专利名称：包括可膨胀元件的砾石充填装置的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及砾石充填装置及方法，该砾石充填装置包括可膨胀元 件，可膨胀元件根据输入激励膨胀以密封井眼。
背景技术：
为了完井，要在井眼附近的一个或多个地层区域射孔，以便让来自地 层区域的流体流进用于往地面采油的井里。孔眼典型的是通过在井眼中下 降至期望井段的射孔枪形成。当射孔时，射孔枪把孔眼扩展至周边的地层。
在从地层的储层区开采流体时，诸如砂粒的微粒可能会随着储层流体 被开采。这些微粒可能会破坏井并且会明显降低产量和井的寿命。包含微 粒的地层流体就会像磨蚀剂一样磨损和腐蚀井下部件，如管道。另外，诸 如砂粒的微粒的开采可能会在地层中钻柱后面形成空隙，空隙会导致钻柱 弯曲或其它伤害。此外，开采到表面的微粒是需要处理的废物，处理废物 可能很昂贵。
减少或消除砂粒和其它微粒的方法和装置已经开发了很多种。地层的 砾石充填是控制砂粒开采的流行技术。尽管有很多变型，但是砾石充填大 体上是在包括开采入口的开采钻柱段周围放置防砂筛。开采钻柱的该段与 射孔对齐。将粘性传输流体中的砾石浆泵入到砂筛与钻柱之间的环状区域。 沉积的砾石阻塞了地层微粒如砂粒流进采油管。但是，地层流体被允许进 入开采钻柱以流到井面。
在一些情况，例如当相对长的地层被砾石填充，可能就要使用带状的 隔离带来形成相互隔离的多个区域。按照惯例，使用砂粒控制装置的隔离 物包括钻柱井应用中的皮碗封隔器。但是皮碗封隔器的使用降低了区域如何隔离的灵活性。
发明内容
大体上，根据一个实施例，在井眼中使用的砾石充填装置包括过滤微 粒的筛组件，以及用于承载砾石浆的至少一个分流管道。在该至少一个分 流管道的一部分周围的可膨胀元件根据输入激励膨胀以密封井眼，当膨胀 时可膨胀元件径向扩展。
从下面的描述、附图和权利要求中可以显而易见其他或选择性的特征。
图1示出了根据一些实施例的包括筛组件和可膨胀元件的完井钻柱。
图2A和2B示出了图1的完井钻柱的一部分，图2A显示了膨胀之前的 可膨胀元件，图2B显示了膨胀之后的可膨胀元件。
图3是图2A-2B的完井钻柱部分的一段的局部纵向剖视图。 图4是图3的完井钻柱段的截面图。
图5是图2A-2B完井钻柱部分的另一个实施例的一段的局部纵向剖视图。
图6是图5的完井钻柱段的截面图。
图7示出了带有阀的分流管道，分流管道可用于图1的完井钻柱。
具体实施例方式
在以下的描述中，会提出大量的细节来解释此发明。但是，本领域技 术人员应理解的是在不需这些细节的情况下就可以实施此发明，这些被描 述的实施例的许多变体或改型都是可能的。
图1示出了位于井眼100中的完井钻柱，该完井钻柱包括筛组件102 和可膨胀元件104。筛组件102包括过滤微粒的筛子(或其它类型的过滤结 构)，以使微粒不会被开采进入到完井钻柱。在不同的实施过程中，替代开 采，完井钻柱可以用来向周围储层中注入流体。设置可膨胀元件(也称作 可膨胀封堵器)104以响应一些类型的输入激励膨胀，使得可膨胀元件104 扩张(从第一直径到更大的第二直径)以便与井眼104的内表面106密封 地接合。引起可膨胀元件膨胀的输入激励可以包括因暴露于井下环境的激励 (如井流体、升高的温度、和/或升高的压力)。暴露于井下环境引起可膨
胀元件的扩张。在一些实施过程中，可膨胀元件104由一旦暴露于高温或 高压的井流体而扩张的弹性体构成。可膨胀元件104的膨胀是化学膨胀过 程，可以使可膨胀元件104径向扩张以施加径向力在井眼100的内表面106 上，以提供密封障碍物来隔离成井眼100的不同区域。 一旦可膨胀元件104 膨胀，形成三个区域108、 110和112。
注意如果使用不同数目(一个或多于两个)的可膨胀元件104，将会形 成不同数目的区域。
在不同的实施过程中，可膨胀元件104的化学膨胀可以响应活化剂的 释放。例如，活化剂可以储存在某个容器中，在活化之前容器是密封的。 当活化时，打开容器以允许活化剂与可膨胀元件104连通，以使可膨胀元 件104产生化学膨胀。例如，完井钻柱中的移位工具可以用来打开容器以 释放活化剂。
在另一实施过程中，可膨胀元件104可以是可扩张的囊状物，其中可 以装满流体(如气体或液体)以使可膨胀元件104扩张，从而与井眼100 的内表面106接合。
