用于缓解在油井或气井的环形空间内增加的压力的系统和方法

摘要

本发明主要涉及缓解压力增加的系统和方法，用于缓解油井或气井的环形收集空间内由温度引起的压力增加，这类系统和方法使用带有一个或更多个压力缓解腔的生产套管和/或回接套管，这些腔使用活塞、阀和能够崩裂的隔板来缓解环形空间中的压力增加。这些系统和方法相对于现有技术，尤其是对于海底油井具有有益效果。

说明书

技术领域

本发明主要涉及缓解油井或气井的环形收集空间内由温度引起的压力增加，尤其涉及用于缓解这种环形空间内压力增加的系统和方法，这类系统和方法通常使用带有一个或更多个压力缓解腔的生产套管和/或回接套管。

背景技术

由于从生产地平线到井眼会产生热流体，使得收集在油井或气井的套管/套管环形空间中的流体受热膨胀，这时就会出现一些问题。如果不通风或采用另外方式来缓解压力增加，这种膨胀就会导致环形空间内压力增加。这种状态通常是指“环形空间压力增加(APB)”，这将导致内套管柱破损或外套管柱破裂。这些情形(破损或破裂)都潜在地对油井或气井的机械完整性构成危害。多年来，形成了许多方法来处理环形空间压力增加问题。

使用真空绝热管(VIT)来限制热量从井眼传递到收集套管/收集套管环形空间中的流体，从而能防止有害的APB问题。例如参照Segreto的美国专利No.7207603。

有些缓解环形空间压力增加的方法是在注水泥作业期间将可压缩流体如氮气(N₂)放置在用于收集的环形空间内，来限制由于被收集的流体膨胀而引起的压力增加。例如参照Williamson等的美国专利No.4109725。尽管这些方法能通过液化可压缩流体来限制环形空间内的压力增加，但是最终压力仍然相当高。

将绝热流体/凝胶放置在管道/套管环形空间中能用来限制从井眼到收集套管/收集套管环形空间中的流体的热对流引起的热量传递。使用这种绝热流体/凝胶的方法达到缓解环形空间压力增加的效果与使用真空绝热管的方法类似。例如参照Lon等的美国专利No.4877542。

在某些情况下，缓解环形空间压力增加问题涉及将可压缩固体材料如泡沫或空心颗粒束缚在内套管柱的外侧，这样就能通过固体材料压缩时有效“增加”环形空间容积来调节环形空间内的流体膨胀。例如参照Vargo等的美国专利No.7096944。

另一种缓解环形空间压力增加问题的策略是将流体或其他材料放置在环形空间内，这些材料由于受热和/或持续一定时间被激活时将“收缩”。例如参照Hermes等的美国专利申请公开No.20070114033A1，该申请中使用了甲基丙烯酸甲酯材料。

使用破裂和/或破损板来作为压力缓解工具以使环形空间内的受热流体通过板“通风”。例如参照Staudt的美国专利No.6457528。

在另一种缓解环形空间压力增加问题的技术中，可在外套管柱外侧钻孔以使流体从该孔排出或通过设置在孔中的压力缓解装置排出。例如参照Haugen等的美国专利No.4732211。

尽管有上述多种环形空间压力增加缓解技术，但是环形空间压力增加依然存在严重的问题-尤其对于海底作业而言。因而，能更好/进一步缓解环形空间压力增加问题的系统和方法(这些方法和系统单独使用或与一个或更多个上述技术结合使用)将特别有益-特别地，这些方法和系统能缓解海底作业中的环形空间压力增加，尤其能缓解深水作业中的环形空间压力增加。

发明内容

本发明的实施例主要涉及缓解压力增加的系统和方法，用于缓解油井或气井的环形收集空间内由温度引起的压力增加，通常这类系统和方法使用带一个或更多个压力缓解腔的生产套管和/或回接套管，这些腔例如通过接头和/或其他连接件通常一体配置在一个或更多个所述套管柱中和/或与其结合一体配置。在一些实施例中，这类系统和方法能有效地应用在海上油井(如深水油井)中。

