專利名稱：用于鉆井筒的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于向地層中鉆井筒的系統(tǒng)，可膨脹管元件由此延伸到該井筒中。
背景技術(shù)：
在井筒中徑向膨脹管元件的技術(shù)在從地下地層生產(chǎn)油氣的工業(yè)中得到越來越多 的應(yīng)用。井筒一般設(shè)置有一個或多個套管或襯管，以給井筒壁提供穩(wěn)定性，和/或在不同層 的地層之間提供層位封隔。術(shù)語“套管”和“襯管”是指用于支撐和穩(wěn)定井筒壁的管元件， 其中，一般的理解是套管從地面向井筒中延伸而襯管從一定深度進(jìn)一步向井筒中延伸。但 是，在本文中，術(shù)語“套管”和“襯管”可互換地使用而不進(jìn)行這種有意的區(qū)分。在傳統(tǒng)的井筒結(jié)構(gòu)中，在不同的深度層段以嵌套布置方式放置若干套管，其中每 個在后的套管通過前一套管下放，因而具有比前一套管更小的直徑。結(jié)果，可用于油氣生產(chǎn) 的井筒橫截面大小隨深度減小。為減弱該缺點(diǎn)，已成為慣例的是，在井筒中的所需深度處徑 向膨脹一個或多個管元件，例如用以形成膨脹套管、膨脹襯管或緊靠已有套管或襯管的包 層。另外，還曾提出使每一在后套管徑向膨脹到與前一套管大致相同的直徑以形成單孔井 筒。因此與傳統(tǒng)的嵌套布置相反，得以實(shí)現(xiàn)井筒的有效直徑沿其(部分)深度大致保持恒 定。EP1438483B1公開了在井筒中膨脹管元件的系統(tǒng)，其中，在鉆新井筒段的過程中， 未膨脹狀態(tài)下的管元件在開始被附接至鉆柱。為了膨脹這種井筒管元件，通常使用最大外徑大致等于膨脹后的所需管徑的圓錐 形膨脹器。將該膨脹器泵送、推送或牽拉通過該管元件。這種方法可能會導(dǎo)致在膨脹器和 管元件之間產(chǎn)生高摩擦力。另外，還存在膨脹器卡在管元件中的風(fēng)險(xiǎn)。EP0044706A2公開了編織材料或布料制成的柔性管，通過外翻使該柔性管在井筒 中膨脹以將被泵送到井筒中的鉆井液(流體)與流向地面的泥漿鉆屑分離。但是，需要一種改進(jìn)的用于鉆井筒的系統(tǒng)，由此，可膨脹管元件延伸到井筒中。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，提供了一種向地層中鉆井筒的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-延伸到井筒中的可膨脹管元件，其中管元件的壁的下端部分沿徑向向外且沿軸 向反方向延伸，以便限定膨脹管段，所述膨脹管段繞管元件的其余管段延伸，該膨脹管段能 通過其余管段相對于膨脹管段的向下移動而延伸，由此，壁的所述下端部分沿徑向向外且 沿軸向反方向彎曲；以及-通過該其余管段延伸的鉆柱，其中該管元件和該鉆柱被設(shè)置成從該其余管段向 該鉆柱傳遞推力，并且其中該鉆柱包括噴頭，該噴頭用于通過向井筒的底部噴射流體流來 使井筒加深。在鉆井過程中，通過相對于膨脹管段向下移動其余管段，有效地使管元件由里向 外翻轉(zhuǎn)，由此，管元件的壁的下端部分連續(xù)地沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲，以使管元件在不需要被推送、牽拉或泵送通過管元件的膨脹器的情況下逐漸膨脹。按該方式，膨脹管段 在鉆井過程中形成安裝在井筒中的套管或襯管，因此在鉆井過程中能夠維持相對較短的裸 井段。而且，能夠使從該其余管段傳遞到鉆柱的推力保持較小，因?yàn)橄啾扔谑褂脗鹘y(tǒng)鉆 頭進(jìn)行鉆井所需的較大推力，噴頭僅需要較小推力。因此，必須施加至該其余管段以使其向 下移動的向下力僅包括在鉆井過程中用以推進(jìn)鉆柱的小部分。