用于在孔眼中定向的方法及系统

摘要

本发明公开了一种能够设于地下孔眼中的系统、和在孔眼中相对于套管柱定向油管柱的方法。可利用特定的组件在孔眼中相对于第一管道定位第二管道。可利用工具旋转式地定向第二管道，该工具在第二管道朝向孔眼的地面运动时定向第二管道，而不使与第二管道关联或包含在第二管道内的一个或多个控制管线断裂。在一些实施例中，可利用组件相对于第一管道的多个窗口定向第二管道的多个部分。第一管道可为套管柱，第二管道可为油管柱。第一管道可限定出内部区域，第二管道可设于该内部区域中，上述工具可联结到第一管道。

说明书

技术领域

本发明概括地涉及用于在孔眼中定向管柱或管柱的部分的方法和系统，更具体地(但不一定排他性地)涉及在孔眼中相对于套管柱窗口定向油管柱窗口。

背景技术

可经由横贯地层的井眼(wellbore)生产烃。井眼可包括从母井眼(或主井眼)伸出的一个或多个侧向井眼。可通过例如经由开口(即套管柱窗口)使母井眼中的磨铣工具转向来形成侧向井眼。套管柱可包括多个窗口，每个侧向井眼有一个窗口。

油管柱可设于井眼中。油管柱可包括例如能够用来从地层中生产烃的各种工具或部件。油管柱可包括窗口或可使窗口形成得与套管柱窗口对准的部分。可能难以使油管柱窗口或特定的油管柱部分与孔眼中的套管柱窗口对准。

已使用各种工具将油管柱定位到选定深度及油管柱在孔眼中的定向角度。这些工具通常需要油管柱大幅旋转(例如超过180°)至适于油管柱的位置。在一些应用中，这种旋转量可能是不合要求的。例如，油管柱可能包括一个或多个控制管线，控制管线供作孔眼中的通信、电力以及其它服务之用的介质。使油管柱的包括一个或多个控制管线的部分大幅旋转可能在控制管线上引发应力，从而可造成控制管线断裂。

因此，需要可在孔眼中相对于套管柱定向油管柱的系统和方法。还需要可在不需要在油管柱的孔眼中相对于套管柱进行大幅旋转的情况下执行这种定向的系统和方法。

发明内容

本发明的特定实施例涉及组件，可通过这些组件在孔眼中相对于第一管道定向第二管道。可利用工具旋转式地定向第二管道，该工具在第二管道朝向孔眼的地面运动时定向第二管道，而不使与第二管道关联或包含在第二管道内的一个或多个控制管线断裂。在一些实施例中，可利用这些组件相对于第一管道的多个窗口定向第二管道的多个部分。

在一方案中，提供一种可设于孔眼中的系统。该系统包括第一管道、第二管道、工具以及装置。第一管道包括具有开口的壁。第一管道限定出内部区域。第二管道可设于内部区域中。该工具可联结到第一管道。该工具可将第二管道从第一位置导引到比第一位置更接近地面的第二位置。当第二管道位于第二位置时，第二管道的一部分与开口的至少一部分相邻。该装置可在通过工具导引第二管道之后，防止第二管道相对于第一管道旋转。

在至少一个实施例中，第二管道的当第二管道位于第二位置时与上述开口的至少一部分相邻的部分包括第二管道开口。

在至少一个实施例中，第二管道包括至少一个控制管线。当第二管道被从第一位置导引到第二位置时，第二管道旋转不超过180°。

在至少一个实施例中，上述的壁包括第二开口。系统可包括第二工具和第二装置。第二工具可联结到第一管道，并可将第二管道的一部分从初始位置导引到比初始位置更接近地面的位置。第二管道的上述部分可独立于第二管道的当第二管道位于第二位置时与开口的至少一部分相邻的那部分被导引。第二装置可防止在通过第二工具导引第二管道的一部分之后第二管道的一部分相对于第一管道旋转。

