专利名称：用于在形成于地层中的井眼内形成管道的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在成形于地层中的井眼内形成至少一个管道的系统。用于在形成于地层中的井眼内形成一管道的传统系统，比如涉及在钻取所述井眼的过程中在井眼壁上设置一衬套。这种系统基于一个旋转的钻柱进行工作，或者基于一个固定的钻柱进行工作，该固定的钻柱带有一个用于驱动一钻头旋转的井下马达。通常，需要在地面处设置一个相对庞大并且昂贵的钻探机，来将所述钻柱悬吊在井眼中。
对相关现有技术的描述国际专利申请WO 98/59146中描述了一种钻井系统，该钻井系统包括有一个能够避免使用大型钻探机的钻井设备，该钻井设备由一根穿过所述井眼延伸至地面的电缆提供电能。由钻取操作所产生的钻屑(drill cuttings)被堆积在钻井设备后方的井眼内。这种已知钻井系统的一个缺点在于，无法向该钻井设备供送一流体流，以便比如用于对该钻井设备进行冷却、向该钻井设备提供能量或者将过多的钻屑输送至地面。
对本发明的概述因此，本发明的目的在于提供一种经过改进的钻井系统，该钻井系统能够克服所述已知钻井系统的缺点。
根据本发明，在此提供了一种用于在形成于地层中的井眼内形成至少一个管道的系统，该系统包括有一个设备，该设备包括用于沿着纵方向使得该设备移动穿过所述井眼的移动装置；和用于将一种可硬化物质注射入所述井眼中的注射装置，以便对于每个所述管道来说，在该设备后方的井眼内形成一个硬化物质层，所述层限定出了所述管道；该系统还包括有用于对由注射装置注射所述物质的速率进行控制的控制装置，以便与在移动装置作用下所述设备穿过所述井眼的移动速率相对应。
从而，在无需大型钻探机的条件下，在所述设备穿过所述井眼移动的过程中形成各个管道，并且这些管道在井眼内被连续延伸。用所述系统由此形成的各个管道，允许一流体流流向位于井眼内的所述设备，或者从该设备流出。此外，一旦所述设备到达含有烃流体的地层，那么每个管道就能够用于产出烃流体。
最好，所述注射装置被设置成能够将可硬化物质注射到所述井眼内，以便形成一个井眼壁的包覆层。该包覆层比如可以被形成在井眼中的选定区段处，以阻止水从所述地层中流入到井眼内，或者对存在于地层中的裂缝(天然裂缝)进行密封。
最好，该系统还包括有一个用于控制所述设备的遥控装置，该遥控装置经由各个所述管道与所述设备流体连通。
当所述可硬化物质由一种包括有第一化合物和第二化合物的混合物形成时，注射装置最好包括有一个用于盛装第一化合物的第一容器、一个用于盛装第二化合物的第二容器以及一个用于对第一和第二化合物进行混合的混合腔室。
对附图的简述下面将借助于参照附图的示例更为详细地对本发明进行描述，其中附
图1是本发明中系统的第一实施例的示意图，此时尚未钻取一个新的井孔区段；附图2示意性地示出了附图1中的实施例，此时正在钻取新的井孔区段；附图3示意性地示出了一个用于附图1和2中所示系统的钻井设备，详细地示出了附图2中的标为I的部分；
附图4示意性地示出了附图3中所示钻井设备的部分透视图；而附图5示意性地示出了本发明中钻井系统的第二实施例，该第二实施例处于工作过程中的不同步骤a)至f)。
对实施例的详细描述在下面的详细描述中，相同的附图标记与相同的组件相关。
参照附图1，在此示出了一个形成于地层2中的井眼1，该井眼1包括有一个主井孔4和一个支井孔6的初始区段，该支井孔6从主井孔4上的一个接头8开始沿着偏斜方向进行延伸。一个封隔器10被设置在支井孔6中，与接头8间隔开一小段距离，该封隔器10带有一个第一纵向通孔和一个第二纵向通孔(均未示出)。井口12被设置在地面14处，位于主井孔4的顶部。分别为导管16、18形式的第一流体通道和第二流体通道从井口12开始经由主井孔4和支井孔6延伸至封隔器10。导管16、18以这样一种方式被密封连接在封隔器10上，即所述第一通孔形成了第一导管16上的延续部分，而所述第二通孔形成了第二导管18上的延续部分。
