专利名称：扩张型非接合式井筛网系统及其制作方法
技术领域：
本发明涉及与地下井相结合使用的设备和执行的操作，在下面描述的实
施例中，具体提供了一种扩张型非接合式井筛网(mesh well screen)。
背景技术：
井筛(well screen)通常用来阻挡地下井产生的流体中的沙和地岩层微粒。 已经发现，在用金属丝网作为井筛中的过滤层时，对金属丝网进行的接合操 作(如焊接和铜焊)会对金属丝网的长期使用造成不利。例如，金属丝网可 能会更易于被侵蚀。
已有人进行了解决涉及接合式金属丝网过滤层这类问题的尝试，其做法 是锻压(swaging) —个包括过滤层的整体筛套并将其设在中心管(base pipe) 上。利用金属丝网过滤层的巻绕重叠来代替焊接，从而密封过滤层以防止沙 砾移动。然而，这种筛套锻压方法也会在过滤层中产生不良的应力集中，从 而导致提前报废。
因此，有必要对构建井筛的技术做出改进。这些改进可以应用在具有或 不具有金属丝网过滤层的井筛上。
发明内容
本发明说明书中提供的多个系统和方法用以解决现有技术中的至少一 个问题。在以下描述的一个实施例中，在筛套被贴附至中心管之前，该筛套 沿径向向外扩张。在以下描述的另一个实施例中，通过利用筛套端部的压接 (crimp)来防止沙砾穿过筛套各纵向端部的迁移。
一方面，本发明提供了一种制作井筛的方法。该方法包括以下步骤扩 张筛套的至少一部分，然后把筛套固定到中心管上。该扩张步骤可以包括扩 张筛套的过滤层。
筛套可以包括一个外罩(outer shroud)。扩张步骤可以包括将筛套的一部分向外扩张，使之接触到所述外罩。扩张步骤可以包括对外罩进行扩张。 在固定步骤中外罩也可以不扩张。
固定步骤可以包括把筛套的一个或多个端部压接到中心管上。压接步骤 可以包括防止沙砾在筛套的一个或多个端部穿过筛套的过滤层而迁移。在压
接步骤之后，位于筛套的一个或多个端部之间的筛套的主体(substantial)部 分保持不压接。
固定步骤可以包括在筛套的一个或多个端部将筛套焊接至中心管，而所 述焊接步骤可以包括将筛套的内排放层和外罩中至少之一的无孔端环焊接 至中心管。焊接步骤还可以(或选择性地)包括将筛套的内排放层和外罩中 至少之一的有孔端部焊接至中心管。
另一方面，本发明提供了一个井筛系统，该井筛系统包括一个中心管和 包围着中心管的至少被部分扩张的筛套。所述筛套在被置于所述中心管上之 前被扩张。
本发明的实例提供了一个井筛系统，该系统的优点在于1)径向紧凑， 2)在其过滤层中没有不良应力和张力集中，3)耐侵蚀，4)在其过滤部分 无焊接或铜焊，5)制作方便经济，6)机械强度增强，7)具有增强的滤沙 能力。
基于本领域普通技术人员对以下有代表性的实施例的具体描述和附图 的详细了解，上述与其他特征、优点、益处和目的将变得显而易见，其中在
各个附图中，相似的元件用相同的附图标记来表示。
图1为体现本发明的原理的钻井系统的局部剖视图； 图2为贯穿井筛系统的放大的剖视图，其中该井筛系统用在图1的钻井 系统中；
图3为该井筛系统的筛套和中心管的进一步放大的剖视图4A至图4F为该井筛系统中可以使用的附加的筛套构造的剖视图5A和图5B为把筛套固定在中心管上的技术的剖视图6为图5A和图5B的固定技术中使用的压接工具的局部剖视图。
具体实施例方式
需要理解的是，这里描述的各种实施例可以用于各种方向，如倾斜、颠 倒、水平、垂直等方向，还可以采用各种配置，都不会背离本发明的原理。 对各实施例的描述仅作为本发明的原理的实际应用的例子，本发明的原理不 限于这些实施例的任何特定细节。
在以下描述的有代表性的本发明实施例中，为了便于参阅附图而使用了 多个方向性名词，例如"以上"、"以下"、"上方"、"下方"等。
