具有远程禁用的反向流动控制能力的控流筛管组件的制作方法
【专利摘要】一种具有位于基管的内部与过滤介质之间的流路的控流筛管。阀组件包括阀塞、球保持器以及具有夹套组件的活塞体，阀组件被设置在流路内且在围绕基管被设置的壳体的开口中。夹套组件在第一位置通过开口的径向减小部而被径向向外地约束，由此防止阀塞进入其中，并且在第二位置通过径向减小部而不被径向向外地约束。由于内部压差将阀塞安置在开口的阀座部上，并在达到预定的阈值时引起活塞本体移位到第二位置，所以反向流动最初被防止。此后，外部压差引起阀塞进入活塞体并且接触球保持器，从而允许反向流动。
【专利说明】具有远程禁用的反向流动控制能力的控流筛管组件【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及与地下井中所执行的操作一起使用的设备，且特别涉及一种控流筛管组件，该控流筛管组件可操作以控制地层流体的流入，并可选择性地操作以防止流体进入地层内的反向流动。
【背景技术】
[0002]以下将以从含经地下地层(hydrocarbon bearing subterranean formation)进行的流体生产作为示例，在不限制本发明的范围的前提下描述本发明的背景。
[0003]在对穿过含烃地下地层的井进行完井操作期间，生产管和各种各样的完井设备被安装在井中，以便能安全有效地进行地层流体的生产。例如，为了防止从未固结或松散固结的地下地层产生颗粒材料，某些完井包括位置靠近期望生产间隔的一个或多个防砂筛管。在其它完井中，为了控制生产流体进入生产管的流量，通常实践上是在管柱内安装一个或多个控流装置。
[0004]人们已做了多种努力，以在需要防砂的完井内利用流体控流装置。例如，在某些防砂筛管中，在生产流体流过过滤介质之后，流体被引导至一控流段内。该控流段可包括一个或多个限流器，例如流管(flow tube)、喷嘴、迷宫式部件或类似部件。典型地，通过这类控流筛管实现的生产率在通过单独地调整控流筛管的限流器来安装之前就被固定。
[0005]然而已经发现，在完井过程中，可能期望将完井管柱加压，以操作或坐放某些工具，例如封隔器。目前的控流筛管需要将单独的工作管柱移送至完井管柱内来取得这种效果，或需要将一个或多个永久性止回阀整合至多个控流筛管中的每个控流筛管内。另外也已发现，在某些需要流体控流、防砂以及工具坐放能力的完井中，可能期望允许从完井管柱至地层内的反向流动。
[0006]因此，需要一种可操作以控制在需要防砂的完井中的地层流体的流入的控流筛管。还需要一种可操作以在完井过程中升压的控流筛管。另外，需要一种可操作以选择性地允许从完井管柱至地层内的反向流动的控流筛管。
【发明内容】
[0007]此处公开的本发明包括一种控流筛管，其用于在需要防砂的完井中控制地层流体的流入。另外，本发明的控流筛管可操作以在完井过程中升压。另外，本发明的控流筛管可操作以选择性地允许从完井管柱至地层内的反向流动。
[0008]在一个方案中，本发明旨在一种控流筛管，其具有位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路。控流筛管包括围绕基管被设置的壳体，该基管具有开口，该开口具有径向减小部和阀座部。阀组件位于开口中而且被设置在流体流路内。阀组件包括阀塞、球保持器以及具有夹套组件的活塞体。夹套组件在第一位置通过开口的径向减小部而被径向向外地约束，以防止阀塞进入活塞体中，并且在第二位置通过开口的径向减小部而不被径向向外地约束。内部压差的应用使阀塞位于阀座部上以防止反向流动。预定的内部压差的施加在继续防止反向流动的同时使活塞体从第一位置移位到第二位置。在第二位置，外部压差的施加弓I起阀塞接触球保持器，此后允许反向流动。
[0009]在一个实施例中，在第一位置，夹套组件的至少一部分被可滑动地定位在开口的径向减小部内。在某些实施例中，活塞体从第一位置至第二位置的的操作由穿过壳体延伸的固定销来防止，直到预定的内部压差被达到为止。在某些实施例中，阀塞可以是球形的堵塞构件。在其他实施例中，夹套组件可具有多个夹套指。
[0010]在一个实施例中，球保持器可被定位在活塞体的球保持器凹部中。在这样的实施例中，在阀塞接触球保持器之后，球保持器将阀塞保持在活塞体中。例如，在阀塞接触球保持器之后，球保持器可将阀塞磁性地保持在活塞体中。如果球保持器是磁体并且阀塞由铁磁材料形成，这是能够实现的。
