使用挠性套管执行陆地钻井操作的方法和装置
技术领域
本发明涉及陆地钻井(earth borehole)操作，例如包括在气井和油井中钻出陆地钻井和/或给陆地钻井加衬管的那些操作。具体的，本发明涉及使用挠性套管来钻出陆地钻井和/或给陆地钻井加衬管的方法和装置。
背景技术
在传统的陆地钻井操作(例如钻井)中，套管、衬管、或钻柱(通常是“管状柱”)，由螺纹管构件的零件或连接件组成，通常为约30-40英尺长，在钻柱进入到陆地钻井中时它们相继螺纹连接在一起。因此，必须间歇性地中断钻井或套管送入操作(casing running operation)，使得管状构件的连续的连接件能够被连接，之后钻井或套管送入操作得以继续。当使用螺纹钻管或套管并且准备连接下一连接件时，中断钻井或套管送入操作，陆地钻井中的管柱利用形成井口装置的一部分的卡瓦(slips)等悬挂。然后下一连接件插入悬挂着的管柱中并完成连接，然后继续该送入操作。形成或解开螺纹连接的操作耗费时间，更重要的是，对钻探平台上的人造成内在的危险。而且，在下一连接件被连接到悬挂的柱上期间，包括钻井泥浆或套管送入流体的流体循环操作停止。因此，在传统的使用连接的管状构件的钻井或套管送入操作中，不能实现连续的循环，因为，如上所述，在增加连续的连接件期间，循环操作被停止。而为保持套管柱与钻井间的环形空间清洁并防止桥塞，要求连续的循环。在套管送入操作期间，希望悬挂在陆地钻井中的套管柱充满流体，以防止在套管柱两侧存在过大流体压差，从而防止塌陷和/或井喷(blowout)。
套管被用作钻柱，使得陆地钻井一旦被钻到想要的深度，形成钻柱的套管就能够以传统的方式被胶结在适当的位置。这一技术消除了分离钻柱和套管柱的需要。通常，当将套管柱用作钻柱时，套管柱在陆地钻井中的末端被连接到包含电动机和钻头的可抛弃或可回收的井底装置。当完成钻井操作时，井底装置被回收，而钻井中的套管柱以传统的方式被胶结在适当的位置。虽然用套管钻井相比于包括分离的钻柱和套管柱的传统的陆地钻井操作具有明显的节约时间和金钱的优势，但现有的用套管钻井的方法使用的连接套管存在前面讨论的关于连接的钻柱和/或套管柱的全部附带的问题。
挠性套管的尺寸小于3英寸或者更小，其从卷筒展开并插入井内的螺纹套管中。虽然挠性套管通常不用于注入水泥操作，但已知的是，从卷筒展开油管并利用受损的套管插入到井内，然后在油管与受损的套管之间的环形空间注入水泥以便继续从井中回收。
熟悉挠性油管操作的人知道挠性油管的尺寸通常可达约3英寸，而通常套管的尺寸可达4到7英寸，或者更大。因此，根据本发明的挠性套管的直径通常为4英寸或更大，一般直径为41/2或51/2英寸。
美国专利3,724,567公开了一种系统，该系统用于操作油井维修作业用的钻杆或钻井用油管。螺纹管柱从存储处到井可以是连续的。美国专利4,100,968公开了一种使用装有动力的旋转工具送入套管的技术。美国专利5,197,553公开了一种在管状钻杆的下端的可回收钻头和井底动力钻具(downho1e motor：或称为井下电动机)，并且美国专利5,271,472公开了一种钻头装置，该钻头装置包括可径向延伸和收缩的臂，所述臂具有可以通过钻杆收回的刀具。
美国专利5,215,151公开了利用连续长度的连接的挠性管的钻井技术。液压流体可以通过管柱输送(或泵送)，并且通过金属线回收钻头。美国专利5,547,314公开了一种存储连接的油管和将其运送到井中的系统。美国专利6,250,395公开了一种在井中安装和回收螺纹管的系统。美国专利5,641,021公开了一种具有关阀套(closing sleeve)的井套管钻井工具。
美国专利6,419,033公开了一种用钻头和管下扩眼器(underreamer)钻井的系统。美国专利6,439,866公开了一种具有密封轴承的井底动力钻具。美国专利6,443,245公开了一种套管鞋(casing shoe)。美国专利6,513,223和6,585,052公开了一种油管扶正器。美国专利6,564,868公开了一种切断油管的工具和方法。美国专利6,705,413公开了一种利用使用可回收钻头的套管的钻井技术。
现有技术没有公开显著降低在井中送入套管的成本的技术，因此，将套管送入井中和从井中回收套管柱都产生高成本和高风险。
本发明克服了现有技术中的缺陷，下文中将公开将套管送入井中的改进的设备和技术。
