CN101680289B - 具有流入控制装置和旁路的砾石充填筛管 - Google Patents

Abstract

一种具有流入控制装置和旁路的砾石充填筛管。井筛管包括：限流装置，用于限制穿过该筛管的自由流动；以及旁路装置，用于增加流过该限流装置的向内流动的比例，该旁路装置包括一种材料，该材料响应于该材料和井内流体之间的接触而膨胀。一种砾石充填完井的方法，包括：在井内安装筛管，该筛管包括限制穿过该井筛管的流动的限流装置、以及用以选择性地容许穿过该筛管的相对非限制流动的旁路装置；以及响应于该旁路装置的材料与该井内流体之间的接触而触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过该筛管的流动。流过该限流装置的流动和流过该旁路装置的流动可并行。

Description

具有流入控制装置和旁路的砾石充填筛管

技术领域

本发明主要涉及与地下井相关采用的装备及与地下井相关执行的操作，并且更特别地，本发明在这里所描述的实施例中提供了一种具有流入控制装置和旁路的砾石充填筛管。

背景技术

尽管有些井可利用防砂筛管来完井，以控制出砂，但是，许多井因额外具有环绕筛管设置的砾石充填层而受益。此外，一些完井由于具有诸如流入控制装置之类的限流装置而受益，这种限流装置与筛管整合为一体，以限制产出流体穿过筛管的流动。在某些情况下，流入控制装置可变地限制流体的流动，并具有可响应变化的向下钻进条件及/或可被远程控制（例如，“智能”流入控制装置）的能力。很长的水平裸眼完井由于在筛管中使用流入控制装置而能够充分地受益。

尽管具有以上的事实，但是极少有井（即便有的话）利用具有整合的流入控制装置的筛管、并利用围绕该筛管的砾石充填层来完井。这可能归因于这样的事实：由于流入控制装置在砾石充填操作过程中极大地限制了穿过筛管的有效流量，因此当使用传统的泥浆泵送技术时，与筛管整合的流入控制装置的存在将损害或阻碍围绕该筛管的砾石充填层的成功设置。在传统的泥浆泵送技术中，在砾石充填操作中的特定的位置上，穿过筛管的流量需要比在适当位置处具有流量控制装置时实际上可能的流量大得多。

由此可知，在井筛管构建及砾石充填领域内存在着需要改进之处。提出这种改进正是本发明的目的之一。

发明内容

为实现本发明的原理，提出了一种新的井筛管及相关的方法，以解决现有技术中存在的至少一个问题。下文描述的一个实例中，筛管包括流入控制装置和旁路，该旁路用以分流该流入控制装置周围的流动。下文描述的另一个实例中，在旁路开启时执行砾石充填操作，并且随后关闭旁路，从而使得在产出期间，流入控制装置周围的流动不再被分流。

在本发明的一个方案中，提供了一种井筛管，该井筛管包括限流装置，该限流装置用于限制穿过该筛管的向内流动。使用旁路装置来改变流过限流装置的向内流动的比例。该旁路装置包括一种材料，该材料响应于该材料和井内流体之间的接触而膨胀。

在本发明的另一个方案中，提供了一种砾石充填完井方法，该方法包括以下步骤：在井内安装井筛管，该井筛管包括：限制穿过该筛管的流动的限流装置、以及用以选择性地容许穿过该筛管的相对非限制流动的旁路装置；以及响应于该旁路装置内的材料与该井内流体之间的接触而触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过该筛管的流动。

在本发明的又一方案中，提供了一种井系统。该井系统包括井筛管，该井筛管具有：限流装置，用于限制穿过该筛管的向内流动；以及旁路装置，用于增大流过该限流装置的向内流动的比例。该旁路装置包括一种材料，该材料响应于该材料和井内流体之间的接触而膨胀。

