專利名稱：井眼系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括延伸到地層中的井眼的井眼系統，所述井眼包含流體團，因此，可 膨脹管狀元件布置在井眼中。
背景技術：
在井眼中徑向膨脹管狀元件的技術在從地下巖層中進行油氣生產的工業中產生 越來越多的應用。井眼通常設置有一個或多個套管或襯管以給井眼壁提供穩定性，和/或 在不同的地層之間提供油層隔離。術語“套管”和“襯管”是指用于支撐和穩定井眼壁的管 狀元件，通常應當理解，套管從地面延伸到井眼中，襯管從某一深度進一步延伸到井眼中。 然而，在本文中，術語“套管”和“襯管”可互換地使用并且沒有區別。在傳統的井眼結構中，若干根套管設定在不同的深度間隔處，在嵌套方案中，每個 在后的套管穿過在先的套管下降，從而具有小于在先套管的直徑。因此，用于油氣生產的橫 截面井眼尺寸隨深度減小。為了克服該缺陷，通常使井眼中位于預定深度處的一個或多個 管狀元件徑向膨脹，例如形成膨脹套管、膨脹襯管或緊靠已有套管或襯管的護層。同樣，人 們建議使每個在后套管膨脹到與在前套管大致相同的直徑以形成單孔井眼。因此可以實現 井眼的有效直徑沿著其(一部分)深度保持大體上不變，這與傳統嵌套方案相反。EP 1438483B1公開了一種在井眼中使管狀元件膨脹的系統，因此，處于未膨脹狀 態的管狀元件在鉆進新井眼段期間首先附接到鉆柱上。為了使該井眼管狀元件膨脹，通常使用圓錐脹管器，其最大外徑大體上等于膨脹 之后的所需管徑。脹管器被泵送、推動或拉動穿過管狀元件。這種方法可以在脹管器和管 狀元件之間產生高摩擦力。同樣，存在脹管器卡在管狀元件中的風險。EP 0044706A2公開了一種通過外翻在井眼中膨脹的由編織材料或織物制成的柔 性管，用于使泵入井眼中的鉆井泥漿與流向地面的泥漿切屑隔開。然而，需要改進的井眼系統，由此，管狀元件在井眼中徑向膨脹。
發明內容
根據本發明，提供了一種井眼系統，包括a)延伸到地層中的井眼，所述井眼容納流體團；b)布置在井眼中的可膨脹管狀元件，因此，所述管狀元件的壁部的下端部沿徑向 向外和軸向相反方向彎曲以便限定圍繞管狀元件的剩余管部延伸的膨脹管部，所述膨脹管 部可通過剩余管部相對于膨脹管部的向下運動軸向延伸，其中，所述流體團位于剩余管部 中；c)從流體團延伸到位于剩余管部上方位置的流體管道，所述流體管道可相對于剩 余管部沿向上方向移動。通過使剩余管部相對于膨脹管部向下移動，管狀元件有效地從里向外翻轉，因此， 在無需穿過管狀元件推動、拉動或泵送的脹管器的情況下使管狀元件逐漸膨脹。膨脹管部可以在井眼中形成套管或襯管。此外，通過使流體管道相對于剩余管部向上移動，實現了剩余管部可以在其上端 延伸，同時流體通過流體管道從流體團排出，或者泵入流體團中。適當地，流體管道布置為與剩余管部相對于膨脹管部的所述向下運動相對應，而 相對于剩余管部沿向上方向移動。優選地，剩余管部在其具有延伸構件的上端延伸，所述延伸構件具有橫向開口以 使流體管道穿過其中而從延伸構件外部進入延伸構件內部。這樣，實現延伸構件移動到剩 余管部上端的上方，因此，流體管道穿過橫向開口，而不必取出流體管道。在有利的實施例中，鉆柱延伸穿過剩余管部，鉆柱能夠穿過延伸構件的橫向開口 從延伸構件外部到達延伸構件內部。