发明内容
在一个实施例中，提出了一种钻出陆地钻井的方法，包括步骤：提供一卷筒具有自由端的连续挠性套管，以及提供用于传送(或移动)所述挠性套管的插入器(injector)。将包括至少一个井底动力钻具(downholemotor：或称为井下电动机)和钻头的井底装置连接至连续的挠性套管的自由端，以形成挠性套管钻柱。挠性套管钻柱被插入陆地中，同时流体经挠性套管循环以形成具有井壁的已钻的陆地钻井。挠性套管钻柱从钻井回收到地表，并可以从挠性套管的自由端拆卸井底装置，它可以再次插入到陆地钻井中并从井口装置悬挂。悬挂的挠性套管可以被切断，以在陆地钻井中形成悬挂的挠性套管柱，且在井壁和悬挂的挠性套管柱的外表面之间形成环形空间。然后粘结材料或其它粘结剂可以被注入悬挂的挠性套管柱中和环形空间中。
在另一实施例中，可回收的井底装置连接至挠性套管的自由端，以形成挠性套管钻柱，且通过将挠性套管钻柱插入陆地来钻出陆地钻井，同时流体经挠性套管循环至井底装置。将挠性套管钻柱悬挂在井口装置中，并在高出所述井口装置的所述悬挂的位置切断悬挂的挠性套管。井底装置然后可经悬挂的挠性套管钻柱回收。
在另一实施例中，挠性套管的自由端连接至可抛弃的井底装置，挠性套管钻柱被插入到陆地中，并从井口装置悬挂。在由井口装置的悬挂的上方的位置切断挠性套管柱，且粘结剂注入悬挂的挠性套管钻柱中并围绕井底装置，然后向上至挠性套管钻柱和钻井之间的环形空间中。
本发明的另一实施例包括一种钻出陆地钻井的装置，该装置包括：一卷筒连续的挠性套管；连接至挠性套管的自由端并包括至少一个钻头和井底动力钻具的井底装置；插入器，用于将井底装置的挠性套管插入陆地，以形成已钻的陆地钻井，且在井壁和挠性套管的外表面间形成环形空间。一个或多个泵使得流体循环通过挠性套管和井底装置，然后进入井壁与挠性套管间的环形空间。
在另一实施例中，一种在已钻的陆地钻井中安装衬管的方法，包括：提供一卷筒连续的挠性套管，和用于传送该挠性套管的插入器。挠性套管被插入到该已钻的陆地钻井中，且在陆地钻井的壁与插入陆地钻井中的挠性套管的外表面间形成环形空间。当挠性套管被插入时，流体经挠性套管循环，且该流体向上流过环形空间。
在另一个在陆地钻井中安装衬管的实施例中，挠性套管被注入陆地钻井，同时流体经挠性套管循环，且挠性套管在井口装置上悬挂在钻井中。挠性套管在高出由井口装置的悬挂的长度处被切断。
附图说明
图1是正视图，部分是剖面图，显示了使用挠性套管利用传统钻井装置钻出陆地钻井。
图2与图1近似，但它显示使用安装在拖车上的挠性套管钻井装置钻出陆地钻井。
图3是正视图，部分是剖面图，显示了挠性套管井底装置从已钻的陆地钻井中被拆卸。
图4是正视图，部分是剖面图，显示了具有注水泥鞋(cementing shoe)的连续的挠性套管被下放到已钻的陆地钻井中。
图5是正视图，部分是剖面图，显示了注入水泥操作，其中来自挠性套管的套管柱被悬挂在已钻的陆地钻井中，并被旋转以加强水泥和悬挂的套管柱之间的粘结。
图6与图5近似，显示了用于加强水泥和悬挂的套管柱间的粘结的往复运动。
图7是正视图，部分是剖面图，显示了使用挠性套管柱作为钻柱，所述挠性套管柱具有包括钻头的可回收井底装置、管下扩眼器(underreamer)和连接到挠性套管柱的末端的井底动力钻具。
图8显示了图7的装置经悬挂的钻柱使用挠性套管内预装的回收线被回收。
图9显示了图8的可回收的井底装置，其靠近悬挂的挠性套管的上部的开口的表面以拆卸井底装置。
图10是正视图，显示了在图9中的悬挂的套管柱的上端安装泥浆回转接头(mud swivel)和清管器发送装置(pig launcher)。
图11显示了从图10所示的清管器发送装置卸下的泵下注水泥鞋。
图12是侧视图，显示了到达悬挂的挠性套管底部的注水泥鞋，和被向下泵送以将水泥从悬挂的套管柱的内部移动到陆地钻井和套管柱间的环形空间内的分隔塞(wiper plug)。
图13显示了利用使用可抛弃的井底装置的挠性套管钻出陆地钻井。
图14显示了通过图13中的可抛弃的井底装置进行的注入水泥操作。
图15显示了使用本发明的挠性套管定向钻井。
具体实施方式
