CN102224320B - 防砂筛管组件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种防砂筛管组件(40)，可操作地定位于井眼(48)内。防砂筛管组件(40)包括具有至少一个开口(60)和内部流路(44)的基管(42)。可溶胀材料层(46)设置在基管(42)外。流体收集子组件(50)设置在可溶胀材料层(46)外。流体收集子组件(50)与内部流路(44)流通。过滤介质(62)与防砂筛管组件(40)可操作地相连，并设置在防砂筛管组件(40)的外部与内部流路(44)之间的流路中。响应于与活性流体的接触，可溶胀材料层(46)的径向扩张使得流体收集子组件(50)的至少一部分接触井眼(48)。

Description

防砂筛管组件及其使用方法

技术领域

本发明总体上涉及控制从地层开采出颗粒材料，具体地涉及具有可溶胀材料（swellable material）层的防砂筛管组件，该可溶胀材料可操作以响应于与活性流体的接触而在井下径向扩张。

背景技术

参照经由一穿过未固结或松散固结的地层的井眼来开采烃的方案作为示例来描述本发明的背景技术，该示例并不限制本发明的范围。

在地下钻井和完井的领域中公知的是，在从穿过未固结或松散固结的地层的井中开采烃时，会开采出例如砂之类的颗粒材料。开采出这类颗粒材料可导致发生许多问题。例如，颗粒材料导致井内的部件例如油管、流动控制装置和安全装置磨损。另外，颗粒材料会部分或完全地阻塞油井，由此需要进行昂贵的井大修（workover）。此外，如果颗粒材料被开采到地表，则必须通过地表的处理设施将这些颗粒材料从烃流体中移除。

一种用于防止开采出这种颗粒材料的方法是以砾石充填邻近未固结或松散固结的开采层段的井。在典型的砾石充填完井中，将防砂筛管下降到工作管柱上的井眼中，并到达最接近期望的开采层段的位置。然后，将包含液体载体和例如砾石之类的颗粒材料的流体浆沿工作管柱向下泵送，并进入防砂筛管与穿孔的井套管或裸眼开采区之间的井内环空（well annulus）中。

流体载体通过流经防砂筛管而流入地层或返回地表，或者通过流经防砂筛管而既流入地层又返回地表。在任一种情况下，砾石沉积在防砂筛管周围，以形成砾石充填，这种砾石充填对于烃流体的流动来说是高度可渗透的，但可阻挡烃流体中所携带的颗粒的流动。这样，砾石充填能成功防止与从地层中开采出颗粒材料相关联的问题。

然而，已经发现难以实现在期望开采层段的完整的砾石充填；在延伸的或倾斜的井眼，包括具有长的水平开采层段的井眼中尤其如此。这些不完整的充填通常是液体载体进入开采层段的渗透部而造成砾石脱水，并在环空中形成砂桥的结果。此后，砂桥防止浆流到环空的剩余部分，这样依次防止充足的砾石堆放在开采层段的剩余部分。

另外，已经发现砾石充填在某些裸眼完井中不可行。已经尝试在这种裸眼完井中使用可扩张的金属防砂筛管。这些可扩张的金属防砂筛管典型地安装在井眼中，然后使用穿过筛的内部的液压冲模（hydraulic swage）或锥体或者其他金属成形技术，来径向扩张这些可扩张的金属防砂筛管。除了从地层流体滤出颗粒材料之外，这些可扩张的防砂筛管的一个益处在于它们为地层提供径向支撑，这有助于防止地层坍塌。然而，已经发现因为井眼的轮廓并不均匀，所以传统的可扩张的防砂筛管并不是在它们的整个长度上都接触到井眼的壁。更具体地，由于钻井眼的过程和井下岩层的异质性，通常发生冲蚀（washouts）或其他不规则现象，这导致井眼内的某些位置具有比其他区域更大的直径，或者具有非圆形的横截面。因此，当可扩张的防砂筛管扩张时，在可扩张的防砂筛管与井眼的不规则区域之间生成孔隙，这已经导致可扩张的防砂筛管与井眼之间的不完全接触。另外，对于某些传统的可扩张的防砂筛管而言，由于螺纹连接件是不可扩张的，这会生成非常复杂的轮廓，使得至少其中一部分防砂筛管不接触井眼。进一步，当传统的可扩张的防砂筛管扩张时，扩张的筛管的径向强度急剧降低，导致对井眼的径向支撑力极小（如果还有的话）。

