專利名稱：：用于鉆探井孔的系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統，其包括設置在鉆孔中的套管和延伸通過套管內部到達鉆孔下端部分的鉆柱，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損。
背景技術：
：在旋轉鉆探井孔的過程中，通過鉆探設備上的回轉臺，鉆柱從地面旋轉以加深井孔，因而旋轉的鉆柱通常與套管的內表面及井孔壁摩擦接觸。通常，在鉆柱和套管/井孔壁之間積累的摩擦力隨著鉆孔深度、彎曲度及傾斜度的增加而增大，因此導致回轉臺扭矩增大。另外，鉆柱與套管之間的摩擦接觸可能導致鉆柱及套管的磨損。在傳統的鉆探應用中，套管在井孔的選定深度間隔處安裝，因此，通常周圍地層的壓裂壓力和孔壓力是上述各深度間隔的長度的決定因素。除了地面套管外，各套管均通過先期安裝的套管下降并從地面延伸到接近新鉆探的深度間隔的下端。因此，后續套管的直徑必然逐漸縮小。所形成的嵌套的套管設置暗示著各套管通常只在鉆探下一個深度間隔過程中與旋轉鉆柱摩擦接觸。因此，針對這種應用，套管磨損通常不是大問題。EP-1044316-B1公開了一種井孔系統，其中后續套管不會延伸至地面。相反，各新的井孔間隔利用從前一套管下端延伸至接近新鉆探的井孔間隔的套管提供。另外，各套管在降低至所需深度后在井孔中徑向膨脹，從而使井孔可以沿著其長度以基本均勻的直徑鉆探。已知井孔系統的問題在于各套管在長時間內由于與旋轉鉆柱摩擦接觸而招致磨損。因此，本發明宣布提供一種用于鉆探井孔的改進系統，該系統克服了現有技術的問題。括:設置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內部到達鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進入套管內的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損，其中所述系統還包括用于減少所述套管內表面摩損的設施，所述設施包括在所述套管內表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內的潤滑復合物中的至少一種。測試表明各種所述設施有效保護所述套管內表面避免磨損，由此套管的硬化內層保護套管避免鉆探流體內包含的小顆粒的磨蝕作用，和鉆柱的減摩擦層及鉆探流體內的潤滑復合物保護套管避免由于與鉆柱直接接觸的高摩擦力。對于一些應用而言，如果所述系統包括三種減少磨損設施即在所述套管內表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內的潤滑復合物中的每一種，則獲得最佳結果。合適地，在所述套管內表面上的硬化層具有第一硬度和鉆柱外表面具有第二硬度，和其中所述第一硬度大于所述第二硬度。例如，所述第一硬度與第二硬度的比為1-5。優選地，所述第一硬度值為150-600Hv。合適地，鉆柱的減摩擦層包括聚四氟乙烯(PTFE)。所述減摩擦層可以以施涂到鉆柱外表面上的涂層的形式提供。在一種例舉應用中，所述潤滑復合物包含64.25-90.89wt。/。的基油，例如天然的甘油三酯油、魚油、動物油、植物甘油三酯油、葵花籽油、大豆油、油菜籽油、菜籽油、棕櫚果油、棕櫚油、橄欖油、油菜籽油、菜籽油、亞麻籽油、花生油、大豆油、棉籽油、葵花籽油、南瓜籽油、椰子油、玉米油、蓖麻油、胡杉&油、天然或合成油或酯。合適地，所述潤滑復合物包含0.02-0.05w"/。的金屬減活劑，例如三唑或苯并三唑衍生物，如甲苯三唑。有利地，所述潤滑復合物包含0.5-3.Owt。/。的抗氧化劑，例如芳族胺抗氧化劑和/或受阻酚抗氧化劑，如2，6-二(叔丁基-4-甲基苯酚，BHT)。可商購產品實例為來自Ciba-GeigyCorp的辛基化、丁基化二苯胺抗氧化劑(IrganoxL57);來自PMC，Inc的2，6-二(1，l-二曱基乙基)-4-甲基酚(BHT);和來自Ciba-GeigyCorp的苯丙酸3,5-二(1，1-二甲基乙基)-4-羥基-硫二-2，1-乙烷二酯(Irganox1035)。所述潤滑復合物優選包含4-12w"/。的硫化天然油如疏化植物或動物油，天然油的石克含量為9-21%，例如13.5-17.5%。可商購產品實例為來自RheinChemieCorporation的硫化植物油(Addi"nRC-2515);和來自FerroCorporation的石克化豬油(HSL)。所述潤滑復合物可以包含4-12wt。/。的磷酸酯，如乙氧基化脂肪族酯(d2-ds)醇磷酸酯，優選乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯的混合物。