使用可膨胀元件104的好处在于完井钻柱的下插过程中，可膨胀元件 104的外径小于井眼100的内径。可膨胀元件104周围的环状间隙容许在下 插过程中在可膨胀元件104周围的流体移动。并且，每个可膨胀元件104 可具有相对较长的密封长度，例如几英尺数量级。在有渗透性的地层中， 可膨胀元件104可提供合理的隔离区，因为压力下降是与长度相关的。而 且，每个可膨胀元件104的膨胀提供了与井眼100的内表面106很好的配 合(并且在将要密封的区域里提供任何砾石材料)，因此提供了很好的密封。 并且，因为可膨胀元件104可以扩张超出下插部分的外径，所以可膨胀元 件可以密封更大范围的井眼尺寸。例如，可膨胀元件可以用于正在底扩的 裸孔。此外，可膨胀元件104提供了更大的灵活性，因此它可以用于下套 井眼或裸孔(未下套且未衬里的井眼)。
图2A和2B显示了图1所示的完井钻柱的一部分(一个可膨胀元件104 和在可膨胀元件104两侧的两个筛组件102A和102B)。图2A显示了膨胀之 前的可膨胀元件104,而图2B显示了膨胀之后的可膨胀元件104。可膨胀元件104安装在连接副202上，连接副202在连接副202 —侧连接第一筛 组件102A,在连接副202另一侧连接第二筛组件102B。连接副202将筛组 件102A与102B相互连接。
筛组件102A包括筛204A和环绕筛204A的外罩205A。外罩205A上有 很多孔可以让流体流过。筛204A用于过滤微粒，使得这样的微粒不会被开 采进到完井钻柱的内孔中。
图2A还显示了分流导管206和208，在一些实施例中分流导管可以为 分流管。分流管206， 208位于外罩205A与筛204A之间。分流管206， 208 用于运载砾石浆以实现更好的砾石充填。虽然图2A和2B中没有显示，但 是分流管206, 208具有侧口，以允许砾石浆在沿着分流管206， 208的一 些间隔位置流出导管。在不同的实施过程中，可以使用不同数量(一个或 多于两个)的分流管。
分流管206， 208用于解决砾石形成砂桥的问题，砾石砂桥是在砾石充 填作业过程中在(完井钻柱与井眼表面之间的)环形区域中形成。这些砾 石砂桥阻碍了砾石浆流动穿过环形区域，以防止或减少了通过砂桥的砾石 分布。分流管可以用来运载砾石浆以绕过砾石砂桥，使得在整个井眼井段 中可以得到很好的砾石填充。
图2A中进一步显示了，分流管206， 208通过连接副202 (在可膨胀元 件104内)，这样可膨胀元件104在分流管206， 208周围延伸。
筛组件102B包括与筛组件102A同样的部件，包括外罩205B和筛204B。 分流管206， 208延伸穿过外罩205B和筛204B之间的区域。
图2B显示了砾石填充执行后使得在完井钻柱与井眼内表面之间的目标 环形区域已经填满了砾石封堵的状态。图2B也显示了可膨胀元件104在其 膨胀状态下以在不同区域之间提供区域隔离。
图3提供了图2A、2B中图示的完井钻柱部分的一段的局部纵向剖视图。 图4为包括可膨胀元件104的完井钻柱的一段的截面图。如图3和4所示， 连接副202包括内管部分302 (或内心轴)，它限定了穿过连接副202的内 部轴向孔304。连接副202还有环绕内管部分302的外壳或套筒306。可膨 胀元件104安装在外壳306的外表面上。分流管206， 208位于外壳306与 内管部分302之间。内管部分302与外壳306限定了穿过连接副202的环 形路径308，以允许分流管206， 208通过连接副202。连接副202的第一接头310将连接副202连接到第一筛组件102A，第 二接头312将连接副202连接到第二筛组件102B。
连接副202的内管部分302分别与筛组件102A和102B的管道部分320A 和320B连接(如螺纹地连接)。管道部分302， 302A， 302B的内孔轴向对 齐以允许流体连续轴向流过完井钻柱。
图5和6显示了连接副的变体(202A)。图5是图2A所示的完井钻柱 的一段的局部纵向剖视图，图6是连接副202A的剖视图。连接副202A不 包括图4实施例显示的外套筒或外壳。取而代之的是，图5中的可膨胀元 件104A附在管道(或内心轴)302的外表面上。可膨胀元件104A限定了分 流管206， 208可以延伸穿过的轴向路径402。