因此，剩余管部可以在不必從井眼取出鉆柱的情況下 在其上端延伸。適當地，剩余管部和鉆柱布置成穿過井眼同時下降。流體管道相對于剩余管部適當地密封，從而允許井眼中的流體被加壓。優選的是，管狀元件壁包括在彎曲區發生塑性變形的材料，使得膨脹管部因所述 塑性變形而保持膨脹形狀。這樣，可以實現膨脹管部由于壁部的塑性變形，即永久變形而保 持膨脹形狀。因此，無需外部作用力或壓力保持膨脹形狀。如果(例如)膨脹管部已經由 于壁部的所述彎曲而膨脹抵靠井眼壁的話，不需要給膨脹管部施加外部徑向力或壓力以使 其保持抵靠井眼壁。適當地，管狀元件的壁部由金屬制成，例如鋼或能夠通過管狀元件外翻 而產生塑性變形的任何其它延展性金屬。膨脹管部具有足夠的抗塌陷強度，例如為100-150 巴左右ο適當地，通過使剩余管部相對于膨脹管部沿軸向運動，使得彎曲區相對于剩余管 部沿軸向方向移動。例如，膨脹管部保持固定，而剩余管部穿過膨脹管部沿軸向方向移動， 從而使壁部發生所述彎曲。為了產生剩余管部的所述運動，優選的是，剩余管部承受產生所述運動的軸向壓 力。優選地，該軸向壓力至少部分地由剩余管部的重量引起。必要時，重量可以通過施加到 剩余管部上以引起所述運動的外加向下作用力而增加。隨著剩余管部的長度的增加，其重 量增加，需要給剩余管部施加向上作用力，以防止彎曲區內產生不受控制的彎曲或縱彎。如果彎曲區位于管狀元件的下端的話，剩余管部由于彎曲區的所述運動而在其下 端軸向縮短，優選的是，剩余管部相應于其下端處的所述軸向縮短而在其上端軸向延伸。由 于所述壁部連續外翻彎曲，剩余管部逐漸縮短。因此，通過使剩余管部在其上端伸長以補償 其下端處的縮短，壁部反向彎曲工藝可以連續進行，直到達到膨脹管部所需的長度。例如， 通過將管狀部分以任何適當方式(例如，通過焊接)連接至所述上端，可以使剩余管部在其 上端伸長。可選地，剩余管部可以設置為盤管，其從絞盤上開卷并且隨后插入井眼中。有利地是，井眼利用延伸穿過未膨脹管部的鉆柱進行鉆進。在這種應用中，未膨脹 管部和鉆柱優選地在利用鉆柱鉆井期間穿過井眼同步下降。選擇性地，彎曲區可以被加熱以促進管壁的彎曲。
下面將參考附圖以舉例方式更詳細地描述本發明，其中
圖1示意性地顯示了根據本發明的井眼系統的第一實施例的下部；圖2示意性地顯示了第一實施例的上部；圖3示意性地顯示了根據本發明的井眼系統的第二實施例的上部；圖4示意性地顯示了在操作的最初階段期間，根據本發明的井眼系統的第三實施 例的上部；圖5示意性地顯示了在操作的進一步階段期間，第三實施例的上部；和圖6示意性地顯示了在操作的更進一步的階段期間，第三實施例的上部。
具體實施例方式在附圖和說明書中，相同的參考數字表示相同的部件。縱截面顯示了一些特征，其 中一些為清楚起見而部分地斷開。參考圖1，顯示了一種井眼系統，包括延伸到地層2中的井眼1和形式為從地面向 下延伸到井眼1中的襯管4的管狀元件。襯管4已經通過襯管壁外翻而部分地徑向膨脹， 由此形成襯管4的徑向膨脹管部10，其具有與井徑大體上相等的外徑。襯管4的剩余管部 8 (形式為未膨脹襯管部8)在膨脹管部10內同心地延伸。