可商購產品實例為來自HoughtonInternational的乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯(Houghton5653)。所述潤滑復合物可以包含0.4-1.5wt。/。的磷酸，如乙氧基化脂肪族酯(dr-CJ醇磷酸酯，優選乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇辨酸酯的混合物。可商購產品實例為來自HoughtonInternational的乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯(Houghton5653)。所述潤滑復合物合適地包含O.08-1.5wtX的粘度調節劑，如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、改性的乙烯基吡咯烷酮/曱基丙烯酸酯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丁烷、烯烴共聚物、苯乙烯/丙烯酸酯共聚物、聚醚，如苯乙蹄或丁二烯-苯乙烯聚合物。可商購產品實例為來自LubrizolCorporation的苯乙烯烴聚合物(Lubrizol7440S)。所述潤滑復合物合適地包含0.1-0.5wt。/。的降凝劑，如聚甲基丙烯酸酯、烷基化萘降凝劑衍生物如烷基酯共聚物。可商購產品實例為來自LubrizolCorporation的烷基酉旨共聚物(Lubrizol6662)。所述潤滑復合物合適地包含0.01-0.2wty。的消泡劑，如硅基消泡劑。可商購產品實例為來自UltraAdditives的硅基消泡劑(FoamBan103)。所述潤滑復合物可以包含0-5wt。/。的羧酸皂，如單或二元脂肪酸的堿、烷醇胺、烷基胺或烷氧基化酸皂胺鹽或它們的混合物。可商購產品實例6測試多種鉆探流體以確定各種潤滑復合物對鉆柱磨損、套管磨損、以及鉆柱和套管之間的摩擦系數的影響。測試的鉆探流體有流體1—含有3wt。/。的膨潤土的水基鉆探流體；流體2—含有3wt。/。的重晶石的水基鉆探流體；流體3—含有3wt。/。的由HoughtonInternationalInc.制造的CosmolubricETL的7Jc基鉆探流體；流體4--含有3wt。/。的由Halliburton制造的TorqueTrim的7JC基鉆探流體；流體5—含有3wt。/。的由Oleon制造的Oleon的7jc基鉆4笨流體；流體6~含有3wt。/。的由LeonardAndersen利用Mobil油組合物和PTFE顆粒制造的Anderson的水基鉆探流體；流體7—含有G-密封的7JC基鉆探流體。所述鉆柱和套管由VM50鋼制造。測試結果列于下表1中，其中鉆柱磨損和套管磨損以rara/km表示，指的是在鉆柱和套管的接觸表面之間每km相對運動的壁厚縮小(mm)。表l鉆柱磨損(mm/km)套管磨損(mm/km)摩擦系數流體10.0350.470.45流體20.0090.090.21流體30.0040.030,16流體40.0030.050.16流體50.0060.060.27流體60.0020.030.16流體70.0570.410.6另夕卜，針對施涂于鉆柱外表面的各種涂層進行測試以確定所述涂層對鉆柱磨損、套管磨損、以及鉆柱和套管之間的摩擦系數的影響。測試的鉆;f主涂層有'凃層l--由VictrexPeekCoating制造的Victrex涂層層(涂層(HoustonTX，USA);涂層5—由EnduraCoating制造的Green涂層(WarrenMI，USA);涂層6--由HitemcoSouthwest制造的H329涂層(涂層(HoustonTX，USA);涂層7--由HUemcoSouthwest制造的Tl5涂層(涂層(HoustonTX，USA);涂層8—由HUemcoSouthwest制造的T90green(涂層(HoustonTX，USA)。所述鉆柱由VM50鋼制造，和所述套管由VM50鋼制造。所述鉆探流體為水基的和包含膨潤土和重晶石作為摩擦降低化合物。測試結果列于表2中，其中鉆柱磨損和套管磨損以mm/km表示，指的是在鉆柱和套管的接觸表面之間每km相對運動的壁厚縮小(mm)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>下面通過實施例的方式參照附圖更詳細地描述本發明，其中圖1示意性描述了利用本發明的鉆探系統的實施方案鉆探的井孑L;圖2示意性描述了在連續鉆探井孔過程中圖1的井孔；和圖3示意性描述了鉆探完成后圖1和2的井孔。