CN1298962C - 利用低粘度流体进行砾石充填完井的方法和完井工具 - Google Patents

Abstract

利用低粘度浆液用砾石充填完井层段的一个方法和完井工具。完井工具包括一个筛网和至少一个备用流动通道，一个阀门装置使备用流动通道在开始时封闭流动。一旦在完井层段中形成砂桥，被泵送的浆液的压力增加，它打开了阀门装置，容许流动通过备用流动通道。最好是，设有许多不同长度的流动通道，所有流动通道包括适于在不同压力下打开的阀门装置。

Description

利用低粘度流体进行砾石充填 完井的方法和完井工具

技术领域

本发明涉及了砾石充填一个井筒，它的一个方面涉及了一个井筒内利用低粘度流体砾石充填一个长层段的完井方法和完井工具，其中沿整个层段上达到砾石的良好分布。

背景技术

在从松散胶结和/或压裂的地下储层开采烃之类时，通常除了采出储层的流体外会采出大量颗粒材料(如砂)。已经知道，这些颗粒经常引起各种问题并且必须加以控制，以便保持经济地开采。用于控制生产层出砂的最常用技术可能是一个通常称为“砾石充填”的技术。

在一个典型的砾石充填完井中，把一个筛网之类降低到井筒内，并且设置在要完井的层段附近。然后总称为“砾石”的颗粒材料作为浆液沿着工作管柱泵送，并且通过一个“转换”接头之类在筛网之上排出，进入筛网周围的井筒环形空间中。浆液中的液体滤失到储层中和/或通过筛网的通路，由此造成砾石沉积或在筛网周围的环形空间中“筛出”。砾石依大小排列使得它在筛网和生产层之间形成一个可渗透的块状物或“填塞物”，这样容许产出流体流过它们并进入筛网，而基本上截断任何颗粒材料流过它们。

与砾石充填有关的一个主要问题，特别是要完成厚的或倾斜的生产层段完井时，是保证砾石在整个完井的层段上的良好分布。也就是说，如果砾石不是沿整个完井的层段上分布，砾石充填将不均匀，其中将具有降低其效率的空穴。当放置砾石时，液体从浆液提前滤失到储层，往往引起沿层段的砾石的不良分布。这种液体滤失会在所有砾石分布到环形空间之前，引起在环形空间内形成“砂桥”。这些砂桥进一步截断了浆液流过井筒的环形空间，由此，(a)对于从顶到底的充填操作在砂桥之下，或者(b)对于从底到顶的操作在砂桥之上，阻止了足够砾石的放置。

最近，已经开发了完井工具，即使在所有砾石沉积之前在环形空间中形成了砂桥它们也能提供遍布所希望层段上砾石的良好分布。这些工具(如完井筛网)包括许多“备用流动通道”(如分流管或射孔管)，它们沿着筛网延伸，并且当砾石浆液进入井筒环形空间时，它们接受浆液。如果在放置所有砾石之前形成了砂桥，则浆液将绕过砂桥，并通过分流管流出到环形空间内的不同高度上，由此在砂桥之上和/或之下完成环形空间的砾石充填。对于这种完井工具的完整细节，可以参见美国专利4,945,991；5,082,052；5,113,935；5,515,915和6,059,032。

在单次操作中对较厚井筒层段(即100英尺或更多)完井时，具有那些上述备用流动通道的完井工具已经证明是成功的。在这种操作中，浆液中的流体载体通常包括高粘度的凝胶。但是，利用低粘度流体(如水、稀凝胶等)作为砾石浆液的流体载体往往是有利的，因为与由更粘稠凝胶形成的浆液相比，这种浆液省钱，对生产层损坏较小，更容易排出砂砾，等等。

但是，遗憾的是，当与“备用通道”筛网结合用于井筒的长层段砾石充填时，采用低粘度浆液可能存在一些问题。这主要是由于流体载体低粘度，它通过分流管中相隔开的各个出口(即射孔)提前“滤失”，由此引起分流管本身在一个或几个射孔上“脱砂”，由此进一步截断了通过被截断分流管的浆液流动。当发生这种情形时，不能保证把浆液送到要用砾石充填的层段内的所有高度上。