從而，相比于使用傳統(tǒng)鉆頭 進(jìn)行鉆井，顯著降低了超過該其余管段的屈服強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的系統(tǒng)適宜地包括用于使噴頭在該其余管段中對中的裝置。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，鉆柱設(shè)置有擴(kuò)孔器，該擴(kuò)孔器用于至少將井筒擴(kuò)展至膨 脹管段的外徑。為了在鉆井時維持短的裸井段，優(yōu)選將該其余管段和鉆柱布置成同時在井筒中下 放，其中，例如，將壁的所述下端部分布置成在鉆井筒過程中以與鉆柱的下放速度大致相同 的速度下放到井筒中。優(yōu)選地，管元件的壁包括在彎曲過程中發(fā)生塑性變形的材料，以使膨脹管段保持 作為所述塑性變形結(jié)果的膨脹形狀。因而，不需要施加外力或壓力到膨脹管段以維持其膨 脹形式。如果，例如作為壁的所述彎曲的結(jié)果，膨脹管段膨脹而抵靠井筒壁，則無需施加外 部徑向力或壓力到膨脹管段以保持其抵靠井筒壁。管元件的壁適宜地由金屬制成，比如鋼 或任何其它能夠通過管元件的外翻而塑性變形的可延展金屬。于是，膨脹管段具有充分的 抗擠強(qiáng)度，例如在100-150bar的范圍內(nèi)。適宜地，在使膨脹管段在井筒中保持固定的同時引發(fā)該其余管段向下移動。為了引發(fā)所述向下移動，優(yōu)選使該其余管段經(jīng)受軸向壓縮力，該軸向壓縮力可至 少部分來源于該其余管段的重量。如果必要，該重量可由施加到該其余管段的外部向下力 來補(bǔ)充以引發(fā)所述移動。當(dāng)該其余管段的長度增加，從而其重量增加時，可能需要對該其余 管段施加向上力以防止壁發(fā)生不受控制的彎曲或屈曲。適宜地，與其向下移動相應(yīng)，該其余管段在其上端被軸向延伸。這一點(diǎn)例如通過以 任何適當(dāng)?shù)姆绞?比如焊接)在上端增加管部分來實(shí)現(xiàn)。替代地，該其余管段形成為盤管， 該盤管從卷軸上展開，并隨后插入井筒。這樣，可以繼續(xù)管元件的外翻過程直到膨脹了所需 長度的管元件為止。


下面將參照附圖通過示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示意性示出本發(fā)明的系統(tǒng)的第一實(shí)施例的下部部分；圖2示意性示出處在切削井筒中的管元件的過程中的第一實(shí)施例；圖3示意性示出本發(fā)明的系統(tǒng)的第二實(shí)施例的下部部分。在附圖和描述中，類似的附圖標(biāo)記涉及類似的部件。
具體實(shí)施例方式參照圖1和2，示出了包括井筒1和可膨脹管元件的系統(tǒng)，井筒1延伸到地層2中， 可膨脹管元件呈從地面向下延伸到井筒1中的襯管4的形式。襯管4已通過襯管壁的外
4翻而部分徑向膨脹，由此，已形成襯管4的徑向膨脹管段10，其具有大致等于井筒直徑的外 徑。呈未膨脹襯管段8的形式的襯管4的其余管段在膨脹管段10內(nèi)同心地延伸。由于其下端處的外翻，襯管4的壁沿徑向向外且沿軸向反方向(S卩，向上)彎曲， 以便形成將未膨脹襯管段8和膨脹襯管段10相互連接的U形下段11。襯管4的U形下段 11限定了襯管的彎曲帶12。膨脹襯管段10通過任何適當(dāng)?shù)腻^固裝置(未示出)，或通過產(chǎn)生于膨脹過程的存 在于膨脹襯管段10和井筒壁14之間的摩擦力，而軸向固定至井筒壁14。襯管4的U形下 段11位于在井筒底部上方一小段距離的地方，因此將裸井井筒段13限定在U形下段11下方。鉆柱20從地面通過未膨脹襯管段8延伸到井筒1的底部，其中噴頭22位于鉆柱 20下端處。噴頭22包括多個噴射噴嘴24和切削噴嘴26。噴射噴嘴24定向成用于對著井 筒1的底部和/或壁噴射流體射流28。每一流體射流28均適宜地包括其中夾帶有磨料顆 粒的流體流，例如水流。切削噴嘴26從噴頭向外徑向定向。