在烴類開採中使用的可滲透介質流動控制裝置的製作方法

2023-05-30 16:50:11

專利名稱：在烴類開採中使用的可滲透介質流動控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及用於有選擇地控制流體流入到井眼的開採管柱中的系統和方法。
背景技術：
烴類諸如油和氣是從地下地層利用鑽進地層的井眼開採的。這樣的井通常通過沿 著井眼長度放置一套管(casing)並在臨近各個這樣的開採區的套管上鑽孔以將地層流體 (例如烴類)抽取到井眼內來完成。這些開採區有時通過在開採區之間安裝一封隔器而彼 此分開。從各開採區進入井眼的流體被吸入延伸到地表的管材。所希望的是沿開採區具有 基本上均勻的排放。不均勻的排放會導致不希望有的狀況，例如侵襲性氣錐或水錐。如果是 採油井，例如，氣錐會導致氣體流入井眼內，會顯著減少石油開採。同樣，水錐也會導致水流 入油開採流量內，這也會降低開採油的數量和質量。因此，希望在整個開採區提供均勻的排 放和/或能夠在遭受不希望的水和/或氣的流入的開採區內部有選擇地關閉或減少流入。本發明解決了先有技術的這些及其他需要。

發明內容
在多個方面，本發明提供了一種用於控制流體從地層流入到井眼管材內的流入控 制裝置。在一個實施例中，流入控制裝置包括一流動空間，所述流動空間提供地層與井眼管 材的孔之間的流體連通。可以在流動空間中設置可滲透介質，以在可滲透介質上引起一預 定壓差。例如，可滲透介質可具有構造成提供所希望的預定壓差的孔隙度。在有些實施例 中，可滲透介質可以包括多個基本上獨立的元件，當設置在流動空間中時，這些元件之間具 有孔隙空間。在其他實施例中，可滲透介質可以包括固態多孔部件。在其他實施例中，流動 空間中的介質可包括材料組合。在一個實施例中，流入控制裝置可以包括沿井眼管材設置 的外殼。流動空間可以形成在外殼中。在有些配置中，可以在流入控制裝置的流動空間的上 遊設置一過濾元件。在一個配置中，流動空間可以形成在與外殼相關聯的插塞部件中。在 某些應用中，插塞部件是可移除的。在某些實施例中，外殼中的節流元件可以提供與井眼管 材的孔的平行流體連通。例如，一止回閥可以構造成在流入控制裝置中達到預設壓力時打 開。另外，可以在流動空間中設置一閉塞體(occlusion body)，其構造成在暴露於預設情況 時分解。閉塞體臨時密封流動空間，這樣可以使管材的孔增壓。在多個方面，本發明提供了一種用於控制流體從地層流入到井眼管材內的系統。該系統可以包括沿井眼管材的一段設置的多個流入控制裝置。各流入控制裝置可以包括 在地層與井眼管材的流動孔之間的流動路徑中設置的可滲透介質，以控制流動特性。流動 特性可以是下列中的一個或多個(i)壓力、(ii)流量和(iii)流體組分。在一個配置中， 各可滲透介質的孔隙度構造成沿著該段井眼管材產生基本上均勻的流動特性。在某些配置 中，可以在多個流入控制裝置中的一個或多個的上遊設置過濾元件。可滲透介質可以包括 多個構造成當設置在流動空間中時其間具有孔隙空間的基本上獨立的元件和/或具有孔的基本上固態的部件。在多個方面中，本發明提供了一種用於控制流體從地層流入到井眼管材內的方法。該方法可包括經由一流動空間提供地層與井眼管材的孔之間的流體連通；和將可滲 透介質設置在流動空間中。可滲透介質可具有構造成在可滲透介質上引起預定壓差的孔隙度。應當明白，本發明更重要的特徵的例子概述得相當寬泛，以便可以更好地理解下 述的詳細說明書以及可以領悟對本領域做出的貢獻。當然，本發明還具有附加特徵，這將在 下文描述，其形成了附加於此的權利要求的主題。


