用于建立地下井的方法和装置

本发明涉及用于建立地下井、特别是石油井的方法。所谓建立是指：完 全地或部分地钻孔，并且进一步装衬(line)该孔，这样就使孔壁密封，以 及将完井管(completion string)置入用于开采或注入的井内。如果孔已经预 先存在，该方法也可以用于装衬孔，或用于放置完井管，因此，可以提高向 下钻凿的测量和控制的可能性。

更具体而言，本发明涉及一种方法，在该方法中，在将钻井工具拖到地 表之前，将衬套与钻井工具一起运送进钻孔内并使所述衬套与钻井工具定位 于钻孔内。该方法特别适用于钻孔方向相对于竖直方向偏离相当多的所谓的 倾斜钻井(deviated drilling)中。

另外，该方法包括完井管的定位，其中可能是与一体的电缆或光缆一起 定位，也可能是与传感器和致动器一起定位，以完成开采或注入用的井。本 发明还包括执行该方法的装置。

在本说明书中，上、下是指当工具位于垂直的钻孔中时的相对位置。

当钻凿地下倾斜钻孔时，很难将足够的推力传递至钻头。其原因可能在 于：钻柱的重力以及可能的位于钻头上方的钻环的重力的实质部分被钻孔壁 和钻柱之间的摩擦力吸收。当涉及相对较长并且近似水平的钻孔部分时，导 致很难使壳体移动，例如在倾斜钻孔中向前移动。其原因在于在壳体移动时、 在钻孔和壳体之间产生的相当大的、必须要被克服的摩擦力。

挪威专利179261涉及一种装置，在该装置中，在钻头上方设置有相对 于钻孔可密封地移动的活塞。钻孔内的钻井液压力将力施加到使钻头移动进 入钻孔中的活塞上。该文件描述了受到一定程度限制的钻孔的衬套及完成。

本发明的目的在于克服现有技术的缺点。

根据本发明，通过在说明书的以下部分以及以下权利要求书中详细说明 的特征，来实现上述目的。

下工具组件(lower tool)包括一种实质上为公知类型的钻井工具，该钻 井工具用于钻凿一个直径比钻井工具可以移动通过的开口大的钻孔。所述下 工具组件还包括用于钻井工具的驱动马达、必要的阀和用于控制钻井工具的 器械。同样有利地是，下工具组件设有具有用于测量位置、压力和地层参数 的测井仪，以及安装在压力控制所用的回流管路上的防喷装置(BOP)，以 防止喷出。

下工具组件连接于延伸至地表的至少两个输送管。优选采用双挠性管 (double coiled tubing)形式的钻柱，其中，一个挠性管在尺寸较大的外挠性 管的内侧延伸，或者可以采用其他类型的双通道管，或者两个并排的挠性管。 这种类型的钻柱具有至少两个单独的管。

在此选择双挠性管形式的钻柱作为实例，然而根据本发明的方法和装置 也可以应用于连接的挠性管和未盘成螺旋形的连接管。

钻柱从下工具组件向上延伸到地表，第一挠性管用于将钻井液向下抽 吸，而第二挠性管(可能是内管)用于使钻井液和钻屑返回。

壳体自下工具组件向上、沿挠性管的长度围绕挠性管，其中该壳体的下 部连接到下工具组件。该壳体优选为可变形和可膨胀的类型，其在置于钻孔 内前和置于钻孔内后均可塑性变形和膨胀。此后，所述壳体即指可膨胀的壳 体，尽管在一种形式的方法中可以选择管道不膨胀的实施例。

上工具组件以可移动并且密封的方式围绕挠性管，而且该上工具组件连 接于可膨胀壳体的上部。上工具组件包括：可移动的封隔器，其密封钻孔壁， 该封隔器设置为接受来自地表的，例如通过在封隔器上的反向压力的控制， 以膨胀密封钻孔壁。该封隔器也可以具有内置的可控阀，该可控阀可以允许 液流在特定情况下，例如在钻井设备下降至井内的时候流过封隔器，

上工具组件也可以包括旋转固定器(rolling anchor)，其用于吸收例如 来自钻井工具的扭矩。而且，上工具组件也可以包括用于壳体的膨胀的膨胀 芯轴。该膨胀芯轴可以优选地设有轮子或其他形式的旋转装置，以减少摩擦 力并促进可膨胀的壳体的膨胀。所述的轮子可以全部或部分地用作吸收上述 的扭矩的旋转固定器。

因此根据本发明的作业设备(running tool)包括：下工具组件和上工具 组件，壳体和从下工具组件向上延伸到地表的两个输送管。

用于钻凿和在钻孔内设置壳体的方法包括：将作业设备下降至钻孔的底 部，其中壳体已经设置并结合于所述底部。当上工具组件的可移动密封封隔 器密封所设置的壳体时，上工具组件上方的环状物内液压作用在作业设备 上，从而导致钻井工具压向钻孔的底部。

