CN1311142C - 用于砾石封隔井的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一个井滤网(10)和一个砾石封隔的井，其中可使用低粘度的流体来分散砾石。带有多个间隔开的歧管(20)的井滤网(10)向下降，浆液沿井向下抽到第一歧管(20a)中。每一个歧管(20)有一个上分流管和下分流管(40和50)，用来向上和向下分散浆液。通过将分流管(40和50)的出口重叠起来，可将浆液输送跨越整个完井层段。
Description
技术领域
本发明涉及井的砾石封隔，其中一个方面涉及用于井的长层段的砾石封隔的设备和方法。
背景技术
在从某一地层生产烃或类似物的过程中，在产生地层流体的同时产生大量颗粒材料(例如，沙)并不罕见。这些沙的产生必须得到控制，否则它将严重影响井的经济寿命。用来控制沙的最常用的技术之一是已知的“砾石封隔”。
在一个典型的砾石封隔完井中，在井筒内靠近待完成的层段放置一个滤网或类似物，微粒物质的浆液(即，“砾石”)被抽到井下围绕滤网的环内。随着液体从浆液流失进入地层和/或穿过滤网，砾石沉积在环内在滤网周围形成一种渗透性物质，当充分筛去任何微粒物之后它反过来允许产生的流体流进滤网内。
在砾石封隔中，特别是在要完成长的或倾斜的层段中，一个主要的问题是保证砾石被分散在整个完井层段。也就是说，如果砾石没有被分散在整个完井层段，砾石封隔将不均匀并且在那里将有空隙，这将降低它的效率。
在一个层段内砾石分布不好通常是由于当砾石被放置时液体过早地从砾石浆液流失到地层引起的。流体的损失能导致在环内“沙桥”的形成，反过来，“沙桥”进一步阻碍浆液流过井环因此阻止足够的砾石(a)以顶-底(top-to-bottom)的封隔操作方式堆放在桥下方或(b)以底-顶(bottom-to-top)的封隔操作方式堆放在桥上方。
为了缓解这一问题，已经发展出了“备用通路”井工具(例如，井滤网)，它使砾石在贯穿整个完井层段内分布良好，甚至当沙桥在所有砾石被放置前形成也如此。在备用通路井工具中，穿孔的分流管沿着工具长度延伸并当砾石浆液进入环绕工具的井环时容纳砾石浆液。如果一个沙桥在环内形成，浆液仍然流过穿孔的分流管以输送到环内高于和/或低于桥的不同的层面，从而完成环的砾石封隔。各种备用通路井工具(例如，砾石-封隔滤网)的详细描述以及它们如何工作的可以参看美国专利4,945,991；5,082,052；5,113,935；5,515,915；和6,059,032；它们在此被引用作为参考。
已经使用如上面描述的那些备用通路井工具以一种简单的操作来砾石封隔相当厚的井筒层段(即，30.5米(100英尺)或更厚)。在这样的操作中，砾石浆液中的携带液典型地包括高粘度的凝胶(即，大于30厘泊)。携带液的高粘度提供了必要的流阻以保持支撑剂(例如，沙)处于悬浮状态，而浆液被抽出沿着穿孔的分流管穿过小而间隔开的开口进入完井层段内的环的不同的层面。然而，正如那些本领域技术人员所承认的那样，使用低粘度的流体(例如，水、稀凝胶或类似物；大约30厘泊或更低)作为用于砾石浆液的携带液通常更有利，因为这样的浆液不昂贵、对生产层损害更小、输送砾石比那些用较粘的凝胶等形成的浆液更容易。
然而，不幸地，当和“备用通路”滤网一道用于砾石封隔井筒的长的、倾斜的、或水平的层段时使用低粘度的浆液可能带来一些问题。这主要由于低粘度的携带液过早地通过在分流管内的间隔的出口(即，穿孔)“流失”，因而导致分流管，它们本身，在一个或多个穿孔处“砂堵”，从而阻碍了浆液进一步的流过堵塞的分流管。当发生这种情况，就不能保证将浆液输送到被砾石封隔的层段内的所有层面，反过来，在完井层段砾石封隔有可能比预计的少。
发明内容
本发明提供了一种用于砾石封隔井筒的长或倾斜的完井层段的井工具和方法，其特征在于砾石分散贯穿层段，即使在使用低粘度的浆液时也是如此。基本上，一个在其中具有本发明的浆液分散系统的并滤网在工作管柱上降到完井层段。浆液分散系统包括若干中间歧管，这些中间歧管沿滤网长度间隔开并流体连接在一起。包括低粘度携带液(例如水)和支撑剂(例如沙)的浆液沿井筒向下抽，供应到第一中间歧管。