具體實施方式參照圖1，其中給出了在利用帶有鉆頭5的鉆柱4鉆探的過程中在地層2中形成的井孔1。鉆柱4從地面8的鉆探設備6延伸到井孔1的底部10，和配有流動通道(未示出)用于泵送鉆探流體從鉆探設備6經流動通道至鉆頭5并從鉆頭5至井孔1。井孔1的上部12配有第一鋼制套管14，其具有直徑增大的下端部分15以在其中接收第二套管(見下文)。第一套管14徑向膨脹和具有硬化內表面16，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。鉆柱4配有聚四氟乙烯(PTFE)涂層18形式的外層。合適地，PTFE涂層18包括由KerstenKunstofcoating(Netherlands)作為TeflonPFA涂料銷售的RubyRedTeflon。圖2中給出了鉆^果另一部分后的井孔1，其中第二鋼制套管20設置在井孔1中第一套管14下方。第二套管20以短距離延伸入第一套管14的下端部分15，以提供兩套管14、20之間的密封連接。與第一套管14類似，第二套管20徑向膨脹和具有硬化內表面22，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。另外，第二套管20具有直徑增大的下端部分24以在其中接收第三套管(見下文)。在圖3中給出了鉆探完成后的井孔1,其中鉆探設備6已經由井口26代替。第三套管28設置在井孔1中第二套管20下方。第三套管28以短距離延伸入笫二套管20的下端部分24，以提供兩套管20、28之間的密封連接。與第一和第二套管類似，第三套管28徑向膨脹和具有硬化內表面30，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。在正常操作過程中，鉆柱通過鉆探設備6的回轉臺(未示出)旋轉，以鉆探井孔1的上部，之后鉆柱被收回和第一套管14被安裝在井孔上部。隨后，井孔被鉆得更深，從而鉆柱4通過第一套管14并進入鉆探的新的井孔部分。同時泵送鉆探流體通過鉆柱4的流動通道進入井孔1的下部。鉆探流體一方面通過在井孔壁和套管14之間形成的環形空間32和另一方面通過鉆柱4返回地面。鉆探流體配有植物油形式的潤滑復合物以降低旋轉鉆柱4和套管14及井孔壁之間的摩擦力。在新的井孔部分已經鉆探至選定深度后，鉆柱4被收回至地面和第二套管20被安裝在新鉆的井孔部分內。笫二套管20以短距離延伸入第一套管14的下端部分15，以提供兩套管14、20之間的密封連接。在下一步中，鉆探進一步的井孔部分，其中鉆柱4通過第一套管14、第二套管20和進入鉆探的進一步的井孔部分。同時鉆探流體向下通過鉆柱4和向上一方面通過鉆柱4和另一方面通過井孔壁和套管14、20之間的環形空間32循環。鉆探流體配有所述植物油以降低旋轉鉆柱4和套管14、20及井孔壁之間的摩擦力。在進一步的井孔部分已經鉆探至選定深度后，鉆柱4被收回至地面和第三套管28被安裝在井孔1中第二套管20下方。第三套管28以短距離延伸入第二套管20的下端部分24，以提供兩套管20、28之間的密封連接。按要求重復上述步驟多次以鉆探井孔1至所需深度。依靠各套管14,20,28的硬化內表面16,22,30、鉆柱4外表面上的PTFE涂層和鉆控流體中的潤滑復合物，一方面實現了鉆柱4與各套管14,20,28的內表面16,22,30之間的摩擦力最小。另外，實現了各套管14,20,28的內表面16,22,30由于與旋轉鉆柱4接觸的任何磨損限于最小。后一效果是特別重要的，這是因為各套管段14，20，28的大部分在鉆探過程中不會與任何其它套管段重疊，從而各套管段14，20，28在長期鉆探中與鉆柱4摩擦接觸。這與傳統井孔鉆探不同，在傳統井孔鉆探中套管以嵌套方式設置致使各后續套管通過前一套管延伸至地面，從而前一套管在進一步的井孔鉆探過程中不再與鉆柱摩擦接觸。代替使用在鉆探各井孔部分后收回至地面的傳統鉆柱，可以使用在選定的井孔部分已經鉆探后轉變成套管的鉆柱。這種方法通常稱為"套管鉆井"或"尾管鉆井"。例如，鉆柱可以形成可膨脹的管狀元件，該元件在新鉆探的井孔部分內徑向膨脹以在其中形成套管。據設想本發明方法對于這些"套管鉆井"或"尾管鉆井"應用是特別有利的，這是因為鉆柱(有待于轉變為套管的)不具有如傳統鉆柱中的徑向收縮，其可以另外設計使鉆柱和鉆孔壁/套管之間的摩擦以及套管的磨損最小化。另外，據設想對于"套管鉆井"或"尾管鉆井"應用來說降低鉆柱和鉆孔壁/套管之間的摩擦是特別重要的，因為這有助于降低由于相對于鉆孔直徑相對較大的旋轉"套管"或"尾管，，直徑導致的旋轉扭矩增大。權利要求1.