鉆柱20設(shè)置有具有曲面部分32的導(dǎo)向裝置30，該曲面部分32被設(shè)置成能夠從襯 管4向鉆柱20傳遞推力，并且在襯管4外翻過程中支撐和引導(dǎo)襯管4的U形下段11。導(dǎo)向 裝置30可相對于鉆柱20繞其中心縱向軸線旋轉(zhuǎn)。而且，導(dǎo)向裝置30是可收縮的，以便使 其能夠通過未膨脹的襯管段4 (圖2)。圖3示出第二實(shí)施例，它與第一實(shí)施例大致相似，除外的是切削頭22設(shè)置有擴(kuò)孔 器33，擴(kuò)孔器33適于將井筒1擴(kuò)展到與膨脹襯管段10的外徑大致相等的名義直徑。擴(kuò)孔 器33可徑向回縮，以容許擴(kuò)孔器33在處于回縮模式時通過未膨脹的襯管段4。在第一實(shí)施例的正常操作過程中(圖1和2)，開始時將襯管4的下端部分外翻。 也即，將該下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲，由此開始U形下段11和短長度的膨 脹襯管段10。之后，通過錨固裝置將膨脹襯管段10錨固至井筒壁14。根據(jù)襯管4的幾何 和/或材料特性而定，替代地，可使膨脹襯管段10通過膨脹襯管段10和井筒壁14之間的 摩擦力自動地錨固至井筒壁。然后在未膨脹的襯管段8上施加向下力，以便使其逐漸向下移動。結(jié)果，未膨脹的 襯管段8漸漸外翻，由此，將未膨脹的襯管段8轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浺r管段10。彎曲帶12在外翻過 程中以為未膨脹襯管段8向下移動的速度大約一半的速度向下移動。如果想要的話，襯管4的機(jī)械特性和尺寸可選擇成使得作為膨脹過程的結(jié)果，使 膨脹襯管段10被壓在井筒壁14上，以便對井筒壁進(jìn)行密封和/或穩(wěn)定該井筒壁。由于未膨脹襯管段8的長度逐漸增加并且從而其重量逐漸增加，因此與未膨脹襯 管段8的漸增的重量相應(yīng)，可逐漸降低向下力的大小。最后，向下力可能需要被向上力來取 代，以防止襯管段8屈曲。與未膨脹襯管段8的向下移動相應(yīng)，未膨脹襯管段8相應(yīng)地在其上端被延伸，例如 通過給襯管添加管段，或者通過由卷軸上的金屬薄板連續(xù)形成襯管來實(shí)現(xiàn)。與未膨脹襯管段8進(jìn)入到井筒中的向下移動同時，操作鉆柱20以通過對著井筒底 部噴射流體射流28來加深井筒，其中鉆柱慢慢旋轉(zhuǎn)。鉆柱20因而逐漸向下移動進(jìn)入井筒 1。施加到未膨脹襯管段4上的力受到控制，以使得襯管4的U形段11以與鉆柱20相同的 速度向下移動并且保持與導(dǎo)向裝置30的曲面部分32接觸，由此，U形下段11在鉆柱20上施加小的推力。隨著襯管4的逐漸外翻，推力的增大部分由未膨脹襯管段8的重量產(chǎn)生。由于相對于以傳統(tǒng)鉆頭進(jìn)行鉆井所需要的推力，噴頭22僅需要較小的推力來開 鑿井筒，因此能夠使未膨脹襯管段4中的壓縮負(fù)載保持較低。因而顯著降低了未膨脹襯管 段4無意中屈曲的風(fēng)險(xiǎn)。如果需要切削未膨脹襯管段4，則收縮導(dǎo)向裝置30并升起鉆柱20，直到切削噴嘴 26被定位在所需的切削水平(圖2)。隨后通過切削噴嘴26對著未膨脹襯管段4噴射具有 夾帶的磨料顆粒的流體射流36，從而切削襯管段4。第二實(shí)施例的正常操作與第一實(shí)施例的正常操作大致相似。另外，擴(kuò)孔器33在使 用鉆柱20進(jìn)行鉆井的過程中保持在膨脹模式下，因而將井筒1的直徑擴(kuò)大到名義直徑。在第二實(shí)施例的一個修正型式中(未示出)，鉆柱在下端設(shè)置有傳統(tǒng)的導(dǎo)向鉆頭， 用以鉆較小直徑的導(dǎo)向孔，并且擴(kuò)孔器設(shè)置有噴射噴嘴以將井眼擴(kuò)大到其名義直徑。由于 噴射噴嘴在流體射流的方向和速度方面能夠受到精確地控制，因此擴(kuò)孔器中的噴射噴嘴使 得能夠?qū)⒕劬_地鉆到其名義直徑。