多層、一次起下作業的完井系統及其使用方法

2023-05-31 18:43:16

專利名稱：多層、一次起下作業的完井系統及其使用方法
技術領域：
此處所描述的發明總體上涉及烴完井系統(hydrocarbon well completion system),更具體地涉及一種用於在一次起下作業中完成多個 生產層的系統。
背景技術：
與完成例如水下井的地下烴井相關的最大成本之一是從井眼移除工 具或其他鑽井設備所花費的時間。根據井深，起下作業時間可能佔據了 完井成本的絕大部分。對於有多個生產層的井來講，如果每個層都必須 與其他層分離地完成，則起下作業時間倍增。因此，期望減少在多層井 中完成兩個或更多個生產層所必需的起下作業次數。
美國專利No.6，464，006題為"Single Trip, Multiple Zone Isolation, Well Fracturing System",並公開了一種用於"利用一次井下起下作業(downhole trip)在單個井眼中完成多個生產層"的設備和方法。
美國專利No.4，401,158題為"One Trip Multi-Zone Gravel Packing Apparatus",並公開了一種用於"在地下井內礫石充填多個層......由此可
通過連續移動儀器來礫石充填每個連續層"的設備和方法。
此處公開和教導的發明旨在用於在一次起下作業中在地下井中完成 一個或更多個生產層的改進的系統和方法。

發明內容
發明的一種實現提供了一種在一次井下起下作業中用改進的完井系 統完成兩個或更多個生產層的方法，該方法可以包括以下步驟組裝多 個生產層裝置，使得每個裝置都包括具有至少一個生產篩管閥的生產篩 管裝置。通過生產油管將這些生產層裝置下入井中。在最下部生產層裝置中定位一完井工具裝置，其中該工具裝置可具有解除(deactivated)的 打開工具(openingtool),該打開工具在經過最後一個生產篩管閥的下面 之後被啟動。將包括坐封工具(setting tool)的生產封隔器裝置組裝到生 產層裝置上以形成完井裝置。將完井裝置和工具裝置下入由沉砂封隔器 創建的位置。使該工具裝置在生產層裝置內循環，以將該完井系統轉位 (index)到地層處理狀況，並且處理該生產層。
發明的另一種實現提供了一種一次起下作業完井系統，該系統可以 包括包括多個生產層裝置的完井裝置，這多個生產層裝置與井中的地 層相對應；適於在該完井裝置內操作的完井工具裝置；自動完井系統定 位裝置，其可在生產裝置與該工具系統之間操作以使該完井系統在多個 作業狀態之間循環；以及工具啟動裝置，其設置在最下部生產層裝置中， 用於啟動該工具系統上的解除打開工具或關閉工具。
本發明的另一方面包括坐封(setting)沉砂封隔器；根據需要對一 層或更多層進行射孔；在鑽臺上對每個生產層裝置和施工工具(service tool)進行組裝和壓力測試；通過工作管柱或生產油管將生產裝置下入並 將該裝置定位在沉砂封隔器上；坐封頂部生產/礫石充填封隔器；如果是 通過工作管柱將生產裝置下入則釋放施工工具，否則下入施工工具；打 開下層繞絲篩管生產套筒並對該系統進行測試；定位壓裂/礫石充填位置 並坐封下層隔離封隔器；打開下層壓裂充填套筒並定位壓裂/礫石充填位 置；壓裂該下層；拉起並顛倒；關閉所有下層套筒；進行用於隔離的壓 力測試；通過打開下層繞絲篩管生產套筒並進行測試來開始下一層完井; 重複完井過程直到完成最後一層；如果需要就將生產密封件下入上生產 封隔器；以及根據需要打開套筒進行生產。


圖1示出了具有與改進的完井系統一起使用的兩個或更多個生產層 裝置的完井裝置的設置。
圖2示出了與改進的完井系統一起使用的施工工具裝置的設置。
圖3示出了與改進的完井系統一起使用的自動定位裝置的截面側視圖。
圖4示出了與圖3的自動定位裝置一起使用的360度轉位循環裝置 的平面圖。
圖5A示出了與改進的完井系統一起使用的第一反向密封系統的截 面側視圖。
圖5B示出了與改進的完井系統一起使用的安全剪切系統的截面側 視圖。
圖6A和6B示出了與改進的完井系統一起使用的施工工具裝置中的 另選轉換組合件(subassembly)和生產層裝置中的地層入口閥的截面側 視圖。
圖7示出了與改進的完井系統一起使用的液壓坐封工具的截面側視圖。
圖8示出了與改進的完井系統一起使用的第二反向密封系統的截面 側視圖。
圖9示出了與改進的完井系統一起使用的與生產層裝置相關聯的循 環閥移位剖面(shiftingprofile)的截面側視圖。
圖IOA示出了與改進的完井系統一起使用的具有與施工工具裝置相 關聯的循環閥的關閉工具裝置的截面側視圖。
圖10B示出了與改進的完井系統一起使用的與施工工具裝置相關聯 的另選關閉工具裝置的截面側視圖。
圖IIA和IIB示出了與改進的完井系統一起使用的與施工工具裝置 相關聯的另選副轉位夾頭(collet)的截面側視圖。
圖11C示出了與改進的完井系統一起使用的與施工工具裝置相關聯 的解除的打開工具的截面側視圖。
圖12示出了與改進的完井系統一起使用的與最下部生產層裝置相 關聯的打開工具啟動裝置的截面側視圖。
圖13示出了與改進的完井系統一起使用的與最下部生產層裝置相 關聯的液壓打開工具啟動裝置的截面側視圖。
圖14示出了與改進的完井系統一起使用的與最下部生產層裝置相關聯的壓力測試裝置和指示夾頭裝置。
圖15示出了與改進的完井系統一起使用的與施工工具裝置相關聯 的另選噴嘴(nosepiece)。
圖16示出了通過生產油管將生產裝置下入井中的本發明實施方式。
圖17示出了處理下生產層時的圖16的實施方式。
圖18示出了處理上生產層時的圖16的實施方式。
圖19示出了從下層進行選擇性生產的圖16的實施方式。
具體實施例方式
上述附圖和下面的具體結構和過程的書面描述並非要對申請人已發 明的範圍或這些發明的保護範圍進行限制。提供附圖和書面描述是為了 教導本領域技術人員實施和使用尋求專利保護的本發明。本領域技術人 員應當理解，出於清楚和便於理解的原因，未描述或示出發明的商業實 現的所有特徵。本領域技術人員也應當理解，結合了本發明的方面的實 際商業實施方式的發展將需要大量的實現特有決定，以實現開發者的商 業實施方式的最終目標。這種實現特有決定可以包括並可能不限於，遵 從系統相關的、業務相關的、政府相關的和其他限制，這些限制可根據 特定實現、位置和隨時間而變化。儘管開發者的努力可能是絕對意義上 複雜而耗時的，但是即便如此，這種努力也將是受益於本公開的本領域 技術人員所採取的例程。此處公開和教導的發明容易得到大量和各種修 改和可選形式。
單數術語的使用並非要限制項目的數量。而且，例如但不限於"頂 部"、"底部"、"左"、"右"、"上"、"下"、"向下"、"向上"、"側"等的相對 術語的使用在此是出於清楚目的而參照附圖使用的，並非要限制落入所 附權利要求的範圍內的發明或實施方式。"井口 (uphole)"通常是指從井 中起出設備的方向。"井下"通常是指與特定井的井口相反的方向。此處 公開和教導的改進的完井系統可用於直井、斜井和/或水平井。
申請人創造了一種用於在一次井下起下作業中完成由井眼橫穿的一 個或更多個含烴地層(生產層)的改進系統。這種改進的完井系統完成了一次井下起下作業中的多個任務並提供了井眼作業，井眼作業例如但 不限於地層壓裂和礫石充填作業、擠壓和循環狀況以及實時環空壓力監 控，所有這些作業均沒有生產層長度限制。這種改進的完井系統可包括 包含兩個或更多個生產層裝置和生產封隔器的完井裝置，以及施工工具 裝置。
