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CN105899750A - 构造用于开采海底或洋底下储层的井的工艺 - Google Patents

构造用于开采海底或洋底下储层的井的工艺 Download PDF

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CN105899750A
CN105899750A CN201480061583.7A CN201480061583A CN105899750A CN 105899750 A CN105899750 A CN 105899750A CN 201480061583 A CN201480061583 A CN 201480061583A CN 105899750 A CN105899750 A CN 105899750A
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Abstract

一种用来构造井(1)的工艺，所述井用来开采油或气体储层，所述过程包括以下操作：钻探至少3600米深或更深的被水头淹没的地层，通过钻探立管(7)和钻探工具从水的表面达到该地层，该钻探工具从内部穿过该钻探立管；和通过钻探立管(7)搬空循环的钻探流体，来自该地层的油或天然气和作为结果的钻探材料的至少一种。钻探立管(7)具有小于等于17英寸的外直径并且达到井口装置(3)，该井口装置具有小于等于18.75英寸的内直径并且被布置成对应于或靠近覆盖该地层的被淹没的海底。

Description

构造用于开采海底或洋底下储层的井的工艺
技术领域
本发明涉及一种用来构造井的工艺，该井用来从例如位于海底或洋底下面的被淹没的储层提取石油、天然气或其它流体。根据本发明的过程特别适合于在深水和超深水中造井。
背景技术
提取天然碳氢化合物领域中的目前趋势之一是找到且开采位于越来越深的海底或洋底下面的储层。在1970-1980年中，制造中的海上井的最大深度是大约300米，在1990-2000年中变成1500米，并且在2000-2010年中大约3000米。
到今天为止，已经造出油井的水深度的世界记录是由钻探船Dhirubhai Deepwater KG1于2013年7月8日实现的3174米，并且最先进且操作最佳的钻探船宣称具有近似3600米水深度的最大操作范围。
已知的技术已经发展多年，其使用具有21”外直径的钻探立管和具有183/4英寸内直径的井口装置，在其内部中能够悬挂多达三个高压柱，该三个高压柱中具有达到7”外直径的最小一个高压柱适于确保井中碳氢化合物的最大可能生产。
这个趋势在另一方面已经导致使用具有越来越大尺寸的钻探船或所谓的半潜式(半潜式平台)以便钻探和造井；作为粗略的指示，根据操作深度和钻探船的吨位之间的关系推断最近历史数据以在海平面之下超过3600米的海底上钻探和造井，这种船须具有超过100000吨的吨位，比得上现代最大航空母舰的吨位。这种大船的构造和管理不仅导致试图扩展目前操作极限中要被解决的技术问题非常显著地增多，还使得该船的构造和管理成本非常显著地增加，这危害了在极深海底上开采井的经济便利。
本发明的目标是提供一种用来钻探位于极深海底下储层且将其投入生产的工艺，该工艺使得能够在可以操作的最大水深度以及已有钻探装置的操作水深度方面发展钻机的目前操作极限，而不必减小相对于已知技术中可实践和使用中的那些钻机的生产壳体尺寸。
本发明的第二目标是提供一种用来钻探位于极深海底下储层并且将其投入生产的工艺，该工艺使得能够在达到相同深度的情况下使用相对于已知技术而言具有较小尺寸的设备，即，显著扩展已有设备在水深度方面的操作极限，从而证明该工艺从总体上比已知工艺更加经济。
发明内容
扩展操作极限到超过3600米水深度且扩展已有设备的操作极限的这些目标在本发明的第一方面中通过一种用来构造用来开采要被提取的天然流体的储层的井的过程被实现，该过程具有根据权利要求1的特性。
在本发明的第二方面中，这些目标通过具有根据权利要求5的特性的过程被实现。
在本发明的第三方面中，这些目标通过一种用来构造用来开采要被提取的天然流体的储层的井的过程被实现，该过程具有根据权利要求6的特性。
该装置的另外特性是从属权利要求的目标。