一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統，其包括設置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內部到達鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進入套管內的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損，其中所述系統還包括用于減少所述套管內表面摩損的設施，所述設施包括在所述套管內表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內的潤滑復合物中的至少一種。2.權利要求1的系統，其中所述套管內表面上的硬化層具有第一硬度和鉆柱外表面具有第二硬度，和其中所述第一硬度大于所述第二硬度。3.權利要求2的系統，其中所述第一硬度與第二硬度的比為l-5。4.權利要求2或3的系統，其中所述第一硬度值為150-600Hv。5.權利要求l-4任一項的系統，其中所述鉆柱外表面上的減摩擦層包括聚四氟乙烯(PTFE)。6.權利要求5的系統，其中所述外層形成施涂到鉆柱外表面上的涂層。7.權利要求1-6任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含64.25-90.89wt。/。的基油。8.權利要求7的系統，其中所述基油選自天然的甘油三酯油、魚油、動物油、植物甘油三酯油、葵花籽油、大豆油、油菜籽油、菜籽油、棕櫚果油、棕櫚油、橄欖油、油菜籽油、菜籽油、亞麻籽油、花生油、大豆油、棉籽油、葵花籽油、南瓜籽油、椰子油、玉米油、茺麻油、胡桃油、天然或合成油和酯。9.權利要求1-8任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.02-0.05wt。/。的金屬減活劑。10.權利要求1-9任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.5-3.Owty。的抗氧化劑。11.權利要求1-10任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含4-12wt%的硫化天然油。12.權利要求1-11任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含4-12wt%的磷酸酯。13.權利要求1-12任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.4-1.5wtX的磷酸。14.權利要求1-13任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.08-1.5wt。/。的粘度調節劑。15.權利要求1-14任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.1-0.5wt。/。的降凝劑。16.權利要求1-15任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0.01-0.2wt。/。的消泡劑。17.權利要求1-16任一項的系統，其中所述潤滑復合物包含0-5wt%的羧酸皂。18.權利要求l-17任一項的系統，其中所述套管由多個套管段形成，各套管段至少部分不與任何其它套管段重疊。19.權利要求18的系統，其中所述套管可徑向膨脹，所述系統還包括用于使所述多個套管段的第一套管段徑向膨脹的設施和用于降低所述多個套管段中的第二套管段在所述第一套管段徑向膨脹后通過所述第一套管段的設施。20.基本上如前文參照附圖所述的系統。全文摘要提供一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統，其包括設置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內部到達鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進入套管內的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損。所述系統還包括用于減少所述套管內表面摩損的設施，所述設施包括在所述套管內表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內的潤滑復合物中的至少一種。文檔編號E21B17/10GK101680278SQ200880018535公開日2010年3月24日申請日期2008年5月15日優先權日2007年5月15日發明者A·L·M·武本,B·J·H·梵登布雷凱爾,D·H·澤斯林格,G·格林伯格,M·M·沙德,M·M·舒斯特申請人:國際殼牌研究有限公司