图1示出了体现本发明原理的井筛系统10。如图1所示，井筛12在管 柱(tubular string) 14 (例如衬管柱(liner string)或采油管柱(production tubing string))中与其互连，并位于井眼16中。井筛12从流体中过滤沙砾和地岩 层微粒，所述流体从地岩层18流进管柱14。
以下描述的井筛系统10和制作井筛12的方法为本领域提供了很多改 进。但是，需要清楚理解的是，本发明的原理不以任何方式局限于图l示出 的细节。例如，井眼16可以是未加护套的(imcased)或是裸井，井筛12可 以是砾石(gravel)铺设的等。
参见图2，图2典型性示出了井筛12的放大的详细示意图。在此附图中， 可以方便地看到井筛12的构造。
井筛12包括一个打孔的中心管20。中心管20的纵向相对端部优选地提 供有线缆以在管柱14中将井筛12与其互连，但如果需要，也可以采用其他 连接方式。
筛套22包围了中心管20。筛套22用于过滤从井筛12的外面流向里面 的流体。优选地，筛套22包括多层材料，图3至图4F示出了筛套的例子， 以下将做描述。
在井筛12的一个特有的特征中，筛套22在被置于中心管20上之前呈 放射状地向外扩张。在筛套22顺着中心管20适当地覆盖孔24之后，筛套 22的纵向相对端部被压接到中心管上，然后将筛套22的这些端部焊接至中 心管。以下将详细描述这个过程。
参见图3，图3典型性示出了井筛12的局部放大的剖视图。在此视图中， 可以更清楚地看到组成筛套22的各个层以及它们与中心管20的关系。
在图3的实施例中，筛套22包括外罩26、金属丝网过滤层28和内层金属丝缠绕排放层(inner wire wrap drainage layer) 30。这些层的每一层都执行 筛套22中的至少一个特定的重要功能，需要清楚理解的是，本发明的原理 并不局限于对筛套中的任何一个特定层或多层组合的使用。
在安装井筛12期间，在诸如砾石铺设等操作中，外罩26用来保护筛套 22。优选地，外罩26由螺旋缠绕并打孔的不锈钢材料制成，该外罩的相对 端部设有无孔管状端环32 (如图5A所示)。
过滤层28作为过滤元件，用于阻挡沙砾和地岩层微粒等通过筛套22。 优选地，过滤层28由相对精细的不锈钢丝网或织线(woven wire)制成。
排放层30作为过滤层28和中心管20之间的界面，为离开过滤层流进 中心管的孔24的流体提供了流动路径，也为过滤层提供了对外的支撑。优 选地，排放层30由不锈钢金属丝制成，所述不锈钢金属丝紧密地螺旋缠绕 在多个纵向延伸的不锈钢架(stay)或不锈钢柱上。
需要注意的是，在这个实施例中，外罩26在其内表面36上具有多个向 内延伸的凹陷(dimple)或凸起34。这些凸起34提供了过滤层28周围的径 向空间，这样，流体就可以在外罩26的打孔部分与过滤层的外表面之间很 容易地流动。
另外，请注意，图3中出现的过滤层28由多层组成。这是因为，在图3 所示的区域中，过滤层28的周端部之间有重合。
当构建筛套22时，原来呈平坦的矩形的过滤层28被巻成了管形，在所 述过滤层的周端(circumferential ends)之间形成重叠。这种重叠用来防止沙 砾或其他碎片穿过过滤层28，而这些周端不需要被焊接或铜焊在一起。
还需要注意，筛套22具有较小的径向厚度，过滤层28与外罩26的内 表面36上的凸起34紧密接触，过滤层与排放层30之间紧密接触，在筛套 与中心管20之间有最小径向间隙。这些期望的特征是由下面描述的特有的 构建过程所获得的结果，在所述构建过程中，在把筛套22置于中心管20上 之前，过滤层28与排放层30在外罩26内扩张。