在本发明的再一个方案中，提供了一种砾石充填完井的方法，该方法包括以下步骤：在井内安装井筛管，该井筛管包括：限制穿过该筛管的流动的限流装置，以及用以选择性地容许穿过该筛管的相对非限制流动的旁路装置。流过限流装置的流动和流过旁路装置的流动是并行的。该方法还包括：触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过旁路装置的流动。该方法还包括：触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过筛管的流动。

对于本领域一般技术人员而言，通过对下文中本发明的各实施例的详细描述以及附图的认真理解，本发明的这些及其他特征、优点、益处及目的将变得显而易见，在附图中，以相同的附图标记来表示各图中的类似部件。

附图说明

图1是体现本发明原理的井系统的示意性局部剖视图；

图2是贯穿图1的井系统中的井筛管的放大示意性剖视图；

图3是图2的井筛管的示意性剖视图，其中筛管的旁路装置关闭；

图4是井筛管的第一可选构造的示意性剖视图；

图5是图4的井筛管的示意性剖视图，其中筛管的旁路装置关闭；

图6是井筛管的第二可选构造的示意性剖视图，在图中左手侧示出的筛管的旁路装置关闭，而在图中右手侧示出的筛管的旁路装置开启；

图7是井筛管的第三可选构造的示意性剖视图，在图中左手侧示出的筛管的旁路装置关闭，而在图中右手侧示出的筛管的旁路装置开启；

图8是井筛管的第四可选构造的示意性剖视图，在图中左手侧示出的筛管的旁路装置关闭，而在图中右手侧示出的筛管的旁路装置开启；以及

图9是旁路装置的可膨胀材料的放大示意性剖视图，该可膨胀的材料密封性地接触该旁路装置的表面。

具体实施方式

需要理解的是，这里所描述的本发明的不同的实施例可用于诸如倾斜、倒置、水平、竖直等各种方位，以及可用于各种构造，而并不脱离本发明的原理。各实施例仅作为本发明原理的有益的应用实例来描述，本发明并不局限于这种实施例的任何特定的细节。

在下文对本发明的示范性实施例的描述中，诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等方向性术语的使用是为了方便参阅附图。通常地，“上方”、“上部”、“向上”及类似术语指的是沿着井筒（wellbore）朝向地球表面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”及类似术语指的是沿着井筒远离地球表面的方向。

图1中示范性地示出了体现本发明原理的井系统10。在如图1所示的井系统10中实施砾石充填方法，其中砾石砂浆12流入到位于完井管柱20和井筒22之间的环形域18内。在这种方式下，围绕着与完井管柱20互相连通的井筛管14设置砾石充填层16。

作为井系统10的一个重要特征，井筛管14配备有限流装置，用以在产出期间限制穿过该筛管向内的流动，并且井筛管14还配备有旁路装置，该旁路装置容许穿过该筛管向内的相对非限制的流动，直至砾石充填操作完成为止。这一特征使得在砾石充填操作之前和操作期间容许较大的穿过筛管14的流量，但同时在产出期间可获得有益的、减小了的穿过筛管的流量。

尽管图1所示的井筒22是封闭的，但应理解的是，在遵循本发明的原理的条件下，该井筒可以是完全开放的孔。另外，虽然所示出的筛管14设置在井筒22的大体竖直的部分内，但作为选择、或者附加地，这种筛管可以设置在井筒的水平部分或其他偏斜的部分内。

现在另外参阅图2，其中示范性地示出了筛管14的放大剖视图。该视图示出了砾石充填操作期间的筛管14。

砾石砂浆12的流体部分24穿过筛管14的过滤器部分26向内流动。图2中所示的过滤器部分26是由绕丝构成的，但在其他的实施例中，可以使用其他类型的过滤材料（如筛网、烧结材料等）。

