自动阻断水的管道的制作方法
【专利摘要】一种对管渗水进行控制的装置，该管用在从地下储层开采碳氢化合物的过程中，包括多层管，该多层管包括外管层、在外管层内纵向对准的内管层、以及位于外管层与内管层之间的亲水性混合料。该混合料包括选自由砂子、粉砂、以及粘土及其混合物所组成组的材料。该混合料是非化学活性的，并且具有吸收特性，使得该材料遇水膨胀，但不吸收碳氢化合物。一旦暴露于水时，该混合料形成抗渗阻挡层，该抗渗阻挡层覆盖内管层的至少一部分。
【专利说明】自动阻断水的管道
[0001]发明人:穆罕默德.M.阿勒-沙玛里
[0002]受让人:沙特阿拉伯石油公司
[0003]代理人卷号:04159.007748
[0004]本发明背景
1.【技术领域】
[0005]本发明涉及控制油气储层的开采。具体而言，本发明涉及一种装置及方法，用具有水敏性混合料的多层管控制出水。
[0006]2.相关技术
[0007]油气开采井中的套管泄漏是本领域一直以来都存在的问题。除了别的原因以外，由于来自地层或储层的酸性或腐蚀性水造成的腐蚀、点蚀以及破裂，会导致套管泄漏。将套管送入井中特别是送入斜井过程中的磨损会导致薄弱点，此处更容易受到因来自地层腐蚀性水所导致泄漏的影响。套管泄漏会让高压流体及气体以及不希望的化学品进入环形间隙，而且，在极端情况下，会导致地下井喷。另外，套管泄漏会让所开采的碳氢化合物和其它井内流体从套管逸出而进入环境。用于处理套管泄漏的现行实践通常包括在泄漏套管内侧安装内衬，该内衬减小了成品管道的内径。这又潜在地限制了开采以及井筒的检修(例如维护)。
[0008]油气井开采商面临的另一问题是出水的管理与控制。当油气开采井运行时，地层水也自然朝开采井筒迁移。水渗入井筒将增大开采成本，因为，之后不得不在地面将水与油气分离。另外，还降低了所开采的油气量。关于控制出水的通用现行实践是，为智能完井(smart well completion)使用流入控制装置,有主动式和被动式二种。然而，就初期成本而言、以及就花在维护与修理上的时间和成本而言，这些方法都是昂贵的。
[0009]所以，需要为这些问题找到更有效的以及高性价比的解决方案。
【发明内容】
[0010]本申请的实施方式解决了套管泄漏以及出水这两个问题，而且，对于油气开发的长远规划是有效并且可行的解决方案。本申请的实施方式包括多层管，例如套管或管道所使用的多层管，其具有这样的能力:在早期发生出水时，能够完全不透水，或者可替代地，能够隔离水，同时，将油开采的渗透性维持为类似于或高于储层渗透性。这种构思应当能适用于竖井、水平井、以及例如多分支井的复杂井。
[0011]与现有技术相比，本申请附加的有益之处在于，提供了免维护且更容易的操作解决方案。管的大部分制造工序在地面上的可控性更高的环境中完成，对其进行定制以满足特定的井状况。此外，有益之处在于，除了改进碳氢化合物的回收之外，还提供了成本节约，其使用易于得到的、丰富的自然土壤资源，例如当地的砂子以及粘土。
[0012]在本申请的一种实施例中，一种对管渗水进行控制的装置，该管用在从地下储层开采碳氢化合物的过程中，包括多层管，该多层管包括外管层、在外管层内纵向对准的内管层、以及位于外管层与内管层之间的亲水性混合料。该混合料所包括的材料选自由砂子、粉砂、以及粘土及其混合物所组成组。该混合料是非化学活性的，并且具有吸收特性，使得该材料遇水膨胀，但不吸收碳氢化合物，并且，一旦暴露于水时，即发生作用以形成抗渗阻挡层，该抗渗阻挡层覆盖内管层的至少一部分。
[0013]在一种实施例中，内管层和外管层是实壁部件。在一种实施例中，该混合料具有的起始渗透性等于或大于油气储层的渗透性。外管层和内管层可以包括能流过碳氢化合物的孔。可以使穿孔套管围住多层管，以及，该多层管可以输送开采流体。可替代地，开采管道可以置于该多层管内。
[0014]在一种实施例中，该混合料进一步包括成形颗粒。成形颗粒的形状可以是六边形、八边形、十字形或星形。
