專利名稱：在井筒中膨脹管元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在形成于地層中的井筒中徑向膨脹管元件的方法。
背景技術：
在井筒中徑向膨脹管元件的技術在從地下地層生產(chǎn)油氣的工業(yè)中得到越來越多 的應用。井筒一般設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一步向井筒中延伸。但 是，在本文中，術語“套管”和“襯管”可互換地使用而不進行這種有意的區(qū)分。在傳統(tǒng)的井筒結構中，在不同的深度層段以嵌套布置方式安裝若干套管，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，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險。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，需要一種改進的在井筒中徑向膨脹管元件的方法。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，提供了一種在形成于地層中的井筒中徑向膨脹管元件的方法，該方 法包括a)在井筒中布置管元件，由此使該管元件的壁的下端部分沿徑向向外且沿軸向反 方向延伸，以便形成繞管元件的其余管段延伸的膨脹管段，由此，在所述膨脹管段和其余管 段之間限定環(huán)形空間；b)通過相對于膨脹管段向下移動其余管段而使膨脹管段軸向延伸，以使壁的所述 下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲；以及C)通過控制環(huán)形空間中的流體壓力來控制膨脹管段的直徑。通過相對于膨脹管段向下移動其余管段，管元件有效地由里向外翻轉(zhuǎn)，由此，使管 元件在不需要被推送、牽拉或泵送通過該管元件的膨脹器的情況下逐漸膨脹。膨脹管段能夠在井筒中形成套管或襯管。此外還發(fā)現(xiàn)，通過控制環(huán)形空間中的流體壓力能夠控制膨脹管段的直徑。例如，能 夠通過改變環(huán)形空間中的流體壓力使膨脹管段的直徑適應于井筒直徑的變化。膨脹管段的 直徑在外翻過程中減小以增加環(huán)形空間中的流體壓力，并且在外翻過程中增加以減小環(huán)形 空間中的流體壓力。可以認為，該效果由在環(huán)形空間中的流體壓力相對較高時壁的所述下 端部分恰沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲之前稍微沿徑向向內(nèi)彎曲的趨勢來產(chǎn)生。優(yōu)選地，在相對于膨脹管段向下移動其余管段的同時控制環(huán)形空間中的流體壓 力。適宜地，增加環(huán)形空間中的流體壓力以減小膨脹管段的所述直徑，或減小環(huán)形空 間中的流體壓力以增加膨脹管段的所述直徑。為了實現(xiàn)膨脹管段相對于井筒壁的充分密封，適宜地，使膨脹管段的外表面經(jīng)受 井筒流體壓力，其中步驟c)包括控制環(huán)形空間中的流體壓力使其大于井筒流體壓力。適宜地，步驟C)包括使環(huán)形空間中的流體壓力經(jīng)歷壓力變化，以便形成膨脹抵靠 著井筒壁且相對于井筒壁密封的一部分膨脹管段。為了形成相對于膨脹管段的剩余部分直徑增加的一部分膨脹管段，壓力變化優(yōu)選 包括使流體壓力暫時減小到低于井筒流體壓力。為了使膨脹管段保持其膨脹形式，優(yōu)選地，管元件的壁包括在彎曲帶中塑性變形 的材料，以使膨脹管段作為所述塑性變形的結果自動保持膨脹。塑性變形在這一方面是指 永久變形，正如各種不同的可延展金屬在超過材料的屈服強度時變形的過程中所發(fā)生的。 因而，無需外部的力或壓力來維持膨脹形式。如果，例如膨脹管段已作為壁的所述彎曲的結 果而膨脹抵靠著井筒壁，則不需要在膨脹管段上施加外部的徑向力或壓力以保持其抵靠著 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。膨脹管段于是具有足夠的抗擠強度，例如在100-150bar的范圍內(nèi)。為了引發(fā)其余管段的所述移動，其余管段優(yōu)選地經(jīng)受用以弓丨發(fā)所述移動的軸向壓 縮力。該軸向壓縮力優(yōu)選至少部分來源于該其余管段的重量。若必要，該重量可通過施加 到該其余管段的用于引發(fā)所述移動的外部向下力來補充。當其余管段的長度增加、從而其 重量增加時，可能需要在其余管段上施加向上力以防止彎曲帶中發(fā)生不受控制的彎曲或屈 曲ο