根据参考以下示意图示出的非限制性质的特别实施例的以下详细描述，通过本发明可以实现的优点对于本领域技术人员来说将显得更加明显。
附图说明
图1示出本发明采井的根据大致竖直的平面的第一剖面。
图2示出图1的井的根据大致竖直的平面的第二剖面。
图3示出图1的井的根据剖面III-III的横向剖面。
具体实施方式
在本说明书中，表述“上游、从上游、下游、从下游”涉及从储层提取的流体的流动；除非另外指示，例如，在井中循环的钻探泥浆和其它流体被作为从上游向下游流动。
图1、图2涉及根据本发明特定实施例的用来开采水下储层的井，该井总体上由附图标记1指示。
要被开采的储层(例如，石油、天然气或其它天然流体的储层)位于被大量水淹没的底F(诸如，例如海底或洋底)下面。
该井1包括：
-井口装置3，该井口装置定位成与被淹没的底F相对应或在被淹没的底F附近；
-可能地，以从顶部到底部的顺序，本身已知的导管或柱300A和锚固管300B；
-一个或更多个壳体300C、300D、300E。
与通常的情况一样，导管300A和锚固管300B形成要被设立的井的基底和第一锚固件。第二管300B被插入到第一管300A中。在300A和300B已经被设立之后，安装井口装置即高压外壳，该高压外壳用于悬挂三个接续的柱，这三个接续的柱用于被钻探地层的液压隔离。被悬挂的第一壳体是300C。壳体300D以及300E随后以一个位于另一个内的方式逐步地悬挂。柱300E可以是所谓的生产柱(通常称为生产壳体)，其优选地具有不小于7”的外直径并且可以作为第三壳体悬挂在井口装置的高压外壳内。
井1也可以包括另外的壳体(未示出)，该另外的壳体也被包含在彼此内，这些另外的壳体的大部分外部被插入在下壳体300E中。
导管300A、引导管300B和高压壳体300C、300D、300E和其它可能的壳体被插在孔302中，该孔位于被淹没的底F中并且例如从顶部向下延伸。
井口装置单元3优选地包括适合于悬挂三个高压壳体300C、300D和300E以及一个或更多个防喷装置(BOP)5的部分，该一个或更多个防喷装置以一个位于另一个之上或者一个位于另一个下游的方式串联地布置，并且沿流体方向位于壳体300A-300E的下游以便形成堆叠体。
井口装置3然后流体地且机械地连接到立管7，而该立管包括主管9，该主管被设计用来从井口装置3向着海或洋表面传递循环的钻探流体(即所谓的钻探泥浆)或来自该地层的天然流体、以及来自该钻探的碎片材料。立管7可以包括多个模块化部分或区段，该多个模块化部分或区段的每一个例如包括：
-一个或更多个主管70，该一个或更多个主管中的每一个被设计用来允许钻头和钻杆以及源于挖掘自身的泥浆通过；
-可能的支撑结构，该可能的支撑结构用来维持且加强该一个或更多个主管；
-合适的漂浮物，该合适的漂浮物用来至少部分地支撑立管7。
术语钻头在本说明书中指的是具有一个或更多个末端或切割装置(例如旋转的)的钻探头部或工具。
立管7的每一个模块化区段也可以包括电气的、油动力的、气动线路以及高压线路以便用于钻探的循环流体(钻探泥浆)或者来自被钻探地层的流体(诸如例如油或天然气之类)通过。
各个壳体300A-300E优选地由钢制成。
柱300A和柱300B例如可以分别具有30"和14"的直径。
根据本发明的一方面，钻探立管7或至少其主管70具有优选地小于等于近似17"(典型地为16")的外直径，而井口装置3具有18"3/4的内直径。
井口装置3优选地具有小于等于14"，典型地13"5/8的内直径。具有逐渐减小的直径的三个另外高压壳体300C、D和E然后可以被悬挂在井口装置中。
以下表格可以用于典型的应用场合：
300C直径11"3/4
300D直径9"5/8
300E直径大于或等于7"。
根据本发明的另一方面，分别在壳体300C、300D和300E的至少一个柱与壳体300B、300C和300D之间的平均径向间隙(图3)(Sr)远远小于已知技术的间隙，使得三个高压壳体(包括具有不小于7"的直径的壳体300E)的设立需要一系列技术手段，该一系列技术手段在以下段落中被更具体地描述。
根据本发明的另一方面，在胶粘固之前，在该至少一个壳体300C、300D与衬孔(lining hole)的壁之间的平均径向间隙Sr基本上小于等于该至少一个壳体300C、300D的外直径的0.08倍。
再次，根据本发明的一方面，立管的管9具有的其主管70的外直径小于等于约17英寸，并且/或者具有的其主管70的内直径小于等于15英寸。
