專利名稱：：用于鉆探井孔的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統(tǒng)，其包括設(shè)置在鉆孔中的套管和延伸通過套管內(nèi)部到達(dá)鉆孔下端部分的鉆柱，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內(nèi)表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損。
背景技術(shù)：
：在旋轉(zhuǎn)鉆探井孔的過程中，通過鉆探設(shè)備上的回轉(zhuǎn)臺，鉆柱從地面旋轉(zhuǎn)以加深井孔，因而旋轉(zhuǎn)的鉆柱通常與套管的內(nèi)表面及井孔壁摩擦接觸。通常，在鉆柱和套管/井孔壁之間積累的摩擦力隨著鉆孔深度、彎曲度及傾斜度的增加而增大，因此導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺扭矩增大。另外，鉆柱與套管之間的摩擦接觸可能導(dǎo)致鉆柱及套管的磨損。在傳統(tǒng)的鉆探應(yīng)用中，套管在井孔的選定深度間隔處安裝，因此，通常周圍地層的壓裂壓力和孔壓力是上述各深度間隔的長度的決定因素。除了地面套管外，各套管均通過先期安裝的套管下降并從地面延伸到接近新鉆探的深度間隔的下端。因此，后續(xù)套管的直徑必然逐漸縮小。所形成的嵌套的套管設(shè)置暗示著各套管通常只在鉆探下一個深度間隔過程中與旋轉(zhuǎn)鉆柱摩擦接觸。因此，針對這種應(yīng)用，套管磨損通常不是大問題。EP-1044316-B1公開了一種井孔系統(tǒng)，其中后續(xù)套管不會延伸至地面。相反，各新的井孔間隔利用從前一套管下端延伸至接近新鉆探的井孔間隔的套管提供。另外，各套管在降低至所需深度后在井孔中徑向膨脹，從而使井孔可以沿著其長度以基本均勻的直徑鉆探。已知井孔系統(tǒng)的問題在于各套管在長時間內(nèi)由于與旋轉(zhuǎn)鉆柱摩擦接觸而招致磨損。因此，本發(fā)明宣布提供一種用于鉆探井孔的改進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的問題。括:設(shè)置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內(nèi)部到達(dá)鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進(jìn)入套管內(nèi)的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內(nèi)表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損，其中所述系統(tǒng)還包括用于減少所述套管內(nèi)表面摩損的設(shè)施，所述設(shè)施包括在所述套管內(nèi)表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內(nèi)的潤滑復(fù)合物中的至少一種。測試表明各種所述設(shè)施有效保護(hù)所述套管內(nèi)表面避免磨損，由此套管的硬化內(nèi)層保護(hù)套管避免鉆探流體內(nèi)包含的小顆粒的磨蝕作用，和鉆柱的減摩擦層及鉆探流體內(nèi)的潤滑復(fù)合物保護(hù)套管避免由于與鉆柱直接接觸的高摩擦力。對于一些應(yīng)用而言，如果所述系統(tǒng)包括三種減少磨損設(shè)施即在所述套管內(nèi)表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內(nèi)的潤滑復(fù)合物中的每一種，則獲得最佳結(jié)果。合適地，在所述套管內(nèi)表面上的硬化層具有第一硬度和鉆柱外表面具有第二硬度，和其中所述第一硬度大于所述第二硬度。例如，所述第一硬度與第二硬度的比為1-5。優(yōu)選地，所述第一硬度值為150-600Hv。合適地，鉆柱的減摩擦層包括聚四氟乙烯(PTFE)。所述減摩擦層可以以施涂到鉆柱外表面上的涂層的形式提供。在一種例舉應(yīng)用中，所述潤滑復(fù)合物包含64.25-90.89wt。/。