使管状部件径向膨胀的方法.pdf

本发明涉及一种使管状部件径向膨胀的方法。所述方法包括使管状部件的壁沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲，以形成围绕管状部件的未膨胀部分延伸的膨胀部分，所述壁具有径向向外的抗弯曲性和抗周向拉伸性。所述壁设置有用于提高壁的抗径向向外弯曲性的第一装置和用于降低壁的抗周向拉伸性的第二装置中的至少一种。

1.  一种使管状部件径向膨胀的方法，所述方法包括使所述管状部件的壁沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲，以形成围绕所述管状部件的未膨胀部分延伸的膨胀管状部分，所述壁具有弯曲刚度和抗周向拉伸性，其中，所述壁设置有用于增加所述壁的弯曲刚度的第一装置和用于减小所述壁的抗周向拉伸性的第二装置中的至少一种。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一装置包括至少一个沿所述壁在纵向方向延伸的加强部件。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中，所述加强部件连接至所述壁的外表面和内表面中的至少一个。

4.  根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述加强部件和所述壁一体形成。

5.  根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，所述第一装置包括沿所述管状部件的圆周定间距间隔开的多个所述加强部件。

6.  根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，所述第二装置包括形成在所述壁中的至少一个凹槽，每一个凹槽沿所述管状部件的纵向方向延伸。

7.  根据权利要求6所述的方法，其中，所述凹槽形成在所述壁的外表面和内表面中的至少一个中。

8.  根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述第二装置包括沿所述管状部件的圆周定间距间隔开的多个所述凹槽。

9.  根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述壁的弯曲发生在所述管状部件的弯曲区中，并且所述方法还包括通过使所述弯曲区沿所述管状部件在轴向方向上运动以逐渐增加所述膨胀管状部分的长度。

10.  根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，通过使所述未膨胀管状部分相对于所述膨胀管状部分沿轴向方向运动来引起所述壁弯曲。

11.  根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述管状部件延伸到形成在地层中的井眼中。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述膨胀管状部分在所述井眼壁和所述管状部件的未膨胀部分之间延伸。

13.  根据权利要求11或12所述的方法，其中，壁的所述弯曲在所述管状部件的下端部分处开始。

14.  根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，所述膨胀管状部分在所述井眼中保持基本静止，并且所述未膨胀管状部分沿所述井眼的向下方向运动以引起壁的所述弯曲。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中，向下的作用力被施加到未膨胀管状部分，以使所述未膨胀管状部分沿所述井眼的向下方向运动。

16.  根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中，所述井眼使用延伸穿过所述未膨胀管状部分的钻柱进行钻井。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中，所述未膨胀管状部分和所述钻柱在使用所述钻柱钻井的过程中被同时下放穿过所述井眼。