[0015]在一种实施例中，一种对管渗水进行控制的方法，该管用在从地下储层开采碳氢化合物的过程中，包括下列步骤:(a)提供多层管，该多层管包括外管层、以及在外管层内纵向对准的内管层；(b)从由砂子、粉砂、以及粘土及其混合物所组成的组中选择混合料，该混合料是非化学活性的，该混合料具有吸收特性，使得该材料遇水膨胀，但不吸收碳氢化合物，并且使得一旦暴露于水时，该混合料发生作用而形成抗渗阻挡层，该抗渗阻挡层覆盖内管层的至少一部分；(c)将该混合料添加到外层管与内层管之间的空间中；以及(d)将该多层管布置于井内。
[0016]在一种实施例中，通过选自由浸胶、浸泡(bathing)、倾倒、装填以及预成型所组成的组的方法，执行添加该混合料的步骤。在一种实施例中，内管层和外管层是实壁部件，以及，步骤(b)进一步包括选择混合料，当多层管置于井内时，该混合料是完全不透水的。在一种实施例中，外管层和内管层可以包括孔，流体可以通过这些孔流动，以及，步骤(b)可以包括选择混合料，该混合料具有的起始渗透性等于或大于油气储层的渗透性。
[0017]在一种实施例中，步骤(d)进一步包括将该多层管定位于井中的穿孔套管内，以及，在该多层管内输送开采流体。在一种实施例中，步骤(d)进一步包括将开采管道定位于多层管内。
[0018]在一种实施例中，步骤(b)进一步包括选择具有成形颗粒的混合料。该成形颗粒的形状可以是六边形、八边形、十字形、以及星形。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更详细地了解本发明的特征、各方面、优点以及其他内容，结合【具体实施方式】对本发明进行更具体的描述，这些内容也示于构成本说明书一部分的附图中。然而，请注意，附图仅示出本发明的优选实施例，因此，不应视为对本发明范围的限制，本发明还可应用于其他等效实施例。附图中:
[0020]图1是根据本申请实施方式的管的剖视图；
[0021]图2a是图1中管的实施例的轴测图；
[0022]图2b是图1中管的实施例的另一轴测图；
[0023]图3是图1中管的实施例的剖视图；
[0024]图4是图1中管的另一实施例的剖视图；
[0025]图5a是图1的管的实施例中所使用的混合料的图；[0026]图5b是图1的管的实施例中所使用的可选混合料的图；以及
[0027]图5c是图1的管的实施例中所使用的另一可选混合料的图。
【具体实施方式】
[0028]参见图1，使用多层(光面的、密实的、有缝的或有孔的)碳钢管，制造本申请实施方式的多层管10。管10具有特殊沉积物的内置混合料12，该内置混合料12含有水敏性混合料，例如土壤成分，包括砂子、粉砂、或粘土，或者砂子、粉砂和粘土的组合，由于储层出水，混合料12的渗透性会消失或者显著降低，以及，该混合料12仍然将碳氢化合物开采维持为和储层一样好或者更高的渗透性。
[0029]多层管10包括具有内径16和外径18的外管层14。内管层20具有外径22和内径24。外管层14的内径16大于内管层20的外径22，在两层之间形成环形间隙26。内置混合料12位于环形间隙26内。内管层20的内径24限定中腔25。矿井操作，包括开采和维护，将发生在中腔25的空隙内。在一种实施例中，通过中腔25向地面进行开采。在一种实施例中，存在于中腔25内的开采管道向地面输送所开采流体。
[0030]管10是预制件，并且，可以在船运至其应用井位之前，在场外设施处进行制造。在安装之前，考虑各段的总长度，将管10的尺寸形成为具有直径16、18、22、24，以便降低成本以及优化生产。例如，基于数种因素，确定环形间隙26的尺寸，继而确定对出水进行有效控制的混合料12厚度(也就是，有效厚度因数)。这些因素包括水的盐度范围、以及混合料12的渗透性变化。有效厚度因数可以通过试验方法或者理论方法确定，例如，通过模拟有效管绝缘电阻值的计算式。
