專利名稱：通過滋擾含油氣地層鉆井的方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及通過地下巖層鉆入井筒的領域。更明確而言，本發(fā)明涉及使用動態(tài)環(huán)形壓力控制系統(tǒng)通過體積受限的含油氣巖層安全鉆入井筒的技術。
背景技術：
本發(fā)明可使用的一種鉆井系統(tǒng)和方法描述在7，395，878中，該案頒予Reitsma等人并且以引用的方式并入本文。在鉆井期間，尤其在某些離岸地層中會遭遇小范圍的含油氣地層(“滋擾油氣地層”)。最初，這些含油氣地層在孔隙空間中可能具有超過井筒中液體的靜水壓力的油氣壓力。然而，隨著油氣進入井筒，這些地層因其區(qū)域范圍受限而相對較快地損失壓力。通過這種滋擾油氣的鉆井需要一種最佳方法以使油氣體積和壓力消耗在可接受水平以繼續(xù)安全鉆井，因為這種滋擾油氣區(qū)通常由于油氣釋放至井筒中而很快消耗。因此，不建議增加鉆井液的密度，或使用所謂的井筒壓力控制的“鉆井機方法”，其需要將豎管壓力(即，隨著鉆井液被泵送至鉆柱的鉆井液壓力)保持恒定。前文的陳述也可應用于“負壓”鉆入油氣井，其中井筒靜水(以及水力)液體壓力被維持在低于含油氣巖層的孔隙空間中的油氣液體壓力。需要一種通過滋擾油氣鉆井和/或負壓鉆井的更有效技術。
發(fā)明內(nèi)容
一種根據(jù)本發(fā)明的一個方面的用于控制油氣從地下地層進入井筒的方法包括確定油氣是否正在進入井筒。接著確定油氣進入井筒的速率是否正在減慢。如果油氣進入速率正在減慢，那么接著從井筒的排放控制從維持選定井筒壓力轉(zhuǎn)變成將從井筒排放液體的速率控制為基本恒定。當油氣停止進入井筒時，從井筒的排放控制返回至維持選定井筒壓力。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將從下文的描述和隨附權利要求而顯而易見。
圖1是使用動態(tài)環(huán)形壓力控制的實施例鉆井系統(tǒng)。圖2是使用動態(tài)環(huán)形壓力控制的替代實施方案的實施例鉆井系統(tǒng)。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是井筒鉆井系統(tǒng)的示意圖，其具有可與本發(fā)明的一些實施搭配使用的動態(tài)環(huán)形壓力控制(DAPC)系統(tǒng)的一個實施方案。一個這種系統(tǒng)描述在美國專利7，395，878中，該案頒予Reitsma等人并且以引用的方式并入本文?？墒褂酶鞣N控制器(諸如可編程邏輯控制器)以響應來自本文中所述的各種傳感器的測量而自動操作下文所述的各種組件，且這些控制器也描述在Reitsma等人的‘878專利中。為圖示的清晰起見，這些組件沒有在本文中示出。應了解，基于陸地或離岸鉆井系統(tǒng)可具有如圖1中所示使用根據(jù)本發(fā)明的方法的DAPC系統(tǒng)。所示出的鉆井系統(tǒng)100包括用于支持鉆井操作的鉆機102。為圖示的清晰起見，鉆機102上使用的許多組件，諸如方鉆桿、動力鉗、卡瓦、絞車和其它設備沒有單獨在圖中示出。鉆機102用于支撐用于將井筒106鉆入通過地下地層(諸如所示的地層104)的鉆柱112。如圖1中所示，井筒106已被部分鉆入，且在井筒106的鉆入部分的一部分中已設置保護管或套管108，并膠合109到位。在本實施方案中，套管阻斷機構或井下部署閥110視需要安裝在套管108中，以當鉆柱112下端處的鉆頭120位于閥110上方時阻斷環(huán)面，并有效地用作閥以阻斷井筒106的裸眼井段(在套管108底部下方的井眼106部分)。