[发明专利]控制井眼内的压力和静电荷

说明书

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 容纳的流体产生的压力的方法。在优选的实施方案中，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 个套管柱可以从地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，该衬柱从套管的前位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前位部分悬吊下来。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，套管柱的每一部分固定在井眼 内。因此，井眼的每一随后的部分必须具有小于前位部分的直径。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 3/8英寸 和95/8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 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隙中存在水泥柱。

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限的环形空间。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，该鞘支撑和 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界限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)可能是显著的。每个1英寸厚×5000英尺长 的环隙将容纳大致50,000加仑，这取决于套管柱的直径。

在油气井中，常见的是，地层的一部分必须与该井的其余部分隔 离。这通常如下实现：使后续柱的水泥柱的顶部向上到前位套管靴上 面的环隙内。当这隔离地层的同时，使水泥向上到套管靴内部有效地 阻断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 增大将施加在该套管上，除非它可以在地面处放泄。大多数陆地井和 一些海上平台井安装有为每个套管环隙提供通路的井头并且可以迅速 地放泄表观的压力提高。另一方面，大多数海下井头设施不为套管环 隙提供通路并且可能产生密封的环隙。因为该环隙被密封，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靠近海底的 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隙压力增大而损坏，原因在于相比在生产期间采 出流体的高温，置换流体的低温。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°F-100°F(例如34°F) 的范围内，其中较低的温度最通常出现在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°F-300°F的温度是预期的，并且经常遇到125°F-250°F的温度。

产出流体的较高温度增加套管柱之间的环形流体的温度，并且增 加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。