CN102639808A - 用于替代路径砂砾充填的裸眼封隔器以及完成裸眼井筒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种区域隔离设备，其包括至少一个封隔器组件和用于完成井筒的裸眼部分，该裸眼部分延伸穿过至少两个地下井段。区域隔离设备包括基管和过滤介质，其一起形成滤砂筛。每个封隔器组件包括至少两个机械设置的封隔器元件。所述至少两个机械设置的封隔器元件中间是至少一个可湿胀封隔器元件。可湿胀封隔器元件在流体例如水、石油或化学物质存在的情况下随时间被致动。湿胀会发生在机械设置的封隔器元件中的一个失效时。该区域隔离设备还包括在砾石充填操作期间用于使得砾石充填浆料从上部井段改道到下部井段的替代流动通道。在此还提供了利用区域隔离设备完成井筒的方法。

Description

用于替代路径砂砾充填的裸眼封隔器以及完成裸眼井筒的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2009年11月20日提交的美国临时专利申请NO.61/263120的权益。
技术领域
本公开涉及钻井完成/完井领域。特别是，本发明涉及与利用砂砾充填已完成的井筒相结合的地层隔离。
背景技术
本节是为了引入与本公开的示范性实施例有关的本领域技术的各种方面。相信这种讨论有助于提供框架以便于更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解这部分应当以这样的角度阅读，而不是必然地认为对现有技术的承认。
在油井和气井的钻探中，利用钻头在钻具下端处向下推进形成井筒。在钻到预定深度后，钻具和钻头被移走，并且井筒内衬有套管柱。因此环形区域在套管柱和地层之间形成。通常进行水泥（cement）灌浆操作以便以水泥来填充或“塞挤”环形区域。水泥和套管的组合强化了井筒并方便套管后面地层特定区域的隔离。
通常将几个外径逐渐减小的套管放入井筒内。因此，多次重复钻井及之后水泥灌浆逐渐减小的套管柱的过程直到达到总的井深度。最终的套管柱，也被称为生产套管，被凝固就位。在某些情况下，最终套管柱是衬管，也就是说，套管柱没有拉柱到地面。
作为完井过程的一部分，井口被安装在地面。也提供流体收集和处理器械，例如管、阀门和分选机。接着可着手生产操作。
关于非冷凝碳氢化合物的生产，水有时候会入侵地层。这可能是由于本地水域的存在、锥进（近井碳氢化合物-水界面的上升）、高渗透性矿脉、天然裂缝以及从注水井的舌进（fingering）。根据水产生的机制或原因，在井的使用寿命期间不同位置和不同时间都可能产生水。另外，不良可冷凝流体例如硫化氢气体或酸性气体会入侵地层。
许多完井包括具有延伸长度的更多个井段内的多个区域。在具有多个区域的井的操作期间，需要控制和管理从不同区域生成的流体。例如，在生产操作时，适当控制各区域中的流体生产率能够延迟水或气体锥进，从而有助于最大化油藏采收。
熟知的各种技术确定区域隔离是否是有效的或有利于预防水或不需要的气体的生成，以及在井中什么位置放置区域隔离。被安装在井中的区域隔离和流入控制装置的示范性实施方式已经在各种出版物中记载，包括M.W.Helmy等人的“Application of New Technology in theCompletion of ERD Wells,Sakhalin-1 Development”，SPE Paper No.103587（2006年10月）；以及David C.Haeberle等人的“Applicationof Flow-Control Devices for Water Injection in the Erha Field”，SPEPaper No.112726（2008年3月）。初始完成时认真安装区域隔离可以允许操作者在井的使用寿命期间从一个或更多区域关闭生产以限制水生产或在某些情况下限制不良可冷凝流体例如硫化氢的生产。
当多个区域试图要生产时常常利用裸眼（open hole）完井。在裸眼完井时，生产套管不是延伸穿过生产区延长并被射孔；而是，生产区是无套管的，或“裸露的”。接着生产柱或“管道”被定位在井筒内在最后套管柱下方向下延伸并穿过感兴趣的地层。
与套管完井相比，裸眼完成具有某些优势。首先，因为裸眼完井没有射孔隧道，所以地层流体能够径向360度汇聚在井筒上。这有利于消除与汇聚径向流动且之后的线性流动来穿过颗粒填充的射孔隧道有关的额外压降。与裸眼砂砾控制完井有关的压降减小实际上保证了在相同地层内比无促进的套管井孔更加多产。
第二，裸眼砾石充填技术常常比套管完井更便宜。例如，使用砾石充填省去了对于水泥灌浆、射孔以及射孔后清理操作的需要。在某些情况下，使用延长的砾石充填避免了对于额外套管柱或衬管的需要。
裸眼完井中一个常见问题是井筒对周围地层的直接暴露。若地层是松散的或重沙化的，则生产流体流入井筒会随其携带有地层颗粒，例如，砂砾和微粒。这样的颗粒会侵蚀井下的生产器械以及地面的管道、阀门以及分选器械。
为了控制砂砾和其他颗粒的侵蚀，会用到砂砾控制装置。砂砾控制装置通常安装在井下穿过地层以便在允许流体生产的同时保留住大于一定直径的固体材料。砂砾控制装置通常是具有众多有槽开口的细长管状体，被称为基管。基管通常是以过滤介质例如筛或网状物包裹。
为了加强砂砾控制装置，尤其是在裸眼完井中，通常安装砾石充填。在砂砾控制装置悬挂或以其他方式安置在井筒中之后，砾石充填井包括将砾石或其他颗粒状物质放置在砂砾控制装置周围。砾石不仅有助于颗粒过滤，而且还保持地层的完整性。因此，在这样的裸眼完井中，砾石被定位在井壁和环绕射孔基管的滤砂筛之间。地层流体从地下地层穿过砾石、筛以及内基管流入生产柱（production string）内。
关于砾石充填的安装，通过载流（carrier fluid）向井下传输颗粒状物质。载流和砾石一起形成砾石浆料。砾石充填的一个历史问题是，在传输过程中从浆料不慎损失载流会导致沿着裸眼井段在各个位置处形成砂砾桥或砾石桥。例如，在倾斜的生产井段或具有扩大或不规则钻孔的井段内，由于载流早期从砾石浆料损失到地层中，会产生砾石的不充分分布。接着，流体损失会导致在砾石充填中形成孔隙。因此，无法实现从下到上的完全砾石充填。
最近，已经通过使用替代路径技术来解决这个问题。替代路径技术采用分流器以允许砾石浆料沿着井筒绕过选定区域。这样的替代路径技术至少描述于，在此作为参考文献整体引述的PCT公开号WO2008/060479以及M.D.Barry等人的“Open-hole Gravel Packing withZonal Isolation”，SPE Paper No.110460（2007年11月）。
在裸眼完井中的区域隔离对建立和保持注入和生产井的最佳长期性能是有利的。这理想地涉及在砾石充填开始前放置和设置封隔器。根据井的功能，封隔器允许操作者将井段密封隔离于生产或注入。不过，当利用裸眼砾石充填时历史上还没有安装过封隔器，这是因为在封隔器上方或下方不可能形成完全砾石充填。
PCT公开号WO 2007/092082和WO 2007/092083公开了在封隔器已经设置在完井井段处之后砾石充填裸眼井筒的设备和方法。这些应用进一步公开了如何通过利用传统的封隔器元件和次级（或“替代”）流动路径来使得能够进行区域隔离和替代路径砾石充填二者，从而实现在裸眼砾石充填的完井中的区域隔离。PCT公开号WO 2007/092082和WO 2007/092083在此作为参考文献整体引述。
