專利名稱：膨脹抵靠用于層位封隔的水泥的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種將井下管狀物外側的水泥質材料作為用于在管狀物膨脹之后提供層位封隔的裝置的應用。
背景技術：
在油氣鉆探的情況下，水泥質材料包括但并不限于波特蘭水泥、樹脂、高爐礦渣以及這些材料的混合物，這些水泥質材料通常被放置在套管與井眼之間的環形空間中，以便在鉆井、完井以及操作井期間隔離和保護套管。一旦被泵送到位并且使其變硬，這些材料提供各地層之間的隔離以及地層與地面之間的隔離，以使得烴可被安全地生產出，或者替代地井眼可用于注入操作。在水泥已在井眼中硬化之后，公知的是硬化的水泥將不可能完全按照要求填充環形空間。此外，硬化的水泥可能受到機械損傷一應力破裂和/或與套管壁的分離(剝離)，使得液壓隔離可能受到損壞。同樣地，在使由硬化的水泥所圍繞的這些管狀物膨脹的過程中，水泥的機械失效可導致層位封隔失效。因此，期望提供一種系統，利用該系統，管狀物可在井眼中膨脹并且仍舊保持環形的液壓隔離。包括使用可膨脹管狀物的鉆井操作已經變得更加普遍。膨脹可通過使用自上向下的技術來實現，其中膨脹工具在可膨脹管狀物的上端部開始，并且被推動通過該管狀物，直到其已經使管狀物的整個長度膨脹；或者膨脹可使用自下向上的技術來實現，其中膨脹工具在管狀物的底部開始并且被向上推動通過該管狀物。無論使用哪種技術，如果管狀物沒有被錨定，則其將隨著膨脹工具一起移動。在膨脹工具相對于管沒有運動的情況下，將不會發生膨脹。在自上向下的膨脹技術中，膨脹工具在管狀物上的向下作用力可通過將管狀物錨固到相鄰的生產管柱或者通過將一些其它裝置施加向上的作用力而被阻擋。然而，在自下而上的膨脹中，通常期望使得管狀物的頂端部在井眼中自由移動，以便在膨脹期間進行管狀物的軸向收縮。因此，采用頂部錨定的技術可能并不是切實可用的，而是可能期望將管狀物的下端部錨定。—種進行自下而上的膨脹的方法是使用機械式起重器。機械式起重器在管狀物內工作，并且在不需要向管狀物施加附加外力的情況下使管狀物的一部分膨脹。該局部膨脹用于將管狀物柱充分地錨定在井眼中，以使得膨脹工具之后于是可被牽拉通過管狀物。因此，起重器可用于在自下而上的膨脹時使管狀物的下端部膨脹和錨定。另一種公認的用于使井眼中的管狀物膨脹的方法僅僅使用了液壓壓力。無論現有技術的水平如何，仍期望的是提供一種在進入環形空間并不是切實可行的情況下實現層位封隔的裝置。
發明內容
根據本發明的優選實施例，提供了一種裝置，該裝置用于在進入環形空間并不是切實可行的情況下實現或改進層位封隔的裝置，該情況例如是水泥已經在環形空間中硬化時。在本發明的某些實施例中，通過下述步驟來改進沿著井眼的地層之間的層位封隔a)在井眼中設置管，其中管的至少一部分位于地層之間，b)在井眼壁與所述管部分之間的環形空間中設置水泥體，C)使得直到水泥體達到至少70伯登稠度單位時水泥體固化， 以及d)使所述管部分膨脹，以減小井眼壁與所述管部分之間的環形空間的橫截面積。步驟d)可消除水泥體中的流體通道和/或增大水泥體的密度。步驟C)可以或者不可以使得第二水泥體破裂。該方法還可包括在環形空間中設置第二水泥體，其中第二水泥體具有比第一水泥部分更長的固化時間。第二水泥體在實施步驟d)時不必然被固化。該水泥體中的至少一個可包含環狀凝膠和/或其它聚合體。該方法還可包括為在膨脹期間從水泥中排出的水提供排出路徑的步驟。在一些實施例中，硬化的水泥材料被設計成具有特定機械性能，以使得其可承受足夠大的作用力，以使該管狀物徑向膨脹到較大直徑。