這種改進的完井系統可以在泵送作業開始之前進行壓力測試。優選 的是，在例如但不限於壓裂或礫石充填作業的地層處理期間不需要衝管
(washpipe)。在完井、增產和生產作業期間提供確切的、選擇性的生產 層隔離，並且這種改進的完井系統為各層提供了不同的隔離密封。這種 改進的完井系統提供了一些或所有系統位置或狀況的物理指示，以及可 選的液壓檢驗。
常規的機械套閥可以從一個或更多個選擇的生產層接觸產烴。此外， 多層生產控制系統可以與所述改進的完井系統結合以能夠進行在一次井 下起下作業中完成的兩層或更多層的非混合生產，所述多層生產控制系 統例如但不限於，共同所有的美國專利No.6,397，949 、美國專利 No.6,722,440以及待審的申請序號10/364,941和10/788,833 (此處通過引 用併入上述各申請的全部公開內容)中公開的那些。
通常， 一旦已經建立了井眼並且準備好完井，就可以將常規或專有 的沉砂封隔器下入井眼的預定深度並設置就位。典型地，沉砂封隔器將 用於提供後續鑽井作業的基準點，後續鑽井作業例如但不限於，層射孔 和完井。如果需要，就可以採用常規或專有的射孔作業來順序地或同時 地對由井眼橫穿的一個或更多個目的生產層進行射孔。這種改進的完井 系統對生產層長度或層之間的間距未施加任何限制。如果需要，就可以 使用例如但不限於段塞(pill)的失水控制系統來控制射孔層。 一旦己經 建立了感興趣的生產層，就可以組裝採用本發明的一個或更多個方面的 改進的完井系統。
改進的完井系統可包括完井裝置，該完井裝置可包括底部裝置、兩 個或更多個生產層裝置以及生產封隔器。該完井裝置可被組裝並從鑽臺 吊離。底部裝置可包括用於指示沉砂封隔器的離開位置的指示夾頭裝置；允許進行內部加壓以用於密封測試目的的壓力測試裝置；以及使用
時啟動解除的工具裝置的工具啟動裝置。兩個或更多個生產層裝置可包 括具有內部生產閥的生產篩管裝置，所述內部生產閥例如但不限於，用
於密封和開啟生產篩管口的機械套筒、循環閥關閉剖面、地層入口閥裝 置、密封系統、隔離封隔器裝置以及自動系統定位器裝置。該底部裝置 可連接到第一或下生產層裝置，上述兩者都可從鑽臺吊離並且在組裝期 間進行壓力測試。
通常，如果使用的話，各連續生產層裝置都可包括與第一或下生產 層裝置基本相同的部件，或者按照井和生產層的細節的需要，連續生產 層裝置可包括與第一生產層裝置或其他生產層裝置不同的部件。優選的 是，各生產層都包括優選地具有整體生產滑動套筒的隔離礫石充填篩管、 用於放置砂或支撐劑的壓裂充填/礫石充填套筒、密封系統、自動系統定 位裝置以及隔離封隔器。隨著每個連續生產層裝置被組裝，將完井系統 從鑽臺吊離並且進行用於密封性的壓力測試。例如但不限於生產閥的所 有系統閥都可以並且優選地被下入關閉位置，以提供確切的預處理層位 隔離。 一旦期望數量的生產層裝置被組裝並從鑽臺吊離，就可以在最下 部篩管層段之下安裝單個礫石充填施工工具並且通過同心內工作管柱連 接到頂部生產封隔器之上的主工作管柱。另選的是，可通過生產油管將 裝置下入井中，之後可將工作管柱/施工工具安裝在最下部篩管層段之下。 在任何情況下，都可在一次起下作業中將整個裝置下入井眼中。
與這種改進的完井系統一起使用的施工工具裝置可包括噴嘴、打開 工具裝置、副轉位夾頭裝置、包括循環閥的關閉工具裝置、具有硬化密 封面和主轉位肩的轉換裝置、自動系統定位剖面以及液壓坐封工具。對 於利用生產閥的典型向下開口的慣例的完井裝置而言，優選地將打開工 具裝置定位在關閉工具的遠處。施工工具裝置可包括諸如管子接頭的硬 化密封面，該硬化密封面與各生產層裝置中的密封系統協作，為要完井 的各層提供確切的密封系統。
在一些實施方式中，在改進的完井系統的最終組裝之前，可將施工 工具裝置下入完井裝置中，並定位成，使打開工具(如需要的話，和/或關閉工具)定位在第一或最下部生產層裝置中的最下部生產套筒之下。 一旦工具裝置被定位在最下部生產裝置內，就可進行完井系統壓力測試 來驗證整個系統的密封性，包括驗證所有系統閥都被關閉。為了確保通 過生產層裝置將施工工具裝置下入的操作沒有不經意地打開一個或更多 個向下開口的閥，可以例如在下入期間將打開工具初始地解除。在優選 實施方式中， 一旦施工工具裝置與完井裝置相對定位，就可通過液壓來 啟動打開工具。另選的是，將施工工具與完井裝置相對定位的操作可機 械地啟動該打開工具。如果需要，可提供用於驗證打開工具已被啟動的 設備，該設備例如但不限於假機械套筒。在完成了壓力密封測試之後， 可通過例如但不限於使用工具裝置的噴嘴移除密封設備來解除最下部裝 置中的壓力測試裝置。
可通過工作管柱或生產油管將改進的完井系統(例如，包括兩個或 更多個生產層裝置和施工工具裝置)下入井眼中，並將其相對於沉砂封
隔器或其他井眼假象(artifact)適當定位。在優選實施方式中，最下部生 產層裝置包括例如但不限於指示夾頭裝置的位置指示系統。例如， 一旦 確信將改進的完井系統相對於沉砂封隔器正確地定位，指示系統就可通 過例如但不限於重複的提升或"卡合通過(snap through)"負載來提供確 切的移位識別。 一旦在位置指示系統的幫助下或在無需位置指示系統幫 助的情況下將改進的完井系統正確地定位，就可根據生產封隔器的設計 來坐封生產封隔器。例如，生產封隔器可包括BJ Services CompSet II HP 封隔器，其可通過例如將球或其他加壓設備下降到完井系統中並對該設
備加壓來液壓地坐封。該加壓過程可用於啟動液壓坐封工具以對封隔器 進行坐封，並且隨後從完井裝置(例如，生產封隔器)釋放施工工具裝 置和工作管柱。
在這種實施方式中， 一旦將施工工具裝置與完井裝置分離，就可將 用來啟動坐封工具的任意阻壓設備禁能。在CompSetIIHP生產封隔器的 情況下，對球的額外加壓會使球從坐封工具啟動位置移開，同時露出施 工工具裝置中的轉向口並將球限制在不期望的向上行程中。另選的是， 球可包括聚合物玻璃填充輕質球，該球可與系統反向行進，從而不再需要用於固定和保持坐封球的"捕鼠器"。
另選的是，當通過生產油管而不是工作管柱將生產裝置下入時，可
從BJ服務公司獲得的TIP-PT封隔器適於與本發明一起使用。
不管是通過工作管柱還是生產油管將生產裝置下入，施工工具裝置 都可相對於完井裝置移動以將打開工具定位在生產閥之上，所述生產閥 例如但不限於第一或最下部生產層裝置中的向下打開的生產套筒。 一旦 打開工具被定位在生產閥之上，施工工具裝置的向下移動就會使打開工 具與生產閥上的相應打開剖面接合，並通過例如但不限於移動生產套筒 來打開相關聯的生產口。可通過沿井眼向下泵送併到達地層來液壓地驗 證生產口的打開。
施工工具裝置也可移動到與最下部生產層的隔離封隔器裝置相鄰的 位置，以將生產裝置的密封件與工具裝置的硬化密封面接合。 一旦密封 面或管子接頭處於密封設置，就可通過例如但不限於對工作管柱向下施 壓來坐封隔離封隔器。 一旦建立了最下部隔離封隔器的壓力密封，就可 重新定位工具裝置以使打開工具處於打開生產層裝置的地層入口閥或壓 裂閥的位置(例如，位於其之上)。可將施工工具裝置重新定位以打開地 層入口閥並定位工具裝置以進行井處理作業。在優選實施方式中，各生 產層裝置都包括自動定位裝置或"自動定位器"，其可通過施工工具裝置 在例如但不限於"下入"、"下坐"和"拉起"的多個完井系統狀況之間進行循 環。
