密封盖层的井下完井系统的制作方法

本发明涉及一种用于完井作业的井下完井系统。此外，本发明涉及一种用于井下完井系统的完井方法。

背景技术：

在储层中的烃被起到密封层作用的具有较低渗透性的上覆岩层困住，该上覆岩层也称为盖层或盖岩。因此，为了接近含烃储层中的包含物，通常在储层不仅正在渗漏而且不具有这样的密封层的情况下必须钻透该密封层。当进行完井作业时，钻出井的第一部分或上部，并且之后穿透该密封层。随后，使各套管柱延伸进入孔洞中并且每个均用被向下泵送经过套管鞋并进一步在井孔的底部排出并向上进入围绕套管的环空中以填充位于套管与井孔壁部之间的环空以形成密封的水泥密封。当沿套管向下泵送水泥，从而相应地将环空填充至需要高度例如200米时，在套管柱的底部处形成水泥的鞋-轨迹(cementedshoe-track)。在一段固化时间后，该水泥的鞋-轨迹被钻出并且井的下部通过钻入储层而被完井。假定水泥在盖岩和套管之间提供密封，但水泥无法通过加压而从水泥下方测试，因为加压流体将在密封层下方经由地层漏出。因此，无法在进一步钻入地层之前测试水泥是否形成了对盖岩的适当密封。多种类型的水泥例如具有放射性颗粒的水泥已用于测试水泥的密封性能，但这些尝试中没有哪个已经非常成功。因此，现在许多井都因水泥无法充分密封而发生泄漏。

技术实现要素：

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的完井系统，其中，能够测试对盖层的密封。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过环状屏障在无水泥型井下完井系统中的应用来实现，其中，该环状屏障包括安装为第一金属井管结构的一部分的管状金属部件，该第一金属井管结构布置在地层中的井孔中，该环状屏障对着不可渗透的盖层布置在该地层中。

此外，本发明涉及一种用于对具有顶部的井进行完井作业的井下完井系统，该井下完井系统包括：

-地层，包括：

-不可渗透的盖层，该不可渗透的盖层具有上端部和下端部；以及

-井孔，该井孔延伸穿过该盖层以提供盖层内表面；以及

-布置在该井孔中的第一金属井管结构，该第一金属井管结构包括：

-第一环状屏障和第二环状屏障，每个环状屏障包括：

-安装为所述第一金属井管结构的一部分的管状金属部件；

-围绕该管状金属部件的可膨胀管结构，该可膨胀管结构的每个端部区段均与该管状金属部件连接；

-在该管状金属部件与该可膨胀管结构之间的环状屏障空间；以及

-在该管状金属部件中的膨胀开口，加压流体经该膨胀开口流入以膨胀该可膨胀管结构并使该环状屏障从未膨胀位置进入已膨胀位置，

其中，所述第一环状屏障布置在该盖层的上端部，在所述已膨胀位置，所述第一环状屏障的可膨胀管结构与所述盖层重叠，所述第二环状屏障布置在所述盖层的下端部，在所述已膨胀位置，该第二环状屏障的可膨胀管结构与所述盖层重叠。