流体部分24进入到位于筛管14的过滤器部分26与管状的中心管30之间的环形空间28内。随后，一部分流体32流过限流装置34，而另一部分流体36流过旁路装置38。

旁路装置38在砾石充填操作之前和砾石充填操作期间容许穿过该筛管向内的相对非限制的流动。然而，如下文所更充分地描述，旁路装置38能够被触发以增大流体流过限流装置34的比例，从而增大对穿过筛管的流动的限制。

限流装置34可以是类似流入控制装置等本领域技术人员所公知的类型。如图2中所示的，该限流装置34利用相对小直径的导管40（图2中仅能够看到其中一个）来限制穿过筛管14向内的流动（即，在环形域18和贯穿该筛管所形成的内部通道42之间的流动）。

然而，应当明确理解的是，在遵循本发明原理的条件下，限流装置34可使用任意类型的限流装置。例如，一些流入控制装置使用曲折的通道、孔口及/或其他限流元件来限制穿过筛管向内的流动。

另外，限流装置34可以是“智能”的，即，该装置可被远程操控及/或可使该装置能够响应变化的向下钻进条件，以便可变地限制穿过筛管14的向内流动。为此目的，限流装置34可包括向下钻进控制器44，该向下钻进控制器44可包括遥测装置，用以与地面或其他远程位置通信。

优选地，限流装置34为筛管14的一体部分，以便该限流装置在将筛管安装到井系统10内的同时被安装。在此方式下，无需介入到井内来安装限流装置34。然而，在遵循本发明原理的条件下，其他的构造也是可行的。

旁路装置38包括材料46，该材料在与井内的特定流体接触时膨胀（体积增大）。例如，材料46可响应于与井内的水的接触、响应于与井内的碳氢化合物流体的接触、或响应于与井内的气体的接触等而膨胀。旁路装置38上可设置端口50，以增大材料46暴露于井内流体的表面积。

公开号分别为2004-0020662、2005-0110217、2004-0112609及2004-0060706的多件美国专利申请中均描述了可膨胀材料的实例，其全部内容通过援引而合并在此处。PCT专利申请WO2004/057715和WO2005/116394中描述了其他可膨胀材料的实例，其全部内容通过援引而合并在此处。

旁路装置38还包括端口或通道48，在砾石充填操作之前和砾石充填操作期间，流体部分36流过所述端口或通道48。需注意的是，在图2中，材料46容许流体部分36穿过通道48相对非限制地流动。

优选地，旁路装置38为筛管14的一体部分，以便该旁路装置在将筛管安装到井系统10内的同时被安装。在此方式下，无需介入到井内来安装旁路装置38。然而，在遵循本发明原理的条件下，其他的构造也是可行的。

现在另外参阅图3，其中示范性地示出了在材料46响应于与井内流体的接触而发生膨胀之后的筛管14。此时，穿过通道48的流动被阻止，而所有的穿过筛管14的向内流动必须经过限流装置34。在此方式下，由于材料46的膨胀，逐渐限制了穿过筛管14的向内流动。

膨胀的材料46本身阻塞了穿过通道48的流动。然而，需注意的是，由于在某些情况下材料46只需增大对穿过通道的流动的限制即已足够，因此材料46无需完全阻止穿过通道48的流动。

在砾石充填操作之后，全部（或至少增加的部分）的向内流动是通过流过限流装置34，而不是通过流过旁路装置38进行的。因此，流体部分32将包括穿过过滤器部分26而产出的流体52。

材料46可在砾石充填操作期间或之后开始膨胀，例如可通过将特定流体与砂浆12一起、或在砂浆12填充过之后向下循环流至筛管14而开始膨胀。或者，在砾石充填操作之后，所产出的流体52接触材料46，并导致材料46膨胀。