[0011]在另一方案中，本发明旨在一种控流筛管，其具有位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路。控流筛管包括围绕基管被设置的壳体，该基管具有多个开口，这些开口具有多个径向减小部和多个阀座部。阀组件位于开口中而且被设置在流体流路内。每个阀组件包括阀塞、球保持器以及具有夹套组件的活塞体。每个夹套组件在第一位置通过多个开口中的一个开口的径向减小部而被径向向外地约束，以防止阀塞进入到活塞体内，并且在第二位置通过径向减小部而不被径向向外地约束。内部压差的施加使阀塞安置在阀座部上以防止反向流动。预定的内部压差的施加在继续防止反向流动的同时使活塞体从第一位置移位到第二位置。在第二位置，外部压差的施加引起阀塞接触多个球保持器，此后允许反向流动。
[0012]在又一方案中，本发明旨在一种用于操作控流筛管的方法。该方法包括:将至少
一个活塞体设置在位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路内，活塞体位于围绕基管被设置的壳体的开口中；将阀塞设置在开口内，位于开口的阀座部与活塞体的夹套组件之间；通过在活塞体的第一位置径向向外地约束夹套组件，防止阀塞进入到活塞体内；施加内部压差，以将阀塞安置在阀座部上并且防止反向流动；施加预定的内部压差，以在继续防止反向流动的同时使活塞体从第一位置移位到第二位置；以及施加外部压差，以在活塞体中使阀塞移动到与球保持器接触的位置，此后允许反向流动。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了更完整地理解本发明的多个特征和优点，现请连同附图一起参考对本发明的详细描述，其中，不同附图中相应的附图标记指代相应的部件，而且附图中:
[0014]图1为操作根据本发明实施例的多个控流筛管的井系统的示意图；
[0015]图2A-图2C为根据本发明实施例的控流筛管的连续的多个轴向段的四分之一剖视图；
[0016]图2D为沿图2B中的2D-2D线截取的控流筛管的剖视图；
[0017]图2E为沿图2C中的2E-2E线截取的控流筛管的剖视图；
[0018]图3A-图3E为处于多种操作形态下的可操作用于根据本发明实施例的控流筛管的阀组件的剖视图；
[0019]图4为可操作用于根据本发明实施例的控流筛管的阀组件的活塞组件的立体图；而[0020]图5为可操作用于根据本发明实施例的控流筛管的阀组件的分解图。
【具体实施方式】
[0021]尽管以下详细地讨论本发明多个实施例的形成和使用，但应理解，本发明提出了许多可应用的发明构思，这些发明构思可在许多特定环境下实施。本说明书所讨论的多个特定实施例仅用于说明形成和利用本发明的多个特定方式，而非限定本发明的范围。
[0022]首先参考图1，其中示出包括体现本发明原理的多个控流筛管的井系统，井系统被示意性地示出并概括地标识为“10”。在所示实施例中,井眼12穿过多个地球地层延伸。井眼12具有大体竖直段14，大体竖直段14的上部中以水泥固定有套管柱16。井眼12还具有大体水平段18，大体水平段18穿过含烃地下地层20延伸。如图所示，井眼12的大体水平段18是裸眼井。
[0023]被设置在井眼12内而且从地面延伸的是管柱22。管柱22提供了用于使地层流体从地层20流至地面以及使注入流体从地面流至地层20的管道。在管柱的下端，管柱22连结至已被安装在井眼12中并将完井间隔分成邻近地层20的多个生产间隔的完井管柱。完井管柱包括多个控流筛管24，这些控流筛管中的每一个被设置在一对封隔器26之间；这对封隔器在完井管柱与井眼12之间提供流体密封，由此限定生产间隔。
[0024]控流筛管24提供从生产流体流滤除颗粒物质以及控制生产流体流的流量的主要功能。另外，如以下更详细地讨论的，控流筛管24可操作以在完井管柱安装期间升压。例如，在将完井管柱设置于井眼12中的期望位置时，可利用内压来坐放用以将完井间隔分成所需数量的生产间隔的封隔器26。在此坐放过程中，控流筛管24处于其移动形态(runningconfiguration);在移动形态下，这些控流筛管可操作以在重复的周期中保持压力，只要压力仍然低于预定的阈值压力。一旦所有压力操作的完井部件被坐放或在最后的压力操作完井部件坐放期间，则内压可被提升至高于预定的阈值压力，以将控流筛管24操作成其剪切形态(sheared configuration)。在剪切形态下,控流筛管24继续保持压力，然而,在内压被释放而且在控流筛管24的外部与内部之间的横跨控流筛管24的压差为正值时，控流筛管24可被操作至其生产形态(production configuration)。
