专利名称：井下取样装置和方法
技术领域：
本发明总的涉及一种地下岩层的井下检测，尤其是，本发明涉及通过穿透地下岩层的井筒中的孔眼进行取样。
背景技术：
历史上，为了寻找含非常需要的流体，比如油、气或水的井下储层，要进行钻井。所述井可以位于陆地上或者河床上，并且井筒向下延伸至地下岩层。在寻找油、气储层时，通常需要钻新井并进行测试。在钻井之后，井筒可以保持“裸眼”，或者下入一套管(或者通常所说的衬管)以形成一“下套管”的井筒。通过在裸眼井中插入一管状钢套管，形成一套管井，并向井下泵入水泥，以使套管紧固在井筒中合适的位置。在套管的外围使用水泥来使套管处于合适的位置，并提供一定程度的结构整体性和岩层和套管之间的密封。
在裸眼井中通常进行各种各样的测试，用来分析含有油和气的周围岩层。一旦安装了套管，进行测试的能力就会受到钢套管限制。据估计，在北美洲每年大约有200口套管井被考虑放弃，这样的井加起来总共有数千口，它们已经闲置不用。这些废弃井被认为不能再生产能够获得经济利益所必须的油气产量。然而这些井中的大多数钻于20世纪60年代末和70年代，并且使用相对于今天的标准较为初级的技术进行测井。因此，近来的研究有证据表明，许多这些废弃井含有大量的可采天然气和石油(大约有100至200万亿立方英尺)，利用传统的开采技术，已经得不到这些可采天然气和石油。因为大部分油田开发成本，例如钻井、下套管、注水泥，都投到了这些井上，使用这些井来生产石油和天然气证明是廉价的投资，并能增加石油和天然气的产量。因此，在这些套管井中进行另外的测试是理想的。
为了对这些套管井进行各种测试，以决定这些井是否处于适于生产的良好状况，在套管中穿孔以对井筒周围的地层进行勘测通常是必要的。一种所用的有商业价值的射孔技术使用一种工具，其通过电缆下入到井筒的套管部位，所述工具包括一个用来在套管中穿孔的定形射孔弹，以及用于测量套管外面环境的水力参数和/或者从所述环境中取出流体样品的测试和取样装置。比如射孔也可应用在裸眼井中，以便于周围地层的开发和/或促进流体从地层流入井筒。
为了在井筒中产生孔眼，已经开发出了多种技术。例如，授权给Dave的美国专利US5,195,588和授权给MacDougall等人的美国专利US5,692,565，这两个专利都被转让给本发明的受让人，其中公开了在套管中穿孔的技术。这些专利还提供了在产生孔眼之后阻止流体流过套管并流入井筒的封堵井筒的技术。
尽管射孔技术的进步已经推进了对裸眼井和套管井的分析，但还是发现一些孔眼受到了岩屑的阻碍。这些岩屑可以阻止流体和/或工具通过孔眼。此外，残渣，比如钻井液、泥浆、油泥或者其它污染物，可以污染取样或测试的过程和毁坏测试结果。
同样已经开发了在取样过程中防止污染所取样品的技术。比如，授权给Beimgraben的美国专利US4,495,073，授权给Strange，Jr的美国专利US5,379,852，授权给Arterbury的美国专利US5,377,750，其中的每个专利大都公开了防止井下钻井液污染样品的过滤技术。然而，这些技术不能解决井筒中的污染和岩屑问题。
为了解决这些问题，比如由于穿孔产生的堵塞和污染问题，有必要发展去除岩屑的技术。希望这些技术能够减少由穿孔产生的流体样品的污染和/或防止由穿孔产生的堵塞。还希望这些技术能够与穿孔、测试、取样和/或封堵作业一起使用。除此之外，这一技术提高了样品质量，降低了岩屑流入孔眼中的可能性，降低了堵塞孔眼的可能性，减少了样品中的污染，以及减少了井下工具中的污染和/或具有其它优点。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用来减少井筒中孔眼内岩屑的井下工具。所述孔眼从井筒延伸进入地层。所述工具包括一可以在井筒中定位的壳体，一位于所述壳体内并可以从壳体中伸出的臂，和至少一位于壳体内的岩屑阻断器。通过所述臂，该岩屑阻断器在孔眼内可以进行定位。所述岩屑阻断器适用于防止岩屑同地层流体一起通过孔眼流入所述壳体内，从而使地层流体内的污染减小。所述岩屑阻断器可以是，例如，一钻头或一过滤器。