使用井滤网来在基本垂直的井筒中完成层段时，可能通过至少一个输送管将浆液供应到第一中间歧管，该至少一个输送管在其上端打开。使用井滤网来在基本水平的井筒中完成层段时，可能提供一个供应歧管，该供应歧管通过至少一个输送管流体地连接到第一中间歧管，并直接从工作管柱中的跨接(cross-over)或类似物接受浆液。
每一个中间歧管有至少一个从那里向上延伸的上分流管和至少一个从那里向下延伸的下分流管。如果存在一个供应歧管，那么它只有从那里延伸的下分流管。每一个分流管都穿孔有若干出口开口，这些出口开口沿管子的外部长度间隔开。每一个管子的长度(例如，从约0.61米(2英尺)到约管子整个长度的1/2)最好从入口端留为空白(也就是没有开口)。在浆液流入到分流管中时，这将产生紊流，阻止浆液中的流体损失，从而将支撑剂维持在悬浮状态直到它们从那里的开口流出管子为止。
浆液在充满第一中间歧管后，它将基本上同时穿过上分流管向上流动和穿过下分流管向下流动，并流出相应的管子进入在围绕滤网的环内相互之间间隔开的区域中。
接着浆液从第一中间歧管穿过一个输送管流入到第二中间歧管，从这里开始，浆液又基本上同时穿过相应的流体地连接到第二中间歧管的分流管，从那里的开口流出到在所述环内相互之间间隔开的不同区域。通过将上歧管的下分流管中的开口和下歧管的上分流管中的开口重叠起来，浆液将被输送到横跨在两个相应的歧管之间的整个完井层段上。通过提供足够多的中间歧管来延伸贯穿待完成的层段，砾石将被分散到层段内的所有区域，即使在使用低粘度的浆液和/或沙桥是否应该在砾石封隔完成之前在环内形成的情况下也是如此。
附图说明
参照附图可更好地理解本发明的实际构造、操作和明显的优点，这些附图并非一定是按比例画出的，在附图中，类似的数字表示类似的部件，其中：
图1是本发明的备用通路工具的简单描述；
图2是图1的备用通路工具的具体实施方式的部分区段的正视图；
图3是沿图2中线3-3的横截面图；
图4是图2的装置的下输送管的上端的局部截面图，说明了可在本发明中使用的一种类型的阀装置；
图5是图2的装置的另一个下输送管的上端的局部截面图，说明了可在本发明中使用的另一种类型的阀装置。
虽然对本发明的描述结合了其最佳实施方式，但应该理解到本发明并不受此限制。相反，本发明应该覆盖所有的变更、改进和等效形式，这些变更、改进和等效形式将被包含在由附属权利要求确定的发明的精神和范围之内。
具体实施方式
特别参照附图，图1和2说明了本发明的原理和位于在生产和/或注入井筒11下端内的可操作位置处的井工具10的一种实施方式。井筒11从表面(未显示)延伸，穿过一个完井层段，该完井层段被说明为具有实质性的长度或厚度，并沿井筒11方向垂直地延伸，它由区域A、B、C、D和E(为清晰起见只在图1中标明)组成。如图2所示，井筒11套有外壳12，它在整个完井层段上有穿孔14，这在本领域是可以理解的。
虽然在图1和2中，井筒11都被说明为一个基本上是垂直的、套有外壳的井，但是应该认识到，本发明可同样用于“开口”和/或扩孔不足的完井以及水平和/或倾斜的井筒。由于本发明可适用于在水平和倾斜的井筒中使用，在这里使用的术语“上和下”、“顶和底”等是相对的术语，并准备应用到位于特定的井筒中的相应的位置，而当使用术语“层面”时准备指的是沿井筒横卧于完井层段末端之间的相应的位置。
井工具10(例如图1中虚线表示的砾石封隔滤网)可以是一个单一的长度，或者更可能如图2所示的那样由若干节15组成，这些节通过螺纹接口16或类似物相互连接起来，这在本领域是可以理解的。如图2所示，砾石封隔滤网10的每一节15相互之间基本上是一致的，由一个穿孔的中心管17组成，中心管有连续长度的缠绕在其上的缠绕线19，在此形成“滤网”段。虽然中心管17显示为具有许多穿孔18，但是应该认识到，在不背离本发明的前提下，也可以使用其它类型的可渗透的中心管，例如割缝管子等。
缠绕线19的每一个线圈都与相邻的线圈稍微间隔开，由此在线的各自线圈之间形成流体通道(未显示)，正如许多在市场上能买到的线缠绕滤网，例如BAKERWELDTM Gravel Pack Screen，BakerSand Control，Houston，TX，通常所作的那样。此外，虽然明确描述了一种类型的滤网10，但是应该认识到在本发明说明书和权利要求全文中使用的术语“滤网”指的是总称，应该包括并涵盖通常在砾石封隔操作中使用的所有类型的类似的井工具(例如市场上可买到的滤网、割缝或穿孔衬管或管子、滤管、预封隔或双重预封隔滤网和/或衬管或者它们的组合)。
