多层钻井及完井之装置与方法

本申请是1993年6月18日提出的美国联合进行专利申请编号 08/080,042的延续部分。

本发明涉及从单井筒或共用井筒钻多层地下井以及通过共用井 筒内定位的分离套管完成这种井用的装置与方法，更具体地说，是从 单井筒或共用井筒钻与完成多层地下井的装置与方法，使这种井在 钻井与完井过程及以后能在地表或接近地表分层。

井筒越来越钻入地层，其方向用普通造斜器测钻或用固定在靠 近钻头钻柱上的泥浆马达特意偏离垂线。在断裂的地层中，利用斜 井，增加地层内井限定的泄油面积，从而提高地层的油气产量。利用 普通的造斜器，钻斜井带来固有的问题是：当造斜器在井筒定位后， 不能再改变，无法收回井筒的造斜器，也就不能改变深度和/或径向 方向，因而使造斜器的深度和径向方向固定不变。

此外，从海上钻井平占钻井通常是偏斜的，以提高从单平台可钻 并完成的井数。地层深水钻井与完井用的海上钻井平台尺寸，结构与 成本随水深及平台规定的负载而异。例如，建造的平台部分可用一个 桩腿或一个伸到海底的沉箱支承，或用多达8个桩腿或沉箱支承。这 种海上钻井平台造价约为五百万美元到五亿美元不等。每座海上钻 井平台备有一定数量的割缝，通过割缝可钻斜井，并通过用一般方法 与平台固定的套管完成斜井。

因此，需要有从单井筒或共用井筒进行多层下套管钻井与完井 的装置与方法，以便降低岸上与海上钻井的基建费用。

所以，本发明的目的是提供一种从单井简或共用井筒地层多层 钻井与完井的装置与方法，而且，这种多层井在钻井与完井过程及以 后，在地表或接近地表分层。

本发明的另一个目的是提供一种从单井筒或共用井筒地层多层 钻井与完井的装置与方法，不使用可动井下组件。

本发明的再一目的是采用如下方法完成这种多层下套管井，即 在一口井上进行修理作业，同时通过分离套管完成其他口井，从地层 开采油气或将流体注入地层。

本发明的又一目的是提供这样一种从单井筒或共用井筒多层下 套管钻井的装置与方法，这种井筒结构比较简单，可使每口多层井的 生产套管单独悬挂在地面装置，并达到每口多层井的分离生产套管 伸出与地表有关的地层。

为了达到上述与其他目的，并按照本发是的宗旨，正如本文实施 例和概括论述的，本发明的一个特征是：

通过该装置，可以共用井筒，分层钻与完成多层地下井。装置包 括位于地表或接近地表，并定位在共用井筒上的井口，定位在共用井 筒内的第一和第二井管，以及定位在井口，用于分离和支承第一和第 二井管的装置。确定的第一井管尺寸可使钻柱在从共用井筒钻第一 地下井筒时通过，而且使生产套管在第一地下井筒完成时从此通过 定位。用同样方式，确定第二井管尺寸，也使钻柱在从共用井筒钻第 二地下井筒时通过，而且使生产套管在第二地下井筒完成时从此通 过定位。

本发明的另一特征是：

装备的井上装置包括定位在共用地下井筒，分离和支承至少2 根井管的第一装置，和

支承至少2根生产套管的第二装置，该套管从上述共用地下井 筒延伸到分离地下井筒。生产套管之一伸过一根井管，而另一个生产 套管则伸过另一根井管。

本发明的又一特征是：

提出了地下钻井与完井的方法，根据本方法，2根单独的井管悬 挂在共用井筒井口的下面并在共用井筒内定位。钻第一地下井筒通 过2根井管之一，再进入地层，而第一段生产套管固定在井口上。第 一段生产套管延伸到第一井筒，并支承在井口上，以便在第一井筒穿 透的地层与地表之间构成流体通道。

