CN101542069B - 用于完井、生产和注入的井筒装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了与烃生产相关的方法和装置。在一个实施方式中，装置包括管状元件，其在管状元件的内部中具有中心孔，其中所述中心孔使得烃经由所述管状元件流动。此外，所述管状元件包括在中心孔和管状元件的外部区域之间的孔。除了管状元件之外，至少两个相邻的金属丝段被布置在管状元件的周围。所述至少两个相邻的金属丝段形成到达中心孔的至少两个流动路程。此外，所述至少两个相邻的金属丝段形成至少两个孔，该孔被配置以防止大于特定尺寸的颗粒进入管状元件的孔。

Description

用于完井、生产和注入的井筒装置和方法

                  相关申请的交叉参考

本申请要求于2005年9月30日提交的美国临时申请60/722,801的权益。

                        发明领域

本发明一般地涉及用于井筒的装置和方法。更具体地，本发明涉及这样的井筒装置和方法，其适合于通过在单次绕丝工艺(singlewrapping process)中的冗余防砂(redundant sand control)进行流体生产和砾石充填。

                          背景

本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这可能与下面描述的和/或要求保护的本发明的示例性实施方式有关。该讨论被认为有助于为读者提供有助于更好理解本发明具体技术的信息。因此，应当理解，这些陈述将按此阅读，而不必被理解为对现有技术的承认。

烃的生产，例如油和气，已进行了许多年。为生产这些烃，生产系统可利用各种装置，例如滤砂管和其它工具，用于具体的井内任务。通常，这些装置被放入以下套管完井或裸眼完井进行完井的井筒中。在下套管完井中，将井筒套管置于井筒中，并进行射孔，穿过套管进入地层，以提供地层流体例如烃进入井筒的流动路程。可选地，在裸井完井中，生产套管被置于无井筒套管的井筒内。地层流体流经井下地层和生产套管之间的环空，进入生产套管。

然而，当从地层生产烃时，正变得越来越有挑战性，原因在于某些地层的位置。例如，一些地层位于超深水中、深度超出钻井作业的范围、在高压/高温储集层中、处于长的层段中、在高生产速率下以及处于边远地区。如此，地层的位置可能带来问题，其急剧增加了单口井成本。也就是说，对于经济的油田开发而言，进入地层的成本可能导致更少的井被完井。因此，井的可靠性和寿命成为设计考虑因素，以避免这些井的不期望的生产损失和昂贵的各种采油修理或修井作业。

作为例子，当从位于深水中的地层生产地层流体时，与地层流体一起产生固体物质例如砂是可能的，因为地层是不良固结的或者地层被由于井筒挖掘和地层流体采出而产生的井下应力所削弱。防砂装置通常沿着这些地层安装于井下，以保持固体物质，而允许流体产生。防砂失败可能导致在地表产生砂、井下设备损坏、降低的井产能和/或井的损失。在愈加苛刻的环境下，防砂装置更易于受到由于高应力、侵蚀、堵塞、挤压/下沉等导致的损坏。这类损坏可能在运输、安装、完井、注入、生产或增产期间发生于防砂装置。事实上，对防砂装置的损坏难以预测或预防。因此，防砂装置一般与其它方法一起使用，以控制来自地层的砂的产生。

防砂的最常用方法之一是砾石充填。对井进行砾石充填包括将砾石或其它颗粒物放在连接到生产套管的防砂装置的周围。防砂装置可具有孔或可用筛管(或滤管)缠绕。例如，在裸井完井中，砾石充填通常位于井筒壁和围绕带眼中心管的筛管之间。可选地，在下套管完井中，砾石充填通常位于具有射孔的套管柱和围绕带眼中心管的油井筛管之间。无论完井的类型，地层流体经过砾石充填和防砂装置从地层流入生产套管。

其它防砂方法设备可包括独立的筛管和压裂充填，以解决产生砂的问题。近来防砂方面的技术进展已经集中于监测井下条件、改善挡砂、增加流动特征以及降低侵蚀潜力。例如，筛管可被设计来增强挡砂效率和流动特征。类似地，筛管中的孔可被调节，以降低侵蚀。同样，传感器可被安装在滤砂管中的空心金属线或空心抽油杆中，以监测压力、温度、密度等，提供与防砂性能有关的信息。

目前，防砂设备包括很小的——如果有的话——冗余度(redundancy)，这种冗余解决导致流动能力下降的失败带来的问题。在许多情况下，井以其设计容量或接近设计容量进行生产的能力仅通过对破坏机制的“单一”屏障来维持。也就是说，滤砂管可以是用于在未固结地层中防砂的唯一装置。结果，任何对安装的滤砂管的损坏可能导致砂连同烃一起产生。如果砾石充填被安装，则筛管损坏可能导致砾石和砂的产生。固体的产生可导致井下设备侵蚀、产能下降、在地面砂处理遇到挑战和/或井产能的部分或全部丧失。结果，最终需要修井或另钻新孔。因此，完井的总体系统可靠性具有大的不确定性。

因此，对于更可靠的完井装置和方法存在需求，以提供筛管冗余(redundancy for screen)、在筛管中的可选流动路程和自减轻功能，这包括进行划分，以解决防砂筛管的机械损坏不确定性。

其它相关材料可以在至少美国专利4,945,991、美国专利5,095,990、美国专利5,113,935、美国专利5,293,935、美国专利5,476,588、美国专利5,515,915、美国专利5,642,781、美国专利5,642,781、美国专利5,938,925、美国专利6,125,932、美国专利6,227,303、美国专利6,554,064、美国专利6,684,951、美国专利6,715,544、美国专利6,745,843和美国专利申请公布第2005/0034860号中找到。