參照下列詳細說明書，並結合附圖，本領域普通技術人員將更容易領悟和更好地 理解本發明的有點和其他方面，其中貫穿附圖中所示的幾個視圖，同樣的參考標記表示同 樣或類似的元件，以及其中圖1是示例性多區井眼和開採組件的示意性正視圖，所述組件結合有依照本發明 的一個實施例的流入控制系統；圖2是示例性裸井開採組件的示意性正視圖，所述組件結合有依照本發明的一個 實施例的流入控制系統；圖3是依照本發明的一個實施例製成的示例性開採控制裝置的示意性橫截面視 圖；圖4是示例性開採控制裝置的示意性橫截面圖，其使用了依照本發明的一個實施 例製成的插塞部件；和圖5是圖4實施例的示意性端視圖。
具體實施例方式本發明涉及用於控制烴類開採井的開採的裝置和方法。本發明容許不同形式的實 施例。在視圖中顯示以及在此詳細描述的是本發明的具體實施方式
，應理解本發明被認為 是本發明原理的範例，而不是將本發明限制於在此顯示和描述的內容。進一步，雖然實施例 描述為可以具有一個或多個特徵或者兩個或更多個特徵的組合，但是這樣的特徵或特徵組 合不應當看作是根本的，除非另有明確指出。首先參見圖1，顯示了示例性的井眼10，其鑽穿地層12進入一對地層14、16，從該 對地層14、16中有望開採烴類。井眼10中裝入金屬套管，這是本領域中眾所周知的，若干 個穿孔18穿透並延伸到地層14、16中，這樣開採出的流體可以從地層14、16流入井眼10 中。井眼10具有一偏向的或基本上水平的分支19。井眼10具有後級開採組件，整體標記 為附圖標記20，其通過從井眼10的地表26上的井頭24向下延伸的井眼管柱22設置在井 眼中。開採組件20沿其長度限定一內部軸向流動孔28。在開採組件20與井眼套管之間限 定有環空30。開採組件20具有一偏向的、基本上水平的部分32，所述水平的部分32沿著 井眼10的偏向分支19延伸。開採裝置34位於沿開採組件20的選定點上。可選地，各開 採裝置34在井眼10內由一對封隔器裝置36隔離。雖然在圖1中僅顯示了兩個開採裝置 34，但是，實際上，沿著水平部分32可以串聯布置大量這樣的開採裝置。
各開採裝置34以開採控制裝置38為特點，所述開採控制裝置38用於支配流入開採裝置20中的一種或多種流體的一個或多個方面。在此所使用的術語"流體"包括液體、 氣體、烴類、多相流體、兩種或更多種流體的混合物、水、鹽水、工程流體諸如鑽井泥漿、從地 表噴射的流體諸如水、以及天然存在的流體諸如油和氣。另外，涉及到水，其應當解釋為還 包括水基流體；例如鹽水或鹹水。依照本發明的實施例，開採控制裝置38可具有若干個確 保有選擇地操作和控制由此通過的流體流動的替換結構。圖2顯示了示例性裸井井眼配置11，其中可使用本發明的開採裝置。裸井井眼11 的結構和操作在大多數方面類似於前述的井眼10。但是，井眼配置11具有未下套管的鑽 孔，該鑽孔直接通到地層14、16。所以，開採出的流體直接從地層14、16流入到限定在開採 組件21與井眼11的壁之間的環空30中。沒有穿孔，裸井封隔器36可用來隔離開採控制 裝置38。開採控制裝置的特性設計成引導流體直接從地層16流入到最近的開採裝置34， 由此形成均衡流。在有些情況下，封隔器可以從裸眼完井省略掉。現在參考圖3，顯示了用於控制流體從儲層流入開採管柱內的開採控制裝置100 的一個實施例。該流動控制可以隨地層流體的一個或多個特徵或參數(包括含水率、流體 速度、氣體含量等等)而變化。此外，控制裝置100可以沿開採井的一段分布，以在多個位 置提供流體控制。