主管70的外直径优选地小于等于16英寸，或者再次优选地，主管70的内直径小于等于14.75英寸(14 3/4)。也由于该钻头的较小尺寸，该立管可以具有更小的直径。
所述平均径向间隙Sr优选地小于等于该至少一个壳体300C、300D的外直径的0.065倍。
所述平均径向间隙Sr优选地小于等于壳体300C、300D中的一些或者更优选地全部壳体的外直径的0.08倍。
所述平均径向间隙Sr优选地小于等于壳体300C、300D中的一些或者更优选地全部壳体的外直径的0.065倍。
平均径向间隙Sr可以被计算为各种局部厚度Sr'的平均值，该各种局部厚度的每一个参照参考柱的空隙和该孔302的壁的面对所述空隙的相邻部分加以测量。
或者，平均径向间隙Sr可以被计算为a)由该钻头挖掘的孔的标称直径和b)壳体300C、300D的外部标称直径之间的差。如在该图的实施例中，如果该孔302包括多个区段302A-302D，每一个区段具有不同于其它区段的标称直径。平均径向间隙Sr或局部厚度Sr'指的是该孔的每一个区段302A-302D和面向孔的那个区段302C、302D的壁的相关壳体300C、300D的平均或标称直径。
该孔或其区段的最大直径有利地如以下表格中指示的与相关壳体的最大外直径关联。
一个或更多个防喷装置5中的每一个有利地具有小于等于15英寸的直经，并且优选地具有小于等于14.75英寸的直径。
各隔壳体300A-300E和其它可能壳体实际上有利地通过以相同申请人的姓名提交的专利申请MI2000A000007和WO 01/53655A1中描述的手段被生产且设立在海底上。
特别地，井口装置5的壳体优选地且有利地被粘固在海底中，对于受该壳体影响的该井的整个深度或者对于该井的整个希望深度，其具有平均差，其优选地几乎不变，不大于1.5-2英寸(即大约3-5cm)。
为了获得该壳体与孔302的壁之间的上述间隙，该井的钻探有利地包括以下操作：
-对井的垂直度的自动控制；
-使用配备有足量分配器和牙轮扩孔器的钻头以便保证该孔的规则性和校准；
-使用具有化学和流变特性的钻探泥浆，从而让该孔的任何可能不稳定性问题最小化；
-对所有钻探参数的恒定控制以便对于每一个30米维持0.7度的弯曲(BUR/DO)以及在垂直区段中的1.5度的最大倾斜。
在产生完美地垂直的且良好地校准的孔之后，优选地执行井壳体的降低。为了有助于管以减小的间隙在被校准孔中通过，有利地采用专利申请MI2000A000007和WO 01/53655A1中描述的以下手段的一个或更多个：
-使用齐平(flush)或几乎齐平类型的螺纹连接；
-检查管的完美直线性，或者使用公差低于目前的API规定提供的那些公差的管；
-限制定中装置的使用，如果必要，使用一体式刀片定中装置或陶瓷定中装置；
-在管铺设期间，限制柱的下降速率以避免与减小的环尺寸有关的危险撞击(ramming)的强加和产生；
-使用定中类型的粘固鞋(cementing shoe)；
-在粘固工作期间，使用具有高流动性和高机械阻力的特殊麦芽(malt)；
-计划关于要使用的壳体的柔性的弯曲。
井口装置3，尤其是其从被淹没的海底F突出或露出的部分有利地位于在可能达到4500m深度的海底。
该壳体的铺设和粘固是水下采井构造的最关键阶段之一，并且其随着井口装置3要被定位的海平面以下的深度越大而日益变得更关键。例如由于形成海底表面层的泥浆的巨大厚度，井构造的这个最初阶段实际上从技术观点看是关键的；这个厚度实际上也可以达到数十米。泥浆和浸透它的海水遭受的相当大的压力代表另外的关键方面，该另外关键方面通常使得井孔的挖掘复杂化，使得在其挖掘和壳体的铺设和粘固期间难以维持精确的公差。非常精确的定位或粘固(诸如该井的垂直度和更上定位的壳体的上端部的高度(缝合))是特别有利的，这是由于它还允许可能的流体运输线路的构造标准化并且甚至被预期数个月，这将使得井能够被用于生产阶段，从经济和管理观点看具有相当大的节省。为了在极大深度下促进上面操作并且获得较窄的构造公差，由本申请人开发的具有传统名称“Deep Water DualCasing”(E-DWDC)并且例如在意大利专利申请MI2000A002641中和在对应的美国专利US 7055623中被描述的技术是特别有利的。这个技术使得井口装置能够以相对于该领域中已知的其它技术(例如所谓的“喷射”)而言更大的速度、可靠性和定位精度在海底上投入生产。