鉆柱112支撐底部鉆具組合(BHA) 113，其可包括鉆頭120、選用泥漿發(fā)動機118、選用的隨鉆測量和隨鉆測井(MWD/LWD)傳感器套件119，所述傳感器套件119優(yōu)選地包括壓力變換器116以確定井筒106中的環(huán)形壓力，即，鉆柱112與井筒106壁之間的環(huán)形空間 115中的液體壓力。鉆柱112可包括止回閥(未示出)，以防止如果井筒表面處具有壓力，導致井筒壓力超過鉆柱112內(nèi)部的液體壓力時液體從環(huán)形空間115回流至鉆柱112的內(nèi)部。MWD/LWD套件119優(yōu)選地包括遙測包122，其用于傳輸將在表面處接收的壓力數(shù)據(jù)、MWD/LWD傳感器數(shù)據(jù)以及鉆井信息。雖然圖1圖示了利用泥漿壓力調(diào)制遙測系統(tǒng)的BHA 113，但是應了解，本發(fā)明可搭配使用其它遙測系統(tǒng)，諸如無線電頻率(RF)、電磁(EM)或鉆柱傳輸系統(tǒng)。鉆井過程需要使用通常存儲在儲器136中的鉆井液150。儲器136與一個或多個鉆機泥漿泵138液體連通，其將鉆井液150通過管道140泵送。管道140連接至穿過旋轉(zhuǎn)控制頭或“旋轉(zhuǎn)B0P”142的鉆柱112的最上段或“接頭”。旋轉(zhuǎn)BOP 142當激活時迫使球形彈性密封元件向上旋轉(zhuǎn)，包圍鉆柱112，并隔離環(huán)面中的液體壓力，但仍然使鉆柱旋轉(zhuǎn)。市售的旋轉(zhuǎn) Β0Ρ,諸如由 National Oilwell Varco, IOOOORichmond Avenue, Houston, Texas77042制造的旋轉(zhuǎn)BOP能夠隔離至多10，OOOpsi (68947. 6kPa)的環(huán)形壓力。液體150向下泵送通過鉆柱112中的內(nèi)部通道和BHA 113，并通過鉆頭120中的噴嘴或噴流而出去，由此液體150使鉆屑循環(huán)離開鉆頭120，并使鉆屑向上通過鉆柱112與井眼106之間的環(huán)形空間115并通過套管108與鉆柱112之間形成的環(huán)形空間而返回。液體150最終返回至地表面，并由旋轉(zhuǎn)BOP 142通過轉(zhuǎn)向器117，通過管道124和各種緩沖罐和遙測接收器系統(tǒng)(未單獨示出)而轉(zhuǎn)向。其后，液體150進入在本文中一般稱為背壓系統(tǒng)的系統(tǒng)中，所述背壓系統(tǒng)可由扼流圈130、閥123和泵管以及選用的泵(如以128示出)組成。液體150通過管道124、扼流圈130 (在下文解釋)且通過選用的流量計126而進入背壓系統(tǒng)。返回的液體150流動通過耐磨損、可控制的孔口扼流圈130。應了解，存在被設計用來操作于鉆井液150含有大量鉆屑和其它固體的環(huán)境中的扼流圈。扼流圈130優(yōu)選地是這樣一種類型，并且還能夠操作于可變壓力、可變開口或開孔，并通過多個工作周期。液體150從扼流圈130出去，并流動通過流量計126 (如果使用)和閥5。液體150可接著由被設計用來從液體150移除包括鉆屑的污染物的選用脫氣器I和一系列過濾器和振動臺129而處理。液體150接著返回至儲器136。流動環(huán)11%可提供在三通閥125之前用于直接將液體150引導至背壓泵128入口中。或者，背壓泵128入口可具有通過管道119a來自儲器的液體，其與補給罐(未示出)液體連通。補給罐通常使用在鉆機上，以監(jiān)視管起下鉆作業(yè)期間(從井眼抽出并插入整個鉆柱或其主要子部分)鉆井液的增加和損失。在本發(fā)明中，優(yōu)選地維持補給罐的功能。三通閥125可用于選擇環(huán)119b、管道119a或隔離背壓系統(tǒng)。雖然背壓泵128能夠通過選擇流動環(huán)11%而利用返回的液體以產(chǎn)生背壓，但是應了解，返回的液體可能具有原本不會被過濾器/振動臺129移除的污染物。