用于鉆出地下鉆孔的鉆井方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及特別地但非排他性地出于從地下油藏抽出碳?xì)浠衔锏哪康亩@出 地下鉆孔的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，使用被稱為鉆桿的鋼管執(zhí)行井眼的鉆孔，鉆桿在最下端帶有鉆頭?？墒褂玫?面鉆井電動機(jī)旋轉(zhuǎn)整個(gè)鉆桿，或者可使用安裝在鉆頭正上方的鉆桿中的一個(gè)或多個(gè)流體動 力電動機(jī)將鉆頭獨(dú)立于鉆桿旋轉(zhuǎn)。隨著鉆井的進(jìn)行，泥漿流用于將因鉆井過程形成的碎肩 帶出井眼。泥漿順著鉆桿被抽送通過進(jìn)入管路，通過鉆頭/經(jīng)過鉆頭上方/到鉆頭周圍，并 且經(jīng)由鉆桿外壁和井眼之間的環(huán)形空間（通常被稱為環(huán)面）返回表面。當(dāng)進(jìn)行離岸鉆井時(shí)， 提供套管并且套管包括環(huán)繞鉆桿從井口向上延伸的較大直徑管。套管和鉆桿之間的環(huán)形空 間（下文中，被稱為套管環(huán)面）用作環(huán)面延伸，并且提供了泥漿返回泥漿儲藏器的導(dǎo)管。泥 漿另外可用于冷卻鉆頭，以潤滑系統(tǒng)并且為井下電動機(jī)提供動力。
[0003] 泥漿（mud)是廣義鉆井術(shù)語（相關(guān)技術(shù)中已知的），在這種背景下，它用于描述在 鉆井期間使用的任何流體或流體混合物并且涵蓋從空氣、氮?dú)?、空氣或氮?dú)庵械撵F化流體、 帶有空氣或氮?dú)獾呐菽黧w、充空氣或充氮?dú)獾牧黧w、一直到比重大的油或水與固體顆粒 的混合物的大范圍的流體或流體混合物。
[0004] 傳統(tǒng)上，井眼敞開（鉆井期間），暴露于大氣壓，在系統(tǒng)中不存在表面施加壓力或 其它壓力。鉆桿自由旋轉(zhuǎn)，沒有任何密封元件在表面處施加于或作用于鉆桿。在這種操作 中，不需要轉(zhuǎn)移返回的流體流或?qū)ο到y(tǒng)施壓。
[0005] 在鉆井期間，鉆頭穿透地下的巖石層和結(jié)構(gòu)層，直到鉆頭到達(dá)一個(gè)或多個(gè)儲層，儲 層也被稱為地層（formation)、孔隙或空隙，所述儲層包含在巖石內(nèi)含的處于一定溫度和壓 力下的碳?xì)浠衔?。這些碳?xì)浠衔锉话谶€可包含水、油和氣體組成的巖石孔隙內(nèi)。由 于正在從巖石層向地層上方施加力，這些地層流體在已知或未知壓力（被稱為孔壓）下被 困在孔隙內(nèi)。無計(jì)劃地涌入這些地層流體（也被稱為儲層流體）是本領(lǐng)域熟知的，并且被 稱為地層井侵或井涌。
[0006] 泥漿是給定密度（也被稱為比重）的流體，最重要的是，泥漿還用于處理可能在鉆 井期間出現(xiàn)的任何地層井侵（或井涌）。例如，在被稱為"過平衡"鉆井的一種鉆井中，選擇 泥漿的密度，使得該泥漿在井眼底部產(chǎn)生流體靜壓（由于泥漿的比重導(dǎo)致的）（井底壓力或 BHP)，該流體靜壓高得足以平衡地層中的流體壓力（"地層孔隙壓力"），從而基本上防止流 體從被井眼穿透的地層涌入（到井眼）。換句話講，泥漿用作抵抗地層流體進(jìn)入井眼的屏 障?？赏ㄟ^利用泥漿密度和泥漿在井眼內(nèi)的豎直大小之間的關(guān)系來變化和控制BHP，以增 大或減小泥漿在井眼底部施加的流體靜壓。如果BHP降至低于地層孔隙壓力，則會出現(xiàn)地 層流體的井侵或井涌，即，氣體、油或水可進(jìn)入井眼。