本發(fā)明涉及一種用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下管柱。另外，本發(fā)明涉及一種井下系統(tǒng)和一種井下方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)在已有井中鉆設(shè)新井孔或側(cè)鉆井時(shí)，鉆頭可能會(huì)鉆入低壓區(qū)中，從而導(dǎo)致壓力損失。因此，在鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)入所述孔中以防止井噴的泥漿在該低壓區(qū)中損失，并且如果繼續(xù)鉆進(jìn)會(huì)有井噴的重大風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)環(huán)空在低壓區(qū)上方的部分進(jìn)行注水泥和因此密封也是不可能的，因?yàn)樽⑷氲乃鄷?huì)隨著其消失到低壓區(qū)中而損失，于是該已部分鉆好的井孔被廢棄并且從上方阻塞并鉆設(shè)新井。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是全部或部分地克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)或不足。更特別地，一個(gè)目的是提供一種能夠繼續(xù)鉆進(jìn)穿過(guò)上述低壓區(qū)的改進(jìn)的完井或鉆進(jìn)系統(tǒng)。

從下面的描述中將變得顯而易見(jiàn)的上述目的以及眾多的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征由根據(jù)本發(fā)明的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下管柱實(shí)現(xiàn)，所述井下管柱包括：

-下降套管，其具有第一端和第二端，該第一端最靠近井的頂部；和

-操作工具，其與所述下降套管的第二端連接，

其中，井下管柱還包括具有圍繞下降套管的可膨脹的金屬套筒的環(huán)狀屏障，可膨脹的金屬套筒的每一端與下降套管連接，可膨脹的金屬套筒適于接觸井孔的壁部或另一套管，使得在所述可膨脹的套筒膨脹后，所述下降套管能夠相對(duì)于環(huán)狀屏障轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，在可膨脹的套筒膨脹后，環(huán)狀屏障可與下降套管連接。

另外，在可膨脹的套筒膨脹后，環(huán)狀屏障可與下降套管滑動(dòng)地和/或轉(zhuǎn)動(dòng)地連接。

井下管柱還可包括作為下降套管的一部分安裝的旋轉(zhuǎn)接頭，該旋轉(zhuǎn)接頭將下降套管分成第一套管部分和第二套管部分，以用于使第一套管部分相對(duì)于第二套管部分轉(zhuǎn)動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，該旋轉(zhuǎn)接頭包括與第一套管部分連接的第一旋轉(zhuǎn)接頭部分和與第二套管部分連接的第二旋轉(zhuǎn)接頭部分。

另外，在第一旋轉(zhuǎn)接頭部分和第二旋轉(zhuǎn)接頭部分之間可布置球軸承。

并且，可在第一旋轉(zhuǎn)接頭部分和第二旋轉(zhuǎn)接頭部分之間布置密封元件。

另外，第二套管部分可以與操作工具和環(huán)狀屏障連接。

另外，下降套管可包括設(shè)置在環(huán)狀屏障上方的開口。

在可膨脹的金屬套筒和下降套管之間可設(shè)置有環(huán)形空間。

另外，環(huán)形空間可包括適于使所述環(huán)形空間膨脹的化合物。

并且，所述化合物可包括適于在分解時(shí)生成氣體或超臨界流體的至少一種可熱分解的化合物。

另外，化合物可包含氮。

另外，化合物可選自由以下物質(zhì)組成的組：重鉻酸銨、硝酸銨、亞硝酸銨、迭氮化鋇、硝酸鈉或其組合。

另外，所述化合物可以粉末形式、分散在液體中的粉末的形式或溶解在液體中的粉末的形式存在。

可在下降套管的與可膨脹的金屬套筒相對(duì)之處布置開口，該開口用于使加壓流體進(jìn)入所述環(huán)形空間以使所述可膨脹的金屬套筒膨脹。

另外，可在所述開口中布置閥。

所述閥可以為止回閥。

并且，所述閥可包括可激活的關(guān)閉元件，從而當(dāng)所述可膨脹的金屬套筒的端部通過(guò)該可激活的關(guān)閉元件時(shí)，所述閥關(guān)閉。

