CN103459767A - 利用包含形状记忆材料颗粒的浆体完井的设备和方法 - Google Patents

Abstract

在一些方面，本发明提供了一种执行井眼作业的方法，在一个实施例中，该方法包括：将包含流体和具有第一尺寸的形状记忆颗粒的混合物供给到井眼中的选定区域中；在从选定区域排出流体的同时，将具有第一尺寸的形状记忆颗粒保留在选定区域中；和激活保留在选定区域中的形状记忆颗粒，以使其膨胀而达到第二形状，以用具有第二形状的形状记忆颗粒填充选定区域。

Description

利用包含形状记忆材料颗粒的浆体完井的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月29日提交的美国申请No.13/074594的优先权，该申请全部内容在此引入作为参考。

背景技术

1.技术领域

本发明概括来说涉及利用包含具有一定尺寸的形状记忆颗粒的浆体执行井眼作业。

2.相关技术的描述

烃，诸如油和气，是从地层利用钻进该地层的井眼开采的。通过在井眼中安装适于从地层向地面输送包含烃的地层流体的各种装置而完成钻井。在某些类型的完井中，一砂筛被放置在井眼内部和被构造成用以将地层流体携带至地面的生产管道之间。井眼内部与砂筛之间的环空充填有砂砾（也被称为“沙”）。砂砾提供第一级过滤，并稳固井眼，允许烃穿过砂砾流到砂筛，并进入生产管道中。

通常，砂砾充填物包括在充填过程中形成的间隙（空隙），这些间隙在砂砾充填已经完成之后难以被填充。砂砾充填物中的空隙会对井的性能产生不利影响，这是因为该区域中的流速可能会变快，从而导致砂筛被侵蚀并最终导致过滤失效。本发明在此提供一种用于利用形状记忆材料的具有一定尺寸的颗粒填充或充填井眼中的选定区域（包括环空）的设备和方法，其能够解决某些上述缺陷。

发明内容

在一些方面，本发明提供了一种执行井眼作业的方法，包括：将包含流体和具有第一尺寸的形状记忆材料颗粒的混合物供给到井眼中的选定区域中；在从选定区域排出流体的同时，将具有第一尺寸的形状记忆材料颗粒保留在选定区域中；和激活保留在选定区域中的形状记忆颗粒，以使其达到第二膨胀形状，以用膨胀的形状记忆颗粒填充选定区域。

在其它方面，本发明提供一种井眼系统，在一个实施例中，该井眼系统包括：放置在井眼中的选定位置处的工具；由所述工具和井眼限定的空间；和在该空间中的形状记忆颗粒，其中形状记忆颗粒：（i）以第一压缩状态被放置在该空间中；和（ii）在井下被激活，以达到第二膨胀形状，以使形状记忆颗粒填充该空间。

在此披露的设备和方法的某些特征的示例概括得相当宽泛，以便可以更好地理解下面的示例的详细说明。当然，下文还披露有设备和方法的附加特征，其形成了权利要求的主题。

附图说明

通过参照下文的详细说明并结合附图，可以最佳地理解本发明的优点和其它方面，在附图中同样的附图标记通常表示同样或类似的元件，并且在附图中：

图1是依照本发明的一个实施例的示例性井眼系统的线条图，在井眼系统中，选定空间填充有形状记忆颗粒；

图2显示了依照本发明的一个实施例的、在形状记忆颗粒已经被放置在选定空间中之后选定空间的截面；

图3A-图3G显示了可用于充填选定空间的形状记忆颗粒的各种形状；

图4A显示了激活之后的示例性形状记忆颗粒；

图4B显示了在已被压缩并保持在环境温度之后的图4A中的形状记忆颗粒；和

图5显示了图1中的选定空间中的已被激活之后的形状记忆颗粒。

具体实施方式

本发明涉及将一定尺寸的形状记忆颗粒放置在井下空间以用于控制流体的流动。在一个方面，本发明提供一种如下的设备和方法：以合适的形状和尺寸形成形状记忆颗粒，以便将这些颗粒输送至井眼中的选定空间中；在选定空间中输送并放置或充填这种形状记忆颗粒，并且激活所放置的这些颗粒以使其与选定空间一致；并且允许某些流体流过该选定空间，同时阻止这种流体中存在的某些尺寸的固体通过。

