井眼套管衬管打印制造技术

本申请提供了一种井眼套管衬管打印系统，该系统包括套管衬管打印头，该套管衬管打印头适合于设置在环空区域中，该环空区域位于设置在油气井的井眼中的套管管道与井眼的壁之间，并且该套管衬管打印头适合于在环空区域内旋转并且使材料沉积到环空区域中，从而在环空区域中形成套管衬管。该套管衬管打印头包括在径向方向上串联设置的第一组打印喷嘴、以及在径向方向上串联设置且偏离第一组打印喷嘴的第二组打印喷嘴。第一组打印喷嘴适合于将第一套管衬管材料喷射到环空区域中，并且第二组打印喷嘴适合于将第二套管衬管材料喷射到环空区域中，从而形成第一套管衬管材料和第二套管衬管材料的套管衬管。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】井眼套管衬管打印
实施方案主要涉及开发井，并且更具体地涉及在井的井眼中的胶结材料的增材制造。
技术介绍
井包括井眼(或“钻孔”)，将井眼钻入地下以提供通向地下地层(地球表面之下的地理地层)的通路，以便于从地下地层提取诸如烃和水之类的天然资源，以便于将流体注入地下地层中，或便于对地下地层的评价和监测。在石油工业中，通常对井进行钻探以从地下地层提取(或“生产”)烃，如油和气。术语“油井”用于指设计用于生产油的井。在油井的情况中，通常与石油一起生产一些天然气。生产油和天然气两者的井有时被称为“油气井”或“油井”。通常，建立油井涉及若干阶段，包括钻井阶段、完井阶段和生产阶段。钻井阶段通常涉及将井眼钻入预期包含一定浓度的可生产的烃的地下地层中。预期包含烃的地下地层部分通常称为“油气层”或“储层”。通常，通过位于地球表面的钻机来促进钻井过程。钻机提供了操作钻头以钻出井眼、提升、降低和转动钻杆和工具、使钻井液在井眼中循环、以及总体上控制井眼中的各种作业(或“井下”作业)。完井阶段涉及使井准备好生产烃。在一些情况下，完井阶段包括将套管管道安装到井眼中、注水泥使套管就位、使套管管道和水泥穿孔、安装生产油管、以及将流体泵送至井中以使储层和井破裂、清洁或以其他方式准备以生产烃。生产阶段涉及通过井从储层生产烃。在生产阶段期间，通常会拆除钻机，并用通常被称为“生产树”的一组阀门作为替代，这些阀门可调节井眼中的压力，控制来自井眼的生产流，并且在需要进一步的完井工作的情况下提供到井眼的通路。有时使用泵杆驱动装置或其他机械装置来提供提升以帮助从储层提取烃，特别是在井中的压力如此低以致于烃不能自由地流动到地表的情况下更是如此。来自生产树的出口阀门的流动通常连接至诸如储罐、管线和运输车辆之类的中游设施的分配网络，这些中游设施将生产运输至下游设施，如精炼厂和出口终端。完井的套管作业对于建立井的完整性会特别重要。套管组件通常包括大直径刚性套管管道(例如，中空圆柱形钢管)，该大直径刚性套管管道插入井眼中并且通过设置在套管管道的外部与井眼的壁之间形成的环空区域中的硬化材料(如水泥)来保持就位。套管作业通常包括将套管管道降下至井眼中，并将水泥泵送至环空区域中以确保套管管道就位并有效地密封环空区域，从而防止流体和气体移动通过环空区域。在完井作业期间，通常对套管管道和水泥进行穿孔以提供与周围部分的储层的流体连通。例如，在其中预期储层的给定井深间隔包含油和气的生产油井的情况中，可以在穿越该井深间隔的套管管道和水泥中进行穿孔，以便于油和气从储层流入套管管道内部。在生产阶段期间，套管管道的内部或位于套管内的生产油管可以用作将油和气体引导至地表的管道。在传统的井中，套管系统通常包括多个层段的套管，其连续地放置在先前铺设的延伸至井眼深处的套管内。这些套管可以包括(例如)从地球表面延伸至第一井深间隔中的导管、从导管延伸至第二井深间隔中的表层套管、从表层套管延伸至第三井深间隔中的中间套管、以及从中间套管延伸至第四井深间隔中的生产套管。生产套管可(例如)包括穿孔，穿孔提供了与第四井深间隔内的周围储层的生产地带的流体连通。套管通常起到对于作业和保持井的完整性至关重要的多种功能。套管可以防止地层坍塌到井眼中(例如，通过提供内衬井眼的刚性结构)，可以提供对井下压力的控制(例如，通过密封环空区域以将加压的地层流体引导至套管的内部，其中可以通过连接至套管的阀门进行控制)，并且可以提供地层的不同部分的选择性隔离(例如，通过密封井眼的第一井深间隔以抑制穿越第一井深间隔的产水并且提供用于从存在穿孔的第二井深间隔产油的管道)。
技术实现思路