下面將參照附圖通過示例更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1示意性示出利用了本發(fā)明的方法的井筒系統(tǒng)的一個實施例，其包括井筒襯管 的未膨脹段和膨脹段；圖2示意性示出圖1的細部A ；圖3示意性示出膨脹襯管段和未膨脹襯管段之間的環(huán)形空間中的壓力處在較低 狀態(tài)下的細部A ；圖4示意性示出環(huán)形空間中的壓力處在較高狀態(tài)下的細部A ；圖5示意性示出膨脹襯管段向外凸出的部分；以及圖6示意性示出經(jīng)過修正的圖1所示實施例，其中鉆柱延伸通過膨脹襯管段。
在附圖和描述中，類似的附圖標記涉及類似的部件。
具體實施例方式參照圖1，示出了井筒系統(tǒng)，其中井筒1延伸到地層2中，并且呈襯管4的形式的管 元件從地面向下延伸到井筒1中。襯管4已通過其壁5的外翻而部分徑向膨脹，由此形成 襯管4的徑向膨脹管段10，其外徑大致等于井筒直徑。襯管4的呈未膨脹襯管段8的形式 的其余管段從地面6同心延伸到膨脹管段10中。襯管4的壁5由于其下端處的外翻而沿徑向向外且沿軸向反方向(即向上)彎曲， 以便形成壁5的將未膨脹襯管段8和膨脹襯管段10互連的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依靠由膨脹過程產(chǎn)生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。替代地或者另外地，膨脹襯管段10能夠通過任何適當?shù)腻^ 固裝置(未示出)錨固至井筒壁。膨脹管段10和其余管段8在其間限定了環(huán)形空間16，環(huán)形空間16容納處于高流 體壓力的流體本體18。下面參照圖2，示出了圖1的細部A，其中，實線表示U形下段11的實際形狀，并且 其中，虛線表示U形下段11在環(huán)形空間16中的流體壓力減小的狀態(tài)下的假想形狀20。井 筒1中的流體壓力由“P”表示，作用在未膨脹襯管段8的內(nèi)表面和膨脹襯管段10的外表面上。下面參照圖3，示出了圖1的細部A，這時流體本體18中的流體壓力低于井筒流體 壓力P。膨脹襯管段10和井筒壁14之間存在小的環(huán)形間隙22。下面參照圖4，示出了圖1的細部A，這時流體本體18中的流體壓力高于井筒流體 壓力P。環(huán)形間隙22已消失。圖5示出膨脹襯管段10的徑向向外凸出的部分23。圖6示出修正了的實施例，其中，鉆柱24從地面6通過未膨脹襯管段8延伸到井 筒1的底部。鉆柱24在其下端設置有鉆頭26，鉆頭26包括導向鉆頭28和擴孔器段30，導 向鉆頭28的規(guī)格直徑稍小于未膨脹襯管段8的內(nèi)徑，而擴孔器段30的規(guī)格直徑適于將井 筒1鉆到其名義直徑。擴孔器段30可徑向回縮到容許其通過未膨脹襯管段8的外徑，以便 鉆柱20能夠通過未膨脹襯管段8收回至地面。在圖1-5所示實施例的正常操作過程中，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和膨脹襯管段10。 之后，通過任何適當?shù)腻^固裝置將已形成的短長度的膨脹襯管段10錨固至井筒壁。根據(jù)襯 管4的幾何和/或材料特性而定，替代地，可將膨脹襯管段10借助膨脹襯管段10和井筒壁 14之間的摩擦自動地錨固至井筒壁。然后通過在其上施加足夠大的向下力而使未膨脹襯管段8逐漸向下移動，由此， 未膨脹襯管段8在彎曲帶12中漸漸外翻。以這種方式，未膨脹襯管段8漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浺r 管段10。