當(dāng)需要將鉆柱20收回地面時，徑向回縮導(dǎo)向裝置30和擴(kuò)孔器33 (如果存在)并 且通過未膨脹襯管段8收回鉆柱20。利用本發(fā)明的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井筒在鉆井過程中由直接位于噴頭上方的外翻襯管逐 漸加襯。結(jié)果，無論什么時候，井筒僅有相對較短的裸井段。在鉆入地層的含烴流體層的過 程中，這種短裸井段的優(yōu)勢將最為顯著。因此，對于許多應(yīng)用來說，如果鉆井過程中的襯管 外翻過程僅在鉆入烴流體儲層過程中應(yīng)用，而井筒的其它段以傳統(tǒng)方式加襯或包套，就將 是足夠的。替代地，根據(jù)不同情況，鉆井過程中的襯管外翻過程可在地面或經(jīng)過選定井下位 置處開始。由于鉆井過程中的裸井段較短，井筒流體壓力梯度超過巖層斷裂梯度的風(fēng)險(xiǎn)或井 筒流體壓力梯度下落到巖層孔隙壓力梯度之下的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。因此，相比傳統(tǒng)的鉆井作 業(yè)，能夠以單一名義直徑鉆出顯著更長的層段，其中在傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)中，必須在選定距離 處設(shè)置直徑階梯式減小的套管。另外，如果通過頁巖層鉆井筒，這種較短的裸井段則消除了可能因頁巖的升沉傾 向而產(chǎn)生的問題。在井筒已鉆出所需深度并且鉆柱已從井筒移除之后，可將仍存在于井筒中的一定 長度的未膨脹襯管段保留在井筒中，或者可將其從膨脹襯管段上切下并收回至地面。如果這段未膨脹襯管段保留在井筒中，對于井筒的完井有幾種選擇。例如，如下A)將流體(例如鹽水)泵送到未膨脹襯管段和膨脹襯管段之間的環(huán)形空間中，以 便對該環(huán)形空間加壓并增加膨脹襯管段的抗擠強(qiáng)度?？蛇x的是，在U形下段中設(shè)置一個或 多個孔以容許被泵送流體循環(huán)。B)將重流體泵送到該環(huán)形空間中，以便支撐膨脹襯管段并增加其抗擠強(qiáng)度。C)將水泥泵送到該環(huán)形空間中，以便在水泥變硬后在未膨脹襯管段和膨脹襯管段 之間產(chǎn)生堅(jiān)實(shí)固體，其中水泥可在變硬時膨脹。D)使未膨脹襯管段抵靠著膨脹襯管段徑向膨脹(也即，包蓋)，例如通過泵送、推 送或牽拉膨脹器經(jīng)過未膨脹襯管段來實(shí)現(xiàn)。在上述示例中，襯管的膨脹在地面或在一井下位置處開始。在海上井筒的情況下，其中在井筒上方、在水面處安置有海上平臺，在海上平臺處開始膨脹過程會是有利的。在這 種過程中，彎曲帶從海上平臺向海床移動并且從那里進(jìn)一步移動到井筒中。這樣，所得到的 膨脹管元件不僅在井筒中形成襯管，而且形成從海上平臺向海床延伸的立管。因而無需單
獨(dú)的立管。此外，可使管道(比如用以與井下設(shè)備通信的電線或光纖)在膨脹段和未膨脹段 之間的環(huán)形空間中延伸。這種管道可在管元件膨脹之前附接至管元件的外表面。另外，膨 脹襯管段和未膨脹襯管段可用作電導(dǎo)體以向井下傳送數(shù)據(jù)和/或電力。由于在外翻過程完成后仍存在于井筒中的任何長度的未膨脹襯管段相比膨脹襯 管段所經(jīng)受的負(fù)載狀況不太嚴(yán)峻，因此這段長度的未膨脹襯管段相比膨脹襯管段可具有較 小的壁厚，或者可以具有較低質(zhì)量或較低鋼等級。例如，它可由具有相對較低的屈服強(qiáng)度或 相對較低的收縮額定值的材料制成。作為在膨脹過程之后在井筒中保留一定長度的未膨脹襯管段的替代，可利用上述 方法膨脹整個襯管，以使井筒中未剩余未膨脹襯管段。在這種情形中，可在外翻過程的最后 階段中使用一伸長部件(例如管柱)在未膨脹襯管段上施加所需的向下力。