另選地，如果BHP過高，則它可能高于 地層中巖石的斷裂應(yīng)力。在這種情形下，井眼底部的泥漿壓力可使地層斷裂，泥漿可進(jìn)入地 層。泥漿的這種損失造成BHP瞬間減小，這進(jìn)而可導(dǎo)致形成井涌。超過地層斷裂壓力還可 導(dǎo)致隨著泥漿井侵地層而損失泥漿。根據(jù)這些損失的大小，存在大的風(fēng)險(xiǎn)：井中靜液壓力的 隨之減小將導(dǎo)致隨著BHP對應(yīng)至低于地層壓力，井眼中泥漿的高度降低。這個(gè)不期望的狀 況將有可能導(dǎo)致地層井侵。本領(lǐng)域中熟知的這些狀況也被稱為損失（少量、多量和全部/ 嚴(yán)峻的損失，取決于大?。┗蚓?br>[0007] 泥漿施加的BHP的另一個(gè)方面是，BHP具有與之關(guān)聯(lián)的兩個(gè)值一靜態(tài)BHP值和循 環(huán)BHP值。泥漿的靜態(tài)BPH與當(dāng)泥漿是靜態(tài)（即，泥漿沒有循環(huán)通過鉆桿）時(shí)泥漿施加的 壓力相關(guān)。泥漿的循環(huán)BHP與在鉆井期間泥漿通過鉆桿、環(huán)面并且通過套管通向表面進(jìn)行 循環(huán)期間泥漿施加的壓力相關(guān)。
[0008] 在循環(huán)期間，泥漿施加的壓力高于泥漿是靜態(tài)時(shí)。這是因?yàn)榇嬖诰劭傞L度上的 摩擦損失，這種摩擦損失是由于（例如）鉆桿相對于井眼的幾何形狀（這改變鉆桿和井眼 之間的環(huán)形間隙）或流體的粘度或密度（這影響所述流體流過環(huán)面的方式）而造成的。這 使泥漿的流速降低。這些損失從井眼底部直至泥漿退出到地面上方的表面的點(diǎn)都存在。因 此，需要增大壓力量來循環(huán)泥漿，以有效地移動固體，清潔井眼內(nèi)的碎肩并且在鉆井期間為 鉆頭/鉆桿提供動力。在井眼底部產(chǎn)生最大壓力，因?yàn)樵谶@一點(diǎn)，沿著整個(gè)井眼長度出現(xiàn)摩 擦損失。一般將循環(huán)BHP的增加與當(dāng)量循環(huán)密度（ECD)泥漿密度聯(lián)系起來，該當(dāng)量循環(huán)密 度泥漿密度出于所描述的原因高于靜態(tài)泥漿的密度。當(dāng)然，ECD和BHP都直接受泥漿的基 本密度影響。
[0009] 已知具有包括安全系數(shù)的靜態(tài)泥漿密度（即，增大靜態(tài)泥漿的密度），并且將這個(gè) 值同時(shí)用于靜態(tài)狀況和循環(huán)狀況，使得BHP足以防止出現(xiàn)井涌。
[0010] 然而，要是系統(tǒng)變得欠平衡，例如，由于地層井侵，已知的是增加泥漿的密度以增 大井眼的BHP ;從而當(dāng)泥漿在井眼中循環(huán)時(shí)恢復(fù)過平衡鉆井狀況。這個(gè)密度增大的泥漿被 稱為壓泥漿并且進(jìn)行循環(huán)以填充整個(gè)井眼并且鉆桿體積。用于恢復(fù)過平衡鉆井狀況的這種 操作可被稱為井控操作。
