钻井方法 【技术领域】
本发明涉及在地层中钻井的方法， 在井眼中使用膨胀管状元件。背景技术 在井眼中径向膨胀管状元件的技术在从地下岩层中进行油气生产的工业中产生 越来越多的应用。井眼通常设置有一个或多个套管或衬管以给井眼壁提供稳定性， 和/或 在不同的地层之间提供油层隔离。术语″套管″和″衬管″是指用于支撑和稳定井眼壁 的管状元件， 通常应当理解， 套管从地面延伸到井眼中， 衬管从某一深度进一步延伸到井眼 中。然而， 在本文中， 术语″套管″和″衬管″可互换地使用并且没有区别。
在传统的井眼结构中， 若干根套管安装在不同的深度间隔处， 在嵌套方案中， 每个 在后的套管穿过在先的套管下降， 从而具有小于在先套管的直径。 因此， 用于油气生产的横 截面井眼尺寸随深度减小。为了克服该缺陷， 通常使井眼中位于预定深度处的一个或多个 管状元件径向膨胀， 例如形成膨胀套管、 膨胀衬管或紧靠已有套管或衬管的护层。同样， 人 们建议使每个在后套管膨胀到与在前套管大致相同的直径以形成单孔井眼。 因此可以实现 井眼的有效直径沿着其 ( 一部分 ) 深度保持大体上不变， 这与传统嵌套方案相反。
EP 1438483 B1 公开了一种在井眼中使管状元件膨胀的系统， 因此， 处于未膨胀状 态的管状元件在钻进新井眼段期间首先附接到钻柱上。
为了使该井眼管状元件膨胀， 通常使用圆锥胀管器， 其最大外径大体上等于膨胀 之后的所需管径。胀管器被泵送、 推动或拉动穿过管状元件。这种方法可以在胀管器和管 状元件之间产生高摩擦力。同样， 存在胀管器卡在管状元件中的风险。
EP 0044706 A2 公开了一种通过外翻在井眼中膨胀的由编织材料或织物制成的柔 性管， 用于使泵入井眼中的钻井泥浆与流向地面的泥浆切屑隔开。
然而， 需要一种改进的钻井方法， 其中， 在井眼中使用膨胀管状元件。
发明内容 根据本发明， 提供了一种钻井方法， 该方法包括 ：
a) 将钻柱和能够膨胀的管状元件布置在井眼中， 因此， 管状元件的壁的下端部沿 径向向外和轴向反向方向延伸， 从而形成围绕管状元件的剩余管部延伸的膨胀管部， 其中， 所述钻柱延伸穿过所述剩余管部 ；
b) 通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动而使所述膨胀管部轴向延伸， 使得所 述壁的下端部沿径向向外和轴向反向方向弯曲， 其中， 所述膨胀管部覆盖位于井眼上部的 井眼壁 ；
c) 操作所述钻柱以钻进井眼下部 ； 和
d) 引入要在井眼下部和围绕所述井眼下部的地层之间输送的混合物。
通过使剩余管部相对于膨胀管部向下移动， 管状元件有效从里向外翻转， 因此， 在 无需穿过管状元件推动、 拉动或泵送的胀管器的情况下使管状元件逐渐膨胀。膨胀管部可
以在井眼中形成套管或衬管。
此外， 由于上部井眼部的壁由膨胀管部覆盖， 可以确保混合物在井眼和围绕下部 井眼部的所述层之间输送， 而不在井眼和围绕上部井眼部的岩层之间输送。 这样， 可以实现 在井眼钻进期间输送于井眼和周围地层之间的任何混合物可以精确地分配给由井眼横穿 的特定地层。
适当地， 混合物从所述地层输送至井眼下部， 其中， 所述方法还包括测量与所述混 合物相关的特征。所述特征可以在井眼中或在地面上测量。例如， 混合物是包含于地层中 的孔隙流体， 测量特征选自地层渗透度、 孔隙流体成分和孔隙流体压力。
优选地， 以欠平衡钻进方式对井眼进行钻进， 因此， 井眼含有给位于所述井眼的下 部中的井眼壁施加流体压力的钻井泥浆， 所述流体压力低于孔隙流体压力。
在本发明方法的另一实施例中， 混合物是通过井眼注射到所述地层中的处理液。
适当地， 与使剩余管部在井眼中向下移动的同时操作钻柱。
