專利名稱：作為用于可擴張管件的錨固件的水泥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用水泥質(zhì)材料作為在管材擴張期間將管材錨固在井眼中以及在擴張之后提供層間隔離的裝置。
背景技術(shù)：
在油氣鉆探領(lǐng)域，水泥質(zhì)材料(包括但不限于波特蘭水泥、樹脂、高爐礦渣和這些材料的混合物)通常放在位于套管和井眼之間的環(huán)形空間內(nèi)，從而在井眼的鉆探、完井和操作期間隔離并保護套管。一旦被泵送就位并被允許硬化，這些材料提供各種地層之間以及地層與表面之間的隔離，使得烴可以安全開采，或者替代地，井眼可以用于注入操作。當(dāng)水泥已經(jīng)在井眼中硬化之后，眾所周知，硬化水泥會受到機械損壞-應(yīng)力破裂和/或與套管壁分離(剝離)_從而可能危及液壓隔離。同樣，在使由硬化水泥圍繞的管件擴張過程期間，水泥經(jīng)常機械失效，從而喪失隔離作用。因此，人們希望提供使管件能夠在井眼中擴張并且仍然保持環(huán)形液壓隔離的系統(tǒng)。另外，包括使用可擴張管件在內(nèi)的鉆井操作變得越來越普遍。擴張可以利用自上而下技術(shù)(其中，擴張工具在可擴張管件的上端開始并且被推動穿過管件，直到它已經(jīng)使管件的整個長度擴張為止)或者利用自下而上技術(shù)(其中，擴張工具在管件的底部開始并且被穿過管件向上拉動)實施。無論使用哪種技術(shù)，如果管件未錨固的話，它將隨著擴張工具一起運動。如果沒有擴張工具相對于管件的運動，將不會發(fā)生擴張。在自上而下擴張技術(shù)中，擴張工具作用在管件上的向下作用力可通過將管件錨固到相鄰管柱上或者通過利用其它工具施加向上作用力而被克服。然而，在自下而上擴張中， 通常希望使管件的頂端在鉆孔內(nèi)自由運動，從而允許管件在擴張期間進行軸向收縮。因此， 使用頂部錨固技術(shù)可能是不切實際的，作為替代，人們可能希望錨固管子的下端。執(zhí)行自下而上擴張的一種方法是使用機械千斤頂。機械千斤頂在管件內(nèi)工作并且在無需給管件施加額外的外部作用力的情況下使管件的管段擴張。局部擴張用于將管柱充分錨固在井眼中，使得擴張工具隨后能夠被穿過管件拉動。因此，對于自下而上擴張來說， 可以使用千斤頂使管件的下端擴張和錨固。然而，機械千斤頂系統(tǒng)的可靠性并未得到大家公認，對于某些應(yīng)用而言，它們是不經(jīng)濟的。另一種使管件在井眼中擴張的為大家所公認的方法僅使用液壓壓力。然而，這種方法也存在可靠性和成本問題。因此，仍然需要錨固管件的替代手段，使得擴張過程可以在無需千斤頂系統(tǒng)的幫助或者無需全部依賴于液壓壓力的情況下進行
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供了用于錨固管件以使得擴張過程可以在無需千斤頂系統(tǒng)幫助或無需依賴于液壓壓力的情況下進行和在管件擴張之后提供層間隔離的手段。在一些實施例中，硬化水泥材料設(shè)計成具有特定的機械性能，以使得它能夠承受足夠大的作用力以允許管件徑向擴張為較大直徑。本發(fā)明的一些實施例包括雙泥漿方法， 其中，快硬水泥漿放在圍繞要擴張的管件下部的環(huán)形空間內(nèi)，從而提供錨固，第二緩凝泥漿圍繞管件的第二部分放置并且在擴張過程完成之后才硬化，從而實現(xiàn)地層隔離。在其它實施例中，一種或兩種水泥漿設(shè)計成具有機械性能，以使得圍繞管件底部放置的泥漿提供在擴張開始期間錨固管件的手段，而不會使一個或兩個水泥護層發(fā)生機械故障。在進一步的實施例中，每一種水泥漿可以包含彈性體材料，其在與井眼或者地下流體例如水、烴、氣和/或鉆井流體等接觸時膨脹，即使硬化水泥發(fā)生機械損壞，也會重新形成環(huán)形液壓隔離。