用于流量控制的井下接头组件以及用于完成井筒的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的陈述
[0002] 本申请要求于2012年10月26日提交的美国临时专利申请No. 61/719, 274和于 2013年9月16日提交的美国临时专利申请No. 61/878,461的权益，上述专利申请都将通过 引用而全部并入本发明的说明书中。
技术领域
[0003] 本公开涉及完井领域。更具体地，本发明涉及隔离与井筒相连的地层，其中已穿过 多油层完成所述井筒。本申请还涉及井筒完成装置，该装置包含旁通技术但允许控制沿井 筒通过主流动通路和次流动通路的流体。
【背景技术】
[0004] 本部分旨在介绍与本公开的示例性实施例相关的技术的多个方面。相信这部分讨 论有助于提供一个利于更好地理解本公开的特殊方面的框架。相应地，应该理解的是，本部 分应该从上述角度被理解，而不必作为现有技术的认可。
[0005] 在油气井的钻井过程中，使用在钻柱的下端被向下推动的钻头形成井筒。当钻井 到达到预定深度后，钻柱和钻头被移除且井筒利用套管柱被加衬管。因此，在套管柱和地层 之间形成环空区域。典型地进行注水泥操作，以用水泥填满或"挤压"环空区域。水泥和套 管的组合加固了井筒并有助于套管之后的地层隔离。
[0006] 将外直径逐渐减小的多个套管柱放置到井筒中是常见的。钻井、然后向逐渐减小 的套管柱注水泥的过程被重复数次直到井到达总深度。被称为开采套管的最终套管柱就地 被注水泥并且被射孔。在一些情况中，最终套管柱是衬管，即，没有被连接回地表的套管柱。
[0007] 作为完井过程的一部分，在地表处安装井口。井口控制产出流体向地表的流动，或 控制流体向井筒的注入。还提供有诸如管、阀或分离器这样的流体收集和处理设备。随后 可以开始开采操作。
[0008] 有时，希望保留井筒的底部部分裸露。在裸眼完井中，开采套筒不延伸通过开采层 且不被射孔；反而，保留开采层为未加套管的、或"裸露"的。开采柱或"油管"随后被定位 在裸露的井筒内，向下延伸到最终套管柱的下方。
[0009] 与下套管完井相比，裸眼完井具有一些优点。第一，由于裸眼完井没有射孔孔道， 地层流体可以径向360度地汇聚在井筒上。这具有消除额外的压降的好处，其中所述额外 的压降与汇聚径向流动及随后的线性流动通过充满颗粒的射孔孔道相关。与裸眼完井相关 的减少的压降实际上保证了在相同的地层中裸眼完井会比未被增产的下套管完井更高产。 [0010] 第二，裸眼技术通常比下套管完井便宜。例如，砾石充填的使用消除了对注水泥、 射孔和射孔后清扫的操作的需求。可替代地，沿裸眼井筒使用射孔中心管在允许基本径向 360度的地层暴露的同时帮助保持井筒的完整性。
[0011] 在一些裸眼完井中希望沿井筒隔离选定的油层。例如，有些时候希望隔离层段 (interval)以避免地层流体开采到井筒中。也会希望将环空层间封隔用于配产、开采/注 入流体剖面控制、选择性增产措施、或气体控制。这可以通过使用具有旁通技术的封隔器 (或者层间封隔装置）完成。旁通技术可以采用流体输送导管，该流体输送导管允许流体流 经封隔器的密封元件并穿过被隔离的油层。
[0012] 借助层间封隔装置的旁通技术的使用在砾石充填中得到发展。该技术以可替通路 (Alternate Path ) ?.为名来实施。可替通路?救术采用分流管、或可替流动通道，该 分流管、或可替流动通道允许砾石砾浆沿井筒旁通例如过早砂桥或封隔器的选定区域。这 种流体旁通技术例如在美国专利No. 5, 588, 487和美国专利No. 7, 938, 184中被描述。讨论 了可替流动通道技术的额外的参考包括美国专利No. 8, 215, 406 ;美国专利No. 8, 186, 429 ; 美国专利No. 8, 127, 831 ;美国专利No. 8, 011，437 ;美国专利No. 7, 971，642 ;美国 专利No. 7, 938, 184 ;美国专利No. 