在某些实施例中，本发明涉及一种或更多种用于缓解在井眼的环形套管中的压力积聚的系统，所述系统包括：(a)由至少两个套管柱限定的环形空间的一个或更多个区域，这些套管柱直径不同且同心嵌套以使小直径套管柱的至少一部分位于大直径套管柱的至少一部分中；(b)至少一个腔，其通过套管接头一体配置在至少一个套管柱上，该至少一个腔内含有惰性气体，所述惰性气体通过与所述腔结合一体配置的充气孔被引入所述腔中；和(c)至少一个内套活塞的活塞组件，该活塞组件与所述至少一个腔结合一体配置以使环形空间区域内的液体在压力增加时能通过环形空间压力增加孔进入该至少一个腔中，这样就能推动活塞，从而腔内的惰性气体压强增加，而所述环形空间内的液体由于膨胀而压强减小。在某些实施例中，这种(类)系统还包括一个或更多个第二类型腔，将该第二类型腔与环形空间分隔开的一个或更多个能够崩裂的隔板与所述第二类型腔结合一体配置。

在某些实施例中，本发明涉及一种或更多种用于缓解在井眼的环形套管中积聚的压力的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在井眼的套管环形空间内设置腔，该腔通过套管接头一体配置在至少一个套管柱上，其中所述腔包括与其结合一体配置的活塞；(b)将一定量的惰性气体引入/带进所述腔中；(c)使活塞响应于井眼套管环形空间内的压力变化而移动，以平衡所述腔和井眼套管环形空间之间的压力，从而降低在所述井眼的环形空间内积聚的压力。在某些实施例中，这类方法还包括如下步骤：配置第二类型腔，将该第二类型腔与环形空间分隔开的一个或更多个能够崩裂的隔板与所述第二类型腔结合一体配置。

为了更好地理解下面对本发明所作的详细描述，前面已经主要概述了本发明的特征。下面将描述本发明的其他特征和有益效果，这些特征及有益效果构成了本发明的权利要求的主题。

附图说明

结合附图参照下面的描述，能更彻底地理解本发明及其有益效果，附图如下：

图1示意表示了根据本发明的某些实施例用于缓解在环形空间中的压力的系统；

图2表示本发明的某些实施例中的第一结构类型的环形空间压力缓解腔；

图3A和3B表示本发明的某些实施例中的环形空间压力缓解腔如何与套管柱结合一体配置；

图4表示本发明的某些实施例中的第二结构类型的环形空间压力缓解腔；和

图5按步骤表示本发明方法的实施例。

具体实施方式

1、介绍

本发明总体上涉及缓解压力增加的系统和方法，用于缓解油井或气井的环形收集空间内由温度引起的压力增加(APB)，这类系统和方法使用环形空间压力增加(缓解)腔，这些腔通常与套管(如生产套管和/或回接套管)结合一体配置，这些腔使用活塞、阀和能够崩裂的隔板来缓解环形空间中的压力增加。这类系统和方法相对于现有技术，尤其针对海上油井(如深水油井)具有有益效果。

2、定义

一些术语首次使用时已经在说明书中作了定义，说明书中的一些其他术语定义如下：

“井眼”在此定义为：钻入地层用来开采石油资源如油和/或气的钻孔。这些井眼可以是以地面为基地的，也可以是离岸(海底)的。“深水”海上井通常是水下10000英尺或以上的井。

“套管”在此定义为：通常是指用于油和/或气井完井的管状元件。术语“套管柱”指构成套管组件或管组的多个管件中的任一管件，这种套管柱在此可以是生产套管和/或回接套管。

“环形空间”在此定义为：指套管组件中的两个同心且相邻的套管柱界定的区域、空间和/或容积。

“环形区域液体”在此定义为：指容纳在或占据井眼的环形区域的液体。这些液体可以是钻探泥浆、生产流体、泡沫流体或它们的混合物，但并不局限于上述这些流体。

“环形空间压力”在此定义为：环形空间中的液体的静压。

3、系统

参照图1，在一些实施例中，本发明涉及一种或更多种系统100，用于缓解井眼套管环形空间中的压力积聚，其中，井眼101设在地层102中，所述系统包括：环形空间103的一个或更多个区域，其由至少两个套管柱确定并进一步由一个或更多个水泥塞104界定和/或确定，所述至少两个套管柱的直径不同且同心嵌套以使小直径套管柱的至少一部分位于大直径套管柱的至少一部分中；(b)至少一个腔105(第一类型腔)，其通过套管接头一体配置在至少一个套管柱上，该至少一个腔内含有惰性气体，所述惰性气体通过与所述腔结合一体配置的充气口(未示出)被引入所述腔；和(c)至少一个内套活塞的活塞组(未示出)，其与该至少一个腔结合而一体配置以使环形区域中的液体在压力增加时能通过环形空间压力增加(APB)口(未示出)进入该至少一个腔，这样就能推动活塞，从而使所述腔内的惰性气体压强增加，环形区域的液体由于膨胀而压强减小。在某些实施例中，这种(这类)系统还包括一个或更多个第二类型腔107，将该第二类型腔与环形空间分隔开的一个或更多个能够崩裂的隔板(未示出)与所述第二类型腔结合而一体配置。