本發(fā)明的一些實施例包括一種用于使可擴張管件在鉆孔中擴張的方法，包括以下步驟a)將可擴張管件定位在鉆孔中的希望位置，b)僅通過位于在管件和鉆孔壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的第一水泥部分將管件錨固在希望位置，和c)通過使擴張裝置移動穿過管件來使管件擴張。第一水泥部分在進行步驟c)時可以固化或可以不固化。第一水泥部分可以包含在進行步驟C)時交聯(lián)的聚合物和/或可以包含環(huán)狀凝膠劑。如果第一水泥部分在進行步驟C)時固化，步驟C)可以(或者可以不)使水泥破裂。該方法還可以包括給在擴張期間從水泥中排出的水提供出口路徑的步驟和/或還可以包括在環(huán)形空間內(nèi)提供第二水泥部分的步驟，其中，第二水泥部分具有比第一水泥部分更長的固化時間。該方法還可以包括根據(jù)水泥性能和期望擴張力計算錨固需要的水泥的長度的步驟。當(dāng)在本說明書和權(quán)利要求書中使用時，下列術(shù)語具有下列含義術(shù)語“錨固”是指在管件和鉆孔壁之間提供充分接合以允許擴張工具相對于管件運動并因此使管件擴張的系統(tǒng)或裝置。當(dāng)在此使用時，“襯管”和“套管”可互換地使用，這是因為本發(fā)明涉及套管的方面也涉及襯管，反之亦然。當(dāng)在這里使用時，除非另有說明，術(shù)語“底部”、“下部”和“井下”等是指遠離表面的位置，即使鉆孔并非豎直。還應(yīng)當(dāng)理解，所述水泥配方可以包含本領(lǐng)域已知的任何添加劑以實現(xiàn)為泵送和放置所需的特定泥漿性能，包括用于泡沫狀水泥的添加劑和氣體。


為了更詳細地理解本發(fā)明，參考附圖，其中圖1是具有可擴張襯管和管柱的鉆孔底部的示意圖。
具體實施例方式參考附圖，鉆孔10可以包含可擴張襯管12和管柱14。擴張裝置16固定到管子 14的下端。擴張裝置16顯示為擴張錐，但是可以是能夠隨著裝置穿過套管而使可擴張襯管逐漸徑向擴張的任何適當(dāng)裝置。該組件還可以包括偏心導(dǎo)鼻、位于錐上方的穩(wěn)定器、自動填充浮箍、帶突板球閥(dart)捕集器、兩個帶突板球閥、安全接頭、碎屑捕集器和通向表面的鉆管(全部未顯示)，例如本領(lǐng)域已知的那樣。該設(shè)備裝配好并利用鉆管下放入井中。如果襯管12的上端(未顯示)在鉆孔內(nèi)自由運動，則施加到擴張裝置16上的向上作用力將僅僅使襯管12向上運動，而不會產(chǎn)生擴張。為了提供擴張裝置16相對于襯管 12的必要運動，必須將襯管12錨固在鉆孔中。如果沒有在襯管上端通過機械手段完成管件的必要錨固，例如與相鄰上部管件的下端進行接合，則錨固可以通過水泥實現(xiàn)。在下面的討論中，所討論的水泥是指位于在襯管 12和鉆孔10之間的環(huán)形空間內(nèi)的水泥，如參考數(shù)字18所示。特別地，水泥可以提供管件外部和鉆孔壁內(nèi)部之間的機械接合。如果水泥是唯一的錨固手段，這種機械接合必須足以克服在擴張開始時施加的大的向上作用力來約束管件。在優(yōu)選實施例中，水泥被混合并泵送到井下。當(dāng)泵送水泥時，它優(yōu)選地通過兩個帶突板球閥與其它流體分離。第一帶突板球閥座放入帶突板球閥捕集器中，表示水泥即將進入環(huán)形空間。泵送額外的流體，直到第二帶突板球閥座放為止，表示所有的水泥都在環(huán)形空間內(nèi)。在泵送若干桶以清除鉆柱的水泥之后，停止泵送。一旦泵送停止，浮箍起到背壓閥的作用，以防止水泥沿著鉆柱流回。在經(jīng)過允許水泥至少部分地固化的預(yù)定時間之后，通過在鉆柱上拉動以開始錐處的運動來啟動套管擴張。組件中優(yōu)選地包括安全接頭以使得在工具或操作出現(xiàn)任何問題時能夠從鉆柱容易地脫離。本發(fā)明的一些實施例包括雙泥漿方法，其中，快硬水泥漿放在圍繞待擴張管件的第一部分的環(huán)形空間內(nèi)，從而提供錨固，第二緩凝泥漿圍繞管件的第二部分放置并且在擴張過程完成之后才硬化，從而實現(xiàn)地層隔離。