关于相关PCT出版物中所公开的方法，存在一些技术挑战，特别是关于封隔器方面。这些申请陈述了封隔器可以是液压致动的可膨胀元件。这样的可膨胀元件可以是由弹性材料或热塑性材料制作而成。不过，由这些材料设计封隔器元件要求封隔器元件满足特别高的性能水平。在这方面，封隔器元件需要能够在高压和/或高温和/或酸性流体的情况下多年维持区域隔离。作为替代，这些申请陈述了封隔器可以是在碳氢化合物、水或其他刺激物中扩张的湿胀性橡胶元件。不过公知的湿胀性弹性体通常需要大约30天或更长时间来完全地扩张成与周围岩石地层流体密封地接合。
因此，所需要的是不仅能提供在封隔器周围放置砾石的替代流动路径技术而且还在裸眼完井中为区域隔离提供改进的封隔器组件的一种改进的砂砾控制系统。还需要在裸眼井筒中隔离地下地层的选定井段的改进方法。
发明内容
这里提供了用于井筒的砾石充填区域隔离设备。区域隔离设备具有与在井筒的裸眼部分内放置砾石充填有关的功用。裸眼部分延伸穿过一个、两个或更多个地下井段。
在一个实施例中，区域隔离设备包括细长基管。基管限定具有上端和下端的管状构件。优选地，区域隔离设备进一步包括沿着基管的实质部分环绕基管的过滤介质。总之，基管和过滤介质形成滤砂筛。
区域隔离设备还包括至少一个且更优选地至少两个封隔器组件。每个封隔器组件包括至少两个机械设置的封隔器元件。它们代表了上部封隔器和下部封隔器。上部和下部封隔器优选地包括长度大约在6英寸到24英寸之间的机械设置的封隔器元件。
在至少两个机械设置的封隔器元件中间是至少一个可湿胀封隔器元件。可湿胀封隔器元件长度优选地约是3英尺到40英尺。一方面，可湿胀封隔器元件由弹性体材料制成。可湿胀封隔器元件在流体存在的情况下随时间被致动，该流体例如水、气体、油或化学物质。举例来说，湿胀可发生在机械设置的封隔器元件中的一个失效时。可替代地，随着环绕可湿胀封隔器元件的地层中的流体接触该可湿胀封隔器元件，湿胀可随时间推移而发生。
可湿胀封隔器元件优选地在水性流体存在的情况下发生。一方面，可湿胀封隔器元件可包括在碳氢化合物液体或致动化学物质存在的情况下湿胀的弹性体材料。这可以代替或补充在水性流体存在情况下湿胀的弹性体材料。
一方面，细长基管包括端对端连接管道的多个接头。砾石充填区域隔离设备可以包括沿着管道接头放置的上部封隔器组件和下部封隔器组件。上部封隔器组件和下部封隔器组件可沿着管道接头分隔开，以便在井筒内隔离出一个选定的地下井段。
区域隔离设备还包括一个或更多个替代流动通道。替代流动通道被置于基管外面并沿着每个封隔器组件内的各封隔器元件。替代流动通道用于在砾石充填操作期间使砾石充填浆料从上部井段改道到一个或更多个下部井段。
这里还提供了完成裸眼井筒的方法。一方面，该方法包括使得砾石充填区域隔离设备下到井筒内。井筒包括作为裸眼完成的下部部分。区域隔离设备是根据上面描述的区域隔离设备。
之后，区域隔离设备悬挂到井筒内。该设备被定位成使得至少一个封隔器组件实质上被定位在井筒的裸眼部分的生产井段之间。接着，设置至少一个封隔器组件中的每个组件中的机械设置的封隔器。
该方法还包括将颗粒状浆料注入到在滤砂筛和周围的地下地层之间形成的环形区域。颗粒状浆料由载流和砂砾（和/或其他）颗粒组成。区域隔离设备的一个或更多个替代流动通道允许颗粒状浆料穿过或围绕所述机械设置的封隔器元件以及中间可湿胀封隔器元件。通过这种方式，井筒的裸眼部分在所述机械设置的封隔器元件上方和下方（但不是其之间）被砾石充填。
该方法还包括沿着井筒的裸眼部分从一个或更多个生产井段产生生产液体，或者将注入流体注入到井筒的裸眼部分内。生产或注入均持续一段时间。在该段时间期间，上部封隔器、下部封隔器或两者可能失效，从而允许流体沿着可湿胀封隔器元件流入到封隔器的中间部分内。可替代地，由于接触地层流体或致动化学物质的原因，中间可湿胀封隔器会湿胀。接触流体会导致可湿胀封隔器元件湿胀，从而提供了超越机械设置封隔器寿命的长期密封。
附图说明
因此，更好地理解本发明的方式、适当的插图、图表和/或流程图被附加在此。不过应注意的是，附图仅仅说明本发明选择的实施例，因此不应视为对本发明范围的限制，本发明同样认可其他等效的实施例和应用。
图1示出说明性井筒的横截面视图。井筒已经被钻孔通过三个不同的地下井段，每个井段均处于地层压力且包含流体。
图2示出图1所示井筒的裸眼完井的放大横截面视图。更清晰地示出了在三个井段深度处的裸眼完井。
图3A-图3D示出在本发明中可用到的在一个实施例中的说明性封隔器组件。该封隔器组件使用单独的分流管来为颗粒状浆料提供替代流路。
图4A-图4D提供在可替换实施例中在区域隔离设备和本文所述的方法中会用到的说明性封隔器组件。
图5A-图5N示出利用本发明的一个实施例中的封隔器组件中的一个并且利用通过封隔器组件的封隔器元件和通过砂砾控制装置的可替代流路通道的砾石充填过程的阶段。
图5O示出在从图5A到图5N的砾石充填过程完成之后已经被设置在井筒裸眼中的封隔器组件和砾石充填。
图6A示出如图2所示裸眼完井的中间井段的横截面视图。这里，跨立式封隔器已经被设置在砂砾控制装置内横跨中间井段以防止地层流体的流入。
图6B示出如图2所示裸眼完井的中间井段和下部井段的横截面视图。这里，塞子已被放置在封隔器组件内在中间井段和下部井段之间以防止地层流体从下部井段沿井筒向上流动。
图7示出执行与完成裸眼井筒的方法有关的步骤的流程图。
具体实施方式
定义
如这里所使用的，术语“碳氢化合物”指的是不排他地主要包括元素碳和氢的有机化合物。碳氢化合物通常分成两大类：脂肪或直链碳氢化合物，以及环状或闭环碳氢化合物，包括环萜烯。含碳氢化合物的材料的例子包括可用作燃料或被升级成燃料的任何形式的天然气、石油、煤炭以及沥青。
正如这里所使用的，术语“碳氢化合物流体”指的是气体或液体的碳氢化合物或碳氢化合物混合物。
碳氢化合物流体可包括在地层条件下、在处理条件下或在环境条件（15°C和1个大气压）下是气体或液体的碳氢化合物或碳氢化合物混合物。碳氢化合物流体可包括例如气态或液态的石油、天然气、煤层甲烷、页岩油、热解油、裂解气、煤的裂解产物以及其他碳氢化合物。
正如这里所使用的，术语“流体”指的是气体、液体以及气体和液体的组合，以及气体和固体的组合，以及液体和固体的组合。
正如这里所使用的，术语“可冷凝碳氢化合物”指的是那些在大约15°C和一个绝对大气压力时冷凝的碳氢化合物。可冷凝碳氢化合物可包括例如碳原子数大于4的碳氢化合物的混合物。
正如这里所使用的，术语“地下”指的是存在于地球表面以下的地质层。
术语“地下井段”指的是其中会驻留有地层流体的地层或一部分地层。该流体可以是例如碳氢化合物液体、碳氢化合物气体、水性流体或其组合。
正如这里所使用的，术语“井筒”指的是通过向地下钻取或插入导管而在地下形成的孔。井筒可具有基本圆形横截面或其他横截面形状。正如这里所使用的，术语“井”，当指的是地层中的开口时，可与术语“井筒”互换使用。
术语“管状构件”指的是任何管道，例如套管接头、衬管部分或短钻杆（pupjoint）。
术语“砂砾控制装置”指的是在从周围的地层中过滤出砂砾、微粒和粒状颗粒的同时允许流体流入到内孔或基管内的任何细长管状体。
术语“可替代流路通道”指的是提供通过或围绕封隔器的流体连通以允许砾石浆料绕过封隔器以便获得砂砾控制装置周围的环形区域的完全砾石充填的任何歧管和/或跨接管（jumper tube）的集合。
具体实施例的描述
图1是说明性井筒100的横截面视图。井筒100限定从地表101延伸到地球地下110中的孔105。井筒100被完成为在井筒100的下端具有裸眼部分120。井筒100已经被形成以用于生产碳氢化合物来用于商业销售的目的。在孔105内提供生产油管柱130以便从裸眼部分120向上运输生产流体到地表101。
