专利名称：包括泡沫层的井眼筛选系统和设备的制作方法
包括泡沬层的井眼筛选系统和设备交叉参考本申请请求美国非临时专利申请序列号为12/567166的申请的优先权，该专利申请的名称为“包括泡沫层的井眼筛选系统和设备”，申请日为2009年9月25日。
背景技术：
在钻井、完井工业以及诸如烃勘探和回收作业中，正在努力提高采出效率及增大产量。这些努力工作包括使用和改进一些技术来防止不适宜固体进入生产管柱内。这类固体集体性地通常被称之为“砂”，这类物质会引起一些问题例如，降低采出效率、增加生产成本，以及磨损和/或损害井下部件与地面部件。当地层流体进入生产管柱时，为了防止不适宜固体进入其中，经常会使用井下筛管来过滤地层流体，这些筛管例如是填砂或砾石充填筛管。许多筛选技术效率不高、产量低，尤其是在井眼不均勻、烃勘探作业期间地层中会产生大量砂的应用场合。
发明内容
本发明提供了一种筛选地层成分的设备。该设备包括被构造成允许地层流体流过的中心管；和，设置在中心管径向外侧的泡沫层，该泡沫层被构造成允许地层流体穿过其中且使穿过其中的地层固体成分最少，该泡沫层包括多个空心结构，这些空心结构之间形成有孔口。本发明还公开了一种用于筛选地层成分的设备的制造方法。该方法包括形成中心管，该中心管被构造成允许地层流体穿过其中；和将泡沫层布置在中心管径向外侧，该泡沫层被构造成允许地层流体穿过其中且使穿过其中的地层固体最少，该泡沫层包括多个空心结构，这些空心结构之间形成有孔口。
下面的描述绝不是限制性的。附图中的相似元件用类似标记表示，附图如下图1是井下筛管的示例性实施例的截面图；图2是图1中的筛管的泡沫层的截面图；图3是井下过滤组件的截面图；图4是流程图，该流程图表示井眼内的筛管的制造和/或布置方法。
具体实施例方式参照图1，示出了井眼内的筛管单根10的示例性实施例。如文中所述，“筛管”或 “筛管单根”表示布置在井眼内以当地层流体进入生产管柱时可将不需要的颗粒和其他固体从地层流体中过滤出来的任何元件和/或系统。筛管单根10包括中心管12、泡沫层14 和罩16，所述泡沫层位于中心管12的径向外侧，所述罩位于泡沫层14的径向外侧。泡沫层 14包括具有多个空心结构的泡沫，这些空心结构之间形成有间隙或孔口。
中心管12是由诸如合金钢之类的材料制成的管状构件。在一个实施例中，中心管12是井下管柱如烃生产管柱或钻柱的一部分。如文中所述，“管柱”、“生产管柱”或“钻柱”表示为适于将工具或其他构件下放到井眼内或将钻头连接到地面上的任何结构或输送工具，但是并不局限于所述结构和构造。在一实施例中，中心管12是管段，包括将筛管单根 10连接到相邻元件上的合适连接机构如螺纹结构。在一个实施例中，中心管12是刚性的管状元件，包括多个孔或孔口 18以让地层流体穿过其中。如文中所述，“地层流体”是指可从地层中开采的烃、水和任何其他流体形式的物质。在一个实施例中，中心管12是刚性结构，从而被布置在井下时可保持其形状和直径。在一个实施例中，罩16是矢量罩。罩16包括多个钻孔或其他孔口以允许和/或引导地层流体穿过其中。罩16由耐用材料如钢制成，所述耐用材料在井下环境中能经受得住腐蚀和磨损，并有助于保护泡沫层14和中心管12。在一个实施例中，罩16由合适类型的金属薄片制成。在一个实施例中，在井下紊流状况下罩16可经受得住腐蚀。泡沫层14设置在中心管12和罩16之间，起到过滤器的作用，允许地层流体穿过其中并限制、最小化或防止不需要的固体物质如砂通过。在一个实施例中，泡沫层14具有大体圆筒形形状，与中心管12的外表面形状基本一致。但是，泡沫层可形成为任何合适的形状，例如所形成的形状便于布置筛管单根10和/或提高过滤质量。在一个实施例中，在将筛管单根10布置在井眼中之前就已经制造或组装好了该筛管单根10。布置好筛管单根10之后开始过滤地层流体，而不需要进行重大的井下改变如膨胀所述筛管单根10。在一个实施例中，泡沫层14包括热固性或热塑性泡沫。该泡沫可以是能够压缩的泡沫。在一个实施例中，该泡沫是弹性的形状记忆泡沫如开孔的合成泡沫。通过将形状记忆泡沫的温度升高而超过阈温度，形状记忆泡沫可变形或再成形。当泡沫温度高于阈温度时，泡沫可变形为新的形状、然后将温度降低到阈温度以下以保持该新形状。当泡沫温度再次升高至超过阈温度时，泡沫恢复至其初始形状。形状记忆属性和/或热固性属性是有益的，例如便于筛管单根10的制造、组装和/或布置。泡沫层14可由任何合适的材料制成。例如，在一个实施例中，泡沫层由多孔的热固性形状记忆聚合物制成。在另一实施例中，泡沫层是聚氨酯(PU)形状记忆泡沫。这种聚氨酯形状记忆泡沫是一种高级聚氨酯泡沫，其具有经过设计的孔隙空间及柔性，可抑制破裂或砂粒移动。参照图2，泡沫层14的泡沫包括多个空心结构，如空心球体和/或微球体20。在一个实施例中，空心结构是空心球体20或具有空心球状，具有相互接触的壁22。