又如另一个可选的实施例，材料46的膨胀可由与在筛管14及其旁路装置38安装在井中时存在于该井中的流体相同的流体来触发。在此情况下，材料46的膨胀可以被延迟，从而不会限制流过旁路装置38或不会增加流过旁路装置38的限制，直到经过所需的后继时间（例如，在砾石充填操作至少基本上结束之后）。材料46的膨胀例如可通过下述的设计而延迟，即，材料的成份使其膨胀缓慢；在该材料上覆盖另一种仅可被井中流体缓慢渗透的、或膨胀速度相对较慢的材料；或在该材料上设置罩或涂层以限制该材料与井中流体之间的接触等。

在遵循本发明原理的条件下，可在任意时候使用任意一种方式使材料46与流体接触，从而使材料46膨胀，并且可在任意时候使材料和井内流体形成接触，从而使材料膨胀。

现在另外参阅图4，该图示范性地示出了筛管14的一个备选构造。在这一构造中，旁路装置38还包括取代材料46的关闭构件54。

构件54为套筒形，其支撑隔离的内部密封。可在不脱离本发明原理的条件下使用其他类型的关闭构件或阻塞构件。

如图4中所描述，允许穿过通道48的相对非限制的流动。从而使较大比例的流体流过旁路装置38而不是流过限流装置34。

现在另外参阅图5，该图示范性地示出了材料46膨胀之后的、筛管14的一个备选构造。材料46的膨胀使得构件54移位到使该构件54阻塞通道48的位置，以阻止穿过通道的流动。

由于在某些情况下增大限制穿过该通道的流动即是可接受的，因此无需使构件54完全阻止穿过通道48的流动。优选地，由于构件54的移位，迫使至少较大比例的流体流过限流装置34，而不是流过旁路装置38。

在如图2-图5中描述的筛管14的构造中，旁路装置38作为阀或调节阀进行操作，用以可变地限制穿过通道48的流动。在图4-图5的构造中，由于材料46提供阻塞穿过通道48的流动所需的力，因此材料46作为用于阀的触发装置。在图2和图3中所描述的筛管14的构造中，材料46也作为关闭构件。

现在另外参阅图6，该图示范性地示出了井筛管14的另一个备选构造。在这一构造中，限流装置34和旁路装置38均整合在筛管14的上端中。如图6中所示，在筛管14的右手侧，旁路装置38是开启的，而在该筛管的左手侧，材料46已膨胀从而关闭旁路装置38。

图2-图5中描述的限流装置34和旁路装置38是独立于筛管的元件。然而，图6的构造表明，这些元件可结合成单一的结构，从而可在遵循本发明原理的条件下、在筛管14中使用备选构造的变化型。

如图6中的右手侧所描述的，在砾石充填操作之前和砾石充填操作期间，允许穿过旁路装置38的环形通道58进行相对非限制的流动。该环形通道形成在材料46和导管40之间。流体部分36流过该通道58。

同样地，允许穿过形成在导管40中的小直径通道（在图6中不可见）来进行更加受限的流动。流体部分32流过该通道58。

当材料46膨胀时，其阻塞（或至少更加限制）穿过通道58的流动，因此迫使更大比例的流体流过导管40。在砾石充填操作之前或砾石充填操作期间，以此方式可增大对流体穿过旁路装置38的流动的限制。

现在另外参阅图7，该图示范性地示出了筛管14的另一个可选构造。如图7中所示，在筛管14的右手侧，旁路装置38是开启的，而在该筛管的右手侧，材料46已膨胀从而关闭了旁路装置38。

在该实施例中，可膨胀的材料46结合到旁路装置38的外部管状构件的内表面72，从而在该可膨胀材料的内表面和该旁路装置的内部管状构件的外表面76之间形成环形空间74。在砾石充填操作之前和砾石充填操作期间，允许穿过旁路装置38的环形空间74进行相对非限制的流动。当膨胀材料46响应于与井内的特定流体接触而径向向内膨胀时，环形空间74关闭或至少减小尺寸，以便阻止或至少更加限制穿过该环形空间的流动。

