使用缓和用压裂阀探测脱砂的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201380048173.4 | 申请日 | 2013-09-23 | 公开(公告)号 | CN104641073B | 公开(公告)日 | 2017-08-25 |
| 申请人 | 弗洛泊威尔技术公司; | 发明人 | K·布莱克; | ||||
| 摘要 | 本公开涉及一种使用缓和用压裂 阀 探测脱砂的系统和方法。该压裂方法可包括当井下压 力 小于预定 阈值 时，使用压裂阀压裂井。该方法可还包括当井眼中的压力 传感器 探测到井眼压力已达到所述预定阈值时，通过自动化过程将压裂阀从压裂 位置 致动至非压裂位置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压裂阀系统，所述压裂阀系统包括： |
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| 说明书全文 | 使用缓和用压裂阀探测脱砂的系统和方法[0001] 背景 [0002] 本公开涉及使用缓和用压裂阀(fracturing valve for mitigation)探测脱砂(screen-out)的系统和方法。 [0003] 多年来，具有多裂缝的水力压裂是由水平井生产天然气和石油的常用方法。水力压裂包括通过井眼注入高度加压的压裂液，这会导致岩层断裂。一旦裂缝形成，支撑剂会被引入到注入液体以防止裂缝闭合。支撑剂使用渗透性足够好的微粒(例如谷物砂或陶瓷)以允许地层液体流入到通道或井中。 [0004] 然而，在压裂操作期间，可能发生主要的问题(例如脱砂)。当向裂缝连续注入液体需要高于井眼和地面设备的安全限制的压力时，会发生脱砂。这个条件发生，是由于高液体泄漏，支撑剂的浓度过高，以及阻碍支撑剂流动的不足的垫尺寸。其结果是，压力迅速积聚。脱砂会破坏压裂操作且恢复操作之前需要清洗井眼。压裂操作延迟可能会导致后续裂缝完井和生产的中断。 [0005] 脱砂的结果可取决于在压裂中使用的完井类型。用于水平井的常见完井之一是裸眼衬管完井。这涉及将套管直接运行进入地层，使得没有套管或衬管被放置在整个生产区。这种压裂方法可以是快捷和廉价的。裸眼衬管完井还可包括使用球致动滑动套筒系统，通常用于多级压裂。然而，如果脱砂在水平井眼的下端附近处发生，球座的开口会使得使用连续油管或修井梁将支撑剂洗出去变得困难。初始方案可包括打开井和等待压裂液流回来。 然而，如果液体回流不发生，唯一的解决办法是钻出完井并对井眼实施不同的完井方案。其结果是，整个操作可导致延迟和更高的费用。 [0006] 另一种已知的完井方法是插件和穿孔系统，这与裸眼衬管系统非常类似。此方法涉及粘牢水平井眼的衬管，且这通常在井的下端附近处在给定的水平位置处实现。这种插件和穿孔方法涉及在不同的处理间隔射孔多个群集的重复过程，将其从孔拉出，泵送高速率激活处理剂，并设置插件以隔离间隔，直到所有的间隔被激活。与球致动滑动套筒系统相比，这种方法中脱砂的结果可能不会那么严重，因为井可以与连续油管接通以洗出支撑剂。 [0007] 此外，使用的另一种方法包括进入受限的粘牢衬管完井。进入受限的粘牢衬管完井涉及控制流体进入井眼。此方法提供了粘牢的衬管或套管，其包括可允许井眼区域和地层之间的流体连通的多个限定开口。然而，井和地层之间的不良连接通常导致脱砂。因此，各种完井方法中遇到的脱砂问题增加了成本并导致压裂作业和生产的中断。 [0008] 因此，本领域急需一种改进的使用缓和用压裂阀探测脱砂的系统和方法。发明内容 [0009] 本公开涉及使用缓和用压裂阀来探测脱砂的系统和方法。压裂方法可包括当井下压力小于预定阈值时，使用压裂阀压裂井。该方法还可包括当井眼中的压力传感器探测到井眼压力已达到所述预定阈值时，通过自动化过程将所述压裂阀从压裂位置致动至非压裂位置。 [0010] 压裂阀系统包括基管，所述基管包括能够容纳止动球的插入口，所述止动球可部分插入所述基管的室之内。此外，该系统可包括滑动套筒，所述滑动套筒包括第一套筒，所述第一套筒包括内表面，所述内表面包括一个角空隙和大空隙。所述第一套筒可操纵至多个位置，处于第一位置时，所述角空隙停留在所述插入口上方，防止所述止动球离开所述基管的室。所述第一套筒处于第二位置时，所述大空隙停留在述插入口上方，所述止动球能够离开所述基管的室，进入所述大空隙。 [0011] 此外，本发明公开了一种使用压裂阀探测脱砂的方法。具体地，该方法包括向所述压裂阀注入压裂液，所述压裂阀包括基管和滑动套筒。所述基管可包括一个或多个插入口，各个所述插入口能够容纳止动球。