钻井液通过第一输送管从地表向下被抽吸到钻井工具的驱动马达，所述 驱动马达优选位于下工具组件中。然而，驱动马达也可以位于上工具组件中。 钻井工具的扭矩可以优选地经由可膨胀的壳体被相对于孔壁的摩擦力或旋 转固定器吸收，该旋转固定器优选位于上工具组件中。

返回的钻井液和钻屑通过第二输送管从孔的底部流到地表。进入第二输 送管的入口可以位于钻头的中央，并且被导入管道中穿过下工具组件，入口 也可以位于钻头后面的环状物中，并且被引导通过一个或多个通道且从此进 入第二输送管。当返回的钻井液和钻屑通过钻头的中央时，能够通过在钻井 过程中、在穿过返回管向上流动的液体中使岩心返回到地表而连续地取芯。

也可以从外部向可膨胀的壳体上冲刷或放置液体。该操作也可以通过使 用下工具组件中的可控阀来实现。在此可以放置从地表控制的阀。所述阀可 以将从地表抽吸的液体引导流经下工具组件，并返回到挠性管和可膨胀的壳 体之间的环状物中的上工具组件，以使得随后在可膨胀的壳体的外侧向下流 回到孔的底部。由此，该环状物可以被周期性地或连续地冲洗，以清除粒子 和可能的气体。而且，可以在环状物中放置粘结块，该粘结块随后被放置在 可膨胀的壳体的外侧，这可能与管道的膨胀相关。

当使用钻井工具扩钻孔时，作业设备向下移动直到可膨胀的壳体的上部 接近所设置的壳体的下部。如果选择在钻凿结束后再膨胀壳体，那么其可以 通过以下过程完成：通过将钻孔内的、上工具组件上方的压力增加到预定的 水平，使得上工具组件从膨胀的壳体松开，随后，迫使膨胀心轴通过膨胀壳 体。所述膨胀壳体因此膨胀到预定的尺寸。

在壳体可能膨胀之前，在钻井操作期间，从地表向下抽吸在可膨胀的壳 体中、或者最优选地位于可膨胀的壳体中的粘结块，能够被导入可膨胀的壳 体和钻孔壁之间的环状物中。

在膨胀期间，钻柱可以优选地保持拉紧，从而向膨胀的壳体提供附加的 压力。

在可能的膨胀之后，下工具柱将与膨胀的管道的下部断开连接，随后， 可以将作业设备拔出钻孔，以使该作业设备再装备新的可膨胀的壳体。

优选地，在需要的壳体长度上多次重复上述处理，直到达到所希望的钻 井深度。在多个膨胀的壳体的长度之间没有直径上的差别，或只是可以忽略 的差别。

为了在油贮层中钻井，在一些井段中可以用可膨胀型的或不可膨胀型的 通流砂筛替换壳体。

能量和控制信号可以通过实质上公知的方法传送到本发明的装置，例如 通过井下遥感勘测以及沿钻柱的线缆。

通过钻柱向用于驱动钻头的马达供给能量，该能量可以是通过钻柱并经 由从地表抽取的钻井液的电能，也可以是通过将燃料从地表向下运送到马达 的化学能，燃料可以通过在钻柱中的单独通道。

钻柱、壳体和完井管可以是由不同性质的钢制成的常规的类型，或者也 可以由其他材料制成，例如诸如铝等轻金属，也可以在内侧和/或外侧结合有 防磨损涂层和电绝缘层。

这种使用新材料的方式能使钻柱变轻。当钻柱内的液体循环时，将导致 钻柱近似失重，内侧所使用的液体的密度小于位于双钻柱外部的液体的密 度。以与钻柱相同的方式，壳体和完井管可以是整个长度上可具有挠性的管， 可具有挠性的连接管或不具有挠性的连接管。

在可选的实施例中，由于钻柱中的至少一个管道的一侧或两侧涂敷有电 绝缘材料，由此至少一个管道是与地电位电绝缘的，所以电能的传输和信号 的传输可以实现。从而，由于管道的相对较大的金属横截面积，因此可以通 过绝缘管道发送相当多的电能而损耗相对很少。电能的良好供给可以有利地 用于效应和信号的传送，例如用于驱动用于旋转和操作钻头的井下电马达。 也可以采用导电体驱动井下电泵，以用于返回钻井液的压力控制和用于控制 井下致动器、数据采集以及对地表的遥感勘测。

用于在地表和位于井下钻柱内的传感器或致动器之间信号传输的、具有 相对较小的横截面积的导电体和/或光导体可以放置在绝缘材料中。这些信号 传输线缆可以例如通过保护在加固的复合材料中的方式来免受磨损。