在另一个实施过程中，代替分流管206， 208穿过可膨胀元件104A,穿 过可膨胀元件104A的轴向路径402可以形成分流管的一部分，换句话说， 可膨胀元件104A中的轴向路径402与分流管206， 208的内孔流体连通， 使得轴向路径和分流管一起形成分流导管。在这个实施过程中，分流管206， 208部分插入到可膨胀元件104A的轴向路径402中。
在一些实施例中，如图7所示，在分流管206， 208中提供阀502。当 打开时，阀502使得砾石浆流过分流管206， 208的内孔504。当关闭时， 阀502阻止流体通过分流管206， 208的内孔504。阀502可以在砾石填充 作业之后关闭以防止井的不同区域之间流体流通。阀502的致动可以由在 完井钻柱里移动工具506实现，这个移动工具与阀502机械地相互作用以 开启或关闭阀502。
在操作中，包含图1所示部件的完井钻柱进入到井眼100，可膨胀元件 104处于缩回位置，使得在可膨胀元件104与井眼100的内表面106之间存 在径向间隙。当完井钻柱位置固定后，就可以进行砾石填充作业。砾石浆 从地表泵送，或者向下到完井钻柱的内孔或通过完井钻柱与井眼100之间 的上部环形区域。砾石浆流过转换装置(未图示)以进入到将要砾石填充 的目标环形区域114(图1)。如果形成砾石桥接，砾石浆可以在分流管206， 208内流动以填充因砾石桥接导致的目标环形区域114中的空隙。当完成砾 石填充作业时，可膨胀元件104使用化学膨胀过程开始膨胀。膨胀可能会 花相对较长的时间，例如大约几个小时、几天、甚至几周。在不同的实施 过程中，膨胀可以很快。 一旦可膨胀元件104与井眼100的内表面106接合，就实现了区域隔离。
在完井钻柱中使用可膨胀元件104的好处在于可膨胀元件104可以在 不使用机械致动元件的情况下完成膨胀。由于分流管的存在所以不需要使 用机械致动元件。
由于在砾石填充作业过程中可膨胀元件104处于縮回状态，目标环形 区域114的多个区域可以用相同的砾石填充处理进行砾石填充；换句话说， 可以避免多个相应区域的多重处理。而且，沿着每个密封元件104的长度 没有放泄设备，所以砾石浆就不会在密封元件104与井眼100的内表面106 之间的环形部分105 (图l)中脱水。这就在将要砾石充填的区域之间提供 了干净的部分(没有砾石材料)，所以密封元件104可以在这样的部分105 扩张以紧靠井眼100的内表面106密封。
此外，在进行砾石填充作业期间，每个可膨胀元件104的外径可以增 大以稍大于周围的筛组件。密封元件104的增大外径允许每个可膨胀元件 104周围的砾石浆的局部速度增大，以防止砾石从在可膨胀元件104与井眼 表面106之间的相应环形部分105中的携带流体脱出。
注意，可在最接近井底部(井最远离地表的部分)的可膨胀封隔器的 上部(或接近)选择性地添加分流器(例如可以是皮碗封隔器的形式)，以 使砾石浆转向进入分流管，并且避免或减少砾石桨经过或在最接近井底部 的可膨胀封隔器周围流动的几率。
尽管本发明已经参照上述有限数量的实施例被公开，但是了解上述公 开内容的本领域技术人员可以意识到许多修改和变体。因此附加的权利要 求覆盖在本发明的真正意图和范围内的这些修改和变体。
权利要求
1、一种在井眼中使用的砾石充填装置，包括过滤微粒的筛组件；运送砾石浆的至少一个分流导管；和在所述至少一个分流导管的一部分周围的可膨胀元件，所述可膨胀元件响应输入激励膨胀以密封井眼，其中，所述可膨胀元件膨胀时径向向外地扩张。
2、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，所述筛组件包括 筛和外罩，并且所述至少一个分流导管设置在所述筛与所述外罩之间。
3、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，所述可膨胀元件 由响应暴露于井下环境而膨胀的弹性体形成。
4、 如权利要求l所述的砾石充填装置，其特征在于，所述可膨胀元件 包括可膨胀的囊状物。
5、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，所述可膨胀元件 在膨胀之前具有第一直径，并且在膨胀之后具有更大的第二直径。