根据本发明，井工具10包括一个由若干歧管20(例如20a、20b、20c)组成的砾石浆液分散系统，这些歧管反过来沿井工具10定位。如图2所示，每一个歧管最好定位到或者靠近相应的螺纹接口16，主要是为了在野外组装一个长的井工具10时方便装配。相应地，在相应的歧管之间的间隔典型地一般与节15的长度相等，例如为6.1米-9.15米(20英尺-30英尺)。当然，在不背离本发明的情况下，歧管也可沿井工具10以不同的方式定位和间隔。
每一对相邻的中间歧管(例如，20b和20c)通过至少一节输送管25(例如图2中显示有一个，图1中有两个)流体地连接在一起。井工具10最好包括一个供应歧管20a，当井工具10被用来砾石封隔一个横卧在倾斜的或水平的井筒内的完井层段，并适于容纳直接来自跨接22内部的出口21的砾石浆液(箭头30，为清楚起见只标记了一部分)，反过来，跨接被连接在井工具10和工作管柱23之间(图2)。当井工具10被用在基本上垂直的井内，如果需要，可以取消供应歧管20a，因此浆液30直接进入输送管25(即，供应管)的开口端和下分流管50a，下文将详细描述后者。在没有供应歧管20a的情况下，供应管25的上端和下分流管50a可通过焊接32(图2)或类似方法固定到工具10。
优选地，减压阀26设置在每个输送管25的入口或在其附近，为了前述目的，减压阀位于一个岐管内部。也就是说，如果在工具10内没有供应歧管20a，那么通常在第一输送或供应管25内没有阀26。阀26可以是任何类型的阀，它在关闭位置时阻碍流动，在预定压力下它将打开以允许浆液流过输送管。例如，阀26可以包括一个圆盘26d(图4)，该圆盘位于输送管25的入口范围内，其在预定压力下裂开以打开输送管使浆液流动。
阀装置26的另一个例子是止回阀26(图5)，它位于输送管25的入口范围内。阀26k由一个球元件33组成，它通常被弹簧35偏置到座34上的一个关闭位置，反过来，弹簧的尺寸控制打开阀的压力。阀元件26最好做成一个独立部件，反过来，它又通过任何合适的装置，例如焊接36(图5)、螺纹(未示出)等固定到一个相应的分流管顶部。
至少一个上分流管40和一个下分流管50流体地连接到每一个中间岐管(例如，图1和2中的第二岐管20b、第三岐管20c)上。图1示出了多个(例如两个)输送管25、多个(例如两个)上管40、多个(例如两个)下管50。记住，在井工具10使用在水平井筒的情况下，“上”和“下”是相对的术语，其中“上”表示最靠近井口的位置。供应歧管20a具有至少一个流体地连接到那里的下分流管50，而浆液分散系统内的最下歧管(未显示)有至少一个流体地连接到那里的上分流管40，以便能够保证将浆液输送到完井层段内部的所有层面。每一个上分流管40和每一个下分流管50的长度都足以使得它们能够在其两个相应的歧管20a之间有效地延伸，其原因将在下面的讨论中阐述清楚。
每一个分流管40和50都分别穿孔有间隔的开口41，51，(为了清晰起见，只标示了少量)。优选地，每一个分流管都只沿着其长度朝向外端的一部分有穿孔，而每一个分流管的入口部分(例如，长度为至少2英尺到约分流管长度的一半)基本上保持空白(例如，没有出口)，这样做的原因将在下面讨论。而且，每一个分流管40、50和输送管25都最好这样形成，使得它们的相应端能够易于操纵并滑入到相应歧管中分散的开口中，并通过已知的密封装置(例如，O-环或类似装置，未显示)在那里密封，从而使得相应的歧管和管子在工具10形成并下放到井筒中时易于装配。
现在主要参照图1，可以看出，在相邻两个歧管20之间有效延伸的每一个上分流管40和下分流管50都在其长度外部足够长的地方被穿孔，当工具10在完井层段内部的可操作位置时，这些相应的穿孔段相互之间重叠在一起。也就是说，从供应歧管20a向下延伸的下管50沿着它们的下部有穿孔，流过这些管子的浆液将流出到位于完井层段中临近区域B的井环11a中。基本上在同一时间，浆液将向下穿过输送管25流到中间歧管20b，接着向上穿过上分流管40a从临近区域A流出，从而保证将浆液输送到横卧在供应歧管20a和第二歧管20b之间的完井层段的整个长度上。显然，这样的顺序接着在位于歧管20b下方的其它歧管中重复，以完成整个砾石封隔操作。
