CN1193161C - 具有内部替补流动路径的井筛 - Google Patents

Abstract

一个具有内部无孔替补流动路径的井下筛管，用于把压裂液/砾石砂浆送到井下环空的不同高度上。井下筛管包括一个位于基管(17)上面的外管(18)，由此在两管之间形成一个环空(19)。每个管的圆周具有一个穿孔扇区和一个无孔扇区，两个扇区均沿着其相关长度延伸。当装配后，相关的穿孔扇区被对准而形成一个穿孔的生产扇区，相关的无孔扇区被对准而形成一个无孔的替补流动路径。用绕丝(30)缠绕基管，以防止固体流过基管中的开孔。把砾石砂浆泵送到环空中，在那里砾石砂浆从无孔替补流动路径沿周向(33)流动，通过环空的穿孔扇区中的开孔排入井下环空。

Description

具有内部替补流动路径的井下筛管

技术领域

本发明涉及了一种井下筛管，在其一个方面涉及了一种压裂/砾石充填一口井的井下筛管，井下筛管具有一个内部的替补流动路径，它形成在两个管对准的无孔扇区之间。

发明背景

从某些地下岩层生产碳氢化合物之类时，通常随着岩层流体外、会产生大量颗粒物质(如砂)，特别是当岩层已被压裂来增进从岩层的流动时。必须控制这种砂的产生，否则可能严重影响井的使用寿命。控制砂产生的一个种最通用技术已知为“砾石充填”。在一个典型的砾石充填的完井中，一个井下筛管位于邻近待完成区段的钻井内，砾石砂浆被泵压到井下并且进入环绕井下筛管的井下环空中。当液体从砾石砂浆流失到岩层中和/或通过井下筛管时，砾石沉积在井下环空中形成环绕井下筛管的可渗透物质。这种砾石(如砂)尺寸容许所生产的流体通过，而同时阻止大多数颗粒物质流入井下筛管。

压裂/砾石充填一口井的一个主要问题(特别是要完成长的或倾斜的区段时)在于在整个完井段上适当地分布压裂液/砾石砂浆(以下称为“砾石砂浆”)。也就是说，为了保证长的完井和/或倾斜区段的适当“压裂-充填”，需要使砾石砂浆达到该区段内的所有高度上。通过整个区段(即沿井下筛管的整个长度)的砾石砂浆的不良分布通常会造成：(a)岩层仅部分压裂，以及(b)砾石充填物中具有明显的空穴。

当砾石砂浆的载运流体过早流失到岩层的较易渗透部分中和/或井下筛管本身中时，往往引起砾石砂浆的不良分布，由此在岩层适当压裂和所有砾石到位之前，使得在环绕井下筛管的井下环空中形成“砂桥”。这些砂桥有效地阻止了砾石砂浆通过井下环空的进一步流动由此妨碍把砾石送到完井段内的所有高度上。

为了减轻这个问题，已经提出和目前应用了“替补路径”井下工具(如井下筛管)，它提供了沿整个完井段的良好砾石分布，即使在所有砾石到位之前形成砂桥时也是如此。这种工具通常包括了穿孔的分流或旁通管道，管道沿工具长度延伸，并且适于在砾石砂浆进入环绕工具的井下环空时容纳砾石砂浆。如果在操作完成之前形成砂桥，砾石砂浆仍能够通过穿孔分流管(即“替补路径”)送到环空内砂桥之上和/或之下的不同高度上。有关典型替补路径井下筛管的完整描述和操作，可以参见美国专利US.4,945,991，引入这里作为参考。

在许多现有技术的上述类型的替补路径井下筛管中，个别分流管装在井下筛管外表面之外；可以参见美国专利US.4,945,991；US.5,082,052；US.5,113,935；US.5,417,284以及US.5,419,394。尽管这种构造已证明很成功，但外部安装的分流管具有一些缺点。例如，在外面把分流管安装在井下筛管上，增加了井下筛管的有效总外径。特别是当井下筛管在较小直径的井筒中运行时这可能是非常重要的，此时即使外径的几分之一英寸可能会使井下筛管不稳定，或者至少使井下筛管难以安装在井中。

在外部安装分流管的另一个缺点在于：在装配和安装井下筛管时井下筛管面临着受损危险。如果在安装期间分流管卷曲或受损，则可能变得完全无法把砾石送到完井段中的所有高度上，从而可能造成区段的不完全压裂/充填。已经提出了几种技术，把分流管放在井下筛管内来保护这些分流管；可以参见美国专利US.5,341,880；US.5,476,143和US.5,515,915。但是，这使得这些井下筛管即使不是更难做，也可能使构造更复杂，通常又造成明显的生产成本增高。