的基油，例如天然的甘油三酯油、魚油、動物油、植物甘油三酯油、葵花籽油、大豆油、油菜籽油、菜籽油、棕櫚果油、棕櫚油、橄欖油、油菜籽油、菜籽油、亞麻籽油、花生油、大豆油、棉籽油、葵花籽油、南瓜籽油、椰子油、玉米油、蓖麻油、胡杉&油、天然或合成油或酯。合適地，所述潤滑復(fù)合物包含0.02-0.05w"/。的金屬減活劑，例如三唑或苯并三唑衍生物，如甲苯三唑。有利地，所述潤滑復(fù)合物包含0.5-3.Owt。/。的抗氧化劑，例如芳族胺抗氧化劑和/或受阻酚抗氧化劑，如2，6-二(叔丁基-4-甲基苯酚，BHT)?？缮藤彯a(chǎn)品實(shí)例為來自Ciba-GeigyCorp的辛基化、丁基化二苯胺抗氧化劑(IrganoxL57);來自PMC，Inc的2，6-二(1，l-二曱基乙基)-4-甲基酚(BHT);和來自Ciba-GeigyCorp的苯丙酸3,5-二(1，1-二甲基乙基)-4-羥基-硫二-2，1-乙烷二酯(Irganox1035)。所述潤滑復(fù)合物優(yōu)選包含4-12w"/。的硫化天然油如疏化植物或動物油，天然油的石克含量為9-21%，例如13.5-17.5%。可商購產(chǎn)品實(shí)例為來自RheinChemieCorporation的硫化植物油(Addi"nRC-2515);和來自FerroCorporation的石克化豬油(HSL)。所述潤滑復(fù)合物可以包含4-12wt。/。的磷酸酯，如乙氧基化脂肪族酯(d2-ds)醇磷酸酯，優(yōu)選乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯的混合物。可商購產(chǎn)品實(shí)例為來自HoughtonInternational的乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯(Houghton5653)。所述潤滑復(fù)合物可以包含0.4-1.5wt。/。的磷酸，如乙氧基化脂肪族酯(dr-CJ醇磷酸酯，優(yōu)選乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇辨酸酯的混合物?？缮藤彯a(chǎn)品實(shí)例為來自HoughtonInternational的乙氧基化月桂醇磷酸酯與乙氧基化十三烷醇磷酸酯(Houghton5653)。所述潤滑復(fù)合物合適地包含O.08-1.5wtX的粘度調(diào)節(jié)劑，如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、改性的乙烯基吡咯烷酮/曱基丙烯酸酯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丁烷、烯烴共聚物、苯乙烯/丙烯酸酯共聚物、聚醚，如苯乙蹄或丁二烯-苯乙烯聚合物。可商購產(chǎn)品實(shí)例為來自LubrizolCorporation的苯乙烯烴聚合物(Lubrizol7440S)。所述潤滑復(fù)合物合適地包含0.1-0.5wt。/。的降凝劑，如聚甲基丙烯酸酯、烷基化萘降凝劑衍生物如烷基酯共聚物?？缮藤彯a(chǎn)品實(shí)例為來自LubrizolCorporation的烷基酉旨共聚物(Lubrizol6662)。所述潤滑復(fù)合物合適地包含0.01-0.2wty。的消泡劑，如硅基消泡劑?？缮藤彯a(chǎn)品實(shí)例為來自UltraAdditives的硅基消泡劑(FoamBan103)。所述潤滑復(fù)合物可以包含0-5wt。/。的羧酸皂，如單或二元脂肪酸的堿、烷醇胺、烷基胺或烷氧基化酸皂胺鹽或它們的混合物?？缮藤彯a(chǎn)品實(shí)例6測試多種鉆探流體以確定各種潤滑復(fù)合物對鉆柱磨損、套管磨損、以及鉆柱和套管之間的摩擦系數(shù)的影響。測試的鉆探流體有流體1—含有3wt。/。的膨潤土的水基鉆探流體；流體2—含有3wt。/。的重晶石的水基鉆探流體；流體3—含有3wt。/。的由HoughtonInternationalInc.制造的CosmolubricETL的7Jc基鉆探流體；流體4--含有3wt。/。的由Halliburton制造的TorqueTrim的7JC基鉆探流體；流體5—含有3wt。/。的由Oleon制造的Oleon的7jc基鉆4笨流體；流體6~含有3wt。/。的由LeonardAndersen利用Mobil油組合物和PTFE顆粒制造的Anderson的水基鉆探流體；流體7—含有G-密封的7JC基鉆探流體。