在外翻過程中，彎曲帶12以為未膨脹襯管段8的速度大約一半的速度向下移動。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，因此與襯管段8 的漸增的重量相應，可逐漸降低向下力的大小。隨著重量增加，向下力最終可能需要由向上力來取代，以防止襯管段8屈曲。與未膨脹襯管段8的向下移動同時，環(huán)形空間16中的流體壓力被維持在高于井筒 流體壓力P的壓力P1下。襯管4的直徑和/或壁厚選擇成使得在環(huán)形空間中的流體壓力處在P1水平的情 況下，膨脹襯管段10作為外翻過程的結果被稍微壓靠在井筒壁14上，以便形成相對于井筒 壁14的密封和/或穩(wěn)定該井筒壁(圖4)。在外翻過程中，按照規(guī)則的間隔，將環(huán)形空間16中的流體壓力暫時降低到低于井 筒流體壓力P的壓力p2。在每個這種間隔中，U形下壁段11由于環(huán)形空間16中的流體壓力 的下降而徑向向外移動，由此，膨脹襯管段10被更牢固地壓靠在井筒壁14上。在環(huán)形空間 16中的流體壓力P2下將很短的襯管段外翻之后，環(huán)形空間中的流體壓力被再次增加到壓力 Pi。結果，對于每個這種間隔都形成徑向向外凸出的部分23 (圖5)，從而增強了膨脹襯管段 10和井筒壁14之間的密封。修正過的實施例(圖6)的正常操作與圖1-5所示實施例的正常操作大致相似，除 與下面有關的之外。與未膨脹襯管段8進入到井筒中的向下移動同時，操作鉆柱24以旋轉(zhuǎn) 鉆頭26，由此，導向鉆頭28鉆出井眼的開始部分而擴孔器段30將井眼擴大到最終的規(guī)格直 徑。鉆柱24因而漸漸向下移動到井筒1中。未膨脹襯管段8以受控方式且以大致與鉆柱 24相同的速度向下移動，以便能夠確保彎曲帶12保持在鉆頭26上方的一短段距離處。未 膨脹襯管段8的受控下放可例如通過控制上文提及的向下力或向上力而實現(xiàn)。未膨脹襯管 段8適宜地由鉆柱24來支撐，例如通過連接至鉆柱的支承裝置(未示出)，其支撐U形下段 11。在該情形中，適宜地，將向上力施加到鉆柱24上并經(jīng)由支承裝置將其傳遞到未膨脹襯 管段8。而且，未膨脹襯管段8的至少一部分重量能夠被支承裝置傳遞到鉆柱24，以便為鉆 頭26提供推力。環(huán)形空間16中的流體壓力向未膨脹襯管段8提供向下力，該向下力能夠被支承裝 置傳遞到鉆柱24，以便為鉆頭26提供推力。由于環(huán)形空間中的流體壓力能夠受到精確地控 制，因此環(huán)形空間16中的流體壓力所提供的推力也能夠受到精確地控制。當需要使鉆柱24收回地面時，例如當鉆頭26要被替換時或者當井筒1的鉆井完 成時，擴孔器段30進入其徑向回縮模式。之后，鉆柱24通過未膨脹襯管段8收回地面。試驗顯示，如果環(huán)形空間16中的流體壓力相對較高，則環(huán)形間隙22會消失。因此， 在一個替代實施例中，U形下壁段11設置有約束裝置，比如靠著U形壁段11的內(nèi)表面安置 的金屬環(huán)，以便防止U形壁段11徑向向內(nèi)移動。當環(huán)形空間16中的流體壓力增加到壓力 P1或超過壓力P1時，利用處在適當位置中的約束裝置，則防止了 U形壁段11徑向向內(nèi)移動， 并且環(huán)形間隙22消失。利用本發(fā)明的井筒系統(tǒng)，實現(xiàn)了井筒在鉆井過程中由直接位于鉆頭上方的外翻襯 管逐漸加襯。結果，無論什么時候，在鉆井過程中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險或井筒流體壓力梯度下落到巖層孔隙壓力梯度之下的風險顯著降低。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，如下所概述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度。可選的是，在U形下段中設置一個或 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)生堅實固體，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