這可有利於例如在水平井的"跟部"的流量可能出現大於水平井的"趾 部"的情況下均衡油的開採流量。通過適當構造開採控制裝置100，例如通過壓力均衡或通 過限制氣或水的流入，井所有者可以增大儲油層高效排放的可能性。下文論述了示例性的 開採控制裝置。在一個實施例中，開採控制裝置100包括用於減少流體中夾帶的顆粒數量和尺寸 的顆粒控制裝置110和控制來自地層的總體排放速度的流入控制裝置120。顆粒控制裝置 110可包括已知裝置，例如砂篩和相聯的碎石包(gravel packs) 0在實施例中，流入控制裝 置120運用可滲透介質來建立預定壓降，以幫助控制流入流量。說明性的實施例描述如下。一示例性的流入控制裝置120通過引導流入的流體穿過一個或多個管道122，建 立用於控制流入的壓降，所述管道122包括有可滲透介質124。管道122形成流動空間，該 流動空間將流體從流入控制裝置120的外部輸送到開口 126，所述開口 126引導流體進入井 眼管材、例如管柱22 (圖1)的流動孔102。在許多方面，達西定律可用來確定管道122和可 滲透介質124的尺寸及其他特性，以產生所選定的壓降。眾所周知，達西定律是通過可滲透 介質的瞬時排出率、流體粘度和給定距離上的壓降之間的比例關係的公式formula see original document page 5這裡，Q是總排量，κ是可滲透介質的滲透率，A是流動橫截面積，(P2-P1)是壓降， μ是流體粘度，L是管道長度。因為滲透率、流動橫截面積和管道長度是流入控制裝置120 的特徵，所以流入控制裝置120可以構造成對於給定的流體類型和流量提供一規定壓降。通過適當選擇可滲透介質124的結構，可以控制管道122的滲透率。一般而言，沿 管道122的表面面積值、管道122的流動橫截面積、管道122的曲率連同其他因素一起決定 了管道122的滲透率。在一個實施例中，可以利用封裝在管道122內的元件形成可滲透介質 124。所述元件可以是粒狀元件，例如封裝的滾珠支撐件，珠子，或小彈丸，或纖維元件如" 鋼絲棉"，或任何形成流體可以通過其流動的孔隙空間的其他這樣的元件。元件也可以是布置成容許流經管道122的毛細管。在其他實施例中，可滲透介質124可以包括一個或多 個其中形成孔的主體。例如，主體可以是海綿狀的物體或大量穿孔的過濾器式元件，應該明 白，適當選擇物體如珠子的尺寸，孔或穿孔的數量、形狀和尺寸，毛細管的直徑和數量等等， 針對所選擇的壓降可以得到所期望的滲透率。現在參考圖4和圖5，顯示了流入控制裝置140的另一個實施例，所述流入控制裝 置140通過輸送流入的流體穿過一排插塞元件而建立壓降，每個插塞元件用數字142標記。 各插塞元件142包括可滲透介質144。插塞元件142可以形成為具有充滿元件148的孔146 的管狀部件。插塞元件142可以設置在外殼150中，所述外殼150可以形成為圍繞井眼管 材如管柱22 (圖1)的環或套環。。四個插塞元件142的描繪純粹是任意的。根據需要，可 使用更多或更少數量的插塞元件142，以滿足特定應用。外殼150可以連接於顆粒控制裝置 110(圖3)，或者直接地或者利用適配器環152。另外，外殼150還可以包括進入孔154，用 於提供通向外殼內部的入口。節流孔156提供了流入控制裝置140與管柱22 (圖1)的流 動孔102之間的流體連通。現在參考圖5，在某些實施例中，流動控制元件158可用來在流入控制裝置140上 保持一預定流動情況。例如，流動控制元件158可以是止回閥、易碎元件或在暴露於預設壓 差時打開的其他裝置。