用于完成多级井的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201180063782.8 | 申请日 | 2011-12-14 | 公开(公告)号 | CN103339346A | 公开(公告)日 | 2013-10-02 |
| 申请人 | 普拉德研究及开发股份有限公司; | 发明人 | M·J·贝尔托亚; R·A·帕罗特; B·勒塞尔夫; V·铁木辛柯; S·巴拉金; E·N·塔拉索娃; G·L·里特尔斯基; B·安东尼; | ||||
| 摘要 | 一种装置包括伸入井中的管柱和布置在该管柱中的工具。该工具适于响应于该工具的射孔操作形成座来捕获通过管柱的通道传送到该工具的物体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种方法，包括： |
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| 说明书全文 | 用于完成多级井的方法和装置技术领域[0001] 该公开大体上涉及用于完成多级井的技术和装置。 背景技术[0002] 为了准备用于生产油或气的井的目的，可以通过布置机构、例如钢缆或连续油管柱将至少一个射孔器布置到井中。当射孔器位于适当位置时发射该射孔器的聚能射孔弹，以对井中的油管进行射孔并向周围的地层中形成射孔孔道。附加的操作可以在井中被执行以增加井的渗透性，例如井增产操作，例如包括水力压裂的操作。所有这些操作典型地是多级操作，其意味着每一个操作典型地涉及隔离井的特殊区域或级段，执行该操作并且然后进行到下一级段。典型地，多级操作涉及进入井中的多次往返或起下。发明内容 [0004] 在本发明的另一个实施方式中，一种装置包括伸入井中的管柱和在该管柱中布置的工具。该工具适于响应于工具的射孔操作形成座，以捕获通过柱的通道传送到该工具的物体。 [0005] 在本发明的另一实施方式中，一种可用于井的井下工具包括外壳、形成在外壳中的腔室、可压缩元件以及操作芯轴。该外壳适于形成管状管柱的一部分。该可压缩元件具有非压缩状态和压缩状态，在非压缩状态，穿过该可压缩元件的开口具有较大的尺寸，在该压缩状态，该开口具有较小的尺寸，以形成座来捕获通过该管柱传送到该工具的物体。该操作芯轴与该腔室连通，并且该操作芯轴适于被腔室施加的压力偏压，以保持该可压缩元件处于非压缩状态下，并且适于响应于对该腔室的射孔操作压缩该可压缩元件，以使该可压缩元件从该非压缩状态变换到该压缩状态。 [0006] 在本发明的又一实施方式中，一种可用于井的井下工具包括外壳、形成在外壳中的腔室、第一和第二可压缩元件以及阀。该外壳形成管状管柱的一部分。该第一可压缩元件具有非压缩状态和压缩状态，在该非压缩状态，穿过该第一可压缩元件的开口具有较大的尺寸，在该压缩状态，该开口具有较小的尺寸，以形成第一座来捕获通过该管柱传送到该工具的第一物体。该第一可压缩元件适于移位而响应于在第一座中第一物体的着陆操作产生流体阻挡结构，且该管柱通过使用该阻挡结构被施压；并且该第一可压缩元件适于响应于对该腔室的射孔操作而从该非压缩状态转变到该压缩状态。该阀适于响应于该第一可压缩元件的该转变而开启，以允许该外壳的通道与围绕该通道的管柱的外部区域之间的流体连通。该第二可压缩元件具有非压缩状态和压缩状态，在该非压缩状态，穿过该第二可压缩元件的开口具有较大的尺寸，在该压缩状态，该穿过该第二可压缩元件的开口具有较小的尺寸，以形成第二座来捕获通过该管柱传送到该工具的第二物体。该第二可压缩元件适于响应于该第一可压缩元件的转变操作而从该非压缩状态转变到该压缩状态。 附图说明[0008] 附图1、2、3、4A和5是根据本发明的实施方式的井的示意图，其示出了多级完井系统的不同状态，该多级完井系统包括工具，该工具通过使用射孔操作而选择性地被置于物体捕获状态下。 [0009] 附图4B显示一个可供选择的物体，其可用于本发明的实施方式。 [0010] 附图6是根据本发明的实施方式的一个流程图，该流程图描述一种使用工具的技术，该工具通过使用射孔操作而选择性地被置于物体捕获状态下，以执行多级完井操作。 [0011] 附图7和8是根据本发明实施方式的附图1-5的工具处于不同状态下的示意图。 [0012] 附图9、10、11、12、13和14是根据本发明的其它实施方式的井的示意图，其示出了包括阀工具的多级完井系统的不同状态。 [0013] 附图15是根据本发明的一个实施方式的附图9-14的阀工具的示意图。 [0014] 附图16描述了根据本发明实施方式的一个流程图，该流程图说明了一种使用套管布置的阀工具以执行多级完井操作的技术。 具体实施方式[0016] 在此使用的术语，例如“上”和“下”；“上部的”和“下部的”；“向上”和“向下”；“上游”和“下游”；“在……上”和“在……下”；以及其它类似的表示在给出的点或元件之上或之下的相对位置的术语使用在本说明书中以更加清晰的描述本发明的一些实施方式。但是，当应用的设备和方法使用在偏斜的或水平的环境时，上述的术语可能指由左到右、由右到左、或其它适当的关系。 [0017] 通常，在此公开的系统和技术旨在于多个区域或级段中执行井的增产操作（压裂操作，酸化操作等），该操作使用通过油管柱传送到井下的工具和物体（例如激活球，镖或球）来操作这些工具。如在此所公开的，这些工具可以独立地选择性地通过射孔操作来激活以将该工具放置在物体捕获状态下。 [0018] 参考附图1，作为非限制性的实例，根据本发明的一些实施方式，井10包括井眼15，其横穿一个或多个生产地层。对于在此公开的非限制性的实例，井眼15通过油管柱20加衬套或者由油管柱20所支撑，如附图1所描述的。油管柱20可以通过混凝土固定于井眼15（上述井眼典型地被称为“套管井”井眼），或者油管柱20可以通过封隔器固定于地层（上述的井眼典型地被称为“裸井”井眼）。通常，井眼15延伸穿过井10的一个或多个区域或级段30（附图1中描述了两个示例性的级段30a和30b，作为非限制的示例）。为了执行井10中的多级段增产操作（压裂操作，酸化操作等），油管柱20包括油管布置工具50（附图 1中描述了示例性的工具50a和50b），其允许作为这些操作的一部分地选择性地施压于井 10的不同级段30。如附图1中所描述的，每一个工具50是与油管柱20同中心的，形成油管柱20的一部分，且通常具有中央通道51，所述中央通道形成油管柱20的全部中央通道 24的一部分。 [0019] 值得注意的是，尽管附图1和随后的附图描述了横向的井眼15，但在此公开的技术和系统可以类似地应用于垂直的井眼中。而且，按照本发明的一些实施方式，井10可以包括多个井眼，其包括具有类似工具50的类似的管柱。因此，很多变形被预期并包含在所附的权利要求书的范围之内。 [0020] 按照本发明的一些实施方式，当作为油管柱20的一部分初始布置时，所有的工具50处于它们的放入井内的未激发状态。在其未激发状态（在此称为“通过状态”）中，工具50允许物体（例如附图4A中描述的激活球90，例如或者附图4B中描述的镖90B）从井眼的地面掉落以通过工具50的中央通道51。如在此所公开的，每一工具50可以随后被选择性地激活以使工具50处于物体捕获状态，在此状态下工具50被配置为能捕获物体，该物体通过油管柱20的中央通道24传送到工具50。在其物体捕获状态下，工具50限制通道51以形成座用来捕获该物体（例如附图4或4B中所描述的）。 [0021] 更具体地，给定的工具50可以在如下意义上被作为目标：为了在给定的级段30中执行增产操作的目的可以期望操作这个目标工具。作为目标的工具50置于物体捕获状态下，因此通过中央通道24（从井10的地面或从另一个井底工具）布置的物体可以行进到该工具并且变为搭挂于形成在工具50中的物体捕获座中。座和由座捕获的物体然后组合以形成不透流体阻挡结构。如在此进一步描述的，然后为了引导施压的流体进入到井地层中的目的，可以使用这个不透流体阻挡结构。 [0022] 现在转向更加具体的细节，通常，每一个工具50均包括座形成元件54，其被构造为，当工具50被激活时在通道51内径向收缩以形成物体捕获座（在附图1中未示出），以使工具50从通过状态转变为目标捕获状态。如在此进一步描述的，根据本发明的一些实施方式，座形成元件54可以是一种例如C环或夹头的元件（作为非限制的实例），其可以被压缩以形成目标捕获座。 [0023] 根据本发明的一些实施方式，激活工具50的一种方式是对（工具50的）腔室60射孔，该腔室一般包围通道51，并在至少一些实施方式中配置在座形成元件54的井口方向。在此方式中，腔室60被构造为能通过例如从射孔器（在附图1中未示出）发射的至少一个射孔喷射来毁坏；并且如在此进一步描述的，工具50被构造为自动响应于腔室60的毁坏操作而引起工具50自动收缩上述座形成元件54以形成物体捕获座。 [0024] 初始地，腔室60填充有气体填充物，其施加与井下环境的压力不同的压力。由该气体填充物施加的压力保持工具50处于其通过状态下。然而，当腔室60被毁坏（例如通过射孔喷射）时，工具响应于新的压力（例如更高的压力）以径向收缩座形成元件54进而形成物体捕获座。 [0025] 作为非限制的实例，根据一些实施方式，腔室60是一种大气腔室，其初始被充满气体，该气体施加大气压力下或接近大气压力的流体压力。当腔室60被毁坏时，井环境的高压引起工具50压缩座形成元件54。 [0026] 为了实例的目的，在附图1中描述了每一级段30使用一个工具50。然而，可以理解的是，按照其它的实施方式，一个给定的级段30可以包括多个工具50。此外，尽管在附图1中只示出了两个工具50，但四十或五十个上述的工具50，且实际上不受限制的数目的上述工具50被预期，以对井眼地层中的相应不受限制数目的级段或区域进行增产操作。而且，对于在此公开的实例，可以通过附图1中未示出的工具50对井眼15的趾端（toe end）40处的管柱20和周围地层进行射孔而产生一组相应的射孔孔道44，并且被增产处理而产生增产区域65。 [0027] 在下述的实例中，假设增产操作在从井眼15的趾端到跟端（heel end）的方向上进行。但是，可以理解的是本发明的其它实施方式中，增产操作可以在不同的方向执行，且通常可以以非特定的方向顺序在任意给定的级段30处执行。 [0028] 参考附图2，根据本发明的一些实施方式，最下部的工具50a可以首先通过使射孔器70（通过钢缆72或其它输送机构）行进到油管柱20的中央通道24中并达到适合的位置来激活，以对工具50a的腔室60射孔。本领域技术人员可以理解的是，可以使用任意数量的技术以确保射孔操作与工具50a的指定区域对准，从而由射孔器70发射产生的至少一个射孔喷射使工具50a的腔室60破裂。注意这个使腔室60破裂的射孔操作也可以在油管20的邻近部分中产生射孔，且该射孔进入周围的地层以形成一组射孔孔道78，如附图2中所描述的。可替换地，腔室60可以通过这样一种工具被穿孔，该工具向井下行进（例如，在连续油管柱上）到油管柱20的中央通道24内，并且放置在工具50a内以传递磨粉浆（例如，通过连续油管柱泵送）以磨蚀腔室60的壁以从而毁坏腔室60。 [0029] 工具50a通过自动径向地收缩座形成元件54来响应腔室60的毁坏操作，以将油管工具50a置于物体捕获状态下。如附图2所描述的，在物体捕获状态下，径向收缩的座元件54形成相应的座76，其尺寸适合于捕获通过油管柱20的中央通道24向井下传送的物体，从而，传送的物体搭挂在座76中。而且，座76构造为，与搭挂在座76中的物体共同产生不透流体阻挡结构，防止流体经过该处前进且进一步沿油管柱20的中央通道24向下。 [0030] 参考附图3，在一个实施方式中，在物体向井下传送之前，然而，射孔器70从工具50a向井口方向拉动以至少在一个其它位置处对该油管柱20射孔，以产生至少一个射孔孔道的附加组80。在这一点上，选择性地在工具50a与工具50a之上的下一个工具50b之间对油管柱20和周围的地层射孔，以便进一步增加在油管柱20的中央通道24与周围地层之间的液压连通。