[发明专利]控制井眼的环形体积内的压力

说明书

本申请是申请号为200680049805.9的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及当约束体积内的流体正被加热时控制由该约束体积内的流体产生的压力的方法。在一个优选的实施方案中，本发明涉及控制由井眼内的套管柱组件描述的环形体积内的压力的方法。

背景技术

在钻井眼，例如油井的过程中，通常将较大直径的金属管的各个段固定在一起以形成布置在该井眼每一部分内的套管柱或套管衬。每个套管柱可以从表面附近的井头设施悬挂下来。或者，一些套管柱可以呈衬柱形式，这些衬柱从套管的在先部分的埋设深度附近伸出。在这种情况下，该衬柱将从衬悬挂器上的套管的在先部分悬吊下来。套管柱通常由许多通过螺纹接头或其它连接装置彼此连接的接头或片段组成，各自约为四十英尺长。这些接头通常是金属管，但是也可以是非金属材料例如复合管道。这种套管柱用来通过阻止孔穴壁塌陷来提高井眼完整性。此外，套管柱阻止流体从一个地层运动到井眼穿过的另一个地层。

通常，在钻井眼的下一部分之前，套管柱的每一部分被用水泥粘结在井眼内。因此，井眼的每一随后的部分必须具有小于在先部分的直径。例如，井眼的第一部分可以接收直径20英寸的表面(或导向)套管柱。井眼的接下来的若干部分可以接收分别具有直径16英寸、13又3/8英寸和9又5/8英寸的中间(或保护)套管柱。井眼的最后的部分可以接收分别具有直径7英寸和4又1/2英寸的生产套管柱。当固井作业完成并且水泥固化时，在由每一套管柱的外表面描述的环带中存在水泥柱。

被井孔穿透的地下区域通常由水硬性水泥组合物密封。在这种应用中，使用水硬性水泥组合物将管柱例如套管和衬管固定在井孔中。在进行这些基础固井操作中，将水硬性水泥组合物泵送入由井孔壁和置于其中的管柱的外表面界定的环形空间。允许该水泥组合物在该环形空间中固化以形成硬化的基本上不透性水泥的环形鞘，该鞘支撑该管柱并且使该管柱在井孔中定位并且将该管柱的外表面密封到井孔的壁上。水硬性水泥组合物还用于各种其它固井作业，例如密封高渗透区或地下区域中的裂缝，堵塞管柱中的裂纹或孔穴等。

包括多于一个套管柱的套管组件描述井眼内的相邻同心套管柱之间的一个或多个环形体积。通常，当安装套管柱时，每个环形体积至少在某种程度上填充有存在于井眼中的流体。在深井中，环形体积内的流体量(即，环形流体)可能相当大。每个1英寸厚×5000英尺长的环带将包含大致50,000加仑，这取决于套管柱的直径。

在油气井中，地层的一部分必须与该井的其余部分隔离并不罕见。这通常如下实现：使后续柱的水泥柱的顶部向上到在先套管靴上面的环带内。当这隔离地层时，使水泥向上到套管靴内部，这有效地阻断了由自然的压裂梯度提供的安全阀。代替在该靴处漏泄，任何压力累积将施加在该套管上，除非它可以在表面处放泄。大多数陆地井和一些海上平台井安装有为每个套管环带提供通路的井头并且可以迅速地放泄表观压力提高。另一方面，大多数诲底井头设施不为套管环带提供通路并且可能产生密封的环带。因为该环带被密封，所以内压力可能相应于温度的提高而显著地增加。

在套管柱的安装期间环形体积中的流体通常将处于或接近海底的环境温度。当加热环形流体时，它膨胀并且可能导致相当大的压力增加。这种条件通常存在于所有生产井中，但是在深水井中是最明显的。深水井很可能由于环带压力累积而损坏，原因在于相比在生产期间采出液的高温，置换流体的温度低。环形体积中流体(当它被密封时)的温度通常将是环境温度，该环境温度可以在0℉-100℉(例如34℉)的范围内，其中较低的温度最通常出现在该井上方具有相当大水深的海底井中。在从储层生产期间，产出流体在相当高的温度下穿过生产管道。50℉-300℉的温度是预期的，并且经常遇到125℉-250℉的温度。

产出流体的较高温度增加了套管柱之间的环形流体的温度，并且增加了对每个套管柱的压力。用于环形体积的常规液体在恒压下随温度膨胀；在环形空间的恒定体积中，增加的流体温度导致显著的压力增加。恒压下，基本上不能压缩的含水流体可能在从环境条件到生产条件的温度变化过程中体积增加超过5％。在恒定体积下，温度的这种增加可能导致压力增加高达大约10,000psig。增加的压力显著地增加套管柱破坏的概率，对井的操作带来灾难性后果。