图8中示出的该旁路装置的另一个可选实施例中，可膨胀的材料46结合到旁路装置38的内部管状构件的外表面76，在该可膨胀材料的外表面和该旁路装置的外部管状构件的内表面72之间形成环形空间74。如图8中所示，在筛管14的右手侧，旁路装置38是开启的，而在该筛管的左手侧，材料46已膨胀从而关闭了旁路装置38。可膨胀的材料46通过接触井内的特定流体而径向向外膨胀，从而关闭、或至少更加限制穿过环形空间74的流动。

在如图6-图8中所示的旁路装置38的各实施例中的任一个实施例中，可以增大与可膨胀的材料46产生接触的表面，以便协助该可膨胀材料抵靠接收表面，从而实现密封。该表面可以是粗糙的，或可以是波状的、折皱的，或者可形成其他的非光滑形状，以便在可膨胀材料46接触该接收表面时能够增强可膨胀材料46的密封能力。

图9中示出了这种表面处理的实例。与图8的实施例相同，旁路装置38的内表面72接触材料46。在图9中所示的实例中，内表面72上形成有锯齿或脊，以增强材料46和该内表面之间的密封接触。

应当理解的是，尽管上文中所描述的筛管14是用于砾石充填操作中、以及用于井系统10中（在该井系统中筛管被砾石充填），但这种筛管并非必须使用在砾石充填操作或井系统中。例如，筛管14（或结合本发明原理的任意筛管）可用于筛管不被砾石充填的井系统中，或者筛管14可用于此类操作：在这类操作中，针对穿过该筛管的流动的限制并不会相对于砾石充填操作而增大。

可充分领会的是，以上描述的井筛管14及其多种实施例对现有技术提出了显著的改进。需注意的是，在图2-图8的每一实施例中，流过旁路装置38的流体部分36与流过限流装置34的流体部分32并行地流动。在此方式下，由于材料46的膨胀而引起的流过旁路装置38的流动被关闭、或对流过旁路装置38的流动的限制增大，将导致流过限流装置34的流体52的比例增大。描述这一特征的另一方式是：流过旁路装置38的流体部分36并不必须流过限流装置34，流过该限流装置的流体部分32并不必须流过该旁路装置。

使用结合本发明原理的井筛管的一个优点是，在安装的初始阶段，将允许更高的产出或注入的流量，在该阶段之后，对旁路装置的触发将起到这样的作用：将来自该井或进入该井的全部或大部分流量（flow）限制为不大于容许流过限流装置的流量。由于初始阶段的这种较高的产出量或注入流量使井能够始终维持较高的持续产出或注入量，因此对井是有益的。

结合本发明原理的井筛管可用于无砾石充填的产出或注入操作。使用结合本发明原理的筛管，可在远期的产出或注入之前容许较大的初始流量，从而例如可协助冲破与井筒粘连的滤饼、或可容许高流量的酸化处理或其他的增产措施。

当然，本领域技术人员通过对上述本发明的各示范性实施例的认真理解，能够容易地领会到：针对这些特定实施例可作出各种修改、增添、替换、删除及其他改变，并且此类改变包涵在本发明原理的范围内。例如，可以领会的是，由于可使用其他类型的、不利用可膨胀材料的阀和调节阀，因而无需使用可膨胀材料而构造旁路装置。由此，需要明确理解的是，前文的详细描述仅是作为图解和实例而给出的，本发明的精神和范围是由如附的权利要求书及其等效内容所单独界定的。

Claims (21)

1.一种井筛管，包括：

限流装置，用于限制穿过筛管的流动；以及

旁路装置，至少在初始时提供至少一个另外的穿过该筛管的通道，所述旁路装置与所述限流装置相比在初始时具有更小的流动限制，该旁路装置用于改变穿过该限流装置的流动比例，该旁路装置包括一材料，该材料响应于该材料和井内流体之间的接触而膨胀，其中当该材料膨胀时，穿过所述通道的流动被逐渐限制，由此迫使增大比例的、穿过该筛管向内的流动穿过该限流装置。