獨的立管。此外，可使管道(比如用以與井下設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)受的負載狀況不太嚴峻，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)應用在管和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用至襯管的外表面，或者應用至管的內(nèi)表面和/或外表面。作為使膨脹襯管段抵靠著井筒壁膨脹(如具體實施方式
中所描述的)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。
權利要求
一種在形成在地層中的井筒中徑向膨脹管元件的方法，該方法包括a)在井筒中布置管元件，由此使該管元件的壁的下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向延伸，以便形成繞管元件的其余管段延伸的膨脹管段，由此，在所述膨脹管段和其余管段之間限定環(huán)形空間；b)通過相對于膨脹管段向下移動其余管段使膨脹管段軸向延伸，以使壁的所述下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲；以及c)通過控制環(huán)形空間中的流體壓力來控制膨脹管段的直徑。
2.如權利要求1所述的方法，其中在相對于膨脹管段向下移動其余管段的同時控制環(huán) 形空間中的流體壓力。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中增加環(huán)形空間中的流體壓力，以便減小膨脹管段 的所述直徑。
4.如權利要求1或2所述的方法，其中減小環(huán)形空間中的流體壓力，以便增加膨脹管段 的所述直徑。
5.如權利要求1-4任一所述的方法，其中使膨脹管段的外表面經(jīng)受井筒流體壓力，其 中步驟c)包括控制環(huán)形空間中的流體壓力使其大于井筒流體壓力。
6.如權利要求5所述的方法，其中步驟c)包括使環(huán)形空間中的流體壓力經(jīng)歷壓力變 化，以便產(chǎn)生膨脹抵靠著井筒壁且相對于井筒壁密封的一部分膨脹管段。
7.如權利要求6所述的方法，其中壓力變化包括將流體壓力減小到低于井筒流體壓力。
8.如權利要求1或2所述的方法，其中管元件設置有約束裝置，該約束裝置被布置成抑 制壁的所述下端部分的徑向向內(nèi)移動。
9.如權利要求1-8任一所述的方法，其中操作鉆柱以進一步鉆井筒，該鉆柱延伸通過 該其余管段。
10.如權利要求9所述的方法，其中在將該其余管段下放到井筒中的同時操作該鉆柱。
11.如權利要求1-10任一所述的方法，其中管元件的壁包括在壁的所述彎曲過程中經(jīng) 歷塑性變形的材料，以使膨脹管段保持作為所述塑性變形的結果的膨脹形狀。
12.如權利要求1-11任一所述的方法，其中該其余管段經(jīng)受引發(fā)該其余管段的所述向 下移動的軸向壓縮力。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述軸向壓縮力至少部分來源于該其余管段的重量。
14.大致如上文參照附圖所描述的方法。
全文摘要
提供了一種在形成在地層中的井筒中徑向膨脹管元件的方法，該方法包括在井筒中布置管元件，由此使該管元件的壁的下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向延伸，以便形成繞管元件的其余管段延伸的膨脹管段，由此，在所述膨脹管段和其余管段之間限定環(huán)形空間，以及通過相對于膨脹管段向下移動其余管段使膨脹管段軸向延伸，以使壁的所述下端部分沿徑向向外且沿軸向反方向彎曲。通過控制環(huán)形空間中的流體壓力來控制膨脹管段的直徑。
文檔編號F16L55/165GK101952543SQ200880120338
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權日2007年12月13日
發(fā)明者P·范尼烏庫普 申請人:國際殼牌研究有限公司