一个钻井设备20形式的设备被置于支井孔6中，紧靠封隔器10的下方，该钻井设备具有一个尾管(tail pipe)22形式的第一注射导管和一个尾管23形式的第二注射导管。尾管22以密封关系延伸至封隔器10上的第一通孔内，而尾管23以密封关系延伸至封隔器10上的第二通孔内。该钻井设备带有一个旋转钻头24和一个电动马达(下文中予以参照)，该电动马达被设置成能够驱动钻头24。
第一导管16和第二导管18在它们的相应的上端部处被连接在一个控制装置25上，该控制装置25被设置在地面14处。控制装置25包括有一个三通阀26，在该三通阀26上连接有第一导管16的上端部，三通阀26具有一个第一位置，在该第一位置处三通阀26在第一导管16与一根第一供送管道28之间提供流体连通，和一个第二位置，在该第二位置处三通阀26在第一导管16与一根第二供送管道30之间提供流体连通。第一供送管道28与一个充满水的贮液槽32流体连通，并且带有一个用于将水从贮液槽32泵送至第一导管16内的泵34。第二供送管道30与一个用于盛装流体化合物A的存储器36流体连通，并且带有一个用于将流体化合物A从存储器36泵送至第一导管16内的泵38。控制装置25还包括有另外一个三通阀40，在该三通阀40上连接有第二导管18的上端部，三通阀40具有一个第一位置，在该第一位置处三通阀40在第二导管18与一个排放管道42之间提供流体连通，和一个第二位置，在该第二位置处三通阀40在第二导管18与一个第三供送管道44之间提供流体连通。排放管道42延伸至一个泥浆振动筛46中，该泥浆振动筛46具有一个延伸至一水槽50中的出液口48，和一个延伸至一容器54中的钻屑出口52。水槽50经由一根导管56与贮液槽32流体连通。第三供送管道44与一个用于盛装流体化合物B的存储器58流体连通，并且带有一个用于将流体化合物(fluidic compound)B从存储器58泵送至第二导管18中的泵59。化合物A和B均被选取成能够通过对化合物A和B进行混合而形成一种合成物C，该合成物(composition)C能够进行化学反应发生硬化，从而形成一种是坚实固体或者弹性体化合物(a solid orelastomeric compound)。
控制装置25还包括有一个电源60，该电源60被设置成能够经由导线62、绕线架64以及卷绕在该绕线架64上的电缆66向钻井设备20中的电动马达供送电能。电缆66穿过井口12、第一导管16、封隔器10上的第一通孔以及尾管22延伸至钻井设备20中的电动马达。
下面参照附图2，该附图2示出了在支井孔6上钻取了新的区段68之后的钻井设备20。一个第一管道70和一个第二管道72在封隔器10与钻井设备20之间延伸穿过新钻取的井孔区段68，从而由第一管道70在封隔器10上的第一通孔与尾管22之间提供流体连通，而由第二管道72在封隔器10上的第二通孔与尾管23之间提供流体连通。在新钻取井孔区段68内，一方面，在管道70与72与钻井壁之间的空间内，由很多钻屑74填充起来。电缆66从绕线架64上部分开卷下来，并且与附图1中所示情况相比，进一步延伸，从封隔器10上的第一通孔，经由第一管道70和尾管22延伸至所述电动马达。
下面参照附图3和4，附图3和4示意性地示出了位于新钻取井孔区段68内的钻井设备20。该钻井设备20具有一个管状壳体80，该管状壳体80带有一个环绕该壳体设置的套管82，壳体80能够相对于套管82以特定的行程轴向滑动。壳体80和套管82均带有电控顶推装置(未示出)，用于选择性地相对于套管82沿着轴向向前或者向后的方向顶推壳体80。套管82带有一组可径向延伸的垫片84和电控致动装置(未示出)，用于选择性地使得垫片84径向延伸或者回缩。在与钻头24相对的壳体端部处，设置有一个圆盘86形式的钻屑挤压器，该钻屑挤压器86沿着壳体80的横向进行延伸。冲压器86的直径大体等于井孔直径，并且带有多个筛孔88，这些筛孔88被排布在所述钻屑挤压器的径向外部。尾管22和23从钻屑挤压器86开始背离壳体80进行延伸，并且延伸至相应的第一管道70和第二管道72内，附图标记90和92将尾管22和23的远端部标识出来。