在優選實施方式中， 一旦施工工具裝置將自動定位器循環到"下坐" 或壓裂狀況，下坐重量就可作用在完井系統上以在泵送處理期間保持施 工工具裝置與完井裝置之間的相對位置(例如，保持口對準)。這種改進 的完井系統還可提供在泵送作業期間通過環空而監控的實時泵送壓力。 通過僅僅重新定位井工具裝置就可以在泵送作業期間的任何時間將完井 系統設置在擠壓位置上。
可通過沿工作管柱向下泵送併到達與生產篩管裝置相鄰的環空中來 進行地層壓裂和/或礫石充填作業。 一旦完成該處理，就可以通過相對於 生產層裝置中的反向密封件來定位轉換裝置，將施工工具裝置重新定位在反向位置。通過沿工具裝置環空向下泵送並通過工作管柱返回，可將 來自礫石充填處理的碎屑排出完井系統。排出過程中產生的壓力將不會 影響正在完成的層之上的地層，因為所述上層被完全隔離並且它們的生 產口是關閉的。再次重新定位工具裝置，以使工具裝置的端部位於地層 入口密封件之上以清除任何殘留的碎屑。之後可監控地層的壓力升高或 降低。
可重新定位工具裝置，以使關閉工具位於最下部打開的生產閥的遠 處或之下。工具裝置貫穿該層的向上移動使得關閉工具上的關閉剖面與 生產閥(例如，生產套筒)上的相應剖面接合，並且使所有的生產閥密 封或關閉它們相關聯的生產口，從而將完成的層隔離。可通過表面加壓 來驗證層隔離。
隨後可將施工工具裝置重新定位在剛完成的層之上的層中。可將打 開工具定位在該層中的生產套筒的上面或近端。可對各連續生產層重複 上述過程。 一旦完成了所有生產層，就可從井眼中移除施工工具裝置和 工作管柱，從而留下完成的、充分隔離的多層井。可通過機械地打開採 用鋼絲繩、連續油管或其他常規或專有方法的期望生產閥來實現從任何 層生產烴。可通過打開多層中的生產閥來實現多層的混合生產。完井系 統的優選實施方式考慮了具有四、五、六或更多的不同生產套筒剖面的 選擇性剖面系統以用於選擇性層生產。例如，施工工具裝置上的特定剖 面可打開和/或關閉完井裝置中的閥。與連續油管工具和/或鋼絲繩工具相 關聯的其他特定剖面可用於選擇性地打開和/或關閉這種閥。而且，在與 例如但不限於上述引用的共有系統中的智能或無需幹涉的生產控制系統 相連接時，該改進的完井系統可從多個層同時進行非混合生產，而無需 機械幹涉或機械和液壓幹涉的組合。
利用本發明的一個或更多個方面的改進的完井系統可減少或消除對 下入和/或收回封隔器塞和/或礫石充填裝置的需要，並且可消除多個射孔 操作。利用該改進的完井系統而公開和教導的本發明的一個或更多個方 面可實現鑽井時間和金錢以及負責的地層管理方面的顯著節省。
圖1示出了與併入有此處公開的一個或更多個本發明的改進的完井系統一起使用的完井裝置100的許多實施方式之一。完井裝置100的最 上部可以包括生產封隔器裝置102。優選的封隔器裝置是由德州休斯頓市 的BJ服務公司提供的CompSet II HP封隔器或TIP-PT封隔器。還給出了 一個或更多個生產層裝置108的第一個生產層裝置。
生產層裝置108可包括自動定位裝置106，用於將完井系統確切地 定位在其幾種狀況下，所述狀況例如但不限於，"壓裂/下坐"位置、"拉起" 位置以及"下入"位置。自動定位裝置或"自動定位器"106優選地包括位於 自動定位器106之上、並與套管或井眼接合以避免或減少在自動定位器 106中收集的碎屑量的碎屑阻擋層，所述碎屑阻擋層例如但不限於模製橡 膠皮碗。此外，可以在生產封隔器裝置102和最頂部的生產層裝置108 之間插設快速接頭，從而完井裝置100在工具裝置200被置於其中之後 不必旋轉。而且，優選地在每個生產層裝置108中放置剪切安全接頭109 (例如圖5B)，以防止完井系統被卡住。可以採用機械剪切安全接頭或 液壓動力安全接頭。優選地將安全接頭定位在第一密封系統110之上， 自動定位器106之下。還可以在每個生產層裝置中設置傳動槽(running groove)以便於將這些裝置從鑽臺上吊離。
提供第一密封系統100來密封施工工具裝置(圖2)的所選部分。 可提供隔離封隔器裝置112來隔離感興趣的生產層。可以在生產層裝置 108中形成地層入口閥裝置114或壓裂充填窗口，來控制生產層裝置108 內部與裝置外部(或環空，未示出)之間的流體連通。提供第二密封系 統116，使得地層入口閥裝置114被設置在第一密封系統110與第二密封 系統116之間。優選的密封系統包括此處描述的反向模製密封件。可提 供循環閥關閉剖面118，以便例如當完井系統從壓裂作業狀況位置循環到 反循環位置時，關閉完井工具裝置中的循環閥。最後，可提供包括一個 或更多個生產篩管(未示出)和相關生產篩管閥(未示出)的生產篩管 裝置120，所述相關生產篩管閥例如但不限於機械套筒。
第一或下生產層裝置108a上連接有底部裝置104。底部裝置104可 包括打開工具啟動裝置122，用於在該工具或這些工具被解除時啟動施工 工具裝置上的打開工具和/或關閉工具。啟動裝置還可提供用於定位施工工具裝置(圖2)的正擋止(positive stop)。可提供壓力測試裝置124以 便於完井裝置100的預安裝壓力測試。最後，可提供指示夾頭裝置125 和轉位斜口管鞋126來完成完井裝置100。在一些實施方式中，可通過實 際生產油管將完井裝置100下入井中。另選的是，如下面所述，可通過 工作管柱/施工工具裝置來下入完井裝置100。
圖2是可與圖1的完井裝置100 —起使用的施工工具裝置200的圖 示。施工工具裝置200可包括常規或專有的液壓坐封工具208以及自動 定位剖面210，自動定位剖面210被構造成與完井裝置100中的自動定位 裝置106界面連接。應當理解，如果通過生產油管來下入完井裝置100， 則可省略坐封工具208。可以提供包括位於轉向口之上和之下的例如氮化 管子接頭209、 213的密封面的轉換裝置212，以便於從工具裝置200的 內部到外部的流體連通，並且對每個生產層裝置108a、 108b等中的完井 裝置密封系統110、 116進行密封。最頂部密封面的上端可包括用於與自 動定位裝置106相互作用的主轉位肩。包括循環閥216的關閉工具裝置 214可以被設置為具有用於接合和關閉完井裝置100中的各種閥上的相應 結構的一種或更多種結構或剖面。循環閥216可控制沿工具裝置200的 內部的流體連通。可提供副轉位夾頭218以在特定條件下啟動自動定位 裝置("自動定位器")106。打開工具裝置220被設置為具有用於接合和 打開完井裝置100中的各種閥上的相應結構的一種或更多種結構或剖面。 打開工具裝置220優選地在初始下入時是解除的，隨後一旦工具裝置200 位於完井裝置100內的合適位置就通過打開工具啟動裝置122而啟動。 最後，噴嘴222可完成施工工具裝置200。
現在轉到改進的完井系統的實施方式和優選實施方式的更詳細描 述，圖3示出了可與本發明的改進的完井系統一起使用的自動系統定位 裝置106或"自動定位器"的優選形式的截面側視圖。自動定位器106包 括外殼150和內套152。外殼和內套適於彼此相對滑動，並且其間的界面 包括轉位循環154和隨動件(follower) 156。隨動件156部分地容納在 軸承158內，以便於內套152和外殼150之間的滑動接觸(軸向的和周 向)，軸承158優選是青銅軸承。圖4中更詳細地描述了轉位循環154。