因此，需要这样一种防砂筛管组件，其防止从穿越含烃地层的井中开采出颗粒材料而无需执行砾石充填操作。还需要这样一种防砂筛管组件，其对地层提供无干涉的径向支撑而无需扩张金属管。进一步，需要这样一种防砂筛管，其适合在长的水平的裸眼完井中进行操作。

发明内容

在此公开的本发明包括一种防砂筛管组件，其防止从穿越含烃地层的井或作为注入井操作的井中开采出颗粒材料。本发明的防砂筛管组件实现这个结果而无需执行砾石充填操作。另外，本发明的防砂筛管组件无干涉地对地层提供径向支撑，而无需扩张金属管。进一步，本发明的防砂筛管组件适合用于裸眼完井中的长的水平开采层段内的操作。

根据本发明的一个方面，提供了一种防砂筛管组件，所述防砂筛管组件可操作地定位于井眼内且包括：基管，具有位于所述基管的侧壁部中的至少一个开口、空管区段和内部流路；可溶胀材料层，设置在所述基管的所述空管区段外；包括多个圆周分布的穿孔管的流体收集子组件，设置在所述可溶胀材料层和所述基管的空管区段外，每个穿孔管具有多个轴向分布的开口以提供进入每个穿孔管的多个流体进入位置，每个穿孔管经由所述基管的开口与所述内部流路流体连通；以及过滤介质，可操作地与所述防砂筛管组件相连，并设置在所述防砂筛管组件的外部与所述内部流路之间的流路中；其中，响应于与活性流体的接触，所述可溶胀材料层的径向扩张使得每个穿孔管的至少一部分朝向所述井眼的表面移位。

根据本发明的另一方面，提供了一种在井眼中安装防砂筛管组件的方法，所述方法包括：使所述防砂筛管组件行进至所述井眼内的目标位置，所述防砂筛管组件具有设置在可溶胀材料层外的包括多个圆周分布的穿孔管的流体收集子组件，所述可溶胀材料层设置在基管的空管区段外，每个穿孔管具有多个轴向分布的开口以提供进入每个穿孔管的多个流体进入位置，每个穿孔管经由所述基管的至少一个开口与所述基管的内部流路流体连通；使所述可溶胀材料层接触活性流体；响应于与所述活性流体的接触，所述可溶胀材料层径向扩张；以及响应于所述可溶胀材料层的径向扩张，使每个穿孔管的至少一部分朝向所述井眼的表面移位。

在一个方案中，本发明涉及一种操作为可定位于井眼内的防砂筛管组件。该防砂筛管组件包括基管，该基管的侧壁部上具有至少一个开口，且该基管具有内部流路。可溶胀材料层设置在基管的至少一部分的外部。流体收集子组件设置在可溶胀材料层的外部，并经由开口与内部流路流通。过滤介质可操作地与防砂筛管组件相连，并设置在防砂筛管组件的外部与内部流路之间的流路中。响应于与活性流体，例如烃流体、水和气的接触，可溶胀材料层的径向扩张引起流体收集子组件的至少一部分向井眼的表面移位，并优选紧密接近或接触井眼。

在一个实施例中，可溶胀材料层设置在基管的空管区段外。在另一实施例中，可溶胀材料层设置在基管的穿孔区段外。在某些实施例中，流体收集子组件包括多个周向分布的穿孔管。在这些实施例中，从穿孔管排放的流体在进入内部流路之前被收集在腔内。在其他实施例中，流体收集子组件可包括多个流体入口，例如伸缩的流体入口、柔性的流体入口等等。

在一个实施例中，过滤介质设置在流体收集子组件外。在另一实施例中，过滤介质设置在流体收集子组件内。在其它的实施例中，过滤介质设置在流体收集子组件的下游。过滤介质可以是单层丝网式筛管、多层丝网式筛管、绕丝筛管、预充填筛管、陶瓷筛管、流体多孔（fluid-porous）的抗颗粒的（particulate resistant）烧结的金属丝网式筛管、流体多孔的抗颗粒的扩散粘合的金属丝网式筛管等。在某些实施例中，筛管元件可设置在流体收集子组件和可溶胀材料层外。

在另一方案中，本发明涉及一种操作为可定位于井眼内的防砂筛管组件。该防砂筛管组件包括具有穿孔区段、空管区段和内部流路的基管。可溶胀材料层设置在基管的空管区段外。流体收集子组件设置在可溶胀材料层外并与内部流路流通。过滤介质设置在基管的穿孔区段外。响应于与活性流体的接触，可溶胀材料层的径向扩张引起流体收集子组件的至少一部分向井眼的表面移位。