可膨脹的金屬套筒的一端或兩端都可借由連接部件與下降套管連接。

另外，可在連接部件或可膨脹的金屬套筒的端部與下降套管之間布置密封機(jī)構(gòu)。

另外，操作工具可以是擴(kuò)孔鉆、鉆頭或水泥鞋。

另外，下降套管可借助套管卡箍而由多個(gè)管狀套管區(qū)段安裝而成。

另外，下降套管可以能夠在兩個(gè)相鄰的套管卡箍之間滑動(dòng)。

并且，滑動(dòng)套筒或壓裂端口可相比于環(huán)狀屏障更靠近所述第一端地布置在下降套管中。

本發(fā)明還涉及一種用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下系統(tǒng)，其包括：

–如上所述的井下管柱；和

–用于使下降套管滑動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)的操作單元。

所述操作單元還可用于使下降套管相對(duì)于已膨脹的可膨脹的金屬套筒滑動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)。

如上所述的井下系統(tǒng)還可包括加壓?jiǎn)卧?，該加壓?jiǎn)卧糜趯?duì)下降套管中的流體加壓以使可膨脹的金屬套筒膨脹。

另外，如上所述的井下系統(tǒng)還可包括井下工具，如注水泥工具。

另外，所述井下系統(tǒng)還可包括球，該球構(gòu)造成下落到下降套管中以坐落于支座中并封閉套管的一部分。

另外，所述井下系統(tǒng)可包括在鉆管的端部中連接的鉆頭，其用于從下降套管內(nèi)部鉆出而進(jìn)入地層中。

本發(fā)明還涉及一種用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下方法，包括如下步驟：

–在地層中鉆設(shè)井孔；

–確定在地層中的低壓區(qū)；

–使在所述低壓區(qū)上方的環(huán)狀屏障相對(duì)于井孔的頂部膨脹；

–向在環(huán)狀屏障上方的在套管與井孔的壁部之間的環(huán)空中提供水泥；

–在可膨脹的套筒膨脹后在注水泥的同時(shí)使套管的至少一部分相對(duì)于環(huán)狀屏障振蕩或轉(zhuǎn)動(dòng)；和

–鉆進(jìn)穿過(guò)所述低壓區(qū)。

所述鉆進(jìn)穿過(guò)所述低壓區(qū)的步驟可在鉆頭和鉆管已被插入套管之后執(zhí)行。

另外，提供水泥的步驟可在注水泥工具已對(duì)著套管在環(huán)狀屏障上方的開口布置后執(zhí)行。

另外，在鉆頭被引入前，注水泥工具可從套管移除。

附圖說(shuō)明

下面將參考后附的示意圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明及其許多優(yōu)點(diǎn)，所述示意圖出于示例目的僅示出了一些非限制性的實(shí)施例，其中：

圖1示出了用于鉆進(jìn)穿過(guò)低壓區(qū)的井下管柱的局部剖視圖；

圖2示出了在環(huán)狀屏障已膨脹后的圖1的井下管柱；

圖3示出了在向環(huán)狀屏障上方注水泥時(shí)的圖1的井下管柱；

圖4示出了一個(gè)環(huán)狀屏障的剖視圖；

圖5示出了另一個(gè)環(huán)狀屏障的剖視圖；

圖6示出了又一個(gè)環(huán)狀屏障的剖視圖；

圖7示出了環(huán)狀屏障相對(duì)于套管卡箍的剖視圖；

圖8示出了借助擴(kuò)孔鉆鉆進(jìn)穿過(guò)低壓區(qū)的另一井下管柱的局部剖視圖；

圖9示出了當(dāng)?shù)诙@頭被插入時(shí)的圖1的井下管柱；

圖10示出了另一井下管柱的局部剖視圖；

圖11示出了具有旋轉(zhuǎn)接頭的另一井下管柱；

圖12示出了在環(huán)狀屏障膨脹后的圖11的井下管柱；

圖13示出了具有旋轉(zhuǎn)接頭的另一井下管柱的剖視圖，所述旋轉(zhuǎn)接頭能使井下管柱的一部分在環(huán)空注水泥期間轉(zhuǎn)動(dòng)；和

圖14示出了另一井下管柱的剖視圖，注水泥工具已被插入到該另一井下管柱中。

所有的附圖是高度示意性的，未必按比例繪制，并且它們僅示出了闡明本發(fā)明所必需的那些部件，省略或僅暗示了其它部件。

具體實(shí)施方式

圖1示出了用于鉆進(jìn)穿過(guò)井3的地層中的低壓區(qū)Z_低的井下管柱1。該井下管柱1包括下降套管2，該下降套管具有緊鄰井3的頂部5的第一端4和更靠近井的底部7的第二端6。井下管柱1還包括與下降套管2的第二端6連接以用于執(zhí)行部分鉆進(jìn)操作的操作工具8。

