利用包含形狀記憶材料顆粒的漿體完井的設備和方法
2023-05-17 01:48:51
利用包含形狀記憶材料顆粒的漿體完井的設備和方法
【專利摘要】在一些方面，本發明提供了一種執行井眼作業的方法，在一個實施例中，該方法包括：將包含流體和具有第一尺寸的形狀記憶顆粒的混合物供給到井眼中的選定區域中；在從選定區域排出流體的同時，將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒保留在選定區域中；和激活保留在選定區域中的形狀記憶顆粒，以使其膨脹而達到第二形狀，以用具有第二形狀的形狀記憶顆粒填充選定區域。
【專利說明】利用包含形狀記憶材料顆粒的漿體完井的設備和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年3月29日提交的美國申請N0.13/074594的優先權，該申請全部內容在此引入作為參考。
【背景技術】
[0003]1.【技術領域】
[0004]本發明概括來說涉及利用包含具有一定尺寸的形狀記憶顆粒的漿體執行井眼作業。
[0005]2.相關技術的描述
[0006]烴，諸如油和氣，是從地層利用鑽進該地層的井眼開採的。通過在井眼中安裝適於從地層向地面輸送包含烴的地層流體的各種裝置而完成鑽井。在某些類型的完井中，一砂篩被放置在井眼內部和被構造成用以將地層流體攜帶至地面的生產管道之間。井眼內部與砂篩之間的環空充填有砂礫(也被稱為「沙」)。砂礫提供第一級過濾，並穩固井眼，允許烴穿過砂礫流到砂篩，並進入生產管道中。
[0007]通常，砂礫充填物包括在充填過程中形成的間隙(空隙)，這些間隙在砂礫充填已經完成之後難以被填充。砂礫充填物中的空隙會對井的性能產生不利影響，這是因為該區域中的流速可能會變快，從而導致砂篩被侵蝕並最終導致過濾失效。本發明在此提供一種用於利用形狀記憶材料的具有一定尺寸的顆粒填充或充填井眼中的選定區域(包括環空)的設備和方法，其能夠解決某些上述缺陷。
【發明內容】
[0008]在一些方面，本發明提供了一種執行井眼作業的方法，包括:將包含流體和具有第一尺寸的形狀記憶材料顆粒的混合物供給到井眼中的選定區域中；在從選定區域排出流體的同時，將具有第一尺寸的形狀記憶材料顆粒保留在選定區域中；和激活保留在選定區域中的形狀記憶顆粒，以使其達到第二膨脹形狀，以用膨脹的形狀記憶顆粒填充選定區域。
[0009]在其它方面，本發明提供一種井眼系統，在一個實施例中，該井眼系統包括:放置在井眼中的選定位置處的工具；由所述工具和井眼限定的空間；和在該空間中的形狀記憶顆粒，其中形狀記憶顆粒:(i)以第一壓縮狀態被放置在該空間中jP(ii)在井下被激活，以達到第二膨脹形狀，以使形狀記憶顆粒填充該空間。
[0010]在此披露的設備和方法的某些特徵的示例概括得相當寬泛，以便可以更好地理解下面的示例的詳細說明。當然，下文還披露有設備和方法的附加特徵，其形成了權利要求的主題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]通過參照下文的詳細說明並結合附圖，可以最佳地理解本發明的優點和其它方面，在附圖中同樣的附圖標記通常表示同樣或類似的元件，並且在附圖中:[0012]圖1是依照本發明的一個實施例的示例性井眼系統的線條圖，在井眼系統中，選定空間填充有形狀記憶顆粒；
[0013]圖2顯示了依照本發明的一個實施例的、在形狀記憶顆粒已經被放置在選定空間中之後選定空間的截面；
[0014]圖3A-圖3G顯示了可用於充填選定空間的形狀記憶顆粒的各種形狀；
[0015]圖4A顯示了激活之後的示例性形狀記憶顆粒；
[0016]圖4B顯示了在已被壓縮並保持在環境溫度之後的圖4A中的形狀記憶顆粒；和