近来，在1999年4月13日提出申请的同在审理和授权的美国专利申请系列号09/290,605中，公布和申请了另一种替补路径的井下筛管，它简化了井下筛管的构造，具有一个内部替补流动路径。所公布的井下筛管包括两个同心管，即一个内部基管和一个外管。在两个同心管之间形成的环空的一部分提供了替补流动路径，用于把砾石砂浆传送到完井段内的不同高度上。

分隔件(即肋条)在管间环空内沿纵向延伸，把环空的替补流动路径区与环空的穿孔生产区分开。用绕丝之类缠绕外管的外表面，以防止砂流入环空的生产区。许多开孔沿外管纵向间隔，提供了替补流动路径的出口，由此能够把砾石砂浆从替补流动路径送到完井段内的不同高度上。

                      发明概述

本发明提供了另一种井下筛管，它具有一个内部的替补流动路径，用于在压裂/砾石充填或“压裂-充填”操作时把压裂液/砾石砂浆送到井下环空内的不同高度上。把砾石直接送到井下环空内的几个不同高度上，提供了砾石沿整个完井段的更好分布，特别是当所有砾石到位之前在环空中形成砂桥时。由于把替补流动路径设在井下筛管内，防护在井下筛管操作和安装时免受损伤和误用，并且不增加井下筛管的有效直径。

更确切地说，本发明的井下筛管包括一个较大直径的外管，它位于一个基管上面，由此在两个管之间形成一个环空(例如，最好宽度小于约一英寸)。最好是，两管基本上同心，但在某些情形下，它们可以设成稍有偏心，其中环空在一侧稍大于另一侧。每个管的周边具有一个对着中心角“α”的穿孔扇区(即具有开孔的扇区)，以及一个沿相关管的长度延伸的无孔扇区(即没有开孔的扇区)。当井下筛管已装配和基管位于外管之内时，相关的穿孔扇区沿径向对准，在两管间的环空内形成一个穿孔的生产扇区，相关无孔扇区沿径向对准，在环空内形成一个无孔的替补流动路径。

用绕丝缠绕基管以容许流体通过开孔流入基管，而同时阻止固体通过开孔流入。通过环空的上端设有一个入口，容许砾石砂浆流入管间环空。砾石砂浆流入环空的无孔替补流动路径扇区，但因为该扇区没有开孔，砾石砂浆不能直接排入井下环空。因此，砾石砂浆必须首先向下流入无孔扇区，然后沿周向流入环空的穿孔扇区，从那里能够排入井下环空，用于压裂岩层和/或形成砾石充填物。

当砾石砂浆直接流入穿孔扇区或从无孔扇区流入穿孔扇区时，载运流体从砾石砂浆到岩层和/或通过基管的开孔开始泄漏。由此使得穿孔扇区开始被砾石砂浆的砂填充。当发生这种情形时，在井下环空中将很可能已经形成一个“砂桥”，在没有替补流动路径时，它将阻止砾石砂浆进一步通过井下环空的流动，很可能造成一个不成功的完井。

当本发明井下筛管的穿孔扇区中砂充填物开始堆积到环空的无孔替补流动路径扇区时，砾石砂浆载运流体的高粘性(如不小于约20厘泊)大大阻滞了通过环空内的堆积砂填塞物的进一步周向泄漏。砾石砂浆的连续泵压现在将迫使砾石砂浆向下通过环空的无孔替补流动路径扇区到达环空内还没有形成砂填塞物的不同高度上。由于环空内砂填塞物沿周向的缓慢增长和由于在环空的其余敞开扇区中较高的流体粘性，替补流动路径扇区保持敞开。

一旦完井段已经压裂和/或被砾石充填，以及井已经投入生产，现在生产流体能够流经新设置的砾石充填物，通过井下筛管的生产穿孔扇区，并进入基管被生产到地面。由于能够通过本发明井下筛管的无孔替补流动路径直接把压裂液/砾石砂浆送到完井段内的不同高度上，砾石沿整个完井段将更好分布，特别是当在所有砾石到位之前在井下环空中形成砂桥时。另外，因为替补流动路径在内部形成在两管之间，本发明井下筛管构造比较简单，制造比较省钱，在井下筛管操作和安装时流动路径被保护不受损伤和误用。

