[发明专利]用于层位封隔和流量控制的井筒装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年12月17日提交的美国临时申请号61/424,427、2011年5月5日提交的美国临时申请号61/482,788和2011年11月17日提交的美国临时申请号61/561,116的权益。

发明背景

此章节意欲介绍可与本公开的示例性实施方式相关的本领域的各个方面。相信本讨论有助于提供促进更好理解本公开的具体方面的框架。因此，应当理解，应该以这个角度阅读本章节，而不必承认是现有技术。

发明领域

本公开涉及完井领域。更具体地，本发明涉及与利用砾石-充填已经完成的井筒相关的地层的封隔。本申请还涉及可在下套管井筒或裸眼井筒内坐封(set)的层位封隔装置，并且其并入备用流动通道技术。

技术探讨

在油井和气井的钻探过程中，利用钻柱下端向下推动的钻头形成井筒。在钻探至预定深度后，移除钻柱和钻头，并用套管柱对井筒加衬(line)。由此在套管柱与地层之间形成环形区域。一般进行固井作业(注水泥操作，cementing operation)，从而用水泥填充或“挤压”环形区域。水泥与套管的结合强化了井筒并有助于封隔套管后方的地层。

通常在井筒中布置若干外径逐渐减小的套管柱。钻探以及然后对逐渐减小的套管柱注水泥的过程被重复数次，直到井已达到总深度。最终的套管柱——被称为生产套管——在适当位置被固结并穿孔。在一些情况下，最终套管柱是衬管（liner），即，不回接至地表的套管柱。

作为完井过程的一部分，在地表安装井口装置。井口装置控制产出液流动至地表，或控制流体注入井筒。还提供流体收集和处理装置，如管、阀和分离器。然后可开始生产作业。

有时可期望使井筒底部敞开。在裸眼完井中，生产套管不延伸穿过生产层位并且不穿孔；相反，生产层位无套管，或“敞开”。然后在井筒内安置生产套管（production string）或“管道”，该井筒在最后的套管柱下方向下延伸并穿过地下地层。

裸眼完井相对于下套管完井存在某些优势。第一，由于裸眼完井没有射孔孔道，地层流体可360度径向会聚于井筒。这具有消除与会聚径向流动并然后线性流动穿过颗粒填充的射孔孔道相关的额外压降的益处。与裸眼完井相关的减少的压降实质上确保其在相同地层中比无增产措施的（unstimulated）下套管井更具生产力。

第二，裸眼井技术通常耗费低于下套管完井。例如，应用砾石充填消除了注水泥、射孔和射孔后清洁操作的需要。

裸眼完井的常见问题是井筒直接暴露于周围地层。如果地层是未固结的或重度沙质的，产出液流入井筒可随其携带地层颗粒，例如，砂和细粒。这种颗粒可对井下生产装置以及地表处的管、阀和分离装置具有侵蚀性。

为控制砂及其他颗粒的侵入，可应用防砂设备。防砂设备通常被跨过地层安装在井下，以保留大于一定直径的固体物质，同时允许流体生产。防砂设备一般包括细长的管体——被称为中心管，该中心管具有狭缝或开口。然后中心管一般被过滤介质如绕丝或金属丝网缠绕。

为增强防砂设备——特别是在裸眼完井中，通常安装砾石充填。砾石充填井包括，在将防砂设备悬挂或以其他方式布置在井筒中后，在防砂设备周围布置砾石或其他颗粒状物质。为安装砾石充填，通过携带液输送颗粒状材料到井下。携带液连同砾石一起形成砾石砂浆。砂浆在适当位置干燥，留下沿圆周的砾石充填。砾石不仅有助于颗粒过滤，而且有助于保持地层完整性。

在裸眼井砾石充填完井中，在包围带孔中心管的砂筛管与井筒周围壁之间布置砾石。在生产过程中，地层流体从地下地层穿过砾石、穿过筛管流入内部中心管。由此，中心管充当生产套管的一部分。

砾石充填在历史上遇到的问题是在输送过程期间携带液从砂浆中的无意损失可导致砂桥或砾石桥在沿裸眼井层段的不同位置处被过早形成。例如，在具有高度渗透性的层段或已被压裂的层段中，由于过早出现的携带液从砾石砂浆损失进入地层，可发生砾石的不良分布。过早出现的砂桥可阻断砾石砂浆的流动，造成沿完井层段形成空隙。类似地，在筛管和井筒之间的环带中用于层位封隔的封隔器也可阻断砾石砂浆的流动，造成沿完井层段形成空穴。因此，不能实现从底部到顶部的完整砾石充填，使井筒暴露于砂和细粒渗透。