本发明的另一方面涉及一种用来减少井筒中孔眼内岩屑的方法。所述方法包括在井筒内安置一井下工具。所述井下工具具有一可以从井筒中伸出的臂。所述方法还包括通过所述臂将所述岩屑阻断器伸入孔眼。所述岩屑阻断器适用于防止岩屑同地层流体一起通过孔眼流入所述井下工具。
最后，另一方面，本发明涉及一种用来减少井筒中孔眼内岩屑的方法。所述方法包括在井筒内安置一井下工具，所述井下工具具有至少一个过滤器，并且从所述井下工具伸出至少一个过滤器并伸入孔眼中，从而防止了岩屑从孔眼进入井下工具。
本发明还具有其它特征和优点，从下面结合附图的详细描述中，这些特征和优点将变得非常明显。
本发明的许多方面可以与用于在地层套管中钻孔和重新封堵套管的装置一起或作为一体使用。这样一个装置可以具有取样和测试地层流体的能力。所述装置可以穿过套管移动，并可以安装在电缆、油管上，或者安装在两者上。安装在装置内部的为用于产生一从套管穿过并进入井筒的孔眼的穿孔装置。封堵装置也安装在所述装置内部，用于封堵所述孔眼。一组封堵装置存储在所述装置内，以在一个工具下入到井筒中时封堵多个孔眼。所述装置通常还可以包括用于对套管外面的地层流体进行测试/取样(即测试诸如压力或流速的水力特性，和/或对流体取样)的装置。
这一装置还可以使用穿孔装置，该穿孔装置包括一用于钻一穿过套管和地层的孔眼的柔性杆。所述柔性杆的柔性允许在大于井筒直径的长度上钻一个孔眼进入地层，从而能够在大于井筒直径的地层深度进行取样。封堵装置也安装在所述装置内部，用来封堵孔眼。在本发明的一个实施例中，所述用于封堵孔眼的装置包括用于将一固体材料的封堵器插进孔眼中的装置。
为了确保所述装置处于井筒中，可以提供一用于将所述装置安装在基本固定位置的装置。当所述装置被安装在基本固定的位置时，所述装置也优选具有激励穿孔装置和封堵装置的能力。同样，这一装置也具有一用于将穿孔装置移动到井筒中所需位置的装置。还具有一用于将所述封堵装置移动到与套管内孔眼相对的位置的装置。
这一装置可以具有一些其它特征。首先，本发明使用穿孔装置以穿透套管，优选能够产生一比较一致的孔眼，该孔眼能够容易地进行封堵而不需使用非固态的封堵装置。本发明的另一优点是能使孔眼在地层中延伸长度大于井筒直径。该装置可以与一电缆装置一起使用而不需油管，尽管如果想用也可以使用油管。这一优点的另一结果是使一马达和动力装置对准更加灵活。本发明的构成的又一优点是，在井下工具仍处在所产生的孔眼的位置时，孔眼可以被封堵，因此可以明确地和准确地直接对所述孔眼进行封堵操作，而不需要定位孔眼的位置和不会由于封堵比孔眼本身大的区域而浪费封堵介质。
图1为具有一柔性钻杆的井下穿孔工具的示意图。
图2为用于钻开及封堵一套管井的流程图。
图3为用于产生一孔眼和封堵所述孔眼的常规钻头系统的视图。
图4a为图1所示的柔性钻杆的直径方向的工具的截面图。
图4b为安置在导向板上由图1所示的柔性钻杆的纵向的工具的截面图。
图5为图4b中的相配合的导向板的另一视图。
图6a为一封堵器组件中元件的侧视图。
图6b为在封堵操作过程中封堵器组件中元件的侧视图。
图6c为处于套管中孔眼内的封堵器组件的侧视图。
图7为机械封堵器和封堵仓的侧视图。
图8为图1所示的钻开一套管井的装置的示意图。
图9为图8所示的具有一截头圆锥体形的钻头的装置的横断面视图。
图10为描述减小孔眼内污染的方法的流程图。
图11为图1所示的将一过滤塞插进一套管井的孔眼的装置的横断面视图。
图12A和图12B为具有一组安置在其中的过滤塞的孔眼的横断面视图。
图13A-13C为各种过滤塞的详细视图。
图14为描述减小孔眼内污染的方法的另一实施例的流程图。
具体实施例方式