第二泥漿可以位于環(huán)形空間中的第一部分上方，如圖22所示，或者位于其下方。在這些實施例中，快凝水泥部分可能在擴張過程中破裂，但盡管如此，仍然可以保持其錨固管件的能力。在使用快凝和緩凝水泥兩者的實施例中，每種水泥部分的固化時間取決于多種因素，包括井下溫度、水泥含水率和存在的添加劑。優(yōu)選地，盡可能控制這些因素，以使得快凝水泥部分在第一預(yù)定時間窗口內(nèi)凝固，緩凝水泥在比第一預(yù)定時間窗口更長的第二預(yù)定時間窗口內(nèi)凝固。僅舉例來說，第一水泥可以在小于12小時內(nèi)固化，而緩凝水泥可以在不小于50小時內(nèi)固化。在其它實施例中，一種或兩種水泥漿設(shè)計成具有機械性能以使得圍繞管件底部放置的泥漿提供在膨脹開始期間錨固管件的手段，而且能夠在不導(dǎo)致一個或兩個水泥護層發(fā)生機械故障的情況下徑向擴張。通過使用乳膠、橡膠顆粒、纖維以及就地固化的粘合劑(例如水凝水泥、交聯(lián)聚合物、樹脂、橡膠等)的各種混合物，能夠形成在不破裂的情況下徑向擴張的水泥層。本實施例優(yōu)選控制的參數(shù)包括管和水泥之間的剪固結(jié)力(shear bond)、水泥本身的機械性能(包括其彈性模量、泊松比、粘結(jié)力和摩擦角)。用于確定這些性能的希望范圍以及用于控制水泥中的這些性能的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。在一些實施例中，用于錨固可擴張襯管的水泥部分可以包括交聯(lián)聚合物凝膠，包括本領(lǐng)域已知的環(huán)狀凝膠(ringing gel)。適當(dāng)聚合物的實例包括美國專利7，267, 174中公開的聚合物。在優(yōu)選實施例中，錨固可擴張襯管的水泥部分包括交聯(lián)聚合物和適當(dāng)?shù)乃噘|(zhì)材料，包括但不限于波特蘭水泥、火山灰與/或礦渣。在一些實施例中，水泥在擴張發(fā)生之前未完全固化，因此，起到錨固件作用的水泥
5部分僅部分固化。在這種情況下，優(yōu)選地利用例如如上所述的參數(shù)計算必須灌注水泥的管子最小長度。提供與管的高剪固結(jié)力的水泥僅需要較短長度的灌注水泥管來提供錨固力， 而在擴張時并不實現(xiàn)同樣大的剪固結(jié)力的水泥需要與管件的更大表面面積接觸，因此與環(huán)形空間的更大軸向部分接觸。下面的實例顯示了一些如上所述的構(gòu)思。實例124英寸長的95/8英寸、43. 51b/ft套管段放在133/8英寸套管的外護層內(nèi)。在安裝之前，用中砂氧化鋁對95/8英寸管的外部進行噴砂以增大管的粗糙度，從而增加管和水泥之間的剪固結(jié)力。將環(huán)形間隙充以由API H級(API Class H)波特蘭水泥+73%清水 +0. 6%羥乙基纖維素(稠化劑)+0. 2%防濾失劑在13. 81b/gal下混合形成的水泥漿。水泥在170° F和大氣壓力下固化大約8小時，此時抽樣顯示579psi的抗壓強度。這時，給95/8 英寸套管施加作用力，同時保持外護層和水泥固定不動。破壞水泥護層和95/8英寸套管之間的剪固結(jié)力所需的作用力記錄為38，2001bs，等于68.2psi。隨后，使用該信息來確定起到錨固件作用以進行擴張所需的灌注水泥套管的長度。例如，IOOft的灌注水泥套管可期望承受240萬磅的拉伸作用力。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的錨固泥漿可以由任何波特蘭或非波特蘭水泥質(zhì)材料構(gòu)成，同樣，可以使用本領(lǐng)域已知的任何混合流體和添加劑來提供能夠根據(jù)需要放在井眼中的可泵送泥漿。進一步地，還應(yīng)當(dāng)理解，成分可以包含本領(lǐng)域已知的任何添加劑或其組合以實現(xiàn)特定的機械性能，例如但不限于彈性體、聚合物、共聚物、乳膠、粘合劑、纖維、鹽和聚合體。