在至少一个实施例中，第二管道包括接头，该接头能够允许第二管道的上述部分独立于第二管道的上述部分被导引。

在至少一个实施例中，第一管道为套管柱。第二管道为包括闭锁键的油管柱。该工具为斜口管鞋(mule shoe)。该装置为可容纳闭锁键的闭锁联结部。

在至少一个实施例中，油管柱可包括能够使闭锁键从油管柱的外边界伸出的弹簧。

在另一方案中，提供一种可设于孔眼中的系统，该系统包括套管柱、油管柱、斜口管鞋以及闭锁联结部。套管柱限定出内部区域。油管柱可设于内部区域中。油管柱包括闭锁键。斜口管鞋包括设于第一端与第二端之间的引导部。第二端可定位成比第一端更接近地面。至少一个引导部可将油管柱从第一端导引到第二端。闭锁联结部联结到套管柱。闭锁联结部可容纳闭锁键以防止油管柱相对于套管柱旋转。

在至少一个实施例中，油管柱包括呈某一构造的闭锁键。闭锁联结部包括多个凹部，该多个凹部的构造与闭锁键的构造相匹配。凹部能够容纳闭锁键以防止油管柱远离地面移动。

在至少一个实施例中，当油管柱从第一端被导引到第二端时，油管柱旋转不超过180°。

在至少一个实施例中，套管柱包括套管柱窗口，该套管柱窗口位于套管柱的壁中。在油管柱被导引到第二端之后，油管柱窗口的至少一部分与套管柱窗口的至少一部分相邻。

在至少一个实施例中，套管柱包括第二窗口，第二窗口位于套管柱的壁中。油管柱包括第二油管柱窗口。系统可包括第二斜口管鞋和第二闭锁联结部。第二斜口管鞋联结到套管柱，该斜口管鞋可将油管柱的一部分从初始位置导引到比初始位置更接近地面的位置。第二闭锁联结部可在通过第二斜口管鞋导引油管柱的上述部分之后，防止油管柱的该部分相对于套管柱旋转。当油管柱的上述部分位于比初始位置更接近地面的位置时，第二油管柱窗口的至少一部分与第二窗口的至少一部分相邻。

在至少一个实施例中，油管柱的上述部分能够独立于油管柱的位于第二端的部分被第二斜口管鞋导引。

在至少一个实施例中，油管柱包括能够允许油管柱的上述部分独立于油管柱的位于第二端的部分被第二斜口管鞋导引。

在至少一个实施例中，接头包括油管旋转头(tubing swivel)和伸缩式接头。油管旋转头能够允许油管柱的上述部分独立于油管柱的位于第二端的部分旋转。伸缩式接头能够允许油管柱的上述部分的深度独立于油管柱的位于第二端的部分而改变。

在又一方案中，提供一种在孔眼中相对于套管柱定向油管柱的方法。将该套管柱设于孔眼中。套管柱包括与侧向孔眼关联的套管柱窗口。工具联结到套管柱。使油管柱在孔眼中行进到第一位置；在第一位置，工具比油管柱的至少一部分更接近地面。油管柱包括油管柱窗口。使油管柱朝向地面移动，以促使工具将油管柱导引到第二位置；在第二位置，油管柱窗口的至少一部分与套管柱的至少一部分相邻，并且在第二位置，设有容纳油管柱的闭锁键以防止油管柱旋转的闭锁联结部。

在至少一个实施例中，该工具为包括设于第一端与第二端之间的多个引导部的斜口管鞋。第二端比第一端更接近地面。使油管柱朝向地面移动包括促使油管柱容纳第一端以将油管柱导引至引导部。