[0031]内置混合料12由水敏性混合料构成，例如砂子、粉砂、以及粘土，或者是水敏性的任何其它材料，其置于管10的环形间隙26内。在一种实施例中，通过浸胶或浸泡处理，将混合料12施加至内管层20的外表面、或者外管层14的内表面，从而制造管10。在一种实施例中，混合料12为小珠或其它颗粒形式，并且倾倒或填充进环形间隙26。在一种实施例中，通过铸塑或其它方法，预形成混合料12。也可以使用在环形间隙26内放置混合料12的其它可替代方法。作为进一步的讨论，在一些应用中，混合料12将包括容易得到的当地砂子、粉砂、以及粘土的混合物，尤其是为储层特性以及特殊应用目的而混合并定制的混合物。混合料12可以吸水，但不会与水起化学反应。混合料12是亲水性的，所以，尽管它能吸水，但它不吸收所开采的碳氢化合物，也不会因与所开采的碳氢化合物接触而膨胀。
[0032]再参见图2a，在本申请的一种实施例中，管10是位于含有腐蚀性水28层的区域内的套管。外管层14和内管层20 二者都是实壁部件，也就是，其不包括开口例如穿孔、孔洞、或缝隙。外管层14暴露于腐蚀性水28。安装之后的一段时间，外管层14能维持对腐蚀性水28的阻挡层。然而，随着时间推移，如图2b中所示，腐蚀性水28作用，使外管层14损坏，直至在外管层14中形成破口 30。于是，腐蚀性水28能透过外管层14，并且，进入并与内置混合料12接触。
[0033]在一种实施例中，内置混合料12是密实的、大体密实的、或者一旦与流体接触即变成大体密实的，从而，其渗透性能会阻挡腐蚀性水28使其不能在管10内进一步渗透。内置混合料12对腐蚀性水的耐腐蚀性极佳；也就是,腐蚀性水28不会导致内置混合料12受损。不要求操作人员进行观察或动作，混合料12就会产生对腐蚀性水28的阻挡作用。所以，尽管腐蚀性水28能透过管10的外管层14，但混合料12已经形成了抗渗阻挡层，使得腐蚀性水28不会危及管10的功能，也不会影响中腔25内进行的开采或其它操作。这会使维护成本最小化，并且避免油或气从中腔25向外逸出的潜在损失。另外，这种解决方案避免了应用通常用来解决套管泄漏问题的套管内衬。套管内衬的使用会使中腔25的尺寸减小，从而，影响了在腔25内进行的操作。
[0034]在图3所示的一种实施例中，管10是位于带穿孔套管32内的开采管道。在套管32的内表面与管10的外表面之间，形成有流动空间36。封隔器34在空间36内以断续方式间隔布置，阻塞流体沿间隔36的流动。油、气、水或其它开采流体可以穿过套管32，该套管32已用传统手段进行了穿孔。在外管层14和内管层20 二者中，管10具有经机械方式开槽或开孔的入口 38。可以通过液压或者机械方式，设置这些孔或槽38，允许碳氢化合物穿过管10的管壁，并进入中腔25 (图1)，而没有明显的压降。
[0035]开采期间，如果水穿过套管32进入流动空间36，并且穿过外管层14中的孔迁移，水将与混合料12接触。混合料12会因膨胀而起反应，从而，降低其渗透性，并且变成不透水。这种反应基于混合料12自身的特性发生，并且不要求操作人员进行观察或动作。
[0036]所以，很少水或没有水进入管10的中腔25 (图1)。这将有助于维持所开采流体的品质，并且不再需要流入控制装置。在图3所示的实施例中，开发或者选择混合料12，使其具有的起始渗透性等于或大于其所应用油气储层的渗透性，并且具有膨胀特性，促使其基于储层标准来消除渗水。储层标准包括地层水的盐度、或者开采水的盐度范围。
[0037]图4中所示的实施例具有作为开采套管的管10、以及置于多层管10中的开采管道40。在本实施例中，中腔25(图1)容纳开采管道40，以及，多个封隔器34也置于开采管道40和管10之间。在一种实施方式中，开采流体在中腔25内直接流向地面，而不使用开采管道40或封隔器34。
[0038]图4实施例中的管10的外管层14和内管层20 二者都进行穿孔，使得孔允许碳氢化合物流动穿过管10。如果在开采期间水抵达管10并且与混合料12接触，那么混合料12因膨胀起反应。膨胀降低了混合料12的渗透性，使其变成针对水的抗渗阻挡层。这种反应基于混合料12自身的特性发生，不要求操作人员进行观察或动作。所以，很少水或没有水进入管10的中腔25 (图1)。因为没有水穿过管10进入，没有水会进入开采管道40。这将有助于维持所开采流体的品质，并且不再需要流入控制装置。