申请人已经认识到，用于套管井的现有技术具有缺点。例如，传统的套管作业可能不具有适当水平的结构完整性。在许多情况下，套管作业涉及将套管管道安装到井眼中以及固井作业以将套管管道固定在井眼中。固井作业通常涉及确定待填充水泥的形成于套管管道的外部与井眼壁之间的环空区域的体积，将确定体积的水泥泵送至环空区域中，以及使水泥硬化以将套管管道固定就位。这可以包括(例如)通过套管管道的内部向下泵送一定体积的水泥浆料，其中水泥浆料从套管的井下端排出并向上移动至环空区域中，以填充环空区域。遗憾的是，水泥的移动和放置可能难以预测和跟踪，并且易于出现不一致性，该不一致性可能损害水泥的完整性。例如，水泥的不精确放置可在水泥中产生不期望的孔隙，这可能会导致意外的断裂，并且当水泥暴露于井眼中的高压流体时甚至会造成灾难性破裂。考虑到水泥完整性的重要性，井操作者在安装的时候和在井的整个使用寿命期间都投入了大量的时间和金钱来检查和监测水泥。例如，井操作者可定期进行测井作业以评估水泥在井的使用寿命期间的状况。因此，传统的套管作业可能引入必须被识别和监测的不一致性，从而增加开发和操作井的复杂性、风险和成本。作为缺点的另一示例，传统的套管作业可能是耗时且昂贵的。在许多情况下，套管作业需要大量时间来放置套管管道并注水泥使套管管道就位，并且在完成套管作业时需要暂停其他作业。例如，在钻好井的第一井深间隔之后，可拆除钻柱(例如，包括钻杆和钻头)，可将套管管道的第一层段定位在井眼的第一井深间隔中，可将水泥浆料泵送至环空区域中，可花费额外的时间以使水泥硬化，并且一旦水泥已硬化，就可继续进行下一井深间隔的钻井。这可以包括(例如)在套管的底部钻开硬化的水泥并且继续更深地钻入地层中。因此，传统的套管作业可能需要停止-启动方式，该方式需要额外的运转和操作(例如，拔出钻柱、运转套管管道、注水泥使套管管道就位、以及重新运转钻柱)，这增加了钻井和完井的时间和成本。鉴于认识到现有的油井套管作业的这些和其他缺点，申请人已经开发了用于套管井的新的系统和方法。在一些实施方案中，用于井眼的套管作业采用诸如三维(3D)打印之类的增材制造(AM)技术，以在井眼中沉积诸如水泥之类的井眼衬管材料。例如，可将诸如3D水泥打印头之类的增材打印装置定位在井眼的环空区域中，该环空区域位于定位在井眼中的套管管道的外部与井眼的壁之间。增材打印装置能够在沿着井眼的环空区域的长度前进时，使水泥层精确地沉积在环空区域中，以产生套管衬管的打印层，从而组合形成填充环空区域的井深间隔的打印的套管衬管的体积。有利地，套管衬管材料的精确增量式布局可以有助于确保套管衬管材料沉积在特定位置并且不包括不一致性(如不需要的孔隙)，不一致性会负面地影响套管衬管的机械性质并且损害套管的完整性。例如，水泥的增材制造可以使得能够精确控制并监测在环空区域内的各个位置中用以形成打印的水泥套管衬管的沉积的水泥的量。在一些实施方案中，增材打印装置包括打印头，打印头具有一个或以上将井眼衬管材料递送至井眼内的特定位置的喷嘴。例如，增材打印装置可包括具有一个或以上喷嘴的3D水泥打印头，喷嘴将诸如水泥之类的套管衬管材料喷射到环空区域内的特定位置。在一些实施方案中，一个或以上喷嘴包括用于沉积形成打印的套管衬管的不同材料的喷嘴。例如，一个或以上喷嘴可包括一组用于沉积水泥的水泥喷嘴、以及一组用于沉积诸如聚合物之类的增材的增材喷嘴，增材可以与水泥一起沉积以形成打印的水泥套本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井眼套管衬管打印系统，其包括：/n套管衬管打印头，其配置为被设置在环空区域中，该环空区域位于设置在油气井的井眼中的套管管道与所述井眼的壁之间，并且该套管衬管打印头配置为在所述环空区域内旋转并且使材料沉积到所述环空区域中，从而在所述环空区域中形成套管衬管，所述套管衬管打印头包括：/n在径向方向上串联设置的第一组打印喷嘴；以及/n在所述径向方向上串联设置且偏离所述第一组打印喷嘴的第二组打印喷嘴，/n所述第一组打印喷嘴配置为将第一套管衬管材料喷射到所述环空区域中，并且所述第二组打印喷嘴配置为将第二套管衬管材料喷射到所述环空区域中，从而形成所述第一套管衬管材料和所述第二套管衬管材料的所述套管衬管。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171205 US 62/594,6761.一种井眼套管衬管打印系统，其包括：
套管衬管打印头，其配置为被设置在环空区域中，该环空区域位于设置在油气井的井眼中的套管管道与所述井眼的壁之间，并且该套管衬管打印头配置为在所述环空区域内旋转并且使材料沉积到所述环空区域中，从而在所述环空区域中形成套管衬管，所述套管衬管打印头包括：
在径向方向上串联设置的第一组打印喷嘴；以及
在所述径向方向上串联设置且偏离所述第一组打印喷嘴的第二组打印喷嘴，
所述第一组打印喷嘴配置为将第一套管衬管材料喷射到所述环空区域中，并且所述第二组打印喷嘴配置为将第二套管衬管材料喷射到所述环空区域中，从而形成所述第一套管衬管材料和所述第二套管衬管材料的所述套管衬管。