下面将对图示的本发明的实施例进行描述。为了清晰，在本说明书中并不是对一个实际装置的所有特征进行描述。当然，应该理解，在研究任何这样一个实际实施例的过程中，为了达到研发者的特定目标，比如使相关系统限制和相关行业限制相一致，必须作出许多特定装置的决定，这些限制将随着一个装置到另一装置而不同。此外，应该理解，即使这样一个研制计划是复杂的和耗时的，对这些能够从本申请获益的本领域的普通技术人员来说，这一研制工作仍是一项常规任务。
图1示出了可以与本发明一起使用的井下穿孔工具的一个示例，并且图2示出了穿孔作业的流程。工具12在钢套管11的内部并悬挂在电缆13上。所述钢套管包覆井筒10并由水泥10b加固。井筒10内通常充满完井液或水。电缆长度基本上决定了工具12能够下入井筒的深度。深度计能够测定电缆越过支撑机构(槽轮)的位移，以及测定测井工具12的具体深度。电缆的长度由位于地面的适合的公知设备来控制，比如滚筒和绞车机构(未示出)。所述深度也可以由电传感器、核子传感器或其它传感器来测定，所述传感器使深度和以前在井内或套管内所作的测量相关联。并且，位于地面的电子电路(未示出)控制着用于测井工具12的通讯和处理电路。所述电路可以是已知类型的电路，不必具有新颖性特征。图2中的模块800表示将测井工具12带到特定深度位置。
在图1所示的实施例中，所示的测井工具12通常具有圆筒体17，该圆筒体包围着内壳14和电子仪器。执行模块801，锚定活塞15使工具封隔器17b紧靠在套管11上，在测井工具和套管之间形成了一个耐压密闭的密封，并用来使所述工具保持静止不动。
内壳14包括穿孔装置，测试和取样装置以及封堵装置。所述内壳通过壳体直动活塞16沿着测井工具杆线(垂直方向)移动。这一移动接着将上述三个装置中的每一装置的部件定位在套管上同一点的上方。
柔性杆18位于内壳的内部，并且通过导向板14b(也可参见图5)传送，所述导向板是所述内壳的整体部分。钻头19通过由驱动马达20所驱动的柔性杆18旋转。马达通过马达支架21保持在内壳内，支架本身又连接到直动马达22。直动马达通过旋转马达支架21中的配合螺母内的螺纹杆23移动所述内壳。在钻孔期间，柔性杆直动马达为柔性杆上提供一向下的力，从而控制钻进。这一钻孔系统能够钻出基本上比所述工具直径深的孔眼。这一钻孔操作在模块802中示出。
现有的技术可以产生深度略小于所述工具直径的孔眼。这些方法中的一个在图3中示出。在这一方法中钻头31直接安装到直角变速箱30，二者在垂直于工具主体杆线的方向上组装在一起，如图所示，变速箱30和钻头31必须安装在井筒内部。在图2中，钻头的长度受到限制，因为变速箱占据了接近井筒直径一半的位置。这一系统也包括一驱动杆32和一流送管33。
为了测试和取样，测量封隔器17c和流送管24同样包含在内壳内。当钻孔完成之后，壳体直动活塞16移动内壳14以使测量封隔器移动到所钻孔眼上方的位置。然后，测量封隔器坐封活塞24b推动测量封隔器17c使其紧靠套管，从而，如模块803所示，在所钻孔眼和流送管24之间形成封闭管道。执行模块804，如果需要，之后可以测量地层压力和获取流体样品。在这一点，执行模块805，收回测量封隔器。
最后，封堵器仓26也包含在内壳14内。在测量完地层压力和获取样品之后，执行模块806，壳体直动活塞16移动内壳14，以将封堵器仓26移动至钻孔孔眼上方的位置。封堵坐封活塞25然后迫使一个封堵器从封堵器仓移入套管，从而执行模块807，再次封堵所钻孔眼。再一次移动内壳以使测量封隔器在封堵器上方复位，然后执行模块808，并在“下降”活塞被激励而下降并稳定在下降值处时，激励所述封隔器孔808，通过流送管监测压力，封堵器密封的完整性可以通过上述步骤进行测试。封堵泄漏可以通过发现在激励下降活塞之后压力恢复到流送管压力而显示出来。应该指出的是，同样的测试方法(809)可以用于在打孔开始之前检验工具封隔器密封的整体性。然而，为了这一测试，测量封隔器没有紧靠套管设置，这样使下降活塞由工具封隔器支撑。通过释放工具锚(步骤810)，完成了这一事件的顺序。然后将工具准备好，重复从方框800开始的步骤。