14在圖3所示的自動定位器的特定實施方式中，內套152的一部分包 括多個夾頭爪指170，優選為8個。各爪指170的大約中間長度處是適於 與施工工具裝置200上的自動定位器剖面210界面連接的自動定位器剖 面或槽176。槽176優選地形成在與各夾頭爪指170連接的嵌件(insert) 178中。爪指170和自動定位器剖面210、 176優選地被設計為需要通過 沿井口方向的約12千磅負載的卡合。由於相對較高的通過負載，優選的 是嵌件178由鈹銅合金製成以提供較高的抗磨損特性。適用於嵌件178 的一種這樣的合金是CDA 172合金(ASTMB196)。也可以使用提供合 適的抗磨損性和強度的其他材料體系。
內套152的近端處具有包括多個爪指的浮動擋止夾頭160，所述多 個爪指固定在肩與擋圈151之間的合適位置。優選的是，擋圈151由例 如青銅的軸承材料製成。擋圈優選地包括碎屑護板以減小碎屑堵塞擋止 夾頭裝置160的風險。各個爪指都有對應於外殼150中的一個或更多個 槽的剖面162。優選地，外殼150具有與可放置完井系統的各種位置或狀 況相對應的多個擋止槽。例如，擋止槽164可對應於"下入"狀況，槽166 可對應於"拉起"狀況，而槽168可對應於"壓裂或下坐"狀況。擋止夾頭 160和槽可被設計為通過約1千磅負載而卡合。
如圖3所示，自動定位器106處於"下入"狀況(即，擋止剖面162 與槽164接合)。當工具裝置200已與自動定位器106接合時(即，當剖 面172與槽176接合時)，根據轉位循環154的狀態，需要約l千磅的負 載將完井系統IOO (或更精確地說是特定生產層裝置108)轉換到"拉起" 或"下坐"狀況。也需要相同的1千磅負載使其返回到"下入"狀況。如圖3 所示，當自動定位器106處於下入或拉起狀況時，夾頭裝置170能夠偏 轉到凹部182中以使施工工具裝置200卡合通過。使工具裝置200沿井 口方向通過自動定位器106需要約13千磅的負載。自動定位器106處於 下坐或壓裂狀況，夾頭170相對於外殼150向井下移位，而夾頭表面171 將與外殼表面173相鄰。在該狀況下，不存在夾頭能擴展到的凹部，並 且施工工具裝置不能沿任意方向卡合通過自動定位器。在下坐或壓裂狀 況下，下坐重量由自動定位器剖面210、 176和下坐肩186來承擔。優選的是，在下坐狀況下，夾頭爪指170總處於拉緊狀態以避免扣住夾頭170。 優選的是，自動定位器裝置106還包括例如套筒的閉鎖機構。閉鎖 套筒180具有關閉工具剖面181、 182，從而完井工具裝置200上的關閉 工具214可與閉鎖套筒180接合以使其相對於夾頭裝置170移動。當關 閉工具裝置214與剖面181接合時，閉鎖機構180可向井口移動並且使 夾頭裝置170向外偏轉。因此，軸承嵌件178和剖面176被移開並移入 凹部182中。
圖4是自動定位器106的優選轉位循環154的展開圖。圖4中示出 了一個完整的循環，並且應當理解轉位循環154可以是連續循環。轉位 循環154包括工程軌188，隨動件156被約束沿著該工程軌行進。雖然隨 動件156在圖4中被示為處於沿著軌的多個位置，但是應當理解，隨動 件156在任意時間點上僅位於沿著軌188的一個位置上。例如，當完井 工具裝置200接合在自動定位器106中時(例如圖3所示)，工作管柱的 井下移動將使完井系統進入"壓裂/下坐"狀況，並且擋止環160將與擋止 槽168接合。隨後，工具裝置200的井口移動將使完井系統進入"拉起" 狀況。隨動件156可包括容納在(carried in)青銅軸承158中的環，隨動 件156可以在該環中旋轉。在優選實施方式中，隨動件156在下坐或拉 起狀況中未被負載，而在下入狀況中可以被負載。
在圖3和4所描述的實施方式中，自動定位器與完井裝置相關聯， 而自動定位器剖面與施工工具裝置相關聯。本領域技術人員應當理解， 這種關聯對於較小直徑的完井系統可能是優選的。較大直徑的完井系統 可允許這種關聯顛倒。換句話說，此處公開的發明也考慮了這樣的情況， 即，自動定位器剖面可與完井裝置相關聯，而自動定位器可與施工工具 裝置相關聯。
圖5A大體示出了與隔離封隔器裝置112相鄰定位的第一密封系統 110。在優選實施方式中，第一密封系統位於封隔器坐封口之上。第一密 封系統110的密封件190優選地是金屬託架194上的模製合成橡膠密封 件192，儘管也可以使用例如但不限於PTFE、 PEEK和/或PEKK的其他 密封技術。密封系統190可被描述為"反向的"，因為密封面192暴露在生產層裝置108的內部。如圖5A所示，可通過擋板198 (可以是安全接 頭的一部分)將3個密封環的堆疊固定在密封凹部196中。密封系統190 適於與工具裝置200的一部分密封接合，工具裝置200的一部分例如但 不限於管子接頭230或其他密封面。應當理解，每個生產層裝置108優 選地均具有第一密封系統100。
圖5A還示出了隔離封隔器112滑移(slip)系統75，用以避免或減 少在壓裂或其他泵送作業期間封隔器的井口移動。滑移系統75優選地由 壓裂返回來啟動，壓裂返回使單獨的滑塊76、 78與套管或井眼(未示出) 夾緊地接合。這種啟動可以被鎖定，從而在啟動壓力被釋放之後滑塊繼 續夾緊接合，或者更優選地， 一旦啟動壓力解除滑塊就可與套管分離。 例如圖5A所描述的隔離封隔器滑移系統75可避免位於隔離封隔器(未 示出)之下的安全接頭或其他裝置由於系統的壓裂壓力所引起的移動而
被剪切。滑移系統還避免了例如相鄰層的生產篩管裝置的裝置從封隔器 向井口方向被扣住。
圖5B示出了可與完井系統一起使用的優選剪切安全系統。圖5B所 示的剪切安全系統600包括第一和第二主體部分602、 604。這些主體部 分同心地對準，並且通過承載系統606和剪切系統608連接在一起。承 載系統可包括位於第一和第二主體部分602、 604之間的多個擋塊(dog) 或鍵610。套筒或活塞612位於安全系統600的外徑表面上，並且優選地 剪切銷釘式614安裝到第一和/或第二主體部分上，從而如圖5B所示， 套筒將擋塊610推入到承載裝置中。剪切系統608可包括位於第一和第 二主體部分602、 604之間的多個剪切銷釘。
剪切安全系統的優選實施方式被設計為在下入作業期間承擔約 250,000磅(如圖5B所示)。為了啟動安全系統600，例如當完井系統100 被設置為與沉砂封隔器相鄰時，向安全系統600施加液壓，從而套筒612 沿軸向(例如，向井下)移動以露出或釋放擋塊610。應當理解，當擋塊 610未被套筒612約束時，其偏置到非承載方位。 一旦擋塊被釋放，安全 系統600的承載能力就由剪切系統608來決定。剪切系統608的優選實 施方式包括多個單獨的剪切銷釘607和609，它們被設計為在啟動安全系統600之後承擔約IOO，OOO磅。
申請人更希望每個生產層裝置108都包含剪切安全系統600。安全 系統600的優選位置是在第一密封系統110和自動定位器106之間。每
個生產層裝置均可具有被設計成與系統設計所要求或期望的相同或不同 的剪切負載的剪切安全系統600。因而，圖5B示出了反向密封件190形 式的第一密封系統110。安全系統600還可包括可擴展碎屑阻擋層620。 在圖5B所示的實施方式中，當啟動套筒612並釋放擋塊610時，套筒 612壓縮碎屑阻擋層620並使其徑向地和/或周向擴展，並且優選地接觸 套管。碎屑阻擋層620的優選實施方式包括ANSI 316不鏽鋼絲，如本領 域所公知的，ANSI 316不鏽鋼絲被"鳥巢式相互套疊"或編織為約50%的 密度。在圖5B所示的實施方式中，四(4)個具有斜面的碎屑環622、 624、 626、 628在主體周圍被組裝到碎屑阻擋層620上。