2.根据权利要求1所述的井筛管，其中当该材料膨胀时，该材料移动一构件，从而逐渐限制穿过所述通道的流动。

3.根据权利要求1所述的井筛管，其中在该材料与该流体之间发生接触之前，容许穿过该限流装置和该旁路装置的流动。

4.根据权利要求1所述的井筛管，其中，该材料和该流体之间的接触关闭该旁路装置，从而使全部的流动均穿过该限流装置进行。

5.一种砾石充填井的方法，该方法包括以下步骤：

在井内安装井筛管，该井筛管包括：限流装置，该限流装置限制穿过筛管的流动；以及旁路装置，至少在初始时提供至少一个另外的穿过该筛管的通道，所述旁路装置与所述限流装置相比在初始时具有更小的流动限制，所述旁路装置用于选择性地容许穿过该筛管的相对非限制的流动；

围绕该筛管充填砾石；以及

响应于该旁路装置的材料与该井内流体之间的接触使得该旁路装置的材料膨胀而触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过该筛管的流动，并且响应于所述膨胀而迫使增大比例的、穿过该筛管向内的流动穿过该限流装置。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，当该旁路装置容许穿过该筛管的流动时，执行充填砾石的步骤。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述充填砾石的步骤之后执行触发该旁路装置的步骤。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述使该材料膨胀的步骤还包括：利用膨胀的该材料限制穿过至少一个所述通道的流动。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述使该材料膨胀的步骤还包括：利用膨胀的该材料移动一构件。

10.一种井系统，包括：

井筛管，该井筛管包括：限流装置，该限流装置用于限制穿过筛管的流动；以及旁路装置，至少在初始时提供至少一个另外的穿过该筛管的通道，所述旁路装置与所述限流装置相比在初始时具有更小的流动限制，该旁路装置用于改变流过该限流装置的流动比例，该旁路装置包括一材料，该材料响应于该材料和井内流体之间的接触而膨胀，其中响应于所述膨胀，使得增大比例的、穿过该筛管向内的流动穿过该限流装置。

11.根据权利要求10所述的井系统，还包括围绕该筛管的砾石充填层。

12.根据权利要求11所述的井系统，其中在该旁路装置增大流过该限流装置的流动比例之前，围绕该筛管设置该砾石充填层。

13.根据权利要求10所述的井系统，其中，当该材料膨胀时，穿过所述通道的流动被逐渐限制。

14.根据权利要求13所述的井系统，其中，当该材料膨胀时，该材料限制了穿过所述通道的流动。

15.根据权利要求13所述的井系统，其中，当该材料膨胀时，该材料移动一构件，从而逐渐限制穿过所述通道的流动。

16.根据权利要求13所述的井系统，其中，该旁路装置包括一阀，并且其中该材料包括在用于该阀的触发装置中。

17.一种砾石充填井的方法，该方法包括以下步骤：

在井内安装井筛管，该井筛管包括：限流装置，该限流装置限制穿过筛管的流动；以及旁路装置，至少在初始时提供至少一个另外的穿过该筛管的通道，该旁路装置用以选择性地容许穿过该筛管的相对非限制的流动，穿过该限流装置的流动和穿过该旁路装置的流动是并行的；

围绕该筛管充填砾石；以及

通过一材料响应于该材料与该井内流体之间的接触发生膨胀而触发该旁路装置，从而逐渐限制穿过该旁路装置的流动，并且迫使增大比例的、穿过该筛管向内的流动穿过该限流装置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，当该旁路装置容许穿过该筛管的流动时，执行充填砾石的步骤。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述充填砾石的步骤之后执行触发该旁路装置的步骤。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述使该材料膨胀的步骤还包括：利用膨胀的该材料限制穿过至少一个通道的流动。

21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述该材料膨胀的步骤还包括：利用膨胀的该材料移动一构件。