根据上述方法，也可以使用如壳体和完井管的耐久的管柱，以用于与具 有在内侧或外侧的保护绝缘材料中内置的线缆的井下传感器和致动器相连 通。这种耐久的管柱将具有特别的优点，例如在石油的回收中，耐久的管柱 可以容易地用于开采或注入的井下监测和控制。在此涉及的可以是膨胀壳体 型的管柱，这种管柱被挤压以密封存在于井上的衬套，因此有助于确保紧密 性也可以增加井的衬套的长度。管柱也可以是这种类型的、但是不膨胀并且 粘结固定在钻孔内的管柱，这样该管柱在井内形成为衬套的一部分。

具有在内侧或外侧上内置于保护绝缘材料中的线缆的管柱与井下传感 器和致动器一起可被拖拽的并无需粘固地置入井中。这种可以与井下封隔器 结合的管柱将由此弥补可拖拽的完井管，该完井管能够在不同区域对开采和 注入进行监测和控制。

优选地，在外部钻井管的内侧设置电绝缘材料，信号线缆在所述电绝缘 材料中延伸。这样可以在钻柱内设置电通信、以及随后将钻柱的外管用作所 谓的完井管。

根据本发明的方法和装置通过有效地建立所述井(涉及陆地井和海底 井)而提供许多优点。在建立海底井时能提供特别的优点，这是由于取油管 内置于钻柱中，也就是说原则上其不强制具有围绕钻柱的外管、或用于将钻 井液从海床返回运送到海面的额外的泵装置。这意味由于重量减轻，特别有 利于在海洋深度较深的情况下使用。

当通过建立额外的阻挡层(barrier)来控制井时，本发明的方法和装置 还能够有利地增加钻凿期间的安全性。上工具组件上方的钻井液可以优选为 所谓的压井液，也就是说其具有特别的重力，以使得井内的压力始终大于周 围地层中的孔隙压力，并且因此作为井控制阻挡层。在井的顶部的BOP(防 喷装置)是井控制阻挡层的另一种形式。

根据该方法，普通的井控制阻挡层是通过与回流管路上优选的故障保险 阀结合的上工具组件的可移动的封隔器形成的，所述阀与下工具组件形成一 体、并且可以从地表进行控制。这些构件最为额外的阻挡层，用于在给定的 条情况下阻止地层钻井液不可控地流进入井内。由于在钻凿期间能够实现在 井中的可控制地开采，因此这些构件也能增强安全性和控制，例如在欠平衡 钻井中。

在上述的背景下，循环的钻井液可以设计为密度很低而不会影响钻凿安 全。因此根据本发明的方法和装置能够改进对井的开孔内的压力的监测和控 制。

如上所述，由于使用具有浮力的、轻量的钻柱，所述本发明的方法允许 钻凿特别深远的孔。这样对回收石油领域提供了更有效地排水。其这对于在 其他领域的应用也是有益的，例如对于涉及地热能回收的领域。近似失重的 钻柱也将允许钻井船对移动时的精确定位和响应时间的要求很少，而且能够 在钻凿海底井中实现简单的升降补偿，其中升降补偿通过钻柱的挠性实现。

对于海底井，钻柱可以延伸通过远海，或者可以通过导管从海床被引导 到海面。上述导管中可以填充有水或所需密度的钻井液。该导管自身也可以 具有一体的浮动构件，以便使导管自身不出现任何以施加在钻探船舶上的力 的形式出现的大的负荷。

以下描述在附图中所示的优选的方法和实施例的非限制性的实例，在附 图中：

图1示意性地显示了井，其中该井是通过海面上的船舶建立的；

图2示意性地、并以较大的比例显示了作业设备，该作业设备位于钻孔 的下端部分；

图3示意性地显示了钻孔被进一步钻凿后的作业设备，这样膨胀的壳体 的上端部分与预先设置的壳体的下端部分相对应；

图4示意性地显示了当可膨胀的壳体膨胀到其膨胀直径时的作业设备；

图5示意性地显示了当膨胀完成、下工具组件通过膨胀的壳体被向上拔 时的可膨胀的壳体；

图6示意性地、并以较大的比例显示了作业设备；和

图7显示了井，其中在该井中设置有加固壳体和完井管。

在附图中，附图标记1表示作业设备，其包括下工具组件2、上工具组 件4、延伸在上工具组件4和下工具组件2之间的可膨胀的壳体6、以及从 下工具组件2延伸到海面(地表)的双挠性管8。