18.  根据权利要求11-17中任一项所述的方法，其中，由于膨胀过程，所述膨胀管状部分被压靠在所述井眼壁上或压靠在布置于所述井眼中的另一管状部件上。

19.  一种通过权利要求1-18中任一项所述的方法获得的径向膨胀管状部件。

20.  一种基本上如以上参照附图所述的方法。

21.  一种基本上如以上参照附图所述的径向膨胀管状部件。

使管状部件径向膨胀的方法
技术领域
本发明涉及一种使管状部件径向膨胀的方法。
背景技术
管状部件的膨胀可用于各个技术领域，比如，例如从形成在地层中的井眼生产碳氢化合物流体。井眼通常设有一根或多根套管或衬管以给井眼壁提供稳定性，和/或提供不同地层之间的产层封隔。术语“套管”和“衬管”通常指用于支承和稳定井眼壁的井眼管状物，其中，按照通常理解，套管从井下位置延伸到地面，而衬管不完全延伸到地面。但是，在本文中，术语“套管”和“衬管”可互换使用，没有特意区分。
在传统的井眼结构中，若干根套管以嵌套布置的方式设置在不同深度的层段处，其中，每一根后来的套管被下放穿过先前的套管，并且因此必须具有比先前的套管更小的直径。结果，可用于石油和天然气生产的井眼横截面尺寸随着深度的增加而减小。为了消除该缺陷，在实践中，在将管状部件下放到所需深度之后在井眼中使管状部件径向膨胀。这种膨胀的管状部件例如形成膨胀的套管段或抵靠先前安装的已有套管的膨胀包层。另外，已经提出了将后来的套管部分径向膨胀到大约相同直径，以使得井眼中的有效直径沿其深度(一部分深度)保持基本恒定，与传统的有效直径随深度的增加而减小的嵌套布置不同。
EP-044706-A2公开了一种使管状部件径向膨胀的方法，通过使内部管外翻以形成围绕所述内部管的一部分的外部管，管在它们各自的前端部处相互连接，以提供能够向前运动的翻转区(rollover area)。
通过将驱动流体泵送到内部管和外部管之间的环形空间中来使翻转区向前运动。
这种已知系统和方法的一个缺陷在于，由于在内部管变形为外部管的翻转区中的外翻过程中，特别是对于其中内部管和外部管具有较大壁厚的应用，存在管状部分发生损坏的风险。
因而，需要一种使管状部件径向膨胀的改进方法，从而克服现有技术的缺陷。
发明内容
根据本发明，提供了一种使管状部件径向膨胀的方法，所述方法包括使所述管状部件的壁沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲，以形成围绕管状部件的未膨胀部分延伸的膨胀管状部分，所述壁具有弯曲刚度和抗周向拉伸性，其中，所述壁设置有用于增加壁的弯曲刚度的第一装置和用于减小壁的抗周向拉伸性的第二装置中的至少一种。
应当理解，术语“使壁沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲”指管状部件的外翻，由此形成U形壁部分，U形壁部分的一条腿形成未膨胀部分，另一条腿形成膨胀部分。
所产生的壁的弯曲半径和进而所产生的壁的径向向外运动程度取决于壁的弯曲刚度和壁的抗周向拉伸性。更特别地，弯曲半径倾向于随弯曲刚度的增加而增加并且随抗周向拉伸性的增加而减小。因此，实际弯曲半径根据倾向于增加弯曲半径的弯曲刚度的影响和倾向于减小弯曲半径的抗周向拉伸性的影响之间的平衡得出。通过为壁提供用于增加弯曲刚度的装置和/或用于减小抗周向拉伸性的装置，实现了使所述平衡的变动有利于较大的弯曲半径。由于该较大的弯曲半径，壁中的(等效)应变变得不太严重，并且因此降低了壁损坏的风险。
适当地，第一装置包括连接至壁的至少一个加强部件，每一个加强部件沿管状部件的纵向方向延伸。加强部件可例如通过适当的连接装置连接至壁的外表面和/或内表面，或者加强部件可与壁一体形成。而且，加强部件可平行于管状部件的中心纵轴线布置，或相对于中心纵轴线以一定角度布置。在后一种情况中，加强部件适当地沿管状部件以螺旋状延伸。
在一个优选实施例中，第一装置包括沿管状部件的圆周定间距间隔开的多个所述加强部件。
所述第二装置适当地包括形成在所述壁中的至少一个凹槽，每一个凹槽沿管状部件的纵向方向延伸。凹槽可例如形成在所述壁的外表面和内表面中的至少一个中。