图1显示了传统的钻井装置10，包括井架(derrick)12，它具有天车(crown)14，游动滑车(traveling block：又称为游车)16悬挂在其上，游动滑车16连接到提环(bail)18上，提环18又悬挂着挠性套管插入器头20。典型的井口装置22安装在钻井平台24上或其附近，并且包括卡瓦(slips)或其它夹紧设备，用于将管状部件悬挂在陆地钻井中。
容纳挠性套管30的卷筒28安装在衬板26上，挠性套管30从卷筒28展开经拱形导向装置31进入插入器头20，经井口22后进入已钻的陆地钻井32。如图所示，陆地钻井32包括上部34，表层套管(surface casing)36安装在其内，所述表层套管36由水泥38胶合在适当的位置。如图所示，挠性套管悬挂在井口22下面的该部分被称为悬挂的挠性套管，并且它的自由端设置有套管鞋40，通过它能够以传统的方式泵送水泥或其它粘结剂以将悬挂的挠性套管胶结在井孔32中。由此水泥浆(cementing fluid)可以沿套管柱向下流动，并向上流动到悬挂的套管柱与陆地钻井32的壁44间的环形空间42。由于挠性套管30是非连接的，因此可以理解的是，主衬管(liner)被连续地安装在陆地钻井32中，从而不需要如通常的连接套管送入操作那样，间歇停止以连接连续的套管接头。
需要时，通常所使用的流体，如盐水、淡水、钻井泥浆等的来源46，在送入操作中可经线路47提供给挠性套管，以便于将套管柱插入钻井。从环形空间返回的流体可以由线路50导入泥浆坑48。如此，用于将挠性油管连接到这些悬浮液的连接系统也可以用在本发明的挠性套管操作中。当理想长度的套管柱进入钻井中时，套管柱被井口装置22中的卡瓦接合，并且挠性套管在将钻柱30固定至井口装置22的上方的位置被切断。然后，例如水泥的粘结剂沿套管柱被向下泵送以将套管柱胶结在钻井中的适当位置。
图2与图1近似，显示了悬挂插入器20的井架12，通过线路47供给有流体的卷筒28同时将挠性套管展开到达插入器。绞车显示为将桅杆12上的插入器20提升或者降下。坑48接收从环形空间返回的流体。在这一应用中，挠性套管卷筒28设置在安装在拖车上的单元29上。
图2的下部分被放大以更清楚地显示围绕挠性套管30的环形空间，也显示了用于旋转钻头56、安装在套管柱30的底端的一种传统的泥浆电动机54。因此，流体由线路47泵送通过套管柱30，再经泥浆电动机54和钻头56，然后向上到环形空间42中，并进入坑48。图2也简单地图示了设置在电动机54上方的一个或多个钻铤(drill collar)52以及一个或多个稳定器53，分别用于为钻井增加重量和稳定井底装置。
图3进一步详细图示了挠性套管柱30的下部分、泥浆电动机54和钻头56。电动机54可以具有与挠性套管30相同或略大的直径，这样环形空间32可以限制在电动机54的区域内。可回收井底装置，包括电动机54和钻头52，可以通过向插入器20提供动力以向上移动挠性套管30而被周期性地回收至地表，从而可以检查、维修或更换电动机以及更换钻头。
在图4的实施例中，钻井32被钻至理想的深度，挠性套管柱30利用设置在挠性套管底端的传统式注水泥鞋(cementing shoes)58插入。在可选实施例中，注水泥鞋可由注水泥接头替换。
在图5的实施例中，例如粘结材料的粘结剂，经线路60注入旋转接头型水泥头62，并由水泥头62经挠性套管柱30向下传送到井的下端的注水泥鞋58。在该操作期间，套管柱由设置在井口22内的卡瓦64支承。如前面描述的一样，当该孔填充满了水泥，环形空间32内的流体被向上驱动，并流出管道50到达泥浆坑。在注入水泥操作期间，水泥头62被设计成便于挠性管柱30的右手和/或左手旋转，由此提供挠性套管柱与井壁之间的更有效的粘结。
在图6的实施例中，可选的水泥头66由提环(bail)18悬挂，经线路60供给有粘结材料。水泥头66和挠性套管柱由升降机悬挂，并且在注水泥操作期间轴向移动。粘结液沿挠性套管30传送下去，然后从挠性套管柱底端的注水泥鞋58出来。环形空间32中的流体经线路50流到泥浆坑。在这一操作中，挠性套管柱最好是在与挠性套管大体上轴向对准的方向上往复移动，以确保挠性套管与井壁之间的粘结质量。在注入水泥后，管30可以从井口或套管挂(casing hanger)悬挂在井中。