[0017]圖5顯示了圖1中的選定空間中的已被激活之後的形狀記憶顆粒。
【具體實施方式】
[0018]本發明涉及將一定尺寸的形狀記憶顆粒放置在井下空間以用於控制流體的流動。在一個方面，本發明提供一種如下的設備和方法:以合適的形狀和尺寸形成形狀記憶顆粒，以便將這些顆粒輸送至井眼中的選定空間中；在選定空間中輸送並放置或充填這種形狀記憶顆粒，並且激活所放置的這些顆粒以使其與選定空間一致；並且允許某些流體流過該選定空間，同時阻止這種流體中存在的某些尺寸的固體通過。
[0019]圖1是示例性井眼系統100的線條圖，顯示了井眼中的選定空間中的形狀記憶顆粒(即，由一種或多種合適的形狀記憶材料形成的顆粒)的布置。系統100顯示了在巖層111(地層)中形成的深至深度113的井眼110。所示的井眼110具有在地層111中的穿孔112。穿孔112能夠使地層流體(油、氣和水)117從地層111流到井眼110的內部IlOa0系統100還顯示了在井眼110中布設的生產管柱115。生產管柱115包括生產管道或中心管(basepipe) 116，所述生產管道或中心管具有被構造成允許地層流體117從地層111流至中心管116的內部116a的開口或流體通道118。中心管116的具有開口 118的部分放置在地層的穿孔112的對面，使得地層流體117能夠流到中心管116中。系統100還顯示了放置在中心管116周圍的砂篩120，所述砂篩用於控制地層流體117流入中心管116中。
[0020]在一個方面，砂篩120的尺寸被設計成使得在砂篩120的外部120a與井眼110的內部IlOa之間形成一環形空間114(「環空」)。在該特定實施例中，環形空間114是將依照在此所述的方法用形狀記憶顆粒填充或充填的選定空間。所示的砂篩120放置在或包裹在中心管116的外部116b的周圍。包含流體通道134的罩132放置在網130的外部130b的周圍。這樣，網130和罩132的組合件形成了環繞中心管116的開口 118的單元。圖2顯示了砂篩200的截面，其中，具有流體通道212的隔離構件210設置在網130與罩132之間以形成流體通道220，從而有利於地層流體117流入網130中。網130可以由利用任何合適材料的任何結構製成。在一個方面，網130的尺寸或結構被設計成使得防止地層流體117中包含的固體顆粒流過網進入到中心管116中。商業應用中有各種型式的砂篩，因此這裡不再詳細描述。雖然這裡所示的砂篩作為用於限定選定空間124的井下工具，但是，可以利用任何其它合適的裝置來限定任何空間作為將依照在此所述的方法被形狀記憶顆粒填充的空間。
[0021]為了本發明的目的，合適的形狀記憶材料是在較低的第一溫度(在此也稱為「展開前」溫度)能保持在第一(壓縮)形式或狀態而然後當承受較高溫度時膨脹為第二形式或狀態的任何材料。能夠在市場上獲得各種型式的形狀記憶材料，因此這裡不再詳細描述。[0022]仍然參照圖1，在一個方面，合適的形狀記憶材料可以首先以具有任何合適的尺寸和形狀的鬆散體積形成。在一個方面，該鬆散體積可以被激活以降低其彈性模量，例如通過將該材料加熱至其玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上(在此被稱為「膨脹體積」或「膨脹狀態」)進行激活。然後，將該膨脹體積壓縮或壓實，同時將該材料冷卻至環境溫度(在此也被稱為「展開前溫度」)。一旦被壓縮的鬆散體積冷卻至展開前溫度，形狀記憶材料就保持壓縮形狀，直到再次被加熱。被壓縮的鬆散體積可以分解為小尺寸顆粒。所選擇的較小顆粒的尺寸和形狀取決於所希望的應用。圖3A-圖3G顯示了各種形狀，其中較小的形狀記憶顆粒可以由被壓縮的鬆散體積製成。也可以使用任何其它的形狀。較小的形狀記憶顆粒的尺寸和形狀被選擇為使得其可以有利地以流體混合物的形式輸送至所希望的位置(選定空間)，但不穿過例如是圖1中所示的網130的網，以及有利於顆粒在壓縮和展開這兩種狀態中的最佳充填。