圖6A示出了生產層裝置108中的地層入口閥裝置114或壓裂窗口以 及施工工具裝置200中的轉換裝置212。工具裝置200包括具有透壁口 242的轉換裝置212，使液體能夠從工具裝置200的內表面連通到工具裝 置的外表面。在優選實施方式中，透壁口沿井下方向以相對於工具中心 線呈約45度至150度之間的角，更優選地約120度的角形成。轉換裝置 212還包括具有與口 242相鄰的座面246的內套筒244。在優選實施方式 中，密封面246適於對與座246接合的球或其他基本球形物體進行密封。 圖6A示出了位於座246上適當位置的球248。與常規技術一樣，這種球 /座密封裝置可用於啟動坐封工具208並坐封生產封隔器102。位於座246 之下的是循環口 250，該循環口 250使得能夠在下入期間從工具裝置200 的環空循環到施工工具裝置200的內導管。
內套筒244可相對於工具裝置200滑動，並且通過具有約4，500psi 總剪切強度的剪切銷釘系統240被固定在圖6A所示的位置上，所述總剪 切強度應當大於在封隔器坐封和工作管柱分離期間產生的負載。通過彈 簧或其他設備(未示出)使套筒244偏離開口 242，優選地沿井下方向偏 離。 一旦銷釘系統240被剪切，包括座246和球248的套筒244就從口 242移開。套筒244還可包括在阻壓設備248上延伸的多個爪指243。爪指243具有凸輪面，從而當套筒244向下移動以打開轉換口 242時，這 些爪指被向內凸輪傳動以將例如球248的阻壓設備限制在合適位置。期 望在後續鑽井作業期間，球或其他設備248不能從其與座246相鄰的位 置移開。應當理解，在銷釘系統被剪切之後，例如彈簧的偏置元件將套 筒244保持在縮回位置，因此球248被限制在套筒中。因為當爪指243 經過口 242時球可以從座移到例如轉換口 242中，所以優選的是至少一 個爪指總是向內偏轉以將球限制在座的附近。而且，優選的是套筒244 包括例如模製肋狀密封件的碎屑環245，以避免碎屑堵塞套筒244的作業。
另選地並且優選地，如圖6B所示，轉換裝置212不包括套筒244， 並且口 242總是暴露了其內表面。因而，不存在座246並且不需要向阻 壓設備248施加壓力。如上所述，可將輕質球下落到系統和相對靠近生 產封隔器102的結構上的座中。對該球加壓可用於坐封生產封隔器102， 隨後可將輕質球反向移出系統。
更進一步地，圖7示出了用於利用與圖6B所示類似的轉換裝置來坐 封生產封隔器102的液壓坐封工具。液壓坐封工具700包括單向流導管 702。流導管702包括偏置到如圖7a和7b所示的無流狀況(例如，井口 流)的套筒704。套筒704上的密封面706與密封件708相互作用以基本 上密封流動路徑702。當從流向(例如，井下流)對套筒704加壓時，克 服了偏置力704，並且套筒軸向移動從而露出或打開了流動路徑702。當 壓力減小到低於偏置力時，單向閥關閉。應當理解，液壓坐封工具的這 個特徵便於洗井作業。
返回到圖6A和6B，在優選實施方式中，轉換裝置212的一部分包 括位於轉換口 242之上和之下的例如但不限於氮化管子接頭247、 249的 硬化密封面。這些管子接口 247、 249與第一和第二密封系統110、 116 界面連接以用於泵送和其他鑽井作業的高壓密封。在上管子接頭247的 遠端，可形成主備用自動定位器肩(未示出)，以便在自動定位器剖面210 不在合適位置時啟動自動定位器106。
對於生產層裝置108，還示出了地層入口閥裝置260或壓裂窗口。 地層入口閥裝置260包括透壁流動口 262和滑動密封套筒264。該滑動套筒具有位於近端附近的關閉剖面266和位於遠端附近的打開剖面(未示 出)。提供合適的密封件，從而當套筒264的主體阻擋了口 262時，對口 262進行密封以防止液體流動。口 262優選地相對於轉換口 242延長，從 而如果施工工具200上的自動定位器剖面210未接合在嵌件178 (即，槽 176)中而是位於嵌件178的頂部上，則在轉換口 242和壓裂口 262之間 仍實現液體連通。
圖6A和6B示出了"下入"狀況的完井系統，其中工具口 242未與充 填口 262對準，並且滑動套筒264己對充填口 262進行了密封。在"壓裂 /下坐"狀況下，應當理解，口 242和262基本對準並且滑動套筒264不再 對口 262進行密封。
圖8示出了遠離地層入口閥裝置260定位的生產層裝置180上的第 二密封系統270。在優選實施方式中，第二密封系統270與第一密封系統 190基本相同。密封件270優選地是金屬託架274上的模製合成橡膠密封 件272，儘管也可以使用例如但不限於PTFE、 PEEK禾B/或PEKK的其他 密封技術。密封系統270可被描述為"反向的"，因為密封面272暴露在 生產層裝置108的內部。如圖8所示，通過擋板278將3個密封環的堆 疊固定在密封凹部276中。密封系統270適於與工具裝置200的一部分 密封地接合，工具裝置200的一部分例如但不限於管子接頭。應當理解， 每個生產層裝置108優選地均具有第二密封系統270。
圖9示出了可併入到根據本發明的生產層裝置108中的循環工具變 換剖面280。指示剖面280具有關閉剖面282，當完井系統從"壓裂/下坐" 位置變化到相反狀況時，關閉剖面282關閉施工工具裝置200中的循環 閥216。
圖10A示出了包括關閉工具290的施工工具裝置200的一部分。關 閉工具290包括在工具裝置200的外部周圍間隔設置的多個夾頭爪指 292，優選的是6至8個夾頭爪指。夾頭爪指292具有位於大約中間長度 的關閉剖面294，其適於與例如但不限於套筒覆蓋口上的生產篩管閥上的 相應結構接合，從而在需要時關閉該閥。關閉工具290還包括制動器296， 該制動器在優選實施方式中需要約2千磅負載來使制動器沿井下方向移位，並且需要約6001bf負載來使制動器沿井口方向移位。圖10A還示出 了下行肩298和拉起肩300。
圖10B示出了關閉工具2卯的另選實施方式。圖IOB所示的實施方 式包括優選地由例如但不限於前述的鈹銅合金的具有較高抗磨損特性的 材料製成的剖面嵌件295。可以通過例如螺紋緊固件將嵌件295物理緊固 到夾頭爪指292上。另外並且優選地，整個夾頭爪指/關閉剖面裝置可由 抗磨損材料製成。下面公開的開關工具剖面也將受益於抗磨損嵌件和/或 由抗磨損材料製成的整個夾頭爪指/打開剖面裝置。
圖IOA還示出了具有流動口 304和306的循環閥302。在圖IOA所 示的"下入"位置中，循環閥302使得液體從閥下面開始，經過口 306，連 通到環空308，經過口 304，再回到工具裝置200內部。密封件314可將 環空308密封到工具裝置200。循環閥302還包括排出路徑310和排出口 312，以便在工具管柱上移關閉閥時避免形成液壓鎖定。應當理解，碎屑 可能積累在排出路徑310和排出口 312外面的環形區域中。工具設計者 應當理解，將口 312設置在足夠高的位置而不被碎屑阻擋是有益的。關 閉工具292相對於循環閥302沿向下方向的移動(即，向井口移動工具 管柱)關閉了口 304從而限制流過閥302。在優選實施方式中，關閉工具 剖面是選擇性的，因為其不與自動定位器106接合或相互作用。