在至少一个实施例中，使油管柱在孔眼中行进，以促使工具比闭锁键更接近地面。

在至少一个实施例中，套管柱包括第二套管柱窗口，而油管柱包括第二油管柱窗口。促使第二工具将油管柱的一部分从初始位置导引到比初始位置更接近地面的期望位置，并使油管柱的上述部分独立于油管柱的位于第二位置的部分移动；在第二位置，油管柱窗口的至少一部分与套管柱窗口的至少一部分相邻。使用回转接头(swivel joint)使油管柱的上述部分的深度独立于油管柱的位于第二位置的部分旋转。将伸缩式接头解锁，并使用伸缩式接头使油管柱的上述部分独立于油管柱的位于第二位置的部分而改变。

这些示例性方案和实施例的描述不用于限制或局限本发明，而是用于提供帮助理解本申请中披露的创造性概念的实例。在阅读整个申请之后，本发明的其它方面、优点以及特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例、具有母井眼和侧向井眼的井系统以及设置于母井眼中的套管柱和工具的示意性剖视图。

图2是根据本发明的一个实施例、油管柱设置于套管柱中的图1的井系统的示意性剖视图。

图3是根据本发明的一个实施例、油管柱位于初始位置的图2的井系统的示意性剖视图。

图4是根据本发明的一个实施例、油管柱被定向到比初始位置更接近地面的第二位置的图3的井系统的示意性剖视图。

图5是根据本发明的一个实施例图4中组件沿线5-5剖开的剖视图。

图6是根据本发明的一个实施例、包括油管柱相对于套管柱定向于母井眼中的多分支井眼(multilateral wellbore)的井系统的剖视图。

图7是根据本发明的一个实施例的图6中的接头的局部剖视图。

具体实施方式

本发明的特定方案和实施例涉及能够置于地层的孔眼(例如井眼)中的组件，并且可通过这些组件相对于第一管道定向第二管道。根据本发明的特定实施例的组件可允许相对于第一管道定向第二管道，使得第二管道的一个或多个部分在孔眼中相对于第一管道中的一个或多个窗口定位。“窗口”可包括管壁中的开口，例如可通过该开口进入地层的与该开口邻近的部分以形成侧向井眼。侧向井眼是从其与母井眼的交叉点向外钻出的井眼。

特定的组件可定向第二管道并避免使可能与第二管道关联或包含在第二管道内的一个或多个控制管线断裂。而且，特定的组件可用于相对于第一管道的多个窗口定向第二管道的多个部分。

在一些实施例中，组件包括联结到第一管道的工具，该工具可将第二管道导引到选定位置。组件还可包括能够防止第二管道在被工具导引之后相对于第一管道旋转的装置。第一管道的实例是能够置于孔眼中的套管柱。第二管道的实例是能够置于孔眼中的油管柱。

根据本发明的各个实施例的工具可为能够在孔眼中将第二管道从第一位置导引到更接近地面的第二位置的任何构造的任何结构。工具的一个实例是与套管柱一起置于孔眼中的“斜口管鞋”。斜口管鞋能够在第一端容纳油管柱并且能够将油管柱引导到比第一端更接近地面的第二端。位于第二端的油管柱可使油管柱的期望部分邻近套管柱窗口。在一些实施例中，油管柱包括油管柱窗口，当油管柱位于第二端时，油管柱窗口至少部分地邻近套管柱窗口。

根据本发明的各个实施例的用于防止旋转的装置可包括能够防止第二管道相对于第一管道旋转的任何结构或构造。根据一些实施例的装置包括闭锁联结部，例如包括筒夹(collet)的闭锁联结部，上述的筒夹配置成容纳和保持从第二管道伸出的闭锁键。

在一些实施例中，第二管道是设有多个窗口的油管柱，油管柱的上述多个窗口与套管柱(即第一管道)的套管柱窗口对准。油管柱可包括接头，该接头能够允许油管柱的一部分独立于油管柱的其它部分旋转。在一些实施例中，可用接头使多个油管柱窗口与多个套管柱窗口对准。

这些示例性实例用于将本文阐述的总主题介绍给读者，而不旨在限制所披露的构想的范围。以下段落参照附图描述了各个附加的实施例和实例，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，方向性描述用于说明示例性实施例，但与示例性实施例相同，以下段落不应被用来限定本发明。