                           概述

在一个实施方式中，公开了与烃生产有关的装置。该装置包括管状元件，在该管状元件的内部中具有中心孔，其中所述中心孔使得烃经由所述管状元件流动。此外，所述管状元件包括在中心孔和管状元件的外部区域之间的孔。除了管状元件之外，至少两个相邻的金属丝段(wire segment)被布置在管状元件的周围。所述至少两个相邻的金属丝段形成到达中心孔的至少两个流动路程。此外，所述至少两个相邻的金属丝段形成至少两个孔，配置用于防止大于特定尺寸的颗粒进入管状元件的孔。

在第一可选的实施方式中，公开了防砂装置。防砂装置包括多个布置在中心孔周围的金属丝段。所述多个金属丝段的至少两个相邻金属丝段形成至少一个在所述至少两个相邻金属丝段和中心孔周围之间的周边通道。此外，至少两个相邻金属丝段形成至少两个孔，其配置用于防止大于特定尺寸的颗粒进入中心孔。

在第二可选的实施方式中，公开了与烃生产有关的系统。该系统包括用于从地下储集层生产烃的井筒。同样，该系统包括布置在井筒中的生产套管柱。最后，该系统包括连接于生产套管柱并布置在井筒中的至少一个防砂装置。所述至少一个防砂装置包括多个布置在中心孔周围的金属丝段，其中所述多个金属丝段的至少一对相邻金属丝段在所述至少一对金属丝段和中心孔之间形成周边通道。进而，所述至少一对相邻金属丝段形成至少两个冗余孔(redundant opening)，以防止大于特定尺寸的颗粒进入中心孔。

在第三可选的实施方式中，公开了与烃生产有关的方法。该方法包括提供防砂装置，其具有布置在中心孔周围的金属丝段。所述金属丝段的至少一对相邻金属丝段在该对相邻金属丝段和中心孔周围之间形成周边通道。同样，所述至少一对相邻金属丝段形成至少两个冗余孔，以防止大于特定尺寸的颗粒进入中心孔。然后，防砂装置被布置在井筒中。

在第四可选的实施方式中，公开了制造防砂装置的方法。所述方法包括形成金属丝段。然后，金属丝段在单次绕丝工艺中被缠绕在中心孔周围。至少一对相邻金属丝段在所述至少一对相邻金属丝段和中心孔周围之间形成周边通道。同样，所述至少一对相邻金属丝段形成至少两个冗余孔，其被配置以防止大于特定尺寸的颗粒进入中心孔。

                         附图简述

在阅读了下面的详细描述并参考附图后，本技术的前述优势和其它优势可变得明显，其中：

图1是根据本技术的某些方面的示例性生产系统；

图2A和2B是根据本技术的某些方面，在图1的生产系统中使用的防砂装置一部分的示例性实施方式；

图3是在防砂装置中连接于轴向杆的金属丝段的示例性实施方式。

图4A-4D是根据本技术的某些方面在图1的防砂装置中的金属丝段的示例性实施方式；

图5A-5G是根据本技术的某些方面，由在图1的防砂装置中的金属丝段形成的通道的示例性实施方式；和

图6A-6D是根据本技术的某些方面，由在图1的防砂装置中的金属丝段形成的通道的另一示例性实施方式。

                          详细描述

在下面的详细描述中，本发明的具体实施方式将连同其优选实施方式被描述。然而，就下列的描述特定于本技术的具体实施方式或具体用途而言，这预期仅仅是阐述性的并仅仅提供对示例性实施方式的精确描述。因此，本发明不限于下面描述的具体实施方式，而相反地，本发明包括落入所附权利要求真正范围内的所有选择、修改和等价物。

本技术包括防砂装置，其可被用于完井、生产或注入系统，以增强完井，例如砾石充填，和/或增强井的烃生产和/或增强流体或气体注入井中。在可称为“迷宫金属线系统(Mazewire system)”的本技术下，金属线线段具有特殊的几何构造，以通过防砂装置的金属线段提供冗余和额外的流动路程。除了金属丝段的特殊几何构造外，不同类型的金属丝段可一起被用于形成具有分隔、区划和阻隔的通道，其控制流体流经金属丝段。也就是说，通过绕丝筛管的金属丝段，金属丝段可用于为防砂装置提供冗余、阻遏(交错)和区划。因此，可以是连续的金属线或连接在一起的单独金属线的金属丝段可形成具有各种几何形状组合的通道。通过在具有中心孔的管状元件上的轴向杆周围缠绕这些金属丝段，两个相邻的金属丝段之间的孔可提供径向、外周、轴向、螺旋或混合方向上的多个通道或流动路程。由此，本技术可用于完井——具有或不具有用于流动控制的砾石充填，烃生产和/或流体注入。

进一步，应当注意到，国际专利申请PCT/US04/01599描述了井筒装置，其组合了冗余、阻遏(交错)的、和区划的防砂，以自减轻由于侵蚀、挤压和其它机械原因导致的筛管损坏。然而，在本技术中，具有不同几何式样的金属丝段被用于提供冗余、阻遏(交错)和区划，用于在防砂装置中进行防砂。因此，这些金属丝段——其可以是连续金属线或独立的金属丝段，可自减轻由于侵蚀、挤压和其它机械原因导致的筛管损坏。由此，金属丝段可增强在越来越有挑战性的井下条件下的井可靠性和寿命。

现在转向附图，并首先参考图1，根据本技术的某些方面的示例性生产系统100被阐述。在示例性生产系统100中，浮式采油设施102被连接到位于海底106上的水下采油树104。通过该水下采油树104，浮式采油设施102接近包括烃例如油和气的地层108。有益地，设备例如防砂装置138a-138n，可用于防止砂的产生并增强来自该地层108的烃的产生。如可被理解的，数字n可包括任何整数。然而，应当注意到，生产系统100出于示例的目的被阐述，并且本技术可用于来自任何水下、台地或陆地位置的流体的生产或注入。

浮式采油设施102被配置以监测并从地层108生产烃。浮式采油设施102可以是能够控制从水下井生产流体例如烃的浮式容器。这些流体可储存在浮式采油设施102上和/或被提供至油罐(未示出)。为接近地层108，浮式采油设施102通过控制管缆112被连接至水下采油树104和控制阀110。控制管缆112可包括用于从水下采油树104提供烃至浮式采油设施102的生产套管、用于水力或电力设备的控制管、和用于与井筒114中其它设备通信的控制电缆。