发明内容

本发明提供了一个用砾石充填井筒内的一个完井层段的方法和一个完井工具，它采用具有低粘度的流体载体，如水，提供了沿层段上砾石的良好分布。基本上，本发明的砾石充填工具包括一个至少具有一个沿着筛网延伸的备用流动通道完井筛网。依靠一个适于在预定压力下打开的阀门装置，备用流动通道在开始时封闭流动。当在完井层段附近的环形空间中形成砂桥时，在被泵送浆液上的压力增加到可以打开阀门装置，由此容许浆液流经备用流动通道来完成对完井层段的砾石充填。

更具体地说，砾石充填工具包括一个通过一个工作管柱设置在完井层段附近的筛网。最好是，沿着筛网设置了不同长度的许多备用流动通道(即不射孔或无眼的分流管)。每个管在其上端打开而形成一个入口和在其下端打开而形成一个出口。一个如防爆片、止回阀等的阀门装置设在每个管的入口上，在开始时截断流动。每个阀门装置适于在不同压力下打开，使得当砂桥在环形空间中逐步形成时顺序地打开分流管，它又引起在环形空间中被泵送浆液上的压力增加。

通过提供不同长度和仅具有一个出口(即打开的下端)的分流管，无眼分流管可以(即沿其长度不射孔)把浆液送到完井层段内的不同高度上。由于能够采用无眼的分流管，减少了一个特定管在其长度方向上隔开的出口上脱砂的风险。另外，由于在开始时对每个管封闭了流动，仅在砂桥已在环形空间中形成和环形空间中压力已明显增加之后，低粘度流体才流动通过一个特定的分流管。这造成了以较高流动速率通过现在打开的分流管，这对浆液流经分流管时保持砾石悬浮在低粘度流体载体中非常有利。

附图说明

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，其中相同的编号表示相同的部分，其中：

图1是在一个操作位置中本发明设备在井筒内的剖视图，相邻于要按照本发明用砾石充填的一个层段；

图2是取自图1的线2-2上的剖视图；

图3是图1设备的分流管上端的部分剖视图，说明了用于本发明的一种阀门装置类型；以及

图4是图1设备的另一个分流管上端的部分剖视图，说明了用于本发明的另一种阀门装置类型。

尽管本发明将结合其优选实施例来描述，可以理解到，本发明不限于此。相反，本发明是指包括了所有替代、修改和相当可以包含在如所附权利要求所规定的本发明精神和范围内的内容。

具体实施方式

更详细地参照附图，图1说明了一个生产/注入井10的下部，具有一个从地面(图中未示)通过生产/注入层12延伸的井筒11。如图所示，井筒11用套管13和水泥14固封，它们又具有射孔15，通过它在储层12和套管13内部建立了流体上的连通。尽管井10在图1中表示为一个基本上垂直的套管井，应该认识到，本发明同样可用于裸眼和/或管下扩眼的完井，以及倾斜和/或水平的井筒。

本发明的砾石充填工具20设在储层12的一个完井层段附近的井筒11内，并且与套管13形成了环形空间19。工具20包括一个筛网21，它具有与其上端连接的一个转换接头22，它又从地面悬挂在一个管道或工作管柱上(图中未示)。本说明书和权利要求中所用的名称“筛网”意味着涉及和包括在工业上通常用于砾石充填操作的任何和所有的可渗透结构类型，它们容许流体通过而截断颗粒的流动(如可买到的筛网、开槽或射孔的衬管或管子、带筛网的管子、线缠绕管子、预包装筛网和/或衬管，以及其组合)。筛网21可以是一个连续长度，或者是由接头和/或不带眼的管子连接的各段(如30英尺一段)组成。

沿着工具20长度设有备用通道装置25，如图1和2所示，包括许多较小(即1到1-1/2英寸或更小直径)的不带眼的管子，即各种长度的不射孔的分流管25a-d，它们环绕工具20沿径向隔开，并且沿着其长度纵向延伸。这些分流管可以为圆截面形状(如25a，25c)或其他截面形状(如基本上为矩形的25b，25d，图2)。每个分流管在其上端打开，提供了一个入口来接受浆液(如以下说明)，以及在其下端打开，提供了一个出口。另外，分流管25a-d可以设在筛网外面，如图所示，或者可以设在筛网内部，如在美国专利5,515,915中所示。