所述滑动套筒可包括内表面，所述内表面包括角空隙和大空隙，所述滑动套筒初始位于第一位置，其中所述角空隙停留在所述插入口上方。该方法可进一步包括通过所述压裂液向压裂球施加第一力，通过所述压裂球向一个或多个止动球施加第二力，并通过所述止动球向所述角空隙施加第三力。此外，该方法可包括至少部分通过所述第三力，将所述滑动套筒偏置向第二位置，所述第二位置中，所述大空隙停留在所述插入口上方。因此，所述止动球能够离开所述基管的室，进入所述大空隙。 [0013] 图1A示出了基管的侧视图。 [0014] 图1B示出了基管的横截面图。 [0015] 图1C示出了基管的剖面图。 [0016] 图2A示出了滑动套筒。 [0017] 图2B示出了滑动套筒的横截面图。 [0018] 图2C示出了滑动套筒的剖面图。 [0019] 图2D示出了滑动套筒剖面图，该滑动套筒还包括固定套筒和致动器。 [0020] 图3A示出了外圈的外周图。 [0021] 图3B示出了外圈的横截面图。 [0022] 图4A示出了阀壳。 [0023] 图4B示出了阀壳的压裂口。 [0024] 图4C示出了阀壳的生产槽。 [0025] 图5示出了压裂模式下的压裂阀。 [0026] 图6A示出了阻抗装置的实施例。 [0027] 图6B示出了阻抗装置的另一实施例。 [0028] 图7示出了生产模式下的压裂阀。 [0029] 图8A示出了显示系带的断裂点的曲线图。 [0030] 图8B示出了压裂模式下的压裂阀的特写图。 [0031] 图8C示出了显示了阻抗装置的分段实施例的断裂点的曲线图。 [0032] 图8D示出了压裂模式下的压裂阀的另一实施例。 具体实施方式[0033] 本文描述了使用缓和用压裂阀探测脱砂的系统和方法。下文所呈的描述使得本领域的技术人员能够制造和使用所要求保护的本发明并通过下面讨论的具体实施例来提供，下文所述的具体实施例的变型对于本领域技术人员是显而易见的。为了清楚起见，并不是实际实现的所有特征在本说明书中都进行了描述。应理解，必须进行任何这种实际实施(如在任何开发项目中)的开发、设计决定来实现设计者的特定目标(例如符合系统和商业相关限制)，且这些目标对于不同的实施方式来说不同。还应当认识到，这种开发努力可能是复杂且费时的，但是对于得益于本公开的相应技术领域内的普通技术人员来说将只是常规任务而已。相应地，本文所附的权利要求并不旨在被所公开的实施例限制，而是应被赋予与本文中公开的原理和特征相一致的最广范围。 [0034] 图1A示出基管100的侧视图。基管100可与管柱的一部分相连。在一个实施中，基管100可包括具有不同的壁开口和/或槽的圆柱状材料。基管100的壁开口可包括插入口101、压裂口102和/或生产口103。插入口101可由基管100上的一个或更多小开口组成。压裂口 102也可包括一个或更多开口。此外，生产口103可为基管100上的多个开口。 [0035] 图1B示出了基管100的正视图。基管100可进一步包括室104。室104可以是形成于基管100内的圆柱形开口或空间。室104可允许材料例如压裂液或碳氢化合物等物质通过。图1C示出了基管100的剖视图。上述的各个壁开口可围绕基管100的圆周布置。 [0036] 图2A示出一滑动套筒200。滑动套筒200可通过致动器206连接至固定套筒205，而滑动套筒200可以与外圈207配合。在一个实施例中，滑动套筒200可以是可包括压裂口102的圆筒形管。因此，压裂口可具有在基管101内的第一部分和在滑动套筒200内的第二部分。 [0037] 图2B示出滑动套筒200的正视图。滑动套筒200可进一步包括外室201。在一个实施例中，外室201可以是比室104大的开口。这样，室201可足够大以容纳基管100。 [0038] 图2C示出了滑动套筒200的剖视图。滑动套筒200可包括第一套筒202和第二套筒203。第一套筒202和第二套筒203可通过一个或多个曲面片204连接，每个曲面片204之间的空间可界定压裂口102的一部分。第一套筒202的内表面可具有空隙208，空隙208包括由第一套筒202的渐薄壁形成的内表面内的角空隙208a.，并包括角空隙208b。在一个实施方案中，该空隙208可围绕基管100的整个内直径(部分围绕内直径)径向延伸。在另一个实施例中，该空隙208可仅存在于围绕第一套筒202的内半径的离散位置。如果完全围绕内径，内表面的端部可具有小于该空隙208的直径。当滑动套筒处于压裂模式时，角空隙208a可每个在插入口101上方。 [0039] 图2D示出了滑动套筒200的剖视图，该滑动套筒200还包括固定套筒205和致动器206。在一个实施例中，致动器206，可以是偏置装置。