CN101238272B - 形成井下环形阻挡层的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种进行快速套管鞋测试的方法和装置，所述测试利用可膨胀的套管部分作为环形流体阻挡层。如果需要，这一可膨胀的环形流体阻挡层可与水泥结合使用，但是水泥不是必需的。还提供使已失效膨胀成功恢复的方法和装置，从而在不替换所述可膨胀套管部分的情况下完成套管鞋测试。

Description

形成井下环形阻挡层的装置和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求申请号为60/701,720、申请日为2005年7月22日、未授权的美国临时专利申请的权益，该申请的全部内容以参考的方式被结合在这里。

技术领域

本发明的实施例一般地涉及在井筒内形成环形阻挡层的方法和装置。尤其是，本发明涉及用于使井筒的至少一部分同该井筒的至少另一部分隔离的方法和装置。

背景技术

作为井筒建造工艺的一部分，通常在地层中钻出井孔或井筒并在之后使所述井孔或井筒衬上套管或衬管。在套管或衬管段进入井筒以形成所称的“管柱”时，利用螺纹将套管或衬管段拧在一起或者以其他方式连接在一起。这种套管通常包括外径小于井筒内径的钢质管形产品或“管”。由于这些直径上的差别，在井筒内径和套管外径之间形成了环形区域并且不具有任何其它的东西，井筒流体和地层流体能够在井筒长度方向上在所述环形区域内自由地运移。

通常需要分阶段建造井，首先在地层中将井孔钻至某一深度，地层坍塌或井筒流体控制在这一深度成为潜在的问题。此时，停止钻进并将套管设置在所述井筒内。虽然所述套管可结构性地防止坍塌，但是其不能防止流体在套管与井筒之间的环空内沿着井筒长度方向的运移。为此，所述套管通常被水泥固结在合适的位置。为完成这一工作，通过所述套管向下泵送水泥浆并使其在套管管柱底部流出。之后，利用钻井液、水或其它合适的流体将水泥浆驱替至环空内。通常，可钻碎的刮塞用于在水泥柱的前面和后面使水泥同井筒流体分离。使所述水泥在环空内固化，从而在环空内形成阻止流体运移的阻挡层。在水泥已经固化之后，钻穿保留在套管管柱内部的已固化的水泥，并对套管与地层之间的水泥密封或阻挡层进行压力测试。然后使钻头穿过水泥固结的套管并从套管底部开始钻进。然后钻出一新的井孔长度，并进行下套管和水泥固结工艺。根据井的总长度，可按照上述的方式进行多阶段钻进和下套管。

如前所述，水泥阻挡层在每一建造阶段之间都要进行测试，以便确保已经获得流体密封的环形密封。通常，阻挡层测试是通过向套管内部施压而进行的。所述施压是通过从地面向套管管柱内部泵送流体而实现的。所述压力排出套管底部并作用在环形水泥阻挡层上。之后，在地面监测所述压力以确认是否渗漏。这种测试常常被称作“套管鞋测试”，这里所用的词语“套管鞋”指的是特定套管管柱的最下面的部分或底端。当在前面的下套管段之下需要另一井段时，在继续进行钻进操作之前完成成功的套管鞋测试是重要的。

遗憾地是，固井操作需要停止钻进操作很长一段时间。需要花费时间来混合和泵送水泥。一旦水泥处于合适的位置需要更长的时间使水泥固化。在固井操作期间，钻机成本和其它固定成本仍在增加，然而不会产生钻进进度。由于固定成本(如钻机成本)以每天为基础进行付费，其被转换为美元每英尺，因此井的构造通常以英尺每天为单位进行计量。因为在固井操作期间需要时间固井并且钻进长度为零英尺，因此这些操作仅仅增加了每公制英尺的花费美元的数量。为了降低与井的建造成本相关的每英尺花费美元的平均数，减少或消除这些步骤是有利的。

可膨胀的井筒管已经被用于各种井的建造目的中。利用一些类型的管子整形器或辊子设备通常可使这种可膨胀的管机械膨胀。可膨胀套管的一个示例在美国专利US5,348,095中进行了描述，这里对其全文进行引用作为参考。这种可膨胀套管已经在一些实施例中进行了描述，其在作为套管管柱的一部分而被结合时提供一环形流体阻挡层。

所示的可膨胀管还具有非圆形(“折叠的”)的预膨胀横截面。这种初始的非圆形的管在膨胀时呈现出基本圆形的横截面。在膨胀之前和之后具有大致相同的横截面周长的这种管被示出(即，其中所述膨胀包括纯粹的横截面“展开”)。其它这种管已经被示出，其中所述横截面是“展开的”，并且其周长在膨胀过程中增加。通过机械方式，或者通过施加内压或通过二者的组合，可使这种非圆形的管膨胀。“折叠的”可膨胀管的一个示例在美国专利US5,083,608中示出，并且该专利被这里引用作为参考。