適當(dāng)聚合物的實例包括可從Halliburton，Houston, Texas購得的PermSeal 和 H2Zero 產(chǎn)品。在另外的實施例中，每一種水泥漿可以包含彈性體材料，其在與井眼或者地下流體(水、烴、氣和/或鉆井流體等)接觸時膨脹，即使硬化水泥發(fā)生機械損壞，也會重新形成環(huán)形液壓隔離。這種可膨脹彈性體為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。不管為實施本發(fā)明選擇哪種水泥性能，人們還希望增大水泥與管的剪固結(jié)力，從而使其在存在剪切力的情況下更不易從管件表面分離。用于實現(xiàn)這點的技術(shù)為本領(lǐng)域所熟知，包括但不限于給水泥漿添加固化后膨脹劑(氧化錳、鋁酸三鈣、鹽)，塑性固化膨脹劑 (泡沫、活性氣體發(fā)生器)和表面活性劑。排出水(Expelled Water)進一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿過錨固在固化水泥中的管件的部分拉動擴張裝置時，施加給水泥的壓力大到足以迫使未反應(yīng)的水從固化水泥排出。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，大部分水凝水泥只利用存在的一部分水反應(yīng)，剩余的水僅用于幫助混合和放置泥漿。在擴張過程中從水泥中排出的水量可能非常大。如果沒有提供排出路徑，這些截留的水可能會造成麻煩，例如需要過大的作用力進行擴張，甚至超過鉆塔能力，或者壓力增大到足以損壞管，甚至達到坍陷點?？梢哉J識到，這些未反應(yīng)水中的一部分(有時候全部)可以通過天然滲透性或者天然或生成裂縫流到地層中。然而，這樣的出口不總是存在或者具有能適應(yīng)希望的擴張速率的體積流量。人們相信通過提供使排出水能從壓縮區(qū)排出的路徑可以獲得顯著的優(yōu)點。給排出水提供路徑的一種方法是在水泥護層中提供就地犧牲性坍陷體積。利用這種方法，當(dāng)發(fā)生擴張并且套管和地層之間或者套管之間的環(huán)形間隙減小時，犧牲性坍陷體積提供了就地可壓縮體積，從而提供了在擴張過程中避免截留壓力增大的手段。給水泥護層提供這種可坍陷體積的一種方法是泡沫水泥，其中，水泥在泵送期間利用諸如空氣或氮氣的氣體形成泡沫，使得在水泥硬化之后，水泥護層包括一定體積分數(shù)的可壓縮氣體。通過在水泥混合物中包括空心微球體(例如，可從諸如3M公司等公司購得的硼硅酸鹽空心微球體)可以實現(xiàn)提供就地坍陷的另一手段。對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，這些方法還均減少了單位體積固化水泥中的未反應(yīng)水的體積，并且可以針對一個個井分別定制犧牲性坍陷體積。另外，顯而易見的是，可坍陷水泥護層還可以包括其它機械改性劑，例如但不限于前面提到的橡膠顆粒、共聚物、乳膠、就地氣體生成混合物以及其它手段。給位于可擴張管件后面的環(huán)形間隙提供液體釋放路徑的其它方法包括但不限于對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的旁通管、爆破盤、容積室等。在一種優(yōu)選實施例中，可能希望以開始容積釋放的方式準備井眼。這可以通過多個手段實現(xiàn)，包括但不限于在擴張之前在井眼中施加液壓壓力以開始使井眼失效。在另一種實施例中，可通過在將可擴張管件下送到井眼中之前對地層進行液力噴射以產(chǎn)生管子應(yīng)力集中凹槽來影響地層。這在地層中形成弱化區(qū)并且允許它在擴張過程中由于壓力增大而更易于破碎，但是不需要一定在此之前破碎，從而允許井眼更易控制、循環(huán)和灌注水泥。在一些優(yōu)選實施例中，環(huán)形空間內(nèi)的水泥被替置，使得可擴張管件的下端由鉆井流體、水泥隔層或者位于井底的其它非水泥流體包圍。