襯管4的壁部由于其下端外翻而沿徑向向外和軸向相反(即向上)方向彎曲以形 成使未膨脹襯管部8和膨脹襯管部10相互連接的襯管的U形下部11。襯管4的U形下部 11限定了襯管的彎曲區12。膨脹襯管部10借助于由脹管工藝在膨脹襯管部10和井眼壁14之間產生的摩擦 力而軸向固定到井眼壁14上。可選地或者另外，膨脹襯管部10通過任何適當的錨固裝置 (未顯示)錨固到井眼壁上。鉆柱20從地面通過未膨脹襯管部8延伸到井眼1的底部。鉆柱20在其下端設置 有鉆頭22，所述鉆頭22包括導向鉆頭M和擴孔部沈，所述導向鉆頭的基準直徑略小于未 膨脹襯管部8的內徑，所述擴孔部的基準直徑適于將井眼1鉆到其公稱直徑。擴孔部沈可 徑向縮回至允許其穿過未膨脹襯管部8的外徑，使得鉆柱20可以通過未膨脹襯管部8取回 到地面。進一步參考圖2，顯示了圖1所示系統的上部。未膨脹襯管部8的上端由卷繞在卷 軸32上的金屬片30形成。金屬片30具有相對的邊緣33、34。在從卷軸32上開卷之后，金 屬片30彎曲成管形，其后，邊緣33、34通過焊接相互連接以形成未膨脹管部8。形式為排出管道36的流體管道從未膨脹管部8的內部延伸到未膨脹管部8的上 端的上方。排出管道36在其下端連接到位于未膨脹管部8中的管38上(或與其整體形 成)。第一環形密封件40使管38相對于未膨脹襯管部8密封，第二環形密封件42使管38 相對于鉆柱20密封。排出管道36通過設置在管38的壁部上的開口 44而與管38的內部 空間流體連通。此外，管38設置有夾持裝置46，其允許管38相對于未膨脹襯管部8向上滑 動，但防止向下滑動。第一環形密封件40允許管38相對于未膨脹襯管部8向上滑動。在圖3中，顯示了與第一實施例大體上類似的第二實施例的上部，只是附加的排 出管道50從未膨脹襯管部8的內部延伸到未膨脹襯管部8的上端的上方。附加的排出管 道50在其下端連接到管38上(或與其整體形成)，并且通過設置在管38的壁部上的開口 52與管38的內部空間流體連通。如果希望的話，可以按照類似的方式使用兩個以上的這類排出管道。在圖4中，顯示了與第一實施例大體上類似的第三實施例的上部，只是在未膨脹 襯管部8的上端布置延伸構件M，以代替卷繞的金屬片。延伸構件M適合于使未膨脹襯管 部8在其上端延伸，并且具有橫向開口 56，排出管道36和鉆柱20可以穿過所述橫向開口 56從延伸構件M外部進入到延伸構件內部。橫向開口 56限定在延伸構件M的沿軸向延 伸的相對縱向邊緣58、59之間。延伸構件M可以例如由沿縱向方向切割以形成邊緣58、59 的管段形成，所述管段具有與未膨脹襯管部8相同的直徑和壁厚。在圖5中，顯示了在延伸構件M的縱向邊緣58、59已經焊接到一起之后的第三實 施例的上部。在圖6中，顯示了在縱向邊緣58、59已經焊接到一起并且延伸構件M已經通過焊 接連接到未膨脹襯管部8的上端之后的第三實施例的上部。在第一實施例(圖1和2)的正常操作期間，襯管4的下端部初步外翻，S卩，下部沿 徑向向外和軸向相反方向彎曲。從而形成U形下部11和膨脹襯管部10。隨后，已經形成的 短膨脹襯管部10通過任何適當的錨固方式錨固到井眼壁上。根據襯管4的幾何結構和/ 或材料性質，可選地，膨脹襯管部10可以因膨脹襯管部10和井眼壁14之間的摩擦自動錨 固到井眼壁上。