如上所述，机械管膨胀机构包括管子整形器和辊子设备。管子整形器类型的膨胀设备的一个示例在美国专利US5,348,095中示出，并且其全部内容被这里引用作为参考。辊子类型的膨胀设备的一个示例在美国专利US6,457,532中示出，并且其全部内容被这里引用作为参考。美国专利US6,457,532还显示了一种辊子类型的膨胀器，该膨胀器具有屈从特征，该特征允许可膨胀管与诸如由井筒形成的不规则的外围表面“形配合”。这种形配合确保了所述管的外表面与周围表面之间的更好的密封特征。

被示出和描述的可膨胀管其上具有各种外涂层或元件，以便增强由所述管形成的任意环形流体阻挡层。已经描述的弹性体元件用于执行这种功能。有涂层的可膨胀管在美国专利US6,789,622中示出，其全部内容被这里引用作为参考。

无论所述横截面初始是否为圆形或者是否为折叠的，根据所选择的膨胀机构，可膨胀管具有膨胀能力的限制。当为了产生环形流体阻挡层而将可膨胀管展开时，所述管的初始构造和所用膨胀机构必须根据给定应用而被精心地制作，以便确保所述膨胀足以产生阻挡层。在特定的环境中，如果所选择的膨胀机构被误算，则结果是非常不利的。在这种情况下，已膨胀的管是不能用作阻挡层的，另外，由于所述管已经膨胀，因此将其取出是不切实际的。补救这一情况会花费可贵的钻井时间，并会产生与维修设备和替换已失效可膨胀管相关的其他成本。

因此，需要提供一种用于在套管鞋附近产生环形阻挡层的改进方法和装置，这种方法和装置消除了对固井的需要。还需要一种利用可膨胀管形成环形流体阻挡层的改进方法和装置，所述可膨胀管能够成功地恢复失效的膨胀尝试。

发明内容

本发明一般地涉及执行快速套管鞋测试的方法和装置，所述测试利用可膨胀套管部分作为环形流体阻挡层。如果需要，这种可膨胀的环形流体阻挡层可与水泥结合使用，但是水泥不是必需的。还提供能够对已失效膨胀成功恢复的方法和装置，以便在不替换可膨胀套管部分的情况下完成套管鞋测试。

在一个实施例中，套管或衬管管柱被下入到井筒中。所述套管或衬管管柱包括靠近所述管柱下端的非圆形的或“折叠”的可膨胀部分。所述可膨胀部分至少包括外围具有弹性体材料涂层的段。所述管柱的最下端部分包括球座。当将所述管柱下入时，流体可穿过球座自由地进入所述管柱，从而充满所述管柱。当所述管柱到达井筒内的合适位置时，将球从地面投入所述管柱内。随后所述球座落在所述球座内。当球座落在所述球座内时，它密封住所述管柱的内部以便流体不能从管柱排出。利用地面的流体泵向套管管柱内部施加压力，从而使内部压力作用在折叠的可膨胀部分上。在预定的压力下，折叠的可膨胀部分展开成基本圆形的横截面，所述横截面的直径大于前述折叠结构的横截面的主轴。所述折叠段的这种“胀大”挤压弹性体涂层，使其与周围井筒周向接触，从而在所述管柱与井筒之间形成环形密封。现在通过合适的装置(诸如钢缆输送的取回工具)将球从球座中取出并从所述管柱的内部收回。可选择的是，可增加所述管柱内部的压力，直到所述球使球座塑性变形并且将球从管柱的下端驱出为止。之后向所述管柱的内部施加压力并保持一段时间，同时在地面监测环空流体的返回。如果这种压力得到保持，那么所述的无水泥套管鞋测试就已经成功。

如果上述的套管鞋测试压力不能保持，并且流体明显从环空中返回，那么需要进行恢复阶段。将位于工作管柱上的旋转膨胀工具穿过套管管柱的内部而下入，直到旋转膨胀工具位于可膨胀套管的展开段附近为止。通过施加于工作管柱内部的流体压力激励所述旋转工具。之后旋转所述工作管柱并使其沿着可膨胀套管的展开段轴向移动，从而使所述展开段膨胀而与周围井筒更加紧密地接触。在第二次膨胀之后，将所述工作管柱和膨胀工具从套管中收回。现在可按照前述的方式进行第二次套管鞋测试。