井筒100包括井树（well tree），其被示意显示为124。井树124包括切断阀门126。切断阀门126控制生产流体从井筒100的流出。另外，提供了地下安全阀门132，以便在地下安全阀门132之上发生断裂或破裂时阻止流体从生产油管130流出。井筒100可选地可以在裸眼部分120内或在裸眼120稍上方具有泵（未显示）以便人工地将生产流体从裸眼部分120提升到井树124。
已经通过设置一系列管道到地下110中来完成井筒100。这些管道包括第一套管柱102，其有时候被称为地表套管或导管。这些管道还包括至少一个第二套管柱104和第三套管柱106。这些套管104、106是提供对井筒100的壁的支撑的中间套管柱。中间套管柱104、106可以从地表悬挂或利用可扩张衬管或衬管悬挂器从上一个较高套管柱悬挂。应当理解不向回延伸到地表的管道柱（例如套管柱106）通常被称作“衬管”。
在如图1所示的说明性设置中，中间套管柱104从地表101悬挂，而套管柱106从套管柱104的下端104悬挂。可以采用附加的中间套管柱（未显示）。本发明不受限于所使用的套管设置的类型。
每个套管柱102、104、106通过水泥108被设置就位。水泥108将地下110的各地层隔离于井筒100并且使这些地层相互隔离。水泥108从地表101延伸到套管柱106的下端处的深度“L”。
在许多井筒中，被称为生产套管的最终套管柱在地下生产井段贮藏的深度处被凝固就位。不过，说明性井筒100被完成为裸眼井筒。因此，井筒100不包括沿着裸眼部分120的最终套管柱。井筒100的裸眼部分显示于括号120。
在说明性井筒100中，裸眼部分120横穿三个不同的地下井段。这些被示为上部井段112、中间井段114以及下部井段116。上部井段112和下部井段116可以包含例如试图要被生产的有价值的石油矿床，而中间井段114可以在其孔隙容积内主要包含水或其他水性流体。可替代地，上部井段112和中部井段114可以包含要被生产、加工和销售的碳氢化合物流体，而下部井段116可以包含一些石油且伴随不断增加的水。仍然可替代地，上部井段112和下部井段116可以从砂砾或其他渗透性岩石基质中生产碳氢化合物流体，而中间井段114可以代表非渗透性页岩或者是其他地对流体基本不可渗透的。
在这些情况中的任意情况下，需要操作者隔离选定井段。第一种情况，操作者要将中间井段114隔离于生产柱130以及隔离于上部井段112和下部井段116，以便主要地碳氢化合物流体可以通过井筒100被生产并到达地表101。第二种情况，操作者最终要将下部井段116隔离于生产柱130且隔离于上部井段112和中间井段114，以便主要地碳氢化合物流体可以通过井筒100被生产并到达地表101。第三种情况，操作者要将上部井段112隔离于下部井段116，但不需要隔离中间井段114。这里提供了裸眼完井背景下的这些需求的解决方案，而且其连同附图将被更加充分地描述。
这里注意的是关于从具有裸眼完井的井筒中生产碳氢化合物流体，需要限制砂砾颗粒和其他微粒的流入。为了防止操作期间地层颗粒迁移到生产柱130中，已在井筒100中放入了各种砂砾控制装置200。将连同图2和图5A到图5N在下面对此进行更加全面的描述。
在一个实施例中，砂砾控制装置200包含被称为基管205的细长管状体。基管205通常由多个管道接头组成。基管205（或组成基管205的每个管道接头）通常具有允许生产流体流入的小射孔或槽。砂砾控制装置200通常还包括径向围绕基管205的过滤介质207。过滤介质207优选地是装配在基管205周围的网状筛或绕线筛（wire-wrappedscreen）。用作过滤器207的网或筛防止砂砾或其他颗粒流入到生产管材130内。
砂砾控制装置的其他实施例可用于这里描述的设备和方法。例如，砂砾控制装置200可包括独立筛（SAS）、预充填筛或隔膜筛。
除了砂砾控制装置200之外，井筒100还包括一个或更多个封隔器组件210。在图1的说明性设置中，井筒100具有上部封隔器组件210'和下部封隔器组件210″，不过，可采用额外的封隔器组件210或可仅采用一个封隔器组件210。封隔器组件210'、210″被唯一地构造成密封在各种砂砾控制装置200和井筒100的裸眼部分120的环绕壁201之间的环形区域（见图2的202）。
图2是图1的井筒100的裸眼部分120的放大横截面图。裸眼部分120或完井以及三个井段112、114、116更加清晰地可见。接近中间井段114的上部边界和下部边界，更加清晰地可见上部封隔器组件210'和下部封隔器组件210″。最后，显示了在每个井段112、114、116中的砂砾控制装置200。
关于封隔器组件本身，每个封隔器组件210'、210″包括至少两个封隔器元件。封隔器元件或封隔器优选地被设置为液压致动或静水力学地致动，虽然可能需要一些机械操纵来致动。封隔器组件表现为上部封隔器元件212和下部封隔器元件214。每个封隔器元件212、214均限定了一个可扩张部分，该部分由能至少临时性流体密封于周围的井筒壁201的弹性体材料或热塑性材料制成。
上部封隔器元件212和下部封隔器元件214应能承受与砾石充填过程有关的压强和负载。通常地，这样的压强是从大约2000磅每平方英寸到3000磅每平方英寸。机械设置的封隔器212、212的密封表面仅需要大约是英寸量级的。一方面，上部机械设置的封隔器元件212和下部机械设置的封隔器元件214的长度均是大约2英寸到大约36英寸之间；更优选地，元件212、214的长度是大约6英寸到24英寸之间。
封隔器元件212、214优选地是杯型元件。杯型元件不需要是液体密封的，也不需要是处理多个压强和温度循环的等级。杯型元件仅被设计成用于一次性使用，即在裸眼井筒完井的砾石充填过程期间的一次性使用。
优选地，封隔器元件212、214能够扩张成至少11英寸（大约28厘米）的外直径表面，且具有不超过1.1的椭圆率。优选地元件212、214应该能够应对在8-1/2（即8又1/2）英寸（大约21.6厘米）或9-7/8英寸（大约25.1厘米）的裸眼部分120内的冲刷。在砾石充填操作期间当压力增加时，封隔器元件212、214的可扩张部分的优选杯型特性有助于维持密封于中间井段114（或其他井段）的壁201。
在砾石充填安装过程期间，设置封隔器上部元件212和封隔器下部元件214。优选地通过沿着支撑封隔器元件212、214的心轴215（mandrel）移动套筒（未显示）来设置封隔器元件212、214。一方面，移动套筒允许静水压力扩大限定封隔器元件212、214的可扩张部分以抵靠井筒壁201。上部封隔器元件212和下部封隔器元件214的可扩张部分扩大成接触环绕壁201以便沿地下地层110中的选定井段跨立于环形区域202（或环）。在图1的说明性设置中，选定井段是中间井段114。不过，应当理解封隔器组件210可被放置在裸眼完井120内的任意点。
杯型元件公知地被用于套管完井中。不过由于它们工程上不会扩张成与裸眼直径接合，所以公知地不用于裸眼完井。而且，这样的可扩张杯型元件不会保持在生产操作期间遇到的所需压力差，从而导致功能减退。申请人熟悉供应商能提供的各种杯型元件。不过，令人担忧的是这样的杯型封隔器元件在扩张/膨胀期间会失效、不能被完全设置或在砾石充填操作期间部分失效。因此，作为“后备”，封隔器组件210'、210″还均包括中间封隔器元件216。