壳体80带有一个由线条94标识出的流体通道。该流体通道94经由一个热交换器96从尾管22延伸至尾管23，并且带有一个泵95，该泵95用于沿着从尾管22至尾管23的方向泵送流体流过流体通道94。一个填充有冷却流体的冷却流体回路98延伸穿过热交换器96和钻头24，该冷却流体回路98带有一个泵100，该泵100用于泵送冷却流体流过冷却流体回路98。
壳体80还带有两个容器102、104以及一个混合腔室105。容器102的内部带有一个囊106，将容器102分隔成一个用于盛装流体化合物A的第一容器部分108和一个用于盛装水的第二容器部分110。容器104的内部也带有一个囊112，将容器104分隔成一个用于盛装化合物B的第一容器部分114和一个用于盛装水的第二容器部分116。各个尾管22和23均带有一组用于将合成物C注射到井孔区段68内的注射喷嘴118，这些注射喷嘴118与尾管22和23的相应端部90和92的距离为L，各个尾管22和23上的喷嘴均通向一个圆环凹槽120和122中，该圆环凹槽120和122成形于相应尾管22和23的外表面上。混合腔室105具有一个入口124，该入口124通过相应的管道126、128与容器部分108、114流体连通，和一个出口130，该出口130通过延伸穿过相应尾管22和23的管道132和134(由虚线标识出)与所述注射喷嘴流体连通。
管道126经由一个三通阀133被连接在流体通道94上，该三通阀133能够选择性地在一个第一位置与一个第二位置之间工作，在第一位置处，三通阀133能够防止管道126与流体通道94之间流体连通，而在第二位置处，三通阀133能够引导在尾管22处进入流体通道94内的流体流进入到管道126中。
管道128经由一个阀135被连接在流体通道94上，该阀135能够选择性地在一个闭合位置与一个开启位置之间工作，在闭合位置处，阀135能够阻止管道128与流体通道94之间流体连通，而在开启位置处，阀135允许管道128与流体通道94之间流体连通。
容器部分110通过一个管道136被连接在流体通道94上，该管道136带有一个泵138，该泵138用于将水从流体通道94泵送至容器部分110中。在泵138的下游侧，管道136经由一个三通阀140被连接在流体通道94上，该三通阀140能够选择性地在一个第一位置与一个第二位置之间工作，在第一位置处，三通阀140能够防止管道136与流体通道94之间流体连通，而在第二位置处，三通阀140能够在管道136与流体通道94之间提供流体连通。
容器部分116通过一个管道142被连接在流体通道94上，该管道142带有一个泵144，该泵144用于将水从流体通道94泵送至容器部分116中。在泵144的下游侧，管道142经由一个三通阀146被连接在流体通道94上，该三通阀146能够选择性地在一个第一位置与一个第二位置之间工作，在第一位置处，三通阀146能够防止管道142与流体通道94之间流体连通，而在第二位置处，三通阀146能够在管道142与流体通道94之间提供流体连通。
此外，流体通道94被连接在一个带有一阀150的管道148上，其中，阀150用于选择性地在流体通道94与壳体的外部之间提供流体连通。
在壳体80内设置有一个Moineau泵(一种正排量泵)152，该Moineau泵152被设置成能够由电动马达(由附图3中的附图标记153标识出)进行驱动。Moineau泵152具有一个入口(未示出)，该入口借助于一个延伸穿过钻头24的入口通道154与该钻头24的前端部流体连通，和一个出口(未示出)，该出口与一个出口通道156流体连通，该出口通道156在紧贴钻屑挤压器86的后方通向井孔68中。出口通道156通过一个三通阀158被连接在流体通道94上，该三通阀158用于选择性地将由Moineau泵152泵送来的流体流的至少一部分通过出口通道156分流到流体通道94内。