[0023]圖4A顯示了處於膨脹狀態中的示例性形狀記憶顆粒400，圖4B顯示了處於壓縮狀態410中的顆粒400。在該具體情況下，形狀記憶材料被加熱到其玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上，然後被合適的物理裝置或器具壓縮，同時溫度降低至展開前溫度或展開前溫度以下。一旦形狀記憶顆粒被冷卻至展開溫度以下，形狀記憶顆粒就將保持在壓縮狀態410，直到被激活(激勵)，例如通過將其加熱至其玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上來進行激活。一旦激活，形狀記憶顆粒就將達到其膨脹尺寸和形狀，直到其被壓縮並同時將其冷卻至低於玻璃化轉變溫度的溫度。在此所使用的術語「記憶」指的是材料承受某些應力(例如外部機械壓縮、真空等)但然後在合適的情況下(例如暴露於通常為加熱的選定形式的能量的情況下)回復至材料的原始尺寸和形狀的能力。在此所使用的術語「形狀記憶」指的是材料被加熱到材料的玻璃化轉變溫度(GTT)以上、並接著被壓縮和冷卻至較低溫度保持其壓縮狀態的能力。但是，然後通過將同一材料再次加熱至接近其玻璃化轉變溫度(GTT)或玻璃化轉變溫度以上，該材料可恢復到其原來的形狀和尺寸，即，其壓縮前的狀態。這種材料可以包括可被配製成對於給定應用實現所希望的GTT的某些合成的傳統泡沫材料。例如，可以將泡沫材料配製成具有低於在將會使用該材料的深度處的預期井下溫度的GTT0所選擇的材料可以包括傳統的泡沫材料或不同的泡沫材料及其它材料的組合，並且可以選自由下列物質構成的組:聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、環氧樹脂、橡膠、氟橡膠、腈、三元乙丙橡膠(EPDM)、其它聚合物、或它們的組合。這種介質可以包含若干添加劑和/或能變更或改進由此形成的形狀記憶材料的性能的其它配方組分。另外，選定空間中充填的形狀記憶顆粒可以包括不同的形狀和尺寸，並可以使用不同類型的形狀記憶材料製造。
[0024]參照回圖1，為用形狀記憶顆粒填充空間114，具有一種或多種選定尺寸的壓縮顆粒172在地面上的混合器174中與合適的流體170 (例如水)混合。流體和形狀記憶顆粒的混合物176被泵180泵送到管道116中，該流體經由轉換裝置(crossover)184轉向流入空間124。流體混合物176中的形狀記憶顆粒172沉積在空間114中以及井眼110的底部114a上，同時混合物176中的流體170經過罩的開口 132、網130以及中心管116中的開口118流入中心管116。流體170然後經由轉向裝置186和通道188循環至地面。一旦空間114和114a已經被形狀記憶顆粒172填充或充填，混合物176的泵送就停止，並且用於這種泵送的設備被移除。
[0025]仍然參照圖1，地層的溫度常常高於空間114和114a中的形狀記憶顆粒172的玻璃化轉變溫度。在這樣的情況下，地層流體117將會把形狀記憶顆粒172加熱至一高於其玻璃化轉變溫度的溫度，從而引起這種顆粒膨脹，並對在空間114和114a中充填這種顆粒的過程中留下的空隙進行填充。另外，空間114和114a中的形狀記憶顆粒的膨脹還將使空間124和124a中充填的形狀記憶顆粒與井眼110的內部IlOa以及罩132的外部132a —致。但是，在某些情況下，地層溫度可能低於形狀記憶顆粒的玻璃化轉變溫度，因此不能激活選定區域124中的這些顆粒。在這樣以及其它所希望的情況下，可將具有玻璃化轉變溫度(Tgl)的泡沫記憶顆粒放置到如上所述的選定區域124中。