在图7的实施例中，可回收的泥浆电动机68由延伸到地表的电线70悬挂在挠性管的底端。泥浆电动机68转动导向钻头(pilot bit)70和扩眼器(reamer section)部件72，扩眼器部件72具有显著大于挠性管30的直径的切断直径。本领域的技术人员会认识到，挠性套管30可以留在钻井中，而泥浆电动机68、钻头70和扩眼器72可以由电线70回收到地表，且回收的部件通过挠性套管30的ID。由此，扩眼器72收缩到略微小于挠性套管内径的直径，如图8所示。图9显示了接近套管柱30的上端的泥浆电动机68、扩眼器72和导向钻头70，套管柱30在相对于钻井平台24固定挠性套管的适当的套管挂的卡瓦64上方的位置被切断。因此，电线20可以经切断的挠性套管30和插入器20回收。当回收至地面时，泥浆电动机可以被修理或者更换，也可以更换新的导向钻头和扩眼器72。在可选实施例中，可使用挠性管柱替代电线20来回收井底装置。
图10显示的是图6中所示的水泥头66，特别图示出一个或多个分隔塞和调节这些分隔塞的释放的控制件78。水泥经管道66泵送到套管柱30内部，环形空间内的流涕流出管道50至适当的坑或其它流体容器。
如图11和12所示的实施例，清管器(pig)80可以沿着挠性管30泵送到挠性管柱的末端，且粘结材料(cementitious material：或称为水泥材料)82在清管器80的后面被泵送，胶结流体的上端被分隔塞76与非胶结驱动流体83密封隔开。由此，流体排出挠性套管30的底部，从清管器80出来并进入环形空间32，从而将环形空间填充上水泥。
在图13的实施例中，挠性套管柱30底端的泥浆电动机54由向下流经挠性套管30和泥浆电动机的流体提供动力以旋转钻头56。在本实施例中，泥浆电动机和钻头可以是不回收式产品，因此，当达到理想的深度时，粘结材料82被向下泵送到挠性套管30中，且分隔塞76(参见图14)执行前面所述的功能。因此，粘结材料可以填充挠性套管30周围的环形空间，并填充电动机54和钻头56周围的环形空间。
图15公开了另一实施例，其中桅杆12相对于拖车29倾斜，这样挠性套管30可以用来在河下钻井。电动机54和钻头56可以由此设置有传统的定向钻井功能，为此，电动机可以包括通常用于定向钻井设备的相对小的内弯(未示出)。
在钻井期间流体经挠性套管柱循环，循环流体在套管内部和环形空间间流动。为了更好地将衬管输送到井中并提供合适的井眼净化(holecleaning)，在安装衬管时进行循环是优选的。如果要将衬管胶合在裸井中，则需要如胶结流体的粘结剂循环。
对于在此讨论的每一个实施例，一次安装在井中的挠性套管在地层和套管的内部之间提供了基本的隔离物。安装后，挠性套管可以被穿孔，这样地层流体可以流到套管柱内部。在其它实施例中，挠性套管并不是实心管，而是槽式或者穿孔的，以在允许流体流到套管柱内部的同时防止地层壁坍塌。
本发明的挠性套管可以由多种材料制成，包括碳合金钢或碳纤维材料。各种类型的导向装置、注水泥多级工具、驱动鞋、封隔器(packer)、穿孔枪、对比指示器(correlation indicator)、和转换工具(cross-overtool)都可以与挠性套管柱一起使用。井底装置可以包括钻铤、钻管、重型钻管、减震器(shock subs)、震击器(jar)、开孔器、稳定器、扩眼器、转换短接(cross-over sub)、和各种类型的钻头。槽式造斜器(whipstock：或称为斜向器)、弯接头(bent sub)、和各种类型的具有弯曲外壳的井底动力钻具可以运送到挠性套管柱井底装置上。井眼生产工具也可以与挠性套管柱一起使用，包括侧孔加长短节(side boreextension)和横向加长短节充填件(lateral extension placement)。
挠性套管可以被垂直定向地或在大体上水平的平面内钻入或输送到井眼中。本发明的技术可以用来开采各种类型的碳氢化合物，包括石油和气，也可以用于地热应用，或者水源开采。在挠性套管内部施加内压可以产生高能液体或气体。空气、氮气、天然气、水、相容的液体碳氢化合物、钻井泥浆、和其它媒介可以用油田工业中常用的泵或压缩机泵送到挠性套管内。
虽然在此详细描述了本发明的几个特定的实施例，但这仅是为了解释本发明的各个方面，而不是限制本发明的权利要求所限定的范围。本领域的技术人员将理解，所示的实施例和说明是示例性的，各种其它的替代方式、变化或修改(包括但不限于那些在此具体讨论的可替换的设计)可以通过实施本发明获得，且没有脱离本发明的保护范围。