此外，所述井下完井系统可以是无水泥型井下完井系统。

此外，所述限制空间可以是无水泥的。

此外，所述第一金属井管结构可包括构造成识别所述不可渗透的盖层的传感器单元。

在已膨胀位置，所述第一环状屏障、所述第二环状屏障、所述第一金属井管结构和所述盖层可围成限制空间。

此外，所述盖层可以是不可渗透的盖层。

此外，所述第一金属井管结构可包括布置在所述第一环状屏障与所述第二环状屏障之间并构造成测量在所述限制空间中的流体的特性的传感器单元。

此外，所述传感器单元可包括在所述第一环状屏障中或所述第二环状屏障中。

根据本发明的井下完井系统还可包括用于对所述第一金属井管结构进行加压的加压装置。

此外，所述加压装置可布置在所述金属井管结构的顶部。

此外，所述加压装置可布置在插入所述第一金属井管结构中的工具中。

此外，根据本发明的井下完井系统还可包括布置在所述第一环状屏障与所述第二环状屏障之间的一个或多个第三环状屏障。

此外，所述传感器单元可包括构造成对传感器数据进行通信的通信装置。

所述井下完井系统还可包括具有适于接收所述传感器数据的通信模块的工具。

此外，所述可膨胀管结构可以是可膨胀金属管结构。

所述可膨胀管结构可由增强弹性体例如用金属增强的弹性体制成。

此外，弹性体密封件可布置在所述可膨胀管结构的外侧。

此外，所述第一环状屏障或所述第二环状屏障可包括与所述膨胀开口流体连通的阀装置。

此外，所述传感器单元可与所述阀装置连接。

所述阀装置可具有允许流体从所述第一金属井管结构流至所述环状屏障空间的第一位置和提供所述环状屏障空间与所述限制空间之间的流体连通的第二位置。

此外，所述第一环状屏障或所述第二环状屏障可包括多个传感器单元。

根据本发明的井下完井系统还可包括在所述盖层下方延伸并且至少部分地在所述第一金属井管结构中延伸的第二金属井管结构。

此外，所述环状屏障中的一个环状屏障可完全由金属材料制成。

此外，所述传感器单元可包括传感器如压力传感器或温度传感器。

此外，每个环状屏障均可包括多个传感器。

此外，上述井下完井系统还可包括从所述第一金属井管结构悬挂而下的第二金属井管结构。

此外，所述第二金属井管结构可以是衬管悬挂器。

所述第二金属井管结构可从所述第一金属井管结构悬挂而下。

此外，可在所述第一金属井管结构和所述第二金属井管结构之间布置环状屏障。

此外，所述第二金属井管结构可包括一个或多个环状屏障。

本发明还涉及一种用于上述井下完井系统的完井方法，包括：

-识别不可渗透的盖层；

-将第一金属井管结构引入井孔中；

-至少部分地对着所述不可渗透的盖层布置第一环状屏障和第二环状屏障以使得所述第一环状屏障的可膨胀管结构和所述第二环状屏障的可膨胀管结构与所述不可渗透的盖层重叠；以及

-使所述第一环状屏障的可膨胀管结构和所述第二环状屏障的可膨胀管结构膨胀至紧贴盖层内表面以围出限制空间。

根据本发明的完井方法可进一步包括将所述限制空间加压至一预定压力。

此外，根据本发明的完井方法可进一步包括确定所述限制空间中的压力是否随时间推移而保持基本上恒定以检验所述环状屏障中的至少一个环状屏障对所述盖层而言的密封性能。

所述方法还可包括确定由传感器单元执行的加压。

此外，所述加压可从井的顶部执行。

此外，所述加压可借助插入到所述第一金属井管结构中的工具来执行。

此外，根据本发明的完井方法可包括使所述环状屏障中的其中一个环状屏障的阀装置从提供从第一金属井管结构的内部至环状屏障空间的流体连通的第一位置移位至提供环状屏障空间与限制空间之间的流体连通的第二位置。

此外，所述限制空间可以是无水泥的。

本发明还涉及一种用于井下完井系统的完井方法，包括：识别不可渗透的盖层；将第一金属井管结构引入所述井孔中；以及至少部分地对着所述不可渗透的盖层布置第一环状屏障以使得所述第一环状屏障的可膨胀管结构与所述不可渗透的盖层重叠。

最后，识别所述不可渗透的盖层可通过所述第一金属井管结构的传感器单元来执行。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了具有未膨胀的环状屏障的井下完井系统的局部剖视图；

图2示出了具有已膨胀的环状屏障的图1的井下完井系统；

图3示出了具有用于膨胀环状屏障的工具的另一井下完井系统的局部剖视图；

图4示出了具有阀装置的环状屏障；

图4a示出了环状屏障的阀装置的一部分的剖视图，该部分中具有孔，此时活塞处于初始位置；

图4b示出了处于其关闭位置的图4a的活塞；

图5a示出了阀装置的另一实施例，此时活塞处于其初始位置；

图5b示出了处于其关闭位置的图5a的活塞；

图6示出了环状屏障的一部分的立体图；

图7示出了具有三个环状屏障的井下完井系统的局部剖视图；以及

图8示出了具有第二金属井管结构的井下完井系统的局部剖视图。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了用于对包含含烃流体如原油和/或气体的地层4中的井2进行完井作业的井下完井系统1。该地层具有盖层5，该盖层具有上端部6和下端部7并且基本上是不可渗透的，从而在于地层中钻出延伸穿过该盖层的井孔8之前能防止含烃流体露出储层/从储层向上流动。该盖层也称为密封岩或盖岩，其是具有非常低的渗透性的区段/单元，从而能阻止含烃流体从地层中的储层中泄漏出，并且该盖层因此被定义为提供地层的覆盖/封闭的防渗层/不可渗透层。通常的盖层或密封层包括蒸发岩(沉积岩)、白垩层和页岩。盖层因此在钻设井孔之前密封该地层。