[0025]虽然图1示出处于裸眼井环境下的本发明的控流筛管，但本领域技术人员应理解，本发明的控流筛管同样良好地适用于下套管井。而且，虽然图1示出每个生产间隔中设有一个控流筛管，但本领域技术人员应理解，可在一个生产间隔内设置任一数量的本发明的控流筛管，而不背离本发明的原理。另外，虽然图1示出本发明的控流筛管处于井眼的水平段中，但本领域技术人员应理解，本发明的控流筛管同样良好地适用于具有其它方向的构造的井，包括竖直井、偏移井、斜井、多分支井以及类似的井。因此，本领域技术人员应理解，诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“左”、“右”、“井上”、“井下”之类方向术语的使用是联系说明性实施例、按照这些实施例在附图中被示出的方式来使用的，“向上”的方向就是朝向相应附图中顶部的方向，“向下”的方向就是朝向相应附图中底部的方向，“井上”方向就是朝向该井的地面的方向，而“井下”方向就是朝向该井的末端的方向。
[0026]接下来参考图2A-图2C，其中示出了根据本发明的控流筛管的连续的多个轴向段，该控流筛管被代表性地示出并概括地标识为“100”。控流筛管100可被适当地连结至其它类似的控流筛管、生产封隔器、定位短管(locating nipple)、生产管或其它井下工具，以形成如上所述的完井管柱。控流筛管100包括基管102，基管102具有无孔管段104和射孔段106，射孔段106包括多个生产孔108。位于无孔管段104的井上部分周围的是筛管单元或过滤介质112 ;筛管单元或过滤介质112例如为绕丝筛管、编织丝网筛管、预充填筛管(prepacked screen)或类似部件,被设计用以允许流体流过，但防止预定尺寸的颗粒物质流过。位于过滤介质112的井下侧(井下端)的是筛管界面壳体114，筛管界面壳体114与基管102 —起形成环空116。被牢固地连接至筛管界面壳体114的井下端的是套筒壳体118。在套筒壳体118的井下端，套筒壳体118被牢固地连接至流管壳体120，流管壳体120则被牢固地连接至中间壳体122的井上端。另外，流管壳体120优选被牢固地连接或可密封地连结至基管102，以防止流管壳体120与基管102之间的流体流动。朝向中间壳体122的井下端，中间壳体122被牢固地连接至阀组件壳体124 ;阀组件壳体124则优选在井下端处被焊接至基管102。上述多个壳体区段的各种连接可通过包括焊接、螺接和类似连接方式的任何合适的方式来形成，以及利用诸如销、固定螺钉和类似的紧固件来形成。上述多个壳体区段一起形成位于过滤介质112与基管102的射孔段106之间的大致环形的流体流路。
[0027]位于套筒壳体118与基管102之间的环空区域中的是开口环隔离件126。位于流管壳体120中的多个轴向开口 128内的是流管130，这些流管130形成控流筛管100的控流段。如图2D最好地示出的，所示实施例包括六个轴向开口 128和六个流管130，然而，本领域技术人员将会认识到，也可选择使用包括大于和小于六个的其它数量的流管，这也应被认为处于本发明的范围内。多个流管130中的每个流管借助带螺纹固定套筒132被固定在流管壳体120内。一个或多个流管130可具有与其相连的带螺纹的盖或插塞134，用以禁止或停止穿过该流管的流动。所使用的具有多种内部长度和直径的插塞134和流管130使操作员能够将每个控流筛管100的压降等级调整至期望水平，使得包括多个控流筛管100的完井管柱可操作以抵消长水平完井中的跟趾效应(heel-toe effect)、平衡高度偏斜和压裂的井中的流体流入、减小环空携砂量和减小水/气流入量，由此延长井的生产寿命。
[0028]位于阀组件壳体124中的多个轴向开口 146内的是阀组件136，这些阀组件136形成控流筛管100的反向流体控流段。如图2E最好地示出的，所示实施例包括用于六个阀组件136的六个轴向开口 146，然而，本领域技术人员将会认识到，也可选择使用包括大于和小于六个的其它数量的阀组件，这也应被认为处于本发明的范围内。
[0029]接下来参照图3A-图3E，现在将通过多种构造来描述阀组件136。如图5中最好地示出的，阀组件136包括活塞组件138、阀塞140、固定销142、球保持器144以及固定销152。如图4中最好地示出的，活塞组件138包括:活塞体148，具有密封圈槽150 ;以及一体地延伸的多个夹套指154，构成夹套组件156。在夹套指的远端，每个夹套指154包括凸出部158。如以下更详细地说明的，夹套组件156的夹套指154在阀组件136的第一操作位置被径向向外地约束，以防止阀塞140进入活塞体148，并且在阀组件136的第二操作位置中不被径向向外地约束，以允许在活塞体148中的阀塞140的进入和保留。