“深水双壳体”技术实际上允许喷射技术自身的故障的15-20％例如被消除或者被显著减小。通过上述E-DWDC技术产生的该孔的壁也具有远低于通过已知技术制造的孔的平均粗糙度和更少的几何误差，并且因此一旦壳体300A-300E已经被粘固到海底(也在所述的大的深度)时较少受到腐蚀。
该钻探操作也可以借助所谓的E-CD(ENI循环装置)技术被改进且促进，该E-CD技术在专利申请MI2005A1108、MI2007A000228、WO2008/095650和专利US 7845433中被描述。E-CD技术允许环形元件中压降的减小，有利于在深水中的井构造。
由于前述公开内容，井口装置可以被产生在等于或大于-3000米的极深海底或洋底上(或者在所谓的深且超深的水中)，具有所谓的“倾斜”壳体300A-302D，即，在该壳体与该孔302的壁之间具有前面描述的相对于已知类型的井更加减小的间隙，该孔使用钻探船或其它支援船、平台或半潜艇2而产生在该海底或其它地质地层中，该钻探船或其它支援船、平台或半潜艇远远轻于已知技术所必要的那些。
特别地，前述公开内容允许操作钻探极限扩展到超过3600m的水深度并且也到已有钻探设备的操作范围，而对于生产壳体300E没有任何直径损失(也如已知技术中，该生产壳体可以具有7”的外直径)，例如，如在已知技术中，在井口装置3的高压外壳中产生三个壳体悬挂件，然而，这使用具有21”的外直径的钻探立管和具有18"3/4的内直径的井口装置。
在相同的钻探孔直径和从该井提取的流体流率的情况下，因此获得以下优点：
-用于钻探和开采井的钻探船或其它支援船、平台或半潜艇必需的吨位较小，这是由于井口装置3可以通过立管7连接到海表面，该立管具有较小的直径并且因此远远较轻，使得该船在适当位置必须携带较小质量的立管；
-由于该立管具有较小的直径，它们可以更容易地被尺寸设计或者在任何情况中适合于达到甚至大于4000-4500米的深度，并且抵抗涉及的非常高的压力；
-在该井口装置上组装BOP或BOP堆叠体的可能性，该BOP或BOP堆叠体相对于用于标准实施的那些具有较小的标称直径，并且因此相对于组装在目前已知的水下井上的BOP较轻以便于通过钻探船或其它支援船运输；
-较高的钻探速率，并且因此钻探船或其它支援船或平台的固定较短；
-该壳体到海底部，或者到它插在其中的地质地层的较大锚固坚固性；
-该井口装置的较大的安全性和可靠性。
立管7的外或内直径的减小在该井的钻探期间也允许钻探泥浆的流率和总量显著减小；由于在许多国家禁止使该泥浆溢出到海中，因此在使用之后，它必须被回收在钻探船或其它支援船或平台上并且带回到陆地或者直到特定的处置厂或场所；因此可以容易地理解，也减小钻探泥浆的流率显著有助于减小该钻探所必要的钻探船或其它支援船或平台的吨位。由于要被搬空的作为结果的泥浆的比重经常达到2千克/升，即，相对于被注射到该孔302中以便润滑钻头并且搬空碎片的水和泥浆近似双倍，也可以理解，该孔302的直径或多个直径的减小导致作为结果的泥浆的重量的显著减小。
为了使它更加轻，立管7可以被产生或者具有载荷支承结构，该载荷支承结构由不同于钢的材料制成，诸如例如，基于铝或钛的合适合金或基于合成树脂的复合材料。材料的这个选择也有助于最大化操作极限或最小化该设备的尺寸。
前面描述的实施例示例可以经受数种修改和变化，然而，该数种修改和变化被包括在本发明的保护范围中。此外，所有细节可以被技术上等同的要素替代。例如，所用的材料以及尺寸可以根据技术要求而变化。应当理解，样式“A包括B、C、D”或“A由B、C、D组成”的语句也包括且描述“A由B、C、D构成”的特别情况。本专利申请的可能变化的示例和清单应当被看作是非详尽清单。

Claims (13)

1.一种用来构造井(1)的工艺，所述井用来开采要被提取的天然流体的储层，所述天然流体诸如例如液态和/或气态天然碳氢化合物，所述工艺包括以下操作：
-通过以下设备在被水头淹没的地层中执行钻探，从水表面达地层有至少3600米深：
-钻探立管(7)；和
-钻探工具，所述钻探工具从内部穿过所述钻探立管；
-以及通过所述钻探立管(7)转移至少以下一者：循环的钻探流体、来自地层的天然流体和所钻探出的材料；其中，所述钻探立管(7)具有小于等于17英寸的外直径并且达到井口装置(3)，所述井口装置具有小于等于18.75英寸的内直径；所述井口装置(3)被定位成对应于或靠近覆盖所述地层的被淹没的底部。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述井口装置(3)具有小于等于14英寸的内直径，例如具有小于等于13.625英寸的内直径。