本发明还有一个特征是：

提供的方法从一个共用井筒至少要钻2个地下井筒。本方法包 括共用井筒内至少定位2根井管，至少通过各个上述2根井管，钻分 离地下井筒，并进入地层。

本发明包括的附图是说明的一部分，阐述本发明的实施例，并与 说明一起来解释本发明原理。

图1为本发明装置在井筒定位的剖面图；

图2为密集双筒插件在本发明装置定位支承的剖面图；

图3为本发明装置剖面图，图示井口悬挂2根井管；

图4为本发明装置剖面图，图示装置施工时固定一起的井口剖 面；

图5为本发明装置剖面图，包括通过密集双筒井口的一个井眼 及相连装置井管，钻第一地下井筒用的钻杆法兰；

图6为本发明装置部分剖面图，图示利用本发明装置所钻第一 地下井筒内定位的生产套管；

图7为本发明装置部分剖面图，包括通过另一密集双筒井口的 井眼及相连装置井管，钻第二地下井筒用的钻杆法兰；

图8为本发明装置部分剖面图，图示利用本发明装置所钻第二 地下井筒内定位的生产套管；

图9为本发明装置包括密集双筒法兰短管的部分剖面图；

图10为本发明装置部分剖面图，标有用本发明装置所钻第一和 第二地下井筒内定位的分离生产油管，每一井筒在地面有分离采油 树；

图11为本发明装置部分剖面图，部分在图9示出，图中采用本 发明装置所钻第一和第二地下井筒在地面有分离采油树，以便使地 下流体的生产通过各井筒内定位的生产套管；

图12为本发明井下回接装置固定一根井管的一个实施例剖视 图；

图13为图12所示本发明井下回接装置一个实施例剖面图，图 示第2井管下入通过回接装置与螺纹井眼啮合；

图14为本发明回接装置固定一根井管和第2井管一部分的另 一实施例剖视图，第2井管其余部分下入共用井筒，通过回接装置与 螺纹井眼啮合；

图15为有三个井眼的插件在用本发明井口装置定位支承的俯 视图；

图16为本发明装置剖面图，图示井口悬挂三根井管。

如图1所示，直径比较大的井管或管子2，如直径30英寸管子， 用冲击或其他合适的装置打入岸上地面或海上地面，直到管子不能 再打入比较浅的深度，换句话说，直径大的井眼，例如直径36英寸的 井眼，用熟练工极明显的普通方法，钻入地层，并将直径比较大的井 管或管子2，如直径30英寸的管子在井眼定位并在此胶结，此后，通 过管子2，钻直径稍微小的井筒，深度如1200英尺，并用熟练工极明 显的普通方式，将导管4定位并胶结在该井筒里。井口6有许多桩腿 或衬垫7固定在管子2和套管4上，使桩腿7底部靠压管子2的上 端，如是岸上，则靠在地表，或靠在海上钻井平台的井口甲板，两者均 示于图1编号5。导管4上端装在井口6内，再用合适的方法，如焊接 固定之(无图示)。然后，通过套管4钻井筒到适当深度，如约3500— 4000英尺。最终井筒9可以是垂直的，也可是偏斜的。

参阅图2，井口6有可通过不同直径，限定一般环形台肩14的 井眼12。插件20定位在井眼12内，并支承在一般环形台肩14上。插 件20至少具有2个可通过不同直径的井眼22，26，该井眼分别限定 一般环形台肩23，27和锥形节24，28。如图3所示，多数井管30，34 在数量上与通过插件20井眼数一致，都以下面所述方式，通过井眼 22与26定位，再用如普通套管卡瓦31，35固定之，这种套管卡瓦在 下入分别与锥形节24，28接触时，膨胀与插件20啮合。套管卡瓦 31，35装有密封件32，36，该密封件可用任何适合的材料，如合成橡 胶制作。可采用其他普通装置，如开口心轴悬挂器代替套管卡瓦31， 35，将井管30，34固定到插件20上。井管30，34还装有普通封隔密 封圈33，37。正如本说明全部采用的，“井管”指的是一段管线，如套 管，通常定位在地下井筒内，一般由单独的管段组成，各管段如用螺 纹固定在一起。