为了实现膨胀管部保持其膨胀形状， 优选的是， 管状元件壁包括在弯曲区发生塑 性变形的材料， 使得膨胀管部因所述塑性变形而自动保持膨胀。 在这方面， 塑性变形是指永 久变形， 如各种延展性金属在超过材料的屈服强度时变形期间发生的那样。 因此， 无需外部 作用力或压力来保持膨胀形状。如果 ( 例如 ) 膨胀管部已经由于壁部的所述弯曲而膨胀抵 靠井眼壁的话， 不需要给膨胀管部施加外部径向力或压力以使其保持抵靠井眼壁。 适当地， 管状元件的壁由金属制成， 例如钢或能够通过管状元件外翻而产生塑性变形的任何其它延 展性金属。膨胀管部具有足够的抗塌陷强度， 例如为 100-150 巴左右。 为了产生剩余管部的所述运动， 优选的是， 剩余管部承受产生所述运动的轴向压 力。优选地， 轴向压力至少部分地由剩余管部的重量产生。必要时， 该重量可以通过施加到 剩余管部上以引起所述运动的外加向下作用力而增加。随着剩余管部的长度增加， 以及由 此造成的重量增加， 需要给剩余管部施加向上作用力， 以防止弯曲区内产生不受控制的弯 曲或纵弯。
附图说明
下面将参考附图以举例方式更详细地描述本发明， 其中 ：
图 1 示意性地显示了使用本发明方法的井眼系统的实施例的纵向截面图。 具体实施方式
参考图 1， 显示了延伸到地层 2 中的井眼， 所述地层具有含烃类流体的孔隙。形式 为衬管 4 的管状元件从地面 6 向下延伸到井眼 1 中。衬管 4 已经通过其壁 5 外翻而部分地 径向膨胀， 由此形成衬管 4 的径向膨胀管部 10， 其具有与井径大体上相等的外径。 衬管 4 的 剩余管部 ( 形式为未膨胀衬管部 8) 从地面 6 同心地延伸到膨胀管部 10 内。
由于衬管 4 的外翻， 衬管 4 的壁 5 沿径向向外和轴向反向 ( 即向上 ) 方向弯曲， 从 而形成使未膨胀衬管部 8 和膨胀衬管部 10 相互连接的 U 形下部壁部 11。U 形下部壁部 11 限定了衬管的弯曲区 9。
膨胀衬管部 10 借助于由胀管工艺在膨胀衬管部 10 和井眼壁 14 之间产生的摩擦 力而轴向固定到井眼壁 14 上。可选地或者另外， 膨胀衬管部 10 通过任何适当的锚固装置( 未显示 ) 锚固到井眼壁上。
钻柱 17 从地面通过未膨胀衬管部 8 延伸到井眼 1 的底部。钻柱 17 在其下端设置 有钻头 18， 所述钻头 18 包括导向钻头 20 和扩孔部 22， 所述导向钻头的基准直径略小于未 膨胀衬管部 8 的内径， 所述扩孔部的基准直径适于将井眼 1 钻到其公称直径。扩孔部 22 可 径向缩回至允许其穿过未膨胀衬管部 8 的外径， 使得钻柱 17 可以通过未膨胀衬管部 8 取回 到地面。
另外， 膨胀衬管部 10 覆盖位于其上部 24 中的井眼 1 的壁 14 并且延伸到位于钻头 18 上方的短距离处， 从而留下未覆盖的短开放井眼段 26( 位于衬管 4 下方 )。钻井泥浆 28 团流入未膨胀衬管部 8 的内部并且流入开放井眼段 26。
在正常操作期间， 衬管 4 的下端部首先外翻， 即， 下端部沿径向向外和轴向反向方 向弯曲。从而首先形成 U 形下部 11 和膨胀衬管部 10。随后， 如此形成的短膨胀衬管部 10 通过任何适当的锚固方式锚固到井眼壁 14 上。根据衬管 4 的几何结构和 / 或材料性质， 可 选地， 膨胀衬管部 10 可以因膨胀衬管部 10 和井眼壁 14 之间的摩擦自动锚固到井眼壁上。
随后通过对未膨胀衬管部 8 施加足够大的向下作用力而使其逐渐向下移动， 因 此， 未膨胀衬管部 8 在弯曲区 9 内逐渐外翻。这样， 未膨胀衬管部 8 逐渐转变成膨胀衬管部 10。在外翻加工期间， 弯曲区 9 以未膨胀衬管部 8 的运动速度大约一半的速度沿向下方向 移动。
由于未膨胀衬管部 8 的长度逐渐增加， 以及由此造成的重量逐渐增加， 向下作用 力的大小可以根据衬管部 8 的重量增加而逐渐减小。随着重量的增大， 最终需要用向上作 用力代替向下作用力以防止衬管部 8 纵向挠曲。
与未膨胀衬管部 8 向下运动到井眼中同时， 操作钻柱 17 以使钻头 18 旋转， 因此， 导向钻头 20 钻出钻孔的初始部， 并且扩孔部 22 将钻孔扩大到最终基准直径。 因此， 钻柱 17 向下逐渐移动到井眼 1 中。未膨胀衬管部 8 以受控方式并且以与钻柱 17 大体上相同的速 度向下移动， 从而确保弯曲区 9 保持在钻头 18 上方的短距离处。例如， 可以通过控制如上 所述的向下作用力或向上作用力实现未膨胀衬管部 8 的受控下降。 适当地， 未膨胀衬管部 8 例如通过连接到钻柱上的支承装置 ( 未显示 ) 由钻柱 17 支撑， 所述支承装置支撑 U 形下部 11。 在这种情况下， 向上作用力适当地施加给钻柱， 随后通过支承装置传递给未膨胀衬管部 8。此外， 未膨胀衬管部 8 的至少一部分重量可以通过支承装置传递给钻柱 17， 从而给钻头 18 提供推力。