7, 661，476 ;美国专利No. 5, 113, 935 ;美国专利 No. 4, 945, 991 ;美国专利公开No. 2012/0217010 ;美国专利公开No. 2009/0294128 ;国际石 油工程师协会年度技术会议和展览，国际石油工程师协会报告No. 135, 102 (2010年9月）： Μ. T. Hecker 等人的 "Extending Open hole Gravel-Packing Capability: Initial Field Installation of Internal Shunt Alternate Path Technology";以及国际石油工程师协 会报告 No. 110, 460(2007 年 11 月）：Μ· D. Barry 等人的"Open-hole Gravel Packing with Zonal Isolation"。 可#通路气技术使得在多油层、裸眼砾石充填完井中能够实现真正 的层间封隔。
[0013] 在一些裸眼完井中，不采用砾石充填。这可能是由于地层足够固结，因此不需要防 砂筛管和充填。可替代地，这可能是出于经济限制的原因。无论在哪种情况，仍希望将管状 体下入到井筒中以支撑封隔器或其他工具，并且在主中心管和在中心管及周围的井筒之间 形成的环空之间提供流量控制。
[0014] 因此，存在对使用流体旁通技术、在中心管和周围的环空区域之间提供流量控制 的接头组件的需求。这可以用于开采地层流体、将流体注入地层、或用于沿地层放置井筒处 理液。还存在对提供在中心管内的主流动通路和流体输送导管的可替流动通路之间的流体 连通的井下流动控制系统的需求。此外，还存在对将接头组件沿在中心管和旁通通道之间 使用选定的流体连通的裸眼地层放置的完成井筒的方法的需求。
【发明内容】
[0015] 此处，首先提供一种接头组件。所述接头组件存在于井筒内。所述接头组件对在 中心管的内孔和中心管外的环空区域之间的流体流动的控制尤其有用，其中所述内孔和环 空区域均存在于周围的井筒的裸眼部分内。裸眼部分延伸通过一个、两个或更多的地下层 段。
[0016] 接头组件包括第一中心管和第二中心管。两个中心管串联连接。每个中心管包括 管状体。每个管状体具有第一端、第二端以及在第一端和第二端之间限定的孔。孔形成用 于流体的主流动通路。
[0017] 优选地，接头组件还包括负载套筒和扭矩套筒。负载套筒被机械地连接到第二中 心管的第一端附近，而扭矩套筒被机械地连接到第一中心管的第二端附近。负载套筒和扭 矩套筒则通过联接接头相连。优选地，负载套筒和扭矩套筒用螺栓栓接到相应的中心管中 以避免相对转动运动。
[0018] 负载套筒和扭矩套筒中的每一个包括拉长的圆筒体。每个套筒具有外直径、第一 端和第二端、以及从第一端延伸到第二端的孔。所述孔在拉长的圆筒体中的每一个中形成 内直径。负载套筒和扭矩套筒中的每一个还包括至少一个输送导管，且输送导管中的每一 个从第一端到第二端延伸通过相应的套筒。
[0019] 中间联接接头也包括在其中限定孔的圆筒体。所述孔与主流动通路流体连通。同 轴套筒围绕管状体的壁被同心地定位，因而在管状体和同轴套筒之间形成环空区域。环空 区域限定了歧管区域，且歧管区域将负载套筒和扭矩套筒的输送导管放置为流体连通。优 选地，同轴套筒用螺栓栓接到管状体中，因而保持歧管区域的间隔。
[0020] 负载套筒、扭矩套筒和中间联接接头形成联接组件，该组件沿井筒的裸眼部分将 第一中心管和第二中心管操作性地连接。在一方面，负载套筒和扭矩套筒中的每一个具有 接收联接接头的相对的端部的肩部。沿所述肩部可以使用0形环，用以保持流体密封。同 时，联接接头具有用于连接第一中心管和第二中心管的相对的内螺纹。
[0021] 在本发明中，联接接头还包括流动端口。该流动端口临近歧管存在并且将主流动 通路放置为与次流动通路流体连通。歧管区域还将多个中心管的相应输送导管放置为流体 连通。尽管流动端口可以靠近一个或两个被螺纹连接的中心管的端部存在，优选地，流动端 口在联接接头的管状体中。