井管30，34与插件20固定后，密集双筒井口15(图4)用合适 的方法，如用螺栓(无图示)固定到井口6上，并通过全部两个井眼 16，18真正与井管30，34对准。井眼16，18各直径分别限制在环形 台肩17，19所规定的长度范围。组装时，封隔密封圈33和37在井 管30，34与密集双筒井口15之间起到流体不能透过的密封作用。所 以，当井管30和34在井筒9内定位时，按普通方式，最好只通过其 中一根井管运送水泥浆胶结。最好是使水泥沉积在井筒9延伸到套 管4。

此后，装有如合成橡胶密封图的密封件39之插塞38，通过密集 双筒井口15定位于井眼16或18(图5所示为井眼16)之一的上端， 而钻杆法兰40则用合适的方法，如用螺栓(未图示)固定到密集双筒 井口15上。法兰40通有井眼41，与井眼18和井管34真正对准，以 便使钻柱由此通过。另外，为熟练工极明显的安全钻井，确定法兰40 的尺寸，能连接普通防喷器。因此，在组装时，钻杆法兰40，井口6，密 集双筒井口15及井管30，34构成一种如下述方式从地面可单独钻 与完成两口井的装置，从而排除了需要装有活动零件的井下工具，并 解决了与此有关的问题。本装置可从岸上钻机和/或海上钻井平台钻 井时使用。

装有一端固定钻头的钻柱，通过井眼41和18及井管34，钻碎 此处存在的硬化水泥。钻柱从井管34底部推进，而且用一般方式由 此钻普通直井或斜井井筒46，以便穿透地层或地带。在从井管34钻 井筒并在必要时划眼后，生产套管56(图6)，从地面下入，直到这一 部分在井筒46里定位为止。首先，生产套管56按一般方式用水泥胶 结，最好延伸到井管34底部。水泥硬化之前，生产套管56固定在密 集双筒井口15的井眼18内，其方法是使普通套管卡瓦57膨胀，当 接触环形台肩19时，与密集双筒井口15的井眼18啮合。套管卡瓦 57装有密封件58，在密集双筒井口15与生产套管56之间起到流体 不能透过的密封作用。生产套管56上端还装有普通的封隔密封图 59。

因而，当生产套管56固定在密集双筒井口15的井眼18并胶结 在井筒46内后，从密集双筒井口15拆下钻杆法兰40，生产套管56 伸出封隔密封圈59的部分要隔离或用普通工具切断，再取下井眼 16上端的插塞38。用合适的方法，如用螺栓(未图示)，再次将钻杆法 兰40固定在密集双筒井口上，使穿过法兰40的井眼41真正与井眼 16和井管30对准，以便钻柱由此通过(图7)。再次将普通防喷器固 定在钻杆法兰40上，确保安全钻井。装有一端固定钻头的钻柱穿过 井眼41和16及井管30，钻碎此处存在的硬化水泥。钻柱从井管30 底部推进，用普通方式由此钻一直井筒或斜井筒44，以便穿透地层。 在从井管30钻该井筒并在必要时划眼后，生产套管50从地面下入， 直到这一部分在井筒44内定位为止，如图8所示。首先生产套管50 按普通方式用水泥胶结，最好延伸到井管30底部。水泥硬化之前，生 产套管50固定在密集双筒井口15的井眼16内，其方法是使普通套 管卡瓦51膨胀，当接触环形台肩17时，与井眼16啮合。套管卡瓦51 装有密封件52，在密集双筒井口15的井眼16与生产套管50之间起 到流体不能透过的密封作用。生产套管50上端还装有普通封隔密封 圈53。可采用其他普通装置，如心轴悬挂器代替套管卡瓦51，57，分 别将生产套管50，56固定到密集双筒井口15上。因而，当生产套管 50固定在密集双筒井口15的井眼16并胶结在井筒44内后，从密 集双筒井口15拆下钻杆法兰40，生产套管50伸出封隔密封圈53的 部分要隔离或用普通工具切断(图9)。