为接近地层108，井筒114钻入海底106，到达与地层108交界的深度。如可被理解的，地层108可包括多个岩石层，其可包括或不包括烃，且可称为带。水下采油树104，其在海底106处位于井筒114之上，在井筒114中的设备和浮式采油设施102之间提供了对接。因此，水下采油树104可被连接至提供流体流动路程的生产套管柱128以及提供通信路径的控制电缆(未示出)，该通信路径可在水下采油树104处与控制管缆112对接。

在井筒114内，生产系统100还可包括提供进入地层108的不同设备。例如，地面套管柱124可从海底106安装至在海底106下一特定深度的位置。在地面套管柱124中，中间或生产套管柱126——其可向下延伸至地层108附近的深度，可被用于为井筒114的壁提供支撑。地面和生产套管柱124和126可被胶结入井筒114中的固定位置，以进一步稳定井筒114。在地面和生产套管柱124和126中，生产套管柱128可用于为烃和其它流体提供经由井筒114的流动路程。沿着该流动路程，地下安全阀132可用于在地下安全阀132上面的断裂或破裂的情况下，阻断来自生产套管柱128的流体的流动。进一步，封隔器134和136可用于将井筒环内的特定带互相隔离。

除了上述设备，其它设备或工具，例如防砂装置138a-138n和砾石充填140，可用于控制流体和颗粒流入生产套管柱128。防砂装置138a-138n——其在此处可称为防砂装置(一个或多个)138，可包括绕丝筛管、隔膜筛管、膨胀式筛管和/或金属丝筛网。为了示例目的，防砂装置138在此处被描述为包括许多金属丝段的绕丝筛管。同样，在防砂装置138周围，砾石充填或天然砂粒填充140可被布置，以提供控制流体和颗粒流入生产套管柱128的附加机构。防砂装置138可控制烃从地层108到生产套管柱128的流动。

通常，绕丝筛管包括成螺旋地缠绕在一组循环间隔且轴向延伸的杆上的连续金属线。金属线通过在每一个接触点处焊接而被连接于该轴向杆。焊接过程被设计和控制，以在两个相邻的金属丝之间获得期望的孔大小。绕丝筛管可以在带眼管状元件或中心管上滑动，作为滑套式绕丝筛管，或以直接绕丝筛管形式直接缠绕在中心管上，如本领域已知。金属丝段形成筛管，其防止颗粒例如砂、砂粒或其它大于特定尺寸的固体颗粒进入生产套管柱128。因此，用在防砂装置138中的示例性金属丝段示于更大的图2A和2B中。

图2A和2B是根据本技术的某些方面，在图1的生产系统100中采用的防砂装置一部分的示例性实施方式，例如防砂装置138a-138n之一。因此，通过同时观察图1，图2A和2B可被最好地理解。在图2A中，防砂装置138包括各种用于控制流体和颗粒流入或流出生产套管柱128的组件。例如，防砂装置138可包括具有一个或多个孔204的管状元件或中心管202，所述孔204提供了从中心管202外部到中心管202内的中心孔205的流动路程。

为提供含砂量控制，可采用布置在一个或多个轴向杆206周围的具有金属丝段208a-208n的筛管。轴向杆206，其可包括任意数量的轴向杆206，可通过焊接或其它类似技术被固定在中心管202上。轴向杆206为一个或更多个可被称为金属丝段208的金属丝段208a-208n提供支撑。这些金属丝段208防止或限制颗粒例如砂粒流入中心管202的中心孔205，如在下面更详细讨论。金属丝段208可被连续缠绕并焊接在轴向杆206上。所得到的空心圆柱形金属线-杆实施方式在中心管202上滑动，并通过在两个相对端焊接金属环而固定于中心管202。金属环还密封金属丝段208、轴向杆206和中心管202之间的开放端。可选地，金属丝段208可以被直接缠绕在轴向杆206上，轴向杆206沿着中心管202的外部表面布置。直接缠绕将金属丝段208和轴向杆206固定于中心管202。金属环在两个相对端被焊接，以密封金属丝段208、轴向杆206和中心管202之间的开放端。因此，这些金属丝段208可以或者是滑套式绕丝丝段或者是连接于轴向杆206的直接绕丝段，这是附加防砂装置中的金属丝段的已知方法。同样，金属丝段208和轴向杆206可以用抗侵蚀材料(例如镍基热喷雾或金属防护层)部分或完全涂覆，以进一步防止损坏。

此外，替换路径技术(alternate path technology)也可与轴向杆206和金属丝段208一起使用。替换路径技术可包括分流管210，其布置于金属丝段208外面之上——其描述于美国专利4,945,991和5,113,935，或布置在中心管202和金属丝段208之间——其描述于美国专利5,515,915和6,227,303。分流管210可包括沿着分流管210的长度安置的一个或多个喷嘴212。如果分流管210位于中心管202和金属丝段208之间(图2A和2B)，喷嘴212可延伸至金属丝段208之外，以提供从分流管210至金属丝段208的外部位置如井筒环带的流动路程。对于防砂装置138的局部视图的可选透视图，沿着线2B的各种组件的剖面图被示于图2B中。

为增强防砂装置，金属丝段208可以以各种方向以及不同的间距缠绕在中心管202的周围。例如，绕丝筛管可以包括以恒定间距或变化间距缠绕在中心管202周围的金属丝段。恒定间距可用于防止一定大小的颗粒进入生产套管柱128，而变化间距的金属丝段208可用于控制流体流经金属丝段208各部分的量。此外，金属丝段208的方向可被调节，以在金属丝段208内提供通道或流动路程，如在下面更详细地讨论。方向上的变化可形成垂直于经由中心管202的流体流动的流动路程、平行于经由中心管202的流体流动的流动路程、或相对于经由中心管202的流体流动的其它角度变化。