在已有井中鉆新的井孔或側(cè)鉆井時(shí)，鉆頭8a、8可能鉆入低壓區(qū)Z_低中，并且，在鉆進(jìn)期間進(jìn)入井孔以防止井噴的泥漿因此可能在該低壓區(qū)中損失，并且因此，如果繼續(xù)鉆進(jìn)，會(huì)有井噴的重大危險(xiǎn)。為了防止壓力的損失，井下管柱1包括環(huán)狀屏障10，該環(huán)狀屏障具有圍繞下降套管2的可膨脹的金屬套筒11?？膳蛎浀慕饘偬淄?1的每一端14，15與下降套管2的外側(cè)12連接。環(huán)狀屏障10具有如圖1所示的未膨脹狀態(tài)和如圖2所示的已膨脹狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入低壓區(qū)Z_低時(shí)，可膨脹的金屬套筒11如圖2所示地膨脹至與井孔17的壁部16接觸，或與另一套管(未示出)接觸。這樣，所述井確保為環(huán)狀屏障10和下降套管2一起阻止地層流體發(fā)生井噴。

隨后，執(zhí)行另一操作，如向環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18注水泥。當(dāng)執(zhí)行這種后續(xù)作業(yè)時(shí)，下降套管2可相對(duì)于牢固地緊固至井孔壁部16的環(huán)狀屏障10轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)。這使得執(zhí)行后續(xù)作業(yè)稱為可能，所述后續(xù)作業(yè)例如如圖3所示的向環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18注水泥，或者繼續(xù)所述鉆進(jìn)操作。這歸因于可膨脹的金屬套筒11是由金屬制成，提供了允許下降套管2關(guān)于環(huán)狀屏障10運(yùn)動(dòng)必須的剛度的事實(shí)。

為了向環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18注水泥，呈注水泥工具形式的井下工具21浸入下降套管2中。注水泥工具21與待注水泥的區(qū)域相對(duì)地布置，并且注水泥工具21的第一封隔器22或底部封隔器被設(shè)定成封閉下降套管2的底部部分。水泥然后通過(guò)管柱23向下泵送并且進(jìn)入到下降套管2在第一封隔器和第二封隔器25之間的空間24中并且進(jìn)入到環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18中。第二封隔器25可以是杯狀密封件，該杯狀密封件可朝向第一封隔器運(yùn)動(dòng)以經(jīng)由在環(huán)狀屏障10上方位于下降套管上的開口26將水泥擠出。當(dāng)注水泥時(shí)，下降套管2如由雙箭頭示出地那樣上下振蕩，以保證在水泥中沒(méi)有氣泡形成并且執(zhí)行合適的注水泥作業(yè)。下降套管2相對(duì)于環(huán)狀屏障10的這種振蕩運(yùn)動(dòng)因而對(duì)于后續(xù)的注水泥作業(yè)十分重要。

環(huán)狀屏障10包括可膨脹的金屬套筒11，該可膨脹的金屬套筒11與下降套管2連接以形成環(huán)形空間28，如在圖4中示出的。通過(guò)在下降套管2的內(nèi)部27加壓并使這種加壓流體經(jīng)由在環(huán)狀屏障的相對(duì)位置位于井下套管2上的開口20而進(jìn)入環(huán)形空間28來(lái)使環(huán)狀屏障10膨脹，因此使套筒膨脹至與井孔17的壁部16接觸并將下降套管2的頂部第一部分31與底部第二部分32隔離，并從而防止壓力損失或井噴。

在圖5中示出的另一方案中，環(huán)狀屏障10通過(guò)在浸入所述下降套管2時(shí)激活在環(huán)狀屏障10中存在的化合物33而膨脹。當(dāng)激活化合物33時(shí)，所述化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者所述化合物在分解作用下分解生成氣體或超臨界流體。化合物33可包含氮并且可選自由以下組成的組：重鉻酸銨、硝酸銨、亞硝酸銨、迭氮化鋇、硝酸鈉或其組合。所述化合物可以粉末形式，分散在液體中的粉末的形式或溶解在液體中的粉末的形式存在。

如在圖5中示出的，可膨脹的金屬套筒11可以與下降套管2的外表面12直接連接，因?yàn)榭膳蛎浀慕饘偬淄?1具有增加了厚度的端部14、15，使得在膨脹過(guò)程中，端部14、15保持未膨脹。在圖4和6中，可膨脹的金屬套筒11借助呈環(huán)形元件形式的第一和第二連接部件34、35與下降套管的外表面12連接。為了增強(qiáng)下降套管2與可膨脹的金屬套筒的端部或者連接部件之間的密封，可以布置密封元件36，如圖6中所示。