所述空心球体20在它们之间形成有多个孔隙或孔口 24。这些孔口 M允许地层流体穿过其中，但孔口的尺寸足够小以形成比不需要的固体颗粒(如砂粒或岩屑)体积小的容积。当固体颗粒渗入泡沫层14时，固体颗粒就会被捕获在泡沫所形成的基体中。在此情况下，这些颗粒至少局部填充球体20的空间。但固体颗粒不会充填孔口 24，因而可保持渗透性。因为渗透性主要取决于球体壁22之间形成的孔口 24，因而，虽然球体20可被填充但不会显著影响泡沫层14的渗透性。例如，PU泡沫可被构造成具有如下性质直到泡沫被压紧大约60%以上， 泡沫的孔口 M才会塌缩。因而，泡沫可大致被压紧高达60%，而不会显著降低整体的可渗透性。
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参照图3，示出了井下过滤组件30的一部分的示例性实施例。井下过滤组件30包括筛管单根10，该井下过滤组件被构造成为一种混有颗粒材料如砂或砾石的筛管组件。在该实施例中，井下过滤组件30被称为“填砂筛管”。在一个实施例中，井下过滤组件30被构造成可设置在地层34中的井眼32内。如图3所示，井管道或套管36设置在井眼32内且靠近井眼壁，颗粒材料38布置在筛管单根 10和井套管36之间的环形空间的至少一部分中。在另一实施例中，颗粒材料38布置在筛管单根10和井眼壁之间。在一个实施例中，颗粒材料38的孔隙率小于泡沫层14的孔隙率、大于地层34的孔隙率。孔隙率逐渐增加的这种结构有助于减小或防止地层流体堵塞井下过滤组件30。图4示出了地层中井眼内的筛选设备的制造和/或布置方法。该方法40包括一个或更多个步骤41-44。通过结合所述筛管单根10来描述该方法40，但是该方法也可采用可布置在井下的任何合适筛选机构。在一个实施例中，方法40包括按照所述次序执行所有步骤41-44。但可省略某些步骤、可增加某些步骤、或可改变步骤顺序。在第一步骤41中，将泡沫层14设置在中心管12或排放层的外表面上和/或布置在中心管或排放层的外表面周围，所述排放层例如是沿中心管12的径向外侧布置的中间排放层。在一个实施例中，中间排放层径向布置在中心管12和泡沫层14之间。这可通过合适方法来实现，从而使得所需厚度和形状的泡沫层就形成在中心管12或中间排放层的外表面上。例如，泡沫层14被喷射或模制在该外表面上。在另一实施例中，中心管12或中间排放层周围包裹有具有所需厚度的泡沫覆盖层。在一个实施例中，利用泡沫的形状记忆属性和/或热固性以便于进行制造和/或布置。例如，热固性泡沫层14被加热而使其温度高于阈温度，之后被成形到中心管12或中间排放层上。泡沫层14在冷却之后可保持围绕中心管12或中间排放层布置的形状。在另一例子中，形状记忆泡沫层14被施加在中心管12或中间排放层上，且被成形为所需的形状，接着被加热至高于阈温度的温度。压缩所述形状记忆泡沫层14以减小其厚度或将其成形为便于将筛管单根10布置在井下。然后将形状记忆泡沫层14冷却至低于阈温度的温度以在安装外罩之前保持被压缩的形状。在布置了所述筛管单根10之后，井下的较高温度会引起记忆泡沫层14恢复至其初始的合适形状。可供选择地，如果井下温度低于阈温度，可在井下布置单独的热源以加热形状记忆泡沫层14。由于具有形状记忆的效果，因而可布置闭孔泡沫，从而减小了下入期间堵塞筛管的可能性。在一个实施例中，泡沫层14是形状记忆泡沫。但是，并没有利用形状记忆特性，筛管单根10是在其初始形状下被布置的。在第二步骤42中，将罩16设置在泡沫层14的外表面上和/或泡沫层的外表面周围。这可通过合适方法来实现，例如使罩16在泡沫层14上滑动，或者将罩16的多个部分紧固在泡沫层14的周围。在一个实施例中，当泡沫层14处于被压缩状态时，罩16在泡沫层14上滑动或设置在泡沫层上。当所述筛管单根10布置在井下时，泡沫层14将膨胀至其初始形状。在第三步骤43中，筛管单根10被下放至井眼内或布置在井下。筛管单根10可作为生产管柱的部件被下入或通过任何合适方法或装置如钢丝绳来下入。在第四步骤44中，当地层流体进入生产管柱、朝地面流动时通过筛管单根10来过滤地层流体。与现有的制造方法和装置相比，在此所述的系统和方法具有许多优点过滤效率更高；由于泡沫的弹性的原因而改善了耐腐蚀特性；在布置方面也具有一些益处，例如减少了传统的预充填筛管所存在的砂移动或破裂现象；另外，与传统的填砂或砾石充填筛管相比灵活性更大。例如，与传统的金属筛管相比所述泡沫层的抗腐蚀性更强。例如，砂筛管的孔隙率通常约为30%，而此处所述的泡沫的孔隙率可高达大约 70%，对于传统的砾石充填或砂充填来说，情况正好相反。与本申请中所担心的一些泡沫在地层沙渗入其中时会造成塌缩和阻塞的情况相反，本申请中所述的泡沫(如由空心球体或其他结构形成的泡沫)甚至在沙渗入其中之后渗透性仍然强。例如，渗入沙可充塞球体，但球体之间的孔口保持打开，从而仍保持可渗透性。尽管是参照示例性的实施例来描述本发明的，但是本领域的普通技术人员应理解在不脱离本发明保护范围的前提下，可进行各种改变，本发明的元件也可用等同构件来替换。另外，本领域的普通技术人员也应理解在不脱离本发明的实质保护范围的前提下， 所作出的许多改变要让具体的装置、情况或材料符合本发明的教导。因此，本发明并不局限于以最佳方式实施本发明所采用的上述具体实施例。