此外，金属丝段208的几何形状变化可在金属丝段208内形成独特的孔和通道。该孔可被描述为设计孔(designing opening)和限制性孔(restrictive opening)。设计孔可出于防砂和井性能的目的加以使用，以维持砂粒和允许流体和细粒(粉砂和粘土)通过所述孔。限制性孔可用于维持砂粒和限制流体和细粒的流动。取决于限制程度，限制性孔可以允许无流动、最小流动和/或细粒堵塞导致的逐渐减小的流动，如上所述。通过缠绕金属丝段208以具有较窄的孔、延长的孔、弯曲的孔、拱顶形孔和/或它们的任何组合，可提供限制性。

通过利用各种几何形状以及设计孔和限制性孔的组合，金属丝段208可用于通过相邻对的金属丝段208构建弯曲流动路径或通道。例如，因为限制性孔比设计孔更坚固且更耐侵蚀，限制性孔可被排列，以限制沿着通道的流动，这可被称为分隔。具体而言，在金属丝段的每一通道中的孔的特征可以在于具有至少一个限制性孔和至少一个设计孔。可选地，任何两个相邻的孔可包括设计孔和限制性孔的不同组合，以交错或阻碍流体流入通道。因此，金属丝段208中不同孔和几何形状的使用可为防砂装置提供额外的流动路程和冗余。

作为例子，流体从地层108流入井筒114并经过金属丝段208形成的孔。在具有金属丝段208中形成的通道的情况下，流体可流经金属丝段208中形成的通道和/或可通过中心管202中的孔204直接进入中心孔205。从中心孔205，流体经由生产套管柱128流至浮式采油设施102。通常，在受损的防砂装置中，砂粒可导致生产套管柱128和/或井筒114形成砂堵、井下设备损坏或在地面产生大量砂。

然而，由于金属丝段208的构造和几何形状，颗粒例如砂粒可被金属丝段208形成的通道、孔或区室保持。因此，如果一对金属丝段208被侵蚀或受到损坏，流体连同砂粒可进入与该对金属丝段208相关的通道之一。在该通道内，进入的砂粒的动量在通道中被降低，原因在于与金属丝段208形成的壁碰撞。取决于砂粒/流体动量的大小和方向，砂粒可被限制性孔捕获、被相邻的交错设计孔捕获、当进一步沿着通道行进时失去动能、或在金属丝段208形成的分隔处被停止和俘获。当额外的砂粒沿着通道堆积回受侵蚀的位置，流动阻力增加，而砂粒/流体流动被转向进入金属丝段208的另一个未受侵蚀的部分。即，在金属丝段208的侵蚀部分的流体流动被降低或切断，而井生产通过金属丝段208内的其它流动路程或通道得以持续。如此，金属丝段208可在各个位置自减轻对防砂装置的损坏，无需井的修理。

作为具体的例子，图3阐述了在防砂装置中连接于轴向杆的金属丝段的示例性实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字300被提及，具有中心孔312的中心管310被连接到轴向杆308和金属丝段302-306。金属丝段302-306可具有拱顶形，并在金属丝段302-306之间具有流体孔或间隙307a和307b。然后，流体或颗粒可经由金属丝段302-306之间的孔307a和307b沿着流体流动路径314流动。然后，流体或颗粒可流经中心管310中的孔(未示出)，进入中心孔312。如此，流体携带的颗粒可阻断或撞击金属丝段302-306，这可能导致对金属丝段302-306的机械损伤。对金属丝段302-306的机械损伤的另一例子可以由地层岩石的挤压和下降所导致。在运输或安装过程中对筛管过多的负载也可导致机械损伤。

在图3的例子中，金属丝段302-306的孔307a和307b是防止颗粒进入中心管310的中心孔312的唯一机制。如果金属线302-306之间的流体孔307a和307b之一受到侵蚀或损伤，则金属丝段302-306可能无法防止颗粒进入中心管310的中心孔312和生产套管柱128。也就是说，如果孔307a和307b之一故障，利用这些金属丝段302-306的防砂装置可能产生过量的固体颗粒，例如砂粒。

然而，在本技术下，图4A-4D的金属丝段可提供金属丝段冗余和金属丝段内额外的流动路程。图4A是根据本技术的某些方面连接至在图1的防砂装置138中的轴向杆206之一的金属丝段的示例性实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字400被提及，具有中心孔205的中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段402-406，其可以是金属丝段208a-208n的例子。金属丝段402-406可具有双叠加拱顶形，并在金属丝段402-406之间具有流体孔或间隙408a、408b、410a和410b。在每一金属丝段402-406的下拱顶部分上的突起可用于将金属丝段402-406固定于轴向杆206。这些拱顶形部分可通过将金属丝段402-406焊接于轴向杆206或其它类似技术加以固定。

在该模式下，冗余和额外的流动路程由金属丝段402-406提供。如沿着流体流动路程412所示，冗余由双叠加拱顶形提供，这在每一对金属丝段402-406之间提供两种限制性孔408a和410a或者408b和410b。实际上，在金属丝段402-406中的孔408a、410a、408b和410b具有可最小化堵塞的倒拱顶几何形状。孔408a、408b、410a和410b允许流体通过，但防止特定大小的颗粒通过。进一步，如果金属丝段402-406以相对于经由中心管202的流体流动有一定角度的方向布置，则流体流动路程414和416可用于提供经由金属丝段402-406的弯曲流体流动路程。如此，两种流动路程被提供经过金属丝段402-406，连同流体流动路程412，进入中心孔205。

在可选的实施方式中，图4B是根据本技术的某些方面连接至在图1的防砂装置138中的轴向杆206的金属丝段的可选实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字420被提及，具有中心孔205的中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段422-426，其可以是金属丝段208a-208n的另一例子。金属丝段422-426可具有三叠加拱顶形，并在金属丝段422-426之间具有流体孔或间隙428a、428b、430a、430b、432a和432b，以提供比图4A的实施方式更多的流动路程。类似于上面的讨论，在拱顶部分底部上的突起可用于将金属丝段422-426固定于轴向杆206。