柔性杆图4a和图4b详细示出了柔性钻杆，并且图5详细示出了其中的一对柔性杆导向板。图4a为直径工具的横截面视图，其中示出了工具体17内的柔性杆和钻头。钻头19通过联杆器39连接到柔性杆18。所述联杆器锻压在所述柔性杆上。导向筒40包围并保持钻头以使钻头保持平直并处于合适位置。图4b为纵向上的工具截面，其中示出了优于传统技术的柔性杆的优点。图5示出了形成“J”形导管43的两个配合导向板42中的一个，柔性杆通过导管43传送。
柔性杆为用于围绕弯头传递扭矩的众所周知的机器部件。其通常由在相反的方向上将连续多层金属线螺旋缠绕在直的中心心杆金属线上来构成。通过改变每层金属线的数量、层数、金属线的直径以及金属线的材料，柔性杆的性质可以适合特殊应用。在这一特殊应用中，必须对柔性杆的疲劳寿命(旋转数目)、最小弯曲半径(以使其可以封装在特定的工具直径内)以及传送推力进行优化。
当通过柔性杆把推力作用于钻头时，柔性杆的可靠性是另一要关心的问题。在钻孔操作期间，不同大小的推力作用于钻头以促进钻孔。所用推力的大小依赖于钻头的锋利程度和被钻材料。较为锋利的钻头只需要通过柔性杆使用最小的推力。最小的推力实际上对柔性杆的可靠性没有影响。较钝的钻头需要使用很大的推力，以致可能损坏柔性杆。一种解决方案是使推力直接作用于钻头，而不通过柔性杆。在这一方法中，作用在位于工具内的活塞上的力通过活塞传递到钻头。钻孔所必须的推力在对柔性杆没有任何影响的情况下被提供。这一技术在美国专利US5,687,806中被详细描述。第二种解决方案是，在每次钻孔作业时使用一个锋利钻头。可以在所述工具内存储多个钻头，每次钻孔程序使用一个新钻头。如前所述，锋利钻头所需的推力对柔性杆具有最小的影响。这一技术在美国专利US5,746,279中也被详细描述。
导向板当柔性杆用来传递扭矩和推力的时候，正如本申请所述，必须提供一些装置，以支撑柔性杆及防止其由于通过柔性杆作用于钻头的推力载荷而发生弯曲。这一支撑件由图5所示的配合的一对导向板提供。这些导向板形成“J”形导管，柔性杆通过这一导管进行传送。由一对导向板形成的这一几何形状是一制造上的实际方法，并对组装具有帮助，但对其功能并不是严格必要的。“J”形管可以起同样的功用。由成对导向板形成的内径仅稍微大于柔性杆的直径。这一紧密装配使处于高扭矩钻孔情况下的柔性杆的螺旋缠绕最少，并使从驱动马达传递到钻头的转矩效率最高。在选择导向板的材料时要使其与柔性杆具有兼容性。在柔性杆和导向板之间可以使用润滑剂。
钻头用于本发明的钻头需要具有几个特征。它必须足够坚韧，以致能够钻钢材而不使锋利的刀刃破裂。同时它还必须具有足够的硬度，以致在钻研磨性的岩层时而不会变钝。它必须具有一能够提供与柔性驱动杆的性能相匹配的转矩和推力特征的尖端几何形状。它必须包括能够将钻屑移出具有多个钻孔直径深的孔的凹槽。所述钻头必须能够钻一足够直、足够圆，并且又不太大的孔，以使金属封堵器可以密封它。
封堵机构封堵机构在图6a、6b和6c中示出。这一封堵技术与美国专利US5,195,588中的封堵原理相似，然而，所述封堵器是不同的。所述封堵器由两部分组成一个管状插座76和锥形插头77。管状插座76具有一封闭前端，一位于其尾端的凸缘78以及一位于其中部的凹槽79。锥形插头77插入插座76的开口端。凸缘78用于保持所述插座，并在锥形插头部件插入到插座时有力作用于锥形封堵器部件，此时所述凸缘防止所述插座移过套管壁。
坐封封堵器具有两个阶段步骤。在所述活塞向前移动时，插座部件76被用力形成如图6c所示的管状插座部件。部件77的锥形特征使插座76径向膨胀，从而在插座和套管表面之间形成一严实的密封。凹槽79也有助于形成一密封，以及防止封堵器弹出来。具有多于一个的凹槽使插座更加容易与套管11上的不规则的孔眼的外围相适应，从而进一步确保良好的密封。
图7示出了将封堵器插入到孔眼的机械封堵装置。该封堵装置包含一个二级坐封活塞(外活塞71和内活塞80)。在封堵期间，当向活塞71和80施加作用力时，整个活塞组件穿过间隙81移动一段距离使封堵器部件76、77进入孔眼。当插座部件76的凸缘78到达所述套管时，外活塞71的移动停止。连续向活塞组件上施加的液压使内活塞克服了弹簧82的弹簧力。内活塞80连续移动，从而使锥形插头77进入到插座76中。
