CN101160447B - 用于压裂、充填并减轻侵蚀的多孔转换工具设计 - Google Patents

Abstract

一种用在砾石充填作业中的系统，其中的砾石放置心轴(38)限定了轴向液流孔(40)和两个或更多个横向浆液液流口(48)，以将浆液从所述液流孔传递到耐磨套筒/喷砂衬管(30)内部。所述浆液液流口定向设置以便在径向向外的不同方向上分布所述浆液。所述浆液液流口还沿着砾石放置心轴的心轴体彼此轴向偏移。提供了穿过每一浆液液流口的相对相等的流量或流动量。为了增强穿过浆液液流口的流动还对浆液液流口的几何结构进行了改进。

Description

用于压裂、充填并减轻侵蚀的多孔转换工具设计

技术领域

本发明通常涉及一种用于改善井筒内砾石充填作业的设备和方法。特别是，本发明涉及一种在这种作业中用于放置砾石或其它固体的设备的设计。

背景技术

在砾石充填期间，含有砾石或支撑剂的浆液沿着油管柱被向下泵入井筒中，并利用具有合适排出口的转换工具放置在所需位置，以将所述砾石放置在井筒内合适的位置。例如，一种典型的常规砾石充填转换工具在授权给Zachman等的US6,702,020专利中进行了描述。该专利为本发明的受让人所拥有并在这里引用作为参考。

在砾石或支撑剂流入井筒中时，砾石充填作业对转换工具组件的各部件产生了严重的侵蚀。易于受到最严重损坏的一个区域是排出口周围，在该区域，固体物质通过浆液流出口排出转换工具并进入生产组件的内部。为了避免磨损损坏，通常将耐磨套筒或喷砂衬管(blastliner)设置在浆液流出口附近的转换工具周围。之后，使大量的砾石排出口周向间隔设置在耐磨套筒或喷砂衬管下端周围以分配固体物质进入整个周围环空。然而，喷砂衬管的添加仅仅为所述设备提供了有限的保护。

本发明的发明人已经意识到了所存在的问题为，这种类型的砾石充填系统的处理超高流速支撑剂浆液流动的能力受到限制。排出转换工具的浆液流出口的固体物质易于积聚在转换工具的外表面与耐磨套筒的内表面之间的空间内，并且仅仅位于该空间的一侧。因此，当固体物质排出耐磨套筒时其不会均匀地分布。

常规砾石充填系统具有的另外问题为对耐磨套筒或喷砂衬管的侵蚀。近来的需求已经超出了现有浆液液流口的流动能力，现在需要系统以40-60桶每分的速度泵送浆液和常常超过1百万磅的大的支撑剂总体积。支撑剂浆液离开浆液液流口的速度和大的流动体积产生了对耐磨套筒和液流口附近生产组件的侵蚀和最终的失效。

本发明解决了现有技术的所述问题。

发明内容

本发明提供一种用于砾石充填作业的改善了的系统，其中以浆液形式存在的固体物质流出作业工具的液流孔并流入生产组件，之后进入井筒的环空。在优选实施例中，砾石充填放置系统包括安装在井筒内的延伸套筒和在延伸套筒内延伸的施工工具(service tool)。所述施工工具包括砾石放置心轴，该心轴限定了沿其长度方向的轴向液流孔和两个或更多个用于将浆液从所述液流孔传到耐磨套筒/喷砂衬管内部的横向浆液液流口。所述浆液液流口定向设置以便在径向向外的不同方向上分布所述浆液。这有助于改善进入到整个周围环空中的浆液径向分布。此外，通过将侵蚀力分布在喷砂衬管的不同区域上降低了对周围的喷砂衬管的侵蚀。在目前的优选实施例中具有两个浆液液流口(上部和下部浆液液流口)，它们在径向方向上相对设置(即，它们间隔180度设置)。浆液液流口还沿着砾石放置心轴的心轴体彼此轴向间隔设置。

本发明的另一方面提供穿过每一浆液液流口的相对均匀的流速或流量。在一个实施例中，限流喉孔形式的液压节流器位于上部和下部浆液液流口之间的砾石放置心轴的液流孔内。通过限制流向下部液流口的流量和产生高压区，限流喉孔有助于抵消向下泵送的浆液主要从下部浆液液流口排出的自然趋势，所述高压区促使浆液流向上部液流口。在可选择的实施例中，砾石放置心轴的下部液流口具有比上部出口的开口直径小的开口，从而平衡流向上部液流口的流量，以在两个液流口之间提供大致均衡的流量。由于当流速为亚音速时，侵蚀为流速的平方的函数，当流速达到超音速时，侵蚀为流速的四次方的函数，因此任意给定液流孔处流速的降低将会大大降低侵蚀的效果。