所述鉆柱和套管由VM50鋼制造。測試結(jié)果列于下表1中，其中鉆柱磨損和套管磨損以rara/km表示，指的是在鉆柱和套管的接觸表面之間每km相對運(yùn)動的壁厚縮小(mm)。表l鉆柱磨損(mm/km)套管磨損(mm/km)摩擦系數(shù)流體10.0350.470.45流體20.0090.090.21流體30.0040.030,16流體40.0030.050.16流體50.0060.060.27流體60.0020.030.16流體70.0570.410.6另夕卜，針對施涂于鉆柱外表面的各種涂層進(jìn)行測試以確定所述涂層對鉆柱磨損、套管磨損、以及鉆柱和套管之間的摩擦系數(shù)的影響。測試的鉆;f主涂層有'凃?qū)觢--由VictrexPeekCoating制造的Victrex涂層層(涂層(HoustonTX，USA);涂層5—由EnduraCoating制造的Green涂層(WarrenMI，USA);涂層6--由HitemcoSouthwest制造的H329涂層(涂層(HoustonTX，USA);涂層7--由HUemcoSouthwest制造的Tl5涂層(涂層(HoustonTX，USA);涂層8—由HUemcoSouthwest制造的T90green(涂層(HoustonTX，USA)。所述鉆柱由VM50鋼制造，和所述套管由VM50鋼制造。所述鉆探流體為水基的和包含膨潤土和重晶石作為摩擦降低化合物。測試結(jié)果列于表2中，其中鉆柱磨損和套管磨損以mm/km表示，指的是在鉆柱和套管的接觸表面之間每km相對運(yùn)動的壁厚縮小(mm)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>下面通過實(shí)施例的方式參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示意性描述了利用本發(fā)明的鉆探系統(tǒng)的實(shí)施方案鉆探的井孑L;圖2示意性描述了在連續(xù)鉆探井孔過程中圖1的井孔；和圖3示意性描述了鉆探完成后圖1和2的井孔。具體實(shí)施方式參照圖1，其中給出了在利用帶有鉆頭5的鉆柱4鉆探的過程中在地層2中形成的井孔1。鉆柱4從地面8的鉆探設(shè)備6延伸到井孔1的底部10，和配有流動通道(未示出)用于泵送鉆探流體從鉆探設(shè)備6經(jīng)流動通道至鉆頭5并從鉆頭5至井孔1。井孔1的上部12配有第一鋼制套管14，其具有直徑增大的下端部分15以在其中接收第二套管(見下文)。第一套管14徑向膨脹和具有硬化內(nèi)表面16，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。鉆柱4配有聚四氟乙烯(PTFE)涂層18形式的外層。合適地，PTFE涂層18包括由KerstenKunstofcoating(Netherlands)作為TeflonPFA涂料銷售的RubyRedTeflon。圖2中給出了鉆^果另一部分后的井孔1，其中第二鋼制套管20設(shè)置在井孔1中第一套管14下方。第二套管20以短距離延伸入第一套管14的下端部分15，以提供兩套管14、20之間的密封連接。與第一套管14類似，第二套管20徑向膨脹和具有硬化內(nèi)表面22，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。另外，第二套管20具有直徑增大的下端部分24以在其中接收第三套管(見下文)。在圖3中給出了鉆探完成后的井孔1,其中鉆探設(shè)備6已經(jīng)由井口26代替。第三套管28設(shè)置在井孔1中第二套管20下方。第三套管28以短距離延伸入笫二套管20的下端部分24，以提供兩套管20、28之間的密封連接。與第一和第二套管類似，第三套管28徑向膨脹和具有硬化內(nèi)表面30，其硬度大于鉆柱4的外表面的硬度。在正常操作過程中，鉆柱通過鉆探設(shè)備6的回轉(zhuǎn)臺(未示出)旋轉(zhuǎn)，以鉆探井孔1的上部，之后鉆柱被收回和第一套管14被安裝在井孔上部。隨后，井孔被鉆得更深，從而鉆柱4通過第一套管14并進(jìn)入鉆探的新的井孔部分。同時泵送鉆探流體通過鉆柱4的流動通道進(jìn)入井孔1的下部。鉆探流體一方面通過在井孔壁和套管14之間形成的環(huán)形空間32和另一方面通過鉆柱4返回地面。