图7也示出了储存有多个封堵器84并在封堵过程中进给它们的仓85。在所述封堵器被插入孔眼以及活塞组件71、80被完全收回之后，另一封堵器被迫向上移动并到达所要封堵的下一个孔眼的位置。这一向上的移动是由推进器组件83所施加的力所引发的。该力可以由弹簧86或者流体产生。
现在参看图8，其中详细示出了正在向套管井筒钻孔的图1中的井下工具12。井下工具12通过封隔器17b与套管11密封接合。其上具有钻头19的柔性杆18穿过套管11和水泥10b而延伸，并进入地层180。孔眼182由钻头穿过套管、水泥和地层形成。如箭头所示，流体从地层180流出，穿过孔眼182，然后流入井下工具12。封隔器17b将地层流体同井筒内的流体分隔开。
钻头19安置在由井下工具12所产生的孔眼182内。在钻孔完成时，钻头19从孔眼182的末端184缩回一段距离。如箭头所示，钻头安置在孔眼内，以使流体流入井下工具12。在测试和/或取样过程中，钻头19优选设置在孔眼内，以阻止岩屑穿过孔眼流入井下工具12。通过在测试过程中保持在孔眼内，钻头用来阻止岩屑流入孔眼。为了方便起见，这里所用的术语“测试”将包含各种井下测试和/或取样操作，比如地层取样，压力测试等。
虽然钻头在图8中处于地层中，但是钻头也可以处于孔眼内的各个位置处，以控制流体的流动和/或阻止岩屑流入井筒。如图8所示，钻头越过套管和水泥，并进入地层中。
图9示出了具有钻头19a的装置的另一实施例。在这个实施例中，钻头19a用来排出孔眼182a(具有末端184a)内的岩屑186，以使流体从其中流过。岩屑186(以方块图示出)可能在孔眼内聚集，从而阻止流体从地层流入井下工具12。
如箭头所示，钻头19a通过柔性杆18可以有选择地向前推进、缩回和/或旋转以便排出岩屑和/或促使流体流过孔眼182a。通过柔性杆18所进行的钻头19a的向前推进和/或缩回在必要的时候可以重复实施。钻头19a的旋转在必要的时候也可重复。这一操作使得在必要的时候可以重复钻出孔眼，以确保流体穿过孔眼和流入井下工具。
图8和图9所描述的操作可以在钻孔、取样和/或测试操作期间进行。这些操作也可以在钻孔之后和封堵之前进行。作为可选择的技术方案，所述工具可以下入到已经存在孔眼的井筒内(可能是被堵塞了的孔眼)，并用来清理所述孔眼，以确保流体的流动。钻头也可被释放到所述孔眼，以支撑所述孔眼，或者用作一个封堵器来防止流体流入地层。
虽然图8和图9示出了一种穿孔工具，比如图1、2及4-7中所示的工具，但是，应该理解其它穿孔工具，比如图3所示的穿孔工具，也可以与本发明一起应用。在这样的一种应用中，可以将钻头31安置在孔眼内和/或在需要的时候用来清除岩屑。
现在参看图10，其示出了描述图8、9所示装置的操作的方法。图10描述了一种将岩屑清除出所述孔眼的方法100。该方法100包括如下步骤，将井下工具安置在井筒102内以及产生一个穿过井筒侧壁并进入地层104的孔眼。所述孔眼可以在套管井或裸眼井井筒上产生，并延伸所需的距离进入地层，比如大于井筒直径的一段距离。可以应用任何公知的钻孔技术，包括但并不局限于钻孔、冲孔、定形炸药或者其它所公知的技术，以用来产生孔眼。
然后可以将穿孔工具安置在孔眼106内。该穿孔工具可以是产生原始孔眼的同一工具，或者是能够将岩屑从孔眼内清除出去的另一类型的穿孔工具。做为示例，可以使用诸如图8和/或图9所示的钻具的井下工具。在孔眼完成之后，穿孔工具可以保持在孔眼内，或者在穿孔工具被移走之后，将其插入到已有的孔眼内。可以将所述穿孔工具安置在孔眼内任意特定的位置，以产生所需的结果，以及按照所需任意地重新安置在孔眼内。
在将穿孔工具安置在孔眼内之前或之后，可以执行一测试操作108。通常，在孔眼被完成时，可以将所述穿孔工具安置在孔眼内，然后将其收回到孔眼内合适的位置，以使流体流入井下工具。然而，在孔眼被完成之后，可以将穿孔工具安置在孔眼内。因而，取样可以在将所述穿孔工具安置在孔眼内之前进行。