本发明的又一方面提供了对浆液液流口几何结构的改进，从而增强了穿过液流孔的浆液的流动。在优选实施例中，浆液液流口通常为矩形形状，并且每一液流口具有向外和向下排列的上部和下部表面，以帮助引导浆液向下流动。上部浆液液流口还包括上部扩张部或槽，作业期间，所述上部扩张部或槽提供有助于引导液流穿过上部液流口的低压区。

附图说明

为了全面理解本发明，可以结合附图参考下面对优选实施例的详细描述，在所有附图中相同的附图标记表示相同或类似的元件，其中：

图1a和1b为具有悬挂在其内的典型固体放置系统的井筒的侧面剖视图。

图2为用于图1a和1b所示固体放置系统中的典型砾石放置心轴的侧面剖视图。

图3为图2所示的砾石放置心轴的外部侧视图。

图4为可选择的砾石放置心轴的侧面剖视图，所述砾石放置心轴可用在图1a和1b所示的固体放置系统中。

图5为图2和3所示砾石放置心轴的示意性剖视端视图，其中示出了径向排列的液流孔。

图6为可选择的砾石放置心轴的示意性剖视端视图，其中示出了典型的径向排列的液流孔。

具体实施方式

图1a和1b示出了典型的固体放置系统10，其包括固定到封隔器组件14下端的延伸套筒组件12。所述封隔器组件14示意性地示出了座封位置14a和解封位置14b。典型的固体放置系统10为在砾石充填过程中用于将砾石放置在井筒16内的系统。但是，本领域技术人员可以理解，可以使用将支撑剂和其它固体布置在井筒内的类似装置。应该注意的是，砾石充填和支撑剂放置作业的细节在本领域是众所周知的，因此在此不再赘述。但是，为了示出本发明，对典型的砾石充填工具和系统10的概要进行描述。

封隔器组件14为通管封隔器组件，因为一旦坐封，其允许施工工具通过其轴向中心。在砾石充填操作的开始，封隔器组件14和延伸套筒组件12装入井筒16内。所述封隔器组件14靠着井筒16的加套侧面固定，从而在延伸套筒组件12和井筒16的侧面之间限定环空18。在该位置，需要在封隔器组件14下面的环空18内放置砾石20。

延伸套筒组件12具有大致筒形的筒体22，并且限定了具有穿过其中设置的许多砾石排出口26的内孔24。所述砾石排出口26均匀间隔设置在筒体22周围。所述延伸套筒组件12还包括耐磨套筒或喷砂衬管30。

固体放置系统10还包括施工工具，大体由32表示，其通过封隔器组件14并进入延伸套筒组件12的孔24。所述施工工具32悬挂在延伸到地面井筒16的油管柱34上。所述油管柱34限定中心轴线35以及沿其长度的轴向液流孔36。所述施工工具32的其它部分为砾石放置心轴38，其固定到油管柱34的下端，并且也限定了沿其长度的轴向内部液流孔40。反向再循环孔42穿过砾石放置心轴38的下部设置。在砾石充填工具中使用这种循环孔对本领域技术人员来说是很好理解的，因此在此不再进行任何详细描述。环形弹性密封件44沿其长度以一定的间隔设置在砾石放置工具38的周围并用于提供流体密封。砾石放置工具38的液流孔40包含球座46，其可以通过心轴38与其下端的另一管状部件的相互连接来形成。

典型的砾石放置心轴38的结构和操作可以通过进一步参看附图2，3和5来更好的理解，这些附图示出了除去固体放置系统10的其它部件之后的砾石放置心轴38。所述砾石放置心轴38包括管状体50，所述管状体50具有穿过管状体的上部横向砾石浆液液流口48a和下部横向砾石浆液液流口48b。上部和下部浆液液流口径向相对地位于心轴体50的相对侧(即，它们彼此分离180度)，如图5的端视图所示。所述心轴体50具有上部和下部螺纹端52，54，所述螺纹端用于施工工具32内的相邻管状元件的相互连接。

再次参看附图1a和1b，当将所述施工工具32设置在延伸套筒组件12内时，它通过本领域公知的方式借助下降台肩(未示出)的相互接合进行拆卸。当拆下时，环空70限定在喷砂衬管30和砾石放置工具38的外部径向面72之间。为了开始放置砾石，球塞74被投入到油管柱34的液流孔36内并且落在球座46上。一旦球塞74坐封，从地面沿液流孔36向下泵送的任何流体或浆液将被迫穿过砾石液流口48a和48b排出液流孔36。