通过将每一个分流管的入口部分保持空白，浆液在流过该空白部分范围时将遇到一个确定的阻力，从而产生紊流，这将有助于将支撑剂(例如沙子)一直维持在悬浮状态，直到浆液到达位于管子外端或出口端的出口为止。而且，由于在每一个分流管的空白部分没有开口，浆液中不会有流体损失，从而实际上消除了分流管中过早砂堵的可能性。
一旦砾石封隔在滤网节周围沉积后，封隔开始在相应的分流管内淤塞。但是，每根管子的空白部分相对较长，这保证了任何正在进行的穿过该分流管的流体损失都是微小的；这样，提供了所需要的对浆液的分流，而这是保证封隔整个完井层段所必需的。
现在将阐述一种使用本发明的典型的砾石封隔操作方法。将滤网10装配好，下沉到在工作管柱23上的井筒11中(图2)，并将其定位到与完井层段(例如，图1中的区域A、B、C、D和E)相邻。如果需要，还可以设置一个封隔器(未示出)，这在本领域是可以理解的。将砾石浆液30抽运向下穿过工作管柱23，从跨接22中的开口21流出，进入供应歧管20a(例如，为了在水平井筒中使用而存在)或者直接进入输送管25和下分流管50的开口上端(例如，如果完井是垂直的井，那么可能没有供应歧管20a)。虽然可以使用高粘度的浆液，但是最好使用由低粘度的携带液和支撑剂，例如沙子，形成的浆液。在这里使用的“低粘度”指的是覆盖了通常为此目的使用的流体，其粘度为30厘泊或更小(例如，水、低粘度的凝胶等)。
如果存在供应歧管20a，那么浆液30将充满供应歧管20a，并流过下分流管50a，从而穿过开口51流出，进入到临近区域B的环中。初始时，如果减压阀26a存在，它将阻塞穿过输送管25a(图2)的流动，从而阻塞了从供应歧管20a到中间歧管20b的流动。当供应歧管内的压力上升到稍微超过(例如，20-30psi)浆液的初始泵压值时，阀26a将被设置成打开。这保证了供应歧管20a和下分流管50a都充满浆液，并且在阀26a打开前就流动以允许浆液流到第二歧管20b。
浆液充满中间歧管20b，现在向上流动穿过上分流管40b，并向下流动穿过下分流管50b。由于上分流管40b中的开口41和下分流管50a中的开口51重叠，浆液将被输送到横卧在供应歧管20a和第一中间歧管20b之间的完井层段的所有部分。进一步地，由于每一个分流管的入口部分都是空白，当浆液流过该空白部分时不会有任何流体损失，这在使用低粘度浆液的情况下是很重要的。更进一步地，由管子较小的内部尺寸引起的对流体的阻力会产生紊流，反过来这将有助于将支撑剂一直维持悬浮，直到浆液从相应的管子中的开口流出为止。
一旦中间歧管20b及其相连的分流充满浆液，那里的压力自然会上升，反过来这将打开阀26b以允许浆液流到下一个下中间歧管20c。接着浆液充满歧管20c及其相连的上下分流管，这个过程将继续下去，直到特定的井工具中的所有的歧管和分流管都供应有浆液时为止。从图1中可以看出，由于相邻的分流管中的开口重叠，浆液将被分散到完井层段的所有部分(例如，区域A、B、C、D和E)，从而在整个完井层段上产生良好的砾石封隔。
Claims (18)
1.一种用于砾石封隔井筒内的完井层段的井工具，所述井工具包括：
滤网段；和
浆液分散系统，包括：
多个中间歧管，所述歧管沿所述滤网段相互之间间隔开；
至少一个将每对相邻的所述中间歧管流体连接起来的无穿孔的输送管；
至少一个流体连接到每一个所述中间歧管上并从那里沿所述滤网段向上延伸的上分流管；所述至少一个上分流管具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口；以及
用于向所述多个歧管供应浆液的装置。
2.如权利要求1所述的井工具，其特征在于：所述用于向所述多个歧管供应浆液的装置包括：
流体连接到所述多个中间歧管的最上部并从那里向上延伸的无穿孔的输送管，该输送管在其上端是开口的，用于当所述浆液绕所述工具流入到所述完井层段中时接收所述浆液。
3.如权利要求1所述的井工具，其特征在于：所述用于向所述多个歧管供应浆液的装置包括：
用于当所述浆液流入到所述完井层段中时接收所述浆液的供应歧管；
至少一个流体地将所述供应歧管连接到所述多个中间歧管上的无穿孔的输送管。
4.如权利要求3所述的井工具，包括：
至少一个流体地连接到所述供应歧管并沿所述滤网向下延伸的下分流管；所述至少一个下分流管具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口。
