利用礫石儲備進行防砂的井筒裝置和方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年10月26日提交的申請?zhí)枮?1/719, 272的美國臨時申請和 2013年8月22日提交的申請?zhí)枮?1/868, 855的美國臨時申請的權益。上述申請通過全文 引用而并入本文。
[0003] 本申請涉及名稱為"用于更替路徑礫石充填的裸眼封隔器，和用于完成裸眼井 筒的方法（Open-Hole Packer for Alternate Path Gravel Packing, and Method for Completing an Open-Hole Wellbore)"且公開號為 US2012/0217010 的待決美國專利申 請。本申請還涉及名稱為"用于更替流動通道礫石充填的封隔器和用于完成井筒的方法 (Packer for Alternate Flow Channel Gravel Packing and Method for Completing a Wellbore) "且公開號為W02012/082303的國際申請。上述申請也通過全文引用而并入本 文。
技術領域
[0004] 本公開涉及完井領域。更具體地，本發(fā)明涉及與已利用礫石充填完成的井筒相結 合的地層隔離。本申請還涉及一種井筒完成裝置，所述井筒完成裝置加入旁通技術以用于 安裝具有層間封隔的礫石充填。
【背景技術】
[0005] 本部分是為了介紹可與本公開示范性實施例相關的領域的各個方面。相信這種討 論有助于提供框架以便于更好地理解本公開的特定方面。因此，應當理解的是，本部分應該 以此為前提來進行閱讀，并且不一定構成現(xiàn)有技術。
[0006] 在油井和氣井的鉆井過程中，利用在鉆具的下端處向下推進的鉆頭來形成井筒。 在鉆至預定深度后，移除鉆具和鉆頭并且用套管柱內(nèi)襯井筒。因此在套管柱和地層之間形 成環(huán)空區(qū)域。通常進行注水泥固井（cementing)操作以便用水泥來填充或"塞擠"環(huán)空區(qū) 域。水泥和套管的組合加強井筒并且便于在套管之后的地層隔離。
[0007] 通常將外徑逐漸減小的若干套管柱放入井筒中。多次重復鉆井以及隨后對逐漸減 小的套管柱注水泥固井的過程，直至達到井的總深度。最終的套管柱（也被稱為生產(chǎn)套管） 被注水泥固井就位并且被射孔。在某些情況下，最終的套管柱是襯管，也就是未回接到地面 的套管柱。
[0008] 作為完井過程的一部分，井口被安裝在地面處。井口控制采出流體到地面的流動 或者流體向井筒中的注入。也提供流體收集和處理設備例如管、閥和分離器。然后可以開 始生產(chǎn)操作。
[0009] 有時期望讓井筒的底部敞開。在裸眼完井中，生產(chǎn)套管不延伸通過生產(chǎn)層和被射 孔；而是，保持生產(chǎn)層未下套管，或"敞開"。然后將生產(chǎn)管柱（production string)或"管 道（tubing) "放置在裸眼井筒的內(nèi)部，裸眼井筒在最終套管柱的下方向下延伸。
[0010] 與下套管完井相比，裸眼完井具有一些優(yōu)點。首先，因為裸眼完井沒有射孔孔道， 所以地層流體能夠沿徑向360度地匯聚在井筒上。這樣具有的優(yōu)點是消除與匯聚徑向流動 和隨后的線性流動通過顆粒填充的射孔孔道相關聯(lián)的額外壓降。與裸眼完井相關聯(lián)的減小 的壓降實際上保證了在相同的地層中比未采取增產(chǎn)措施的下套管井更多產(chǎn)。