本发明的发明人意识到，如果采用沿其长度具有统一直径的液流孔40，向下泵送的浆液中的大部分将倾向于绕过上部浆液液流口48a并经由下部液流口48b而排出心轴体50。但是，事实上，需要使进入砾石放置心轴38的浆液以相对相同的量从两个液流口48a和48b排出，因为这将降低周围的喷砂衬管30内部的某个点上所产生的侵蚀和磨损的量。此外，砾石浆液将更均匀地分布在心轴体50与周围的喷砂衬管30之间的环空58内，从而易于从砾石排出口26相对均匀地分布进入整个周围环空18。由于上述原因，以限流喉孔56形式的液压节流器设置在液流孔40内。一般来说，所述限流喉孔的直径为液流孔40直径的大约60％到大约85％。在该优选实施例中，限流喉孔56的直径约为液流孔40直径的四分之三(75％)。虽然目前优选使用约四分之三的限流喉孔，但是本领域技术人员意识到限流喉孔的最佳量根据流速、工具大小或其它因素而变化。因此，在给定实施例中限流喉孔的最佳量可以大于或小于液流孔40直径的四分之三。所述限流喉孔56限制向下流至下部液流口48b的浆液量，并且在液流孔40内形成推动砾石浆液朝上部液流口48a流动的高压区域。因此，限流喉孔56导致比未受限的液流孔40具有更大量的浆液流过上部液流口48a，从而产生以大致均匀的流量穿过每一液流口。

本发明的发明人意识到，物理限制(如限流喉孔56)存在与固体放置系统10内的其它部件相同的侵蚀效果，因此随着时间的推移也会侵蚀，从而使浆液不平衡地流向下部浆液液流口48b。因此，在一个实施例中，限流喉孔56由碳化钨、陶瓷或其它高度耐侵蚀材料制成，以便减小作业过程中由浆液中的高度研磨固体颗粒所侵蚀的侵蚀速度。所述限流喉孔56还形成有长的平缓斜面59以帮助抵抗侵蚀。在该优选实施例中，所述限流喉孔56具有上部锥形面59，该锥形面优选以角度α径向向内延伸，角度α优选大约为15度。

在另一实施例中，限流喉孔56比端口处所需的狭窄，从而使过量的浆液流向上部液流口48a。当浆液流动时，限流喉孔将侵蚀掉，从而增加向下部液流口48b的流动。例如，在作业的初始阶段，由于狭窄的限流喉孔56，浆液可以以约为下部液流口48b的排出量的70％到30％的流量不平衡地流向上部液流口48a。在作业后期，当限流喉孔56由于侵蚀而变大时，均衡的流量可不平衡地流向下部液流口48b(例如70％的浆液流过下部液流口48b，而30％浆液流过上部液流口48a)。因此，流量随着时间的推移变得大致平衡。

上部和下部砾石浆液液流口48a、48b的尺寸和形状也优选设计以便调节高速的浆液流，同时将对心轴体50的侵蚀损害减至最小。上部液流口48a具有大致矩形形状，最好看图3。在心轴体50的外部径向面开始，上部浆液液流口48a由于倾斜的上和下表面60，62而向内和向上倾斜。然后所述下倾斜的面62过渡成大致垂直的面64。所述上部倾斜面60过渡成向外扩大的上部凹槽66。由于在泵送浆液期间形成了一个低压区，所述凹槽66有效地将浆液吸入上部浆液液流口48a。所述下部浆液液流口48b也大致为矩形形状，其它方面与上部液流口48a类似。但是，下部液流口48b没有上部凹槽66。

图4示出了砾石放置心轴(其用标记38’标识)的另一种结构。在该实施例中，在液流孔40内没有限流喉孔。然而，下部浆液液流口48b’具有敞开区域，该敞开区域小于上部液流口48a的敞开区域(A)。在目前优选的实施例中，下部液流口48b’具有敞开区域(a)，该敞开区域(a)约为70％的上部液流口48a的敞开区域。下部液流口48b’尺寸的减小降低了穿过该液流孔的流量，因而增加了穿过上部液流口48a的流量，从而穿过两个液流口48a、48b’的总流量基本是平衡的。