鉆探流體配有植物油形式的潤滑復(fù)合物以降低旋轉(zhuǎn)鉆柱4和套管14及井孔壁之間的摩擦力。在新的井孔部分已經(jīng)鉆探至選定深度后，鉆柱4被收回至地面和第二套管20被安裝在新鉆的井孔部分內(nèi)。笫二套管20以短距離延伸入第一套管14的下端部分15，以提供兩套管14、20之間的密封連接。在下一步中，鉆探進(jìn)一步的井孔部分，其中鉆柱4通過第一套管14、第二套管20和進(jìn)入鉆探的進(jìn)一步的井孔部分。同時鉆探流體向下通過鉆柱4和向上一方面通過鉆柱4和另一方面通過井孔壁和套管14、20之間的環(huán)形空間32循環(huán)。鉆探流體配有所述植物油以降低旋轉(zhuǎn)鉆柱4和套管14、20及井孔壁之間的摩擦力。在進(jìn)一步的井孔部分已經(jīng)鉆探至選定深度后，鉆柱4被收回至地面和第三套管28被安裝在井孔1中第二套管20下方。第三套管28以短距離延伸入第二套管20的下端部分24，以提供兩套管20、28之間的密封連接。按要求重復(fù)上述步驟多次以鉆探井孔1至所需深度。依靠各套管14,20,28的硬化內(nèi)表面16,22,30、鉆柱4外表面上的PTFE涂層和鉆控流體中的潤滑復(fù)合物，一方面實(shí)現(xiàn)了鉆柱4與各套管14,20,28的內(nèi)表面16,22,30之間的摩擦力最小。另外，實(shí)現(xiàn)了各套管14,20,28的內(nèi)表面16,22,30由于與旋轉(zhuǎn)鉆柱4接觸的任何磨損限于最小。后一效果是特別重要的，這是因?yàn)楦魈坠芏?4，20，28的大部分在鉆探過程中不會與任何其它套管段重疊，從而各套管段14，20，28在長期鉆探中與鉆柱4摩擦接觸。這與傳統(tǒng)井孔鉆探不同，在傳統(tǒng)井孔鉆探中套管以嵌套方式設(shè)置致使各后續(xù)套管通過前一套管延伸至地面，從而前一套管在進(jìn)一步的井孔鉆探過程中不再與鉆柱摩擦接觸。代替使用在鉆探各井孔部分后收回至地面的傳統(tǒng)鉆柱，可以使用在選定的井孔部分已經(jīng)鉆探后轉(zhuǎn)變成套管的鉆柱。這種方法通常稱為"套管鉆井"或"尾管鉆井"。例如，鉆柱可以形成可膨脹的管狀元件，該元件在新鉆探的井孔部分內(nèi)徑向膨脹以在其中形成套管。據(jù)設(shè)想本發(fā)明方法對于這些"套管鉆井"或"尾管鉆井"應(yīng)用是特別有利的，這是因?yàn)殂@柱(有待于轉(zhuǎn)變?yōu)樘坠艿?不具有如傳統(tǒng)鉆柱中的徑向收縮，其可以另外設(shè)計(jì)使鉆柱和鉆孔壁/套管之間的摩擦以及套管的磨損最小化。另外，據(jù)設(shè)想對于"套管鉆井"或"尾管鉆井"應(yīng)用來說降低鉆柱和鉆孔壁/套管之間的摩擦是特別重要的，因?yàn)檫@有助于降低由于相對于鉆孔直徑相對較大的旋轉(zhuǎn)"套管"或"尾管，，直徑導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)扭矩增大。權(quán)利要求1.一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統(tǒng)，其包括設(shè)置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內(nèi)部到達(dá)鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進(jìn)入套管內(nèi)的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內(nèi)表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損，其中所述系統(tǒng)還包括用于減少所述套管內(nèi)表面摩損的設(shè)施，所述設(shè)施包括在所述套管內(nèi)表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內(nèi)的潤滑復(fù)合物中的至少一種。2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述套管內(nèi)表面上的硬化層具有第一硬度和鉆柱外表面具有第二硬度，和其中所述第一硬度大于所述第二硬度。3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述第一硬度與第二硬度的比為l-5。