在该模式下，冗余和额外的流动路程再次由金属丝段422-426提供。如沿着流体流动路程434所示，冗余由三叠加拱顶形提供，这在每一对金属丝段422-426之间提供三种限制性孔428a、430a和432a，以及428b、430b和432b。再者，倒拱顶几何形状可使金属丝段422-426的堵塞最小化。此外，如果金属丝段422-426以相对于经由中心管202的流体流动有一定角度的方向布置，则流体流动路程436、437和438可用于提供经由金属丝段422-426的弯曲路程。如此，三种流动路程436-438被提供经过金属丝段422-426，连同流体流动路程434，进入中心孔205。

在第二种可选的实施方式中，图4C是根据本技术的某些方面连接至在图1的防砂装置138中的轴向杆206的金属丝段的第二可选实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字440被提及，具有中心孔205的中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段442-446，其可以是金属丝段208a-208n的另一例子。金属丝段442-446可具有双曲面形，并在金属丝段442-446之间具有流体孔或间隙448a、448b、450a和450b，以提供在注入方向具有倒拱顶孔的双重冗余防砂。在每一金属丝段442-446上的底部突起可用于将金属丝段442-446固定于轴向杆206，其可包括将金属丝段442-446焊接到轴向杆206。

在该模式下，冗余和额外的流动路程由金属丝段442-446提供。如沿着流体流动路程452所示，冗余由双曲面形提供，这在每一对金属丝段442-446之间提供两种限制性孔448a、448b、450a和450b。因为拱顶形易于堵塞，双曲面形提供了沿着流动路程452在注入方向上具有倒拱顶孔的双重冗余防砂。此外，如果金属丝段442-446以相对于经由中心管202的流体流动有一定角度的方向布置，则流体流动路程454可用于提供经由金属丝段442-446的弯曲路程。如此，额外的流动路程被提供经过金属丝段442-446，连同流体流动路程452，进入中心孔205。

在图4D中，示出了根据本技术的某些方面连接至在图1的防砂装置138中的轴向杆206的金属丝段的第三可选实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字460被提及，具有中心孔205的中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段462和464，其可以是金属丝段208a-208n的另一例子。金属丝段462和464可具有与部分双曲面或中间部分叠加的下部或拱顶形部分，以及上部或矩形部分，以形成独特的几何形状。该几何形状在金属丝段462和464之间形成流体孔或间隙468和470。上部形成平的限制性路程，而中部和下部提供经由金属丝段462和464的流动路程。由于在金属丝段462和464的每一个上，底部具有拱顶形，所以它可用于将金属丝段462和464固定于轴向杆206。如上所述，这些可通过将金属丝段462和464焊接于轴向杆206或其它类似技术加以固定。

在该几何形状下，冗余和额外的流动路程由金属丝段462和464提供。如沿着流体流动路程472所示，冗余由该几何形状提供，这在每一对金属丝段462和464之间提供第一限制性孔468和第二限制性孔470。此外，如果金属丝段462和464以相对于经由中心管202的流体流动有一定角度的方向布置，则流体流动路程476可用于提供经由金属丝段462和464的额外流动路程。也就是说，外周通道可在金属丝段462和464内形成。如此，额外的流动路程476被提供经过金属丝段462和464，连同流体流动路程472，进入中心孔205。

为提供经由金属丝段462和464的特定流动限制和弯曲路程，金属丝段462和464的每一个的宽度可被改变。例如，金属丝段462的上部可被构造以具有宽度x，其比下部的宽度y更宽。在这些宽度下，直孔468更耐颗粒侵蚀，同时仍提供流体流动路程。即，在金属丝段462和464的矩形部分之间形成的孔468比在金属丝段462和464的拱顶形部分之间形成的孔470更窄。作为具体的例子，宽度x可以比宽度y宽大约0.005毫米(mm)至大约1mm。

进一步，金属丝段462和464的每一个的高度也可被改变，以提供经由该对金属丝段462和464的特定流动限制和弯曲路程。例如，上部可被构造以具有高度z，中部可被构造以具有高度q，而下部可被构造以具有高度w。为提供经由金属丝段462和464的更加限制性的流动路程，上部的高度z可以比下部和中部的高度q和w长。可选地，为提供更大体积的流动路程，下部和中部的高度q和w可被增加，以在金属丝段462和464之间形成较大的通道。

有利地，在这些实施方式的每一个中，金属丝段提供冗余防砂，以及经由所述金属丝段的额外流动路程。事实上，在图4A、4B和4D的金属丝段中的孔采用倒拱顶几何形状或部分倒拱顶形几何形状，以使堵塞最小化，而在图4C中的双曲面形降低了注射流动路程的堵塞。此外，因为每一实施方式包括由金属丝的连续段形成的形状独特的金属丝段，所以单个绕丝工艺可用于将这些金属丝段连接于轴向杆。该单次绕丝工艺可通过减少在形成例如冗余防砂装置中的多次绕丝工艺的步骤而降低成本。

如可被理解的，金属丝段的具体几何形状可包括不同变化，其仍提供冗余防砂和经由金属丝段的额外流动路程。这些几何形状可包括不同的形状，其被设计来增强特定方向上的操作，例如注射井或生产井。可选地，所述几何形状还可包括用于在注射和生产井中作业的形状，如图4C所示。

除了金属丝段的具体几何形状外，不同类型的金属丝段可被一起使用，以形成分隔、区室和阻隔，它们控制绕丝筛管中的流体流动。如上所述，在本技术下，不同类型的金属丝段也可用于提供冗余、阻遏(交错)和区划，用于具有绕丝筛管的防砂，例如防砂装置138。因此，金属丝段208——其可以是连续金属线或连接的独立金属丝段，可被用于形成通道，其具有弯曲的、波状或平直的几何形状的不同组合。因此，通过金属丝段形成的通道在图5A-5G和6A-6D中更详细论述。