权利要求
1.一种用于筛选地层成分的设备，包括中心管，该中心管被构造成引导地层流体流动；和设置在中心管径向外侧的泡沫层，该泡沫层被构造成允许地层流体穿过其中且使穿过其中的地层固体成分最少，该泡沫层包括至少局部布置在泡沫层内的多个空心结构，这些空心结构之间形成有孔口。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于泡沫层由热固性泡沫或热塑性泡沫形成。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于泡沫层由弹性的形状记忆泡沫形成。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于泡沫层是合成泡沫。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于泡沫层由聚氨酯形状记忆泡沫形成。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括径向布置在中心管和泡沫层之间的排放层。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个空心结构呈多个空心球的形状。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述多个空心球均相互接触以在这些空心球之间形成孔口。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于泡沫层由能够压缩的泡沫形成。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括布置在泡沫层和井眼壁之间的颗粒材料。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括设置在泡沫层周围的保护罩。
12.一种用于筛选地层成分的设备的制造方法，包括形成中心管，该中心管被构造成引导地层流体流动；和将泡沫层径向布置在中心管外侧，该泡沫层被构造成允许地层流体穿过其中且使穿过其中的地层固体最少，该泡沫层包括至少局部布置在泡沫层内的多个空心结构，这些空心结构之间形成有孔口。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括将保护罩布置在泡沫层周围。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括将该设备布置在井眼内。
15.根据权利要求12所述的方法，所述多个空心结构呈多个空心球的形状。
16.根据权利要求15所述的方法，所述多个空心球均相互接触以在所述多个空心球之间形成孔口。
17.根据权利要求12所述的方法，该泡沫层由形状记忆泡沫形成。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，布置泡沫层的步骤包括将泡沫层成形为所需的形状；加热泡沫层至高于阈温度的温度；将泡沫层成形为便于布置该设备的能够布置的形状；以及，冷却泡沫层至低于阈温度的温度以保持所述能够布置的形状。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括如下步骤将该设备布置在井眼内；以及，力口热泡沫层以使泡沫层恢复至所需形状。
20.根据权利要求12所述的方法，布置泡沫层的步骤包括加热泡沫层至高于阈温度的温度；将泡沫层成形为所需形状；以及，冷却泡沫层以保持所述所需形状。
全文摘要
本申请公开了一种用于筛选地层成分的设备，包括被构造成用于引导地层流体流动的中心管；和设置在中心管径向外侧的泡沫层，该泡沫层被构造成允许地层流体穿过其中且使穿过其中的地层固体成分最少，该泡沫层包括多个空心结构，这些空心结构之间形成有孔口。还公开了一种用于筛选地层成分的设备的制造方法。
文档编号E21B43/08GK102549234SQ201080042376
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月24日 优先权日2009年9月25日
发明者B·M·理查德, M·H·约翰逊 申请人:贝克休斯公司