圖11A示出了副備用自動定位器夾頭裝置320。與參照圖6A和6B 描述的主備用自動定位器肩相似，副備用自動定位器夾頭320可被提供 作為改進的完井系統的便利措施。例如，如果在"壓裂/下坐"狀況下工具 裝置200被拉到自動定位器106上，則主備用自動定位器肩或副備用自 動定位器夾頭320可使操作者將轉位系統154循環回到"下入"狀況。而 且，在例如但不限於壓裂或礫石充填處理的井處理之後，完井工具裝置 200，特別是關閉工具292可以被自動定位器106抬起，並且與自動定位 器閉鎖套筒180，特別是剖面181相接合。如上所述，閉鎖套筒180將自 動定位器軸承178移開並移動到凹部182中。如果關閉工具292未能接 合併啟動閉鎖套筒180，則副備用自動定位器夾頭320會在夾頭320遇到 軸承178時通過登記約5千磅的卡合通過負載(snap through load)來指
21示這一事件。
圖11B示出了副備用自動定位器夾頭裝置320的優選實施方式。最 左側的圖示出了"拉起"位置中的裝置320;中間圖示出了"下入"狀況下的 裝置320;而最右側的圖示出了剪切後狀況下的裝置320。在"下入"狀況， 夾頭未被備用321支撐並且能夠偏轉開。當系統處於"拉起"狀況時，夾 頭320備用且不能偏轉開。備用夾頭320將承擔由肩333的剪切強度所 決定的負載。肩333可以是剪切螺釘、剪切環或類似系統的組。在優選 實施方式中，備用夾頭裝置320可承擔約60ksi。如果碎屑已堵塞了自動 定位器系統106並且需要更多的負載來循環系統，則上述承載能力是有 益的。如果不能通過60ksi的夾頭裝置320來循環自動定位器系統106， 則肩333將剪切鬆弛，並且夾頭320將再次不備用，而以其設計負載自 由偏轉。
圖11A還示出了假滑動套筒340。假套筒340具有打開剖面342，並 且通過具有約3.9千磅的總剪切強度的剪切銷釘344被初始地銷釘安裝到 最下部生產裝置108上。 一旦啟動了打開工具330 (如下所述)，假套筒 340就可用於檢驗是否實際啟動了打開工具330。
圖11C示出了設置在完井工具裝置200上的打開工具裝置330。與 關閉工具292相似，打開工具330包括在工具裝置200的外部周圍間隔 設置的多個夾頭爪指332，優選的是6至8個夾頭爪指。夾頭爪指332具 有位於大約中間長度的打開剖面334，優選的是選擇性剖面，其適於與例 如但不限於套筒覆蓋口上的生產篩管閥上的相應結構接合，從而在需要 時打開該閥。打開工具330在圖IIC中被示為處於"下入"狀況，並且是 解除的。更具體來講，打開工具330連接到噴嘴378並可相對於工具部 分339在止動塊338和336之間滑動。打開剖面334向內銷釘安裝到工 具部分339上。在這種解除狀況下，打開工具330不會與相應剖面接合 而打開閥。在優選實施方式中，打開工具330通過具有約4.6千磅的總剪 切強度的剪切銷釘337而銷釘安裝到工具裝置200上。在下入狀況下， 由肩336而不是剪切銷釘337來承擔負載。
從這種改進的完井系統的概括討論可以回想到，如果期望通過工作管柱來下入，則優選地在完井工具裝置200從鑽臺吊離時，將其下入到 最下部的生產裝置108中。然而，不管何時下入工具裝置200，如果在下 入期間打開工具330不是解除的，則當工具200下降時可打開正常關閉 的生產篩管閥。在各個閥都打開之後，操作者必須反向使用關閉工具292 以重新關閉被打開的閥。因而，按這種方式解除打開工具330省了時間， 進而省了錢。如下所述，當完井工具裝置200與打開工具啟動裝置122 接合，或優選地液壓接合時，可以啟動打開工具330。
圖12示出了與改進的完井系統一起使用的包括打開工具啟動裝置 122的底部裝置104的一部分。啟動裝置可包括具有在近端底座圈354和 遠端底座圈356之間延伸的多個爪指352的止動夾頭裝置350。通過利用 具有例如但不限於約24千磅的高強度的剪切銷釘，近端底座圈可以並優 選地被剪切銷釘式安裝到底部裝置108中的套筒360上。遠端底座圈可 以類似地被剪切銷釘式安裝到生產裝置108上，但優選地是以較低的剪 切強度安裝。例如，在優選實施方式中，以約2.6千磅的剪切強度銷釘安 裝遠端底座圈。在"下入"狀況下，如截面圖的右半部所示，止動夾頭350 通過環槽358而向內偏置。連接有止動夾頭350的套筒360沿向上方向 被彈簧363偏置。通過多個剪切銷釘366將套筒360剪切銷釘式安裝到 環364。環364通過與肩368相互作用來限制套筒360的向上行程量。位 於套筒360的近端的是具有多個突緣(lug) 371的擴展環370。在"下入" 期間，通過凸輪面372將擴展環370向內凸輪傳動到生產裝置108的內 部。
為了將施工工具裝置正確地定位在完井裝置中並啟動打開工具200， 施工工具220下降到完井裝置中，從而噴嘴378接觸突緣371並且將突 緣向下驅動到由肩368形成的凹部中，以使噴嘴通過。施工工具裝置200 繼續向井下下降，直到噴嘴378特別是部分377接觸到止動夾頭突緣351 為止。隨著套筒360相對於生產裝置108向井下移動並壓縮彈簧362，噴 嘴378頂著止動突緣351的進一步向下移動將遠端底座圈356自由剪切， 如圖12的最左側截面圖所示。 一旦止動夾頭350在遠端底座圈356處被 自由剪切，突緣351就移位到凹部353中並且使噴嘴通過止動突緣351。一旦噴嘴378通過止動突緣351，彈簧362就使套筒360向上移動，從而 再次使擴展環370向內凸輪傳動，並且從凹部353取回止動突緣。
施工工具裝置縮回並且噴嘴部分379接觸止動突緣351的底部。進
一步的井口移動使得打開工具裝置相對於工具裝置滑動，並且通過剪切 銷釘337以約4.6千磅來解除打開工具。施工工具裝置的進一步井口移動 使得止動突緣移位到凹部355中並使噴嘴通過。隨後噴嘴接觸環突緣371 的底面。進一步的井口移動使得環以約8千磅來自由剪切。 一旦從環自 由剪切了套筒360，彈簧362就將環突緣317和止動突緣351保持在其各 自的凹部中。
圖12還示出了包括如上所述的反向模製密封件的額外密封系統 390。如果壓力測試裝置未能保持壓力，則這些密封件是有用的。在該情 況下，施工工具裝置200上的最下部管子接頭可下降到與該密封系統接 合，從而對完井系統進行壓力測試。而且，如下所述，這些密封件可用 於液壓啟動打開工具。
圖13示出了利用液壓啟動而不是上述機械啟動的打開工具裝置330 的優選實施方式。對於上述類似的結構使用相同的標號。圖13示出了液 壓啟動之後的打開工具330。應當理解，在"下入"狀況下，如上所述，利 用剪切銷釘337將打開工具330向內銷釘安裝到工具主體339上。為了 啟動裝置300，施工工具上的管子接頭被定位在一組反向密封件中，以便 對裝置300進行加壓。在該特定實施方式中，工具主體包括具有多個球 的座系統500，所述多個球例如六(6)個直徑3/8"的不鏽鋼球軸承502。 球可以固定在工具主體339中，從而球502的一部分延伸到工具主體339 的通道中以形成承載座(load-bearing seat)。與座相鄰的是密封系統540， 例如合成橡膠模製密封系統。密封系統504之上的預定距離處是旁通/阻 擋肩系統506。例如不鏽鋼球的阻壓設備508可以在組裝期間放置在工作 管柱中，從而該阻壓設備可以固定在由球502形成的座與阻擋肩510之 間。應當理解，井下流動會使阻壓設備508與球502相互作用並且對密 封系統504進行密封。井口流動會使阻壓設備508脫離座並與阻擋肩510 相互作用。然而，旁通導管使得可以實現井口液體連通。本領域技術人員應當理解，用於通過與壓力設備508相互作用而啟 動打開工具330的液壓應當小於在生產層裝置中坐封隔離封隔器所需的 壓力，並且小於啟動剪切安全系統(如果使用的話)的壓力。對壓力設 備508的加壓導致打開夾頭330與工具主體399之間的相對移動，從而 剪切銷釘337被解除並且啟動打開工具。在圖13的特定實施方式中，打 開工具330向井下相對移動並露出碎屑口 514，並且被鎖定元件516鎖定 到相對於工具主體339的合適位置。液壓啟動還露出了旁通窗口 514，該 旁通窗口 514協助使沙屑遠離打開夾頭330。