钻出的井孔提供盖层5的盖层内表面9。井下完井系统1还包括布置在该井孔中的第一金属井管结构10。井下完井系统1包括第一环状屏障11、11a和第二环状屏障11、11b。每个环状屏障均包括为安装为第一金属井管结构的一部分的管状金属部件12的管部部件和围绕该管状金属部件的可膨胀管结构14。可膨胀管结构的每个端部区段31、32均与该管状金属部件连接，从而在该管状金属部件与该可膨胀管结构之间限定出环状屏障空间15(在图2中示出)。该管状金属部件包括膨胀开口16(在图2中示出)，加压流体经由该膨胀开口进入以膨胀该可膨胀管结构并使该环状屏障从图1所示的未膨胀位置进入图2所示的已膨胀位置。在已膨胀位置中，该可膨胀管结构紧贴/抵靠该盖层内表面，以使得该第一环状屏障布置在该盖层的上端部，并且该第一环状屏障的可膨胀管结构与该盖层重叠，并且使得该第二环状屏障布置在该盖层的下端部，并且该第二环状屏障的可膨胀管结构与该盖层重叠。因此，在该已膨胀位置，第一环状屏障、第二环状屏障、第一金属井管结构和盖层封闭/围成限制空间17。当该第一环状屏障和/或第二环状屏障已经膨胀时，它们形成主屏障的一部分，从而当沿地层进一步钻入并打开储层时，来自储存的含烃流体仅能经由第一金属井管结构的内部向上流动。因此，当环状屏障与不可渗透的盖层重叠时，无需使用水泥，并且因此井下完井系统1是无水泥型井下完井系统1。

通过具有两个环状屏障，可对限制空间进行测试以确认无需水泥来提供主屏障。此外，通过测试该限制空间是否能维持某一压力，可对通过环状屏障提供的主屏障进行测试，这在使用水泥的已知方案中是无法实现的。

第一金属井管结构具有外表面26，传感器单元18在第一环状屏障与第二环状屏障之间布置在该外表面26上，如图1和2所示。传感器单元18构造成测量在限制空间中的流体的特性以检验该第一环状屏障和该第二环状屏障隔离了该限制空间并因此确认该第一环状屏障和该第二环状屏障对着盖层提供了主屏障。因此，借助本发明的井下完井系统，对盖层与金属井管结构之间的密封的测试是可行的。这样的测试在现有技术的方案中是不可能的。在现有技术的方案中，盖层被水泥覆盖，从而沿金属井管结构向下泵送的加压测试流体泄漏进入盖层下方的可渗透地层中，并且因此，无法测试它是否是水泥或者是否是泄漏到地层的可渗透部分中的所述测试流体。此外，水泥在经受流体和温度波动时易于恶化，尤其是在流体能进入水泥层中的气孔中并被困在该水泥中的情况下。这样，随着温度的上升和下降，流体在水泥中创造了微孔。

在图3中，传感器单元18包括在第一环状屏障中并布置在限制空间17中。该井下完井系统还包括加压装置19，该加压装置用于通过使加压流体经膨胀开口16流入并进入环状屏障空间15中来对第一金属井管结构的内部进行加压并因此使环状屏障膨胀。如图4和6所示，第一环状屏障还包括阀装置23，该阀装置与膨胀开口16流体连通。阀装置具有第一位置(如图4a和5a所示)和第二位置(如图4b和5b所示)，在该第一位置中，允许流体从第一金属井管结构流入环状屏障空间，在该第二位置，提供了环状屏障空间与限制空间之间的流体连通。在图3中，传感器单元与阀装置连接并形成第一环状屏障的一部分。

当具有这样的阀装置时，在温度波动期间，限制空间中的流体压力与环状屏障空间中的压力平衡，并因此通过具有与限制空间流体连通的阀装置，在这样的温度波动期间不会出现压裂或泄漏。

在图1中，加压装置布置在金属井管结构的顶部，并且在图3中，加压装置布置在插入第一金属井管结构中的工具20中。工具包括隔离机构，该隔离机构用于将第一金属井管结构的对着膨胀开口16的部分隔离，以对环状屏障空间15进行加压。