图5A-5G是根据本技术的某些方面，通过在图1的防砂装置中的金属丝段形成的通道的示例性实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字500被提及，中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段502-514，其可以是金属丝段208a-208n的例子。金属丝段502-514的每一个可包括用于将金属丝段固定于轴向杆206的部分，如上所论述。金属丝段502-514还可包括不同几何形状和各种孔520-540的组合，以提供经由金属丝段502-514的通道。例如，孔520、524、530、534和538可以是设计孔，而522、526、528、532、536和540孔可以是限制性孔。

在该实施方式中，金属丝段502-514包括沿着单根金属线的三个交替的式样或形状。具体而言，金属丝段502和504具有第一式样，其包括与矩形部分叠加的局部双曲面部分。金属丝段506、512和514具有第二式样，其包括矩形部分，而金属丝段508和510具有第三式样，其包括互相叠加的矩形部分、局部双曲面部分和拱顶形部分。每一金属丝段形状的长度可以变化，但对于这个例子，每一金属丝段是至少两次绕缠(绕丝)在中心管202周围，对于任何金属丝段，不超过一千英尺。

因此，在该结构中，金属丝段502-514通过孔520、524、528、532、536和540形成第一或外筛管层，并且通过孔522、526、530、534和538形成第二或内筛管层。外筛管层和内筛管层提供流体流动路程541至中心孔205或者提供沿着金属丝段502-514形成的通道的流体流动路程542。沿着流体流动路程542，流体通过一对金属丝段502-514直接流入中心孔205。然而，沿着该流动路程542，不同的金属丝段502-514形成螺旋状或圆周通道，其形成流体的流动迷宫。通过这些金属丝段502-514形成的通道可以通过观察图5B-5G而被更清楚地理解。

在图5B-5G，通过金属丝段502-514形成的通道被示出。在图5B和5E中，倒拱顶形通道544和550分别形成于金属丝段502和504之间以及金属丝段508和510之间。在图5C、5D和5F中，半拱顶形通道546、548和552分别形成于金属丝段504和506之间、金属丝段506和508之间以及金属丝段510和512之间。通道544、546、548、550和552的平坦部分被用于错开流体流动，这可以堵塞或限制流体中颗粒的流动。在图5G中，矩形通道554形成于金属丝段512和514之间。该矩形通道554形成分隔，其阻塞外筛管层和内筛管层之间的通道中的流动路程。该矩形通道554还形成阻塞图5A中的螺旋流动路程542的分隔。

在井生产期间，流经外筛管层中的孔520、524、528、532、536和540之一的流体沿着金属丝段502-514之间的通道流动，直到经由内筛管层中的孔522、526、530、534和538之一流出。然而，当外筛管层的孔例如孔520受损时，流体和砂粒进入该通道，并沿着流动路程542前进。尽管流体可通过内筛管层中的孔522、526、530、534和538进入中心孔205，但是砂粒可沿着流动路程542持续被阻塞在由金属丝段512和514形成的分隔处。当砂粒沿着流动路程542流动时，砂粒持续脱水，原因在于由于与形成通道壁的金属丝段碰撞导致的流体损失或损失动量(动能)。结果，砂粒可沿着流动路程542至金属丝段的侵蚀部分堆积并充填通道。也就是说，砂粒和颗粒可填充通道，以自减轻的方式减小或切断从受侵蚀孔的流体流动。因此，井筒中的砂粒和流体可被转流至完整的并正作业的金属丝段中的其它孔，如此设计以便不中断地产生烃。

图6A-6D是根据本技术的某些方面在图1的防砂装置138中的金属丝段中形成的通道的另一实施方式。在该实施方式中，其在本文通过参考数字600被提及，中心管202被连接到轴向杆206和金属丝段602-608，其可以是金属丝段208a-208n的其它例子。金属丝段602-608的每一个可包括用于将金属丝段固定于轴向杆206的部分，并包括不同的几何形状，如上所论述。然而，在该结构中，金属丝段602-608的孔612-622可具有更复杂的几何形状并可被构造，以具有延长的限制性孔。这些延长的限制性孔，例如孔614、616、620和622，提供额外的机械强度和抗流动性，以增强限制性孔614、616、620和622以及设计孔612和618之间的反差。因此，通过这些几何形状形成的限制性孔更耐侵蚀。

在该实施方式中，金属丝段602-608包括三个交替的沿着单根金属线的几何式样。具体而言，金属丝段602和604具有第一式样，金属丝段606具有第二式样，而金属丝段608具有第三式样。这些式样的每一个都是独特的几何式样，其可与相邻的式样一起被用于形成延长的限制性孔614、616、620或622。再者，每一金属丝段的长度可以变化，但对于这个例子，每一金属丝段602-608是大约至少两次绕缠(缠丝)在中心管202周围。

因此，类似于上面的讨论，金属丝段602-608形成第一筛管层或外筛管层——由孔612、616和620形成，以及第二筛管层或内筛管层——由孔614、618和622形成。外筛管层和内筛管层提供到达中心孔205的流体流动路程623或者提供沿着金属丝段602-608形成的螺旋通道的流体流动路程624。沿着流体流动路程623，流体通过金属丝段直接流入中心孔205。然而，由于孔614中的限制，流动通过孔612优选地沿着流动路程624。沿着该流动路程624，不同的金属丝段602-608形成螺旋状通道，其形成流体的流动迷宫。通过这些金属丝段602-608形成的通道可以通过观察图6B-6D而被更清楚地理解。

在图6B-6D中，通过金属丝段602-608形成的通道被示出。在图6B中，梯形通道626形成于金属丝段602和604之间。应当理解，梯形通道模拟图4A-4D和5A中的倒拱顶形孔，以最小化小于或等于特定尺寸的颗粒的堵塞。在图6C中，部分矩形通道628形成于金属丝段604和606之间。最后，在图6D中，窄矩形通道630形成于金属丝段606和608之间。该矩形通道630形成分隔，其阻塞外筛管层和内筛管层之间的流动路程。该矩形通道630还形成阻塞螺旋流动路程624的分隔。