由于改变了分流管25a-d的长度，在砾石充填操作期间，流经各自的分流管的砾石浆液将送到环形空间19内的不同高度上。如果砾石充填的层段位于水平井筒之类内，则把这里所用的名称“高度”设想为井筒内的相对侧向位置。

对此描述的工具20在构造和操作上均与先前技术相似，这种类型的备用通道的筛网可参见美国专利5,113,935。在这些工具类型中，分流管通常沿其长度射孔，以提供隔开的各个出口，通过它们把浆液送到砾石充填层段内的不同高度上。这些工具通常用于分布具有以较高粘度凝胶作为流体载体的浆液，在这样使用时已证明非常成功。

但是，当采用这些先前技术的工具来分布由低粘度流体载体形成的浆液时产生了问题。如这里所用，“低粘度”意味着包括对此目的常用的和粘度为30厘泊或更小的流体(如水，低粘度凝胶等)。由于其低粘度，当砂浆流经分流管时，在先前技术的分流管中一个或几个隔开的射孔上，流体载体可能会迅速流失。这种低粘度流体载体从浆液迅速滤失提出了一个实际的危险：一个或几个分流管会在流体迅速流失的射孔上快速“脱砂”，由此进一步截断了通过该管的浆液流动。因为井筒环形空间已经被砂桥截断，被截断的分流管将进一步阻止把浆液送到环形空间内的不同高度上，由此造成不良填塞的完井层段间。

本发明的工具20即使采取低粘度流体载体来形成浆液，也能够在长和/或倾斜和/或水平的完井层段上提供良好的砂砾分布。为此，采用位于每个各自的分流管顶上或附近的一个阀门装置31，在开始时截断通过每个分流管25a-d的流动。阀门装置31可以是在封闭位置上截断流动和在预定压力下打开的任何类型阀门。例如，阀门31可以包括一个片31a(图3)，它位于分流管25b的入口内，在预定压力下将破裂而打开分流管来流动。

阀门装置31的另一个例子是止回阀31b，它位于分流管25a的入口内(图4)。阀门31b包括一个球件33，通常用弹簧35偏压到座34上的封闭位置，弹簧的尺寸使得可控制阀门打开的压力。阀门装置31最好制成单独的部件，然后用如焊缝36(图4)、螺纹(图中未示)等任何适当方法固定到各自分流管的顶部。

最好是，每个阀门装置31设成在相互不同的压力下打开。也就是说，在最短分流管(如图1中的管25a)上的阀门装置31将在最低的各自打开压力下打开，在次短分流管25c上的阀门装置31将在较高打开压力下打开，等等，在最长分流管25b上的阀门装置31将在最高的各自打开压力下打开；其理由将在以下说明。

在实现本发明的方法中，砾石充填工具20降到井筒11中，并且设置在层段12附近。如熟悉该技术的人员所理解的那样，设置封隔器30。所有分流管25用各自阀门装置31在其各自上端封闭流动。包括低粘度流体载体和“砾石”(例如，如砂的颗粒等)的浆液(图1中粗箭头40)沿着工作管柱被泵送向下，通过在转换接头22中的出口28，进入环形空间19的上端，环形空间19沿整个完井层段12环绕着工具20。另外，如这里所用，“低粘度”意味着包括通常用作流体载体和粘度为30厘泊或更小的流体(如水、低粘度凝胶等)。

当浆液40流经环形空间19时，浆液中的流体载体通过射孔15滤失到储层12中，并且也通过筛网21.当发生此情形时，砾石从浆液中分出来，堆积在环形空间19内形成环绕筛网21的需要的“砾石充填”。但是，如果流体载体从浆液滤失得太快，在环形空间内将形成砂桥26，进一步截断浆液的流动。在本发明中，当发生此情形时，被泵送到环形空间19顶部中的浆液上的压力继续增加，直到该压力达到需要在最短管25a上打开阀门装置31时为止，即根据所采用的阀门类型，片31a将开裂，止回阀31b将打开，等等。