然後將合適的材料，例如化學材料，泵送到選定區域124中，以將其中的泡沫記憶顆粒的玻璃化轉變溫度臨時地降低至Tg2 (在該溫度地層溫度將能激活形狀記憶顆粒)。將玻璃化轉變溫度降低至地層溫度以下可通過任意已知的機構或方法實現，包括但不限於將合適的化合物泵送到充填區域124中。因為地層溫度接近Tg2或在Tg2以上，所以泡沫記憶顆粒將隨後膨脹。隨著時間的推移，玻璃化轉變溫度降低的流體會被井產物或添加的完井流體置換，使泡沫記憶顆粒的玻璃化轉變溫度升高至Tg2以上。由於泡沫記憶顆粒玻璃化轉變溫度現在將低於Tgl，所以膨脹的泡沫記憶顆粒將然後再次變得接近剛硬。
[0026]圖5顯示了環形空間114中形狀記憶顆粒172在膨脹之後的示例。圖5顯示了空間114內處於膨脹狀態的某些形狀記憶顆粒520。膨脹的顆粒520的最終形狀將取決於它們在空間114中展開時各自的初始壓縮形狀和尺寸、這些顆粒在空間114中相對於彼此的相對布置以及空間114中存在的任何空隙的尺寸和形狀。使用來自地層流體117的熱量作為替代方案或附加方案，可以利用人工激勵使空間114和114a中的顆粒172膨脹。這種人工激勵可以是經由管路180供給至空間114的熱量的形式。其它形式的激勵可以包括供給電磁波、聲信號或能夠激活特定形狀記憶顆粒172的任何其它激勵。
[0027]因而，在一個方面中，本發明在此提供一種執行井眼作業的方法，在一個實施例中，該方法包括:將包含流體和具有第一(壓縮)尺寸的形狀記憶顆粒的混合物供給到井眼內的選定區域中；在從選定區域中排出流體的同時，將具有第一壓縮尺寸的形狀記憶顆粒保留在選定區域中；和激活保留在選定區域中的形狀記憶顆粒，以使其達到第二膨脹形狀。在一個方面中，具有第一尺寸的形狀記憶顆粒是通過在高於形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度的溫度下壓縮形狀記憶材料、同時將壓縮的形狀記憶材料冷卻至低於形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度的溫度而獲得的顆粒。在一個方面中，形狀記憶材料為泡沫材料。在另一個方面中，該方法還可以包括:在激活選定區域中所保留的形狀記憶顆粒之前，從選定區域中排出混合物中的流體。在另一個方面中，該方法還可以包括:在激活選定區域中所保留的形狀記憶顆粒之後，穿過所保留的形狀記憶顆粒生產地層流體。在又一個方面中，形狀記憶顆粒可以通過從一源向選定空間中的形狀記憶顆粒供熱或者允許來自地層的熱量將形狀記憶顆粒加熱至這些顆粒的玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上而被激活。在另一個方面中，選定區域為砂篩和井眼壁之間的區域。在一個方面中，砂篩包括被構造成允許流體流過、但防止壓縮的形狀記憶材料顆粒通過的篩件。在又一個方面中，流體混合物的供給包括:將流體混合物從第一通道供給到選定空間中，並允許流體在排出砂篩之後通過第二通道流至地面。
[0028]在另一個方面中，在井眼內的選定空間中充填控砂材料的方法可以包括:將一管柱放置到井眼中，所述管柱包括具有第一尺寸穿孔的篩件和該篩件內部的流體流動路徑，其中篩件和井眼之間的空間限定了所述選定空間；將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒放置到選定區域中，使選定區域中的形狀記憶顆粒膨脹至比第一尺寸大的第二尺寸；允許地層流體從地層流到管柱中，同時防止固體進入管柱中。在一個方面中，將形狀記憶顆粒放置到選定區域中包括混合流體和壓縮的形狀記憶顆粒以形成漿體，以及將漿體泵到選定區域中。在另一個方面中，使選定區域中的形狀記憶顆粒膨脹可通過向形狀記憶顆粒供給蒸汽和允許來自地層的熱量將選定空間中的形狀記憶顆粒加熱至這些顆粒的玻璃化轉變溫度以上而實現。在另一個方面中，形狀記憶材料可以包括碳納米顆粒，碳納米顆粒可以被加熱，以將形狀記憶顆粒加熱至玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上。在另一個方面中，膨脹的形狀記憶顆粒可以臨時被冷卻至玻璃化轉變溫度以下，以使它們在選定空間中被壓縮。