為了阻止流體離開環(huán)狀屏障10中的環(huán)形空間28，可在開口20中布置閥38，如在圖6中所示。閥38可以為止回閥，以使得流體可以進(jìn)入閥來(lái)膨脹該可膨脹的金屬套筒11，但是阻止其返回到下降套管2中。閥38包括可激活的關(guān)閉元件37，從而當(dāng)可膨脹的金屬套筒11的端部通過(guò)該可激活的關(guān)閉元件37時(shí)，閥38關(guān)閉以封閉下降套管2，因?yàn)橛捎诃h(huán)狀屏障已滑動(dòng)通過(guò)所述開口20，而使環(huán)狀屏障10無(wú)法再相對(duì)于地層流體封閉開口20。如在圖7中看到的，下降套管2能夠在連接兩個(gè)套管區(qū)段40的兩個(gè)相鄰的套管卡箍39之間滑動(dòng)，下降套管由所述兩個(gè)套管區(qū)段40安裝而成。

在圖1-3中，環(huán)狀屏障10連接到下降套管2并且因而連接到第一鉆頭8a、8。當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭8a、8可由擴(kuò)孔鉆8b、8替代(如在圖8中示出的)，并且，環(huán)狀屏障10可因而與具有擴(kuò)孔鉆的下降套管2連接，如在圖8中示出的。當(dāng)擴(kuò)孔鉆8b遇到低壓區(qū)Z_低時(shí)，環(huán)狀屏障10膨脹并且向環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18中注水泥。隨后，通過(guò)插入例如在鉆管上的第二鉆頭42(在圖9中示出的)來(lái)繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程，該鉆管具有比下降套管2的內(nèi)徑小的外徑。然后，第二鉆頭42鉆進(jìn)穿過(guò)擴(kuò)孔鉆8b且穿過(guò)低壓區(qū)Z_低并進(jìn)一步伸出到地層中，因而使所述井孔延長(zhǎng)。當(dāng)?shù)诙@頭42鉆進(jìn)時(shí)，噴射與鉆進(jìn)穿過(guò)低壓區(qū)的挑戰(zhàn)相匹配的泥漿以密封該低壓區(qū)。

如在圖10中示出的，操作工具9還可以是鞋8c，如水泥鞋、引鞋或浮鞋。當(dāng)注水泥工具21已向環(huán)狀屏障10上方的環(huán)空18注水泥時(shí)，第二鉆頭被插入并且泥漿同樣地被合適的泥漿取代以用于鉆進(jìn)穿過(guò)所述鞋并進(jìn)一步鉆入到地層45中。

在圖10中，下降套管2的在環(huán)狀屏障10上方的開口26是端口，例如壓裂端口，其中滑動(dòng)套筒46可滑動(dòng)地布置為打開或關(guān)閉該開口26。

在圖11中，井下管柱1還包括作為下降套管的一部分安裝的旋轉(zhuǎn)接頭29，其將下降套管2分隔成第一套管部分41和第二套管部分43。第二套管部分43與操作工具8和環(huán)狀屏障10連接，并且一旦環(huán)狀屏障的可膨脹的金屬套筒11膨脹，下降套管2的第二部分便固定地緊固至井孔17的壁部16，如在圖12中示出的。在注水泥作業(yè)期間，重要的是能夠使套管轉(zhuǎn)動(dòng)以在套管與井孔17的壁部16之間的環(huán)空的各處分配水泥。通過(guò)具有旋轉(zhuǎn)接頭29，第一套管部分41能在注水泥作業(yè)期間轉(zhuǎn)動(dòng)而第二套管部分43不轉(zhuǎn)動(dòng)。由環(huán)狀屏障10提供的密封因而被保持，并且不受也轉(zhuǎn)動(dòng)第二套管部分43的影響。下降套管2的開口26布置在環(huán)狀屏障10的上方且布置在旋轉(zhuǎn)接頭29的上方。