图1是示例性井眼系统100的线条图，显示了井眼中的选定空间中的形状记忆颗粒（即，由一种或多种合适的形状记忆材料形成的颗粒）的布置。系统100显示了在岩层111（地层）中形成的深至深度113的井眼110。所示的井眼110具有在地层111中的穿孔112。穿孔112能够使地层流体（油、气和水）117从地层111流到井眼110的内部110a。系统100还显示了在井眼110中布设的生产管柱115。生产管柱115包括生产管道或中心管（base pipe）116，所述生产管道或中心管具有被构造成允许地层流体117从地层111流至中心管116的内部116a的开口或流体通道118。中心管116的具有开口118的部分放置在地层的穿孔112的对面，使得地层流体117能够流到中心管116中。系统100还显示了放置在中心管116周围的砂筛120，所述砂筛用于控制地层流体117流入中心管116中。

在一个方面，砂筛120的尺寸被设计成使得在砂筛120的外部120a与井眼110的内部110a之间形成一环形空间114（“环空”）。在该特定实施例中，环形空间114是将依照在此所述的方法用形状记忆颗粒填充或充填的选定空间。所示的砂筛120放置在或包裹在中心管116的外部116b的周围。包含流体通道134的罩132放置在网130的外部130b的周围。这样，网130和罩132的组合件形成了环绕中心管116的开口118的单元。图2显示了砂筛200的截面，其中，具有流体通道212的隔离构件210设置在网130与罩132之间以形成流体通道220，从而有利于地层流体117流入网130中。网130可以由利用任何合适材料的任何结构制成。在一个方面，网130的尺寸或结构被设计成使得防止地层流体117中包含的固体颗粒流过网进入到中心管116中。商业应用中有各种型式的砂筛，因此这里不再详细描述。虽然这里所示的砂筛作为用于限定选定空间124的井下工具，但是，可以利用任何其它合适的装置来限定任何空间作为将依照在此所述的方法被形状记忆颗粒填充的空间。

为了本发明的目的，合适的形状记忆材料是在较低的第一温度（在此也称为“展开前”温度）能保持在第一（压缩）形式或状态而然后当承受较高温度时膨胀为第二形式或状态的任何材料。能够在市场上获得各种型式的形状记忆材料，因此这里不再详细描述。

仍然参照图1，在一个方面，合适的形状记忆材料可以首先以具有任何合适的尺寸和形状的松散体积形成。在一个方面，该松散体积可以被激活以降低其弹性模量，例如通过将该材料加热至其玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上（在此被称为“膨胀体积”或“膨胀状态”）进行激活。然后，将该膨胀体积压缩或压实，同时将该材料冷却至环境温度（在此也被称为“展开前温度”）。一旦被压缩的松散体积冷却至展开前温度，形状记忆材料就保持压缩形状，直到再次被加热。被压缩的松散体积可以分解为小尺寸颗粒。所选择的较小颗粒的尺寸和形状取决于所希望的应用。图3A-图3G显示了各种形状，其中较小的形状记忆颗粒可以由被压缩的松散体积制成。也可以使用任何其它的形状。较小的形状记忆颗粒的尺寸和形状被选择为使得其可以有利地以流体混合物的形式输送至所希望的位置（选定空间），但不穿过例如是图1中所示的网130的网，以及有利于颗粒在压缩和展开这两种状态中的最佳充填。

图4A显示了处于膨胀状态中的示例性形状记忆颗粒400，图4B显示了处于压缩状态410中的颗粒400。在该具体情况下，形状记忆材料被加热到其玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上，然后被合适的物理装置或器具压缩，同时温度降低至展开前温度或展开前温度以下。一旦形状记忆颗粒被冷却至展开温度以下，形状记忆颗粒就将保持在压缩状态410，直到被激活（激励），例如通过将其加热至其玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上来进行激活。一旦激活，形状记忆颗粒就将达到其膨胀尺寸和形状，直到其被压缩并同时将其冷却至低于玻璃化转变温度的温度。在此所使用的术语“记忆”指的是材料承受某些应力（例如外部机械压缩、真空等）但然后在合适的情况下(例如暴露于通常为加热的选定形式的能量的情况下)回复至材料的原始尺寸和形状的能力。在此所使用的术语“形状记忆”指的是材料被加热到材料的玻璃化转变温度（GTT）以上、并接着被压缩和冷却至较低温度保持其压缩状态的能力。但是，然后通过将同一材料再次加热至接近其玻璃化转变温度（GTT）或玻璃化转变温度以上，该材料可恢复到其原来的形状和尺寸，即，其压缩前的状态。这种材料可以包括可被配制成对于给定应用实现所希望的GTT的某些合成的传统泡沫材料。例如，可以将泡沫材料配制成具有低于在将会使用该材料的深度处的预期井下温度的GTT。所选择的材料可以包括传统的泡沫材料或不同的泡沫材料及其它材料的组合，并且可以选自由下列物质构成的组：聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、环氧树脂、橡胶、氟橡胶、腈、三元乙丙橡胶（EPDM）、其它聚合物、或它们的组合。这种介质可以包含若干添加剂和/或能变更或改进由此形成的形状记忆材料的性能的其它配方组分。另外，选定空间中充填的形状记忆颗粒可以包括不同的形状和尺寸，并可以使用不同类型的形状记忆材料制造。