另外，該流體可還包含具有比上述錨固水泥更長的固化時間的水凝水泥。這樣的方法是優(yōu)選的，從而允許擴張過程利用較小的作用力開始。在一些優(yōu)選實施例中，可能希望在已經(jīng)完成擴張過程之后泵送附加的水凝水泥或其它流體。該流體的目的是確保擴張管件的環(huán)形空間內(nèi)的橡膠化水泥不會泄漏或者允許來自更深地層的在擴張管件后面的流體連通。這種實施手段通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱作擠水泥(shoe squeeze)0應(yīng)當(dāng)理解，這里公開的水泥錨固技術(shù)可以單獨使用，或者與其它錨固技術(shù)，例如千斤頂或懸掛裝置結(jié)合使用。同樣，這里公開的技術(shù)可以對擴張襯管的連續(xù)長度段重復(fù)使用， 每個長度段可以擴張至相同的內(nèi)徑，從而形成單一直徑的鉆孔。
權(quán)利要求
1.一種用于使可擴張管件在鉆孔中擴張的方法，包括以下步驟a)將可擴張管件定位在鉆孔中的希望位置；b)僅通過位于在管件和鉆孔壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的第一水泥部分將管件錨固在希望位置；和c)通過使擴張裝置移動穿過管件來使管件擴張。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分在進行步驟c)時并不固化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分包含在進行步驟c)時交聯(lián)的聚合物。
4.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，第一水泥部分包含環(huán)狀凝膠劑。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一水泥部分在進行步驟c)時固化。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟c)使水泥破裂。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟c)并不使水泥破裂。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括給在擴張期間從水泥排出的水提供出口路徑的步馬聚ο
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在環(huán)形空間內(nèi)提供第二水泥部分的步驟，其中，第二水泥部分具有比第一水泥部分更長的固化時間。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)水泥的性能和期望擴張力計算錨固需要的水泥的長度的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于使可擴張管件在鉆孔中擴張的方法，包括以下步驟a)將可擴張管件定位在鉆孔中的希望位置；b)僅通過位于在管件和鉆孔壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的第一水泥部分將管件錨固在希望位置；c)通過使擴張裝置移動穿過管件來使管件擴張。水泥可以在進行步驟c)時固化或不固化并且可以在步驟c)期間破裂或不破裂。該方法可以包括給在擴張期間從水泥中排出的水提供出口路徑，提供比第一水泥部分具有更長的固化時間的第二水泥部分，或者根據(jù)水泥性能和期望擴張力計算錨固需要的水泥長度。
文檔編號E21B33/14GK102365420SQ201080014908
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者D·R·阿爾古, J·F·希斯曼 申請人:國際殼牌研究有限公司