在這種情況中，背壓泵128上的磨損可能增加。因此，背壓泵128的優(yōu)選液體供應是管道119a以將再處理的液體提供至背壓泵128的入口。在操作中，三通閥125將選擇管道119a或管道環(huán)119b，且背壓泵128可被接合以確保足夠的流穿過扼流圈130的上游側(cè)，以即使當沒有鉆井液的流正在進入環(huán)面115時也能夠維持環(huán)面115中的背壓。在本實施方案中，雖然可任憑系統(tǒng)設計者選擇更高承壓能力的泵，但是背壓泵128能夠提供至多約2200psi (15168. 5kPa)的壓力。提供背壓的能力是勝過普通液體控制系統(tǒng)的顯著改進。由液體提供的環(huán)面115中的任何軸向位置處的壓力是其密度和所述軸向位置處的真實垂直深度的函數(shù)，且一般是近似的線性函數(shù)。添加至儲器136中的液體的添加劑可被泵送至井下以最終改變由液體150施加的壓力梯度。系統(tǒng)可包括管道100中的流量計152以測量正在被泵送至環(huán)面115的液體的量。應了解，通過監(jiān)視流量計126、152和因此由背壓泵128泵送的體積，可確定損失至地層的液體150的量，或相反，確定進入井眼106的地層液體的量。所述系統(tǒng)中還包括用于監(jiān)視井眼壓力條件并且預測井眼106和環(huán)面115壓力特性的裝備。圖2示出DAPC系統(tǒng)的替代實施方案。在這個實施方案中，當出于任何理由需要阻斷通過井眼的流時，背壓泵不需要維持通過扼流圈的足夠流。在這個實施方案中，附加三通閥6置于管道140中的鉆機泥漿泵138的下游。這個附加三通閥6允許來自鉆機泥漿泵138的液體從管道140完全轉(zhuǎn)向至管道7，因此將來自鉆機泵138的原本會另外進入鉆柱112的內(nèi)部通道的流轉(zhuǎn)向至排放線124 (且因此對環(huán)面115施加壓力)。通過維持鉆機泵138的動作并將泵138的輸出最終轉(zhuǎn)向至環(huán)面115，得以確保足夠的流通過扼流圈130以控制環(huán)面背壓。應了解，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的任何實施方案通常將包括壓力表或傳感器(圖1和圖2兩者中的146)，其測量凹槽或罐136中的液體水平。凹槽或罐中液體的測量水平是根據(jù)本發(fā)明的方法的一個輸入。一般而言，根據(jù)本發(fā)明的方法將凹槽136體積增加和/或凹槽136絕對體積用作反饋以操作扼流圈130，以基于其它考慮因素，諸如表面壓力和/或套管底環(huán)強度而允許選定體積的油氣進入井中。當通過所謂的“滋擾”地層鉆井時，在首先出現(xiàn)液體進入井筒106中，但隨著油氣產(chǎn)出至井筒106中，地層壓力和油氣的流減小，導致凹槽136體積最初增加但接著減小時，所述地層中的液體壓力處在最大值。當確認這種條件時，DAPC系統(tǒng)控制操作扼流圈130以通過只允許從井筒環(huán)面115排放選定量的液體而控制井中的壓力，使得排放流速保持基本上恒定。隨著滋擾油氣儲器中的壓力減小，且更少的油氣進入井筒中，扼流圈130被開啟，將繼續(xù)開啟直到其完全開啟的這個時間為止。參考圖3，將解釋根據(jù)本發(fā)明的實施例方法的流程圖。在200，檢測注入至井筒中的油氣。可通過檢測凹槽(圖1中的136)中液體體積或水平上的增加而檢測這種注入。在202，使用動態(tài)環(huán)形壓力控制系統(tǒng)(通過操作圖1中的扼流圈130)并通過適當控制鉆機泵(圖1中的138)而維持環(huán)形空間中和/或鉆柱中的壓力，稱為“豎管壓力”(“SPP”)。在204，確定是否已滿足條件以將DAPC系統(tǒng)的操作轉(zhuǎn)變成控制凹槽體積，即，通過控制從井筒環(huán)面排放液體的速率。