通过使流体从孔眼内流出并进入井下工具，可以执行测试108。此时，可以对地层流体进行取样和/或压力读取。可以将样品引入样品腔或者工具的其它部分(未示出)以进行井下或井口测试。本领域普通技术人员可以预见所熟知的各种测试。
如果暗示着孔眼存在问题的情况出现，井下工具可以激励穿孔工具以清除岩屑110。通过前移、后退和/或旋转井下工具，井下工具可以激励穿孔工具来清除岩屑。如果需要，可以连续清除任何堵塞物和/或促使流体流过所述孔眼。
井下工具可以基于每隔一定时间的传感器读数、井下测试或者根据其它标准激励穿孔工具。可以对穿孔工具和/或封堵器安装传感器，以便探测孔眼内的岩屑。一个处理器可以用来收集和/或分析数据，以决定何时激励穿孔工具。作为可选择的方案，可以任意激励井下工具，以进行这样的清除操作。
图11示出了图1和图7中使用过滤塞200的封堵机械或封堵装置。除了所述仓包括一个或者多个过滤塞200之外，封堵器按照前面对图1和图7的描述进行操作。仓85可以用来存储一个或者多个封堵器84(图7)和/或过滤塞200，以插进井筒侧壁。
继续参看图11，所述过滤塞200安置在孔眼182内，以用来过滤污染物或者岩屑，例如钻井液、油泥、水泥或者其他污染物。为了简化，岩屑被图示为方框186。在穿孔工具，比如图1中的穿孔工具18，产生孔眼之后，所述过滤塞200优选安置在孔眼内。
所述过滤塞可以沿着孔眼安置在各种位置，比如安置在套管处、水泥处、地层中、紧靠地层的孔眼末端。当需要防止固体污染物从中穿过时，部分或者全部过滤塞具有能使流体流过过滤塞并进入井下工具的筛孔。如箭头所示，地层流体流入孔眼，穿过过滤塞并进入井下工具。
如果需要，可以将所述过滤塞移走或者留在孔眼内。如果过滤塞被堵塞、被卡，或者发生其它不好的事故，可以穿过过滤塞进行钻孔，从而消除将过滤塞从孔眼内移走的必要。换句话说，穿孔工具在过滤塞处进行重新穿孔，并穿过过滤塞产生一孔眼。这样，仅仅穿过已有的过滤塞进行钻孔，孔眼就可被复原。如果需要，然后插入另外的过滤塞，以替换和/或增补原始的过滤塞。
如图12A和12B所示，可以在孔眼内安置一个或者多个过滤塞200。所述过滤塞可以如图12A中所示的沿着一孔眼线性堆叠在一起，或者如图12B中所示的同轴地堆叠在孔眼的某一位置。相似大小的过滤塞和/或具有阻挡或封闭末端的过滤塞可随意用来堆叠所述过滤塞。可以使用不同直径的过滤塞，以便同轴地堆叠所述过滤塞。此外，在过滤塞的某一端可以设置一个孔，以容纳一附加的过滤塞。通过同轴地堆叠过滤塞，所述过滤塞形成层状，增加了过滤效果。一个或者多个过滤塞可以用来过滤全部或者部分孔眼。可以每次插入一个或者一组过滤塞。
现在参看图13A-C，其中详细示出了所述过滤塞的实施例。更优选的是，过滤塞200通常具有带一内腔的圆筒体。所述圆筒体最好由金属制成，并具有筛孔和/或孔隙大小适于使流体通过而防止固体颗粒从其中穿过的砾石充填体。更优选的是，过滤塞具有一适于被穿孔工具按照前面结合图11所述方式穿透的本体。
如图13A所示，过滤塞200a具有一锥形体202a，以有利于向前进入孔眼和/或阻止其从中缩回。过滤塞200a也可具有一直径大于过滤塞锥形体202a的凸缘204a，以用作机械停止件阻止过滤塞进一步向前进入孔眼。具有凸缘的实施例，过滤塞用来延伸穿过套管11。然而，凸缘阻止了过滤塞向前移动并使过滤塞保持与套管11相邻。
也可以为过滤塞设置一用来阻止图13B所示的移动的装置。如果在本体202b的周围设置锚定槽206，该装置有助于使所述过滤塞与孔眼保持相符并使其在其中保持紧固。这也用来防止过滤塞从孔眼中收回。可以使用其它技术来确保过滤塞处在孔眼中。例如，在过滤塞插入孔眼时，过滤塞的形状适于同套管孔眼过盈配合。
如图13C所示，过滤塞200c在其一端具有一开口端208。所述开口端适于容纳另外的过滤塞，穿孔工具和/或仅仅使流体更容易从其中流过。在这个实施例中，过滤塞具有一不带锚定槽或机械阻止件的圆筒体202c。然而，可以有选择地包含这些特征。