在井生产期间，流经外筛管层中的孔612和616之一——但优选孔612——的流体沿着金属丝段602-608之间的螺旋通道流动，直到经由内筛管层中的孔614、618或622之一流出。然而，当外筛管层的孔例如孔612受损时，流体和砂粒进入该通道，并沿着流动路程624前进。尽管流体可通过内筛管层中的孔614、618和622进入中心孔205，但是砂粒可沿着流动路程624持续被阻塞在由金属丝段606和608形成的分隔处。当砂粒沿着流动路程624流动时，砂粒持续脱水，原因在于由于与形成通道壁的金属丝段602-608碰撞导致的流体损失或损失动量(动能)。结果，砂粒可沿着流动路程624至金属丝段602和604的侵蚀部分堆积并充填通道。也就是说，砂粒和颗粒可填充通道，以自减轻的方式减小或切断从受侵蚀孔612的流体流动。因此，井筒中的砂粒和流体可被转向至完整的并正作业的金属丝段中的其它孔，如此设计以便不中断地产生烃。

有利地，在图5A-6D中的这些金属丝段的各种组合可形成自减轻在任何孔的筛管损伤而无需井修理的通道。因此，不同的结构提供了具有外筛管层和内筛管层的冗余防砂、在螺旋通道中的流动阻遏和通过不同的金属丝段形成的流动迷宫、以及通过隔离金属丝段中的不同螺旋流动路径的分隔进行的区划。如此，这些和其它具有不同几何形状的金属片段的具体组合可被用于为防砂装置提供区室、阻隔和冗余。

应当注意到，金属丝段的其它组合也可被采用。这些其它组合可以基于具体的设计期望的可靠性、生产率、生产特性、可及性和井的其它功能性要求。例如，由金属丝段形成的区室和阻隔的设计可取决于多个因素，例如制造、材料和/或安装场所。功能性要求可包括但不限于：排除产生的固体(防砂)；改善的机械强度或柔性；特定流体的排除或包括(井下分流和流体一致性)；处理化学品的输送(例如，防垢剂、防蚀剂等)；具体地层类型的分隔；生产速率或压力的控制；和/或流体性质的测量。同样，任意数量的金属丝段可被结合，以形成通道或流动迷宫。

同样，通过金属丝段形成的区室或阻隔的数目可基于其它设计考虑因素。例如，更少的区室可使得区室尺寸更大，并导致更少的经过金属丝段的冗余流动路程。在另一方面，数目过多的区室可降低区室尺寸、增加冗余流动路程、并增加制造复杂性。类似地，区室的变化还可用于为井的某些层段提供特定的功能。对于阻隔，金属丝段可包括壁，以使流体流动完全或部分改道或改变流体流动速率。如此，区室或阻隔可在金属丝段内形成，以行使井的具体功能。

此外，应当注意，本技术还可用于砾石充填。在砾石充填期间，流动方向类似于井生产，但砾石充填被连续布置于筛管周围。因此，金属丝段可被构造，以为砾石充填提供具体的功能，或者可被设计以同时在砾石充填和井生产中作业。

此外，应当注意，本技术还可用于注入井。在井注入期间，流动方向被反转，但金属丝段可类似于井生产发挥作用。因此，金属丝段可被构造，以为注入井提供具体的功能，或可被设计以同时在注入井和生产井中作业。

尽管本发明的技术可具有各种改变和可选的形式，但是上面讨论的示例性实施方式已举例方式示出。然而，应当再次理解，本发明不意图受限于本文公开的具体实施方式。实际上，本发明的技术将覆盖落入所附权利要求所定义的发明精神和范围内的所有变化、等价物和替代物。

Claims (45)

1.一种与烃生产有关的装置，包括：

管状元件，其包括：

在所述管状元件的内部中的中心孔，其中所述中心孔使得烃经由所述管状元件流动；和

在所述中心孔和所述管状元件的外部区域之间的多个孔；及

至少两个相邻的金属丝段，其布置在所述管状元件的周围，其中所述至少两个相邻的金属丝段形成到达所述中心孔的至少两个流动路程，并且其中至少一对相邻的金属丝段在这对相邻的金属丝段之间形成至少两个限制性孔，其中所述至少两个限制性孔被配置以防止大于同一特定尺寸的颗粒穿过所述至少两个限制性孔中的每一个并进入所述管状元件中的所述多个孔。

2.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段被配置，以在所述至少两个流动路程的至少一个内形成阻隔。

3.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段被配置，以在所述至少两个流动路程的至少一个内形成区室。

4.权利要求3所述的装置，其中所述区室防止大于特定尺寸的颗粒进入所述中心孔。

5.权利要求1所述的装置，其中所述管状元件包括带眼中心管。

6.权利要求1所述的装置，其中至少一个金属丝段具有与相邻的金属丝段的几何形状不同的几何形状，以沿着所述管状元件形成不同水平的流动迷宫和孔几何形状。

7.权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个分流管，其布置于所述管状元件和所述至少两个金属丝段之间或所述至少两个金属丝段和井筒之间。

8.权利要求1所述的装置，其中所述装置被用于生产烃或用于注入作业。

9.权利要求1所述的装置，其中所述装置被用于砾石充填井。

10.权利要求1所述的装置，其包括布置于所述管状元件和所述至少两个相邻的金属丝段之间的多个杆。

11.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段的每一个具有不同的几何形状。

12.权利要求11所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段沿着所述至少两个流动路程的至少一个形成区室和至少一个阻隔。

13.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段的每一个包括重叠的拱顶形状。

14.权利要求1所述的装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段包括具有第一形状的第一金属丝段、具有第二形状的第二金属丝段和具有第三几何形状的第三金属丝段。

