CN102472090A - 利用包含一系列三维元件的过滤介质控制固体流入井眼的设备和方法 - Google Patents

Abstract

在许多方面，本发明提供一种设备，其可包括具有流体流动通道的部件和邻近该带有流体流动通道的部件放置的过滤部件，过滤部件包括一系列三维元件，所述三维元件构造成当含有选择尺寸的固体颗粒的流体从过滤部件流动至带有流体流动通道的部件时阻止这样的固体颗粒流动。

Description

利用包含一系列三维元件的过滤介质控制固体流入井眼的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月15日提交的临时专利申请61/225,830的优先权。

技术领域

本发明总的来说涉及用于控制从地层流出的流体中的固体颗粒流入井眼的设备和方法。

背景技术

诸如油和气的烃类是从地下地层利用钻进地层的井眼开采的。这样的井通常通过沿着井眼长度放置套管并在邻接各个开采区的套管上钻孔以将地层流体抽取到井眼内来完成的。这些开采区有时通过在开采区之间安装封隔器而彼此分开。从各个开采区进入井眼的流体被抽入延伸到地表的管材。沿着开采区希望基本上均匀地排放，因为不均匀的排放会导致出现不希望有的状况，例如侵入性气锥或水锥。不均匀排放可能是由于颗粒过滤装置例如砂筛的阻塞或堵塞造成的。

在有些情况下，颗粒过滤装置可能由于来自地层的颗粒的碰撞而遭受磨损和撕破，导致对流体流动的额外限制。因此，这样的装置的维修和更换在井眼运行期间可能是非常昂贵的。所以，希望提供一种用于从采出流体去除颗粒的设备和方法，以减少堵塞发生率，以及提供足以承受颗粒碰撞的耐久性。

本发明提供用于从采出流体中过滤颗粒的设备和方法，其解决了在此所述的一些需求。

发明内容

在许多方面，本发明提供一种设备，其可包括具有流体流动通道的部件和邻近该带有流体流动通道的部件放置的过滤部件，过滤部件具有一系列三维元件，所述三维元件构造成当含有固体颗粒的流体从过滤部件流动至带有流体流动通道的部件时阻止具有选定尺寸的固体颗粒流动。

在另一个方面，提供了一种方法，其可包括：提供具有流体流动通道的部件；和邻近该带有流体流动通道的部件放置过滤部件，过滤部件包括一系列三维元件，所述三维元件构造成当含有选择尺寸的固体颗粒的流体从过滤部件流动至带有流体流动通道的部件时阻止这样的固体颗粒流动。

本发明更重要特征的例子概述得相当宽泛，以便可以更好地理解下述的详细说明书以及可以领悟对本领域做出的贡献。当然，本发明还具有额外的特征，这将在下文描述，其形成了关于本发明的权利要求的主题。

附图说明

参照下列详细说明书，并结合附图，本领域普通技术人员将更容易领悟和更好地理解本发明的优点和其他方面，其中贯穿附图中所示的几个视图中，同样的参考标记通常表示同样或类似的元件，以及其中：