参照回图1，为用形状记忆颗粒填充空间114，具有一种或多种选定尺寸的压缩颗粒172在地面上的混合器174中与合适的流体170（例如水）混合。流体和形状记忆颗粒的混合物176被泵180泵送到管道116中，该流体经由转换装置（crossover）184转向流入空间124。流体混合物176中的形状记忆颗粒172沉积在空间114中以及井眼110的底部114a上，同时混合物176中的流体170经过罩的开口132、网130以及中心管116中的开口118流入中心管116。流体170然后经由转向装置186和通道188循环至地面。一旦空间114和114a已经被形状记忆颗粒172填充或充填，混合物176的泵送就停止，并且用于这种泵送的设备被移除。

仍然参照图1，地层的温度常常高于空间114和114a中的形状记忆颗粒172的玻璃化转变温度。在这样的情况下，地层流体117将会把形状记忆颗粒172加热至一高于其玻璃化转变温度的温度，从而引起这种颗粒膨胀，并对在空间114和114a中充填这种颗粒的过程中留下的空隙进行填充。另外，空间114和114a中的形状记忆颗粒的膨胀还将使空间124和124a中充填的形状记忆颗粒与井眼110的内部110a以及罩132的外部132a一致。但是，在某些情况下，地层温度可能低于形状记忆颗粒的玻璃化转变温度，因此不能激活选定区域124中的这些颗粒。在这样以及其它所希望的情况下，可将具有玻璃化转变温度（Tg1）的泡沫记忆颗粒放置到如上所述的选定区域124中。然后将合适的材料，例如化学材料，泵送到选定区域124中，以将其中的泡沫记忆颗粒的玻璃化转变温度临时地降低至Tg2（在该温度地层温度将能激活形状记忆颗粒）。将玻璃化转变温度降低至地层温度以下可通过任意已知的机构或方法实现，包括但不限于将合适的化合物泵送到充填区域124中。因为地层温度接近Tg2或在Tg2以上，所以泡沫记忆颗粒将随后膨胀。随着时间的推移，玻璃化转变温度降低的流体会被井产物或添加的完井流体置换，使泡沫记忆颗粒的玻璃化转变温度升高至Tg2以上。由于泡沫记忆颗粒玻璃化转变温度现在将低于Tg1，所以膨胀的泡沫记忆颗粒将然后再次变得接近刚硬。

图5显示了环形空间114中形状记忆颗粒172在膨胀之后的示例。图5显示了空间114内处于膨胀状态的某些形状记忆颗粒520。膨胀的颗粒520的最终形状将取决于它们在空间114中展开时各自的初始压缩形状和尺寸、这些颗粒在空间114中相对于彼此的相对布置以及空间114中存在的任何空隙的尺寸和形状。使用来自地层流体117的热量作为替代方案或附加方案，可以利用人工激励使空间114和114a中的颗粒172膨胀。这种人工激励可以是经由管路180供给至空间114的热量的形式。其它形式的激励可以包括供给电磁波、声信号或能够激活特定形状记忆颗粒172的任何其它激励。

因而，在一个方面中，本发明在此提供一种执行井眼作业的方法，在一个实施例中，该方法包括：将包含流体和具有第一（压缩）尺寸的形状记忆颗粒的混合物供给到井眼内的选定区域中；在从选定区域中排出流体的同时，将具有第一压缩尺寸的形状记忆颗粒保留在选定区域中；和激活保留在选定区域中的形状记忆颗粒，以使其达到第二膨胀形状。在一个方面中，具有第一尺寸的形状记忆颗粒是通过在高于形状记忆材料的玻璃化转变温度的温度下压缩形状记忆材料、同时将压缩的形状记忆材料冷却至低于形状记忆材料的玻璃化转变温度的温度而获得的颗粒。在一个方面中，形状记忆材料为泡沫材料。在另一个方面中，该方法还可以包括：在激活选定区域中所保留的形状记忆颗粒之前，从选定区域中排出混合物中的流体。在另一个方面中，该方法还可以包括：在激活选定区域中所保留的形状记忆颗粒之后，穿过所保留的形状记忆颗粒生产地层流体。在又一个方面中，形状记忆颗粒可以通过从一源向选定空间中的形状记忆颗粒供热或者允许来自地层的热量将形状记忆颗粒加热至这些颗粒的玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上而被激活。在另一个方面中，选定区域为砂筛和井眼壁之间的区域。在一个方面中，砂筛包括被构造成允许流体流过、但防止压缩的形状记忆材料颗粒通过的筛件。在又一个方面中，流体混合物的供给包括：将流体混合物从第一通道供给到选定空间中，并允许流体在排出砂筛之后通过第二通道流至地面。