15.权利要求14所述的装置，其中所述第一金属丝段、第二金属丝段和第三金属丝段以交替结构被布置在所述管状元件周围。

16.防砂装置，包括：

布置在中心孔周围的多个金属丝段，其中所述多个金属丝段的至少两个相邻金属丝段在所述至少两个相邻金属丝段和所述中心孔周围之间形成至少一个周边通道，且其中所述至少两个相邻金属丝段中的至少一对在这对相邻金属丝段之间形成至少两个限制性孔，被配置来防止大于同一特定尺寸的颗粒穿过所述至少两个限制性孔中的每一个并进入所述中心孔。

17.权利要求16所述的防砂装置，其中所述多个金属丝段被配置，以在所述至少一个周边通道内形成阻隔。

18.权利要求16所述的防砂装置，其中所述至少两个相邻的金属丝段被配置，以在所述至少一个周边通道内形成区室。

19.权利要求16所述的防砂装置，其包括在所述多个金属丝段内的带眼中心管，其中所述带眼中心管具有在所述中心孔和所述带眼中心管外部区域之间的多个孔。

20.权利要求19所述的防砂装置，其进一步包括布置于所述带眼中心管和所述多个金属丝段之间或者所述多个金属丝段和井筒之间的至少一个分流管。

21.权利要求19所述的防砂装置，其包括布置于所述带眼中心管和所述多个金属丝段之间的多个杆。

22.权利要求16所述的防砂装置，其中所述防砂装置被用于生产烃。

23.权利要求16所述的防砂装置，其中所述多个金属丝段的至少两个金属丝段具有不同的几何形状。

24.权利要求16所述的防砂装置，其中所述至少两个相邻金属丝段包括具有第一形状的第一金属丝段、具有第二形状的第二金属丝段和具有第三几何形状的第三金属丝段。

25.权利要求24所述的防砂装置，其中所述第一金属丝段、第二金属丝段和第三金属丝段以交替结构被布置在所述中心孔周围。

26.与烃生产有关的系统，包括：

井筒，用于从地下储集层生产烃；

生产套管柱，其布置于所述井筒内；

至少一个防砂装置，其连接于所述生产套管柱并布置于所述井筒内，所述至少一个防砂装置包括布置在中心孔周围的多个金属丝段，其中所述多个金属丝段的至少一对相邻金属丝段在所述至少一对相邻的金属丝段和所述中心孔周围之间形成周边通道，且其中所述至少一对相邻的金属丝段在这对相邻的金属丝段之间形成至少两个限制性孔，以防止大于同一特定尺寸的颗粒穿过所述至少两个限制性孔中的每一个并进入所述中心孔。

27.权利要求26所述的系统，其中所述多个金属丝段被配置，以在所述至少一个周边通道内形成阻隔。

28.权利要求26所述的系统，其中所述多个金属丝段被配置，以在所述至少一个周边通道内形成区室。

29.权利要求26所述的系统，其包括在所述多个金属丝段内的带眼中心管，其中所述带眼中心管具有在所述中心孔和所述带眼中心管外部区域之间的多个孔并被连接于所述生产套管柱。

30.权利要求29所述的系统，进一步包括布置于所述带眼中心管和所述多个金属丝段之间或者所述多个金属丝段和所述井筒之间的至少一个分流管。

31.权利要求29所述的系统，进一步包括连接于所述生产套管柱并布置于所述井筒上面的采油树。

32.权利要求29所述的系统，进一步包括连接于采油树并用于从所述地下储集层生产烃的浮式采油设施。

33.与烃生产相关的方法，其包括：

提供防砂装置，其具有布置在中心孔周围的多个金属丝段，其中所述多个金属丝段的至少一对相邻金属丝段在所述至少一对相邻金属丝段和所述中心孔周围之间形成周边通道，且其中一对相邻金属丝段在这对相邻金属丝段之间形成至少两个冗余限制性孔，被配置以防止大于同一特定尺寸的颗粒穿过所述至少两个限制性孔中的每一个并进入所述中心孔；和

将所述防砂装置布置在井筒内。

34.权利要求33所述的方法，包括将带眼中心管布置在所述多个金属丝段内，其中所述带眼中心管具有在所述中心孔和所述带眼中心管外部区域之间的多个孔。

35.权利要求34所述的方法，包括在所述多个金属丝段和所述带眼中心管之间或者所述多个金属丝段和所述井筒之间布置至少一个分流管。

36.权利要求33所述的方法，包括在所述井筒内的所述防砂装置周围进行砾石充填。

37.权利要求33所述的方法，包括通过所述防砂装置从地层生产烃。

38.权利要求33所述的方法，其中所述至少一对相邻的金属丝段中的每个相邻的金属丝段具有与所述至少一对相邻的金属丝段中的另一个不同的几何形状。

39.权利要求33所述的方法，包括通过所述防砂装置将流体注入所述井筒。

40.制造防砂装置的方法，包括：

形成金属丝段；和

将所述金属丝段在单次绕丝工艺中缠绕在中心孔周围，其中至少一对相邻的金属丝段在所述至少一对相邻的金属丝段和所述中心孔周围之间形成周边通道，且其中至少一对相邻的金属丝段形成至少两个孔，该孔被配置以防止大于同一特定尺寸的颗粒进入所述中心孔。

41.权利要求40所述的方法，包括将所述金属丝段缠绕在布置于所述中心孔周围的多个杆的周围。

42.权利要求41所述的方法，包括将所述金属丝段焊接于所述多个杆。

43.权利要求42所述的方法，包括将所述金属丝段布置在带眼中心管周围，其中所述带眼中心管具有在所述中心孔和所述带眼中心管外部区域之间的多个孔。

44.权利要求43所述的方法，包括在所述带眼中心管上滑动焊接在所述多个杆上的金属丝段。

45.权利要求43所述的方法，包括将金属环焊接至所述带眼中心管、所述金属丝段、所述多个杆和它们的任何组合的至少一个的相对端。

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