中间封隔器元件216限定了由合成橡胶化合物制成的湿胀性弹性体材料。可湿胀材料的合适例子可在Easy Well Solutions的CONSTRICTORTM或SWELLPACKERTM和Swellfix的E-ZIPTM中找到。可湿胀封隔器216可包括可湿胀聚合物或可湿胀聚合材料，这是本领域技术人员所熟知的技术，并且其可以通过经调钻井流体、完井流体、生产流体、注入流体、刺激液之一或其组合来设置。
可湿胀封隔器元件216优选地粘接于心轴215的外表面。当碳氢化合物流体、地层水或上面描述的可用作致动流体的任何化学物质接触该可湿胀封隔器元件216时允许该可湿胀封隔器元件216随时间推移而扩张。随着封隔器元件216扩张，其和周围区域（例如井段114）形成流体密封。一方面，可湿胀封隔器元件216的密封表面长度是大约5英尺到50英尺之间；且更优选地，长度是大约3英尺到40英尺之间。
可湿胀封隔器元件216的厚度和长度必须能够扩张到井筒壁201并在该扩张率的情况下提供所需的压力完整性。因为可湿胀封隔器通常被设置在不会产生碳氢化合物流体的页岩区段内，所以优选的是具有的湿胀性弹性体或在地层水或水基流体存在的情况下能够湿胀的其他材料。将在水基流体存在的情况下湿胀的材料例子是包括能吸收水的颗粒的膨润土和腈基聚合物。
可替代地，可湿胀封隔器元件216可以由分别在水和石油存在的情况下湿胀的材料组合而成。换言之，可湿胀封隔器元件216可以包括两种类型的湿胀性弹性体：一种用于水且一种用于石油。在这种条件下，当水可湿胀元件暴露于水基砾石充填流体或接触地层水时会湿胀，并且当基于石油的元件暴露于碳氢化合物产物时会湿胀。在碳氢化合物液体存在的情况下会湿胀的弹性体材料的例子是将碳氢化合物吸收到其基质内的亲油聚合物。由于吸收碳氢化合物而发生湿胀，且在其扩张时还润滑并减少了聚合物链的机械强度。三元乙丙（M级）橡胶或EPDM就是这种材料的一个例子。
如果仅使用碳氢化合物湿胀性弹性体，则元件的扩张将不会发生，直到机械设置的封隔器元件212、214中的任一个失效后。在这方面，机械设置的封隔器元件212、214优选地被设置在将围绕可湿胀封隔器元件216被改道的水基砾石充填流体中。
为了绕过在封隔器组件210周围放置的砾石，提供了替代流路。图3A到图3D展示了可用于本发明的一个实施例中的说明性封隔器组件300。封隔器组件300采用独立的分流管（参见在318处的虚线）为颗粒状浆料提供替代流路。更具体地说，分流管318将携带有砾石的载流运输到井筒100的裸眼部分120的不同井段112、114和116。
现在参考图3A，图3A是一个实施例中说明性封隔器组件300的侧视图。封隔器组件300包括用于沿着裸眼部分120隔离在地下地层内的井段（例如井段114）的各种部件。封隔器组件300首先包括主体部段302。主体部段302优选地由钢材或合金钢制成。主体部段302被配置为具有特定长度316，例如大约40英尺。主体部段302包括长度在大约10英尺和50英尺之间的单独的管道接头。根据长度316，管道接头通常被螺纹地连接以形成主体部段302。
封隔器组件300还包括弹性体的、机械设置的扩张元件304。弹性体扩张元件304对应于图2的机械设置的封隔器元件212和214。弹性体扩张元件304优选地是长度小于一英尺的杯型元件。
封隔器组件300还包括可湿胀封隔器元件308。可湿胀封隔器元件308对应于图2的可湿胀封隔器元件216。可湿胀封隔器元件308的长度优选地是大约3英尺到40英尺。弹性体扩张元件304和可湿胀封隔器元件308一同环绕主体部段302。
如前所述，封隔器组件300进一步包括分流管318。分流管318也被称为运输管或跨接管。分流管318是管道的空白部分，其具有沿着弹性体扩张元件304的长度316和可湿胀封隔器元件308一起延伸的长度。封隔器组件300上的分流管318被配置成联接到砂砾控制装置200上的分流管并与其形成密封。砂砾控制装置200上的分流管如图3B的208a和208b所示。通过这种方式，砾石浆料可在封隔器元件304、308周围被运输。
图3B是图3A的封隔器组件300的另一个侧视图。在此视图中，封隔器组件300在相反端处连接砂砾控制装置200a、200b。在封隔器组件300上的分流管318被示为连接到砂砾控制装置200a、200b上的分流管208a、208b。分流管208a、208b优选地包括阀门320来防止流体通过分流管200a、200b从被隔离井段流到另一个井段。
参见图3A和图3B，封隔器组件300还包括颈部部段306和凹口部段310。颈部部段306和凹口部段310可由钢材或合金钢制成，且每个部段被配置为具有特定长度314，例如4英寸到4英尺（或其他合适距离）。颈部部段306和凹口部段310具有特定内径和外径。颈部部段306可以具有外螺纹308，并且凹口部段310可以具有内螺纹312。这些螺纹308和312（参见图3A）可用于在封隔器组件300和相反砂砾控制装置200a、200b或其他管段之间形成密封。
封隔器组件300的构造可以被修改成针对外部分流管或内部分流管。在图3A和图3B，封隔器组件300被配置成具有外部分流管208a、208b。不过，提供的图3C示出了封隔器组件300具有内部分流管352。
图3C示出在相反端处连接砂砾控制装置350a、350b的封隔器组件300的侧视图。砂砾控制装置350a、350b类似于图3B的砂砾控制装置200a、200b。不过，在图3B中，砂砾控制装置350a、350b利用分别被置于基管354a和354b与过滤介质或滤砂筛356a和356b之间的内部分流管352。
在图3B和图3C中的每附图中，封隔器组件300的颈部部段306和凹口部段310均联接到砂砾控制装置200a、200b或350a、350b的相应部段。这些部段可以通过使得螺纹308和312接合以形成螺纹连接而被联接在一起。进一步地，封隔器组件300的跨接管318可以被单独地联接到分流管208a、208b或352。因为跨接管318被配置成穿过机械设置的扩张元件304以及可湿胀扩张元件308，所以分流管318为砾石浆料形成穿过封隔器组件300的连续流动路径。
封隔器组件300的各部件的横截面视图如图3D所示。图3D是沿图3B中的线3D-3D截取的视图。在图3D中，可见可湿胀封隔器元件308绕基管302周向布置。各分流管318绕基管302径向且等距地放置。中心孔305被示为在基管302内。中心孔305在生产操作期间接收生产流体并运送它们到生成管材130。
图4A到图4D展示了可用于本发明的可替代实施例中的说明性封隔器组件400。封隔器组件400采用单独的分流管以便为颗粒浆料提供替代流路。在这种情况下，封隔器组件400利用歧管或开口420。歧管420提供在砂砾控制装置200中的多个分流管352之间的流体连通路径。歧管420，也被称为歧管区域或歧管连接，若不考虑在其他配置中可能存在的对齐，可以被用于联接具有不同几何形状的外部或内部分流管。
现参考图4A，图4A示出封隔器组件400的侧剖视图。封隔器组件400包括用于隔离裸眼部分120中的地下井段的各部件，该井段例如是井段114。封隔器组件400包括主体部段402。主体部段402是延伸了封隔器组件400的长度的细长管状体。
封隔器组件400还包括套筒部段418。套筒部段418是环绕主体部段402的第二管状体。套筒部段418产生开口或歧管420，其基本是在主体部段402和环绕的套筒部段418之间的环形区域。
