界翘曲载荷(critical buckling load),该临界翅曲载荷是指在其作用下未扩张衬管产生翅曲或失败的作用力。可替换或附加地，减摩层、定中衬垫和/或辊子能用在未扩张部分和已扩张部分之间的盲环空内，以减小摩擦和环空间隙。
[0112]取代使得已扩张衬管部分朝着井眼壁(如上所述)扩张，已扩张衬管部分可朝着另一管状部件(如已经处于井眼内的套管或衬管)的内表面扩张。
[0113]尽管本发明的实施例已经描述了包括一顶部驱动部，本发明同样也适用于与其他可选择的钻井系统一起使用。后者包括如取代顶部驱动部的井下马达。所述井下马达是包含在处于钻头正上方的钻柱内的钻孔工具。井下马达由加压钻井液致动，当钻柱不旋转时，马达引起钻头旋转。井下马达的例子包括容积式马达和井下涡轮马达。此外，任何其他的钻孔工具可以用于钻进井眼。这些钻孔工具可以包括例如悬撑在钻杆端部的磨料喷射装置。
[0114]本发明同样适用于定向钻孔，如钻进方向可以调整的钻孔。例如，井下马达在定向钻孔中可以用作造斜工具，在钻头和弯接头之间形成弯曲或马达壳体自身可以弯曲。
[0115]本发明不限于上述的实施例，其中可以想到的各种改变落在所附权利要求的保护范围内，例如，各个实施例的特征可以组合。
【权利要求】
1.一种用于对可扩张管状构件的已扩张部分周围的环空进行密封的方法，所述可扩张管状构件封装带地层测试器的钻柱，其中，可扩张管状构件的壁的井下端部分径向向外弯曲并沿轴向反向弯转，从而限定围绕可扩张管状构件的未扩张管状部分延伸的已扩张管状部分，该方法包括以下步骤: i)将弟一钻井液引入井眼内； ii)使用悬撑在所述带地层测试器的钻柱端部的钻井工具钻制井眼的裸眼区段； iii)用密封液驱替所述第一钻井液； iv)通过将未扩张管状部分推入已扩张管状部分中，将管状构件延伸入井眼的裸眼区段中； V)将部分密封液冲洗出井眼，使环空中充注有密封液层。
2.根据权利要求1所述的方法，包括步骤: vi)允许所述密封液层在凝固时间期间凝固。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括如下步骤: vii)重复前面的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，冲洗出部分密封液的步骤包括: -用第二钻井液驱替所述密封液，所述第二钻井液具有超过密封液的第一比重的第二比重。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，用第二钻井液驱替所述密封液直到第二钻井液填充井眼的井下端并至少直至所述管状构件的弯转区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，冲洗出部分密封液的步骤包括: -设置一环形密封件来封闭处于所述管状构件和井眼壁之间的所述环空的井下端部，以在所述密封液还未凝固时防止密封液从所述环空泄露。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封液包括水泥浆体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封液选自下面材料所构成的组，包括:沙和粘土的混合物；钻屑；和可硬化树脂。
9.根据权利要8所述的方法，其中，可硬化树脂选自下面材料所构成的组，包括:有机树脂，例如双酚A缩水甘油醚树脂，丁氧基甲基丁基缩水甘油醚树脂，双酚A联二苯醇丙烷表氯醇树脂，双酚F树脂，环氧化物树脂，酚醛清漆树脂，聚酯树脂，酚醛树脂，脲醛树脂，呋喃树脂，聚氨酯树脂，缩水甘油醚树脂，其他环氧树脂；包含环氧树脂成分、聚天冬氨酸成分和/或硅橡胶成分的弹性化合物；和它们的混合物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封液的比重在0.1到10范围内，其中所述比重是密封液密度与水密度的比值。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，钻柱的井下端配备具有关闭位置和开启位置的旁通阀或旁通管，在开启位置，该旁通阀或旁通管提供从钻柱内部到钻柱外部的流体通道。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，钻柱配备用于控制旁通阀或旁通管在关闭位置和开启位置之间转换的控制机构。
13.根据权利要求12所述的方法，包括如下步骤: 将钻柱拉入管状构件中，直到一触发机构位于所述管状构件内，此时，所述控制机构就将旁通阀或旁通管从关闭位置移动到开启位置。
14.根据权利要求12所述的方法，包括如下步骤: 投下一个或更多个触发物体，每个触发物体具有预定尺寸，用于根据相应触发物体的尺寸开启或关闭所述旁通阀。
15.—种用于执行权利要求1所述方法的系统。
【文档编号】E21B43/10GK104271874SQ201380024069
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】S·A·哈特曼, P·C·克里塞尔斯, D·萨什德哈 申请人:国际壳牌研究有限公司