再参考图4A至图4F，这些附图典型性示出了筛套22的各种不同构造。 这些筛套22构造的附加实例体现了本发明的原理，但不局限于筛套构造的 任何一种类型。
如图4A所示，除了在外罩26的内表面36上没有凸起34之外，筛套
722与图3的构造非常相似。本发明描述的各种筛套22的构造可以根据需要 设置或不设置凸起34。
在图4B中，排放层30优选由相对粗糙的不锈钢焊接的金属丝网制成。 在图4C中，排放层30优选由打孔的不锈钢管制成，该不锈钢管与外罩26 的构造相似(例如，螺旋形成和/或在每个纵向端部都有无孔的端环等)。在 图4D中，除了排放层30优选由相对粗糙的不锈钢预锻压金属丝网制成之外， 筛套22与图4B的构造非常相似，其中所述预锻压金属丝网不必焊接。这些 实例说明，在符合本发明的原理的情况下，可以应用各种类型的排放层。
在图4E中，使用了两个过滤层28和38,其中外过滤层38优选由相对 粗糙的不锈钢未焊接金属丝网或织线制成，内过滤层28优选由相对精细的 不锈钢未焊接金属丝网或织线制成。除了排放层30优选由金属丝缠绕代替 打孔的管而制成之外，图4F中的筛套22与图4E中的构造很相似。这些实 例说明在符合本发明的原理的情况下，可以使用任意数目的层和层的组合。
需要注意的是，在图4A至图4F中，在筛套22的每个层之间都有径向 空间。在扩张筛套22之前，这些径向空间可以存在，但优选地，在扩张过 程之后，各层之间就不存在径向空间，这样就提供了一种径向紧凑的构造。
现在参考图5A和图5B，图5A和图5B典型性示出了把筛套22固定到 中心管20上的技术的实例。在每个这种技术中，筛套22的纵向相对端部沿 径向向内压接到中心管20上，然后再将筛套的两个端部焊接至中心管，应 当清楚地理解，如果需要，也可以应用其它技术把筛套固定在中心管上。
在图5A中，筛套22与图4C中描述的筛套很相似。在排放层30的每个 纵向相对端部各有一个管状无孔端环40，这类似于外罩26上的端环32。当 筛套22被焊接至中心管20时，端环32、 40和过滤层28就是被焊接至中心 管的特定元件。
在图5B中，外罩26没有设置端环32，筛套22与图4E中的描述的筛 套很相似。这个实例说明，筛套22中不是必须要设置端环32、 40，在符合 本发明的原理的情况下，也可以应用各种配置的筛套。
需要注意的是，如果适当地执行了压接操作，就没必要将筛套22焊接 至中心管20。压接操作优选对筛套22的两端部进行密封以防止沙砾迁移， 并把筛套固定到中心管20上，这样焊接就不再是必须的。例如，可以理解，在图5A的配置中，在外罩26和排放层30之间的过滤层28的压接无须焊接 就能防止沙砾或其他碎片在各层之间沿纵向迁移。
优选地，在执行压接操作时不应引起筛套22的各层内的应力和张力(尤 其是过滤层28内的应力和张力)的实质性增加。在图6中，典型性示出了 可以用于圆满完成压接操作的压接工具42。
在把筛套适当设置在中心管20上之后，紧接着把压接工具42置于筛套 22的两端部上。如图6中所示，经由连接器，44施加的压力将活塞46向下推 压，从而向下移动内锥形的夹头架(collecthousing) 48。
夹头架48向下移动，使得呈活块状的夹头50径向向内移动。夹头50 沿径向设置在筛套22端部的外侧，夹头向内移动，就使得筛套端部沿径向 朝内压接。
夹头50上的凸缘(shoulders) 52被切成圆角，从而防止在筛套22两端 部的压接和未压接部分之间引起显著的应力集中。然后可以经由另一个连接 器54施加压力，使得活塞46和夹头架48向上移动，从而允许夹头50沿径 向向外弹回。
在构建井筛12的一个优选方法中，按照所列顺序执行以下步骤
1) 调整过滤层28 (例如金属丝网)，把过滤层巻成管状。