作业设备1置于设有壳体12的钻孔10中。

如图5所示，下工具组件2包括一种实质上为公知类型的钻井工具14， 该钻井工具14构造为可以移动穿过直径比钻井工具14要钻的钻孔10的直 径小的开口。如图6所示，马达16驱动钻井工具14。

钻井液和钻屑可以通过与双挠性管8的第二输送管24相连接的下工具 组件2中的返回入口22流到海面。可选地，返回入口22可以位于钻头(图 中未示出)的中央，同时也是为了将岩心从孔的底部直接运送到第二输送管 24中。

下工具组件2可松开地连接于膨胀的壳体6的下部，例如通过下剪刀销 26。

双挠性管8密封地并可移动地延伸穿过上工具组件4。在该优选实施例 中，上工具组件4包括：密封壳体12的可移动的封隔器28，旋转固定器30 和膨胀工具32。部件28、30和32实质上均已公知，因此不进行更详细的说 明。

上工具组件4可松开地连接于膨胀壳体6的上端部，例如通过上剪刀销 34。

在作业设备1被组装到海面上之后，作业设备1可以通过取油管36和 井口阀38开闸进入钻孔10中。随后，通过重力，或通过将钻井液抽吸进钻 孔10中上工具组件4的上方、封隔器28密封壳体，并且钻井液压力作用于 工具组件4的面向上方的区域上，作业设备1可以向下移动进入钻孔。位于 作业设备1下方的钻井液可以通过双挠性管8的第二输送管24被排出到海 面。可以通过未图示的、优选为在下工具组件2中的电动升压泵促进钻井液 从作业设备1排出到海面。

如图2所示，当作业设备1的钻井工具14碰撞到钻孔的底部时，钻井 工具14以实质上公知的方式设置为以所要求的直径进行钻凿。此后，启动 马达16。钻井工具14的扭矩经由膨胀壳体6被上工具组件4的旋转固定器 30吸收。

钻井工具14对钻孔10的底部的进给压力可以通过对上工具组件4的顶 侧的液压的调节来进行调节。该进给压力也可以通过改变循环钻井液的密度 或流速来进行调节，或者也可以通过如上所述的未图示的泵来进行调节。

当钻凿出与可膨胀的壳体6的长度相应的距离后，膨胀的壳体6的端部 对应于或接近壳体12的下端部，如图2所示，钻凿终止。

必要时，可膨胀的壳体6内可以设有粘结块(cementation mass)，在对 这部分的操作中，粘结块被强加于可膨胀的壳体6和钻孔10之间的环状物 40中，否则环状物40可能会被冲掉。

增加上工具组件4上方的钻井液的压力，这样上剪刀销34断裂，随后， 膨胀工具32沿可膨胀的壳体6向下移动。由此使可膨胀的壳体6具有所需 的膨胀直径。

当膨胀工具碰撞到下工具组件2时，下剪刀销26断裂，由此，下工具 组件2从可膨胀的壳体6松开。然后，如图4所示，不再具有可膨胀的壳体 6的作业设备1被从钻孔10中向上拔。

图3示出了整个上工具组件4与膨胀工具32一起被移动到可膨胀的壳 体6中。在一个未图示的可选实施例中，在膨胀操作期间，上工具组件4中 的部件(例如旋转固定器30)可以留在可膨胀的壳体的上部。

在已经完成了对所要钻凿的目标的钻凿后，可以通过加固壳体42的膨 胀一次执行或反复地执行对井中壳体12的加固动作。加固壳体42可以靠着 已经竖立于钻孔中的壳体12、形成在井的整个长度或部分长度上。可选地， 加固壳体42可以粘结于壳体12。使壳体12加固的该加固壳体42可以优选 地设有内置的电缆或光缆44，以及未图示的用于监视和控制开采或注入的井 下传感器和致动器。该加固操作可以重复进行，以使钻孔10的衬套的强度 增加到需要的水平。

在完成钻孔10的装衬后，优选地在涉及到开采井时，在钻孔10中设置 有可拖拽的完井管46。与上述加固壳体相同，该完井管46可以设有内置的 电缆或光缆44，以及未图示的井下传感器和致动器。

所述完井管46优选地设有：至少一个井下封隔器48，其被设置为密封 壳体12；以及也可以设有加固壳体46，由此在至少一个井区50内，使得环 状物被隔离在完井管46和壳体12之间。

如果需要同时从多个井区50排出或注入到所述多个井区50中，优选地， 完井管46以与钻柱8同样的方式设有两个或多个管。

钻孔10通过海面62上的船舶60建立。如图1所示，船舶60设有钻井 设备64。钻柱8在向下移动至钻孔10内之前，一般缠绕在船舶60上的未图 示的滚筒上。

钻柱8可以自由放置在海上，也可以被封闭在取油管66中。该取油管 66可以设有未图示的浮动构件。