如图9所示，密集双筒法兰短管60用合适的方法，如用螺栓(无 图示)固定到密集双筒井口15上，使穿过法兰短管60的井眼62和 64分别与生产套管50和56真正对准。62，64各井眼均有限定锥形 节63，65的直径限制。封隔密封圈的功能在生产套管50，56与法兰 短管60之间分别起到流体不能透过的密封作用。以后，生产套管50 和56被置于与地层相连的流体通道，用合适的方法，如射孔穿透，这 样流体首先是油气进入套管50和56，到地面开采。如图10所示，直 径较小的生产油管70，76分别在生产套管50，56内定位，并用普通 油管悬挂器71，77支承起来，即在油管悬挂器分别接触环形台肩63 与65时，将其放入法兰短管60。可采用其他普通装置，如心轴悬挂 器代替油管悬挂器71，77(如图10所示)，分别将生产油管70，76固 定到法兰短管60上。生产油管70，76上端还装有普通密封装置72 和78，在法兰短管60与生产油管70和76之间起到流体不能透过的 密封作用。安装分离采油树80和86，以便分别构成与生产油管70 和76相连的流体通道。

另一方面，生产套管50和56的地层渗透液可通过生产套管直 接到地表开采，不必按照熟练工极明显的特殊用途使用生产油管。在 该实施例中，分离采油树80和86装在法兰短管上，以便分别构成与 生产套管50和56相连的流体通道，如图11所示。

所以，当按照本发明钻井与完井时，两口地下井44，46钻入同一 或不同地层或层位，达到相同或不同总的深度，各为直井或斜井。分 层完井44和46，通过单井筒或共用井筒到达地面，以便可同时从地 层采液和/或通过两口井注入地层。当油气同时从地层开采或通过另 外的井流体注入地层时，可在一口井内进行修理作业，包括但不限于 修井，重新完井和另钻新井。此外，当油气通过另外的井正从同一或 不同地层开采时，流体可通过一口井注入地层。

由于本发明装置井管30和34的长度，约如3500到4000英尺， 最理想的是保证该井管，按在井筒9内定位，具下端附近仍然保持分 离。图12一般示出的井下回接装置100，连通第一井眼102和第二 井眼104。在地面或共用井筒内定位时，井管30各分离段，例如用螺 纹固定在第一井眼102内。第二井眼104带有螺纹105，与弹性夹头 锁37相连，固定在井管34外部。当井管34按图13所示方式，下入 共用井筒时，弹性夹头锁37锁上与螺纹105啮合，将井管34固定在 回接装置100上，从而使井管30与34在井下的相对关系固定。这 样，提高了本发明装置井下结构的稳定性，使方向控制得到提高，从 而利用本发明装置将钻井与完井井筒阻碍减少到最低程度。

图14示出另一井下回接装置120，连通第一井眼122和第二井 眼124。在地面或共用井筒内定位时，井管30各分离段，例如用螺纹 固定在第一井眼122内，而井管34的一段用同样方式固定在第二井 眼124内，以便由此悬挂。弹性夹头锁37固定在进管34其余管段下 端的外部。当井管34这些余留管段按照图14所示方式下入共用井 筒时，弹性夹头锁137锁上，与第二井眼124内的螺纹125啮合，将 井管34其余管段固定到回接装置120上，从而使井管30和34在井 下的相对关系固定。井管34下端的密封件138在井管34与回接装 置120之间起到流体不能透过的密封作用。