可替换地，在本发明的其它实施方式中，射孔器70可以被这样一种工具替换，该工具在中央通道24内朝井下行进（例如在连续油管柱上），以传递磨粉浆，用以在油管柱20的壁中形成开口，且打开向地层的流体连通路径，它们与射孔孔道70类似。在附加的射孔操作完成之后，射孔器70被拉出井10，以产生自由的通道用以布置掉落的物体，例如激活球90，其搭挂于座76之中，如附图4A中所描述的。 [0031] 参考附图4A，对于这个实例，激活球90通过油管柱20的中央通道24从井的地面向井下传送。这个球90通过设置于工具50a的井口方向的其它工具50（例如附图4A中描述的工具50b），因为这些其它工具50在它们的初始的通过状态下。由于在座76中的物体90的着陆，在油管柱24中在工具50a处产生了不透流体阻挡结构。因此，增产流体可以被传送到油管柱24的中央通道中且受压（例如通过地面配置的流体泵），以执行增产操作。也就是说，通过由座76和球90组合形成的不透流体阻挡结构阻止了通过油管柱20的中央通道24泵送的增产流体，使其不能沿着中央通道24向下前进，相反增产流体在射孔孔道78和80组处被引导进入地层中，以在地层中产生增产区域92，如附图5中所描述的。在一个实例中，增产流体是一种破裂流体且增产区域92是压裂区域。在另一个实例中，增产流体是一种酸。 [0032] 因此，附图1-5描述了至少一种方式，在此方式中，给定的工具50可以选择性地被置于物体捕获状态下，且用于在井10的一个部分中执行增产操作，该部分在给定的工具50和下一个相邻布置在给定的工具50的井口方向的工具50之间。因此，对于这个非限制的实例，增产操作通过对其它工具50重复如上描述的操作而从趾端40沿井口方向朝井眼15的跟端继续进行。 [0033] 参考附图6，因此，根据本发明的一些实施方式，技术100包括在井中的油管柱中布置工具（框104）和对工具的指定部分射孔以将该工具置于物体捕获状态下（框108）。技术100包括在油管柱中布置物体（框112），例如激活球或镖（作为非限制性的实例）和通过油管柱向井下传送该物体以使该物体搭挂在该工具的座中而在油管柱中产生不透流体阻挡结构。根据本发明各种实施方式，然后，这个不透流体阻挡结构可以用于，按照框116，阻止增产流体使其不能进一步通过油管柱的中央通道，相反增产流体被引导进入井眼地层中以增产地层。可使用井中的其它这样的工具重复技术100，以用于随后的增产操作。 [0034] 参考附图7，根据本发明的一些实施方式，工具50可以包括管状外壳154，其通常限定出工具50的纵轴150并且形成油管柱20的一部分。对于这个非限制的实例，座形成元件54（例如参见附图4A）是C环156，其在相应的非压缩状态（如附图7中所显示的）下允许物体通过工具50的中央通道51。根据本发明的一些实施方式，C环156使用操作芯轴160被选择性地压缩。在此方式中，只要腔室60没有毁坏，操作芯轴160就被偏压以将C环 156保持在其非压缩状态，如附图7中所描述的。根据本发明的一些实施方式，腔室60在操作芯轴160的一个端部164上施加大气压力；且由腔室160施加的力通过例如由另一个大气腔室180在芯轴160的另一个端部168上施加的力来平衡。只要腔室60保持未毁坏，C环156便由操作芯轴160的径向较薄部分161围绕，并且保持相对的非压缩状态。 [0035] 如附图7中所描述的，根据一些实施方式，较薄部分161可以是操作芯轴160的径向阶梯状轮廓的一部分。阶梯状轮廓还包括压缩C环156的径向较厚部分172以及倾斜表面170，该倾斜表面170在较薄部分161与较厚部分172之间形成过渡。腔室60的毁坏在操作芯轴160上产生差力，以强制较厚部分172包围C环156，从而压缩C环156以形成物体捕获座76，其现在可以呈现径向缩减的O环形状，如在附图8中所描述的。 [0036] 参考附图9，根据本发明的其它实施方式，井200可以使用油管布置阀工具210（代替工具50），其包括物体操作油管阀216。