在一個方案中，流動控制元件158可以構造成在流入控制裝置140 上存在足夠的壓差時打開。這樣的壓差可以與由於可滲透介質144的阻塞引起的流過插塞 元件142的流量的顯著減少相關聯。允許一定受控制的流體在這樣的情形下流入，對保持 高效排放有用。在某些實施例中，在外殼150中可設置有閉塞體164，以臨時阻塞流體流過流入控 制裝置140。閉塞體164可以由在出現預定情況時破裂、溶解、破碎、熔化或其他方式分解 的材料形成。在有些實施例中，閉塞體164可以設置在如圖所示的插塞部件142下遊或者 設置在插塞部件142的上遊。在其他實施例中，閉塞體164可以是填充插塞元件142的孔 隙空間的材料。在將流入控制裝置140部署或安裝到井內的過程中，閉塞體164允許在流 入控制裝置140上存在較高的壓差。在安裝期間這是有好處的，因為井需要較高的壓力來 致動閥、滑片、封隔器及其他類型的液壓致動完井設備。一旦完成給定的完井活動，閉塞體 164就可以由於暴露於諸如油的流體，或暴露於井眼環境(例如高壓或高溫)，或暴露於井 下所抽吸的材料而分解。在運行期間，流體從地層經過顆粒控制裝置110流入所述流入控制裝置140。當流 體流過插塞部件142中的可滲透介質時，產生壓降，其導致流體流速減小。此外，正如後面 要更詳細地論述的，與流入控制裝置相關聯的背壓幫助地層保持高效排放模式。在有些實施例中，流入控制裝置例如流入控制裝置120或140，可以構造成對於給定的流體具有一預設壓降。在其他實施例中，流入控制裝置可以構造成"實地"調諧或配 置以提供選定壓降。例如，外殼150可以構造成具有若干個用於接收插塞元件142的插孔 160。將插塞元件142設置在每個可利用的插孔160中，可以最大化流動管道的數量並提供 最低壓降。為增大壓降，一個或多個插孔160可以裝有一"盲板"或停止元件以阻塞流體 流動。因而，在一個配置中，改變插塞元件142的數量，可用來控制由流入控制裝置產生的 壓差。另一個配置可以包括構造外殼150，以接收具有不同流動特性的插塞元件142。例如， 第一插塞元件142可以具有第一壓降，第二插塞元件142可以具有大於第一壓降的第二壓降，第三插塞元件142可以具有大於第二壓降的第三壓降。壓降的變化可以通過例如改變 多孔材料的特性或插塞元件142的長度來控制。應當明白，可以改變插塞元件142的數量 和/或特性的流入控制裝置可以在井現場配置或在井現場再配置以提供壓差和背壓，從而 對於給定儲層實現所期望的流動和排放特性。還應當明白，插塞元件142僅僅是可用來使可滲透介質介於從地層到井眼管材的 流動中的結構的說明。例如，外殼可以包括用於接收一個或多個串聯對齊的多孔盤的流動 通道。可以通過改變盤的數量和/或盤的滲透率控 制壓降。在另一個變形中，外殼可以包 括一流動腔，所述流動腔可以填充或塞入諸如球形部件的元件。可以通過改變球形部件的 直徑控制壓降。在其他變形中，可以使用兩個或更多個介質。例如，這樣的介質可以包括毛 細管、粒狀元件和/或海綿狀材料的組合。進一步，應當理解，圖1和圖2僅僅是用來對應用了本發明的教導的開採系統的說 明。例如，在某些開採系統中，井眼10、11可以僅僅利用套管或襯管將開採出的流體輸送到 地表。可以應用本發明的教導來控制到那些及其他井眼管材的流動。為了清楚和簡潔起見，上面的說明書中省略了對管狀元件之間的大部分螺紋連 接、彈力密封如0形環及其他更容易理解的技術的描述。進一步，諸如"閥"的術語以它們 最寬泛的意思使用，不局限於任何特定類型或構造。為便於說明和描述，上文的描述針對的 是本發明的特定實施例。但是，對本領域技術人員來說顯而易見的是，在沒有背離本發明的 範圍的情況下，可以對上述實施例進行許多修改和變化。