优选地，第二装置包括沿管状部件的圆周定间距间隔开的多个所述凹槽。
为了逐渐形成膨胀管状部分，壁的所述弯曲发生在管状部件的弯曲区中，并且所述方法还包括通过使弯曲区沿管状部件在轴向方向运动来逐渐增加所述膨胀管状部分的长度。
弯曲区限定了发生瞬时弯曲过程的位置。通过使弯曲区沿管状部件在轴向方向运动，实现了使管状部件逐渐膨胀，而无需不得不推动、拉动或泵送膨胀器穿过管状部件。而且，如果管状部件沿竖直方向例如延伸到井眼中，则未膨胀管状部分的重量可用于构成使弯曲区向下运动所需的作用力。
适当地，通过使未膨胀管状部分相对于膨胀管状部分沿轴向运动而引起所述壁弯曲。例如，膨胀管状部分可保持静止，而未膨胀管状部分沿轴向运动穿过膨胀部分。
在一个优选实施例中，管状部件延伸到形成在地层中的井眼中，其中，例如，膨胀管状部分在井眼壁和管状部件的未膨胀部分之间延伸。如果膨胀管状部分在井眼中基本保持静止，并且未膨胀管状部分沿井眼的向下方向运动以引起壁的所述弯曲，则以有效方式进行膨胀过程。
而且，膨胀过程可适当地通过在管状部件的下端部处弯曲管状部件的壁来开始。
如果未膨胀管状部分的重量不足以引起弯曲区的运动，则适当地向未膨胀部分施加向下的作用力以使未膨胀管状部分沿井眼的向下方向运动。
有利地，井眼使用延伸穿过未膨胀管状部分的钻柱来钻井。在这样的应用中，在使用钻柱钻井的过程中，未膨胀管状部分和钻柱优选被同时下放穿过井眼。
可选地，弯曲区可被加热以促进管状壁的弯曲。
为了在膨胀过程中降低未膨胀部分的任何翘曲倾向，未膨胀部分有利地使用任何适当的对中装置来在膨胀部分中对中。
可通过在膨胀之前在管状部件的外表面处提供纵向凹槽来促进管状壁弯曲。
附图说明
下文将参照附图、以举例的方式更详细地描述本发明，附图中：
图1示意性显示了一个不是根据本发明的在膨胀过程中的管状部件的实例；
图2示意性显示了一个在根据本发明的膨胀过程中的管状部件的实施例；
图3示意性显示了图2的横截面3-3；
图4示意性显示了在根据本发明的膨胀过程中的管状部件的一个替代实施例的横截面；
图5a-5f示意性显示了用于图2-4的实施例中的加强部件的多个实例；
图6示意性显示了处于井眼中的膨胀过程中的图2的管状部件；
图7示意性显示了在钻井眼时处于井眼中膨胀过程中的图2的管状部件。
具体实施方式
在附图和说明书中，相同的附图标记表示相同部件。
参照图1，显示了可径向膨胀的管状部件1，包括未膨胀部分2和围绕未膨胀2延伸的径向膨胀部分4。未膨胀部分2和膨胀部分4在其各自的下端部处通过具有弯曲半径R1的U形壁部分6相互连接。膨胀部分4通过沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲管状部件1的壁的下端部而形成。随后，未膨胀部分2相对于膨胀部分4向下运动，结果使未膨胀部分2逐渐外翻从而形成膨胀部分4。在U形壁部分6处所形成的弯曲半径R1根据壁固有的弯曲刚度所造成的壁呈现较大弯曲半径的倾向和由于壁的固有抗拉伸性所造成的壁呈现较小弯曲半径的倾向之间的平衡而形成。
参照图2，显示了可径向膨胀的管状部件10，包括未膨胀部分12和围绕未膨胀部分12延伸的径向膨胀部分14，未膨胀部分12和膨胀管状部分14在其下端部处通过具有弯曲半径R2的U形壁部分16相互连接。对于材料性能、壁厚和未膨胀直径来说，管状部件10基本上类似于图1的管状部件1。但是，管状部件10另外设置有沿未膨胀部分12的外表面和膨胀部分14的内表面延伸的多个纵向加强部件20。膨胀部分14通过以下方式形成：使管状部件10的壁在其下端部处沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲，随后使未膨胀部分12相对于膨胀部分14向下运动，以由此使未膨胀部分12逐渐外翻从而形成膨胀部分14。在U形壁部分16处所产生的弯曲半径R2根据壁固有的弯曲刚度所造成的壁呈现较大弯曲半径的倾向和壁的固有抗拉伸性所造成的壁呈现较小弯曲半径的倾向之间的平衡而形成。由于加强部件20，管状部件10的弯曲刚度大于图1的管状部件1的弯曲刚度，结果，壁呈现出较大弯曲半径的倾向和壁呈现较小弯曲半径的倾向之间的平衡朝向管状部件10的较大弯曲半径变化。换句话说：R2＞R1。