3.根据权利要求1所述的工艺，包括在要被开采的地层中安装生产壳体(300E)的操作，所述生产壳体具有等于或大于或小于7英寸的外直径。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述钻探立管(7)包括一个或更多个主管(9)，所述一个或更多个主管中的每一个主管适合于传送从所述储层提取的天然流体且/或传送钻探泥浆到所述储层，其中所述一个或更多个主管(9)或所述钻探立管(7)由铝合金或基于合成树脂的复合材料制成。
5.一种用来构造井(1)的工艺，所述井用来开采要被提取的天然流体的储层，所述天然流体诸如例如液态和/或气态天然碳氢化合物，其中所述储层位于被大量水淹没的海底、洋底或其它底(F)下面，所述工艺包括以下操作：
-在被淹没的海底处或附近提供井口装置(3)；
-在所述海底中钻探称为衬孔(302)的孔；
-将至少一个壳体(300C、300D)插入且可能地粘固到所述衬孔中，并且将所述壳体固定到所述井口装置(3)，使得所述至少一个壳体(300C、300D)与所述衬孔的壁之间的平均径向间隙(Sr)在粘固之前基本上小于等于所述至少一个壳体(300C、300D)的外直径的0.08倍；
-将所述井口装置(3)连接到立管(7)，该立管包括适合于向着水的表面传递从所述井口装置提取的天然流体的管，该管具有小于等于大约17英寸的外直径和/或小于等于15英寸的内直径。
6.一种用来构造井(1)的工艺，所述井用来开采要被提取的天然流体的储层，所述天然流体诸如例如液态和/或气态天然碳氢化合物，其中所述储层位于被大量水淹没的海底、洋底或其它底(F)下面，所述过程包括以下操作：
-提供井口装置(3)，所述井口装置与所述被淹没的海底对应或在所述被淹没的海底附近；
-在所述海底中钻探称为衬孔(302)的孔；
-将至少一个壳体(300C、300D)插入且粘固到所述衬孔中并且将所述壳体固定到所述井口装置(3)，其中所述衬孔的标称直径(Df)小于等于所述至少一个壳体(300C、300D)的外直径的0.16倍；
-将所述井口装置(3)连接到立管(7)，该立管包括适合于向着水的表面传递从所述井口装置提取的天然流体的管，该管具有小于等于大约17英寸的外直径和/或小于等于15英寸的内直径。
7.根据权利要求5或6所述的工艺，包括以下操作：将多个壳体(300C、300D)插入且粘固在所述衬孔中，并且将它们固定到所述井口装置(3)，使得所述壳体(300C、300D)中的至少一些壳体与所述衬孔的壁之间的所述平均径向间隙(Sr)在粘固之前基本上小于等于所述至少一个壳体(300C、300D)的外直径的0.08倍。
8.根据权利要求5或6所述的工艺，包括以下操作：将所述井口装置定位成对应于或靠近被至少3000米的水头淹没的海底。
9.根据权利要求5或6所述的工艺，包括以下操作：将所述井口装置定位成对应于或靠近被至少4500米的水头淹没的海底。
10.根据权利要求5或6所述的工艺，其中，所述至少一个壳体(300C、300D)与所述衬孔的壁之间的所述平均径向间隙(Sr)在粘固之前基本上小于等于所述至少一个壳体(300C、300D)的外直径的0.065倍。
11.根据权利要求5或6所述的工艺，其中，所述立管(7)配备有一个或更多个主管，所述一个或更多个主管的每一个主管适合于传送从所述储层提取的天然流体和/或传送钻探泥浆到所述储层，其中所述一个或更多个主管由铝合金或基于合成树脂的复合材料制成。
12.根据权利要求5或6所述的工艺，包括以下操作：
-在所述衬孔通过钻头被挖掘时，将钻探泥浆的流注射到所述衬孔中以润滑所述钻头且从其附近搬空碎片和其它所产生的材料；
-将所述钻探泥浆和所产生的材料运输到基本上所述底(F)被淹没在其下面的海、洋或其它水团的表面。
13.根据权利要求5或6所述的工艺，其中，具有水下井口装置的深的或超深的水中的油井的最初钻探阶段包括以下操作：通过单个钻探阶段铺设和粘固引导管以及锚固壳体，其中借助于包括钻头和开孔器的钻柱以及适于独立于开孔器激活所述钻头的马达来实现钻探。
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