[0011] 傳統(tǒng)鉆井系統(tǒng)的目的是，將BHP保持大于地層的井眼壓力而低于地層的斷裂應(yīng) 力。以此方式控制BHP被稱為控制壓力鉆井（MPD)。在控制壓力鉆井中，使用諸如旋轉(zhuǎn)控制 裝置、旋轉(zhuǎn)防噴器（BOP)或套管鉆井裝置等壓力抑制裝置將環(huán)面或套管環(huán)面閉合。這個(gè)裝 置包括密封元件，密封元件與鉆桿的外表面接合，使得基本上防止了流體在密封元件和鉆 桿之間流動，同時(shí)仍然允許鉆桿旋轉(zhuǎn)。這個(gè)裝置的位置并不關(guān)鍵，并且對于離岸鉆井而言， 它可被在水平面處或水平面上方或下方、海床上或甚至井眼內(nèi)安裝在套管中。密封元件被 設(shè)置在旋轉(zhuǎn)控制裝置（RCD)、旋轉(zhuǎn)防噴器（RBOP)、隨鉆壓力控制（PCWD)、或用于閉合套管環(huán) 面的旋轉(zhuǎn)控制頭（RCH)的外殼中，使密封元件直接接觸鉆桿。這樣得到所需的套管環(huán)面與 大氣隔離，同時(shí)確保了有足夠的緊貼鉆桿的密封以進(jìn)行安全鉆井?，F(xiàn)有壓力抑制設(shè)計(jì)中的 典型密封元件包括彈性體或橡膠襯墊/密封元件和軸承組件，軸承組件允許密封元件隨鉆 桿一起旋轉(zhuǎn)。鉆桿和密封元件之間沒有旋轉(zhuǎn)移動，因?yàn)檩S承組件本身允許鉆桿在鉆井期間 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動。這些是本領(lǐng)域中熟知的并且在美國專利7699109、7926560和6129152中進(jìn) 行了描述。
[0012] 通常被稱為流量滑閥的流動控制裝置提供了使泥漿溢出環(huán)面/套管環(huán)面的流動 路徑。在流量滑閥之后，經(jīng)常存在壓力控制歧管，該壓力控制歧管帶有用于控制泥漿流出環(huán) 面/套管環(huán)面的速率的至少一個(gè)可調(diào)節(jié)閘門或閥門。當(dāng)在鉆井期間被關(guān)閉時(shí)，壓力抑制裝 置在井眼中產(chǎn)生背壓，可通過使用壓力控制歧管上的可調(diào)節(jié)閘門或閥門來控制這個(gè)背壓， 以控制泥漿流出環(huán)面/套管環(huán)面受限的程度。
[0013] 控制壓力鉆井和/或欠平衡鉆井可使用被專門開發(fā)用于一直保持井關(guān)閉以保持 井口中的非大氣的壓力的設(shè)備；這不同于傳統(tǒng)的過平衡鉆井方法。因此，控制壓力操作是閉 環(huán)系統(tǒng)?？刂茐毫︺@井還利用更輕的靜態(tài)泥漿比重作為鉆井流體，因?yàn)檫@些泥漿施加更小 的壓力，從而保持BHP低于地層的斷裂應(yīng)力一與鉆井期間施加背壓的表面一起用于提供必 需的當(dāng)量靜液壓力，以防止地層井侵進(jìn)入井眼。
[0014] 欠平衡鉆井允許儲層流體在鉆井和起下鉆期間與泥漿/鉆井流體一起流向表面。 因此，在壓力抑制裝置的壓力密封件下方存在含有碳?xì)浠衔?、固體和鉆井流體的承壓環(huán) 面。這兩種方法都導(dǎo)致壓力包含裝置的密封件下方存在含有鉆井流體、和/或固體、和/或 地層流體的承壓環(huán)面。
[0015] 進(jìn)行控制壓力鉆井或欠平衡離岸鉆井比岸上鉆井更困難，在海下越深的地方鉆 井，困難程度越大。這是因?yàn)?，從海床到鉆井平臺的套管節(jié)段變成井眼的延伸部并且其長度 因此隨水深的加大而變大。因此，井眼中產(chǎn)生的增大的靜水壓力和相關(guān)聯(lián)的摩擦損失顯著 增加了泥漿的E⑶。在這些深度處，E⑶的這些增加常?？沙^地層斷裂應(yīng)力。此外，地層 斷裂應(yīng)力可低于岸上預(yù)見的，所以，由于地層斷裂的高風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的過平衡狀況是不期 望的。