现在参照图2，图2更详细示出了环形空间压力缓解腔105的剖面(侧视图)。在该所示的实施例中，腔105由套管柱106界定(即腔与套管柱结合一体配置)。腔105通过充气孔201填充有惰性气体(例如N₂)，通过活塞202和环形空间压力增加口205来调节井眼环形空间内的压力。图3A和3B根据本发明的某些实施例还示出了腔105如何与套管柱结合一体配置，图3A和3B分别表示平面图和侧视图。在某些这类实施例中，能通过下列方式来实现这种一体化：将大直径“保护套管”连接到小直径生产套管/回接套管的外侧，在连接处，套管端部通过焊件或带密封件的端盖密封。

图4图示了用于缓解由温度引起的压力积聚的第二类型腔107，其(例如通过接头)被配置为套管柱106整体式部件，根据本发明的某些实施例，所述第二类型腔通过能够崩裂的隔板401被致动，因而能够崩裂的隔板被设计为随着环形空间内由于温度引起的压力增加而破裂。根据本发明的某些实施例，在这类实施例中，能够崩裂的隔板401或连通所述第二类型腔以控制流体进入该第二类型腔的通道能用作充注孔。在这类实施例中，能够崩裂的隔板在环形空间压强达到至少大约2500磅/平方英寸(psi)时破裂。但是，本领域的技术人员应认识到，能够崩裂的隔板的机械属性以及环形空间与第二类型腔之间的压差这两者的共同作用使得能够崩裂的隔板破裂。

在上述这种系统的某些实施例中，该至少两个套管柱可以是生产套管、回接套管或这两种套管的组合。在典型的套管组中，使用多个套管柱，且一个或更多个第一和/或第二类型环形空间压力增加缓解腔可设置在一个或更多个由套管柱潜在形成的环形区域中。本领域的技术人员将意识到并不是井眼中所有环形空间必须相互保持流体连通。

在上述这种系统的某些实施例中，至少一个第一类型腔中的每个腔的容积为0.10桶至20桶(bbl)(1桶(bbl)＝42加仑(gal)＝159公升(liters))。在上述这种系统的某些实施例中，至少一个第二类型腔中的每个腔的容积为0.10桶至20桶(bbl)。如果单井眼中使用多个(任一类型)腔，就不特别限定腔的总容积。

在上述这种系统的某些实施例中，腔内的惰性气体处于标准状态真空压力下(例如小于1个标准大气压(atm))。在其他实施例中，所述腔内的惰性气体处于大于或等于6000磅/平方英寸(psi)的超大气压状态。使用多个这种腔时，这些腔内的压强可不同以调节内设这些腔的井内环形空间压力增加工程响应。在某些或其他这类实施例中，惰性气体可以选自N₂、Ar、He和它们的混合物。

在上述这种系统的某些实施例中，该至少一个第二类型腔处于压强低于1个标准大气压(1atm)的真空状态。在某些或其他这类实施例中，该至少一个第二类型腔内含有惰性气体。在某些或其他这类实施例中，所述第二类型腔内含有压强等于或大于6000磅/平方英寸(psi)的惰性气体。

在上述这种系统的某些实施例中，该至少一个腔内的预设压强用来控制环形空间内的压强。环形空间的压强控制即为调节环形空间内的压强，这种控制能同时用于环形空间的压力缓解系统和方法中。

在上述这种系统的某些实施例中，这类系统还包括调节工具，用于在现场调节所述至少一个腔中的至少一个腔内的惰性气体量。在这类系统中，可使用增压/通风工具来调节井眼的这种腔内的压力。

环形空间的压力增加口将环形空间内的流体与活塞或活塞组件分离开。这些口能一起组合在分隔板中，或这些口仅用作入口。在上述这种系统的某些实施例中，环形空间压力增加口内包括流体控制件，该控制件选自能够崩裂的隔板、单向阀、定向阀、流体控制阀以及这些构件的组合。