本發明的一些實施例包括雙泥漿入口，在該雙泥漿入口中，較快硬化的水泥泥漿被布置在要膨脹的管狀物的下部部分周圍的環形空間中，以及第二緩固泥漿被布置在管狀物的第二部分周圍并且直到完成膨脹過程之后也沒有變硬。在其它實施例中，一種或兩種水泥泥漿可被設計成具有機械性能，以使得圍繞管狀物底部周圍設置的泥漿提供一種用于在開始膨脹期間使管狀物錨定的裝置，但是并不會導致一個或兩個水泥護套的機械失效。在另外的實施例中，任一種水泥泥漿可包括彈性體材料，該彈性體材料如果與井眼或者地下流體(例如水、烴、氣和/或鉆井流體等)一接觸就膨脹，以及即使對硬化的水泥有機械損壞也能重建環形液壓隔離。如說明書和權利要求書中所使用的，下面的術語具有下述含義詞語“錨定件”指的是一種提供管狀物與井眼壁之間充分接合以使得膨脹工具相對于管狀物移動并且由此使管狀物膨脹的系統或裝置。如在此所使用的，“襯管”和“套管”可互換地使用，根據本發明的各方面，其指的是套管，也指襯管，反之亦然。除非另外指出，在此所使用的術語“底部” “下部”以及“井下”，即使在井眼并不豎直的情況下，指的是遠離地面的位置。還應理解的是，所述水泥成分可包含任何本領域已知的添加劑，以獲得泵送和設置所必需的特定泥漿性能，包括用于泡沫化水泥的添加劑和氣體。
為了更加詳細地理解本發明，參照附圖進行說明，附圖中圖1是井眼底部的示意圖，其中存在可膨脹襯管和生產管柱。圖2是沿著圖1中線2-2的示意性剖視圖。圖3是示出了圖2系統膨脹后的示意性剖視圖。
具體實施例方式首先參照圖1和2，井眼10可包含可膨脹襯管12以及生產管柱14。膨脹裝置16 附設到生產管14的下端部。膨脹裝置16圖示為膨脹錐，但是也可以是任何能夠隨著裝置運動穿過套管而使可膨脹襯管逐漸徑向膨脹的適當裝置。該組件還可包括如本領域已知的偏心導鼻、在膨脹錐上方的穩定器、自動裝填的浮箍、突板捕集器(dart catcher)、兩個突板(dart)、安全接頭、碎屑捕集器以及通到地面的鉆桿(都未示出)。該設備被組裝并且用鉆桿下入鉆孔中。如果襯管12 (未示出)的上端部在井眼中自由移動，則施加到膨脹裝置16的向上力將僅僅使襯管12向上移動而不會導致膨脹。為了提供膨脹裝置16相對于襯管12的必要運動，將襯管12錨定在井眼內是必需的。如果管狀物的必要錨定通過在襯管的上端部處的機械裝置(諸如與相鄰的上部管狀物的下端部的接合裝置)或者通過在襯管的下端部處的機械裝置(例如通過起重器) 來實現，然后可通過水泥提供錨定。在下面的論述中，關于水泥的論述是指如由附圖標記18 所表示的襯管12與井眼10之間的環形空間中的水泥。具體地，水泥可提供管狀物外側與井眼壁的內側之間的機械接合。如果水泥是唯一的錨定裝置，則機械接合必須足以限制該管狀物抵抗在膨脹開始時所施加的大的向上作用力。且不說或除了用作錨定裝置之外，水泥還可典型地用于密封該環形空間。在優選的實施例中，水泥被混合并被泵送到井下。優選地，當水泥被泵送時，其通過兩個突板與其它流體分隔開。第一個突板坐落于突板捕集器中，標識出水泥將要進入環形空間。泵送額外的流體直到第二突板抵達，標識出全部水泥處于環形空間中。泵送優選地在已泵送幾桶以從鉆柱清掃掉任何水泥之后被停止。一旦泵送停止，浮箍起背壓閥的作用， 以防止水泥向上流回到鉆柱。在用于使水泥至少部分地固化的一段預定時間之后，套管膨脹通過在鉆柱上進行牽拉以在錐體處開始運動而啟動。安全接頭優選地被包括在組件中， 以使得如果存在與工具或操作相關的任何問題時能夠易于與鉆柱脫開。已經發現的是，如圖3所示，在已經水泥固化的區域中通過使管狀物膨脹而抵靠水泥可能改善層位封隔。如果水泥被壓碎，其可增大密度，使否則可能允許流體在環形空間中流動的通道或空穴(pockets)關閉。