隨后給未膨脹襯管部8施加向下作用力，從而使未膨脹襯管部8逐漸向下移動。因 此，未膨脹襯管部8逐漸外翻，從而將未膨脹襯管部8逐漸轉變為膨脹襯管部10。在外翻加 工期間，彎曲區12以未膨脹襯管部8的運動速度大約一半的速度沿向下方向移動。如果希望的話，可以選擇襯管4的直徑和/或壁厚，使得膨脹襯管部10由于脹管 工藝而壓靠井眼壁14，從而密封井眼壁14和/或穩定井眼壁。由于未膨脹襯管部8的長度逐漸增加，由此造成其重量逐漸增加，向下作用力的 大小可以根據襯管部8的重量增加而逐漸減小。隨著重量的增大，最終需要用向上作用力 代替向下作用力以防止襯管部8縱向撓曲。與未膨脹襯管部8向下運動到井眼中同時，操作鉆柱20以使鉆頭22旋轉，從而通 過進一步鉆進使井眼1變深。因此，鉆柱20向下逐漸移動到井眼1中。未膨脹襯管部8以 受控方式并且以與鉆柱20大體上相同的速度向下移動，從而確保彎曲區12保持在鉆頭22 上方的短距離處。例如，可以通過控制如上所述的向下作用力或向上作用力實現未膨脹襯 管部8的受控下降。適當地，未膨脹襯管部8例如借助于連接到鉆柱上的支承裝置(未顯 示)由鉆柱20支撐，所述支承裝置支撐U形下部11。在這種情況下，向上作用力適當地施 加給鉆柱20，隨后通過支承裝置傳遞給未膨脹襯管部8。此外，未膨脹襯管部8的重量可以 傳遞給鉆柱并用于給鉆頭22提供推力。在鉆柱20工作期間，鉆井泥漿從地面通過鉆柱20和鉆頭22泵入井眼1中，使得 井眼充滿延伸到未膨脹襯管部8和管38中的流體團。包含鉆屑的鉆井泥漿通過排出管道 36從井眼1排出。可選地，鉆井泥漿可以按照反向循環方式循環，因此，鉆井泥漿通過排出 管道36泵入井眼并且通過鉆柱20從井眼排出。通過使金屬片30從卷軸32上開卷，隨后使金屬片30圍繞排出管道36和鉆柱20 彎曲以及將邊緣33、34焊接到一起以使金屬片30形成管形，未膨脹襯管部8在其上端響應 于其向下運動進行延伸。
此外，與未膨脹襯管部8的向下運動以及其上端的相應延伸同時，管38相對于未 膨脹襯管部8產生向上滑動，使得排出管道36的上端保持在未膨脹襯管部8的上方。這可 以例如通過使管38和排出管道36的組件保持固定，而未膨脹襯管部向下移動來實現。夾 持裝置46防止組件相對于襯管段8發生偶然的向下運動。第二實施例的正常操作(圖3)與第一實施例的正常操作大體上類似，因此，除了 排出管道36之外，使用附加管道50從井眼排放流體以增大排出流體的流動區域。第三實施例(圖4-6)的正常操作與第一實施例的正常操作大體上類似，只是使 用延伸構件M使未膨脹襯管部8在其上端延伸，以代替卷繞的金屬片。此外，延伸構件M 沿橫向方向移動到未膨脹襯管部8的頂部上方，使得鉆柱20和排出管道36穿過橫向開口 56(圖4)。在進一步的階段中，延伸構件M圍繞鉆柱和排出管道彎曲，使得邊緣58、59相 抵接，而后將邊緣58、59焊接在一起(圖幻。延伸構件56隨后下降到未膨脹襯管部8的 頂部上并且通過焊接(圖6)連接于此，從而形成未膨脹襯管部8的整體部分。隨著鉆進進 行，類似的延伸構件以相應的方式增加給未膨脹襯管部8。當需要將鉆柱20取回地面時，例如，當鉆頭沈將要更換或者當井眼1的鉆進完成 時，擴孔部沈達到其徑向收縮模式。隨后，鉆柱20穿過未膨脹襯管部8取回地面。