[0022] 在一优选实施例中，管状体包括无眼管、或可替代地包括射孔中心管。中心管例如 可以是被螺纹连接的一系列接头，用以形成主流动通路。可替代地，管状体可以是具有径向 地围绕管且沿管的大部分的过滤介质的割缝管，以便形成防砂筛管。
[0023] 接头组件被布置为具有可充动_?:技术。就此方面而言，每个中心管具有至少 两个输送导管。所述输送导管沿中心管的外直径存在，并且被构造用于作为次流动通路输 送流体。
[0024] 可以使用多种对输送导管的排布。优选地，所述至少两个输送导管表现为围绕中 心管径向地放置的六个导管。所述输送导管可以有不同的直径和不同的长度。
[0025] 在一方面，沿第二中心管的输送导管中的每一个基本沿第二中心管的长度延伸。 在另一方面，沿第一中心管的输送导管中的每一个基本沿第一中心管的长度延伸，但输送 导管中的一个具有在第一中心管的第一端和第二端的中间的喷嘴。在又一方面，沿第一中 心管的输送导管中的至少一个具有在第一中心管的第一端和第二端的中间的出口端。
[0026] 在一实施例中，接头组件还包括流入控制设备。该流入控制设备靠近流动端口中 的开口存在，或者甚至可以限定流动端口。流入控制设备被构造用于增加或减小通过流动 端口的流体流量。
[0027] 接头组件优选地还包括封隔器组件。该封隔器组件包括至少一个密封元件。所述 密封元件被构造用于被致动以接合周围的井筒壁。封隔器组件还有内心轴。此外，封隔器组 件具有至少一个输送导管。所述输送导管沿内心轴延伸并与中心管的输送导管流体流通。
[0028] 用于封隔器组件的密封元件可以包括机械坐封的封隔器。更优选地，封隔器组件 具有两个机械坐封的封隔器或环状密封件。其表现为上封隔器和下封隔器。每个机械坐封 的封隔器具有长度例如可以约为6英寸（15. 2厘米）到24英寸（61. 0厘米）的密封元件。 每个机械坐封的封隔器还有与防砂筛管的中心管及接头组件的中心管流体流通的内心轴。
[0029] 在所述至少两个机械坐封的封隔器的中间可以可选地有至少一个可膨胀封隔器 元件。所述可膨胀封隔器元件的长度优选地约为3英尺（0. 91米）到40英尺（12. 2米）。 在一方面，可膨胀封隔器元件由弹性材料制成。可膨胀封隔器元件在存在水、气体、油或化 学品这样的流体的情况下在一定时间内被致动。膨胀例如可以在机械坐封的封隔器元件中 的一个失灵时发生。可替代地，膨胀可以随在地层中围绕可膨胀封隔器元件的流体与可膨 胀封隔器元件接触在一定时间内发生。
[0030] 此处，也提供一种用于在地下地层中完成井筒的方法。所述井筒优选地包括作为 裸眼被完成的下部部分。
[0031] 在一方面，所述方法包括提供第一中心管和第二中心管。两个中心管串联连接。每 个中心管包括管状体。每个管状体具有第一端、第二端以及在第一端和第二端之间限定的 孔。孔形成用于流体的主流动通路。在一优选实施例中，管状体包括射孔中心管。
[0032] 中心管中的每一个还具有至少两个输送导管。所述输送导管沿中心管的外直径存 在，用于作为次流动通路输送流体。可以使用多种对于输送导管的排布。如上所讨论的，输 送导管可以具有不同的直径和不同的长度。
[0033] 所述方法还包括将第一中心管的第二端操作性地连接到第二中心管的第一端。这 通过联接组件完成。在一实施例中，联接组件包括负载套筒、扭矩套筒、和中间联接接头。负 载套筒、扭矩套筒和中间联接接头形成如上所述的联接组件。应注意到，联接接头包括靠近 歧管区域存在的流动端口。流动端口将主流动通路放置为与次流动通路流体连通。歧管区 域也将多个中心管的相应输送导管放置为流体连通。
[0034] 所述方法还包括将中心管下入到井筒中。所述方法随后包括使流体在主流动通路 和次流动通路之间移动。在一方面，所述方法还包括沿井筒通过第一中心管和第二中心管 的中心管从至少一个层段开采烃流体。开采烃流体使烃流体从次流动通路移动到主流动通 路。在另一方面，所述方法还包括沿至少一个层段通过中心管将流体注入到井筒中。注入 流体使流体