[0039]为了保护管10内的混合料12的完整性，将使用专门的钻井液如油基钻井液，并使用胶结方法(cementation)。混合料12设计成,使得钻井以及胶结过程不会影响其未来功能。在本实施例中，开发或者选择混合料12，使其具有的起始渗透性等于或大于其所应用油气储层的渗透性，并且具有膨胀特性，促使其基于储层标准消除渗水。储层标准包括地层水的盐度或开采水的盐度范围。
[0040]取决于特定应用所期望的功能，在所讨论的多个实施例中要求多种类型的混合料
12。可以将自然生成的材料逆向加工(reverse engineer),以开发出高性价比并且成功的混合料12，其定制成适合特定目的。如已经发现的，除了其他因素外，油气井的开采率取决于储层砂对这些流体的有效渗透率。砂渗透率的降低，将降低油、气、以及水开采的总体速度。在钻井之前，大部分储层砂含有间隙水以及粘土矿物二者。间隙水的存在意味着，在发现油气田时，粘土含水到一定程度，并且与水处于膨胀平衡。当为了开采油而钻井时，一些水从钻井泥浆渗进砂子。这种引入的水将导致粘土颗粒膨胀，从而，局部阻塞砂子中的毛细管孔洞，并且使碳氢化合物流向井筒的路径尺寸减小，从而，降低碳氢化合物向井筒的流动速度。在将水注入砂子以从接近枯竭的油气田获得额外的碳氢化合物时，此问题变得更加严重。
[0041]特别容易因暴露于水而受损的储层砂子称为“水敏”。广泛用作砂子水敏性定性指示的一种实验室方法是确定下述两种渗透率之间的差异:岩石样品在干燥时的渗透率，以及，岩石样品在浸透具有不同化学成分的水时的渗透率。用水浸湿时，不同的粘土呈现出不同的体积改变能力。一定程度上，体积的改变取决于水的化学成分。多种因素会影响渗透率的变化，例如现场粘土的类型、所引入水的盐度、以及砂子的水敏性。
[0042]自然界中，已经发现含有高岭土、伊利石、以及混层粘土(伊利石-微晶高岭土)的砂子对水最敏感，以及，只含有少量高岭土和伊利石的砂子的敏感性最低。含有大量高岭土和伊利石的砂子的水敏感性为中等。知晓这一点，通过对非常影响开采率的砂子和粘土进行选择以及组合，形成混合料12，就能积极地利用砂子和粘土，从而满足如上所述的特殊需要。
[0043]混合料也可以是专业实验室工作制得的材料。参见图5a至图5c，一种实施例包括特殊成形构成的混合料12。例如，混合料12可以包括六边形构成42，具有通道44进行流体流动，如图5a中所示。可替代地，该构成可以是八边形或其它多边形，并且，各形状的边长可以彼此相等、也可以不同。通道44可以用粘土涂覆，这允许对流体路径的曲折程度进行控制，进一步，当粘土膨胀时，能有效地降低或消除渗透性。一种实施例包括新的混合料结构,如图5b中所示由十字形晶粒46形成,或者如图5c中所示由星形晶粒48形成。
[0044]虽然详细描述了本发明，但应当理解，可以做出多种改变、替换、以及变更，而不偏离本发明的原理和范围。相应地，本发明的范围应当由所附权利要求及其等效置换确定。
[0045]单数形式的“一个”以及“该”包括两个以上的所指对象，除非上下文明确指明。可选地或任选地指，随后描述的事件或情况可以出现也可以不出现。这种描述包括事件或情况出现的实例以及没有出现的实例。范围在此可以表达为从一个特定值附近和/或到另一特定值附近。当表达这样一种范围时，应当理解，另外的实施例是从一个特定值和/或到其它特定值，包括所述范围内的所有组合。
[0046]本申请中引用了一些专利或公开文献，这些文献所披露的全部内容以引用方式并入本文，以便更完全地描述本发明所属领域的状态，除非这些引文与本文的陈述矛盾。
【权利要求】