圖14示出了適合與改進的完井系統一起使用的壓力測試裝置400。 測試裝置400包括橫穿完井裝置100內部的阻壓設備402。圖12所示的 阻壓設備402可包括崩壞強度約2000 psi，或者為用於在下入到井之前對 完井系統的壓力密封試驗進行測試的壓力的大約四倍的玻璃盤。壓力測 試裝置400還包括止回閥404。止回閥的優選實施方式包括使液體能夠從 生產裝置108外部的環空連通到測試裝置400的內部的口 406。然而，橡 膠囊408避免測試裝置400中的液體通過口 406連通到外部。隨著生產 裝置在組裝期間從鑽臺吊離，止回閥使井液進入生產裝置中。
圖14還示出了可附接到測試裝置400的遠端的指示夾頭裝置125。 指示夾頭125可包括例如但不限於4個的多個爪指412，並且各爪指上都 可具有指示剖面414。指示剖面414適於通過再入導向器416卡合在沉砂 封隔器的底部上。再入導向器416和指示剖面414適於提供約IO千磅的 卡合通過向上負載，以明確地指示生產裝置被正確地定位在井眼中。
圖15示出了用於施工工具裝置200 (見圖13)的優選噴嘴378。在 圖15所示的實施方式中，噴嘴包括便於使阻壓設備402 (圖14)破裂的 動態負載系統748。動態負載系統可包括具有用於接觸阻壓設備402的例 如碳化的硬化尖頭表面的銷釘750。銷釘750容納在主體內，該主體可使 銷釘軸向移動或擊打(stroke)例如2英寸的預定量。最初，銷釘750被 剪切銷釘式安裝到該主體上。在優選實施方式中，銷釘750被剪切銷釘 752、 754式安裝到約4，000至5,000磅的負載上。應當理解，在期望使阻 壓設備402破裂時，向施工工具裝置施加負載並且銷釘750接觸設備402。如果設備402未立即破裂，則負載將超過剪切銷釘752、 754的剪切強度 並且銷釘750將動態地擊入主體內，導致衝擊負載被分給設備402。如果 設備402仍為破裂，則現在銷釘750備用在主體中並且硬化點可用於向 阻壓設備402施加額外的負載。
回到改進的完井系統的使用和作業的概括討論上， 一旦完井系統被 組裝並進行了壓力測試，並且例如通過用噴嘴378使玻璃盤破碎而使壓 力測試裝置打開，完井系統就可放置在井眼中並且在一次井下下入作業 中順序或隨機地完成每層。
如前所述，本發明的一些實施方式可包括通過實際生產油管下入完 井裝置100。應當理解，在可以消除生產封隔器處的複雜且有時成問題的 控制接口的範圍內，這些實施方式對於控制線路應用是有益的。此外， 通過生產油管下入使得在完井活動的基本所有階段中都能夠實現充分的 井眼隔離。圖16示出了可以隨著裝置從鑽臺800吊離而通過生產油管810 下入的完井裝置100的實施方式。通過生產油管密封裝置820將生產油 管和任何相關的控制線路(未示出)優選可拆卸地連接到生產封隔器102。
圖17示出了在被下入到生產油管810上的井中並相對於沉砂封隔器 840定位之後的圖16的完井裝置100。已經通過例如控制線路啟動對生 產封隔器102進行了坐封。施工工具裝置200被示出為下入到工作管柱 830上的合適位置以例如通過對最下層進行壓裂充填來處理井。地層入口 閥裝置114被示出為處於打開狀況，並且那些口與施工工具200的口對 準。液體流動被示出為從環空進入生產篩管裝置120中。圖18示出了圖 17所示的其中下層已被隔離且上層正在進行處理的系統。圖19示出了對 於圖16—18所示的完井系統的下層的選擇性生產。
應當理解，在例如當在完井系統100中使用一個或更多個控制線路 部件的特定環境下，可能期望通過生產油管而不是工作管柱/施工工具將 生產裝置108的實施方式下入。生產油管下入實現了更容易和更可靠的 控制線路連接，並且有效地消除了生產封隔器處的詳細而複雜的控制線 路連接。而且，這些實施方式有助於使地層暴露時間最小化。應當理解， 整個完井系統100可與控制線路一起作業，從而不再需要用施工工具進行主要作業。如果需要，可以提供利用施工工具的控制線路完井系統的 備用或緊急作業。
返回到併入了公開的發明的方面的各種實施方式的更概括的討論 上，受益於本公開的本領域技術人員將理解，可以從原始施工工具尺寸 分隔而得知原始施工工具位置。例如，對於採用向下開口的套閥設計的 那些實施方式而言，僅打開變換剖面或工具例如可以位於最下面套筒之
下約21至約23英尺處，而關閉剖面可以位於該套筒之下約3至約5英 尺處。打開工具和關閉工具之間的優選距離是18英尺。因而，打開工具 可以位於最下面套筒之下約18英尺加上約3至約5英尺。為了打開套筒， 可以將轉位工具升高到套筒之上的某一位置。轉位工具通過套筒的向下 移動將打開套筒。為了避免套筒關閉，操作者僅需保證關閉轉位工具不 移動到套筒之下。優選的間隔使得在關閉工具到達套筒之前可移動約18 英尺。優選的操作包括將僅打開轉位工具向上升高到套筒之上約3英尺 至約5英尺處，並且將其向下降低到套筒之下約3至約5英尺處以將其 打開。可通過關閉環空並且將油管向下泵送來獲得己打開套閥的液壓驗 證，從而保證與射孔的連通。
可以通過將附接在施工工具的頂部的自動定位器剖面定位在位於隔 離封隔器正上方的自動定位器夾頭中，來找到上礫石充填位置。優選地， 自動定位器夾頭在與自動定位器剖面接合時，提供了例如約15，000至約 20,000 lb的明顯超載提升(overpull)指示。優選的是，通過該裝置移動 施工工具將登記表面上的顯著重量增加是僅有的一點。隨著指示器剖面 與自動定位器夾頭爪指上的相應剖面接合，這種重量增加就會出現。一 旦超過了設計的超載提升值，剖面就會卡合通過並將繼續向上移動。該 工具位置可以，且優選地應當通過將指示點與管形做比較而進行驗證。 一旦剖面被拖過夾頭，向下移動就會使剖面向下推動自動定位器夾頭， 將其移動到支撐位置。這樣可以產生臨時限制，使夾頭剖面推擠 (shoulder)夾頭頂部並支撐下坐重量。再次拉起約2至3英尺並隨後松 開使自動定位器夾頭轉位到未支撐位置，使施工工具剖面經過。
為了將該系統放置在壓裂位置上，可將工具拉起直到在表面上發現約5,000至約8,000 lb的超載提升。這種超載提升可用於驗證剖面與夾頭 的接合。隨後可施加鬆開重量以保證夾頭位於支撐位置。如果對於施工 工具位置有疑問，則可向工具施加向上的拉力。如果工具位於正確位置， 則應當需要約15,000至約20,000 lb的超載提升。如果工具位於不正確位 置，則在拉起時應當不需要超載提升。工具可以按需要循環使用以保證 正確的定位。