任选地是，水泥可与可膨胀套管部分结合使用，以增加流体阻挡层密封机构的冗余度。在该实施例中，将套管或衬管管柱下入到井筒中，其中所述套管或衬管管柱包括非圆形的或“折叠的”可膨胀部分，该部分位于所述管柱的下端附近。所述可膨胀部分至少包括外围具有弹性体材料涂层的段。所述管柱的最下端部分包括球座。当将所述管柱下入时，流体能够穿过所述球座而自由地进入所述管柱，从而充满所述管柱。当所述管柱到达井筒内所需的位置时，将足以充满套管与井筒之间至少一部分环空的一定体积的水泥通过所述套管的内部泵入，所述水泥从下端排出并进入下端附近的环空，所述下端包括所述可膨胀部分。然可将球从地面投入所述管柱的内部。所述球随后就会座在所述球座内。当座在球座内时，所述球就会密封住所述管柱的内部，以便使流体不能从此流出。利用地面的流体泵向所述管柱的内部施压，从而使内部压力作用在所述折叠的可膨胀部分。在预定的压力下，所述折叠的可膨胀部分展开成基本圆形的横截面，该横截面的直径大于前述折叠结构的横截面的主轴。所述折叠段的这种“胀大”挤压所述弹性体涂层，使其与水泥和水泥周围的井筒周向接触，从而在所述管柱和井筒之间产生环形密封。现在通过合适的装置(如钢缆输送的回收工具)将所述球从球座中取出，并从所述管柱的内部收回。可选择地是，可增加所述管柱内部的压力，直到所述球使所述球座塑性变形并将球从管柱的下端驱出为止。现在向所述管柱的内部施压并保持一段时间，同时在地面监测环空流体的返回。如果这一压力得以保持，那么水泥加强套管鞋测试就已经成功。

附图说明

为了使本发明的上述特征能够被详尽地理解，参考实施例对本发明(上面已经简要叙述了)进行更加专门的说明，一些实施例在附图中示出。然而应当指出地是，所述附图仅仅示出了本发明典型的实施例，因而其不能被认为是对本发明范围的限制，本发明允许具有其它等效的实施例。

图1示出了分段的井筒内的套管管柱，所述套管管柱包括未膨胀的折叠的可膨胀部分和该部分的横截面，并且在所述折叠部分的外围具有两个弹性体涂层区域。

图2示出了分段的井筒内的套管管柱，所述套管管柱包括已膨胀的可膨胀部分，该部分具有与井筒接触的两个弹性体涂层区域。

图3示出了分段的井筒内的套管管柱，所述套管管柱包括已膨胀的可膨胀部分，该部分具有与水泥和井筒接触的两个弹性体涂层区域。

图4示出了半段套管管柱，其包括已膨胀的可膨胀部分，该部分具有设置在其内的旋转膨胀工具。

具体实施方式

本发明一般地涉及用于在套管鞋周围形成环形阻挡层的方法和装置。

图1，2和3示出了布置在先前和常规安装的套管6下方的实施例，所述套管位于先前已经钻出的井筒9中。先前已安装的套管6的常规套管鞋部分7与先前已钻的井筒9之间的环形阻挡层仅仅为水泥8。

图1示出了布置在分段的井筒2中的套管管柱1，所述套管管柱1具有未膨胀的折叠的可膨胀部分3和其上的横截面4，并且在折叠部分3的外围具有两个弹性体涂层区域5。在钻出井筒9并下入套管6、设置水泥8和对由水泥8所形成的阻挡层进行套管鞋测试之后钻出所述井筒2。将套管管柱1从地面下入到井筒2中，并且将球10放置在套管1的内部并座落在球座11上，从而封堵住套管管柱1的下端。

向套管1的内部施加预定的压力，从而使可膨胀部分3展开。如图2所示，响应于所述预定压力，未膨胀的折叠的可膨胀部分3变为已膨胀部分和环形阻挡层12。已膨胀部分12因而径向向外朝向井壁13推动，并相应地挤压弹性体涂层区域5从而使其与井壁13密封接合。任选地是，涂层区域5可包括任意合适的可压缩涂层，如软金属、特氟纶、弹性体或者它们的组合。可选择地是，已膨胀部分12可在没有涂层区域5的情况下使用。现在将球10从球座11移除，以便流道14不受阻挡。向套管管柱1的内部施压并监测井筒环空15内的压力变化。如果没有监测到井筒环空15内的压力变化，那就是环形阻挡层12已经被成功地布置。在确定这一成功的布置时，钻穿套管鞋部分16并继续钻随后的井段。