因此，如果水泥可被膨脹以減小其橫截面積，也就是說，通過減小環形空間的面積，則可消除水泥中的缺陷并且在環形空間中形成優良的密封。還已經發現的是，允許水泥在膨脹之前至少部分固化可在膨脹之后提供優良的環狀密封。因而，在優選的實施例中，允許水泥被水化到一定程度，在該程度下，水泥的可泵性是至少70伯登稠度單位(Bearden units of consistency) (Be)。一旦水泥已被固化到這種程度，膨脹裝置被推進穿過襯管，從而導致襯管徑向向外膨脹。如果地層充分耐壓縮，則襯管的徑向膨脹將導致環形空間的橫截面積減小、粉碎和壓縮水泥。因為膨脹壓碎水泥，可消除最初可能存在于環形空間水泥中的任何通道或空穴， 并且改善膨脹區域中的層位封隔。因此，本發明可用于固化有缺陷的水泥密封，該有缺陷的水泥密封可通過測井進行定位或者通過在環形空間中存在流體流動進行標識。本發明的一些實施例包括兩個泥漿入口，其中，快凝的水泥泥漿布置在圍繞要膨脹的管狀物的第一部分的環形空間中，從而提供可選的錨定，而第二緩凝的泥漿圍繞管狀物的第二部分布置并且直到膨脹過程完成之后才會變硬，以使地層隔離得以增強。第二泥漿可如圖中的22所示設置在環形空間中的第一泥漿之上，或者在其之下。在這些實施例中，快凝的水泥部分可在膨脹過程期間斷裂，但是仍可以保持其錨定管狀物的能力。在既使用快凝水泥又使用緩凝的水泥的實施例中，每種水泥部分的固化時間取決于各種因素，包括井下溫度、水泥含水率以及所存在的添加劑。優選的是，這些因素盡可能被控制，以使得快凝的水泥部分在第一預定時間窗內凝固，而緩凝的水泥部分在第二預定的時間窗內凝固，第二預定時間窗比第一預定時間窗長。僅僅舉例來說，第一水泥可在少于 12小時內固化，而緩凝水泥可在不少于50小時內固化。在其它實施例中，水泥泥漿中的一種可設計為具有機械性能，以使得圍繞管狀物底部布置的泥漿提供用于在開始膨脹期間錨定管狀物的裝置，但是其可被徑向膨脹而并不導致一個或兩個水泥護套的機械失效。可徑向膨脹但并不斷裂的水泥層的形成可通過使用可在現場固化的由乳膠、橡膠顆粒、纖維以及粘合劑形成的各種混合物，例如液壓水泥、交聯聚合物、樹脂、橡膠等。優選在該實施例中受控制的參數包括管與水泥之間的剪固結合以及水泥自身的機械性能，該機械性能包括其楊氏模量、泊松比、內聚力和摩擦角。用于確定對于這些性質的期望范圍以及用于在水泥中控制這些性質的方法對于本領域技術人員來說是已知的。在某些實施例中，用于錨定可膨脹襯管的水泥部分可包括交聯聚合物凝膠，該凝膠包括如環狀凝膠(ringing gel)的本領域已知的那些凝膠。適當的聚合物的實例包括在 US 7，267，174中所公開的那些聚合物。在優選的實施例中，錨定可膨脹襯管的水泥部分包括交聯聚合物以及適當的水泥質材料，該水泥質材料包括但并不限于波特蘭水泥、火山灰和/或礦渣。在一些實施例中，在膨脹發生之前，水泥不會完全固化，所以，用作錨定件的水泥部分僅僅部分固化。在這種情況下，優選的是，通過使用諸如上面設定的那些參數來計算必需被水泥固定的生產管的最小長度。為該管提供了高剪切結合的水泥可僅僅需要較短長度的被水泥固定的管，以用于提供錨定力，而在膨脹時并未獲得這些剪切結合的水泥將需要與管狀物的更大表面積接觸，進而需要與環形空間的較大軸向部分接觸。下列的實例圖示了前述原理中的一些。實例19又5/8英寸、43. 51b/ft,24英寸長的套管部分布置在13又3/8英寸套管的外護套內部。在安裝之前，9又5/8英寸的管的外側被噴涂有中型砂礫氧化鋁，以增大管的粗糙度，進而提高管與水泥之間的剪切結合。環形空間被填充有由API類H波特蘭水泥+73% 淡水+0. 6%羥乙基纖維素(稠化劑)+0. 2%降失水劑組成的并且在13. 