5.如权利要求1所述的井工具，包括：
在所述至少一个输送管中的阀，用于开始时阻塞流体流过所述输送管，适于当所述供应歧管中的压力升高到一个预定值时打开。
6.如权利要求1所述的井工具，其特征在于：在每一个所述至少一个上分流管和至少一个下分流管中的所述开口沿每一个相应的所述分流管的外部长度间隔开，由此每一个所述管的一部分长度在该管的入口端处是空白的。
7.如权利要求6所述的井工具，其特征在于：所述每一个管的长度的空白部分的长度为约0.61米到约所述管的整个长度的1/2。
8.如权利要求1所述的井工具，其特征在于：在所述至少一个自所述多个中间歧管中的一个向上延伸的上分流管中的所述开口与在所述至少一个自所述多个中间歧管中的另一个向下延伸的下分流管中的所述开口重叠。
9.一种用于砾石封隔井筒内的完井层段的井工具，所述井工具包括：
滤网段；和
浆液分散系统，包括：
设置在所述滤网段的上端附近的供应歧管，所述供应歧管包括：
用于向所述供应歧管供应浆液的装置；
至少一个具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口的下分流管，所述下分流管流体连接到所述供应歧管上并从那里沿所述滤网段向下延伸；
设置在所述滤网段上并与所述供应歧管间隔开的第一中间歧管，所述第一中间歧管包括：
至少一个具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口的上分流管，所述上分流管流体连接到所述第一中间歧管上并从那里沿所述滤网段向上延伸；以及
将所述供应歧管流体连接到所述第一中间歧管上的无穿孔的第一输送管。
10.如权利要求9所述的井工具，其特征在于：所述第一中间歧管还包括：
至少一个具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口的下分流管，所述下分流管流体连接到所述第一中间歧管上并从那里沿所述滤网段向下延伸。
11.如权利要求10所述的井工具，包括：
设置在所述滤网段上并与所述第一中间歧管间隔开的第二中间歧管，所述第二中间歧管包括：
至少一个具有沿其长度的至少一部分间隔开的开口的上分流管，所述上分流管流体连接到所述第二中间歧管上并从那里沿所述滤网段向上延伸；以及
将所述第一中间歧管流体连接到所述第二中间歧管上的无穿孔的第二输送管。
12.如权利要求11所述的井工具，包括：
在每一个所述输送管中的阀，用于开始时阻塞流体流过所述相应的输送管，适于当所述阀上的压力升高到一个预定值时打开。
13.如权利要求11所述的井工具，其特征在于：在每一个所述至少一个上分流管和至少一个下分流管中的所述开口沿每一个相应的所述分流管的外部长度间隔开，由此每一个所述管的一部分长度在该管的入口端处是空白的。
14.如权利要求13所述的井工具，其特征在于：所述每一个管的长度的空白部分的长度为约0.61米到约所述管的整个长度的1/2。
15.如权利要求13所述的井工具，其特征在于：在所述至少一个自所述多个中间歧管中的一个向上延伸的上分流管中的所述开口与在所述至少一个自所述多个中间歧管中的另一个向下延伸的下分流管中的所述开口重叠。
16.一种砾石封隔井筒内的完井层段的方法，所述方法包括：
将在其上具有浆液分散系统的井滤网下放到所述完井层段中，由此在所述井滤网和井筒的壁之间形成一个环；所述浆液分散系统包括多个流体地连接在一起的歧管；
将由携带液和支撑剂组成的浆液沿所述井筒向下供应并且进入所述多个歧管中的第一个中；
将所述浆液从所述第一歧管基本上同时地向上和向下流动并且进入在围绕滤网的所述环内相互之间间隔开的区域中；
将所述浆液流入所述多个歧管中的第二个中；以及
将所述浆液从所述第二歧管基本上同时地向上和向下流入在围绕滤网的所述环内相互之间间隔开的不同区域中。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述携带液是一种粘度小于约30厘泊的流体。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述携带液是水。
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