壳体80具有一个烃流体入口160，该流体入口160通过一个带有一阀164的管道162与流体通道94流体连通。
阀133、135、140、146、150、158、164，泵95、100、138、144以及顶推装置和致动装置均被设置成，能够借助于经由电缆66传送至所述钻井设备的合适电信号受控制装置25中的一个控制面板(未示出)的电控制。
参照附图5，在此示出了本发明中钻井系统的第二实施例。该实施例包括一个钻井设备200，该钻井设备200基本上类似于第一实施例中的钻井设备20，但是不同之处在于，钻井设备200具有两个环绕壳体80设置的套管202和204，取代了第一实施例中的套管82，并且钻屑挤压器被固连在套管202的后端部上，而不是被固连在壳体80上。此外，壳体80能够相对于各个套管202和204轴向滑动，并且各个套管202和204均带有一组能够独立控制的垫片84。
在钻井设备20正常工作的过程中，已经利用一种传统的钻柱钻取出主井孔4和支井孔6的起始区段。其上连接有钻井设备20的封隔器10以及第一导管16和第二导管18以前面参照附图1所示出的配置状态安装在井眼1中。随后，为了进一步钻取支井孔6，启动电源60以便通过导线62、绕线架64以及电缆66向钻井设备20提供电能，从而诱导电动马达153驱动钻头24进行旋转，诱导致动装置使得垫片84径向延伸抵靠在井眼壁上，并且诱导顶推装置相对于套管82沿着轴向向前顶推壳体80。通过旋转钻头24的组合动作、顶推装置的顶推作用以及垫片84抵靠在井眼壁上的锚固作用，支井孔6得以加深。额外的推进作用力通过钻屑挤压器86推压钻屑74的主体而获得。
在启动电源60的同时，启动泵34，以便经由第一供送管道28和第一导管16(其中阀26位于其第一位置处)从贮液器32将水流泵送至钻井设备20中的流体通道94内。水流会流过流体通道94，并且经由尾管23和第二导管18流向泥浆振动筛46。从这里，水流经由水槽50和导管56返回到贮液槽32内。在启动泵34的同时，启动泵100，以便泵送冷却流体流过冷却流体回路98。从而，利用冷却流体将由于钻头24的钻取作用所产生的热量散失到所述水流中，向所述水流的热量传递在热交换器96进行。
Moineau泵152由电动马达153进行驱动，从而经由入口通道154将由于钻头24的钻取作用所产生的钻屑流和地层流体泵送至出口通道156中，并且由此进入到紧靠钻屑挤压器86后方的新井孔区段68内。以这种方式，带有在孔隙空间内的地层流体的钻屑74的主体会形成于井孔区段68中。如果必要或需要，通过对三通阀158进行相应控制，钻屑的一部分会被排入到流过流体通道94的水流中。排入到流体通道94内的钻屑由泥浆振动筛46从水流中去除，并且随后淀积到容器54内。
此外，在启动电源60的同时，启动泵138和144，以便将水泵送至相应的容器部分110和116中。从而，引导化合物A经由管道126从容器部分108流入混合腔室105内，并且引导化合物B经由管道128从容器部分114流入混合腔室105内。由此在混合腔室内形成的合成物C经由管道132和134流向所述那组喷嘴，并且从那里流入相应尾管22和23上的圆环凹槽120和122中。对于各个尾管22和23来说，合成物C由此在圆环凹槽120、122与尾管端部90、92之间环绕尾管进行流动，并且由合成物C形成一个圆环层，钻屑嵌埋在里面。合成物C缓慢硬化并且从而形成前面所述的坚实固体或者弹性体化合物。由此形成并且嵌埋有钻屑的坚实固体或者弹性体合成物层，形成了相应的第一管道70和第二管道72。将会明白的是，以这种方式，随着钻取操作的进行在钻井设备20穿过新井孔区段68向前运动的过程中，管道70和72连续性延伸。合成物C的硬化时间被选定为，在以长度L进一步加深井孔区段68所需的时间内，能够使得合成物C基本上硬化(参照附图3)。
为了压实钻屑74的主体，钻取操作以规则的钻取间隔发生停顿，并且以这样一种方式对顶推装置进行控制，即沿着轴向向后对壳体80进行顶推，并且从而推动冲压器86压靠在钻屑主体74上。从而，存在于钻屑主体中的任何过多地层流体会通过筛孔88流入位于钻井设备20与井孔区段68之间的环形空间内。