图3示出了已布置的环形阻挡层12，所述阻挡层由水泥17围绕。在图3所示的实施例中，环形阻挡层12的布置继续按照上面结合图1和图2所述的方式进行，其中具有两个显著的例外。在球10座落在球座11内之前和施加预定的压力(用于使未膨胀的折叠的可膨胀部分膨胀)之前，将一定体积的水泥浆作为栓块(slug)向下泵入，穿过套管1的内部，通过流道14排出并向上进入井筒环空15。水泥浆栓块之前和/或之后为刮塞(未示出)，所述刮塞具有合适的内径(以使球10通过)，其初始由合适校准的安全膜阻隔。然后将球10放置在球座11内，并向套管1的内部施加预定的膨胀压力。现在将球10从球座11中移走，以使流道14不受阻挡。向套管管柱1的内部施加压力，并监测井筒环空15内的压力变化。如果未监测到井筒环空15内的压力变化，那就是环形阻挡层12已经成功布置。如果监测到井筒环空15内的压力增加，那么给予所述水泥适当的固化时间，并重新向套管1的内部施加压力。当确定了井筒环空15内没有相应的压力变化时，钻穿套管鞋部分16并继续钻随后的井段。

图4示出了悬挂在工作管柱18上的旋转膨胀工具19，所述旋转膨胀工具19具有至少一个径向可延伸的膨胀部件20。将工作管柱18下入并穿过套管1，直到膨胀部件20相邻于套管管柱1的已膨胀部分12为止，所述工作管柱18具有连接到其上的旋转膨胀工具19。图4所示实施例可任选地用在上面结合图1，2和3所述的工艺中。

参看图2和3，向套管1的内部施加预定的压力，从而使可膨胀部分3展开。如图2所示，未膨胀的折叠的可膨胀部分3响应于预定的压力而变为已膨胀部分和环形阻挡层12。已膨胀部分12因而径向向外推向井壁13，并相应地挤压弹性体涂层区域5使其与井壁13密封接合。任选的是，涂层区域5可包括任意合适的可压缩涂敷材料，如软金属、特氟纶、弹性体或者它们的组合。可选择地是，已膨胀部分12可在没有涂层区域5的情况下使用。现在将球10从球座11中移走以便使流道14不受阻挡。向套管管柱1内部施压并监测井筒环空15内的压力变化。如果没有监测到井筒环空15内的压力变化，那么环形阻挡层12已经被成功地布置。如果监测到井筒环空15内的压力增加，参看图4，那么就使位于工作管柱18上的旋转膨胀工具19穿过套管1而下入，直到膨胀部件20相邻于已膨胀部分12的内部为止。向工作管柱18内部施加膨胀工具激励压力，从而使至少一个膨胀部件20径向延伸成与已膨胀部分12的内部压力接触。工作管柱18同时进行旋转及沿着已膨胀部分12的至少一部分轴向移动，从而使已膨胀部分的所述部分进一步膨胀并与井壁13更加紧密地接触。在已膨胀部分1 2的旋转膨胀之后，将工作管柱18和膨胀工具19从井内取出。现在向套管1内部再次施加压力并监测环空15内的压力。如果未监测到环空15内具有压力变化，那么就钻穿套管鞋部分16并继续钻出井的随后井段。任选地是，在环空15内设置水泥的前述步骤可与加压的展开步骤和这里所述的旋转膨胀步骤组合使用。

尽管前面涉及了本发明的实施例，但是本发明的其它或进一步的实施例可以在不脱离本发明基本范围的情况下设计出，并且本发明的范围由随后的权利要求书进行确定。

Claims (8)

1.一种用于产生一环形阻挡层并对所述环形阻挡层进行测试的方法，包括：

钻一井筒；

将一管形件下入到所述井筒中，所述管形件包括位于其下端附近的一折叠的可膨胀部分；

利用地面的流体泵向管形件内部施加压力，从而使内部压力作用在折叠的所述可膨胀部分上，在预定的压力下，折叠的可膨胀部分展开成基本圆形的横截面而与所述井筒的壁密封接合而形成密封接合部，且在密封接合部的一侧限定了井筒环空(15)；

向所述可膨胀部分与井筒之间的密封接合部的第一侧施压，相对于所述密封接合部来说，所述第一侧为所述井筒环空(15)所在侧的另一侧；

监测处于所述密封接合部的所述一侧的所述井筒环空(15)的压力变化；

如果监测到所述井筒环空(15)所在侧的压力变化，则使所述可膨胀部分机械地膨胀。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括在所述管形件的可膨胀部分上提供至少一个密封件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括切断穿过所述管形件的流体连通，从而增加所述管形件内的流体压力。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：还包括投球以切断流体连通。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：还包括在向密封接合部的第一侧施压之前取回所述球。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括利用一旋转膨胀器来使所述可膨胀部分机械地膨胀。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括向可膨胀部分与井筒之间的密封接合部的所述第一侧施加一第二压力，并监测所述井筒环空(15)所在侧的压力变化。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管形件包括套管。

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