主体部段402和套筒部段418可以由钢材或合金钢制成。主体部段402和套筒部段418可以被配置成具有特定长度416，例如在6英寸至高到50英尺之间。优选地，主体部段402和套筒部段418一起的长度在大约20到30英尺之间。
套筒部段418可以被配置成联接到砂砾控制装置200上的分流管并与其形成密封，该分流管例如是分流管208。在图4A和图4B的设置中，提供分流管352。
封隔器组件400还包括弹性体的机械设置的扩张元件404。具体地，提供上部机械设置元件和下部机械设置元件。弹性体扩张元件404对应于图2的机械设置封隔器元件212和214。弹性体扩张元件404优选地是长度小于一英尺的杯型元件。
封隔器组件400进一步包括可湿胀封隔器元件408。可湿胀封隔器元件408对应于图2的可湿胀封隔器元件216。可湿胀封隔器元件408长度优选地是大约3英尺到40英尺之间，不过可以采用其他的长度。弹性体扩张元件404和可湿胀封隔器元件408一同环绕主体部段302。
封隔器组件400还包括支撑段422。支撑段422用于形成歧管420。支撑段422被放置在主体部段402和套筒部段418之间，就是说，在歧管420内。支撑段422为弹性体扩张元件404和可湿胀封隔器元件408以及套筒部段418提供支撑。
另外，封隔器组件400包括颈部部段406和凹口部段410。颈部部段406和凹口部段410可以由钢材或合金钢制成，且每个部段被配置成具有特定长度414，其类似于上述长度314。颈部部段406和凹口部段410具有特定内径和外径。颈部部段406可具有外螺纹408，而凹口部段410可以具有内螺纹412。这些螺纹408和412可用于在封隔器组件400和砂砾控制装置200或另一个管道段之间形成密封，其示于图4B到图4D。
还应当注意的是封隔器组件300、400和砂砾控制装置200的联接机构可包括密封机构。密封机构防止由分流管形成的替代流路内的浆料泄漏。这样的密封机构的例子描述于：美国专利号6464261、国际专利申请号WO2004/094769、国际专利申请号WO2005/031105、美国专利申请公开号2004/0140089、美国专利申请公开号2005/0028977、美国专利申请公开号2005/0061501以及美国专利申请公开号2005/0082060。
与封隔器组件300一样，封隔器组件400可采用内部分流管或外部分流管。具有内部分流管352的封隔器组件400的构造如图4B所示，而具有外部分流管208a、208b的封隔器组件如图4C所示。
图4B是图4A的封隔器组件400的侧视图。在这个视图中，封隔器组件400在相反端处连接砂砾控制装置350a、350b。分流管352优选地包括阀门358，以便防止流体从被隔离井段通过分流管352流到另一个井段。
图4C是图4A的封隔器组件400的另一个侧视图。在这个视图中，封隔器组件400在相反端处连接到砂砾控制装置200a、200b。在封隔器组件400上的分流管208a、208b被示为连接到在砂砾控制装置200a、200b上的滤砂筛356a、356b。分流管208a、208b优选地包括阀门320以便防止流体从被隔离井段通过分流管200a、200b流到另一个井段。分流管208a、208b在过滤介质或滤砂筛356a、356b外部。
在图4B和图4C中，封隔器组件400的颈部部段406和凹口部段410联接到砂砾控制装置350a、350b或200a、200b的部段或接头。单独的接头可通过使得螺纹408和螺纹412接合以形成螺纹连接而被联接在一起。一旦连接，则当砂砾控制装置联接到封隔器组件400时，歧管420提供在砂砾控制装置内的分流管208和352之间的不受限制的流体流动路径。歧管420被配置成穿过机械设置的封隔器元件404和可湿胀封隔器元件408，且歧管420是基本不受限制的空间。由于流体是混合的，所以不必要对齐成这种构造，其可能包括各种形状。
砂砾控制装置350a、350b或200a、200b通过歧管连接被连接到封隔器组件400。流动从砂砾控制装置350a、350b或200a、200b内的分流管进入在流动改道到封隔器歧管420内时所处的连接上方的密封区域。封隔器组件400的各部件的横截面视图如图4D所示。图4D是沿图4B中的线4D-4D截取的示图。
图5A到图5N展示在一个实施例中的砾石充填过程的阶段，其利用具有穿过封隔器组件的封隔器元件且穿过被连接的砂砾控制装置的替代流路通道。可利用封隔器组件300或封隔器组件400。图5A到图5N提供了根据本发明某些方面的封隔器组件、砂砾控制装置以及砾石充填的安装过程的说明性实施例。这些实施例包含在经调钻井泥浆中行进砂砾控制装置和封隔器组件300或400的安装过程。经调钻井泥浆可是非水性流体（NAF），例如载满固体颗粒的基于石油的流体，且其伴随着载满固体颗粒的基于水的流体。这种两种流体的工艺可以包括类似于在国际专利申请号WO 2004/079145中讨论的过程的技术，现将此并入本文作为参考。不过，应当注意的是这个例子仅简单地用于说明目的，因为也可以利用其它合适的过程和器械。
在图5A中，砂砾控制装置550a和550b以及封隔器组件134b行进到井筒500中。砂砾控制装置550a和550b由基管554a和554b以及滤砂筛556a和556b组成。砂砾控制装置550a和550b还包括替代流动路径，例如图3C的内部分流管352。说明性分流管352优选地被置于在552示出的环形区域中在基管554a、554b和滤砂筛556a、556b之间。
在图5A的设置中，封隔器134b安装在生产井段108a和108b之间。封隔器134b可以对应于图2的封隔器210'。另外，带有细长冲洗管503的转向工具502在井筒500中钻管506上被下降。冲洗管503是延伸到滤砂筛556a和556b内的细长管状构件。冲洗管503帮助在砾石充填操作期间砾石浆料的循环，并且其随后被移除。
单独的封隔器134a连接转向工具502。转向工具502和封隔器134a临时定位于一段生产套管126内。转向工具502、封隔器134a以及细长冲洗管503一同行进到井筒500的底部。之后，封隔器134a被设置成如图5B所示。
返回图5A，经调NAF（或其他钻井泥浆）504被置于井筒500中。优选地，在钻具506和随附的滤砂筛550a、550b以及冲洗管503行进到井筒500中之前，钻井泥浆504被沉积到井筒500中并被传输到裸眼部分。钻井泥浆504可以在被放置在井筒500内之前通过网状摇床（未显示）调制以减少砂砾控制装置550a和550b的任何潜在的堵塞。
在图5B，封隔器134a被设置在生产套管段126中。这意味着封隔器134a被致动成延伸弹性体元件以抵靠周围的套管段126。封隔器134a被设置在将要被砾石充填的井段108a和108b之上。封隔器134a将井段108a和井段108b密封于在封隔器134a之上的井筒500部分。
在封隔器134a被设置之后，如图5C所示，转向工具502被移动到相反位置。载流512沿钻管506向下泵送并被置于封隔器134a上方钻管506和周围生产套管126之间的环形内。载流512取代了在封隔器134a之上的经调钻井流体504，其可以再次是油基流体，例如经调NAF。载流512以箭头514指示的方向替换钻井流体504。
下一个在图5D，转向工具502移回到循环位置。这是用于循环砾石充填浆料的位置，并且有时候被称为砾石充填位置。接着载流512被泵送到钻管506和生产套管126之间的环形内。这将推动经调NAF504穿过基管554a和554b离开滤砂筛556a和556b，扫过在滤砂筛556a和556b以及井筒500的裸眼部分的环绕壁510之间的裸眼环形，并且穿过转向工具502并返回到钻管506内。载流512的流动路径由箭头516指示。