在进一步的方案中，本发明涉及一种在井眼中安装防砂筛管组件的方法。该方法包括将防砂筛管组件行进至井眼内的目标位置，防砂筛管组件的流体收集子组件设置在可溶胀材料层外，而可溶胀材料层设置在基管的至少一部分外；可溶胀材料层与活性流体接触，且响应于与活性流体的接触，可溶胀材料层径向扩张；以及响应于可溶胀材料层的径向扩张，流体收集子组件的至少一部分朝向井眼的表面移位。

在又一方案中，本发明涉及一种操作为可定位于井眼内的井下工具。该井下工具包括具有内部流路的管状构件。可溶胀材料层设置在管状构件的至少一部分外。传感器设置在可溶胀材料层外。响应于与活性流体的接触，可溶胀材料层的径向扩张引起传感器朝向井眼的表面移位，并优选紧密接近或接触井眼。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在连同附图一起参考本发明的详细描述，其中不同附图中的相应附图标记指的是相应部件，其中：

图1A是根据本发明的实施例的以行进形态（running configuration）来操作多个防砂筛管组件的井系统的示意图；

图1B是根据本发明的实施例的以操作形态（operating configuration）来操作多个防砂筛管组件的井系统的示意图；

图2A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件沿图1A的线2A-2A截取的剖视图；

图2B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件沿图1B的线2B-2B截取的剖视图；

图3是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的四分之一截面的局部侧视图；

图4A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件的剖视图；

图4B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件的剖视图；

图5是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的四分之一截面的局部侧视图；

图6是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的二分之一截面和四分之一截面的局部侧视图；

图7是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的四分之一截面的局部侧视图；

图8A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件的剖视图；

图8B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件的剖视图；

图9A是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的剖视图；

图9B是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的剖视图；

图9C是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的剖视图；

图10A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件的剖视图；

图10B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件的剖视图；

图11是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的剖视图；

图12是根据本发明的实施例的防砂筛管组件的剖视图；

图13A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件的侧视图；

图13B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件的侧视图；

图14A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件沿图13A的线14A-14A截取的剖视图；

图14B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件沿图13B的线14B-14B截取的剖视图；

图15A是根据本发明的实施例的处于行进形态的防砂筛管组件的四分之一剖视图；

图15B是根据本发明的实施例的处于操作形态的防砂筛管组件的四分之一剖视图。

具体实施方式

虽然以下详细讨论了形成和使用本发明的各种实施例，但是应理解本发明提供许多可应用的创造性概念，这些创造性概念能够在大量的特定环境下实施。在此讨论的特定实施例仅仅是形成和使用本发明的示例性的特定方式，并非限制本发明的范围。

首先参考图1A，其中描述了包括体现本发明原理的多个防砂筛管组件的井系统，该井系统由附图标记“10”示意性示出。在示出的实施例中，井眼12延伸通过各种地岩层（earth stratum）。井眼12具有基本竖直的区段14，区段14的上部中已经安装有胶结在井眼12内的套管柱16。井眼12还具有基本水平的区段18，区段18延伸通过含烃地层20。如示出的，井眼12的基本水平的区段18是裸眼。

油管柱（tubing string）22位于井眼12内并从地表延伸。油管柱22提供了用于使地层流体从地层20流向地表的管道。多个防砂筛管组件24位于油管柱22内。示出的防砂筛管组件24处于行进形态或者说未伸展形态。

还参考图1B，其中描述了防砂筛管组件24处于其操作形态或径向扩张形态时的图1A的井系统。如以下更详细解释的，每个描述的防砂筛管组件24具有基管、流体收集子组件、过滤介质和可溶胀材料层。一般而言，可溶胀材料层围绕基管的空管区段的圆周设置在基管的空管区段外，流体收集子组件设置在可溶胀材料层外。过滤介质可设置在流体收集子组件外、流体收集子组件内、流体收集子组件的下游或上述位置的任意组合。在这个构造中，当防砂筛管组件24接触活性流体，例如烃流体、水或气时，每个防砂筛管组件24的可溶胀材料层径向扩张，这依次引起每个防砂筛管组件24的流体收集子组件接触井眼12的表面。