在另一个方面中，在井眼内的选定空间中充填控砂材料的方法可以包括：将一管柱放置到井眼中，所述管柱包括具有第一尺寸穿孔的筛件和该筛件内部的流体流动路径，其中筛件和井眼之间的空间限定了所述选定空间；将具有第一尺寸的形状记忆颗粒放置到选定区域中，使选定区域中的形状记忆颗粒膨胀至比第一尺寸大的第二尺寸；允许地层流体从地层流到管柱中，同时防止固体进入管柱中。在一个方面中，将形状记忆颗粒放置到选定区域中包括混合流体和压缩的形状记忆颗粒以形成浆体，以及将浆体泵到选定区域中。在另一个方面中，使选定区域中的形状记忆颗粒膨胀可通过向形状记忆颗粒供给蒸汽和允许来自地层的热量将选定空间中的形状记忆颗粒加热至这些颗粒的玻璃化转变温度以上而实现。在另一个方面中，形状记忆材料可以包括碳纳米颗粒，碳纳米颗粒可以被加热，以将形状记忆颗粒加热至玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上。在另一个方面中，膨胀的形状记忆颗粒可以临时被冷却至玻璃化转变温度以下，以使它们在选定空间中被压缩。

在另一个方面中，本发明提供了一种系统，该系统包括井眼中的管柱和充填有形状记忆颗粒的选定区域，其中，选定区域已经通过以下步骤用形状记忆颗粒充填，所述步骤为：通过供给流体和具有第一尺寸的形状记忆颗粒的混合物，将具有第一尺寸的形状记忆颗粒放置到选定区域中；在从选定区域中移除流体的同时，将具有第一压缩尺寸的形状记忆颗粒保留在选定区域中；和激活选定区域中的具有第一尺寸的形状记忆颗粒，以使其膨胀至第二尺寸，从而用具有第二尺寸的形状记忆颗粒充填该选定区域。在一个方面中，管柱可以包括任何合适的工具，包括但不限于用于限定井眼中的选定区域的砂筛。在一种构造中，砂筛包括罩以及罩内部的网，其中网围绕中心管的外部设置。

在又一个方面，本发明提供了一种用于充填井眼中的选定区域的设备，其中，在一种构造中，该设备包括位于井眼中的一装置，该装置限定了该装置的外部与井眼的内部之间的选定空间，其中该装置包括具有穿孔的构件，用于将流体和形状记忆材料颗粒的混合物供给到选定区域中的第一通道，在所述构件内部的用于允许流体从选定区域流至地面位置区域的第二通道，以及构造成将混合物经由第一通道供给到选定区域中的源。

虽然上文针对本发明的优选实施例，但是各种各样的改变对本领域技术人员而言都是显而易见的。所有改变都在所附的权利要求书的范围和精神之内。

Claims (20)

1.一种执行井眼作业的方法，包括：

将包含流体和具有第一尺寸的形状记忆颗粒的混合物供给到井眼中的选定区域中；

在从选定区域中排出流体的同时，将具有第一尺寸的形状记忆颗粒保留在选定区域；和

激活保留在选定区域中的具有第一尺寸的形状记忆颗粒，以使得所保留的形状记忆颗粒中的至少一些颗粒达到大于第一尺寸的第二尺寸。

2.如权利要求1所述的方法，其中，具有第一尺寸的形状记忆颗粒是通过在高于形状记忆材料的玻璃化转变温度的温度下压缩形状记忆材料，并同时将压缩的形状记忆材料冷却至低于形状记忆材料的玻璃化转变温度的温度而获得的颗粒。

3.如权利要求2所述的方法，其中，形状记忆材料为泡沫材料。

4.如权利要求1所述的方法，其中，选定区域中的泡沫记忆颗粒具有玻璃化转变温度，以及其中，该方法还包括：在激活这些颗粒之前，降低选定区域中的形状记忆颗粒的玻璃化转变温度。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：在激活选定区域中所保留的形状记忆材料的颗粒之后，穿过所保留的形状记忆材料的颗粒生产地层流体。