                      附图简述

参照附图将更好地理解本发明的实际构造、操作和明显的优点，附图不需要按比例，图中相同的编号表示相同的部分，其中：

图1是一个处于井内工作位置的本发明井下工具视图，部分为剖视和被切除；

图2是图1工具一部分的透视图，部分被切除；

图3是沿图2中3-3线的剖视图。

               实现本发明的最熟知模式

更具体地参照附图，图1说明了处于工作位置的本发明井下工具10，位于生产井和/或注入井筒11的下端。井筒11从地面(图中未示)延伸，并伸入或通过岩层12。如在现有技术中可理解到，图示井筒11被套以具有射孔孔眼14的套管13。尽管井筒11被表示为一个基本上垂直的套管井，应该认识到，本发明同样也可以用于“裸眼井”和/或未扩孔井以及水平井和/或斜井。井下工具10(如砾石充填筛管)可以是单个长度，或者可以包括几节(图中仅表示了上节的一部分)，用带螺纹和/或无螺纹接头之类连接在一起，如在现有技术中可理解到。

如图所示，砾石充填筛管10的一个典型节15包括一个基管17，它位于较大直径的外管或罩18内。最好是，两个管的位置相互同心，但在某些情形中基管可以相对于外管稍有偏心。当已装配好来生产时，基管17将与一个延伸到地面(图中未示)的工作管柱16的下端在流体上连通。基管17和外管18的各自直径的尺寸提供了它们之间的一个环空19，其宽度最好是小的，如小于约1英寸，对大多数典型的完井，更好为约1/8英寸到约1/4英寸。

基管17具有一个穿孔扇区(即对着中心角“α”的基管17周边的扇区，参见图3)和一个无孔扇区(对着中心角“β”的基管17周边的余下扇区)，这两个扇区基本上沿着基管17的有效长度延伸。仅穿孔扇区具有开孔(即17a)，而无孔扇区完全没有开孔。尽管根据有关的特定完井，中心角“α”可以变化很大，但最好“α”小于基管17总圆周的180°左右。也就是说，基管17被穿孔小于其圆周的180°左右。但是，在采用较大直径管(如具有4英寸或更大外径的外管18)的某些完井中，“α”可能需要超过180°。

在大多数典型的完井中，“α”将基本上小于180°(如小于45°左右)，在某些完井中，基管17的穿孔扇区可以由单排开孔17a组成，它们沿着基管17的长度一个在另一个之上沿纵向隔开。另外，基管17周边的余下无孔扇区(对着角“β”，参见图3)沿着其长度为实心，没有穿孔或开孔。

外管18相似于基管17，也具有一个穿孔扇区(即对着中心角“α”的外管18周边的扇区，参见图3)和一个无孔扇区(对着中心角“β”的外管18圆周的余下扇区)，这两个扇区基本上沿着外管18的有效长度延伸。另外，仅外管18的穿孔扇区具有开孔(即18a)，而无孔扇区没有任何开孔。开孔18a大到足以容许流体和颗粒(如砂)均可无约束地流过；因此，砾石砂浆能够容易地流过外管18中的开孔18a。

如在图3中最清楚看到，当基管17装配在外管18之内时，基管17的开孔17a将有效地沿径向对准外管18中的开孔18a，由此提供了一个“穿孔的生产扇区”，在完井操作期间，砾石砂浆可以通过它排入井下环空中，以及在井区段完成之后所生产的流体可以通过它流入井下筛管10，这将在以下作更充分讨论。同时，对着角“β”的外管18的余下无孔扇区与基管17的无孔扇区对准，提供了一个“无孔的替补流动路径”，砾石砂浆可以通过它送到完井段内的不同高度上。

环空19的上、下端有效地敞开，容许砾石砂浆容易地流入环空。最好是，具有开口23的帽或板22(仅图示了顶板)之类同时固定到内、外管上，起到隔套的作用，由此保持各管处于其隔开的同心关系。在无孔扇区上通过顶板22的开口23为压裂液/砾石砂浆进入环空19的无孔扇区(即井下筛管的“替补流动路径”)提供了一个直接的入口。另外，基管17和外管18的上面部分可以在环空19的穿孔扇区上端之上分别延伸一个长度17b，18b，其中两个管的整个圆周均不穿孔；也就是说，在穿孔扇区之上的上端，环空19不穿孔或无孔。即使在工具10的井下筛管区顶部附近的井下环空35中迅速形成一个砂桥，这仍容许砾石砂浆自由地流入环空19。

在装配井下工具10时，基管17和外管18分别穿孔，提供了对着上述中心角“α”的它们相关穿孔扇区上的开孔。另外，中心角“α”的大小与要完成的特定区段有关。例如，如果从一个特定区段希望得到大的生产量，则与希望较小生产量情形相比，相关管的较大扇区(因而较大的角“α”)需要被穿孔。另外，为了在压裂/砾石砂浆填塞操作期间减轻这些开孔的磨损，可以把硬的插入件(图中未示)固定在适当的开孔中；参见1998年12月1日发布的美国专利US.5,842,516，引入这里作为参考。