当所述过滤塞被优选地描述为同孔眼的一般形状相适应的一般圆筒(图13B和图13C)时，或被优选描述为进入孔眼的截头圆锥体(图13A)时，可以理解，所述过滤塞可以是能够阻止孔眼内的岩屑的任何大小或几何形状。做为过滤塞的一部分，可以使用一个或多个凸缘，一种或多种材料，一层或多层或者一个或多个筛孔。此外，如果需要，所述过滤塞可以从孔眼延伸入井筒。过滤塞可以制得更长一些或者更短一些，以充满孔眼的所需部分(或全部)。此外，圆筒体可以由在其进入孔眼时产生变形的软金属制成，以与孔眼结合并与其相适应。
现在参看图14，其中描述了描述图11所示装置的操作的方法300。所述方法300描述了一种用来减小孔眼内流体的污染的方法。这一方法300包括在井筒302内安置一井下工具，并产生一穿过井筒侧壁并进入地层304的孔眼。该方法300还包括将至少一个过滤塞插入到孔眼306中。所述过滤塞可以由穿孔或封堵工具插入，并且安置在孔眼内所需的位置。
所述过滤塞在执行测试操作308之前被优选插入孔眼中。所述测试操作308基本上按照图10所描述的步骤108进行。在地层流体从地层中流出并通过过滤塞且进入井下工具时，所述过滤塞能够防止污染物和其它岩屑与地层流体一起进入井下工具。可以重复执行步骤306，以插入另外的和/或多个过滤塞。在插入一个或者多个过滤塞之前，或者之间或者之后，可以执行取样操作。
如果想要清理所述孔眼并移去所述过滤塞，可以穿过所述过滤塞将穿孔工具插入，以通过向前推进穿孔工具使之穿过过滤塞和/或岩屑310将岩屑从孔眼中排除或者清除。如果需要，可以重复步骤306以插入另外的过滤塞，以进行另外的测试308。一旦完成测试，就可以封堵所述孔眼。可以重新安置井下工具，以执行另一个操作，或者沿井筒向上收回。
这里所描述的方法和装置具有多个优于现有技术的优点。结合优选实施例所描述的这些方法和装置并不局限于此。比如，虽然在此描述的方法和装置与被描述成与美国专利US5692565所公开的技术一起使用，但是本领域的普通技术人员应该理解，所述方法和装置可以同能够进行穿孔和/或封堵操作的其它井下工具一起使用。例如，图11-13所示的过滤塞可以在穿孔工具进行图10中的穿孔工艺之前或者之后进行安装。所述方法可以连续应用以易于测试。各种各样的穿孔和/或封堵工具可以与这些技术一起使用。在不脱离本发明原理的基础上，可以对所述基本设计进行其它改变，变化和修改。
此外，这些改变、变化和修改对受益于本申请上述技术的本领域的普通技术人员来说是显而易见的。所有的这些改变，变化和修改都在所附的权利要求书所限定的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于减少井筒中孔眼内岩屑的井下工具，所述孔眼从井筒伸入地层，所述工具包括一可以在井筒中定位的壳体；一位于所述壳体内并可以从壳体中伸出的臂；以及至少一位于壳体内的岩屑阻断器，通过所述臂，该至少一个岩屑阻断器在孔眼内可以进行定位，该至少一个岩屑阻断器适于阻止岩屑与地层流体通过孔眼流入所述壳体内。
2.如权利要求1所述的井下工具，其中所述井下工具还包括一适于产生孔眼的穿孔装置。
3.如权利要求2所述的井下工具，其中所述穿孔装置为一冲孔工具。
4.如权利要求2所述的井下工具，其中所述穿孔装置为一穿孔工具。
5.如权利要求2所述的井下工具，其中所述穿孔装置具有可以在孔眼内定位并可以在静止模式和激励模式之间进行操作的钻头，在所述静止模式中，所述钻头允许流体流过钻头的外表面而阻止岩屑流过，并且在所述激励模式中，所述钻头是可移动的，以清除孔眼内的岩屑。
6.如权利要求5所述的井下工具，在所述激励模式中，所述钻头可以通过旋转、向前推进、缩回以及它们的组合中的一种而运动。
7.如权利要求2所述的井下工具，其中所述至少一个岩屑阻断器包括至少一个过滤器。
8.如权利要求7所述的井下工具，其中所述穿孔装置能够穿过所述过滤器产生一孔眼。