為了減小膨脹過程中存在于未膨脹襯管段和膨脹襯管段之間的摩擦力，適宜地將 一減摩層(比如特氟綸(Telfon)層)應(yīng)用在未膨脹襯管段和膨脹襯管段之間。例如，可將 減摩涂層在膨脹前應(yīng)用至襯管的外表面。而且，這種減摩材料層還減小了未膨脹段和膨脹 段之間的環(huán)形空隙，這導(dǎo)致未膨脹段的屈曲傾向減少。替代地或另外地，可在未膨脹段和膨 脹段之間應(yīng)用這種減摩層、對中墊和/或輥?zhàn)樱詼p小摩擦力和其間的環(huán)形空隙。作為使膨脹襯管段抵靠著井筒壁膨脹(如所描述的)的替代，可使膨脹襯管段抵 靠著已存在于井筒中的另一管元件的內(nèi)表面膨脹。
權(quán)利要求
一種向地層中鉆井筒的系統(tǒng)，包括 延伸到井筒中的可膨脹管元件，其中管元件的壁的下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向延伸，以便限定膨脹管段，所述膨脹管段繞管元件的其余管段延伸，膨脹管段能通過其余管段相對于膨脹管段的向下移動而延伸，由此壁的所述下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲；以及 通過該其余管段延伸的鉆柱，其中該管元件和該鉆柱被設(shè)置成從該管元件向該鉆柱傳遞推力，并且其中該鉆柱包括噴頭，該噴頭用于通過對著井筒的底部噴射流體流來使井筒加深。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于使噴頭在該其余管段中對中的裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中膨脹管段具有外徑，并且鉆柱設(shè)置有擴(kuò)孔器，該 擴(kuò)孔器用于至少將井筒擴(kuò)展至膨脹管段的外徑。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的系統(tǒng)，其中該其余管段和鉆柱布置成同時在井筒中下放。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中將壁的所述下端部分布置成在鉆井筒過程中以與鉆 柱的下放速度大致相同的速度下放到井筒中。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的系統(tǒng)，其中管元件的壁包括易于在壁的所述彎曲過程中 發(fā)生塑性變形的材料，以使膨脹管段保持作為所述塑性變形結(jié)果的膨脹形狀。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的系統(tǒng)，其中該其余管段經(jīng)受軸向壓縮力，該軸向壓縮力 用以引發(fā)該其余管段的所述向下移動。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述軸向壓縮力至少部分來自于該其余管段的重量。
9.大致如上文參照附圖所描述的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于向地層中鉆井筒(1)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括延伸到井筒中的可膨脹管元件(4)，其中管元件(8)的壁的下端部分(11)沿徑向向外且沿軸向反方向延伸，以便限定膨脹管段(10)，膨脹管段繞管元件的其余管段(4)延伸。該膨脹管段能通過其余管段相對于膨脹管段的向下移動而延伸，其中壁的所述下端部分(14)沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲。
文檔編號E21B7/20GK101896683SQ200880119958
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者J-J·布朗格, P·C·克里塞爾斯 申請人:國際殼牌研究有限公司