图1是示例性过滤装置的侧截面图，该结构的一部分被移除以显示该过滤装置的部件，该过滤装置包括根据本发明的一个实施例的过滤介质列；

图2是示例性过滤装置的详细侧截面图，该过滤装置包括根据本发明的一个实施例的过滤介质列；

图3是示例性过滤装置的详细侧截面图，该过滤装置包括根据本发明的一个实施例的过滤介质列和护罩部件；

图4是示例性过滤装置的详细侧截面图，该过滤装置包括根据本发明的一个实施例的结合有偏距(standoff)部件的过滤介质列；和

图5-11示出了示例性过滤介质列，其包括根据本发明的实施例的各种三维元件。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的一个实施例制成的示例性过滤装置10，其可在井眼中使用，用于阻止包含在流入井眼的地层流体(也被称为″采出流体″)中的固体颗粒流动进入井眼。所描绘的过滤装置10为侧截面图，其内部的一部分露出来，以显示该装置的部件。过滤装置10从采出流体去除不需要的固体和颗粒。在一个方面，示例性的过滤装置10包括具有若干流动通道22的管状部件14，所述流动通道允许采出流体进入管状部件14。过滤装置还包括放置在管状部件外面的过滤介质12，用以防止采出流体中所包含的选择尺寸的固体颗粒流动进入管状部件14。另外，可在过滤介质12外面设置一护罩部件16。在一个方面，护罩部件16可包括通道20，所述通道的尺寸设计成在采出流体进入过滤装置10之前从采取流体去除大的固体颗粒。在一个方面，通道20可具有构造成在采出流体进入过滤介质12之前降低其流速的弯曲路径。进一步地，护罩部件16还可提供对过滤装置10的结构支撑以及保护过滤装置，防止其受到磨损和撕破。进入管状部件的采出流体沿着管状部件14的轴线23向井眼地表流动。可在管状部件14与过滤介质列12之间设置一偏距部件18。偏距部件18可布置成提供结构部件，同时还提供过滤介质12与管状部件14之间的间距，从而减少对流体从过滤介质12流到管状部件14的限制。因而，在一个方面，偏距部件18可在过滤介质12与管状部件14之间提供排放。在有些实施例中，偏距部件18可被称为排放部件或排放组件。

在此所使用的术语″流体″包括液体、气体、烃类、多相流体、两种或更多种流体的混合物、水、盐水、诸如钻井泥浆的工程流体、从地表注入的诸如水的流体、以及天然存在的诸如油和气的流体。另外，涉及到水的流体，应当解释为还包括水基流体；例如盐水或咸水。正如下面所论述的，过滤装置10可具有若干个确保颗粒过滤并控制流体流过的可替换构造。可使用各种材料来构造过滤装置10的部件，包括金属合金、钢、聚合物、复合材料、对于所希望的应用而言耐用且坚固的任何其他适合的材料、或者它们的任意组合。正如在此所描绘的，附图中所示的图示不是按比例的，可以包括尺寸和/或形状不同的全部组件或独立部件，这取决于所要求的过滤、流动或其他相关特征。

图2示出了示例性过滤装置10A的侧截面图，其包括过滤介质12。所示的过滤装置10A包括过滤介质12、偏距部件18和管状部件14。在该构造中，成列的过滤介质12提供过滤装置10A的最外层。过滤介质12构造成从采出流体去除所选择尺寸或更大尺寸的颗粒。所示的成列的过滤介质12包括三维元件24，所述三维元件构造成捕集选择尺寸的颗粒。在所描绘的实施例中，该三维元件为圆锥形状。在其他实施例中，正如下面更详细描述的，三维元件24可以具有各种各样的形状，例如多面体或其他渐缩形状。另外，三维元件24的形状在同一个实施例中也可以不同。例如，成列的过滤介质12的一个实施例可以包括一系列圆锥形状、金字塔形状及其他渐缩的元件。此外，三维元件的尺寸在实施例内以及不同实施例间也可以不同。

仍然参照图2，图中所示的过滤介质12包括基座26和放置在基座26或基座部件的一侧的三维元件24构成的列25。基座26提供对三维元件24的结构支撑层，其中三维元件24可描述为从基座26突出。基座26还可包括通道28，用以使流体38通过过滤介质12进入由偏距部件18形成的容积中。因此，当流体流过通道28，并沿着偏距部件18朝着管状部件14中的通道22流动时，选择尺寸或更大尺寸的颗粒由三维元件24卡持或捕集，或者，卡持或捕集在三维元件24之间。当流入管状部件14时，流体38可以包含小于由所述三维元件卡持的选择尺寸的颗粒。通道28的尺寸设计成使得小于所选择尺寸的颗粒流过这样的通道28并朝着管状部件14流动。在过滤装置10A中，过滤介质列25可构造成承受冲击三维元件24的流体25中不同尺寸的颗粒的碰撞和磨损，该实施例不包括护罩。在一个方面，三维元件24可由基座26的片材通过压制、锻造、模制或任何其他合适的工艺形成。作为选择，三维元件24也可以单独形成并通过任何合适的工艺附着到基座26上，所述工艺包括但不限于，熔焊、软钎焊、胶合剂粘合、环氧树脂粘合、粘附剂粘合或采用其他适合的耦合机构进行附着。三维元件24和基座26可以由任何适合的耐用材料或材料组合构成，包括但不限于，不锈钢、钛、金属合金、聚合物、热塑塑料和复合材料。在一个方面，基座部件26可以是柔性的，以便允许其卷绕在管状部件14上。在另一个方面，过滤介质12可以预制成能够在管状部件14上滑动或围绕该管状部件放置的形状。可以使用任何其他的方法或机构来将过滤介质12放置在管状部件14的外部。