[0029]在另一個方面中，本發明提供了一種系統，該系統包括井眼中的管柱和充填有形狀記憶顆粒的選定區域，其中，選定區域已經通過以下步驟用形狀記憶顆粒充填，所述步驟為:通過供給流體和具有第一尺寸的形狀記憶顆粒的混合物，將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒放置到選定區域中；在從選定區域中移除流體的同時，將具有第一壓縮尺寸的形狀記憶顆粒保留在選定區域中；和激活選定區域中的具有第一尺寸的形狀記憶顆粒，以使其膨脹至第二尺寸，從而用具有第二尺寸的形狀記憶顆粒充填該選定區域。在一個方面中，管柱可以包括任何合適的工具，包括但不限於用於限定井眼中的選定區域的砂篩。在一種構造中,砂篩包括罩以及罩內部的網,其中網圍繞中心管的外部設置。
[0030]在又一個方面，本發明提供了一種用於充填井眼中的選定區域的設備，其中，在一種構造中，該設備包括位於井眼中的一裝置，該裝置限定了該裝置的外部與井眼的內部之間的選定空間，其中該裝置包括具有穿孔的構件，用於將流體和形狀記憶材料顆粒的混合物供給到選定區域中的第一通道，在所述構件內部的用於允許流體從選定區域流至地面位置區域的第二通道，以及構造成將混合物經由第一通道供給到選定區域中的源。
[0031]雖然上文針對本發明的優選實施例，但是各種各樣的改變對本領域技術人員而言都是顯而易見的。所有改變都在所附的權利要求書的範圍和精神之內。
【權利要求】
1.一種執行井眼作業的方法，包括: 將包含流體和具有第一尺寸的形狀記憶顆粒的混合物供給到井眼中的選定區域中； 在從選定區域中排出流體的同時，將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒保留在選定區域；和 激活保留在選定區域中的具有第一尺寸的形狀記憶顆粒，以使得所保留的形狀記憶顆粒中的至少一些顆粒達到大於第一尺寸的第二尺寸。
2.如權利要求1所述的方法，其中，具有第一尺寸的形狀記憶顆粒是通過在高於形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度的溫度下壓縮形狀記憶材料，並同時將壓縮的形狀記憶材料冷卻至低於形狀記憶材料的玻璃化轉變溫度的溫度而獲得的顆粒。
3.如權利要求2所述的方法，其中，形狀記憶材料為泡沫材料。
4.如權利要求1所述的方法，其中，選定區域中的泡沫記憶顆粒具有玻璃化轉變溫度，以及其中，該方法還包括:在激活這些顆粒之前，降低選定區域中的形狀記憶顆粒的玻璃化轉變溫度。
5.如權利要求1所述的方法，還包括:在激活選定區域中所保留的形狀記憶材料的顆粒之後，穿過所保留的形狀記憶材料的顆粒生產地層流體。
6.如權利要求1所述的方法，其中，激活所保留的形狀記憶材料的顆粒包括下列步驟之一:從地面向所保留的形狀記憶顆粒供熱；和允許來自地層的熱量加熱所保留的形狀記憶顆粒。`
7.如權利要求1所述的方法，其中，選定區域位於井下裝置和井眼壁之間。
8.如權利要求7所述的方法，其中，該井下裝置為砂篩。
9.如權利要求7所述的方法，其中，該井下裝置包括用於將所述混合物供給到選定區域中的第一通道和用於將所述流體從選定區域輸送出去的第二通道。