一旦處於該位置，施工工具優選地橫跨封隔器之上以及關閉套筒之 下的反向密封件，從而有效地將砂漿口與壓裂關閉套筒隔離。此時油管 壓力可用於對封隔器、反向礫石充填密封件、施工工具狀況以及壓裂套 筒密封件進行測試。剖面和夾頭可支撐超過約100,000 lb的下坐重量，以 使它們適合用在例如鑽井船或半潛式平臺的浮動工作平臺上。
為了打開壓裂套筒，僅打開工具可以在套筒之上拉起並向下回移通 過該套筒。優選地通過垂直拉起和下坐移動來實現這個操作。從自動定 位器剖面到自動定位器夾頭的近似距離，以及從自動定位器夾頭到關閉 套筒的距離可以且優選地是已知的。例如，可以將施工工具拉起約48英 尺以將僅打開工具放置在壓裂套筒之上約3英尺至約5英尺處。工具隨 後被向下移回並循環回到壓裂位置，從而打開套筒。可以通過向下泵送 油管以及返回到環空或泵送到地層中來液壓地驗證該打開狀況。
為了定位相反位置，可以將工具拉起約8英尺至約10英尺以將砂漿 口放置在頂部反向密封件之上。施工工具的下部優選地保持穿過壓裂套 筒，以使其在反向作業期間保持隔離。可以通過向下泵送環空以及監控 油管的返回來液壓地驗證該位置。
為了關閉套筒，應當將關閉轉位工具向上拉動通過套筒剖面。施工 工具可以向下返回，直到它位於關閉的最底部套筒頂部之下。通過簡單 地將施工工具緩慢移動通過套筒來實現關閉。為了液壓地驗證套筒關閉， 可以關閉環空並且將液體向下泵送到油管以測試對於地層的系統壓力密 封性。
為了打開位於下一近源層中的下繞絲篩管套筒，可以使用自動定位 器指示點作為確定施工工具位置的基準。優選地，下繞絲篩管套筒將定位在離自動定位器的頂部約3英尺至約5英尺的位置。將施工工具拉起 約55英尺的操作應當將打開工具放置在套筒之上。施工工具隨後可以向 下移動優選地約10英尺，以打開套筒。隨後可將施工工具拉起到下一便 利連接中斷以進行壓力測試。尺寸分隔不是關鍵的，因為打開轉位工具 和關閉轉位工具之間的優選18英尺的間隔允許大範圍的移動，同時仍能 正確地對套筒起作用。
採用公開的發明的一些或全部的實施方式可被設計用於簡單的、用 戶友好的操作。例如，如上所述，可以容易地機械識別和液壓地驗證用 於處理的工具定位。可通過簡單地應用下坐重量來保持位置。優選的、 簡化的操作程序可包括1)坐封沉砂封隔器；2)按需要對一層或更多 層進行射孔；3)在鑽臺上組裝每個生產層裝置和施工工具並進行壓力測 試；4)通過工作管柱或生產油管將裝置下入到底部並將其定位在沉砂封 隔器上；5)坐封頂部生產/礫石充填封隔器；6)如果是通過工作管柱來 使裝置下入則釋放施工工具，或者下入施工工具；7)打開下層繞絲篩管 生產套筒並進行測試;8)確定壓裂/礫石充填位置並坐封下層隔離封隔器; 9)打開下層壓裂充填套筒並確定壓裂/礫石充填位置；IO)壓裂下層；11) 拉起並顛倒；12)關閉所有下層套筒；13)進行用於隔離的壓力測試； 14)通過打開下層繞絲篩管生產套筒並進行測試而開始下一層；15)重
復步驟8_13直到完成最後一層為止；16)如需要(例如，在通過工作 管柱使生產裝置下入時)就使生產密封件下入到上生產封隔器；以及17) 根據需要打開套筒進行生產。
至此己公開了根據本發明的改進的完井系統的許多可能實施方式中 的至少一個的實施方式的結構、功能和用途。在不脫離其一般公開內容 的情況下可以設計其他和進一步的實施方式。例如，這種改進的完井系 統可以與其他井處理作業一起使用，所述其他井處理作業包括壓裂、礫 石充填、酸化處理、充水以及其他處理。此外，這種改進的完井系統的 各種方法和實施方式可以彼此組合，以產生所公開的方法和實施方式的 變型。單數要素的討論可以包括複數要素，反之亦然。
除非特別限定，否則可以按多種順序來實現步驟的順序。此處所描述的各種步驟可以與其他步驟組合、插入到所述步驟之間，和/或分為多 個步驟。類似地，已對要素進行了功能性的描述，並且可以具體實施為 單獨的部件，或者可以結合到具有多種功能的部件當中。
已經在優選的和其他實施方式的上下文中描述了本發明，並未描述 發明的每一個實施方式。本領域普通技術人員可以對所述實施方式進行 明顯的修改和改變。公開的和未公開的實施方式並不旨在限制或約束申 請人所構思的發明的範圍或適用性，相反，在符合專利法的情況下，申 請人旨在最大程度地保護落入到以下權利要求的等同物的範圍或範疇內 的所有這種修改和改進。
相關申請的交叉引用
本申請要求2006年12月22日提交的美國專利申請No.l 1/615,529 的優先權，美國專利申請No.ll/615,529要求2006年5月5日提交的美 國專利申請No.11/418，765的優先權，美國專利申請No.11/418，765要求 2006年1月30日提交的美國臨時專利申請No.60/763,246的優先權以及 2005年5月6日提交的美國臨時專利申請No.60/678,689的優先權。此處 以引用的方式併入上述各申請的全部內容。
權利要求
1、一種在一次井下起下作業中用完井系統完成兩個或更多個生產層的方法，該方法包括以下步驟組裝多個生產層裝置，每個裝置都包括具有至少一個生產篩管閥的生產篩管裝置；通過生產油管將這些生產層裝置下入井中；坐封與這些生產裝置相關聯的生產封隔器；在最下部生產層裝置中定位一完井工具裝置，該工具裝置具有解除的打開工具，該打開工具在經過最後一個生產篩管閥的下面之後被啟動；使該工具裝置在生產層內循環，以將該完井系統轉位到地層處理狀況；以及處理該生產層。
2、 一種一次起下作業完井系統，該系統包括包括多個生產層裝置的完井裝置，這多個生產層裝置與井眼中的地 層相對應，並適於通過生產油管被下入；適於在該完井裝置內操作的完井工具裝置；以及自動完井系統定位裝置，其可在該完成裝置與該工具系統之間操作 以使該完井系統在多個作業狀態之間循環。
3、 根據權利要求2所述的系統，該系統還包括設置在最下部生產層 裝置中用以啟動該工具系統上的解除的打開工具的止動夾頭裝置。
4、 根據權利要求2所述的系統，該系統還包括位於最下部生產層裝 置中用以啟動該工具系統上的解除的打開工具的液壓啟動系統。
5、 根據權利要求2所述的系統，該系統還包括設置在該完井裝置中 的液壓啟動剪切安全系統。
6、 根據權利要求5所述的系統，其中各生產層裝置均包括剪切安全 系統。
7、 根據權利要求5所述的系統，該系統還包括與該剪切安全系統相 關聯的碎屑阻擋層。
8、 根據權利要求2所述的系統，該系統還包括設置在各生產層裝置 中的機械套閥。
9、 根據權利要求8所述的系統，其中這些機械套閥中的一個或更多 個具有用於通過該施工工具裝置、連續油管工具或鋼絲繩工具選擇性地 打開和/或關閉的多個打開和/或關閉剖面。
10、 根據權利要求2所述的系統，其中該自動完井系統定位裝置包 括與該完井裝置相關聯的轉位系統以及與該完井工具裝置相關聯的自動 完井系統定位裝置剖面。
全文摘要
本發明公開了一種在一次井下起下作業期間在井眼中完成兩個或更多個單獨的生產層的改進的完井系統(100)。這種改進的完井系統包括具有兩個或更多個生產層裝置(108)的完井裝置以及完井工具裝置。各生產層裝置(106)可包括自動系統定位裝置以及用於對該工具裝置進行密封的至少兩個反向密封系統。
文檔編號E21B43/04GK101432501SQ200780015251
公開日2009年5月13日 申請日期2007年5月3日 優先權日2006年5月5日
發明者大衛·J·沃克 申請人:Bj服務公司