下面的例子表示本发明的通常作法与效用，但不能认为限于这 一范围。

例一

将一根直径30英尺管子击入地内500英尺。通过直径30英尺 管子钻一直径26英寸井筒，深度为2000英尺，再下钻24英寸直径 并胶结。将直径26 3/4英寸，3000磅/英寸2启动井口装在直径24 英寸套管上，再减小直径到24英寸。通常钻井筒通过该套管到地面 套管深度，即4000英尺，再管下扩眼到直径24英寸。井下回接装置 用螺纹拧到直径9 5/8英寸地面套管上，再下入26 3/4英寸的启动 井口。然后下入9 5/8英寸套管，穿过插件一井眼至距井筒底部约30 英尺之处。用心轴悬挂器将9 5/8英寸套管固定在插件内，再从心轴 悬挂器去掉第一套管伸出插件的部分。装有弹性夹头锁直径95/8英 寸套管的第二钻柱插通插件第二球筒，再下入回接装置，直到弹性夹 头锁穿过回接装置与井眼螺纹固定为止。用循环水泥，通过下入井筒 9 5/8英寸的套管第二钻柱，将9 5/8英寸套管的两个钻柱胶结在井 筒内。然后用卡瓦装置将9 5/8英寸套管的第二钻柱固定到插件上， 切断第二套管伸出插件的部分，再将密封装置装到2个套管钻柱上。

将密集双筒井口装到启动井口上，插塞插入密集双筒井口的第 一井眼上，钻杆法兰装在密集双筒井口上，以便通过密集双筒井口 进入第二井眼。将防喷器装到钻杆法兰后，进行压力试验。钻柱通过 直径9 5/8英寸套管的第二钻柱，钻碎水泥及该套管底部的浮动设 备。然后从9 5/8英寸套管的第二钻柱底部定向钻井筒到预定总深 度10,000英尺。井筒划眼，再将直径7英寸生产套管下入井筒并在 此胶结。然后装上卡瓦，将套管固定在密集双筒井口上。最后切断7 英寸生产套管伸出密集双筒井口部分，再在生产套管与密集双筒井 口之间装上封隔密封件。

从密集双筒井口上取下钻杆法兰，再从第一井眼取下插塞。然 后，将钻杆法兰装到密集双筒井口上，以便进入第一井眼，再用封隔 密封件隔离第一完钻井。将防喷器装到钻杆法兰后，进行压力试验。 钻柱通过直径9 5/8英寸套管的第一钻柱，钻碎水泥及该套管底部 的浮动设备。从9 5/8英寸套管的第一钻柱底部，远离以前钻井，定 向钻井筒到总深度12,000英尺。该井筒然后划眼，再将直径7英寸 的生产套管下入井筒并胶结。然后装上卡瓦，将套管固定到密集双筒 井口上。切断7英寸生产套管伸出密集双筒井口部分，再在生产套管 与密集双筒井口之间装上封隔密封件。最后，装上密集双筒法兰短 管，两口井与分离采油树一起分层完井。

虽然本发明装置的插件已示出，并被描述为有2个井眼，两节地 面套管的分离段通过该井眼定位，但对熟练工极为明显，一个插件可 装有2个以上井眼，2个以上的地面套管钻柱，可按照地面井筒直径 与由此插入的地面套管，通过该井眼并在地面井筒里定位。例如，插 件220有三个井眼221，224和227(图15)通过，按照上面有关插件 20所述方式在内部定位，并支承在井口6上。井管230，234和237 分别通过井眼221，224和227(图16)定位，并按照上面有关井管30 和34所述方式固定在此处。用这种方式施工时，本发明装置允许三 口地下井从共用井筒或单井筒分层钻井和完井。

另外，在本发明的范围内提供共用井筒内长度不等各种不同经 端位置的井管，以便将造斜器固定到该井管终端点下面的装置上， 和/或设置该井管发出的钻柱致偏装置，如泥浆马达，保证防止井筒 受阻。在需要造斜器地方或需要本发明装置增加井下结构稳定性的 情况下，中间可装长条形框架，如I字梁。沿其长度固定在第一和第 二两根井管上。如果采用这样的长条形框架，最好用合适的方法，如 用螺栓将该框架至少固定在其中一根井管，第二根井管入扣底盘，两 根井管通过I字梁两边的普通C型导轨定位。该普通C型导轨可沿 其长度，如用焊接固定在2字梁上。

在本发明上述较佳的实施例已描述示出的同时，当然也可做出 比较方案和改进型式，而且属于本发明范围之列。