在钻取了一段其长度等于壳体80相对于套管82的冲程的井孔区段68之后，钻取操作停顿下来，垫片84发生回缩，并且顶推装置受到诱导而使得套管82沿着轴向以所述冲程相对于壳体80向前移动。随后，垫片84再次径向延伸，以便牢固地锚固在井孔壁上，并且恢复钻取操作来完成壳体80的下一个冲程。该操作重复进行，直至达到新井孔区段68的所需深度。
当需要利用化合物A对容器部分108进行重新填充时，采取下述步骤。钻取操作停顿下来，将水泵送至导管16中的操作也停顿下来，并且阀26、133和140被置于它们各自的第二位置处。随后，通过启动泵38来将化合物A泵送至第一导管16内，这股化合物A从而经由管道70、尾管22、流体通道94、阀133以及管道126而流入到容器部分108内。存在于容器部分110中的水的一部分将从而经由管道136和阀140被排出进入到流体通道94内。
当需要利用化合物B对容器部分114进行重新填充时，采取下述步骤。钻取操作停顿下来，将水泵送至导管16中的操作也停顿下来，阀40和146被置于它们各自的第二位置处，并且启动阀135。随后，通过启动泵59来将化合物B泵送至第二导管18内，从而，这股化合物B将经由管道72、尾管23、流体通道94、阀135以及管道128流入到容器部分114内。存在于容器部分116内的水的一部分将从而经由管道142和阀146排出而流入到流体通道94内。
当需要将水或者其它钻井液供送至井孔68的下部时，将阀150开启。从而，水或者这种其它钻井液被泵送至第一导管16内，经由管道148流入到壳体80与井孔68的侧壁之间的空间内。
在钻井设备已经到达含有烃(石油)流体的目标地层区域时，钻井操作停顿下来，并且钻井设备20被停放在井孔内。随后，通过开启阀164从该地层向地面产出烃流体，开启阀164后，烃流体会经由入口160和管道162流入管道70、72内。可选择地，烃流体也可以经由在管道70和72上形成的射孔(未示出)而流入管道70、72内。
除了在正常工作过程中参照连续步骤a)至f)(附图5)所描述的向前运动之外，钻井设备200的正常工作状态类似于钻井设备20的正常工作状态。
在步骤a)中，套管202、204被置于壳体80的相对侧面上，同时垫片84径向延伸抵靠在井眼壁上。
在步骤b)中，套管202上的垫片84发生回缩，并且启动钻头24来在井孔6上钻取新的区段。在这种钻井过程中，套管202与壳体80一同向前移动。
在步骤c)中，套管202被沿着轴向向后顶推，以便将钻屑挤压器86推压在钻屑主体74上，从而将这些钻屑压实，与此同时，钻头24保持与井孔的底部发生接触。从而，存在于钻屑主体中的过多流体通过筛孔88流入到钻井设备200与井孔壁之间的圆环空间内。
在步骤d)中，类似于步骤b)，通过钻头进行工作而钻取出新的井孔区段。
在步骤e)中，套管202再次被沿着轴向向后顶推，以便将钻屑挤压器86压靠在钻屑主体74上，从而将这些钻屑压实，与此同时，类似于步骤c)，钻头24保持与井孔的底部发生接触。
在步骤f)中，套管204上的垫片发生回缩，并且该套管204被促使沿着轴向向前滑动，直至达到步骤a)中的状态。此后，重复进行步骤a)至f)。
优选的化合物A和B是由Dow Corning公司生产的商标为SYLGARD170的快速固化剂(fast cure)(A&B)，从而化合物A中具有铂催化剂，而化合物B中含有缓凝剂。通过混合A与B所形成的合成物C是一种硅橡胶，这种硅橡胶的典型的固化时间是在21℃时为10分钟，而在36℃时为0.3分钟。
取代应用能够形成硅橡胶的化合物A和B，化合物A和B可以被选取成能够形成一种热固化树脂型的合成物C。
在钻井过程中，可以通过以这种方式使得垫片84发生延伸来沿着所需方向对钻井设备20、200进行转向操控，即能够使得该钻井设备在井孔中发生倾斜。
权利要求