一旦在基管17的穿孔扇区中已经提供了开孔17a，环绕其外表面缠绕一条连续长度的绕丝30。如在商用的绕丝筛管中，例如在得克萨斯州Houston的Baker Sand Control公司的BAKERWELD砾石充填筛管中通常采用的那样，绕丝30的每一圈与相邻圈稍微隔开，在相关线圈之间形成间隙或流体通道(图中未示)。这容许流体易于通过开孔17a从环空19流入基管17，而同时有效地阻止固体(如砂)流过开孔。尽管已经把基管表示为一个被绕丝缠绕的管，但应该理解到，可以采用容许流体流动而同时阻止固体流动的其他已知构件作为基管，如具有适当大小狭缝的有割缝衬管，覆盖开孔17a的非金属丝的筛绕材料，等等。

外管18位于基管17之上，由穿孔板22(仅图示了顶板)之类把两个管保持成相隔开的关系。至少对准一个入口23，从而提供一个入口进入环空19的无孔扇区或“替补流动路径”扇区。将可以理解到，如果在一个特定的完井中采用一个以上的井下筛管10长度或节15，则从上面一节环空的出口将与下面相邻一节的入口23在流体上连通，使得替补流动路径沿井下筛管10的整个长度为连续。

如在现有技术中可理解到，在操作中，井下筛管10在工作管柱16上被装配和下入到井筒11中，直到筛管位于岩层12附近和设置了封隔器28为止。把压裂/砾石砂浆(箭头33)沿工作管柱16向下泵压并且从“转换管”34中的开口32压出。砾石砂浆33将通过入口23流入板22，直接进入环空19的无孔替补流动路径扇区“β”。在某些情形下，可以通过管线37之类把整个砾石砂浆流导入环空19的顶部(如入口23)。在其他完井中，也可以同时把砾石砂浆33导入环绕井下筛管10的井下环空35中，如通常在先前技术的这类完井中那样。

当砾石砂浆33(例如，具有如悬浮砂颗粒的载运流体)流入环空19时，砾石砂浆不能从无孔的替补流动路径扇区直接排入井下环空35，因为外管18在该扇区中没有开孔。因此，为了使环空19的无孔扇区有效地作为砾石砂浆的一个替补流动路径，当砾石砂浆在环空19的无孔扇区中和当砾石砂浆沿圆周从无孔扇区流入环空19的穿孔扇区时，需要阻滞从砾石砂浆的载运流体的损失速率。这最好采用粘性载运流体(即在100秒分之一的剪切速率下具有不小于20厘泊粘性的流体)形成砾石砂浆来达到。当然，当需要阻滞从砾石砂浆的流体损失速率时，载运流体的粘性可以高得多(即几百或甚至几千厘泊)。

当砾石砂浆直接从转换管34或者沿周向从环空19的替补流动路径流入环空19的穿孔扇区时，砾石砂浆将从外管18中的开口18a流出，并且流入井下环空35，在那里砾石砂浆压裂岩层12，其中的砂支撑岩层和/或沉积在井下环空35中，形成环绕工具10的砾石充填物。另外，当砾石砂浆流入环空19的穿孔扇区时，载运流体开始泄漏到到岩层中或者通过基管17中的开孔17a。这使得环空19的穿孔扇区开始充满来自砾石砂浆的砂。当发生这种情形时，在井下环空35中很可能已经形成一个“砂桥”。

当在穿孔扇区中的砂填塞物开始堆积到环空19的无孔扇区时，砾石砂浆中载运流体的高粘性大大阻滞了通过环空19中已堆积砂填塞物沿周向的进一步泄漏。现在，继续把砾石砂浆泵压到环空19的无孔扇区中，迫使砾石砂浆向下到环空19穿孔扇区内还未形成砂填塞物的地方，由此有效地在井下环空35内延长完井段的长度。

由于环空19内砂填塞物的缓慢周向增长，以及由于环空19余下敞开扇区中较高的流体速度，环空19的替补流动路径扇区保持敞开。因此由液压系统在环空19内形成和保持一个替补流动路径，液压系统连续地使砾石砂浆转向环空19内的下游，几乎相同于先前技术的这类替补路径筛管中由穿孔分流管机械地进行的情形。