在该实施例中，偏置装置可以是弹簧。 在另一个实施例中，致动器可以是双向的和/或电动的。在一个实施例中，滑动套筒200的第二套筒203可通过致动器206附连至固定套筒205。在一个实施例中，滑动套筒200可被拉向固定套筒205，从而通过势能压缩载荷致动器206。随后，通过将滑动套筒200推离固定套筒 205可释放致动器206，或者以其他方式驱动致动器206。 [0040] 图3A示出了外圈的周视图207。图3B示出了外圈207的正视图。在一个实施例中，外圈207可以是形成环室301的固体圆柱管，如图3B所示。在一个实施例中，外圈207可以是形成圆柱外形的封闭固体材料。环室301可以是形成于外圈207内的空间。此外，环室301可以足够大以滑过基管100的空间。 [0041] 图4A示出了阀壳400。在一个实施例中，阀壳400可以是可包括压裂口102和生产口103的圆筒形材料。图4B示出了阀壳的压裂口。在一个实施例中，压裂口102可以是围绕阀壳 400圆周布置的多个开口，如图4B所示。图4C示出了阀壳的生产槽。此外，生产口103可以是一个或多个围绕阀壳400布置的开口，如图4C所示。 [0042] 图5示出了压裂模式下的压裂阀500。在一个实施例中，压裂阀500可包括基管100、滑动套筒200、外圈207和/或阀400。在该实施例中，基管100可以是压裂阀500的最内层。围绕基管100的中间层可包括固定于基管100的外圈207和滑动套筒200，其中固定套筒205被固定到基管100。压裂阀500可包括阀壳400(在以后作为外部件)。在一个实施例中，阀壳400可连接到外圈207和固定套筒205。在压裂位置处，由于基管100和滑动套筒200的相对位置，压裂口102可对准并打开。 [0043] 压裂阀500还可包括压裂球501以及一个或多个止动球502。出于本公开的目的，止动球501可以是能够驻留在压裂阀500中可基本上阻止压裂球501通过的任何形状的物体。此外，压裂球501可以为能够在基管100的至少一部分中行进，同时被止动球502保持在位来限制流量的任何形状的物体。在一个实施例中，止动球502可停留在插入口101中。在压裂状态下，致动器206可处于封闭的状态，推压止动球502部分进入室104。在这样的状态下，压裂球501可以从表面释放并下行至井中。当压裂阀500处于压裂模式时，压裂球501可以被任何的突出止动球502停止在插入口101。这样，止动球502的突出部分可以使压裂球501停止。在该状态下，压裂口102将打开，从而允许支撑剂从室104通过压裂口102流入地层，从而允许压裂发生。 [0044] 图6A示出了阻抗装置的实施例。在致动器206是偏置装置(例如弹簧)的实施例中，阻抗装置可以抵抗致动器206。在一实施例中，系带(string)形式的腐蚀装置可以为阻抗装置。在这样的实施例中，系带601可以由例如在遭受强力时破裂、腐蚀或溶解的物质制成，或者由被侵蚀或腐蚀性物质制成。系带保持器602可以是例如钩子或眼的附连在滑动套筒200与基管100上的材料。系带601可以通过系带保持器602将滑动套筒200与基管100连接。系带完整无缺时，可阻止致动器释放。一旦系带断裂了，致动器206可以推动滑动套筒601。使系带601断裂的一种方法可以包括通过压裂口推送一种与系带反应的腐蚀性材料，用于腐蚀系带601直至致动器206能够克服其阻抗。 [0045] 图6B示出了阻抗装置的另一实施例。在这样的实施例中，系带601可包括第一段601a和第二段601b。系带保持器602可连接第一段601a与基管100，而第二段601b可连接至与滑动套筒200连接的系带保持器602。在这样的实施例中，施加于滑动套筒任何轴向力可对阻抗装置施加张力。第一段601a可以由免受腐蚀或被侵蚀物质影响的材料制成，但被设计成在特定的张力下失效，而第二段601b可由与腐蚀或侵蚀物质反应的物质制成，第二段 601b在小得多的张力下就会失效。第二段的这种失效力梯度可以在初始时比第一段601a相关的失效力高，但二段的这种失效力梯度随着时间的推移最终降低到低于第一段601a相关的失效力。因此，无论第一段已溶解至何种程度，第一段601a可以是在遭受失效力时可断裂的阻抗装置的一部分。 [0046] 图7示出生产模式下的压裂阀500。当滑动套筒200被致动器206推向外圈207，压裂口102可以关闭，且生产口103可以打开。同时，由压裂球501施加的第二力可以将止动球502推回入第一套筒202的内端，从而可以进一步允许压裂球501通过基管101滑动到另一压裂阀500。一旦生产口103被打开，石油和天然气的提取可以开始。