10.一種用控砂顆粒充填井眼中的選定區域的方法，該方法包括: 將一管柱放置到容納有一裝置的井眼中，所述裝置包括具有第一尺寸開口的篩件，該裝置限定位於所述裝置和井眼壁之間的選定區域； 將包含流體和具有第二尺寸的形狀記憶顆粒的混合物供給到選定區域中，其中第二尺寸大於第一尺寸，從而允許形狀記憶材料顆粒保留在選定區域中，並能夠使混合物中的流體流入篩件內部的流體流動路徑中；和 激活選定區域中的形狀記憶顆粒，以使這些顆粒膨脹至第三尺寸，以用包括具有第三尺寸的顆粒的形狀記憶顆粒充填該選定區域。
11.如權利要求10所述的方法，其中，供給混合物包括: 混合流體和具有第二形狀的形狀記憶顆粒以形成漿體；以及 將漿體泵到選定區域中。
12.如權利要求10所述的方法，其中，激活選擇區域中的形狀記憶顆粒包括下列步驟之一:向選定區域中的形狀記憶顆粒供熱；和允許來自地層的熱量將選定區域中的形狀記憶顆粒加熱至選定區域中的形狀記憶顆粒的玻璃化轉變溫度或玻璃化轉變溫度以上。
13.如權利要求10所述的方法，其中，形狀記憶顆粒包括碳納米顆粒，以及其中，激活形狀記憶顆粒包括加熱碳納米顆粒。
14.一種井眼系統，其包括:將具有井下工具的管柱放置到井眼中，所述井下工具在井眼中限定出一選定區域；和 被充填在選定區域中的形狀記憶顆粒，其中，形狀記憶顆粒已通過以下步驟被充填: 通過向選定區域供給流體和具有第一尺寸的形狀記憶顆粒的混合物，而將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒放置到選定區域中；在從選定區域移除流體的同時，將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒保留在選定區域中；和 激活選定區域中的具有第一尺寸的形狀記憶顆粒，使這些顆粒膨脹至第二尺寸，以用包括具有第二尺寸的形狀記憶顆粒的形狀記憶顆粒充填該選定區域。
15.如權利要求14所述的系統，其中，該井下工具為砂篩，以及其中，選定區域由砂篩和井眼壁之間的空間限定。
16.一種用於用形狀記憶顆粒充填井眼中的選定區域的設備，該設備包括: 位於井眼中的一裝置，該裝置限定了該裝置與井眼的內部之間的選定空間，其中該裝置包括: 一構件，所述構件具有開口，用於將流體和形狀記憶顆粒的混合物供給到選定區域中的第一通道，用於允許流體從選定區域流出的位於所述構件中的第二通道；以及 被構造成將混合物經由所述第一通道供給到選定區域中的源。
17.一種執行井眼作業的方法，包括: 將具有第一尺寸的形狀記憶顆粒放置到井眼中的選定區域中，具有第一尺寸的形狀記憶顆粒具有第一玻璃化轉變溫 度； 使選定區域中的形狀記憶顆粒的第一玻璃化轉變溫度降低至第二玻璃化轉變溫度； 將選定區域中的形狀記憶顆粒加熱至第二玻璃化轉變溫度或第二玻璃化轉變溫度以上的溫度，以使具有第一尺寸的形狀記憶顆粒的至少一些顆粒膨脹至第二尺寸。
18.如權利要求17所述的方法，其中，降低選定區域中的形狀記憶顆粒的玻璃化轉變溫度包括:向選定區域中的形狀記憶顆粒供給選定流體，所述選定流體被構造成使玻璃化轉變溫度降低至第二玻璃化轉變溫度。
19.如權利要求18所述的方法，其中，第一玻璃化轉變溫度高於緊鄰選定區域的地層的溫度，第二玻璃化轉變溫度低於緊鄰選定區域的地層的溫度。
20.如權利要求18所述的方法，所述方法還包括:在選定區域中的形狀記憶顆粒的玻璃化轉變溫度已經降低至第二玻璃化轉變溫度之後，從選定區域移除選定流體。
【文檔編號】E21B43/00GK103459767SQ201280015605
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月28日 優先權日:2011年3月29日
【發明者】E·J·奧馬利 申請人:貝克休斯公司