[发明专利]用于钻出地下钻孔的钻井方法

说明书

技术领域

本发明涉及特别地但非排他性地出于从地下油藏抽出碳氢化合物的目的而钻出地下钻孔的方法。

背景技术

通常，使用被称为钻杆的钢管执行井眼的钻孔，钻杆在最下端带有钻头。可使用地面钻井电动机旋转整个钻杆，或者可使用安装在钻头正上方的钻杆中的一个或多个流体动力电动机将钻头独立于钻杆旋转。随着钻井的进行，泥浆流用于将因钻井过程形成的碎屑带出井眼。泥浆顺着钻杆被抽送通过进入管路，通过钻头/经过钻头上方/到钻头周围，并且经由钻杆外壁和井眼之间的环形空间(通常被称为环面)返回表面。当进行离岸钻井时，提供套管并且套管包括环绕钻杆从井口向上延伸的较大直径管。套管和钻杆之间的环形空间(下文中，被称为套管环面)用作环面延伸，并且提供了泥浆返回泥浆储藏器的导管。泥浆另外可用于冷却钻头，以润滑系统并且为井下电动机提供动力。

泥浆(mud)是广义钻井术语(相关技术中已知的)，在这种背景下，它用于描述在钻井期间使用的任何流体或流体混合物并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、带有空气或氮气的泡沫流体、充空气或充氮气的流体、一直到比重大的油或水与固体颗粒的混合物的大范围的流体或流体混合物。

传统上，井眼敞开(钻井期间)，暴露于大气压，在系统中不存在表面施加压力或其它压力。钻杆自由旋转，没有任何密封元件在表面处施加于或作用于钻杆。在这种操作中，不需要转移返回的流体流或对系统施压。

在钻井期间，钻头穿透地下的岩石层和结构层，直到钻头到达一个或多个储层，储层也被称为地层(formation)、孔隙或空隙，所述储层包含在岩石内含的处于一定温度和压力下的碳氢化合物。这些碳氢化合物被包含在还可包含水、油和气体组成的岩石孔隙内。由于正在从岩石层向地层上方施加力，这些地层流体在已知或未知压力(被称为孔压)下被困在孔隙内。无计划地涌入这些地层流体(也被称为储层流体)是本领域熟知的，并且被称为地层井侵或井涌。

泥浆是给定密度(也被称为比重)的流体，最重要的是，泥浆还用于处理可能在钻井期间出现的任何地层井侵(或井涌)。例如，在被称为“过平衡”钻井的一种钻井中，选择泥浆的密度，使得该泥浆在井眼底部产生流体静压(由于泥浆的比重导致的)(井底压力或BHP)，该流体静压高得足以平衡地层中的流体压力(“地层孔隙压力”)，从而基本上防止流体从被井眼穿透的地层涌入(到井眼)。换句话讲，泥浆用作抵抗地层流体进入井眼的屏障。可通过利用泥浆密度和泥浆在井眼内的竖直大小之间的关系来变化和控制BHP，以增大或减小泥浆在井眼底部施加的流体静压。如果BHP降至低于地层孔隙压力，则会出现地层流体的井侵或井涌，即，气体、油或水可进入井眼。另选地，如果BHP过高，则它可能高于地层中岩石的断裂应力。在这种情形下，井眼底部的泥浆压力可使地层断裂，泥浆可进入地层。泥浆的这种损失造成BHP瞬间减小，这进而可导致形成井涌。超过地层断裂压力还可导致随着泥浆井侵地层而损失泥浆。根据这些损失的大小，存在大的风险：井中静液压力的随之减小将导致随着BHP对应至低于地层压力，井眼中泥浆的高度降低。这个不期望的状况将有可能导致地层井侵。本领域中熟知的这些状况也被称为损失(少量、多量和全部/严峻的损失，取决于大小)或井漏。

泥浆施加的BHP的另一个方面是，BHP具有与之关联的两个值—静态BHP值和循环BHP值。泥浆的静态BPH与当泥浆是静态(即，泥浆没有循环通过钻杆)时泥浆施加的压力相关。泥浆的循环BHP与在钻井期间泥浆通过钻杆、环面并且通过套管通向表面进行循环期间泥浆施加的压力相关。

在循环期间，泥浆施加的压力高于泥浆是静态时。这是因为存在井眼总长度上的摩擦损失，这种摩擦损失是由于(例如)钻杆相对于井眼的几何形状(这改变钻杆和井眼之间的环形间隙)或流体的粘度或密度(这影响所述流体流过环面的方式)而造成的。这使泥浆的流速降低。这些损失从井眼底部直至泥浆退出到地面上方的表面的点都存在。因此，需要增大压力量来循环泥浆，以有效地移动固体，清洁井眼内的碎屑并且在钻井期间为钻头/钻杆提供动力。在井眼底部产生最大压力，因为在这一点，沿着整个井眼长度出现摩擦损失。一般将循环BHP的增加与当量循环密度(ECD)泥浆密度联系起来，该当量循环密度泥浆密度出于所描述的原因高于静态泥浆的密度。当然，ECD和BHP都直接受泥浆的基本密度影响。

已知具有包括安全系数的静态泥浆密度(即，增大静态泥浆的密度)，并且将这个值同时用于静态状况和循环状况，使得BHP足以防止出现井涌。