[0011] 其次，裸眼井技術通常比下套管完井更便宜。例如，使用礫石充填消除了對于注水 泥固井、射孔和射孔后清井操作的需要。
[0012] 裸眼完井中的常見問題是井筒直接暴露給周圍地層。如果地層是疏松的或嚴重砂 質(zhì)的，則采出流體流入井筒可能會隨之攜帶地層顆粒，例如，砂和細粒。這些顆?？赡軐?下生產(chǎn)設備以及地面上的管道、閥和分離設備有侵蝕性。
[0013] 為了控制砂和其它顆粒的侵入，可以使用防砂裝置。防砂裝置通常穿過地層安裝 在井下，以便在允許采出流體的同時截留大于一定直徑的固體材料。防砂裝置通常包括具 有許多割縫或開口的長形管狀體（被稱為中心管）。隨后，中心管通常用過濾介質(zhì)例如繞絲 或金屬絲網(wǎng)纏繞。
[0014] 為了加強防砂裝置，通常安裝礫石充填。礫石充填井涉及在防砂裝置被懸掛或以 其他方式被放置在井筒中之后，將礫石或其它顆粒物質(zhì)放置在防砂裝置周圍。為了安裝礫 石充填，顆粒材料通過攜帶液被輸送到井下。攜帶液與爍石一起形成爍石砂楽·。砂楽·在合適 的位置干燥，留下礫石的環(huán)形充填。礫石不僅有助于顆粒過濾，而且有助于保持井筒完整。
[0015] 在裸眼礫石充填完井中，礫石被放置在圍繞射孔中心管的防砂篩管和井筒的周圍 壁之間。在采出期間，地層流體從地下地層流動通過礫石、通過篩管并且進入內(nèi)部中心管。 中心管因此而用作生產(chǎn)管柱的一部分。
[0016] 礫石充填的一個歷史問題是，在輸送過程期間從砂漿中意外損失攜帶液能夠?qū)е?在沿著裸眼井段的不同位置處形成過早的砂橋或礫石橋。例如，在具有高滲透性的井段中 或者在已破裂的井段中，由于攜帶液從礫石砂漿過量地損失到地層中，因此會出現(xiàn)礫石的 不良分布。過早的砂橋能夠阻斷礫石砂漿的流動，導致沿著完井井段形成空隙。類似地，在 篩管和井筒之間的環(huán)空中用于層間封隔的封隔器也能阻斷礫石砂漿的流動，導致沿著完井 井段形成空隙。因此，未實現(xiàn)從底部到頂部的完全礫石充填，導致部分防砂篩管直接暴露給 砂和細粒的滲透以及侵蝕的可能性。
[0017] 砂橋和繞過層間封隔的問題已通過使用礫石旁通技術而得到解決。該技術 以Alternate Path? ( "更替路徑?"）的名義實施。Alternate Path?技術使用分 流管或流動通道，其允許礫石砂漿沿著井筒繞過選定區(qū)域例如繞過過早的砂橋或封隔 器。這樣的流體旁通技術例如在名稱為"用于阻斷礫石充填井環(huán)空中的軸向流動的工 具（Tool for Blocking Axial Flow in Gravel-Packed Well Annulus)" 的美國專利 US5588487和名稱為"用于完井、生產(chǎn)和注入的井筒方法和裝置（Wellbore Method and Apparatus for Completion，Production，and Injection)" 的美國專利US7938184 中 進行了描述，每一個上述專利都通過全文引用而并入本文。另外的論述更替流動通道技 術的參考文獻包括美國專利US8215406、美國專利US8186429、美國專利US8127831、美 國專利US8011437、美國專利US7971642、美國專利US7938184、美國專利US7661476、美 國專利US5113935、美國專利US4945991、公開號為US2012/0217010的美國專利申請、[0018] 礫石充填在控制砂和細粒流入井筒方面的效果是公知的。然而，有時也期望裸眼 完井沿著井筒的裸眼部分封隔選定的井段以便控制流體的流入。例如，與可冷凝烴的采出 相伴地，水有時可以侵入井段。這可能是由于天然水層、錐進（近井的烴-水接觸面的上 升）、高滲透性礦層、天然裂縫的存在或者來自注入井的指進（fingering)。取決于水產(chǎn)生 的機制或原因，在井的壽命期間，水可能會在不同的位置和不同的時間產(chǎn)生。類似地，在石 油儲層上方的氣頂可能會膨脹和突破，導致氣體和石油一起采出。氣體突破減小了氣頂驅(qū) 動并且抑制采油。
[0019] 在各種情況下，期望封隔井段以免將地層流體開采到井筒中。也可以期望將環(huán)空 層間封隔用于生產(chǎn)分配、生產(chǎn)/注入流體剖面調(diào)整（profile control)、選擇性增產(chǎn)措施或 氣體控制。然而，使用環(huán)空層間封隔裝置所存在的問題是在礫石充填操作完成之后砂可能 并未完全將環(huán)空一直填充到層間封隔裝置的底部?？蛇x地，礫石充填可能由于儲層流入而 轉位。進一步可選地，存在的問題是砂可能在重力作用下沉積在層間封隔裝置下方。在任 何一種這樣的情況下，防砂篩管的一部分直接暴露給周圍地層。
[0020] 因此，對于改進的防砂系統(tǒng)存在需求，所述防砂系統(tǒng)提供流體旁通技術以用于放 置繞過封隔器的礫石。對于層間封隔裝置也存在需求，所述層間封隔裝置不僅提供沿著裸 眼井筒的選定地下井段的封隔，而且在下游的下一個防砂篩管組件上方提供礫石充填材料 的儲藏。換句話說，對于將礫石充填材料的儲備放置在防砂篩管組件上游的井筒內(nèi)的方法 存在需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 首先在本文中提供一種井筒完井裝置。井筒完井裝置位于井筒內(nèi)。井筒完井裝置 與將礫石充填放置在井筒的裸眼部分中相結合而具有特定的實用性。裸眼部分延伸通過一 個、兩個或更多個地下井段。
[0022] 井筒完井裝置首先包括防砂篩管組件。防砂篩管組件包括串聯(lián)連接的一個或多個 防砂段。一個或多個防砂段中的每一個包括中心管。防砂段的中心管限定射孔管（或割縫 管）的接頭。每一個防砂段還包括過濾介質(zhì)。過濾介質(zhì)沿著大部分的防砂段圍繞中心管。 防砂段的過濾介質(zhì)包括例如繞絲篩管、膜式篩管、可膨脹篩管、燒結金屬篩管、金屬絲網(wǎng)篩 管、形狀記憶聚合物或預充填固體顆粒床。中心管和過濾介質(zhì)一起形成防砂篩管。
[0023] 防砂段布置成具有更替流動路徑技術。在這方面，防砂篩管包括構造成繞過中心 管的至少一個運輸導管。運輸導管大致沿著每一個防砂段的中心管延伸。每一個防砂段還 包括至少一個充填導管。每一個充填導管具有噴嘴，所述噴嘴構造成將礫石充填砂漿釋放 到過濾介質(zhì)和周圍地下地層之間的環(huán)空區(qū)域中。
[0024] 井筒完井裝置還包括接頭組件。接頭組件包括非射孔中心管，大致沿著非射孔中 心管的長度延伸的至少一個運輸導管，以及至少一個充填導管。運輸導管運載礫石充填砂 漿通過接頭組件，而充填導管均具有噴嘴，所述噴嘴構造成將礫石充填砂漿釋放到非射孔 中心管和周圍地下地層之間的環(huán)空區(qū)域中。
[0025] 井筒完井裝置還包括封隔器組件。封隔器組件包括至少一個密封元件。密封元件 構造成被致動以接合周圍的井筒壁。封隔器組件還具有內(nèi)心軸。封隔器組件還具有至少一 個運輸導管。運輸導管沿著內(nèi)心軸延伸并且運載礫石充填砂漿通過封隔器組件。
[0026] 用于封隔器組件的密封元件可以包括機械坐封封隔器。更優(yōu)選地，封隔器組件具 有兩個機械坐封封隔器或環(huán)空密封件。這兩個機械坐封封隔器或環(huán)空密封件代表上部封隔 器和下部封隔器。每一個機械坐封封隔器具有密封元件，所述密封元件在長度上例如可以 是從大約6英寸（15. 2cm)到24英寸（61. Ocm)。每一個機械坐封封隔器還具有與防砂篩管 的中心管和接頭組件的中心管流體連通的內(nèi)心軸。
[0027] 在至少兩個機械坐封封隔器中間可選地可以是至少一個可膨脹封隔器元件?？膳?脹封隔器元件在長度上優(yōu)選地是從大約3英尺（0. 91米）到40英尺（12. 2米）。在一方 面，可膨脹封隔器元件由彈性材料制造。在存在流體例如水、氣體、石油或化學物質(zhì)的情況 下，可膨脹封隔器元件在一定時間內(nèi)而被致動。例如，如果機械坐封封隔器元件之一失效， 則會發(fā)生膨脹?？蛇x地，當可膨脹封隔器元件周圍的地層中的流體接觸可膨脹封隔器元件 時，可以在一定時間內(nèi)發(fā)生膨脹。
[0028] 防砂篩管組件、接頭組件和封隔器組件串聯(lián)地連接。連接使得一個或多個防砂段 的射孔中心管、接頭組件的非射孔中心管和封隔器組件的內(nèi)心軸流體連通。連接還使得一 個或多個防砂段中的至少一個運輸導管、接頭組件中的至少一個運輸導管和封隔器組件中 的至少一個運輸導管流體連通。運輸導管提供用于礫石砂漿的更替流動路徑，并且將砂漿 輸送到充填導管。因此，礫石充填材料可以沿著地下地層轉送到不同的深度和井段。
[0029] 在本文中還提供一種用于在地下地層中完成井筒的方法。井筒優(yōu)選地包括作為裸 眼完成的下部部分。在一方面，所述方法包括提供防砂篩管組件。防砂篩管組件可以與上 面描述的防砂篩管組件一致。
[0030] 所述方法還包括提供接頭組件。接頭組件可以與上面描述的接頭組件一致。
[0031] 所述方法還包括提供封隔器組件。封隔器組件也與上面在其各個實施例中描述的 封隔器組件一致。封隔器組件包括至少一個、并且優(yōu)選地包括兩個機械坐封封隔器。例如， 每一個封隔器將具有內(nèi)心軸、圍繞內(nèi)心軸的更替流動通道以及在內(nèi)心軸外部的密封元件。
[0032] 所述方法還包括串聯(lián)地連接防砂篩管組件、接頭組件和封隔器組件。連接使得一 個或多個防砂段的射孔中心管、接頭組件的非射孔中心管和封隔器組件的內(nèi)心軸流體連 通。連接還使得一個或多個防砂段中的至少一個運輸導管、接頭組件中的至少一個運輸導 管和封隔器組件中的至少一個運輸導管流體連通。
[0033] 所述方法另外還包括將防砂篩管組件以及連接的接頭組件和封隔器組件下入井 筒中。另外，所述方法包括將封隔器組件的密封元件坐封成與周圍的井筒接合。
[0034] 接下來，所述方法包括將礫石砂漿注入井筒中。這樣做是為了在已坐封至少一個 密封元件之后在封隔器組件下方形成礫石充填。具體地，將礫石充填材料注入形成于防砂 篩管和周圍井筒之間的環(huán)空區(qū)域中。所述方法另外還包括將礫石砂漿注入井筒中以便在防 砂篩管組件上方圍繞接頭組件的非射孔中心管淀積礫石充填材料的儲備。優(yōu)選地，淀積大 約六英尺的儲備充填材料。
[0035] 所述方法還可以包括從沿著井筒的至少一個井段采出烴流體。所述方法還可以包 括允許將儲備礫石充填材料圍繞上部防砂段安置。
【附圖說明】
[0036] 為了能夠可以更好地理解本發(fā)明的方案，某些圖示、圖表和/或流程圖被附于此。 然而，應當注意，附圖僅示出了本發(fā)明的選定實施例，因此不應當被視為范圍的限制，原因 在于本發(fā)明可以容許其它等價有效的實施例和應用。
[0037] 圖1是示范性井筒的橫截面圖。井筒已鉆過三個不同的地下井段，每一個井段都 處于地層壓力下并且都包含流體。
[0038] 圖2是圖1的井筒的裸眼完井的放大橫截面圖。更清楚地可見在三個示范性井段 的深度處的裸眼完井。
[0039] 圖3A是一個實施例中的封隔器組件的橫截面?zhèn)纫晥D。在這里，示出的中心管具有 周圍封隔器元件。示出了兩個機械坐封封隔器。
[0040] 圖3B是沿著圖3A中的線3B-3B截取的、圖3A的封隔器組件的橫截面圖?？梢姺?流管在可膨脹封隔器元件內(nèi)。
[0041] 圖3C是可選實施例中的圖3A的封隔器組件的橫截面圖。代替分流管，可見運輸 管在中心管周圍管匯（manifolded)。
[0042] 圖4A是圖3A的封隔器組件的橫截面?zhèn)纫晥D。在這里，防砂裝置或防砂篩管已放 置在封隔器組件的相對端部處。防砂裝置使用外部分流管。
[0043] 圖4B提供沿著圖4A中的線4B-4B截取的、圖4A的篩管組件的橫截面圖?？梢姺?流管在防砂篩管的外部以提供用于顆粒砂漿的更替流動路徑。
[0044] 圖5A是圖3A的封隔器組件和防砂篩管組件的另一橫截面?zhèn)纫晥D。在這里，防砂 裝置或防砂篩管已再次放置在封隔器組件的相對端部處。然而，防砂裝置使用內(nèi)部分流管。
[0045] 圖5B提供沿著圖5A中的線5B-5B截取的、圖5A的封隔器組件的橫截面圖?？梢?分流管在防砂篩管內(nèi)以提供用于顆粒砂漿的更替流動路徑。
[0046] 圖6A是圖3A的機械坐封封隔器之一的橫截面圖。在這里，機械坐封封隔器處于 其下入（run-in)位置。
[0047] 圖6B是圖6A的機械坐封封隔器的橫截面圖。在這里，機械坐封封隔器已被致動 并且處于其坐封位置。
[0048] 圖7A是圖6A的釋放鍵部分的放大圖。釋放鍵處于其沿著內(nèi)心軸的下入位置。剪 切銷還未被剪切。
[0049] 圖7B是圖6A的釋放鍵部分的另一放大圖。在這里，剪切銷已被剪切并且釋放鍵 已從內(nèi)心軸落下。
[0050] 圖7C是可以用于閂鎖到釋放套筒上并且由此剪切釋放鍵內(nèi)的剪切銷的坐封工具 的透視圖。
[0051] 圖8A至8J給出了在一個實施例中使用本發(fā)明的封隔器組件之一的礫石充填程序 的各階段。提供通過封隔器組件的封隔器元件且通過防砂段的更替流動路徑通道。
[0052] 圖8K示出了在完成從圖8A至圖8J的礫石充填程序之后已被坐封在裸眼井筒中 的封隔器組件和礫石充填。
[0053] 圖9A是在一個實施例中可以在本發(fā)明的井筒完井裝置中使用的防砂篩管組件的 側視圖。防砂篩管組件包括使用噴嘴環(huán)連接的多個防砂段或防砂篩管。
[0054] 圖9B是沿著圖9A中的線9B-9B截取的、圖9A的防砂篩管組件的橫截面圖。該圖 示出了防砂篩管段之一。
[0055] 圖9C是圖9A的防砂篩管組件的另一橫截面圖，這次是沿著圖9A中的線9C-9C截 取的。該圖示出了聯(lián)接組件。
[0056] 圖IOA是在一個實施例中用作圖9A的防砂篩管組件的一部分的負載套筒的軸測 圖。