利用本發明的井眼系統，可以實現在鉆井過程期間，井眼利用位于鉆頭正上方的 外翻襯管逐漸進行加襯。因此，在鉆井過程期間始終只有相對較小的井眼開放井段。這種短 開放井段的優點在鉆入地層的含烴類流體層期間最為顯著。就此而言，對于許多應用來說， 只在鉆入烴類流體儲層期間進行鉆進期間的襯管外翻工藝就足夠了，而井眼的其他部分以 傳統的方式加襯管或加套管。可選地，鉆進期間的襯管外翻加工根據環境在地面或者在井 下選定位置開始。就鉆進期間的短開放井段而言，顯著降低了井內流體壓力梯度超過巖層破裂梯 度，或者井內流體壓力梯度降低到巖層的孔隙壓力梯度以下的風險。因此，與必須在選定間 隔處設置直徑呈階梯式減小的套管的常規鉆進相比，能夠以單一的公稱直徑鉆進相當長的 間隔。同樣，如果井眼鉆穿頁巖層的話，這種短開放井段消除了由頁巖層隆起趨勢而可 能引起的問題。此外，排出管道能夠相對于未膨脹襯管部進行軸向移動的特征允許未膨脹襯管部 在頂部延伸，并且不會妨礙井眼中的鉆井泥漿通過未膨脹襯管部和排出管道進行循環。在井眼已經鉆到預定深度并且鉆柱已經從井眼中取出之后，仍然留在井眼中的未 膨脹襯管部的管段可以留在井眼中或者可以從膨脹襯管部上切下并取回地面。在未膨脹襯管部的管段留在井眼中的情況下，對完井來說有若干種選擇。例如，如 下所述。A)將例如海水的流體泵入未膨脹襯管部和膨脹襯管部之間的環形空間內，以便給 環形空間加壓和提高膨脹襯管部的抗塌陷強度。選擇性地，在U形下部上設置一個或多個 孔以允許泵送流體循環。B)將重流體泵入環形空間，從而支撐膨脹襯管部和提高其抗塌陷強度。C)將水泥泵入環形空間以便在水泥硬化后在未膨脹襯管部和膨脹襯管部之間產 生固體，從而使水泥在硬化時膨脹。
D)例如通過將脹管器泵送、推動或拉動穿過未膨脹襯管部而使未膨脹襯管部靠著 膨脹襯管部徑向膨脹(即，形成包層)。在上述實例中，在地面或在井下位置使襯管膨脹。在海上平臺位于井眼上方的近 海井眼的情況下，在海面上，有利地是在海上平臺開始脹管加工。在這種工藝中，彎曲區從 海上平臺移動到海底并且從海底進一步移動到井眼中。因此，最終的膨脹管狀元件不僅在 井眼中形成襯管，而且形成從海上平臺延伸到海底的隔水管。從而不再需要單獨的隔水管。此外，例如用于與井下設備連通的電線或光纖的管道可以在位于膨脹部和未膨脹 部之間的環形空間內延伸。這種管道可以在管狀元件膨脹之前附接到管狀元件的外表面 上。同樣，可以使用膨脹和未膨脹襯管部作為電導體以在井下傳送數據和/或電能。由于在外翻加工完成之后仍然保留在井眼中的未膨脹襯管部的任意管段與膨脹 襯管部相比經受沒那么苛刻的負載條件，這段未膨脹襯管部與膨脹襯管部相比可以具有更 小壁厚，或者可以具有更低的質量或鋼號。例如，它可以由具有較低屈服強度或較低擠毀等 級的管子制成。代替在脹管加工之后在井眼中保留一段未膨脹襯管部，整個襯管可以利用如上所 述的方法膨脹，使得在井眼中不保留未膨脹襯管部。在這種情況下，在脹管加工的最后階 段，可以使用例如管柱的細長構件給未膨脹襯管部施加必要的向下作用力。為了在上述任意一個實例中描述的脹管加工期間減小未膨脹襯管部和膨脹襯管 部之間的摩擦力，可以在未膨脹和膨脹襯管部之間施加適當的摩擦減小層，例如聚四氟乙 烯層。例如，摩擦減小涂層可以在脹管之前施加到管狀元件的外表面上。此外，這種由摩擦 減小材料制成的層進一步減少了未膨脹管部和膨脹管部之間的環狀間隙，從而使未膨脹管 部減少壓曲趨勢。代替或另外，可以在未膨脹管部和膨脹管部之間施加這種摩擦減小層、定 心墊和/或滾子以減少其間的摩擦力和環狀間隙。代替使膨脹襯管部靠著井眼壁(如上所述)膨脹，膨脹襯管部可以靠著已經存在 于井眼中的另一個管狀元件的內表面膨脹。