[0030]阀塞140被示出为球形的堵塞构件，而且最初被允许在轴向开口 146的井上部内，在阀组件壳体124的密封表面(被示出为阀座部160)与凸出部158之间运动，如图3A最好地示出的。然而，本领域技术人员将会认识到，虽然阀塞140的形状被示出为球形，但只要阀塞140能够如下所述借助阀组件壳体124的阀座部160产生密封而且能够被容纳并保持在活塞体148中，阀塞140可具有包括圆柱构造、大体圆柱构造或其它构造在内的替代形状。如图所示，每个阀塞140的井上行程受到阀座部160的限制，而阀塞140的井下行程最初受到夹套指154的凸出部158的限制。在本实施例中，轴向开口 146的径向减小的内径部164的尺寸被设定为在其中容纳夹套指154，使得夹套指154被径向向外地约束，以防止阀塞140进入活塞体148中。
[0031]活塞组件138还包括台肩部166、具有辐射式内节段170的销容置部166、球保持器凹部172、以及流体端口 174。每个活塞组件138在轴向开口 146之一中由固定销142和固定销152来保持。活塞组件138的轴向运动最初由固定销142来防止。密封件(图示为密封圈162)防止流体通过开口 146围绕活塞组件138行进(流动)。
[0032]图3A示出控流筛管100的移动形态，其中，阀组件136被固定在阀组件壳体124内，而阀塞140被设置在轴向开口 146的井上端内。在这种形态下，内部压差(其中，基管102内部的压力大于基管102外部的压力)可被施加至设有控流筛管100的管柱。具体地，该内部压差将会通过生产孔108来传送，但由于阀塞140抵靠阀座部160被密封，如图3B最好地示出的，所以通过控流筛管100的反向流动借助阀组件136而被防止。只要压力保持在固定销142的剪切压力之下，就能够将重复的压力循环施加至管柱。
[0033]在希望将控流筛管100从移动形态操作成剪切形态时，可将内部压差提升至预定的阈值压力，该阈值压力高于固定销142的剪切压力，该剪切压力引起固定销142发生剪切以及活塞组件138向右移位直到表面170接触定位销152 (如图3C最好地示出的)。在此形态下，阀组件136继续保持压力，并防止从生产孔108经由控流筛管100至过滤介质112的反向流体流动。一旦内部压差释放，而外部压差(其中基管102外部的压力大于基管102内部的压力)被施加至控流筛管100，由于夹套指154的径向向外的运动不再因轴向开口146的内径部164而不被允许，阀塞140就进入活塞组件138，如图3D最好地示出的。一旦每个阀塞140进入活塞组件138，阀塞140就向井下行进，直到接触球保持器144为止，如图3E最好地示出的。在示出的实施例中，球保持器144被定位在活塞体148的球保持器凹部172中，并且被作为磁体不出。在本实施例中，球保持器144的材料产生磁场,该磁场可操作以将球保持器144保持在球保持器凹部172中。同样，球保持器144的磁场可操作以在图3E中示出的位置吸引并保持阀塞140，阀塞140优选地由铁磁材料形成。一旦在阀塞140与球保持器144之间建立接触，阀组件136就不再防止反向的流体流动，从而将控流筛管100设置在这些控流筛管的生产和注入形态下。
[0034]尽管以上已参考多个说明性实施例描述了本发明，但这种描述并非旨在限定意义上被解读。对于本领域技术人员而言，一旦参考本说明书，这些说明性实施例以及本发明的其它多个实施例的各种各样的修改和组合方案就成为显而易见的。因此，所附权利要求书理应涵盖这类修改方案或实施例。
【权利要求】
1.一种控流筛管，具有位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路，所述控流筛管包括: 壳体，围绕所述基管被设置，所述基管具有开口，所述开口具有径向减小部和阀座部；以及 阀组件，位于所述开口中而且被设置在所述流体流路内，包括阀塞、球保持器以及具有夹套组件的活塞体；所述夹套组件在第一位置通过所述开口的径向减小部而被径向向外地约束，以防止所述阀塞进入所述活塞体中，并且在第二位置通过所述开口的径向减小部而不被径向向外地约束； 其中，内部压差将所述阀塞安置在所述阀座部上以防止反向流动； 其中，预定的内部压差在继续防止反向流动的同时使所述活塞体从所述第一位置移位到所述第二位置；而且 其中，在所述第二位置，外部压差引起所述阀塞接触所述球保持器，此后允许反向流动。
2.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，在所述第一位置，所述夹套组件的至少一部分被可滑动地定位在所述开口的径向减小部内。
3.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，所述活塞体从所述第一位置至所述第二位置的操作由穿过所述壳体延伸的固定销来防止，直到所述预定的内部压差被达到为止。