1.一种对管渗水进行控制的装置，该管用在从地下储层开采碳氢化合物的过程中，包括: 多层管，所述多层管包括: 外管层， 内管层，其在所述外管层内纵向对准，并且限定中腔，以及 亲水性混合料，其位于所述外管层与所述内管层之间，其中: 所述混合料选自由砂子、粉砂、和粘土、及其混合物所组成的组， 所述混合料与水不起化学反应， 所述混合料具有吸收特性，使得所述混合料遇水膨胀，但所述混合料不吸收碳氢化合物，一旦暴露于水时，所述混合料发生作用以形成对水的抗渗阻挡层，该抗渗阻挡层覆盖所述内管层的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述内管层和所述外管层是实壁部件。
3.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述混合料具有的起始渗透性等于或大于油气储层的渗透性。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，进一步包括围住所述多层管的带有穿孔套管，以及，其中，所述多层管通过所述中腔输送开采流体。
5.根据前述任一项权利`要求所述的装置，进一步包括开采管道，所述开采管道存在于所述多层管的所述中腔内。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述外管层和所述内管层二者都是穿孔的，以及，所述多层管能作用为允许碳氢化合物越过所述外管层和所述内管层达到所述中腔。
7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述混合料进一步包括成形颗粒。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述成形颗粒的形状选自由六边形、八边形、十字形、以及星形所组成的组。
9.一种对管渗水进行控制的方法，该管用在从地下储层开采碳氢化合物的过程中，所述方法包括下列步骤: (a)提供多层管，所述多层管包括外管层和内管层，所述内管层在所述外管层内纵向对准，并且限定中腔； (b)从由砂子、粉砂、和粘土、及其混合物所组成的组中选择亲水性混合料，所述混合料与水不起化学反应，所述混合料具有吸收特性，使得该材料遇水膨胀但不吸收碳氢化合物，以及，使得一旦暴露于水时，所述混合料发生作用以形成对水的抗渗阻挡层，所述抗渗阻挡层覆盖所述内管层的至少一部分； (c)将所述混合料添加到位于所述外层管与所述内层管之间的空间中；以及 (d)将所述多层管布置于井内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过选自由浸胶、浸泡、倾倒、装填以及预成型所组成组的方法，执行添加所述混合料的步骤。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，所述内管层和所述外管层是实壁部件。
12.根据权利要求9至权利要求11中任一项权利要求所述的方法，其中，所述外管层和所述内管层二者都是穿孔的，以及，所述多层管能够作用为允许碳氢化合物越过所述外管层和所述内管层达到所述中腔，以及，其中，步骤(b)进一步包括选择混合料，所述混合料具有的起始渗透性等于或大于油气储层的渗透性。
13.根据权利要求9至权利要求12中任一项权利要求所述的方法，其中，步骤(d)进一步包括将所述多层管布置于井内的穿孔套管内，以及，在所述多层管的中腔内输送开采流体。
14.根据权利要求9至权利要求13中任一项权利要求所述的方法，其中，所述方法进一步包括将开采管道定位于所述多层管的中腔内，以及，在所述多层管内输送开采流体。
15.根据权利要求9至权利要求14中任一项权利要求所述的方法，其中步骤(b)进一步包括选择具有成形颗粒的混合料，其中，所述成形颗粒的形状选自由六边形、八边形、十字形、以及星形所组成的组。`
【文档编号】E21B43/12GK103732855SQ201280036446
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年7月16日 优先权日:2011年7月27日
【发明者】穆罕默德·M·阿勒-沙玛里 申请人:沙特阿拉伯石油公司