權利要求
1.一種井眼系統，包括a)延伸到地層中的井眼，所述井眼容納流體團；b)布置在井眼中的可膨脹管狀元件，因此，所述管狀元件的壁部的下端部沿徑向向外 和軸向相反方向彎曲以便限定圍繞管狀元件的剩余管部延伸的膨脹管部，所述膨脹管部能 夠通過剩余管部相對于膨脹管部的向下運動而軸向延伸，其中，所述流體團位于剩余管部 中；c)從流體團延伸到位于剩余管部上方位置的流體管道，所述流體管道能夠相對于所述 剩余管部沿向上方向移動。
2.如權利要求1所述的井眼系統，其中，所述流體管道布置為與剩余管部相對于所述 膨脹管部的所述向下運動相對應，而相對于剩余管部沿向上方向移動。
3.如權利要求1或2所述的井眼系統，還包括適于使剩余管部在其上端延伸的延伸構 件，所述延伸構件具有橫向開口以使流體管道從延伸構件外部穿過所述橫向開口進入到延 伸構件內部。
4.如權利要求3所述的井眼系統，其中，鉆柱延伸穿過所述剩余管部，所述鉆柱能夠穿 過延伸構件的所述橫向開口從延伸構件外部進入到延伸構件內部。
5.如權利要求4所述的井眼系統，其中，所述剩余管部和鉆柱布置成穿過井眼同時下降。
6.如權利要求1-5中任意一項所述的井眼系統，其中，所述流體管道相對于所述剩余管部密封。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的井眼系統，其中，所述流體管道設置有夾持裝置， 該夾持裝置布置為防止流體管道相對于所述剩余管部向下運動。
8.如權利要求1-7中任意一項所述的井眼系統，其中，所述管狀元件的壁包括在彎曲 加工期間易于發生塑性變形的材料，使得膨脹管部因所述塑性變形而保持膨脹形狀。
9.如權利要求1-8中任意一項所述的井眼系統，其中，所述剩余管部承受引起該剩余 管部的所述向下運動的軸向壓力。
10.如權利要求9所述的井眼系統，其中，所述軸向壓力至少部分地緣于所述剩余管部 的重量。
11.基本上如上文參考附圖所描述的井眼系統。
全文摘要
本發明公開了一種井眼系統，包括延伸到地層(2)中的井眼(1)，所述井眼容納流體團；和布置在井眼中的可膨脹管狀元件(8)，因此，管狀元件的壁部的下端部沿徑向向外和軸向相反方向彎曲，從而限定圍繞管狀元件的剩余管部延伸的膨脹管部(10)。膨脹管部(10)可通過剩余管部(8)相對于膨脹管部的向下運動進行軸向延伸。流體團位于剩余管部中，流體管道(36)從流體團延伸到位于剩余管部上方的位置，所述流體管道可相對于剩余管部沿向上方向移動。
文檔編號F16L55/165GK102084085SQ200880120582
公開日2011年6月1日 申請日期2008年12月11日 優先權日2007年12月13日
發明者P·C·克里塞爾斯 申請人:國際殼牌研究有限公司