2.根据权利要求1所述的系统，其中所述套管衬管打印头被配置为沿着所述井眼的长度前进，并且沿着所述环空区域的长度喷射所述第一套管衬管材料和所述第二套管衬管材料，以形成沿着所述环空区域的所述长度的所述套管衬管。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述第一组打印喷嘴包括在所述径向方向上延伸的第一排打印喷嘴，并且所述第二组打印喷嘴包括在所述径向方向上延伸且与所述第一排打印喷嘴相邻的第二排喷嘴。


4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第二组打印喷嘴设置为在所述套管衬管打印头围绕所述套管管道旋转期间跟随所述第一组打印喷嘴。


5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述套管衬管打印头包括配置为围绕所述套管管道设置的圆柱形轴环，并且其中所述第一组打印喷嘴和所述第二组打印喷嘴从所述圆柱形轴环径向延伸。


6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一组打印喷嘴被配置为在平行于所述井眼的纵轴的纵向方向上将所述第一套管衬管材料喷射到所述环空区域中，并且所述第二组打印喷嘴被配置为在所述纵向方向上将所述第二套管衬管材料喷射到所述环空区域中。


7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一套管衬管材料包括胶结材料。


8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一套管衬管材料包括套管水泥。


9.根据权利要求7或权利要求8所述的系统，其中所述第二套管衬管材料包括除了所述胶结材料之外的材料。


10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中所述第二套管衬管材料包括气体、液体或固体。


11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述第二套管衬管材料包括聚合物。


12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中沉积的所述第二套管衬管材料被配置为在沉积的所述第一套管衬管材料内形成孔隙。


13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第二套管衬管材料的杨氏模量小于所述第一套管衬管材料的杨氏模量。


14.一种在油气井的井眼中形成套管衬管的方法，所述方法包括：
将套管衬管打印头设置在环空区域中，所述环空区域位于设置在油气井的井眼中的套管管道与所述井眼的壁之间，所述套管衬管打印头包括：
在径向方向上串联设置的第一组打印喷嘴；以及
在径向方向上串联设置且偏离所述第一组打印喷嘴的第二组打印喷嘴；以及
在所述环空区域内旋转所述套管衬管打印头，并且使材料沉积到所述环空区域中，从而在所述环空区域中形成套管衬管，所述沉积包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·J·博尔，卡尔·J·泰姆利茨，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA