专利名称：采取低粘度流体用砂砾填塞钻井的方法和钻井工具的制作方法
背景技术：
本发明涉及了用砂砾填塞一个井身，它的一个方面涉及了一个方法和钻井工具，采取低粘度流体用砂砾填塞一个井身内的长区间，其中沿整个区间上达到砂砾的良好分布。
在从松散固结和/或开裂的地下岩层开采油气之类时，通常除了岩层的流体外会产生大量颗粒材料(如砂)。已经知道，这些颗粒经常引起各种问题和必须加以控制，以便保持经济地开采。用于控制开采岩层所产生的砂的最普通技术可能是一个通常称为“砂砾填塞”的技术。
在一个典型的用砂砾填塞的井中，把一个筛网之类降低到井身内，并且设置在要完成钻井的区间附近。然后作为砂浆沿着钻具组向下泵压总称为“砂砾”的颗粒材料，并且通过一个“过渡”管之类在筛网之上排出，进入环绕筛网的钻井环形空间中。砂浆中的液体流失到岩层中和/或通过筛网中的开孔，由此造成砂砾沉积或“筛出”在环绕筛网的环形空间中。砂砾的尺寸使得它在筛网和开采岩层之间形成一个可渗透的块状物或“填塞物”，容许开采的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。
与砂砾填塞有关的一个主要问题，特别是要完成厚的或倾斜的开采区间时，是保证砂砾在整个完成的井的区间上的良好分布。也就是说，如果砂砾不是沿整个完成的井的区间上分布，砂砾填塞将不均匀，其中将具有降低其效率的空穴。当放置砂砾时，液体从砂浆提前流失到岩层，往往引起沿区间的砂砾的不良分布。这种液体流失会在所有砂砾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砂浆流过钻井的环形空间，由此，(a)对于从顶到底的填塞操作在砂桥之下，或者(b)对于从底到顶的操作在砂桥之上，阻止了足够砂砾的放置。
最近，已经开发了钻井工具，它们提供了通过所希望区间上砂砾的良好分布，即使在所有砂砾沉积之前在环形空间中形成了砂桥。这些工具(如钻井筛网)包括许多“替代流动路径”(如分流管或穿孔管)，它们沿着筛网延伸，并且当筛网进入井身环形空间时，它们接受砂浆。如果在放置所有砂砾之前形成了砂桥，则砂浆将绕过砂桥，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砂砾填塞。对于这种钻井工具的完整细节，可以参见美国专利号4,945,991；5,082,052；5,113,935；5,515,915和6,059,032。
在单次操作中完成较厚井身区间(即100英尺或更多)时，具有上述替代流动路径的钻井工具已经证明是成功的。在这种操作中，砂浆中的载运流体通常包括高粘度的凝胶。但是，采取低粘度流体(如水、稀凝胶等)作为砂浆的载运流体往往是有利的，因为与由更粘性凝胶形成的砂浆相比，这种砂浆省钱，对开采的岩层损坏较小，更容易排出砂砾，等等。
但是，遗憾的是，当与“替代路径”筛网结合用于井身的长区间砂砾填塞时，采用低粘度砂浆可能存在一些问题。这主要是由于低粘度，载运流体通过分流管中相隔开的各个出口(即穿孔)提前“流失”，由此引起分流管本身在一个或几个穿孔上“填砂”，由此进一步截断了通过被截断分流管的砂浆流动。当发生这种情形时，不能保证把砂浆送到要用砂砾填塞的区间内的所有高度上。
发明概述本发明提供了一个方法和一个钻井工具，用砂砾填塞井身内的一个完成的井的区间，它提供了沿区间上砂砾的良好分布，同时采取具有低粘度的载运流体，如水。基本上，本发明的砂砾填塞工具包括一个钻井筛网，它至少具有一个沿着筛网延伸的替代流动路径。依靠一个适于在预定压力下打开的阀门装置，使替代流动路径在开始时封闭流动。当在完井区间附近的环形空间中形成砂桥时，在被泵压砂浆上的压力增加到可以打开阀门装置，由此容许砂浆流经替代流动路径来完成对完井区间的砂砾填塞。
更具体地说，砂砾填塞工具包括一个筛网，依靠一个钻具组设置在完井区间附近。最好是，沿着筛网设置了不同长度的许多替代流动路径(即不穿孔或空的分流管)。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。一个如破裂盘、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压砂浆上的压力增加。
提供不同长度和仅具有一个出口(即打开的下端)的分流管，可以采用空的分流管(即沿其长度不穿孔)来把砂浆送到完井区间内的不同高度上。由于能够采用空的分流管，减少了一个特定管在其长度方向上隔开的出口上填砂的风险。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新打开的分流管，这对砂浆流经分流管时保持砂砾悬浮在低粘度载运流体中非常有利。
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，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身内的剖视图，相邻于要按照本发明用砂砾填塞的一个区间；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、修改和相当的内容，它们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。
优选实施例详述更详细地参照附图，图1说明了一个开采/喷射钻井10的下部，具有一个从地面(图中未示)通过开采/喷射岩层12延伸的井身11。如图所示，井身11用套13和水泥14套住，它们又具有穿孔15，在岩层12和套13内部建立了流体上的连通。尽管钻井10在图1中表示为一个基本上垂直的包套井身，应该认识到，本发明同样可用于开孔和/或钻孔不足的完井，以及倾斜和/或水平的井身。
本发明的砂砾填塞工具20设在岩层12的一个完井区间附近的井身11内，并且与套13形成了环形空间19。工具20包括一个筛网21，具有与其上端连接的一个“过渡”管22，它又从地面悬挂在一个管道系统或钻具组上(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砂砾填塞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、开槽或穿孔的衬套或管子、带筛网的管子、线缠绕管子、预包装筛网和/或衬套，以及其组合)。筛网21可以是一个连续长度，或者是由过渡管和/或空心管连接的各段(如30英尺一段)组成。
沿着工具20长度设有替代路径装置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)的空管，即各种长度的不穿孔的分流管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砂浆(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，在砂砾填塞操作期间，流经相关分流管的砂浆将送到环形空间19内的不同高度上。如果砂砾填塞的区间位于水平井身内，则把这里所用的名称“高度”设想为井身内的相对侧向位置。
对此描述的工具20在构造和操作上均与先前技术相似，这种类型的替代路径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穿孔，以提供隔开的各个出口，通过它们把砂浆送到砂砾填塞区间内的不同高度上。这些工具通常用于分布具有以较高粘度凝胶作为载运流体的砂浆，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载运流体形成的砂浆时产生了问题。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穿孔上，载运流体可能会迅速流失。这种低粘度载运流体从砂浆迅速流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穿孔上快速“填砂”，由此进一步截断了通过该管的砂浆流动。因为钻井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砂浆送到环形空间内的不同高度上，由此造成不良填塞的完井区间。
本发明的工具20能够在长和/或倾斜和/或水平的完井区间上提供良好的砂砾分布，即使采取低粘度载运流体来形成砂浆。为此，采用位于每个相关分流管顶上或附近的一个阀门装置31，在开始时截断流动通过每个分流管25a-d。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可以包括一个盘31a(图3)，它位于分流管25b的入口内，在预定压力下将开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最好作为单独的部件，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相关分流管的顶部。
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将在最低的相关打开压力下打开，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将在最高的相关打开压力下打开；其理由将在以下说明。
在实现本发明的方法中，砂砾填塞工具20降到井身11中，并且设置在区间12附近。如熟悉该技术的人员所理解，设置灌浆塞30。所有分流管25用相关阀门装置31在其相关上端封闭流动。包括低粘度载运流体和“砂砾”(例如，如砂的颗粒等)的砂浆(图1中粗箭头40)沿着钻具组被泵压向下，通过在过渡管22中的出口28，进入环形空间19的上端，环形空间1 9沿整个完井区间1 2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载运流体和粘度为30厘泊或更小的流体(如水、低粘度凝胶等)。
当砂浆40流经环形空间19时，砂浆中的载运流体通过穿孔15流失到岩层12中，并且也通过筛网21。当发生此情形时，砂砾与砂浆分开，堆积在环形空间19内形成环绕筛网21的需要的“砂砾填塞”。但是，如果载运流体从砂浆流失得太快，在环形空间内将形成砂桥26，进一步截断砂浆的流动。在本发明中，当发生此情形时，被泵压到环形空间19顶部中的砂浆上的压力继续增加，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，盘31a将开裂，止回阀31b将打开，等等。
低粘度砂浆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穿孔，即使采取低粘度的载运流体，也不存在管子被填砂的风险。由于在环形空间19中形成砂桥26和砂浆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。这个在砂浆上压力的增加将造成通过相关分流管的砂浆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砂浆流经管子时使得颗粒保持悬浮在砂浆中。
一旦在砂桥26之上的环形空间19部分被填塞，当砂浆通过过渡管22进入环形空间19的顶部时，被泵压的砂浆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砂浆上的压力继续增加，相关的分流管(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，如完成的井的区间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。
权利要求
1.一个用砂砾填塞井身内完成的井的区间的钻井工具，上述钻井工具包括一个适于与钻具组下端连接的钻井筛网；许多沿上述筛网延伸的分流管；上述每个分流管具有一个入口和至少一个出口；以及一个装在上述每个分流管的上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的钻井工具，其中上述每个分流管的长度不同。
3.权利要求2的钻井工具，其中上述每个分流管在其上端打开形成上述入口，在其下端打开形成上述至少一个出口。
4.权利要求3的钻井工具，其中在上述每个分流管的上述每个入口上的上述阀门装置适于在不同预定压力下打开，由此打开上述每个分流管来流动。
5.权利要求1的钻井工具，其中上述阀门装置包括一个适于在预定压力下开裂的盘，以打开一个相关的分流管来流动。
6.权利要求1的钻井工具，其中上述阀门装置包括一个适于在预定压力下打开的止回阀，由此打开一个相关的分流管来流动。
7.用砂砾填塞井身内完成的井的区间的一个方法；上述方法包括在上述完井区间附近的上述井身内定位一个砂砾填塞工具，上述砂砾填塞工具具有一个钻井筛网和至少一个沿上述筛网延伸的替代流动路径，上述替代流动路径具有一个入口和至少一个出口，上述入口在开始时封闭流动；使包括低粘度载运流体和砂砾的砂浆向下流动到环形空间中，环形空间形成在上述砂砾填塞工具和上述井身之间，沉积环绕上述筛网的上述砂砾；继续上述砂浆的流动直到上述环形空间中形成一个砂桥时为止；在上述砂桥已经形成之后，打开上述至少一个替代流动路径的上述入口，容许上述砂浆流入上述替代流动路径和流出上述替代流动路径的上述出口，完成上述完井区间的上述砂砾填塞。
8.权利要求7的方法，其中上述载运流体是具有粘度约30厘泊或更小的流体。
9.权利要求8的方法，其中上述载运流体是水。
10.权利要求8的方法，其中上述载运流体是低粘度凝胶。
11.权利要求7的方法，其中上述至少一个替代流动路径在开始时被装在上述替代流动路径的上述入口上的阀门装置所封闭，以及增加上述环形空间内上述砂浆的压力来打开上述阀门装置，使得上述替代流动路径打开来流动。
12.权利要求11的方法，其中上述至少一个替代流动路径包括许多不同长度的替代流动路径。
13.权利要求12的方法，其中上述每个替代流动路径包括一个适于在不同压力下打开的阀门装置。
全文摘要
采取低粘度砂浆用砂砾填塞完井区间的一个方法和钻井工具。钻井工具包括一个筛网和至少一个替代流动路径，一个阀门装置使流动路径在开始时封闭流动。一旦在完井区间中形成砂桥，被泵压的砂浆压力增加，它打开了阀门装置，容许流动通过替代流动路径。最好是，设有许多不同长度的流动路径，所有流动路径包括适于在不同压力下打开的阀门装置。
文档编号E21B43/02GK1447877SQ01814507
公开日2003年10月8日 申请日期2001年8月20日 优先权日2000年8月22日
发明者劳埃德·G·琼斯 申请人:埃克森美孚石油公司