權利要求
一種用於控制流體從地層流入井眼管材中的設備，其包括(a)構造成在地層與井眼管材的孔之間提供流體連通的流動空間；和(b)流動空間中的可滲透介質，所述可滲透介質具有構造成在可滲透介質上引起預定壓差的孔隙度。
2.如權利要求1所述的設備，其中，可滲透介質包括多個被構造成當設置在流動空間 中時其間具有孔隙空間的基本上獨立的元件。
3.如權利要求1所述的設備，其中，可滲透介質包括具有孔的基本上固態的部件。
4.如權利要求1所述的設備，還包括沿著井眼管材設置的外殼，流動空間形成在外殼中。
5.如權利要求4所述的設備，還包括處於流動空間中的閉塞體，所述閉塞體構造成在 暴露於預設情況時分解。
6.如權利要求4所述的設備，還包括與外殼相關聯的插塞部件，所述流動空間形成在 插塞部件中。
7.如權利要求1所述的設備，還包括構造成提供與井眼管材的孔的平行流體連通的節 流元件。
8.如權利要求1所述的設備，還包括在流動空間的上遊設置的過濾元件。
9.一種用於控制流體從地層流入到井眼管材內的系統，其包括(a)沿井眼管材的一段設置的多個流入控制裝置，備流入控制裝置包括在地層與井眼 管材的流動孔之間的流動路徑中設置的可滲透介質，以控制流動特性。
10.如權利要求9所述的系統，其中，流動特性可以是⑴壓力、(ii)流量和(iii)流 體組分其中之一。
11.如權利要求9所述的系統，其中，各可滲透介質的孔隙度構造成沿著該段井眼管材 產生基本上均勻的流動特性。
12.如權利要求9所述的系統，還包括在多個流入控制裝置中的至少一個的上遊設置 的過濾元件。
13.如權利要求9所述的系統，其中，可滲透介質包括多個構造成當設置在流動空間中 時其間具有孔隙空間的基本上獨立的元件。
14.如權利要求9所述的系統，其中，可滲透介質包括具有孔的基本上固態的部件。
15.一種用於控制流體從地層流入到井眼管材內的方法，其包括(a)經由一流動空間提供在地層與井眼管材的孔之間的流體連通；和(b)在流動空間中設置可滲透介質，所述可滲透介質具有構造成在可滲透介質上引起 預定壓差的孔隙度。
16.如權利要求15所述的方法，其中，可滲透介質包括多個構造成當設置在流動空間 中時其間具有孔隙空間的基本上獨立的元件。
17.如權利要求15所述的方法，其中，可滲透介質包括具有孔的基本上固態的部件。
18.如權利要求15所述的方法，還包括在流動空間的上遊設置過濾元件。
19.如權利要求15所述的方法，還包括在流動空間中設置有閉塞體，所述閉塞體構造 成在暴露於預設情況時分解。
20.如權利要求15所述的方法，其中，流動空間形成在與外殼相關聯的插塞部件中。
全文摘要
一種流入控制裝置，其利用位於流動空間中的可滲透介質控制流體流入井眼管材中。可滲透介質在流動空間中引起一預定壓差。可滲透介質可以包括具有孔隙空間的獨立元件和/或固態多孔部件。在多種配置中，可以在流動空間的上遊設置過濾元件。在多種配置中，流動空間可以形成在與外殼相關聯的插塞部件中。在某些實施例中，外殼中的節流元件例如止回閥，可以提供與井眼管材的孔的平行流體連通。另外，可以在流動空間中設置一閉塞體，其構造成在暴露於預設情況時分解。閉塞體臨時密封流動空間，這樣可以使管材的孔增壓。
文檔編號E21B43/00GK101828002SQ200880112208
公開日2010年9月8日 申請日期2008年10月15日 優先權日2007年10月19日
發明者M·H·詹森, S·L·高德特 申請人:貝克休斯公司