图1示出了根据一个实施例、包括延伸穿过各个地层的母井眼12的井系统10。母井眼12包括以水泥固结在母井眼12的一部分上的套管柱14。套管柱14包括窗口16，窗口16为位于套管柱14的侧壁部中的开口。套管柱14还包括能够将油管柱(未示出)导引到适当位置的工具18，并包括能够防止油管柱在处于适当位置之后相对于套管柱14旋转的装置20。套管柱14可由诸如钢之类的适合的材料制成。

图1示出了从母井眼12伸出的侧向井眼22。可通过将造斜器(whipstock)或其它转向装置引入到接近窗口16的位置形成侧向井眼22。可经由套管柱14降下诸如铣鞋(mill)和钻头之类的切割工具，并使切割工具朝向窗口16或朝向套管柱14的要形成窗口的部位偏斜。切割工具将窗口16以及与窗口16邻近的地层铣通，以形成侧向井眼22。

油管柱可被引入套管柱14的内部区域中以辅助产出烃等。本发明的特定实施例可用于相对于套管柱14定向油管柱，以允许例如通过油管柱进入侧向井眼22。图2至图4示出了正在通过根据本发明的一个实施例的组件相对于套管柱14被定向的油管柱24。尽管图2至图5示出了正在相对于套管柱被定向的油管柱，但本发明的实施例可用于相对于其它构件定向任何类型的管道(或工具或装置)。

图2示出了引入套管柱14的内部区域中的油管柱24。可通过任何技术或方法引入油管柱24。油管柱24包括作为油管柱24的侧壁中的开口的油管柱窗口26。油管柱24还包括从油管柱24的外部伸出的闭锁键28。在一些实施例中，闭锁键28为能够从油管柱24的外边界伸出的弹簧加载构件。本发明的特定实施例可用于在母井眼12中相对于套管柱14定位油管柱窗口26。

如图3所示，油管柱24可被引入到初始位置。在初始位置，油管柱窗口26经过套管柱14的窗口16，使得窗口16比油管柱窗口26更接近地面。而且，当油管柱24处于初始位置时，工具18比油管柱24的至少一部分更接近地面。

如图4所示，可朝向地面移动油管柱24以进行定向，使得油管柱窗口26的至少一部分邻接窗口16的至少一部分。朝向地面移动油管柱24，可促使工具18将油管柱24导引到使油管柱窗口26的一部分邻近窗口16的第二位置。在第二位置，装置20可防止油管柱24相对于套管柱14旋转。例如，装置20可以是能够容纳从油管柱24伸出的闭锁键28的闭锁联结部。在一些实施例中，闭锁联结部还防止油管柱24沿一个或多个方向(例如向下)改变深度。闭锁联结部的一个实例是J形槽。根据一些实施例的组件可以包括深度基准联结部，该深度基准联结部可用于确定井下深度。

根据本发明的各个实施例的闭锁联结部可为能够在油管柱处于第二位置时防止油管柱24相对于套管柱14旋转的任何装置或构造。在一些实施例中，闭锁联结部为无键闭锁装置，如在授予Comuau的序号为No.5,579,829的美国专利中所述的无键闭锁装置。

例如，闭锁联结部可以包括形成于套管柱的内表面上的多个容置凹部。这些容置凹部可围绕套管柱的内表面在圆周方向上分隔开并具有不同的轮廓。容置凹部可配置为与弹簧加载闭锁件配合(弹簧加载闭锁件具有与容置凹部的轮廓相应的轮廓)。弹簧加载作用迫使上述闭锁件径向向外移动，并在闭锁件与适合的凹部在轴向和圆周方向上适当对准时配合于凹部中。这些闭锁联结部例如可用于避免限定间隙的突出体从油管柱壁向内伸出，并允许在坐放式系统(landed system)上设置重物(例如30,000磅或更大)。与斜口管鞋联合使用的这些闭锁联结部还可以依据轮廓允许油管柱行进适当的深度、移动到适当的深度和方位，由此防止油管柱越过适当的深度。而且，这些闭锁联结部可供用作确定油管柱在适当深度和方位下对准的表面操控件。例如，闭锁联结部可防止油管柱在适当对准时向下移动，但允许油管柱在未适当对准时向下移动。