图3中显示了管状部件10的未膨胀部分12的剖视图，其中，金属层或其他适当材料层22围绕管状部件10的外表面布置。层22设置有沿管状部件10的圆周方向定间距间隔开的多个纵向凹槽24。每一个加强部件20形成在各对相邻凹槽24之间。层22可以任何方式连接至管状部件10的外表面，或者层22可与管状部件10一体形成。在后一种情况中，管状部件10和层22可由一个部件加工而成。
图4中显示了要使用本发明方法膨胀的管状部件26的一个替代实施例的剖视图。管状部件26在其内表面处设置有层28，所述层28设有沿管状部件10的圆周方向定间距间隔开的多个纵向凹槽30。凹槽30形成多个纵向加强部件32，其中，每一个加强部件32形成在各对相邻凹槽30之间。金属层28可以任何适当方式连接至管状部件26的内表面，或金属层可与管状部件26一体形成。
图5a-5f显示了用于要使用本发明的方法膨胀的管状部件的加强部件的多个实施例的剖视图。
在图5a-5f的每一幅中，附图标记34表示管状部件的壁，各加强部件由附图标记35、36、37、38、39、40表示。
类似于图3和4所示的实施例，加强部件35、36、37、38、39和40可布置在未膨胀管状部件的外表面或内表面处。
在图6中显示了位于形成在地层44中的井眼42中的图2的管状部件10。
在正常操作过程中，通过任何适当装置使(还未膨胀的)管状部件10的壁的下端部沿径向向外并且沿轴向反转方向弯曲，以开始形成U形下部分16。随后，向下的作用力被施加到未膨胀部分12上以使未膨胀部分12逐渐向下运动。未膨胀部分12因而逐渐外翻从而形成膨胀部分14。在外翻过程中，U形下部分16以未膨胀部分12的速度的大约一半速度向下运动。由于加强部件20造成管状部件10壁的弯曲刚度提高，U形下部分的弯曲半径R2较大，以使得管状部件10膨胀到较大的直径。如果需要，管状部件10和/或加强部件20可选择成使得膨胀管状部件14被膨胀至牢固地抵靠井眼壁，以使得在膨胀管状部分14和井眼壁之间形成密封。
参照图7，显示了与从地面延伸穿过未膨胀部分12并且进一步延伸到井眼42底部的钻柱48相结合的图2的管状部件10。钻柱48设有用于引导和支承管状部件10的U形下部分16的管状引导部件52，引导部件52由连接至钻柱48的支承环54支承。支承环54制成径向可缩回，以使其在缩回模式中穿过引导部件52和未膨胀部分12。
而且，钻柱48设有钻头56，该钻头56通过井下马达(未显示)或通过钻柱48自身的旋转而被旋转地驱动。钻头56包括导向钻头58和伸缩式扩眼器60，用于将井眼48钻到其标称直径。导向钻头58和扩眼器60在处于收缩模式时具有略小于引导部件52的内径的最大直径，以使导向钻头58和扩眼器60穿过引导部件52并且穿过未膨胀管状部分12收回到地面。
在正常操作过程中，钻头56被旋转驱动以加深井眼42，其中，钻柱48和未膨胀管状部分12同时更深入井眼42。未膨胀管状部分12可在地面由各个管状部分组装而成，例如钻柱、套管或衬管等的管状柱通常如此。替代地，未膨胀管状部分可作为一个连续的管状部件(例如连续油管)提供。
管状部件10的U形下部分16由引导部件52支承和引导。最初，向下的作用力需要施加到未膨胀部分12上，以使其与钻柱48同时下放。随着井眼42中的未膨胀部分12的长度增加，未膨胀部分12的重量逐渐取代所施加的向下的作用力。最终，在未膨胀部分的重量已经完全取代所施加的作用力之后，可能需要向未膨胀部分12施加向上的作用力来防止U形下部分16超载。
未膨胀管状部分12的重量也可用于在钻井眼42过程中向前推动钻头56。在图7的实施例中，此推力经由引导部件52和支承环54传递到钻头56。在一个替代实施例中，无需引导部件，推力例如经由在未膨胀部分和钻柱之间的适当的推力轴承(未显示)直接从未膨胀管状部分传递到钻柱。