环状屏障具有与第一金属井管结构的内部流体连通的第一开口16即膨胀开口16和与环状屏障空间15流体连通的第二开口17a，如图4所示。当管状金属部件的内部被加压时，流体流入环状屏障空间15中，从而使可膨胀管结构14膨胀到已膨胀位置，如图2所示。

如图4所示，该环状屏障还包括孔18a，孔18a具有孔延伸方向并且包括具有第一内径id1的第一孔部分19a(如图4a所示)和具有比第一孔部分的内径大的内径id2的第二孔部分120(如图4a所示)。第一开口16和第二开口17a布置在第一孔部分中并沿孔延伸方向隔开/移位。环状屏障还包括布置在孔中的活塞121。如图4b所示，活塞包括具有与第一孔部分19a的内径基本上一致的外径odp1的第一活塞部分122并包括具有与第二孔部分120的内径基本上一致的外径odp2的第二活塞部分123。如图4a所示，环状屏障还包括断裂元件124，该断裂元件在孔内达到预定压力之前防止活塞移动。该活塞包括为通孔的流体通道125，其提供在第一孔部分与第二孔部分之间的流体连通。

通过具有带流体通道的活塞，提供了第一孔部分与第二孔部分之间的流体连通，从而当断裂元件断裂时，该活塞能移动，从而导致与管状金属部件的内部的流体连通被阻断/隔绝。以这种方式，提供了无需另外的流体通道的简单方案，并且由于第二活塞部分的外径大于第一活塞部分的外径，流体压力施加在其上的表面积大于第一活塞部分的表面积，并且因此，当环状屏障膨胀并且已建立用以使断裂元件124破裂并允许活塞移动的压力时，该压力使得活塞移动。如图4a所示，环形空间131通过孔洞61与井孔流体连接，并且因此可缓解环形空间中的压力。

在图5a和5b中，断裂元件是剪切盘，并且在图4a和4b中，断裂元件是剪切销。取决于用以提供井下隔离所需的隔离方案，该断裂元件被选择成使得断裂元件在这样的压力下破裂，即该压力大于膨胀压力但小于使可膨胀管结构断裂或危害井下其它完井构件的功能的压力。在图5a和5b中，孔和活塞121布置在将可膨胀管结构14与管状金属部件12连接的连接部件126中。在图4a和4b中，孔和活塞布置在管状金属部件12中。

在图4a和4b中，活塞具有在第一活塞部分122处的第一活塞端部127和在第二活塞部分123处的第二活塞端部128，第一活塞端部具有第一活塞端面129，第二活塞端部具有第二活塞端面130，第二活塞端面的端面面积大于第一活塞端面的端面面积，以便使活塞朝向第一孔端部移动。两个端面面积之间的不同导致作用在活塞上的力的不同，从而致使活塞移动以阻断第一开口16与第二开口17a之间的流体连通。

如在图4a中所示，第一活塞部分122在活塞的初始位置中部分延伸到第二孔部分120中并且在活塞与孔的内壁132之间形成环形空间131。在活塞因流体压在第二活塞端面130的第二端面面积上而发生移动时，当第二活塞部分到达第一孔部分时活塞的移动被停止，从而第二活塞部分抵靠由第一和第二孔部分的内径的不同而形成的环形端面133上，如图4b所示。环形空间131与环境流体流体连接并因此通过孔洞61缓解压力，因此允许活塞的移动。

在图4a和4b中，环状屏障还包括锁定元件138，其适于在活塞处于其关闭位置时机械地锁定该活塞，从而堵塞第一开口，如图4b所示。

在图4a中，第二活塞部分包括布置在活塞的第二活塞端部中的锁定元件，该锁定元件是能向外突出的弹性元件139，但其在活塞处于初始位置时被抑制在第三孔部分136中，并且该弹性元件在活塞移动以堵塞第一开口时被释放，并且因此该弹性元件沿径向向外突出，如图4b所示。因此，该锁定元件是形成在活塞的第二活塞端部中的弹簧筒夹。第二孔部分120布置在第一孔部分与第二孔部分之间，并且第三孔部分的内径大于第二孔部分的内径。

当采用机械锁定来防止活塞沿反向运动时，无需止回阀来防止活塞在环状屏障内部的压力增大时返回。以此方式，污垢妨碍止回阀关闭的风险以及因屏障的环形空间中压力增大而迫使活塞返回并提供从管状金属部件的内部的流体连通的风险因此被消除。在使用止回阀的已知方案中，可膨胀管结构具有当用更冷的流体如海水压裂地层时发生破裂或断裂的潜在风险。通过永久地阻断环形空间与井管结构的内部之间的流体连通，可膨胀管结构将不会经受这样大的温度和压力的改变，并且因此充分降低了断裂的风险。