在一些实施例中，除用于相对于套管柱定位油管柱的闭锁联结部以外，组件还包括作为第二闭锁联结部的这种类型的闭锁联结部。例如，这种类型的闭锁联结部可用于将造斜器或其它部件定位。

根据本发明的各个实施例的工具可为能够将管道从第一位置导引到第二位置而不需要使管道大幅旋转(例如超过180°)的任何构造。在其它实施例中，可提供在相对于一个管道定向另一个管道时允许360°旋转的工具。在图1至图4所示的实施例中，工具18为斜口管鞋组件，该斜口管鞋组件具有尖的第一端30用以与油管柱24的一部分互补。例如，油管柱24可以包括一个或多个键，上述一个或多个键可在油管柱24朝向地面移动时由弹簧加载而与第一端30协作。

第一端30可随着油管柱24朝向地面移动将油管柱24导引到引导部32。引导部32可为一对弯曲的大体螺旋形的边缘，这对边缘从第一端30延伸到比第一端30更接近地面的第二端34。引导部32可相对于由母井眼12限定的纵向轴线将油管柱24导引到适合的轴向位置及旋转位置。在一些实施例中，第二端34与用于容纳闭锁键28的闭锁联结部相交。当闭锁联结部容纳闭锁键28时，闭锁联结部可防止油管柱24相对于套管柱14旋转。当油管柱24被导引到适合的位置时，油管柱窗口26的至少一部分可与窗口16的至少一部分对准。

利用斜口管鞋可将油管柱24所需的旋转量限制为例如不超过180°。例如，可通过两个引导部32之一来导引油管柱24，使得油管柱24向第二位置的旋转不超过180°。

闭锁键28可以是弹簧加载闭锁键，其配置为当油管柱24处于适当位置时被闭锁联结部容纳。图5示出了沿图4中的线5-5剖开的容纳了闭锁键28的闭锁联结部的实施例的剖视图。套管柱14包括闭锁联结部20这样的装置，闭锁联结部20被成形以容纳从油管柱24的外边界伸出的闭锁键28。油管柱24可位于套管柱14的内部区域中。

油管柱24可包括一个或多个控制管线，例如控制管线38A至38C。控制管线38A至38C可包括如下介质：电力可经由该介质供给到位于孔眼中的一个或多个工具或其它装置，或者数据和控制信号可经由该介质在这些工具或装置与位于地面或地面附近的设备之间交换。油管柱24还可包括设置在油管柱24的闭锁键与内壁之间的弹簧40。弹簧40可促使闭锁键28从油管柱24的外边界向外伸出。尽管图5中示出的是弹簧40，但可使用任何适合的装置。这种装置的一个实例是筒夹。闭锁键28可被闭锁联结部20容纳并可与闭锁联结部20协作，以防止油管柱24相对于套管柱14旋转。尽管图5示出了两个闭锁键28，但在本发明的不同的实施例中可使用从一个到多个、任意数目的闭锁键。在一些实施例中，使用三个或四个闭锁键28。

本发明的特定实施例能够通过在将油管柱24定位于母井眼12中时防止油管柱24大幅旋转，避免一个或多个控制管线38A至38C断裂。例如，可防止油管柱24在朝向期望位置移动的过程中旋转超过180°，并可防止油管柱24在处于期望位置之后旋转。