虽然图2，3，4和5示出了具有两个浆液液流口48a，48b的砾石放置心轴，但是事实上可以具有多于两个的这样的液流孔。在这种情况下，浆液液流口应当均匀间隔地设置在圆周上并且在轴向上应当间隔开。图6示出了一种典型的具有三个浆液液流口48a、48b、48c的砾石放置心轴38”。在这一实施例中，浆液液流口在相互间隔约120度的径向上直接径向向外分配浆液。此外，每一液流口48a、48b、48c沿着心轴38”的心轴体彼此轴向隔开的设置。液流口48a为心轴38”上的最上部的液流孔，而液流孔48b为中部的液流孔，液流孔48c为最下部的液流孔。类似于喉孔56的限流喉孔位于每一液流口48a、48b、48c之间以便促进穿过上部液流口48a、48b的流动。可选择地是，下部液流口48b、48c的尺寸适于促进更大量的液流流过上部液流口，这和前述的相同。

本领域的技术人员可以理解，上述的原理可扩展至四个或更多个数量的液流孔，以促进改善进入环空70并之后进入环空18的浆液的分布。例如，具有四个液流孔的心轴具有间隔90度排列的液流孔。由于有助于在作业期间保持心轴的抗张强度和整体性，需要沿心轴38、38’、38”的心轴体轴向分离所述液流孔。浆液液流口48a、48b、48c较宽，并且它们在心轴内的存在消除了大部分心轴体结构。如果多个液流孔以相同的轴向高度设置在心轴的心轴体上，那么心轴体结构就会非常薄弱。

在作业中，砾石浆液流出浆液液流口48a和48b(或48a，48b和48c)并穿过环空70，从而到达砾石液流孔26，这将使砾石相对均匀地分布在砾石放置工具38的整个圆周周围的环空70内。此外，多个砾石浆液液流口48a和48b的使用防止了单个小面积的喷砂衬管30承受所有的浆液侵蚀力，这在使用一个浆液液流口时会出现。

本领域的技术人员将会意识到，虽然描述了一种砾石充填装置，但是上述的设备和方法还可容易地应用于其它固体放置装置中，如将固体支撑剂放置在井筒内的压裂工具。本领域的技术人员还可意识到，可对这里所描述的典型设计和实施例进行多种改变和变化，并且本发明仅由随后的权利要求书和任何等同物所限定。

Claims (9)

1.一种用于井筒内的固体放置工具中的砾石放置心轴，所述砾石放置心轴包括：

心轴体，其具有上部和下部轴向端部并限定穿过其中的轴向液流孔，所述轴向液流孔具有一直径；

穿过所述心轴体设置的第一横向浆液液流口；以及

穿过所述心轴体设置的第二横向浆液液流口，其在心轴体上的第一横向浆液液流口下方轴向偏移；

其中，所述第一横向浆液液流口还包括位于轴向液流孔附近的径向扩大的凹槽，以在第一横向浆液液流口附近产生低压区，从而增加穿过其中的流体流量；

所述第二横向浆液液流口没有位于轴向液流孔附近的径向扩大的凹槽；并且

所述砾石放置心轴还包括设置在第一和第二横向浆液液流口下方的轴向液流孔内的球座，所述球座用于在准备泵送浆液的过程中使球塞座落在其上，从而向下泵送的流体或浆液将被迫穿过第一横向浆液液流口和第二横向浆液液流口排出所述轴向液流孔。

2.如权利要求1所述的砾石放置心轴，其特征在于：所述第一和第二横向浆液液流口定向设置以使浆液在径向向外的不同方向上流出轴向液流孔。

3.如权利要求1所述的砾石放置心轴，其特征在于：所述第一横向浆液液流口定向设置以使浆液在第一径向方向上径向向外流动，所述第二横向浆液液流口定向设置以使浆液在第二径向方向上径向向外流动，所述第二径向方向与第一径向方向间隔约180度。

4.如权利要求1所述的砾石放置心轴，其特征在于：还包括设置在心轴的轴向液流孔内的限流喉孔，以使穿过第一横向浆液液流口的浆液流动增加。

5.如权利要求4所述的砾石放置心轴，其特征在于：所述限流喉孔的直径为轴向液流孔直径的约60％到约85％。

6.如权利要求1所述的砾石放置心轴，其特征在于：所述第一横向浆液液流口具有第一敞开区域，并且所述第二横向浆液液流口具有比第一敞开区域小的第二敞开区域。

7.如权利要求1所述的砾石放置心轴，其特征在于：还包括第三横向浆液液流口，其中所述第一、第二和第三横向浆液液流口定向设置，以便使浆液沿间隔约120度的径向方向向外流动。

8.如权利要求7所述的砾石放置心轴，其特征在于：还包括设置在各横向浆液液流口之间的心轴轴向液流孔内的限流喉孔，以使穿过第一和第二横向浆液液流口的浆液的流动增加。

9.如权利要求7所述的砾石放置心轴，其特征在于：所述第二和第三横向浆液液流口具有相对于第一横向浆液液流口逐渐减小的敞开区域。

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