6.如权利要求1所述的方法，其中，激活所保留的形状记忆材料的颗粒包括下列步骤之一：从地面向所保留的形状记忆颗粒供热；和允许来自地层的热量加热所保留的形状记忆颗粒。

7.如权利要求1所述的方法，其中，选定区域位于井下装置和井眼壁之间。

8.如权利要求7所述的方法，其中，该井下装置为砂筛。

9.如权利要求7所述的方法，其中，该井下装置包括用于将所述混合物供给到选定区域中的第一通道和用于将所述流体从选定区域输送出去的第二通道。

10.一种用控砂颗粒充填井眼中的选定区域的方法，该方法包括：

将一管柱放置到容纳有一装置的井眼中，所述装置包括具有第一尺寸开口的筛件，该装置限定位于所述装置和井眼壁之间的选定区域；

将包含流体和具有第二尺寸的形状记忆颗粒的混合物供给到选定区域中，其中第二尺寸大于第一尺寸，从而允许形状记忆材料颗粒保留在选定区域中，并能够使混合物中的流体流入筛件内部的流体流动路径中；和

激活选定区域中的形状记忆颗粒，以使这些颗粒膨胀至第三尺寸，以用包括具有第三尺寸的颗粒的形状记忆颗粒充填该选定区域。

11.如权利要求10所述的方法，其中，供给混合物包括：

混合流体和具有第二形状的形状记忆颗粒以形成浆体；以及

将浆体泵到选定区域中。

12.如权利要求10所述的方法，其中，激活选择区域中的形状记忆颗粒包括下列步骤之一：向选定区域中的形状记忆颗粒供热；和允许来自地层的热量将选定区域中的形状记忆颗粒加热至选定区域中的形状记忆颗粒的玻璃化转变温度或玻璃化转变温度以上。

13.如权利要求10所述的方法，其中，形状记忆颗粒包括碳纳米颗粒，以及其中，激活形状记忆颗粒包括加热碳纳米颗粒。

14.一种井眼系统，其包括：

将具有井下工具的管柱放置到井眼中，所述井下工具在井眼中限定出一选定区域；和

被充填在选定区域中的形状记忆颗粒，其中，形状记忆颗粒已通过以下步骤被充填：

通过向选定区域供给流体和具有第一尺寸的形状记忆颗粒的混合物，而将具有第一尺寸的形状记忆颗粒放置到选定区域中；在从选定区域移除流体的同时，将具有第一尺寸的形状记忆颗粒保留在选定区域中；和

激活选定区域中的具有第一尺寸的形状记忆颗粒，使这些颗粒膨胀至第二尺寸，以用包括具有第二尺寸的形状记忆颗粒的形状记忆颗粒充填该选定区域。

15.如权利要求14所述的系统，其中，该井下工具为砂筛，以及其中，选定区域由砂筛和井眼壁之间的空间限定。

16.一种用于用形状记忆颗粒充填井眼中的选定区域的设备，该设备包括：

位于井眼中的一装置，该装置限定了该装置与井眼的内部之间的选定空间，其中该装置包括：

一构件，所述构件具有开口，用于将流体和形状记忆颗粒的混合物供给到选定区域中的第一通道，用于允许流体从选定区域流出的位于所述构件中的第二通道；以及

被构造成将混合物经由所述第一通道供给到选定区域中的源。

17.一种执行井眼作业的方法，包括：

将具有第一尺寸的形状记忆颗粒放置到井眼中的选定区域中，具有第一尺寸的形状记忆颗粒具有第一玻璃化转变温度；

使选定区域中的形状记忆颗粒的第一玻璃化转变温度降低至第二玻璃化转变温度；

将选定区域中的形状记忆颗粒加热至第二玻璃化转变温度或第二玻璃化转变温度以上的温度，以使具有第一尺寸的形状记忆颗粒的至少一些颗粒膨胀至第二尺寸。

18.如权利要求17所述的方法，其中，降低选定区域中的形状记忆颗粒的玻璃化转变温度包括：向选定区域中的形状记忆颗粒供给选定流体，所述选定流体被构造成使玻璃化转变温度降低至第二玻璃化转变温度。

19.如权利要求18所述的方法，其中，第一玻璃化转变温度高于紧邻选定区域的地层的温度，第二玻璃化转变温度低于紧邻选定区域的地层的温度。

20.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括：在选定区域中的形状记忆颗粒的玻璃化转变温度已经降低至第二玻璃化转变温度之后，从选定区域移除选定流体。

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