在图5E到图5G中，生产井段108a、108b准备进行砾石充填。在图5E，一旦在滤砂筛556a、556b和环绕壁510之间的裸眼环形已被载流512扫过，则转向工具502移回到相反位置。经调钻井流体504被泵送到钻管506和生产套管126之间的环形以迫使载流512离开钻管506，如箭头518所示。这些流体可从钻管506被移除。
之后，封隔器134b被设置成如图5F所示。例如可以是封隔器300或封隔器400中的一个的封隔器134b可以用于隔离在滤砂筛556a和556b以及井筒500的环绕壁510之间形成的环形。仍然处于相反位置，如图5G所示，带有砾石520的载流512可以被置于钻管506内并用于迫使钻井流体504沿着在封隔器134a上方在钻管506和生产套管126之间形成的环形向上，如箭头522所示。
在图5H到图5J中，转向工具502可以移到循环位置以便砾石充填第一地下井段108a。在图5H，带有砾石520的载流512开始在滤砂筛556a和裸眼井筒500的壁510之间的环形内在封隔器134b上方的生产井段108a内产生砾石充填。流体在滤砂筛556a之外流动并通过冲洗管503返回，如箭头524指示。在图5I中，第一砾石充填140a开始在封隔器134b上方、围绕滤砂筛556a并朝向封隔器134a形成。在图8J中，砾石充填过程继续从而朝向封隔器134a形成砾石充填140a，直到滤砂筛556a被砾石充填140a覆盖。
一旦砾石充填140a在第一井段108a内形成并且在封隔器134b之上的滤砂筛被砾石覆盖，则迫使带有砾石520的载流512穿过分流管352和封隔器134b。在图5K到图5N中，带有砾石520的载流512开始产生第二砾石充填140b。在图5K中，带有砾石520的载流512开始在滤砂筛556b和井筒500的壁510之间的环形内、在封隔器134b下方的生产井段108b内产生第二砾石充填140b。流体通过分流管和封隔器134b、在滤砂筛556b之外流动并返回通过冲洗管503，如箭头526所指示。
在图5L中，第二砾石充填140b开始在封隔器134b下方且围绕滤砂筛556b形成。在图5M中，砾石充填继续从而向上朝向封隔器134b增长砾石充填140b，直到滤砂筛556b被砾石充填140b覆盖。在图5N中，形成砾石充填140a和砾石充填140b，且表面处理压力增加以指示出在滤砂筛556a和556b以及井筒的壁510之间的环形空间被砾石充填。
图5O示出从图5A到图5N的钻具506和冲洗管503已经从井筒500中被移除。套管126、基管554a和554b以及滤砂筛556a和556b沿着上部生产井段108a和下部生产井段108b被保留在井筒500中。封隔器134b和砾石充填140a、140b在从图5A到图5N的砾石充填过程完成之后保持被设置在裸眼井筒500中。井筒500现在准备好进行生产操作。
图6A是井筒100的剖视图。井筒100试图是和图2所示井筒100一样的井筒。在图6A中，示出的井筒100横穿地下井段114。井段114代表中间井段。这意味着还有上部井段112和下部井段116（未显示在图6A中）。
地下井段114可以是井下地层中曾经生产商业可行质量的碳氢化合物但是现在已经遭受严重的水或碳氢化合物气体侵入的部分。可替代地，地下井段114可以是原本是水区或半透水层或其他方式基本饱和有水性流体的地层。在任一情况下，操作者已决定密封禁止地层流体从井段114流入到井筒100内。
在井筒100中，可见基管205延伸穿过中间井段114。基管205是砂砾控制装置200的一部分。砂砾控制装置200还包括网状物、金属筛或其他径向过滤介质207。基管205和环绕过滤介质207优选地是理想长度大约在5英尺到35英尺之间的一系列接头。
井筒100具有上部封隔器组件210'和下部封隔器组件210″。上部封隔器组件210'被置于靠近上部井段112和中间井段114的分界，而下部封隔器组件210″被置于靠近中间井段114和下部井段116的分界。井筒200被完成为裸眼完井。砾石充填已经被放置在井筒200中以帮助防止粒状颗粒流入井筒200中。砾石充填被表示为在滤砂筛207和井筒200的环绕壁201之间的环形202内的填泥料。
需要注意的是，操作者需要在封锁中间井段114的同时继续从上部井段112和下部井段116生产地层流体。上部井段112和下部井段116可以由能渗透流体流动的砂砾或其他岩石基质形成。为此，跨立式封隔器600被放置在砂砾控制装置200内。跨立式封隔器600基本横过（across）中间井段114以预防地层流体从中间井段114的流入。
跨立式封隔器600包括心轴610。心轴610是细长管状体，其具有毗邻上部封隔器组件210'的上端以及毗邻下部封隔器组件210″的下端。跨立式封隔器600还包括一对环形封隔器。这些被表示成毗邻上部封隔器组件210'的上部封隔器612以及毗邻下部封隔器组件210″的下部封隔器614。带有上部封隔器612的上部封隔器组件210'以及带有下部封隔器614的下部封隔器组件210″的这种新颖组合允许操作者成功地隔离在裸眼完井中的地下井段，例如中间井段114。
沿着裸眼地层隔离一个井段的另一个技术如图6B所示。图6B是图2的井筒100的侧视图。其示出裸眼完井的中间井段114的底部部分。另外，示出裸眼完井的下部井段116。下部井段116实质上延伸到井筒100的底部并且是感兴趣的最低区域。
在这种情况下，地下井段116可以是井下地层中曾经生产商业可行量的碳氢化合物但是现在已经遭受严重的水或碳氢化合物气体侵入的部分。可替代地，地下井段116可以是原本是水区域或半透水层或其他方式基本饱和有水性流体的地层。在任一情况下，操作者已决定密封禁止地层流体从井段116流入到井筒100内。
为此，已经在井筒100内放置塞子620。具体地，塞子620已经被设置在支撑下部封隔器组件210″的心轴215内。在两个封隔器组件210'、210″中，仅看到下部封隔器组件210″。通过在下部封隔器组件210″内放置塞子620，塞子620能够防止地层流体从下部井段116流入井筒200。
注意结合图6B的设置，中间井段114可以包括页岩或基本不可渗透流体流动的其他岩石基质。在这种情况下，塞子620不需要毗邻下部封隔器组件210'放置；而是，塞子620可以被放置在下部井段116之上且沿着中间井段114的任何位置。进一步地，下部封隔器组件210″自身不需要被定位在下部井段116的顶部；而是，下部封隔器组件210″还可以被置于沿着中间井段114的任何位置。根据地层和井筒的属性和构造，这里描述的封隔器组件210的功能允许它们以各种方式被使用。将下部封隔器组件210″沿着中间井段114移到任何位置是一个例子。在其他实施方式中，根据井操作的方式以及地层所存在的环境，上部封隔器组件210'可以被移动离开井段接口以便被置于地层中间。
这里还提供了完成裸眼井筒的方法700。该方法700在图7示出。图7提供了在不同实施例中完成裸眼井筒的方法700的步骤的流程图。
方法700包括提供了区域隔离设备。这在图7的框710示出。区域隔离设备优选地对应于关于图2在上文所述的部件。在这方面，区域隔离设备可包括基管、筛（或其他过滤介质）、至少一个具有至少两个机械设置的封隔器元件和一个中间细长可湿胀封隔器元件的封隔器组件以及替代流动通道。砂砾控制装置可被称为滤砂筛。