1.一种用于在成形于地层中的井眼内形成至少一个管道的系统，该系统包括有一个设备，该设备包括用于使得该设备沿着纵方向移动穿过所述井眼的移动装置；用于将一种可硬化物质注射到所述井眼内的注射装置，以便对于每个所述管道来说，在该设备后方的井眼内形成一个硬化物质层，所述层限定出了所述管道；该系统还包括有用于对由注射装置注射所述物质的速率进行控制的控制装置，以便与在移动装置作用下使得所述设备穿过井眼的移动速率相对应。
2.如权利要求1中所述的系统，其特征在于所述注射装置被设置成能够将可硬化物质注射到所述井眼中，以便在井眼壁上形成一个包覆层。
3.如权利要求1或2中所述的系统，其特征在于对于每个所述管道来说，所述注射装置均包括有一根注射导管，该注射导管以密封关系从所述设备的后端部延伸至相应的管道内。
4.如权利要求3中所述的系统，其特征在于每个注射导管均带有至少一个注射喷嘴，该注射喷嘴用于将可硬化物质注射到所述井眼内，并且每个注射喷嘴被设置成与注射导管的端部具有选定的距离，该所述注射导管的端部与所述设备的后端部相对。
5.如权利要求4中所述的系统，其特征在于各个注射喷嘴均通到一个成形于所述注射导管处的外侧圆环凹槽内。
6.如权利要求1至5中任一所述的系统，还包括有一个用于对所述设备进行控制的遥控装置，该遥控装置经由每个所述管道与所述设备流体连通。
7.如权利要求6中所述的系统，其特征在于该系统适合于形成一个第一管道和一个第二管道，并且该系统还包括有泵送装置，用于泵送一流体流，使其经由第一管道从控制装置流向所述设备和经由第二管道从所述设备流向控制装置。
8.如权利要求7中所述的系统，其特征在于所述设备带有用于加深所述井眼的钻井装置，和热交换装置，该热交换装置被设置成能够将由钻井装置产生的热量传导至所述流体流中。
9.如权利要求8中所述的系统，其特征在于所述设备还包括钻削输送装置，用于将由钻井装置产生的含钻屑流体流从该设备的前端部输送至其后端部，并且用于将含钻屑的流体流淀积到所述后端部后方的井眼内。
10.如权利要求9中所述的系统，其特征在于所述设备带有一个钻屑挤压器，该钻屑挤压器被设置成能够压靠在钻屑主体上，这些钻屑主体由淀积在该设备后端部后方的钻屑形成。
11.如权利要求10中所述的系统，其特征在于所述钻屑挤压器包括有一个筛网，用于使得井眼流体从钻屑主体流入到形成于所述设备与井眼壁之间的圆环空间内。
12.如权利要求9至11中任一所述的系统，其特征在于所述钻削输送装置被设置成能够选择性地使含钻屑液体的至少一部分流入到所述第二管道内。
13.如权利要求1至12中任一所述的系统，其特征在于所述注射装置包括有一个用于盛装第一化合物的第一容器，一个用于盛装第二化合物的第二容器，以及一个用于混合第一与第二化合物的混合腔室，所述可硬化物质由包括有所述第一和第二化合物的混合物形成。
14.如从属于权利要求7的权利要求13中所述的系统，其特征在于所述设备包括有用于选择性地将第一化合物从第一管道输送至第一容器，和用于选择性地将第二化合物从第二管道输送至第二容器的装置。
15.如权利要求1至14中任一所述的系统，其特征在于所述设备包括有一个烃流体入口，用于经由所述至少一个管道将烃流体从所述地层输送至地面。
16.基本上如同前面参照附图所描述的系统。
全文摘要
本发明提供了一种系统，该系统用于在形成于地层中的井眼内形成至少一个管道。该系统包括有一个设备，该设备包括有用于沿着纵方向使得该设备移动穿过所述井眼的移动装置，和用于将一种可硬化物质注射到所述井眼内的注射装置，以便对于每个所述管道来说，在该设备后方的井眼内形成一个硬化物质层，所述层限定出了所述管道。该系统还包括有控制装置，用于对由注射装置注射所述物质的速率进行控制，以便与在移动装置作用下使得所述设备穿过井眼的移动速率相对应。
文档编号E21B7/26GK1437674SQ01811416
公开日2003年8月20日 申请日期2001年6月20日 优先权日2000年6月20日
发明者约瑟夫·G·C·克嫩, 利奥·B·梅基亚霍 申请人:国际壳牌研究有限公司