低粘度浆液40现在可以沿着最短分流管25a向下流动，充填在砂桥26之上和与管25a出口(即下端)流体上连通的环形空间19部分。因为分流管沿其长度没有射孔，即使采取低粘度的流体载体，也存在管子脱砂的风险。由于在环形空间19中形成砂桥26和浆液压力增加到可打开阀门装置31之前，一直保持管子对流动的封闭，这个风险被进一步避免。这个在浆液上压力的增加将造成通过相关分流管的浆液流动速率要比分流管在开始时就打开所具有的流动速率高得多。通过分流管的明显较高的流动速率有助于当浆液流经管子时使得颗粒保持悬浮在浆液中。

一旦在砂桥26之上的环形空间19部分被填塞，当浆液通过转换接头22进入环形空间19的顶部时，被泵送的浆液40上的压力进一步增加。这个进一步增加的压力现在将引起第二阀门装置31打开，由此容许流动通过下一个分流管(如25c)，开始充填在砂桥26之下的环形空间19部分。如果另外的砂桥(图中未示)形成在砂桥26之下环形空间中某个位置，在环形空间不同部分的填塞完成时浆液上的压力继续增加，各自的分流管(如25b、25d)将顺序地打开。

尽管已经表示了四个分流管25，应该认识到，根据特定的情形，如完井层段12的长度等，可以采用较少或较多的分流管而不偏离本发明。

Claims (13)

1.一个用砾石充填井筒内完井的层段的完井工具，所述完井工具包括：

一个适于与工作管柱下端连接的完井筛网；

多个沿所述筛网延伸的分流管；所述每个分流管具有一个入口和至少一个出口；以及

一个装在所述每个分流管的所述入口上的阀门装置，在开始时截断通过它的流动。

2.权利要求1的完井工具，其中所述每个分流管的长度不同。

3.权利要求2的完井工具，其中所述每个分流管在其上端打开形成所述入口，在其下端打开形成所述至少一个出口。

4.权利要求3的完井工具，其中在所述每个分流管的所述每个入口上的所述阀门装置适于在不同预定压力下打开，从而连通所述每个分流管以允许流动。

5.权利要求1的完井工具，其中所述阀门装置包括一个片，所述片适于在预定压力下破裂，以打开一个各自的分流管以允许流动。

6.权利要求1的完井工具，其中所述阀门装置包括一个止回阀，所述止回阀适于在预定压力下打开由此连通一个各自的分流管以允许流动。

7.用砾石充填井筒内完井的层段的一个方法；所述方法包括：

在所述完井层段附近的所述井筒内定位一个砾石充填工具，所述砾石充填工具具有一个完井筛网和至少一个沿所述筛网延伸的备用流动通道，所述备用流动通道具有一个入口和至少一个出口，所述入口在开始时封闭流动；

使包括低粘度流体载体和砾石的浆液向下流动到环形空间中，环形空间形成在所述砾石充填工具和所述井筒之间，以便使环绕所述筛网的所述砾石沉积；

继续所述浆液的流动直到所述环形空间中形成一个砂桥时为止；

在所述砂桥已经形成之后，打开所述至少一个备用流动通道的所述入口，容许所述浆液流入所述备用流动通道和流出所述备用流动通道的所述出口，完成所述完井层段的所述砾石充填。

8.权利要求7的方法，其中所述流体载体是具有粘度30厘泊或更小的流体。

9.权利要求8的方法，其中所述流体载体是水。

10.权利要求8的方法，其中所述流体载体是低粘度凝胶。

11.权利要求7的方法，其中所述至少一个备用流动通道在开始时被装在所述备用流动通道的所述入口上的阀门装置所封闭，以及增加所述环形空间内所述浆液的压力来打开所述阀门装置，使得所述备用流动通道打开以允许流动。

12.权利要求11的方法，其中所述至少一个备用流动通道包括许多不同长度的备用流动通道。

13.权利要求12的方法，其中所述每个备用流动通道包括一个适于在不同压力下打开的阀门装置。

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