81b/gal下混合而成的水泥泥漿。該水泥在170° F和大氣壓力下固化大約8小時，在這段時間中，樣品表現出具有579psi的耐壓強度。在這段時間中，作用力被施加到9又5/8英寸的套管，與此同時保持外護套和水泥靜止。破壞水泥護套與9又5/8英寸套管之間的剪切結合所需要的作用力被記錄為38，2001bs,其等于68. 2psi。然后，該信息用于確定用作執行膨脹的錨定件所需要的被水泥固定的套管長度。例如，期望100英尺的被水泥固定的套管承受2. 4百萬 Ibs的張力。應理解的是，根據本發明的錨定泥漿可包括任何波特蘭或非波特蘭的水泥質材料，并且同樣利用任何本領域已知的混合流體以及添加劑來根據需要提供可布置在井眼中的可泵送泥漿。另外，還應理解的是，該成分可包括如本領域已知的任一種添加劑或它們的組合以獲得特定的機械性能，所述添加劑例如但并不限于彈性體、聚合物、共聚物、乳膠、 粘合劑、纖維、鹽類以及聚成物。適當聚合物的實例包括可從Hal 1 iburton, Houston, Texas
獲得 PermSeal 和 H2Zero 產品。在另外的實施例中，任一種水泥泥漿可包括彈性體材料，該彈性體材料如果與井眼或者地下流體(水、烴類、氣和/或鉆井流體等)接觸就膨脹，以及可在甚至對硬化的水泥有機械損壞的情況下重建環形液壓隔離。這種可膨脹的彈性體對于本領域技術人員來說是已知的。無論選擇哪種水泥性能用于實施本發明，還可期望的是，增加水泥對管的剪切結合，以使得在存在剪切力的情況下其不太可能與管狀物的表面分開。用于實現這一點的技術在本領域中是公知的，包括但并不限于將后凝固的膨脹劑(氧化錳、鋁酸三鈣、鹽類)添加到水泥泥漿、塑性凝固的膨脹器(泡沫、活性氣體發生器)以及表面活性劑。排出的水還已經發現的是，當膨脹裝置被牽拉通過被錨定在固化的水泥中的管狀物的一部分時，施加到水泥的壓縮力足夠大以迫使未起作用的水從固化的水泥中出來。如本領域技術人員所已知的是，大部分液壓水泥僅僅使用所存在的水的一部分以用于起作用，剩余的水僅僅存在用于輔助混合并布置泥漿。在膨脹過程期間從水泥中排出的水量可能是大量的。如果不設置逃逸路徑，則該截留的水可導致難題諸如進行膨脹所需要的作用力過大， 甚至超出鉆機的能力；或者壓力增大足以破壞管，甚至達到斷裂的程度。應意識到的是，這些未起作用的水的一些部分，在一些情況下是全部，可經由自然滲透性或者經由自然裂隙或所產生的裂隙而逃逸到地層中。然而，這種出口可能并不總是存在或者可能并不以提供所期望的膨脹率的體積流率的方式而存在。人們認為，通過提供一路徑可實現顯著的優點， 該排出的水可通過該路經從壓縮區域逃逸。提供用于排出的水的路徑的一種方法是在水泥護套中提供現場自損破裂的容積。 通過這種方法，隨著發生膨脹以及套管與地層之間或者套管之間的環形間隙減小，自損破裂的容積提供了就地的可壓縮容積，由此提供一種在膨脹期間防止截留壓力增大的方式。 一種用于將該可破裂容積提供給水泥護套的方法是泡沫化水泥，其中該水泥可在泵送期間被諸如空氣或氮氣的氣體泡沫化，以使得在水泥變硬之后，水泥護套包括一定體積百分比的可壓縮氣體。另一種用于提供就地破裂的方法可通過在水泥混合物中包括中空的微球體來實現，例如可從諸如3M公司獲得的硼硅酸鹽中空微球體。對于本領域的技術人員來說顯而易見的是，這些方法中的任一種還減小了每體積凝固水泥中的未起作用的水的體積，以及自損破裂的容積可在井與井的基礎上定制。此外，顯而易見的是，可破裂的水泥護套還可包括機械調節劑，例如但并不限于之前所描述的橡膠顆粒、共聚物、乳液、就地造氣復合物以及其它物質。