因而，通过逐渐将未膨胀部分12下入井眼42中，U形下壁部分16沿径向向外并且沿轴向反转方向逐渐弯曲，从而逐渐形成膨胀管状部分14。在膨胀过程中，U形下部分16由引导部件52支承和引导，以促进未膨胀部分12的壁的弯曲。
当需要将钻柱48收回到地面时，例如当要更换钻头时或已经完成钻井后，支承环54径向缩回并且扩眼器60收缩。其后，钻柱48穿过未膨胀管状部分12收回到地面。引导部件52可保留在井下。替代地，引导部件可制成可收缩的，以使其在收缩模式中穿过未膨胀管状部分收回到地面。
通过上面描述的方法，由于膨胀管状部分14在任何时侯都延伸到钻柱48的下端部附近，因此实现了在钻井过程中在井眼42中仅存在非常短的开孔部分。因此，所述方法有很多有利的应用。例如，如果膨胀管状部分为套管，则可钻更长的层段而无须中断钻井来安装新的套管部分，由此导致较少的直径逐步减小的套管部分。而且，如果井眼钻经页岩层，则由于基本上没有开孔部分而消除了由于页岩隆胀所造成的问题。
在已经完成钻井眼42并且已经从井眼中取出钻柱48之后，仍存在于井眼42中的未膨胀管状部分12的长度可从膨胀部分42切除，并且随后收回到地面，或其可留在井眼中。在后一种情况中，完井有若干种选择，例如包括：
i)流体(例如盐水)被泵送到未膨胀部分12和膨胀部分14之间的环状空间中，以增加膨胀部分14的坍塌阻力。可选地，开口可形成在管状部分10的壁中，靠近其下端，以允许泵送的流体穿过其中进行循环；
ii)重流体被泵送到未膨胀部分12和膨胀部分14之间的环状空间中，以支承膨胀管状部分14并且增加其坍塌阻力；
iii)水泥被泵送到未膨胀部分12和膨胀部分14之间的环状空间中，以在水泥硬化之后在环状空间中形成实体。适当地，水泥在硬化时膨胀；
iv)例如通过泵送、推动或拉动膨胀器(未显示)穿过未膨胀部分12使未膨胀部分12径向膨胀以抵靠膨胀部分14。
可选地，加重的流体可被泵送到未膨胀部分和膨胀部分之间的环状空间中，或环状空间可在膨胀过程中或膨胀过程之后被加压，以减小在膨胀部分14上的坍塌载荷和/或减小在未膨胀衬管部分12上的破裂载荷。
而且，电线或光学纤维可布置在未膨胀部分和膨胀部分之间的环状空间中，用于井下数据通讯或用于井下电力传送。这样的电线或纤维可在管状部件10膨胀之前连接至管状部件10的外表面。另外，未膨胀部分12和膨胀部分14可用作用于传送数据和/或井下电力的电导体。
由于留在井眼中的未膨胀管状部分的长度不需要膨胀，因此对其的材料性能等的要求较不严格。例如，所述长度可具有比膨胀管状部分更低或更高的屈服强度，或较小或较大的壁厚。
代替在膨胀过程之后将一定长度的未膨胀管状部分留在井眼中的是，整个管状部件可使用本发明的方法进行膨胀，以使得在井眼中没有未膨胀部分。在这样的情况下，细长部件(例如管柱)可用于在膨胀过程的最后阶段过程中将必需的向下的作用力施加到未膨胀管状部分。
适当地，降阻层(例如Teflon层)在膨胀过程中被应用在未膨胀管状部分和膨胀管状部分之间以减小摩擦力。例如，降阻涂层可在膨胀之前应用到管状部件的外表面。这样的降阻材料层还具有减小未膨胀部分和膨胀部分之间的环状间隙的优点，因而导致未膨胀部分降低了翘曲倾向。代替地或另外地，降阻层、对中垫和/或滚筒可应用在未膨胀部分和膨胀部分之间以减小摩擦力。
通过本发明的方法，膨胀管状部分可从地面延伸到井眼中，或其可从井下位置更深入井眼。
代替使管状部件膨胀抵靠井眼壁(如上所述)的是，可使管状部件膨胀抵靠先前安装在井眼中的管状部件的内表面。
而且，代替在井眼中沿向下方向膨胀管状部件的是，管状部件可沿向上方向膨胀，其中U形部分设置在管状部件的上端部。
虽然上面描述的实例参照本发明在井眼中的应用，但是应可理解的是，本发明的方法也可用在地面处。例如，可使膨胀管状部分膨胀抵靠管的内表面，所述管例如是设置在地面或地面下一定深度处的用于传送石油或天然气的已有管道。由此，输送管道设置有新的衬管，从而在输送管道损坏或腐蚀的情况下消除了更换整个管道的需要。