2) 将过滤层28的各周端部相重叠。
3) 将过滤层28安装到外罩26的内部。
4) 将排放层30安装到过滤层的内部。
5) 将排放层30和过滤层28沿径向向外扩张，至少使得过滤层直到接 触到外罩26的内表面36且所有层都与其相邻层紧密接触为止。如果需要， 还可以采取进一步的扩张来径向向外扩张外罩26，这将有益于给外罩"定尺 寸(size)"，例如，用以补偿制造误差。扩张过程可以通过拉、推、或者通过 向筛套22内的可扩张的囊或膜施压或其他扩张技术将锥形冲头(conical drift)或模芯(mandrel)压入且充满排放层30的内部。在扩张步骤之前， 筛套的内部尺寸(例如，ID)小于中心管20的外部尺寸(例如，OD)，但 在扩张步骤之后，筛套的内部尺寸等于或大于中心管的外部尺寸。
6) 将扩张后的筛套22固定在中心管20上。
7) 将筛套22的两端部压接到中心管20上。8)将筛套22的两端部焊接在中心管20上。
现在可以充分体会到以上发明为井筛构建技术带来了很多改进。尤其是 在上述实例中所提供的一种井筛系统IO，该系统径向紧凑，在其过滤层中没 有不良应力和张力集中，耐侵蚀，在其过滤部分无焊接或铜焊，制作方便经 济，机械强度增强，该系统具有增强的滤沙能力。
上述公开的内容提供了一种制作井筛12方法，该方法包括以下步骤 扩张筛套22的至少一部分；然后把筛套22固定到中心管20上。扩张步骤 可以包括扩张筛套22的过滤层28。
筛套22可以包括外罩26。扩张步骤可以包括将部分筛套22向外扩张， 使之接触到外罩26。扩张步骤可以包括扩张外罩26。在固定步骤中外罩26 也可以不被扩张。
固定步骤可以包括将筛套22的一个或多个端部压接到中心管20上。压 接步骤可以包括防止沙砾在筛套22的一个或多个端部穿过过滤层28而迁 移。筛套22的一个或多个端部之间的主体部分在压接步骤之后保持不压接。
固定步骤可以包括在筛套的一个或多个端部将筛套22焊接至中心管20， 而焊接步骤可以包括将筛套22的内排放层30和外罩26中至少之一的无孔 端环32、 40焊接至中心管20。焊接步骤也可以(或选择性地)包括将筛套 22的内排放层30和外罩26中至少之一的有孔端部焊接至中心管20。
本发明还提供了井筛系统10，该井筛系统包括中心管20，以及包围该 中心管的至少经部分扩张的筛套22。筛套22在被置于中心管20上之前被扩 张。当扩张后的筛套22被置于中心管20上时，中心管20可以不扩张。
至少将筛套22的一个端部压接到中心管20上。筛套22的主体部分可 以不压接。在筛套22端部的压接可以阻挡沙砾在压接处穿过筛套的过滤层 28而迁移。筛套22的外罩26在筛套的压接端可以是有孔的。
由于筛套22的扩张，过滤层28可以接触到外罩26。在筛套22被置于 中心管20上时，外罩26可以扩张也可以不扩张。
在使用井筛系统IO进行筛沙(sand-screening)时，可以不将筛套22焊 接至中心管20。
当然，本领域的普通技术人员基于其对上述代表性的实施例的描述的详 尽考虑而很容易明白，完全可以对这些具体实施例进行多种改进、增加、替
10代、删除和其他的改变，而这些改变都落在本发明原理的范围内。因此，要 清楚理解的是，前面的具体描述只是用于说明和作为实例，本发明的精神和 范围仅由所附的权利要求及其等效物来限定。
权利要求