[0016] 另選地，這些深水井情形下的地層壓力可異常地高，從而需要更重的泥漿比重來 平衡井并且防止地層井侵。這個(gè)情形還會造成循環(huán)/鉆井BHP超過地層斷裂應(yīng)力。
[0017] 這些狀況可導(dǎo)致窄鉆井工作包線一也被稱為在鉆井余量。它被定義為小循環(huán)/鉆 井BHP窗口，所述小循環(huán)/鉆井BHP窗口是由隨著井總長度增加的較低斷裂應(yīng)力和較高孔 隙壓力的上下限導(dǎo)致的。這導(dǎo)致了在鉆井和/或連接期間循環(huán)BHP的靈活性降低，從而帶 來很大的挑戰(zhàn)。
[0018] 因此，離岸Mro操作變得更難以降低這些風(fēng)險(xiǎn)并且難以增加鉆井平臺上的整體安 全性。MPD的套管解決方案允許對套管的壓力控制增強(qiáng)并且允許通過排放/控制歧管進(jìn)行 地層井侵（如果出現(xiàn)井侵）的安全轉(zhuǎn)移。它還允許使用更輕的泥漿比重，從而導(dǎo)致用于鉆井 通過下斷裂應(yīng)力區(qū)的靜水壓力降低，利用表面施加的背壓對井眼強(qiáng)加另外的靜水壓力（如 果需要的話）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種使用鉆桿鉆出地下井眼的方法，該方法包括 以下步驟：基于所述井眼的一部分中的鉆井流體的當(dāng)量循環(huán)密度，估計(jì)或確定所述鉆井流 體的減小的靜態(tài)密度；提供基本上具有該減小的靜態(tài)密度的鉆井流體；將具有所述減小的 靜態(tài)密度的鉆井流體引入所述井眼中；以及經(jīng)由返回管路從所述井眼去除所述鉆井流體。
[0020] 在本說明書中，術(shù)語"當(dāng)量循環(huán)密度"用于描述當(dāng)鉆井流體在井眼中循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的 底孔壓力的增大（即，在給定密度的鉆井流體以特定流速循環(huán)期間的底孔壓力和當(dāng)這個(gè)鉆 井流體在井眼中靜止時(shí)的底孔壓力之間的差異）。
[0021] 所述鉆井流體的所述減小的靜態(tài)密度因此可低于當(dāng)鉆井流體沒有循環(huán)時(shí)控制井 (即，用于平衡地層壓力）所需的流體的密度。
[0022] 所述鉆井流體可經(jīng)由所述鉆桿被引入所述井眼中。
[0023] 所述方法可包括使用管狀套管以形成圍繞所述鉆桿的大體環(huán)形空間，使得所述鉆 井流體經(jīng)過所述環(huán)形空間到達(dá)所述返回管路。
[0024] 所述方法可包括使用密封裝置密封所述環(huán)形空間以形成在所述密封裝置下方且 具有第一環(huán)形空間的管狀套管的第一部分和在所述密封裝置上方且具有第二環(huán)形空間的 管狀套管的第二部分，使得在所述第一環(huán)形空間和所述第二環(huán)形空間之間形成流體基本不 能滲透的密封。
[0025] 所述方法還可包括：使所述鉆井流體經(jīng)過所述第一環(huán)形空間；以及經(jīng)由所述返回 管路從所述第一環(huán)形空間去除所述鉆井流體。
[0026] 可在所述第一環(huán)形空間和所述第二環(huán)形空間之間設(shè)置流體連通裝置，可以設(shè)置用 于打開和關(guān)閉所述流體連通裝置的裝置。所述流體連通裝置可包括流送通道或者管路以及 閥門，所述閥門能夠用于允許或防止流體沿著所述流送通道流動。
[0027] 可在所述第一環(huán)形空間中貯存壓井流體。
[0028] 所述方法可包括倘若在所述井眼中出