6、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，所述分流导管具 有流动控制装置，以控制流体流过所述分流导管的内孔。
7、 如权利要求6所述的砾石充填装置，其特征在于，还包括施工工具， 所述施工工具可移动以在打开位置与关闭位置之间致动所述分流导管的流 动控制装置。
8、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，还包括 另一筛组件；和在所述筛组件之间以将所述筛组件相互连接的连接副，其中，所述连 接副包括管道部分以及在管道部分周围的外壳，其中所述至少一个分流导 管位于所述管道部分与所述外壳之间。
9、 如权利要求8所述的砾石充填装置，其特征在于，所述可膨胀元件 被安装在所述外壳的外表面上。
10、 如权利要求8所述的砾石充填装置，其特征在于，所述筛组件包 括管道部分，所述筛组件的管道部分与连接副的管道部分轴向对齐，使得 流体流动路径连续延伸穿过所述筛组件和所述连接副的管道部分。
11、 如权利要求l所述的砾石充填装置，其特征在于，还包括-另一筛组件；和在所述筛组件之间以将所述筛组件相互连接的连接副，其中，所述连 接副具有管道部分，所述可膨胀元件被安装在所述管道部分上，以及所述 可膨胀元件限定了用于分流导管的至少一个轴向路径。
12、 如权利要求ll所述的砾石充填装置，其特征在于，所述分流导管包括穿过所述可膨胀元件中的轴向路径延伸的分流管。
13、 如权利要求ll所述的砾石充填装置，其特征在于，还包括与可膨 胀元件中的轴向路径流体流通的分流管，所述分流管与所述轴向路线一起 形成所述分流导管。
14、 如权利要求1所述的砾石充填装置，其特征在于，所述可膨胀元 件被化学活化以便膨胀。
15、 如权利要求14所述的砾石充填装置，其特征在于，还包括释放活 化剂以化学活化所述可膨胀元件的机构。
16、 一种在井眼中使用的方法，包括将工具钻柱延伸到井眼中，其中，所述工具钻柱具有筛组件、至少一 个分流导管、和在所述至少一个分流导管周围的可膨胀元件；通过所述至少一个分流导管输送砾石浆，以便在井眼中进行砾石填充；和弓I起可膨胀元件膨胀以密封井眼。
17、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述可膨胀元件的直径 小于所述工具钻柱被延伸到井眼时的井眼内径。
18、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述可膨胀元件径向向 外扩张，以便在膨胀后与井眼接合。
19、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述引起可膨胀元件膨 胀包括使所述可膨胀元件暴露于井下环境。
20、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括释放活化剂以使 所述可膨胀元件化学膨胀。
21、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在砾石填充之后 关闭所述分流导管中的流动控制装置。
22、 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述引起可膨胀元件膨胀是在所述可膨胀元件没有机械活化的情况下实现的。
23、如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述工具钻柱具有多个可膨胀元件，所述方法还包括在井底接近所述可膨胀元件设置分流器，用于使砾石浆分流到所述至 少一个分流导管。
全文摘要
在井眼中使用的砾石充填装置包括过滤微粒的筛组件；运送砾石浆的至少一个分流导管；和在至少一个分流导管的一部分周围的可膨胀元件。可膨胀元件可以根据输入激励膨胀且径向向外扩张以密封井眼。
文档编号E21B43/04GK101517194SQ200780034562
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月13日 优先权日2006年9月19日
发明者E·托法宁, R·J·蒂贝斯, S·塞比 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司