1.一种制作井筛的方法，该方法包括以下步骤扩张筛套的至少一部分；以及然后将所述筛套固定到中心管上。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述扩张步骤进一步包括扩张所述 筛套的过滤层。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述筛套包括外罩，以及其中所述 扩张步骤进一步包括向外扩张所述筛套的所述部分，使其接触到所述外罩。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述扩张步骤进一步包括扩张所述 外罩。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述固定步骤进一步包括将所述筛 套的一个或多个端部压接到所述中心管上。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述压接步骤进一步包括防止沙砾 在所述筛套的一个或多个端部穿过所述筛套的过滤层而迁移。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中所述固定步骤进一步包括在所述筛 套的一个或多个端部将所述筛套焊接至所述中心管，以及其中所述焊接步骤 进一步包括将所述筛套的内排放层和外罩中至少之一的无孔端环焊接至所 述中心管。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中所述固定步骤进一步包括在所述筛 套的一个或多个端部将所述筛套焊接至所述中心管，以及其中所述焊接步骤 进一步包括将所述筛套的内排放层和外罩中至少之一的有孔端部焊接至所 述中心管。
9. 根据权利要求5所述的方法，其中在所述筛套的一个或多个端部之间 的所述筛套的主体部分在所述压接步骤之后保持不压接。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述筛套包括外罩，其中所述外 罩在所述固定步骤中不被扩张。
11. 一种井筛系统，包括 中心管；以及至少被部分扩张的筛套，其包围所述中心管，所述筛套在被置于所述中 心管上之前被扩张。
12. 根据权利要求11所述的井筛系统，其中在扩张后的筛套被置于所述 中心管上时，所述中心管没有被扩张。
13. 根据权利要求11所述的井筛系统，其中将所述筛套的至少一个端部 压接到中心管上。
14. 根据权利要求13所述的井筛系统，其中所述筛套的主体部分没有压接。
15. 根据权利要求11所述的井筛系统，其中在所述筛套的端部的压接防 止沙砾在所述压接处穿过所述筛套的过滤层而迁移。
16. 根据权利要求15所述的井筛系统，其中所述筛套的外罩在所述筛套 的压接端是有孔的。
17. 根据权利要求ll所述的井筛系统，其中由于所述筛套的扩张，所述 筛套的过滤层接触到所述筛套的外罩。
18. 根据权利要求17所述的井筛系统，其中当所述筛套被置于所述中心 管上时，所述外罩不被扩张。
19. 根据权利要求17所述的井筛系统，其中当所述筛套被置于中心管上 时，所述外罩被扩张。
20. 根据权利要求11所述的井筛系统，其中在使用所述井筛系统进行筛 沙时，不将所述筛套焊接至所述中心管。
全文摘要
一种扩张型非接合式井筛网系统及其制作方法，所述方法包括以下步骤扩张筛套的至少一部分；然后将所述筛套固定到中心管上。所述井筛系统包括中心管和包围着所述中心管的至少被部分扩张的筛套。在将筛套置于所述中心管上之前，所述筛套被扩张。该系统的优点在于1)径向紧凑，2)在其过滤层中没有不良应力和张力集中，3)耐侵蚀，4)在其过滤部分无焊接或铜焊，5)制作方便经济，6)机械强度增强，7)具有增强的滤沙能力。
文档编号E21B43/02GK101619653SQ20091015136
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者斯蒂芬·M·格雷奇, 让-马克·洛佩斯, 阿龙·J·邦纳 申请人:哈利伯顿能源服务公司