方法700还包括行进区域隔离设备到井筒内。行进区域隔离设备到井筒内的步骤示于框720。区域隔离设备行进到井筒的下部部分中，这优选地被完成作为裸眼。
方法700还包括将区域隔离设备定位在井筒中。这示出在图7的框730。优选地通过从一段生产套管的下部部分悬挂区域隔离设备来完成定位区域隔离设备的步骤。该设备被定位成使得基管和滤砂筛沿着井筒的裸眼部分毗邻一个或更多个选定井段。进一步地，所述至少一个隔器组件中的第一个被定位在选定地下井段的顶部之上或接近该选定地下井段的顶部。
在一个实施例中，裸眼井筒横穿三个独立的井段。包括从其生产出碳氢化合物的上部井段以及不再从其生产出商业可行量的碳氢化合物的下部井段。这样的井段可由砂砾或其他可渗透岩石基质形成。这些井段还包括不能从其生产出碳氢化合物的中间井段。中间井段的地层可以由页岩或其他基本不可渗透的材料形成。操作者可以选择将所述至少一个封隔器组件中的第一个定位在靠近下部井段的顶部或沿着不可渗透中间井段的任何位置。
之后，方法700包括设置所述至少一个封隔器组件中的每个组件中的机械设置的封隔器元件。这被提供在框740中。机械设置上部和下部封隔器元件意味着弹性体（或其他）密封构件接合环绕的井筒壁。封隔器元件隔离在封隔器组件上方和下方在滤砂筛和环绕的井下地层之间形成的环形区域。
方法700还包括注入颗粒状浆料到环形区域中。这被示范在框750。颗粒状浆料由载流和砂砾（和/或其他）颗粒组成。一个或更多个替代流动通道允许颗粒状浆料绕过机械设置的封隔器元件和中间可湿胀封隔器元件。通过这种方式，井筒的裸眼部分在机械设置的封隔器元件上方和下方（但不是之间）被砾石充填。
方法700进一步地包括沿着井筒的裸眼部分从井段生产生产流体。这被提供在框760。生产持续一段时间。在这段时间期间，上部封隔器元件、下部封隔器元件或两者可能失效。这允许流体沿着可湿胀封隔器元件流入到封隔器的中间部分内。这会导致可湿胀封隔器元件湿胀，因此再一次密封选定井段。这示出在图7的框770。
应该意识到，可湿胀封隔器元件在砾石充填之前被暴露于流体是优选的。通过这种方式，在封隔器元件失效之前，可湿胀封隔器元件能够湿胀并和井筒裸眼部分的环绕壁建立很好的环形密封。不过，这样的技术存在两个问题：（1）需要穿过封隔器组件来充填下部井段的替代流路，该组件例如组件210'和210″，以及（2）钻机的时间价值阻止其等待数天或数周来使得可湿胀元件有效密封。因此，这样的过程不是优选的。
在许多情况下，毗邻可湿胀元件的地下井段已存在本地流体。这些流体会导致可湿胀封隔器元件在任何一个机械设置的封隔器元件均没有失效的情况下湿胀并接合环绕的井筒壁。因此，允许可湿胀封隔器元件湿胀的步骤770会自然地发生。这个步骤770还可以通过操作者肯定地注入致动化学物质到基管内而发生。
在方法700的一个实施例中，来自选定井段的流动可以被密封以防止其流入井筒内。例如，塞子可以被安装在选定地下井段的顶部上方或附近的滤砂筛的基管内。这示于框780。这样的塞子可以用在最下部的封隔器组件的下方，例如步骤735的第二封隔器组件下方。
在另一个例子中，跨立式封隔器沿着将要密封的选定地下井段沿着基管被放置。这示于框785。这样的跨越会涉及沿着心轴毗邻上部和下部封隔器组件（例如图2或图6A的封隔器组件210'、210″）放置密封元件。
虽然将显而易见到上述发明被良好地计划以便实现所列出的优点和优势，但是应当理解本发明可容许在不偏离本发明精神的范围内对其修改、变化和改变。提供了完成裸眼井筒的改善方法以便封锁一个或更多个选定地下井段。还提供了改善的区域隔离设备。本发明允许操作者从选定地下井段生产流体或注入流体到选定地下井段。

Claims (32)

1.一种砾石充填区域隔离设备，其包括：
砂砾控制装置，其具有从上端延伸到下端的细长基管；以及
至少一个封隔器组件，所述至少一个封隔器组件中的每一个均包括：
具有密封元件的上部机械设置封隔器，
具有密封元件的下部机械设置封隔器，
在流体存在情况下随着时间推移而湿胀的、在所述上部机械设置封隔器和所述下部机械设置封隔器之间的可湿胀封隔器元件，以及
沿着所述基管的替代流动通道，其使得砾石充填浆料在所述上部机械设置封隔器、所述可湿胀封隔器元件以及所述下部机械设置封隔器周围改道。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述砂砾控制装置进一步包括沿着所述基管的大部分径向环绕所述基管以便形成滤砂筛的过滤介质；以及
所述可湿胀封隔器元件至少部分地由弹性体材料制成。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述滤砂筛的所述过滤介质是网状物或金属线筛。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述可湿胀弹性体封隔器元件包括（i）在水性流体存在的情况下、（ii）在碳氢化合物液体存在的情况下或（iii）其组合情况下湿胀的材料。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述可湿胀弹性体封隔器元件包括在致动化学物质存在的情况下湿胀的材料。
6.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述细长基管包括端对端连接的多个管道接头；以及
所述至少一个封隔器组件中的至少一个沿着所述管道接头被放置在接近所述砂砾控制装置的所述上端。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述细长基管包括端对端连接的多个管道接头；以及
所述砾石充填区域隔离设备包括沿着所述管道接头放置的上部封隔器组件和下部封隔器组件。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述上部封隔器组件和所述下部封隔器组件沿着所述管道接头分隔开以便跨越井筒内的选定地下井段。
9.根据权利要求1所述的设备，其中用于所述第一机械设置封隔器的元件和用于所述第二机械设置封隔器的元件中的每个元件的长度是大约6英寸到24英寸。
10.根据权利要求9所述的设备，其中用于所述第一和第二机械设置封隔器元件的元件是弹性体杯型元件。
11.根据权利要求2所述的设备，其中所述可湿胀弹性体封隔器元件的长度是大约3英尺到大约40英尺。
12.一种完成井筒的方法，该井筒具有限定裸眼部分的下端，该方法包括：
行进砾石充填区域隔离设备到该井筒内，该区域隔离设备包括：
具有细长基管的砂砾控制装置；以及
至少一个封隔器组件，所述至少一个封隔器组件中的每一个均包括：
具有上部密封元件的第一机械设置封隔器，
具有下部密封元件的第二机械设置封隔器，
在流体存在的情况下随时间推移而湿胀的、在所述上部密封元件和所述下部密封元件之间的可湿胀封隔器元件，以及
在所述基管和所述密封元件之间的一个或更多个替代流动通道，其用于使得砾石充填浆料在所述第一机械设置封隔器元件、所述可湿胀封隔器元件以及所述第二机械设置封隔器元件周围改道；
将所述区域隔离设备定位在所述井筒的所述裸眼部分内，以使得所述至少一个封隔器组件中的第一个在选定地下井段的顶部之上或接近该选定地下井段的顶部；
设置所述至少一个封隔器组件中的每个内的所述上部密封元件和所述下部密封元件；以及