4、方法

本发明方法的实施例与上述系统的实施例大体相一致。在很大程度上，这些方法表示上述系统的操作过程。

参照图5，在某些实施例中，本发明涉及一种或更多种用于缓解在井眼的套管环形空间中的压力增加的方法，所述方法包括如下步骤；(步骤501)：在井眼的套管环形空间内设置腔，该腔通过套管接头一体配置在至少一个套管柱上，所述腔包括与其结合一体配置的活塞；(步骤502)：将一定量的惰性气体引入所述腔；(步骤503)：使活塞响应于井眼的套管环形空间内的压强变化而移动，以平衡所述腔与井眼的套管环形空间之间的压力，从而缓解在所述井眼的环形空间内的压力增加。在某些实施例中，这种(这类)方法还包括配置第二类型腔，将该第二类型腔与环形空间分隔开的一个或更多个能够崩裂的隔板与所述第二类型腔结合而一体配置。

在上述这种方法的某些实施例中，第一类型腔和/或第二类型腔内含有惰性气体，该惰性气体选自N₂、Ar、He以及这些气体的组合。所述惰性气体的压强可小于1个标准大气压(atm)、或等于或大于6000磅/平方英寸(psi)。

在上述这种方法的某些实施例中，还包括调节步骤，通过控制变化量来调节第一类型腔内的惰性气体量，从而控制环形空间内的压强。在某些这种实施例中，与第二类型腔相结合的一个或更多个能够崩裂的隔板被设计为当环形空间内的压强达到2500磅/平方英寸(psi)时破裂。

在上述这种方法的某些实施例中，使用多个(第一类型)腔来缓解在井眼的环形空间内的压力增加。在上述这种方法的某些实施例中，使用多个第二类型腔来缓解在井眼的环形空间内的压力增加。在某些或其他这种实施例中，这种多个(任一类型的)腔的作用是调节所述井眼的环形区域内的压强。

在某些实施例中，环形空间内的压力增加口仅起入口作用，因此环形空间内的流体能通过该口进入腔内接触活塞/活塞组件。在上述这种方法的某些实施例中，使用环形空间压力增加口来调节活塞和环形空间内的液体之间的流体连通。

5、变化形式

上述系统和方法的变化形式(即，可供选择的实施例)的运用主要涉及环形空间内的压力调节，而不是环形空间内压力增加的缓解。另外，这类方法和系统并不局限于油井和气井。本领域的技术人员将意识到这类系统和方法可用于任一种具有充注流体的环形空间的管组中，该环形空间常经受压力增加。

6、示例

下面的示例用于阐述能运用本发明的这种环形空间压力增加缓解系统/方法的深水工程，这些例子也阐述了本发明的具体实施例。本领域的技术人员能理解下面例子中公开的方法仅代表本发明的典型实施例。但是，根据本发明的公开内容，本领域的技术人员能理解：在不脱离本发明实质和范围的情况下，对所述具体实施例进行变动仍能获得相同或类似效果。

本发明的系统/方法的典型应用涉及雪佛龙公司的塔希提岛(Chevron’s Tahiti)工程的环形空间压力增加问题。塔希提岛井要求十又四分之三英寸(103/4″)的回接套管。将该回接套管安装在塔希提岛井之后，该十又四分之三英寸的回接套管和20″x 16″的表面/中间环形套管将形成环形收集空间。安装这种带有十三又八分之五英寸(135/8″)的保护套管的十又四分之三英寸回接套管来形成环形空间压力减小腔(APMC)，从而能减小环形收集空间内的压强。经计算确定：需要由环形空间压力减小腔所形成的大约10(桶)bbls的附属空间来缓解在典型的塔希提岛井的环形空间内的压力增加。10个这种带十三又八分之五英寸保护套管及相应环形空间压力减小腔的十又四分之三英寸回接套管的接头能获得该10(桶)bbls的附属空间。该十三又八分之五英寸的保护套管长为30英尺(30′)，其每一端都有用于操作/滑动/提升的充足空间来操控该十又四分之三英寸套管。

7、结论

总而言之，本发明涉及缓解和/或调节系统和方法，用于缓解和/或调节油井或气井环形空间内由温度引起的压力增加，这类系统和方法使用一体构造的环形空间压力增加腔，这种腔使用活塞、阀和能够崩裂的隔板来缓解环形空间内的压力增加。这种系统和方法相对于现有技术，尤其是对于海上油井(例如深水井)具有有益效果。

因此，可以参照本发明公开范围之外的内容与本发明引证的所有专利和公开出版物相结合。可以理解为上述实施例的上述结构、功能和操作并不是实践本发明的必须要素，它们在说明书中仅仅是用于实现本发明的典型实施例的。另外，也将理解为上面引证的专利和公开出版物中提到的具体结构、功能和操作也能与本发明结合运用，但是它们并不是实践本发明的必须要素。因而可理解为在不脱离本发明所附的权利要求书限定的实质和范围的情况下，能采用不同于在此具体描述的方式来实践本发明。