通常，附图9包括相应于如上描述的类似元件的类似参考，不同元件由不同的附图标记表示。油管阀216可以选择性地操作以选择性地在油管柱20的中央通道24与周围的地层之间建立连通。在这一点上，当开启时，油管阀216允许通过形成在油管柱20中的一组径向端口220的流体连通。 [0037] 类似于工具50，工具210包括腔室212（例如大气腔室），其构造为通过射孔选择性地毁坏，目的是为了转变工具210进入物体捕获状态。但是，不像工具50，工具210具有两个座形成元件214和218：响应于腔室212的射孔操作，座元件214被激活，或者径向收缩，以形成相应的座来捕获物体，以便进而操作油管阀216；并且响应于油管阀216的开启操作，座元件218被激活，或者径向收缩，以形成相应的阀座来捕获另一个物体，如在下面进一步描述的。如附图9中所描述的，不像工具50中那样腔室60在座元件54之上或在其井口方向（例如参见附图1），腔室212设置在座形成元件214和218之下或在其井底方向。根据本发明的一些实施方式，类似于工具50的座形成元件54，座形成元件214、218可以由压缩的元件（例如夹头或C环，作为非限制性的实例）形成，当径向压缩时，其形成用于捕获物体的座。 [0038] 更具体地，当油管工具210作为油管柱20的一部分初始安装时，所有的油管工具210处于它们的物体通过状态。换句话说，每一个油管工具210的座形成元件214和218初始处于允许物体（例如球或镖）通过该工具210的位置。 [0039] 附图10描述了井200在最接近于井眼15的趾端40的级段30a中的增产操作的开始。如附图10中所描述的，射孔器70选择性地放置以形成至少一个射孔喷射，其使工具210a的腔室212破裂。因此，附图10描述了由射孔喷射形成的一组射孔孔道250，并且至少一个射孔喷射使工具210a的腔室212破裂。类似于如上描述的工具50的操作，工具210构造为自动响应腔室212的破裂以径向收缩座形成元件214，用以形成用于工具210的目标捕获座，如附图10中所描述的。因此，参考附图11，物体，例如激活球260或者镖，可以通过油管柱20的中央通道24传送于井下，以在由径向收缩的座形成元件214产生的这个座中着陆，用以在油管柱20的中央通道24中产生相应的不透流体阻挡结构。 [0040] 由于该不透流体阻挡结构，可以在就座的激活球260的井口方向对流体进行施压，并且座形成元件214构造为当压力超出预定的阈值时向井底方向平移。所产生的座形成元件214的纵向移位又引起油管阀216的向下移位，从而允许流体与储层连通，如附图12中所描述的。因此，球260的井口方向的流体施压开启了阀216并且可以用于（作为非限制的实例）执行增产操作。对于如附图12中所描述的实例，这个增产操作涉及水力压裂该端口220周围的地层以产生相应的压裂区域270。可替换地，酸可以用于增产区域270。 [0041] 同样如附图12中所描述的，座元件214的移位不仅开启阀216，而且还将另一个座形成元件218（其配置为在座形成元件214的井口方向）转变为其物体捕获状态。换句话说，如附图12中所描述的，由于元件214的移位，座形成元件218径向地收缩，因此形成相应的捕获另一个物体的座。 [0042] 作为更具体的实例，附图13描述了随后行进到井200中的射孔器70的使用，目的是为了在工具210a和210b之间产生一组或多组射孔孔道280，并且使用射孔器70的目的是向井底方向运输另一个激活球274。在这一点上，如附图13中所描述的，激活球274可以初始被连接在射孔器70的下端，如附图13中的虚线所描述的。在产生相应组的射孔孔道280的射孔操作之后，在井200的地面以引起射孔器270释放激活球274的方式控制射孔器70。在释放操作之后，激活球274向井下行进更远，以搭挂于由元件218形成的座中，如附图14中所描述的。在之前描述的本发明的实施方式中，注意射孔器也可以用于布置物体90到井下。 [0043] 参考图14，由于激活球274搭挂在由座形成元件218产生的座中，在油管柱20中产生了另一个不透流体阻挡结构，以允许在球274的井上方向执行增产操作。在这个方式中，如图14所示，压裂或者酸化操作，例如可以执行，以在地层中形成一个或多个增产区域300。根据本发明的不同的潜在的实施方式，其它的级段（例如级段30b）可以以相同的方式增产。 [0044] 作为非限制的实例，附图15总体上描述了根据一些实施方式的工具210。对于这个实例，工具210包括管状外壳400，其通常限定出工具210的纵轴360并且形成油管柱20的一部分。外壳包括径向端口220，其形成阀216的一部分。在这个方式中，对于这个实例，阀216是套筒阀，其包括包含径向端口405的内部套筒404，所述内部套筒被构造为能沿着纵轴相对于外壳400滑动。当阀216开启时，套筒404处于这样的一个位置，在此位置，套筒404的径向端口405与端口202对准，而当阀216关闭时（如附图15中所描述的），套筒404处于这样的一个位置，在此位置，流体通过端口220和405的连通被阻止。附图15中没有示出的是在套筒404的外表面与外壳400的内表面之间的各种密封件（例如O环）。 [0045] 当初始作为油管柱20的一部分安装时，阀216是关闭的，如附图15中所描述的。为了允许开启阀216的目的，阀216连接到机构420，其在附图15中被示意性地描述。类似于如上描述的用于压缩工具50的密封元件54的致动机构，机构420包括操作芯轴，其响应于腔室212的毁坏操作以压缩密封形成元件214，用以形成物体捕获座。在物体被布置成搭挂于座中之后，然后，可以通过油管柱20中的流体压力在机构420上施加一个向下的力。 由于将套筒404连接到该机构，向下的力沿着纵轴360向下移动套筒404，直到套筒404到达停止位置（未示出），在这个位置，套筒404的端口405与外壳400的端口220对准，以将阀216置于开启状态。 [0046] 如附图15中示意性地描述的，套筒404的上部伸出部分410连接到机构430（如附图15中示意性描述的），该机构430被连接于外壳400。套筒404的向下移动引起伸出部分410移动机构430的操作芯轴，以与如上描述的工具50的致动操作芯轴160压缩密封元件54相似的方式压缩密封形成元件218而产生其它的物体捕获座。因此，沿着纵轴360向下平移的套管404开启阀216并且激活工具210的第二物体捕获座。 [0047] 参考附图16，因此，根据本发明的一些实施方式的技术500包括：在井中的油管柱中布置工具（框504）和对工具的一个指定部分射孔以激活工具的第一物体捕获座（框508）。按照技术500，按照框512，然后在油管柱中布置物体且该物体通过油管柱向井下传送，以使得该物体搭挂在工具的第一物体捕获座中，从而在油管柱中产生不透流体阻挡结构。不透流体阻挡结构然后用于向油管柱的一个区域施加压力，以开启油管阀并且激活工具的第二物体捕获座（框514）。然后，按照框516，可以使用在井的第一区域中开启的油管阀执行增产操作。该技术500还包括布置另一物体，以使得物体搭挂在工具的第二目标捕获座中，用以在油管柱中在开启的阀的井口方向产生另一不透流体阻挡结构（框520）。按照框524，该另一不透流体阻挡结构然后用于向油管柱的一个区域施压，以在井的第二区域中执行增产操作。 [0048] 注意在每一如上描述的实施方式中，当在物体通过状态下时，沿着油管柱的长度布置的工具50或210可以全部具有大致相同的开口尺寸；并且类似地，当在物体捕获状态下时，沿着油管柱的长度布置的工具50或210可以全部具有大致相同的开口尺寸。因此，每一掉落的物体90外围可以具有大约相同的尺寸，且每一掉落的物体90将通过所有处于物体通过状态下的工具50或210，并且将只着陆在处于物体捕获状态下的工具50或210中。 |
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