图3示出了示例性过滤装置10B的侧截面图，其包括过滤介质12和护罩部件16。护罩部件16保护过滤介质12不受流动流体38内的大颗粒的直接冲击。进一步地，当大颗粒企图通过护罩部件16时，护罩部件的通道20可以构造成捕集或拦阻大颗粒。过滤介质12可遇到很少的大颗粒，从而减少过滤介质12的阻塞和磨损。

图4示出了示例性过滤装置10C的侧截面图。在所描绘的实施例中，过滤介质列12包括偏距元件32，该偏距元件可与过滤介质12的基座26一体形成或耦合在一起。偏距元件32在过滤介质12与管状部件14之间提供用于流体流动的容积或空间。在一个方面，偏距元件32可以附着于基座26，该基座可以是以管道形式卷绕在管状部件14周围的薄片。因此，当成列的过滤介质12和基座26卷绕在管状部件上时，偏距元件32形成环。偏距元件32可以通过压制、锻造、模制、粉末固结(类似于快速原型技术)、掩模刻蚀工艺或任何其他适合的工艺与过滤介质12形成在一起。作为选择，偏距部件32也可以单独形成，并借助于熔焊、软钎焊、胶合剂、环氧树脂、粘附剂或其他适合的耦合机构附着于过滤介质列。在图4的实施例10C中，过滤介质12直接暴露给流体38中的全部颗粒，并构造成在三维元件24的配置之内捕集选择尺寸或更大尺寸的颗粒。被去除选择尺寸的颗粒之后的流体38流过通道28，然后流过由偏距部件32形成的容积，朝着管状部件14流动。接着，流体可以通过孔22流入管状部件14。

图5-11示出了用于在过滤介质列内部捕集选择尺寸的颗粒的三维元件24的形状和几何结构的各种例子。过滤介质列可包括各种形状和尺寸的三维元件的任意组合，以实现所希望的过滤性能。图5显示了一部分过滤介质12的过滤介质列25A的透视图。过滤介质列25A包括锥形的三维元件24，所述三维元件构造成捕集某些颗粒，例如颗粒34。在一个方面，可以根据地层流动流体38内部颗粒尺寸的期望分布选择三维元件24的高度36和基部尺寸37，使得选择尺寸及超出选择尺寸的颗粒被捕集在过滤介质列25中。因此，高度36和基部尺寸37可以根据应用而变化，并可以在特定应用的三维元件24之间变化。例如，在带有正常分布的颗粒尺寸的地层中，过滤介质列25可以构造成在三维元件24的大约中点位置或者高度36的一半处卡持中等尺寸的颗粒。这样的构造也可以在过滤介质列25A中捕集中等尺寸和更大尺寸的颗粒34。比选择的中等尺寸的颗粒小的颗粒也可能在中等尺寸以及更大尺寸的颗粒34被积聚在三维元件之间之后被捕集在它们之后。但是，比中等尺寸的颗粒小的一些颗粒也可能流过三维元件，并流过过滤介质的基座26。所以，被捕集的颗粒的选择尺寸是将要被卡持的尺寸范围。

去除了选择颗粒的采出流体流过位于三维元件之间的通道28，朝着管状部件14流动。三维元件高度36与颗粒分布之间的关系可适用于任何的元件几何构造，包括图5-11所示的那些。

图6显示了过滤介质12的一部分的另一过滤介质列25B的透视图。过滤介质列25B构造成捕集选择尺寸的颗粒，例如颗粒34。所示的过滤介质列25B包括附着于基座26的金字塔形状三维元件40。通道42可位于金字塔形状三维元件40之间且位于基座26中，用以使流动流体38在所选择颗粒34被这些元件卡持住之后进入管状部件。三维元件40的金字塔形状是一种多面体。在成列的过滤介质12中也可以利用许多渐缩的多面体或圆锥形状去除颗粒。