在利用钻柱 17 钻进期间， 钻井泥浆流通过钻柱 17 的常规流体通道而泵送到开放 井眼段 26 中。从该开放井眼段 26， 钻井泥浆流连同夹带于其中的钻屑通过形成在钻柱 17 和未膨胀衬管部 8 之间的环形空间排放到地面。钻井泥浆的比重和 ( 可能还有 ) 泵送流量 受到控制， 使得开放井眼段 26 中的流体压力略微低于地层 2 的孔隙中的烃类流体的压力。 因此， 烃类流体流入开放井眼段 26 并与钻井泥浆排放流一起流到地面， 其中， 烃类流体的 成分、 压力和流入流量以传统的方式确定。同样， 围绕开放井眼段 26 的地层的渗透度由流 入的烃类流体确定。因为膨胀衬管部 10 大体上覆盖井眼的整个壁部 ( 除开放井眼下部 26 之外 )， 除了流入短开放井眼下部 26 中之外， 没有地层流体流入井眼。 这样， 可以实现， 例如 孔隙流体成分、 孔隙流体压力和地层渗透率的测量特征可以精确地分配给位于特定深度处 的地层。在地层的另一混合物 ( 例如沙粒 ) 进入开放井眼段 26 的情况下， 能够以类似的方 式确定这种混合物和 / 或周围岩层的特定特征。
当需要将钻柱 17 取回地面时， 例如， 当钻头 18 将要更换或者当井眼 1 的钻进完成 时， 扩孔部 22 达到其径向收缩模式。随后， 钻柱 17 穿过未膨胀衬管部 8 取回地面。
利用本发明的井眼系统， 可以实现在钻井过程期间， 井眼利用位于钻头正上方的 外翻衬管逐渐进行加衬。 因此， 在钻井过程期间始终只有相对较小的井眼开放井段。 这种短 开放井段的优点在钻入地层的含烃类流体层期间最为显著。 就此而言， 对于许多应用来说， 只在钻入烃类流体储层期间进行钻进期间的衬管外翻工艺就足够了， 而井眼的其他部分以 传统的方式加衬管或加套管。可选地， 钻进期间的衬管外翻工艺根据环境在地面或者在井 下选定位置开始。
就钻进期间的短开放井段而言， 显著降低了井内流体压力梯度超过岩层破裂梯 度， 或者井内流体压力梯度降低到岩层的孔隙压力梯度以下的风险。 因此， 与必须在选定间 隔处设置直径呈阶梯式减小的套管的常规钻进相比， 本申请能够以单一的公称直径钻进相 当长的间隔。 同样， 如果井眼钻穿页岩层的话， 这种短开放井段消除了由页岩层隆起趋势而 可能引起的问题。 在上述实例中， 在地面或在井下位置使衬管膨胀。在海上平台位于井眼上方的近 海井眼的情况下， 在海面上， 有利地是在海上平台开始胀管加工。在这种工艺中， 弯曲区从 海上平台移动到海底并且从海底进一步移动到井眼中。因此， 最终的膨胀管状元件不仅在 井眼中形成衬管， 而且形成从海上平台延伸到海底的隔水管。 从而不再需要单独的隔水管。
此外， 例如用于与井下设备连通的电线或光纤的管道可以在位于膨胀部和未膨胀 部之间的环形空间内延伸。这种管道可以在管状元件膨胀之前附接到管状元件的外表面 上。同样， 可以使用膨胀和未膨胀衬管部作为电导体以在井下传送数据和 / 或电能。
由于在外翻加工完成之后仍然保留在井眼中的未膨胀衬管部的任意管段与膨胀 衬管部相比经受没那么苛刻的负载条件， 这段未膨胀衬管部与膨胀衬管部相比可以具有更 小壁厚， 或者可以具有更低的质量或钢号。 例如， 它可以由具有较低屈服强度或较低挤毁等 级的管子制成。
为了在胀管加工期间减小未膨胀衬管部和膨胀衬管部之间的摩擦力， 可以在管和 未膨胀衬管部及膨胀衬管部之间施加适当的摩擦减小层， 例如聚四氟乙烯层。 例如， 摩擦减 少涂层可以在胀管之前施加于衬管的外表面， 或者施加到管的内表面和 / 或外表面。
代替使膨胀衬管部靠着井眼壁 ( 如详细说明中所述 ) 膨胀， 膨胀衬管部可以抵靠 着已经存在于井眼中的另一个管状元件的内表面膨胀。