4.權(quán)利要求2或3的系統(tǒng)，其中所述第一硬度值為150-600Hv。5.權(quán)利要求l-4任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述鉆柱外表面上的減摩擦層包括聚四氟乙烯(PTFE)。6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述外層形成施涂到鉆柱外表面上的涂層。7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含64.25-90.89wt。/。的基油。8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述基油選自天然的甘油三酯油、魚油、動物油、植物甘油三酯油、葵花籽油、大豆油、油菜籽油、菜籽油、棕櫚果油、棕櫚油、橄欖油、油菜籽油、菜籽油、亞麻籽油、花生油、大豆油、棉籽油、葵花籽油、南瓜籽油、椰子油、玉米油、茺麻油、胡桃油、天然或合成油和酯。9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.02-0.05wt。/。的金屬減活劑。10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.5-3.Owty。的抗氧化劑。11.權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含4-12wt%的硫化天然油。12.權(quán)利要求1-11任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含4-12wt%的磷酸酯。13.權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.4-1.5wtX的磷酸。14.權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.08-1.5wt。/。的粘度調(diào)節(jié)劑。15.權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.1-0.5wt。/。的降凝劑。16.權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0.01-0.2wt。/。的消泡劑。17.權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述潤滑復(fù)合物包含0-5wt%的羧酸皂。18.權(quán)利要求l-17任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述套管由多個套管段形成，各套管段至少部分不與任何其它套管段重疊。19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述套管可徑向膨脹，所述系統(tǒng)還包括用于使所述多個套管段的第一套管段徑向膨脹的設(shè)施和用于降低所述多個套管段中的第二套管段在所述第一套管段徑向膨脹后通過所述第一套管段的設(shè)施。20.基本上如前文參照附圖所述的系統(tǒng)。全文摘要提供一種用于向地層中鉆探鉆孔的系統(tǒng)，其包括設(shè)置在鉆孔中的套管，延伸通過套管內(nèi)部到達(dá)鉆孔下端部分的鉆柱，和延伸進(jìn)入套管內(nèi)的鉆探流體主體，在利用鉆柱鉆探鉆孔的過程中，所述套管的內(nèi)表面由于與鉆柱外表面的摩擦接觸而易于磨損。所述系統(tǒng)還包括用于減少所述套管內(nèi)表面摩損的設(shè)施，所述設(shè)施包括在所述套管內(nèi)表面上的硬化層、在鉆柱外表面上的減摩擦層和包含在鉆探流體主體內(nèi)的潤滑復(fù)合物中的至少一種。文檔編號E21B17/10GK101680278SQ200880018535公開日2010年3月24日申請日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日發(fā)明者A·L·M·武本,B·J·H·梵登布雷凱爾,D·H·澤斯林格,G·格林伯格,M·M·沙德,M·M·舒斯特申請人:國際殼牌研究有限公司