图7显示了过滤介质12的一部分的又一个过滤介质列25C的透视图。过滤介质列25B构造成捕集某些尺寸的颗粒，例如颗粒34。所示的过滤介质列25C包括附着于基座26的多面三维锥形元件44。通道可位于三维锥形元件40之间且位于基座26中，用以使流体38在所选择颗粒34被三维锥形元件44卡持之后流入管状部件14。当流体38朝着管状部件14流动时，颗粒34可以在其之后捕集其他颗粒并使其他颗粒靠着三维锥形元件44。三维锥形元件44的多面锥形状是一种用来捕集采出流体的选择颗粒的多面体。

图8显示了过滤介质12的一部分的又一个过滤介质列25D的透视图。过滤介质列25D构造成捕集选择尺寸的颗粒，例如颗粒34。图9是图8所示的过滤介质列25D的俯视图。过滤介质列25D包括附着于基座26的截棱锥形状的三维元件46。通道48可位于截棱锥形状的三维元件46之间且位于基座26中，用以使流体38在选择颗粒34被三维元件46卡持之后朝着管状部件14流动。在一个方面，三维元件46的顶面50可以是平的表面或大体上平的表面。在另一个方面，顶面50可以包括构造成使另外的流体流过过滤介质列25D的通道52。另外，通道52的尺寸可以设计成捕集第二选择尺寸的颗粒54，使得过滤介质列25D捕集各种尺寸和范围的颗粒。元件46的截棱锥形状也是一种多面体。

图10显示了过滤介质12的一部分的又一个过滤介质列25E的透视图。过滤介质列25E构造成捕集选择尺寸或尺寸范围的颗粒，例如颗粒34。图11是图10所示的过滤介质列25D的俯视图。所示的过滤介质列25E包括附着于基座26的延伸截棱锥形状三维元件56。通道58可位于延伸截棱锥形状三维元件46之间的基座26中，用以使流体38在所选择颗粒34被延伸截棱锥形状三维元件56卡持住之后朝着管状部件14流动。在一个方面，延伸截棱锥形状三维元件56的顶面60可以是平的表面或大体上平的表面。在另一个方面，顶面60可以包括构造成使另外的流体流过过滤介质列25E的通道62。通道62的尺寸可以设计成捕集第二选择尺寸的颗粒64，使得过滤介质列25E可捕集各种尺寸和范围的颗粒。三维元件56的延伸截棱锥形状也是一种多面体。

因而，在一个方面，本发明提供一种过滤装置，在一个实施例中，其可以包括带有流动通道的部件和放置在该部件的一侧的过滤介质，其中过滤介质包括一系列三维元件，所述三维元件构造成在含有选择尺寸的固体颗粒的流体流过过滤介质时捕集这样的固体颗粒。在一个方面，过滤介质可以包括三维元件附着于其上的基座部件。在一个方面，三维元件可从基座部件突出。三维元件可借助于压制、焊接、锻造、模制、粘合或它们的任意组合附着于基座部件。在一个方面，带有通道的部件可以是管状部件，基座部件可以是卷绕在管状部件上的柔性部件。在另一个方面，过滤介质可以是管件的形式，三维元件列位于管件外表面上。

在另一个方面，过滤装置可以包括位于带有通道的部件与过滤介质之间的流动通路。在另一个方面，过滤装置还可包括在过滤介质一侧的护罩，其构造成阻止第二选择尺寸的颗粒流动而冲击过滤介质。在另一个方面，护罩包括其中的弯曲通道，所述弯曲通道构造成降低进入护罩的流体的流速。在另一个方面，过滤装置是适用于油井的砂筛，用以防止采出流体中包含的特定尺寸的固体颗粒流动进入井。