在一个实施例中，生产口可具有止回阀，以允许压裂继续下行而不将压裂液推过生产口。 [0047] 图8a示出了曲线图800，曲线图800示出了系带601的断裂点801。如结合图6A所讨论的，系带601可以制作成在压裂过程中溶解。在图800中，x轴可以表示时间，而Y轴可表示力。图800显示了系带强度线802和系带张力线803的曲线图。系带强度线802可表示随着时间推移使系带601断裂所需的力。系带强度线802可以是开始较高而随着时间下降的直线。系带强度线802显示出，随着系带由于压裂阀500中所注入的腐蚀性材料而变得更薄，系带 601会缓慢溶解或被侵蚀。因此，使系带601断裂所需的力会随时间而减小。系带张力线803可以是系带601的张力。该张力可以是与井的压力相关的致动器206的力和止动球501的轴向力。当处于压裂状态时，高度加压压裂液可注入压裂口102并进入地层。一旦地层破裂，压裂球501的压力可变平或下降。因此，更多的压裂液可以被注入到地层中，而压力变化不大。 经过一段时间，地层(formation)填满且不再接收压裂液。在这个时刻，随着更多的液体被压入井眼中，压力再次开始增加。井眼中压力的变化直接影响了该线上的张力，如系带张力线803所示。系带强度线802和系带张力线803相交的点是系带601的断裂点801。 [0048] 在一个实施例中，为了防止脱砂，压力传感器可以布置在井下。压力传感器能够读取压力或者确定压力何时达到阈值。一旦达到阈值点，压力传感器可以发送信号到计算机，从而可以通过致动器206控制滑动套筒200。其结果是，计算机可命令致动器206来引起滑动套筒200致动。在一个实施例中，致动器206可包括电机，电机能够产生将滑动套筒200从压裂位置移动到生产位置所需的力。 [0049] 图8B示出了压裂模式的压裂阀500的特写图。井眼压力通过第一力804将压裂球501向下推入到104室。当压裂球501抵靠止动球502时，压裂球501上的压力可能会导致止动球502推向滑动套筒200。压裂球501可通过第二力805推止动球502，导致止动球502进入滑动套筒202的角内壁。止动球502的第三力806会积聚在角空隙的壁上。其结果是朝向外圈 207的沿滑动套筒202径向的径向力808，以及沿基管100轴向的轴向力807。沿任一方向的力取决于角空隙的角度。角度越大，在轴向上会产生更大的力。 [0050] 当致动器206上的力和最终由压裂球501导致的轴向力807增加时，由于系带退化，使系带601断裂所需的轴向力减小。这样，系带强度线802和系带张力线803的交叉点是断裂点801。在断裂点801，系带601最后屈服于张力而断裂。 [0051] 图8C示出了曲线图804，曲线图804示出了系带601的分段实施例的断裂点801。如图6B所示，系带601可以在所需的力下或者暴露于腐蚀性物质而断裂。在图804中，系带强度线802可以以平坦的水平线开始，随着时间推移最终或渐渐地下降。第一段601a可以由平坦的系带强度线802表示，其示出了当施加一定量的力时，第一段601a是可断裂的。强度线802中系带601的强度的减小可能使系带601的第二段601b溶解到最终变得比第一段脆弱的程度。当处于压裂模式时，压力的增加和降低也可能会影响系带601的张力。这样，断裂点801是系带强度线802和系带张力线803相交的点。 [0052] 图8D示出了压裂模式下的压裂阀500的另一实施例。在该实施例中，第一套筒202的内表面可具有在内表面内的弯曲空隙，径向地形成第一套筒202的表面曲率。在压裂模式下，弯曲空隙可以在插入口101上方。第一套筒202的内表面内的斜率可使止动球502更容易克服系带601上的力。陡峭的角度会在轴向上产生更大的力。这样，压裂球501将止动球502推入滑动套筒202的弯曲内壁所需的力会减小。 [0053] 上文所述的操作方法的细节可发生各种改变，而不脱离以下权利要求的范围。一些实施例可结合本文中作为独立步骤所描述的操作。同样地，所描述步骤中的一个或多个可以被省略，这取决于实现该方法的具体操作环境。应理解的是，上述的实施例是说明性的，而不是限制性的。例如，上述实施例可彼此组合使用。阅读了上文的描述，许多其它实施例对于本领域中的技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应结合所附的权利要求，连同这些权利要求权利覆盖的所有等效物来确定。在所附的权利要求中，“包括”和“其中(in which)”等术语被用作“包含”和“其中(wherein)”等相应术语的纯语言等同物。 |
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