4.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，所述阀塞还包括球形的堵塞构件。
5.根据权利要求1所述的控流筛`管，其中，所述夹套组件还包括多个夹套指。
6.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，所述球保持器被定位在所述活塞体的球保持器凹部中。
7.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，在所述阀塞接触所述球保持器之后，所述球保持器将所述阀塞保持在所述活塞体中。
8.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，在所述阀塞接触所述球保持器之后，所述球保持器将所述阀塞磁性地保持在所述活塞体中。
9.根据权利要求1所述的控流筛管，其中，所述球保持器还包括磁体，并且所述阀塞由铁磁材料形成。
10.一种控流筛管，具有位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路，所述控流筛管包括: 壳体，围绕所述基管被设置，所述基管具有多个开口，所述多个开口具有多个径向减小部和多个阀座部；以及 阀组件，位于每个所述开口中而且被设置在所述流体流路内，每个阀组件包括阀塞、球保持器以及具有夹套组件的活塞体；所述夹套组件在第一位置通过所述开口中的一个开口的径向减小部而被径向向外地约束，以防止所述阀塞进入所述活塞体内，并且在第二位置通过所述径向减小部而不被径向向外地约束； 其中，内部压差使所述阀塞安置在所述阀座部上以防止反向流动； 其中，预定的内部压差在继续防止反向流动的同时使所述活塞体从所述第一位置移位到所述第二位置；而且 其中，在第二操作位置，外部压差引起所述阀塞接触所述球保持器，此后允许反向流动。
11.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述夹套组件的至少一部分在所述第一位置被可滑动地定位在所述开口的径向减小部中。
12.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述活塞体从所述第一位置到所述第二位置的操作由穿过所述壳体延伸的定位销来防止，直到达到所述预定的内部压差为止。
13.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述阀塞还包括球形的阻挡构件。
14.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述夹套组件还包括多个夹套指。
15.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述球保持器被定位在所述活塞体的球保持器凹部中。
16.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，在所述阀塞接触所述球保持器之后，所述球保持器将所述阀塞保持在所述活塞体中。
17.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，在所述阀塞接触所述球保持器之后，所述球保持器将所述阀塞磁性地保持在所述活塞体中。
18.根据权利要求10所述的控流筛管，其中，所述球保持器还包括磁体，并且所述阀塞由铁磁材料形成。
19.一种用于操作控流筛管的方法，包括: 将至少一个活塞体设置在位于基管的内部与过滤介质之间的流体流路内，所述活塞体位于围绕所述基管被设置的壳体的开口中； 将阀塞设置在所述开口内，位于所述开口的阀座部与所述活塞体的夹套组件之间； 通过在所述活塞体的第一位置径向向外地约束所述夹套组件，来防止所述阀塞进入到所述活塞体内； 施加内部压差，以将所述阀塞安置在所述阀座部上并且防止反向流动； 施加预定的内部压差，以在继续防止反向流动的同时使所述活塞体从所述第一位置移位到所述第二位置；以及 施加外部压差，以在所述活塞体中使所述阀塞移动到与所述球保持器接触，此后允许反向流动。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将所述阀塞磁性地保持在所述活塞体中。
【文档编号】E21B43/12GK103582741SQ201280027562
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年6月10日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】扬·法伊特 申请人:哈利伯顿能源服务公司