本发明的特定实施例可在多分支井眼中实施，以允许油管柱相对于套管柱14定位，从而使多个油管柱窗口与多个套管柱窗口对准。多分支井眼可以包括一个母井眼(或主井眼)，母井眼或主井眼具有从母井眼或主井眼伸出的多个侧向井眼。套管柱可设置在母井眼中。套管柱可以包括窗口(或者窗口说可形成于套管柱中)，可经由该窗口形成和进入侧向井眼。

油管柱可设置在套管柱的内部区域中。油管柱可包括油管柱窗口(或者说由部分的侧壁形成了窗口)。每个油管柱窗口将要与套管柱的窗口大体对准。本发明的特定实施例可用于使油管柱窗口与套管柱中的窗口大体对准，并用以避免需要套管柱大幅旋转。

图6示出了多分支井眼系统100的实施例，多分支井眼系统100包括母井眼102和从母井眼102伸出的两个侧向井眼104、106。套管柱108设置在母井眼102中。套管柱108包括与侧井眼104关联的窗口110以及与侧向井眼106关联的第二窗口112。可经由窗口110、112进入侧向井眼104、106。套管柱108还包括装置114、116，装置114、116用于在母井眼102中相对于套管柱108定向油管柱118的一部分或一段。装置114、116可均为斜口管鞋。

油管柱118可包括与窗口110大体对准的油管柱窗口120以及与第二窗口112大体对准的第二油管柱窗口122。在其它的实施例中，油管柱118包括与窗口110、112大体对准的部分，并可经由上述部分形成油管柱窗口。

可利用各种技术定位油管柱118，包括以上参照图2至图5描述的用于使一个油管柱窗口与一个套管柱窗口大体对准的技术。在一些实施例中，可利用诸如接头124之类的部件来按段定位油管柱118。

例如，油管柱118可包括与油管柱窗口120关联的第一段126以及与第二油管柱窗口122关联的第二段128。第二段128通过接头124联结到第一段126，可利用类似于以上参照图2至图4描述的技术将第二段128定位于期望的位置。与套管柱关联的闭锁联结部134能够容纳与第二段128关联的闭锁键136，以防止第二段128相对于套管柱108旋转。

在第二段128被定位之后，第一段126可在接头124处独立于第二段128移动。可利用任何技术使第一段126独立于第二段128移动，该技术可能部分取决于接头124的构造；接头124可包括允许第一段126独立于第二段128移动的任何装置，并且可呈允许第一段126独立于第二段128移动的任何形状。图7示出了根据一个实施例、套管柱108和油管柱124的位于接头124处的部分的剖视图。接头124包括位于油管柱118中的油管旋转头130和伸缩式接头132。油管旋转头130允许第一段126独立于第二段128旋转。在一些实施例中，油管旋转头130可被选择性地锁定以防止旋转，和/或可包括旋转限制部以防止超过油管旋转头130所允许的旋转量。伸缩式接头132允许第一段126的深度独立于第二段128的深度而改变(增大和减小)。在一些实施例中，伸缩式接头132被锁定到适当的位置，直到伸缩式接头被选择性地解锁以允许伸缩从而使第一段126的深度增大或减小为止。可利用任何技术(例如以上参照图2至图4所描述的技术)定位第一段126。当第一段126被定位时，套管柱108的第二闭锁联结部137可容纳第一段闭锁键138以防止第一段126相对于套管柱108旋转。

根据本发明的特定实施例的闭锁联结部可配置成包括选择性闭锁联结轮廓(profile)，该选择性闭锁联结轮廓对应于油管柱上的一种特定的闭锁键轮廓，而不与油管柱上的第二种闭锁键轮廓对应。当油管柱位于第二位置时，选择性闭锁联结轮廓可容纳特定的闭锁键轮廓并防止油管柱旋转。利用选择性闭锁联结部，油管柱的每个部分可选择对应于特定的闭锁联结部轮廓。

本发明的实施例(包括图示实施例)的以上描述仅用于示例和说明，而不旨在将本发明局限或限制为所披露的确切形式。在不偏离本发明的范围内的本发明的多种变型、修改以及应用对本领域的技术人员将是明显的。