在另一个方面，公开了一种制造过滤装置的方法，在一个实施例中，该方法可包括：提供带有流动通道的部件；和将过滤介质放置在该部件的一侧，其中过滤介质包括一系列三维元件，所述三维元件构造成在含有选择尺寸的固体颗粒的流体流过过滤介质时捕集这样的固体颗粒。在一个方面，放置过滤介质还可以进一步包括：将三维元件附着到基座部件上，并将基座部件放置在所述带有流动通道的部件的所述一侧。在另一个方面，三维元件可以从下列组中选择：圆锥形状元件、多面体形状元件或它们的组合。在另一个方面，三维元件可从基座部件突出。将三维元件附着到基座上的方式可以包括压制、焊接、锻造、模制、粘合或它们的任意组合中的一种或更多种。在另一个方面，带有通道的部件可以是管状部件，该方法可以进一步包括围绕管状部件卷绕所述基座部件。在另一个方面，放置过滤介质可以包括：使过滤介质形成管的形式，并将过滤介质放置在该管状部件的外部。在另一个方面，该方法可包括在过滤介质外面放置一护罩。在又一个方面，该方法可包括：将过滤装置放置在一井眼中，以阻止采出流体中选择尺寸的颗粒流入井眼。该方法还可以进一步包括从井眼生产采出流体。

为便于说明和描述，上文的描述针对的是本发明的特定实施例。但是，对本领域技术人员来说显而易见的是，在没有背离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行许多修改和变化。

Claims (21)

1.一种用于井下的设备，包括：

带有流动通道的部件；和

放置在该部件的一侧的过滤介质，其中，过滤介质包括一系列三维元件，所述三维元件构造成在含有选择尺寸的固体颗粒的流体流过过滤介质时捕集这样的固体颗粒。

2.如权利要求1所述的设备，其中，过滤介质包括所述三维元件附着于其上的基座部件。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述三维元件从基座部件突出。

4.如权利要求2所述的设备，其中，三维元件借助于压制、焊接、锻造、模制、粘合或它们的任意组合附着于基座。

5.如权利要求2所述的设备，其中，所述带有流动通道的部件是管状部件，基座部件是卷绕在该管状部件上的柔性部件。

6.如权利要求1所述的设备，其中，过滤介质包括管件，成列的三维元件位于该管件的外表面上。

7.如权利要求1所述的设备，包括位于带有流动通道的部件与过滤介质之间的流动通路。

8.如权利要求1所述的设备，包括在过滤介质的一侧的护罩，所述护罩构造成阻止第二选择尺寸的颗粒流动而冲击过滤介质。

9.如权利要求8所述的设备，其中，护罩包括位于其中的弯曲通道，所述弯曲通道构造成降低进入所述护罩的流体的流速。

10.如权利要求1所述的设备，其中，该带有流动通道的部件和过滤介质构成适于在井中使用的砂筛，用以防止采出流体中包含的特定尺寸的固体颗粒流动进入井。

11.一种制造井下过滤装置的方法，该方法包括：提供带有流动通道的部件；和

将过滤介质放置在该带有流动通道的部件的一侧，其中过滤介质包括一系列三维元件，所述三维元件构造成在含有选择尺寸的固体颗粒的流体流过过滤介质时捕集这样的固体颗粒。

12.如权利要求11所述的方法，其中，三维元件从下列组中选择：圆锥形状元件、多面体形状元件或它们的组合。

13.如权利要求11所述的方法，其中，放置过滤介质包括：将三维元件附着到一基座部件上，并将基座部件放置在该带有流动通道的部件的所述一侧。

14.如权利要求13所述的方法，其中，三维元件从基座部件突出。

15.如权利要求13所述的方法，其中，放置过滤介质包括：使用从下列组中选择的一种方式将三维元件附着到基座上：压制、焊接、锻造、模制、粘合或它们的任意组合。

16.如权利要求11所述的方法，其中，所述带有流动通道的部件是管状部件，该方法包括围绕该管状部件卷绕所述基座部件。

17.如权利要求11所述的方法，其中，放置过滤介质包括：使过滤介质形成管的形式，并将过滤介质放置在所述管状部件的外部。

18.如权利要求11所述的方法，包括在过滤介质外面放置一护罩。

19.如权利要求11所述的方法，其中，所述过滤装置构造成放置在井眼中，用以阻止采出流体中选择尺寸的颗粒流入井眼。

20.如权利要求19所述的方法，包括从井眼生产采出流体。

21.一种井下过滤设备，包括：

带有流动通道的管状部件；

卷绕在所述管状部件上的基座部件；和

位于基座部件上的一系列的三维元件，其中所述一系列的三维元件构造成在含有选择尺寸的固体颗粒的流体流过所述一系列的三维元件时捕集该固体颗粒。

Images