用于提供將液壓釋放到可膨脹管狀物后面的環形間隙的路徑的其它裝置包括但并不僅限于分流管、破裂膜片、容積室以及對于本領域的技術人員來說顯而易見的類似物。在一個優選的實施例中，可能期望以促使容積釋放的方式形成井眼。這可通過若干種方式來實現，包括但并不限于在膨脹之前在井眼中施加液體壓力以促使井眼失效。在另一個實施例中，可通過經由在將可膨脹管狀物下入井眼中之前對地層進行噴液而產生應力提升，從而影響該地層。這將在地層中產生弱點，并且使得其在膨脹過程期間由于壓力增大而更容易失效，但是沒有必要在該程度之前失效，因而使得可更加容易地控制、循環和水泥固化井眼。在一些優選的實施例中，環形空間中的水泥可被上移，以使得可膨脹管狀物的下端部由鉆井流體、水泥隔離件或其它在井底處的非粘性流體圍繞。此外，該流體還可由水凝水泥組成，該水凝水泥具有比在其上方的錨定水泥的凝固時間更長的凝固時間。這種方法是優選的，從而允許在較少的作用力下開始膨脹過程。在一些優選的實施例中，可能期望的是，在膨脹過程已經完成之后泵送另外的水凝水泥或其它流體。該流體的目的在于確保膨脹后的管狀物的環形空間中的碎石化 (rubblized)水泥不會泄漏，或者相反地允許膨脹后的管狀物后面的流體與來自較深地層的流體連通。這種實踐對于本領域的技術人員來說通常指的是擠水泥。應理解的是，在此公開的水泥錨定技術可被單獨使用，或者與其它諸如起重器或懸掛器的錨定技術組合使用。同樣地，在此公開的技術可對于連續長度的可膨脹襯管重復使用，每段長度的可膨脹襯管可被膨脹到相同的內徑，以使得形成單一直徑的井眼。
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權利要求
1.一種用于改進沿著井眼的地層之間的層位封隔的方法，所述方法包括a)在井眼中設置管，其中所述管的至少一部分位于所述地層之間；b)在井眼壁與所述管部分之間的環形空間中設置水泥體；c)直到水泥達到至少70伯登稠度單位時，使水泥體固化；以及d)使所述管的至少一部分膨脹以減小井眼壁與所述管的至少一部分之間的環形空間的橫截面積。
2.如權利要求1所述的方法，其中步驟d)消除了水泥體中的流體通道。
3.如權利要求1所述的方法，其中步驟d)增大水泥體的密度。
4.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括在環形空間中設置第二水泥體的步驟， 其中所述第二水泥體具有比第一水泥部分更長的固化時間。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述第二水泥體在實施步驟d)時并不固化。
6.如權利要求4所述的方法，其中至少一個水泥體包含聚合體。
7.如權利要求6所述的方法，其中至少一個水泥體包含環形凝膠。
8.如權利要求4所述的方法，其中步驟c)不會使得第二水泥體斷裂。
9.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括為在膨脹期間從水泥中排出的水提供排出路徑的步驟。
全文摘要
一種用于改進沿著井眼的地層之間的層位封隔的方法，該方法包括a)在井眼中設置管，其中管的至少一部分位于地層之間，b)在井眼壁與所述管部分之間的環形空間中設置水泥體，c)直到水泥體抵達至少70伯登稠度單位時，使水泥體固化，以及d)使所述管部分膨脹以減小井眼壁與所述管部分之間的環形空間的橫截面積。
文檔編號E21B33/14GK102365419SQ201080014728
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者D·R·阿爾古, J·F·希斯曼 申請人:國際殼牌研究有限公司