将砾石浆料注入到在所述砂砾控制装置和所述井筒的环绕裸眼部分之间形成的环形区域内，使得所述砾石浆料流过所述一个或更多个替代流动通道以允许所述砾石浆料绕过所述至少一个封隔器组件中的每个内的所述第一和第二机械设置封隔器和所述中间可湿胀封隔器元件，以致所述井筒的所述裸眼部分在相应第一和第二机械设置封隔器上方和下方而不是在其之间被砾石充填。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述砂砾控制装置进一步包括沿着所述基管的大部分径向地环绕所述基管以便形成滤砂筛的过滤介质；以及
所述可湿胀封隔器元件至少部分地由弹性体材料制成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述滤砂筛的过滤介质是网状物或金属丝筛。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
允许流体接触所述至少一个封隔器组件中的至少一个中的可湿胀封隔器元件；以及
其中所述可湿胀封隔器元件包括（i）在水性液体存在的情况下、（ii）在碳氢化合物液体存在的情况下或（iii）其组合的情况下湿胀的材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
针对流体生产完成所述井筒；
所述井筒的所述裸眼部分穿过所述选定地下井段和至少另一个地下井段；以及
所述方法进一步包括沿着所述井筒的所述裸眼部分从所述地下井段中的至少一个生产生产流体一段时间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述选定地下井段基本饱和有水性或气态流体；
所述至少一个封隔器组件中的第一个被定位于接近基本饱和有所述水性或气态流体的井段的顶部；以及
所述至少一个封隔器组件中的第二个被设置成接近基本饱和有所述水性或气态流体的井段的下边界。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述至少另一个地下井段包括在基本饱和有水性或气态流体的井段下方的下部井段；以及
生产生产流体包括从所述下部井段生产生产流体。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
行进管状柱到所述井筒内及到所述基管内，所述管状柱在下端具有跨立式封隔器；
将所述跨立式封隔器设置成横穿基本饱和有所述水性或气态流体的井段，以便密封禁止地层流体从该井段进入所述井筒内；以及
继续从所述下部井段生产生产流体。
20.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述至少另一个地下井段进一步包括在基本饱和有水性或气态流体的井段上方的上部井段，以及
生产生产流体进一步包括从所述上部井段生产生产流体。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
行进所述管状柱到所述井筒内及到所述基管内，所述管状柱在下端具有跨立式封隔器；
将所述跨立式封隔器设置成横穿基本饱和有所述水性或气态流体的井段以便在此密封禁止地层流体流动；以及
继续从所述上部井段和所述下部井段生产生产流体。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述跨立式封隔器的上端被设置成毗邻所述第一封隔器组件；以及
所述跨立式封隔器的下端被设置成毗邻所述第二封隔器组件。
23.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述至少另一个地下井段包括下部井段；
所述选定井段是在所述下部井段之上的上部井段，以使得所述至少一个封隔器组件中的第一个接近所述上部井段的顶部；
所述至少一个封隔器组件中的第二个被设置成接近所述上部井段的下边界；
生产生产流体包括从上部选定井段和从下部选定井段生产生产流体，直到所述上部井段生产出不可接受百分比的水或碳氢化合物气体；以及
所述方法进一步包括：
行进管状柱到所述井筒内及到所述基管内，所述管状柱在下端具有跨立式封隔器；
将所述跨立式封隔器设置成横穿所述上部井段以便密封禁止地层流体从所述上部井段沿所述井筒被生产出，以及
继续从所述下部选定井段生产生产流体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
所述跨立式封隔器的上端被设置成毗邻所述第一封隔器组件；以及
所述跨立式封隔器的下端被设置成毗邻所述第二封隔器组件。
25.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述至少另一个地下井段包括上部井段；
所述选定井段是在所述上部井段下方的下部井段，以使得所述至少一个封隔器组件中的第一个在所述下部井段的顶部上方或接近所述下部井段的顶部；
生产生产流体包括从所述上部井段和所述下部井段生产生产流体，直到所述下部井段不再生产出经济可行量的碳氢化合物；以及
所述方法进一步包括：
行进工作柱到所述井筒内及到所述基管内，所述工作柱在该工作柱的下端具有塞子；
将所述塞子设置在所述基管内以使得密封禁止地层流体从所述下部井段沿所述井筒向上到所述上部井段的生产，以及
继续从所述上部井段生产生产流体。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述塞子被设置成毗邻所述至少一个封隔器组件中的第一个。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述细长基管包括端对端连接的多个管道接头。
28.根据权利要求25所述的方法，其中：
所述至少另一个地下井段进一步包括在所述上部井段和所述选定下部井段之间的中间井段，且该中间井段由基本不可渗透流体流动的岩石基质构成；以及
（i）所述至少一个封隔器组件中的第一个被定位成在所述下部井段上方且沿着所述中间井段，（ii）所述塞子被设置成在所述下部井段上方且沿着所述中间井段，或（iii）两者均满足。
29.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述选定地下井段是生产碳氢化合物的下部井段；
所述至少另一个地下井段包括（i）在所述选定下部井段上方的上部井段，以及（ii）在所述上部井段和所述选定下部井段之间由基本不可渗透流体流动的岩石基质构成的中间井段。
30.根据权利要求29所述的方法，其中：
所述至少一个封隔器组件中的第一个被定位成接近所述上部井段的底部；
所述至少一个封隔器组件中的第二个被定位成接近所述上部井段的顶部；以及
所述方法进一步包括：
行进管状柱到所述井筒内及到所述基管内，所述管状柱在下端具有跨立式封隔器；
将所述跨立式封隔器设置成横过所述上部井段以便密封禁止从所述上部井段到所述井筒内的地层流体生产；以及
继续从所述选定下部井段生产生产流体。
31.根据权利要求28所述的方法，其中：
所述至少一个封隔器组件中的第一个被定位成（i）沿着所述中间井段，或接近所述选定下部井段的顶部；
所述方法进一步包括：
行进工作柱到所述井筒内及到所述基管内，所述工作柱在所述工作柱的下端具有塞子；以及
将所述塞子设置在所述基管内以便密封禁止地层流体从所述下部井段沿所述井筒向上到所述上部井段的流动，以及
继续从所述上部井段生产生产流体。
32.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
将流体注入到所述至少另一个地下井段内。
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