圖13示出了另一下降套管2的剖視圖，其中，旋轉(zhuǎn)接頭29包括與第一套管部分41連接的第一旋轉(zhuǎn)接頭部分48和與第二套管部分43連接的第二旋轉(zhuǎn)接頭部分49。在第一旋轉(zhuǎn)接頭部分48和第二旋轉(zhuǎn)接頭部分49之間布置球軸承53以在第一旋轉(zhuǎn)接頭部分相對(duì)于第二旋轉(zhuǎn)接頭部分轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)降低第一旋轉(zhuǎn)接頭部分和第二旋轉(zhuǎn)接頭部分之間的摩擦。另外，在第一旋轉(zhuǎn)接頭部分48和第二旋轉(zhuǎn)接頭部分49之間布置密封元件54，并且該密封元件因而是動(dòng)態(tài)密封的一部分，該動(dòng)態(tài)密封允許第一套管部分41相對(duì)于第二套管部分43轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)導(dǎo)致第一套管部分41和第二套管部分43之間的泄漏。

本發(fā)明還涉及在圖1-3中示出的用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下系統(tǒng)100，其包括井下管柱和用于使下降套管相對(duì)于環(huán)狀屏障的已膨脹的可膨脹的金屬套筒且因而相對(duì)于井孔滑動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)的操作單元51。如可看到的，井下系統(tǒng)100還包括用于為下降套管2中的流體加壓以使可膨脹的金屬套筒11膨脹的加壓?jiǎn)卧?2。在圖3中，井下系統(tǒng)100還包括注水泥工具21。如果下降套管2在環(huán)狀屏障10的上方位置沒(méi)有開口，則可通過(guò)射孔槍開設(shè)開口。

在圖13中，井下系統(tǒng)還包括球44，該球已落入下降套管2中，其緊貼并坐落于支座47中并封閉套管在環(huán)狀屏障10的上方的部分。支座47布置在旋轉(zhuǎn)接頭29中，但在另一實(shí)施例中可布置在該套管的更下方位置或更上方位置。支座47總是布置在開口26的下方以允許水泥進(jìn)入環(huán)空。第一套管部分41因此能例如在注水泥作業(yè)期間相對(duì)于第二套管部分43轉(zhuǎn)動(dòng)。

在圖14中，注水泥工具21包括兩個(gè)杯狀密封件62和布置在這兩個(gè)杯狀密封件之間的開口63，在密封件和套管之間提供有空間64，使得沿著工具向下給料的水泥在進(jìn)入到井孔17的壁部16與套管2之間的環(huán)空之前進(jìn)入所述空間。注水泥工具21與在下降套管2中的開口26相對(duì)布置并且布置在旋轉(zhuǎn)接頭上方以使得第一套管部分41能夠例如在注水泥作業(yè)期間相對(duì)于第二套管部分43轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明還涉及一種用于鉆進(jìn)穿過(guò)井中地層中的低壓區(qū)的井下方法。首先，鉆出井孔并且確定低壓區(qū)的出現(xiàn)，然后環(huán)狀屏障的可膨脹的金屬套筒關(guān)于井孔的頂部在低壓區(qū)的上方膨脹。隨后，通過(guò)下降套管的開口例如壓裂端口或穿射孔而在環(huán)狀屏障上方的、在套管與井孔的壁部之間的環(huán)空中提供水泥。當(dāng)執(zhí)行注水泥作業(yè)時(shí)，套管相對(duì)于環(huán)狀屏障振蕩，并且然后例如在使下降套管轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)繼續(xù)該鉆進(jìn)過(guò)程，以鉆進(jìn)穿過(guò)所述低壓區(qū)。為了繼續(xù)鉆進(jìn)操作，鉆頭和鉆管可被插入到下降套管中。

流體或井筒流體是指存在于油井或氣井井下的任何類型的流體，如天然氣、石油、油基泥漿、原油、水等。氣體是指存在于井、完井、或裸井中的任何類型的氣體組分，并且油是指任何類型的油組分，例如原油，含油流體等。氣體、油和水流體可因此均分別包括除氣體、油和/或水之外的其它元素或物質(zhì)。

下降套管是指井下使用的與石油或天然氣生產(chǎn)有關(guān)的任何類型的管、管道、管結(jié)構(gòu)、襯管、管柱等。

在該工具不是完全浸沒(méi)入套管中的情況下，井下牽引器可用來(lái)推動(dòng)所述工具完全進(jìn)入井中的位置。井下牽引器可具有帶輪子的可突伸的臂部，其中，輪子接觸套管的內(nèi)表面，用于在套管內(nèi)推進(jìn)該牽引器和該工具前進(jìn)。井下牽引器是能夠在井下推動(dòng)或拉動(dòng)工具的任何類型的驅(qū)動(dòng)工具，例如

盡管上面已經(jīng)結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不背離如下面的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的情況下可想到的若干變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。