將要滿足的條件或多個條件可以是已達到所需凹槽增加、油氣注入已到達表面(通常是這種情況)、指示壓力消耗的液體注入速率正在減小(凹槽體積或水平上的增加速率正在減小)、油氣到達表面后油氣體積正在減小(通常是這種情況)或凹槽水平正在減小(油氣已到達表面后通常是這種情況)。如果在204尚未滿足條件，那么使用DAPC系統(tǒng)維持井筒壓力(循環(huán)回至202)。一旦在204已滿足條件，那么DAPC系統(tǒng)在206轉(zhuǎn)變成凹槽體積維護控制。在206，最大凹槽體積通常維持恒定。隨著儲器中的壓力消耗，更少油氣進入井筒中，其被環(huán)形空間中的鉆井液代替，因此凹槽水平開始下降。這對于在儲器中消耗油氣是低效的，因為環(huán)面中的靜水壓力將增加。在這種情況中，DAPC系統(tǒng)可開啟扼流圈(圖1中的130)以減小井環(huán)面中的液體壓力(圖1中的115)，因此允許更多油氣流動。這繼而導致凹槽體積增加。進行開啟扼流圈(圖1中的130)以能夠增加油氣進入，直到扼流圈完全開啟或井處在繼續(xù)鉆井的所需壓力為止。這可在流程圖中查詢扼流圈是否完全開啟或井筒壓力是否處在選定值的208處查看。如果沒有滿足前述條件，那么過程循環(huán)回至206處的凹槽體積控制。一旦扼流圈被完全開啟，或已滿足選定井筒壓力，那么過程結束，且DAPC系統(tǒng)可轉(zhuǎn)變回至維持選定井底(或井筒環(huán)面)壓力。雖然已相對于有限數(shù)量的實施方案描述了本發(fā)明，但是受益于本公開內(nèi)容的所屬領域技術人員應了解，還可以設計未脫離如本文中公開的本發(fā)明范疇的其它實施方案。因而，本發(fā)明的范疇應只受隨附權利要求限制。
權利要求
1.一種用于控制油氣從地下地層進入井筒的方法，所述方法包括確定油氣是否正在進入所述井筒；確定油氣進入所述井筒的速率是否正在減慢；如果所述油氣進入速率正在減慢，那么從所述井筒的排放控制從維持選定井筒壓力轉(zhuǎn)變成將從所述井筒排放液體的速率控制為基本恒定；和當油氣以可接受水平進入所述井筒時，從所述井筒的排放控制返回至維持所述選定井筒壓力。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述控制井筒壓力和控制油氣進入的速率包括操作在從所述井筒的排放線上的可變孔口扼流圈。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述確定油氣進入所述井筒包括檢測存儲在供應/返回槽中的鉆井液的體積增加。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述確定減慢包括檢測存儲在供應/返回槽中的鉆井液的恒定體積和減小體積中的至少一者。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中當可變孔口扼流圈基本上完全開啟時進行所述返回控制。
全文摘要
一種用于控制油氣從地下地層進入井筒的方法包括確定油氣是否正在進入井筒。接著確定油氣進入所述井筒的速率是否正在減慢。如果所述油氣進入速率正在減慢，那么接著從所述井筒的排放控制從維持選定井筒壓力轉(zhuǎn)變成將從所述井筒排放液體的速率控制為基本恒定。當所述油氣停止進入井筒時，從所述井筒的排放控制返回至維持所述選定井筒壓力。
文檔編號E21B7/00GK103003516SQ201180035232
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月19日
發(fā)明者唐納德·G·瑞特斯馬, 奧薩瑪·瑞姆茲·塞薩, 雅完·庫蒂里耶 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司