应该注意到，在某些情形中，砾石砂浆载运流体可能沿着环空的无孔替补流动路径扇区继续泄漏，替补流动路径扇区最终会封闭或成砂桥，由此阻止砾石砂浆通过它的进一步流动。因此，与采用分流管来形成砾石砂浆替补路径的筛管能够完成的区段相比，本发明很可能更多应用于完成较短的区段(例如约150英尺或更短)。但是，依靠以下方法可以延长本发明筛管能够完成的实际长度：(a)提高用于砾石砂浆的载运流体的粘性；(b)降低砾石砂浆中砂的尺寸和渗透性；(c)增加砾石砂浆的泵送速率；(d)降低环空19的宽度，等等。

此外，基管17的穿孔扇区构造也可能影响到本发明能够完成的区段长度。也就是说，如果能够限制通过基管17中开孔的载运流体的泄漏，则可以增加完井段的长度。例如，绕丝30最好如这里表示的那样直接缠绕在基管17上，而不是缠绕在先前技术中这类筛管通常采用的隔套上。这防止了环空19无孔扇区中的载运流体在绕丝之间和基管17周围的泄漏而流失到环空的穿孔扇区中。

即使绕丝30直接缠绕在基管17的表面上，由于采用密封剂(如环氧树脂、沥青等)来填充在无孔扇区中绕丝30绕圈之间的间隙(即流动通道)，由此阻止了绕丝之间和基管周围载运流体的任何偶然流入环空19的穿孔扇区，还可以进一步阻滞在环空19无孔扇区中的砾石砂浆载运流体的泄漏。还有，可以限制基管17中的开孔17a或者割缝衬管(当这种衬管用作基管时)中的狭缝的尺寸和数目到一旦井完成和投入生产时处理预计流体生产量所需的最小值。

一旦已经完成井的区段，去除转换管34和工作管柱16，并且用一组生产油管(图中未示)来置换。从岩层12来的流体将流过套管13中的射孔孔眼14、流过新放置的砾石充填物(图中未示)、流过外管18中的开孔18a、在绕丝30之间流过开孔17a和流入基管17，然后通过生产油管道被生产到地面。可以认识到，此时管间环空19也充满了砂，但这不成会一个问题，因为环空19内的充填物将容许筛管10的作用几乎相同于一个“预充填”筛管的方式，其中环空19中的砾石砂浆将容许所生产流体容易地流过，而同时有助于阻止任何不希望的颗粒流入基管17。

Claims (9)

1.一种井下筛管包括：

一个基管，它具有(a)一个穿孔扇区，其圆周对着中心角α和基本上沿着基管的长度延伸，上述基管的上述穿孔扇区具有开孔，以及(b)一个无孔扇区，其圆周对着中心角β和基本上沿着上述基管的长度延伸，上述第二扇扇区为无孔和没有开孔；

一个位于上述基管上面的较大直径的外管，由此在两管之间形成一个环空，上述外管具有(a)一个穿孔扇区，其周边基本上对着上述中心角α和基本上沿着上述外管的长度延伸，上述外管的上述穿孔扇区具有开孔，以及(b)一个无孔扇区，其圆周基本上对着上述中心角β和基本上沿着上述外管的长度延伸，上述外管的上述无孔扇区为无孔和没有开孔；当上述各管装配后，上述外管的上述穿孔扇区和上述无孔扇区分别与上述基管的上述穿孔扇区和上述无孔扇区沿径向对准，由此在上述环空内提供了一个穿孔的生产扇区和一个无孔的替补流动路径扇区；

一个装置，它容许流体流过上述基管的上述穿孔扇区中的开孔，而同时阻止固体流过上述开孔；

一个入口，它位于上述环空的上端，容许含固体的砾石砂浆流入上述环空，其中上述砾石砂浆从上述无孔替补流动路径扇区沿周向流入上述环空的上述穿孔生产扇区，并且沿着上述外管的上述穿孔扇区长度从上述开孔排出。

2.权利要求1的井下筛管，其中上述中心角α小于180°。

3.权利要求1的井下筛管，其中上述中心角α小于45°。

4.权利要求1的井下筛管，其中上述环空的宽度小于约1英寸。

5.权利要求4的井下筛管，其中上述环空的宽度在约1/8英寸和约1/4英寸之间。

6.权利要求1的井下筛管，其中上述各管被设置成相互同心。

7.权利要求1的井下筛管，其中容许流体流过上述基管中上述开孔的上述装置包括：

一条缠绕在上述基管圆周上的连续长度的绕丝，上述绕丝的每一圈与相邻圈隔开，由此提供了线圈之间的流体通道。

8.权利要求7的井下筛管包括：

密封上述绕丝线圈之间的上述流体通道部分的装置，上述流体通道部分位于上述环空的上述无孔替补流动路径扇区内。

9.权利要求1的井下筛管，其中上述砾石砂浆包括：

粘度不小于约20厘泊的液体；以及

颗粒。

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