9.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个岩屑阻断器包括至少一个用于密封所述孔眼的密封封堵器。
10.如权利要求2所述的井下工具，其中所述至少一个岩屑阻断器包括至少一个过滤器。
11.如权利要求10所述的井下工具，其中所述至少一个过滤器为一组在孔眼内同轴地堆叠的过滤器。
12.如权利要求10所述的井下工具，其中所述至少一个过滤器为一组在孔眼内线性堆叠的过滤器。
13.如权利要求10所述的井下工具，其中所述至少一个过滤器具有一本体，至少一部分本体包括筛孔。
14.如权利要求10所述的井下工具，其中所述至少一个过滤器具有一凸缘，该凸缘具有一大于本体直径的直径。
15.如权利要求13所述的井下工具，其中所述本体为锥形、圆筒状，截头圆锥体以及它们的组合中的一种。
16.如权利要求1所述的井下工具，其中所述井筒为裸眼井、套管井和二者的组合中的一种。
17.如权利要求1所述的井下工具，还包括一能够密封孔眼周围的壳体以将地层内的流体同井筒内的污染物隔离的密封件。
18.如权利要求1所述的井下工具，其中所述至少一个岩屑阻断器包括一个钻头，并且所述钻头适于产生所述孔眼。
19.如权利要求18所述的井下工具，其中所述钻头可以在所述孔眼内定位，并且可以在静止模式和激励模式之间进行操作，在所述静止模式中，所述钻头允许流体流过钻头的外表面，同时阻止岩屑流过，并且在所述激励模式中，所述钻头是可移动的，以清除孔眼内的岩屑。
20.如权利要求1所述的井下工具，在壳体内还包括一用于存储至少一个岩屑阻断器的仓。
21.一种用于减少井筒中孔眼内岩屑的方法，所述孔眼从井筒伸入地层，该方法包括在井筒内安置一井下工具，所述井下工具具有一可以从井筒中伸出的臂；通过所述臂将至少一岩屑阻断器安置在所述孔眼中，所述岩屑阻断器适于防止在地层流体通过孔眼流入所述井下工具时，岩屑流入井下工具。
22.如权利要求21所述的方法，还包括在井筒侧壁上产生一孔眼。
23.如权利要求21所述的方法，还包括检测所述孔眼内的岩屑。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述至少一岩屑阻断器包括一钻头，所述方法还包括通过旋转、向前推进、缩回以及它们的组合中的一种来激励钻头，以将岩屑从孔眼中清除出去。
25.如权利要求21所述的方法，还包括封堵所述孔眼。
26.如权利要求21所述的方法，其中所述至少一个岩屑阻断器包括至少一个过滤器。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述至少一个岩屑阻断器包括至少一个过滤器和至少一个钻头，所述方法还包括向前推进钻头，使之穿过所述至少一个过滤器。
28.如权利要求26所述的方法，还包括在孔眼内堆叠至少一个过滤器。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述至少一过滤器以同杆的、线性的以及它们的组合中的一种方式堆叠在一起。
30.如权利要求21所述的方法，还包括通过所述孔眼对地层流体进行测试。
31.如权利要求21所述的方法，还包括通过所述孔眼对地层流体进行取样。
全文摘要
本发明提供了一种用于减少井筒中孔眼内岩屑的方法和装置，所述孔眼从井筒伸入地层。一壳体安置在井筒内，臂从壳体中伸出。通过所述臂将一个或多个岩屑阻断器安置在所述孔眼中。所述岩屑阻断器适于防止岩屑同地层流体一起通过孔眼流入所述壳体，从而减小了地层流体内的污染物。所述岩屑阻断器可以是一安置在孔眼内的过滤器，或者是用来清除岩屑的钻头。
文档编号E21B49/00GK1576514SQ20041005456
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月23日 优先权日2003年7月25日
发明者T·菲尔兹 申请人:施卢默格海外有限公司