在图5a中，环状屏障包括围绕第二活塞部分123布置的锁定元件138。该孔还包括在第二孔部分120中的第三开口137，该第三开口与环状屏障空间15和环空或井孔流体连通。

在图3中，传感器单元包括通信装置21，该通信装置构造成将传感器数据通信至位于井的更上方的另一通信单元或通信至图3所示的工具中的适于接收传感器数据的通信模块28。

如图7所示，井下完井系统还可包括布置在第一环状屏障11a与第二环状屏障11b之间的一个或多个第三环状屏障11c。每个环状屏障均包括传感器单元18，从而可对第一环状屏障11a与第三环状屏障11c之间的限制空间17进行测试以从下方检验第一环状屏障的密封性能，所述下方也将是其中来自储层的含烃流体将在环状屏障上施加压力的方向。此外，可从下方测试第三环状屏障11c与第二环状屏障11b之间的限制空间17以检验第三环状屏障具有足够的密封性能。通过在第二环状屏障的下方具有第三传感器单元，第二环状屏障的密封能力也可得到检验。在第一环状屏障上方的环形空间被称为b-环空b，并且其通常在生产期间不加压，但可在井的完井期间或后来进行测试。

如图4所示，第一环状屏障可在可膨胀管结构的外侧包括弹性体密封件22。并且在图7中，第二和第三环状屏障11b、11c完全由金属制成并且在可膨胀管结构的外表面上没有密封元件。

在另一实施例中，井下完井系统包括完全由金属制成的至少一个环状屏障，优选仅包括完全由金属制成的多个环状屏障，从而在金属井管结构与盖层之间建立起金属与岩石间密封。当具有金属与岩石间密封时，井下完井系统便准备好了用于封井和弃井(p&a)，并且该井能容易地被废弃而无需进入b-环空以便也用水泥填充以废弃该井，因为至盖岩的密封是金属与岩石间密封并且因此允许废弃，例如该井将被永久封堵，根据一般的p&a需求来说，通常是1,000年。

在图8中，井下完井系统还包括第二金属井管结构24，该第二金属井管结构在盖层的下方延伸并且至少部分地在第一金属井管结构中延伸。该第二金属井管结构24从第一金属井管结构悬挂并且也可被称为衬管悬挂器或生产套管。第二金属井管结构24延伸到储层中以生产含烃流体并借助环状屏障或另一封隔器与第一金属井管结构连接。该第二金属井管结构可包括一个或多个环状屏障。

传感器单元包括传感器25，如压力传感器、温度传感器或类似的传感器。一个传感器单元可包括多个传感器。所述多个传感器可以是不同类型的传感器，从而测量限制空间或其内的流体的不同性能/特性。

为了进行完井作业，向下钻设井孔以钻穿该盖层并识别盖层的范围。之后，将第一金属井管结构下沉并导入该井孔中，并且至少部分地对着该盖层布置第一环状屏障和第二环状屏障，以使得第一环状屏障和第二环状屏障的可膨胀管结构与盖层重叠。随后，使第一环状屏障和第二环状屏障的可膨胀管结构膨胀至紧贴盖层内表面以围出限制空间并提供完井的主屏障。之后，通过使阀装置从提供从第一金属井管结构的内部至环状屏障空间的流体连通的第一位置移位至提供环状屏障空间与限制空间之间的流体连通的第二位置而将限制空间加压至预定压力。因此，使环状屏障空间的压力与限制空间平衡，并且监视限制空间中的压力以观察该压力是否随时间推移而基本上保持恒定以检验环状屏障中的至少一个与盖层之间的密封性能。限制空间中的压力通过传感器单元来确定和监视。从井的顶部执行该加压，或者借助插入第一金属井管结构中的工具来执行该加压。首先，使可膨胀管结构膨胀并且之后对该限制空间进行加压。

冲程工具可用于对着膨胀开口加压隔离区域。冲程工具是用于提供轴向力的工具。该冲程工具包括用于驱动泵的电动机。泵将流体泵送到活塞壳体中以使活塞在活塞壳体中动作。该活塞布置在冲程杆上。该泵可在一侧上将流体泵送到活塞壳体中并且同时在活塞的另一侧抽吸出流体。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

金属井管结构、套管、衬管或生产套管是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如well

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。