虽然图1A-图1B将油管柱22描述为只包括防砂筛管组件24，但是本领域技术人员将认识到油管柱22可包括任意数量的其他工具和系统，例如流体流量控制装置、通信系统、安全系统等。此外，可使用例如封隔器之类的层位封隔装置将油管柱22分成多个层段。类似于防砂筛管组件24中的可溶胀材料，这些层位封隔装置可由在接触例如无机流体或有机流体这样的流体时膨胀的材料制成。可引起层位封隔装置膨胀并隔离的一些示意性流体包括水、气和烃。

另外，尽管图1A-1B描述了本发明的防砂筛管组件位于井眼的水平区段中，但是本领域技术人员应理解，本发明的防砂筛管组件同等地适用于倾斜的井眼或竖直的井眼。因此，本领域技术人员应理解，使用的方向性术语，例如以上、以下、上部、下部、向上、向下等等是与图中描述的示例性实施例相关联使用的，向上的方向为朝向相应附图的顶部，而向下的方向则是朝向相应附图的底部。同样地，虽然图1A-图1B描述了具有单个钻孔的井眼中的本发明的防砂筛管组件，但是本领域技术人员应理解，本发明的防砂筛管组件同等地适用于具有一个主井眼和多个分支井眼的多分支井眼（multilateral wellbore）。

参考图2A，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件的剖视图，该防砂筛管组件总体上以附图标记40来表示。防砂筛管组件40包括限定内部流路44的基管42。基管42具有允许流体在基管42的外部与内部流路44之间穿过的多个开口（截面中未示出）。可溶胀材料层46位于基管42周围。可溶胀材料层46通过粘合或其他合适技术附接到基管42。优选地，可溶胀材料层46的厚度基于防砂筛管组件40的直径和井眼48的直径来优化，使得在扩张时，如以下更详细解释的，可溶胀材料层46和流体收集子组件50与井眼48的表面之间实现基本均匀的接触。

在示出的实施例中，并如在图3中最佳看到的，流体收集子组件50包括多个穿孔管52。优选地，穿孔管52围绕防砂筛管组件40的包括可溶胀材料层46的部分圆周分布。在操作中，生产流体经由穿孔管52的开口54进入流体收集子组件50，并排放到基管42与外壳体58之间的环空区域56。即使穿孔管52已经被描述为具有圆形横截面，但是本领域技术人员应理解，穿孔管52可替换地具有不同形状的横截面，例如椭圆形、三角形、矩形等等，以及不对称的横截面。

基管42包括允许生产流体进入内部流路44的多个开口60。过滤介质62设置在这部分基管的周围并位于环空区域56内。过滤介质62可包括机械滤筛元件，例如具有一层或多层编织金属丝网或纤维网的流体多孔的颗粒限制（particulate restricting）的金属筛管；上述一层或多层编织金属丝网或纤维网可扩散粘合或烧结在一起以构成筛管，该筛管设计为允许流体从中流过但阻止预定大小的颗粒材料流过。在示出的实施例中，过滤介质62包括具有相对常规的（course）金属丝网的外排水层64和内排水层66，外排水层与内排水层之间设有过滤层68，该过滤层具有相对细的筛孔。应注意本发明的防砂筛管组件可与其他类型的过滤介质例如绕丝筛管、预充填筛管、陶瓷筛管、诸如不锈钢珠或烧结的不锈钢珠之类的金属珠等等一起使用。过滤介质62的大小根据将安装过滤介质的开采层段的具体要求来确定。一些示例性的过滤介质62的间隙大小为20-250标准筛孔范围。

现在又参考图2B，其中描述了处在操作形态的防砂筛管组件40的剖视图。在示出的实施例中，可溶胀材料层46已经接触活化流体，例如烃流体、水或气，这已经引起可溶胀材料层46径向扩张而接触井眼48的表面，在示出的实施例中，该表面为地层面（formation face）。另外，可溶胀材料层46的径向扩张已经引起流体收集子组件50的穿孔管52接触井眼48的表面。本发明的防砂筛管组件提供的一个益处是，除了为地层流体进入内部流路44提供路径并将颗粒材料滤出地层流体之外，本发明的防砂筛管组件还对地层提供支撑，以防地层坍塌。与上述传统的可扩张的金属防砂筛管相比，本发明的防砂筛管组件提供与地层的改进接触，因为可实现更大的径向扩张；并且可溶胀材料层更贴合（compliant），使得其能够更好适合不均匀的井眼表面。在优选实施方案中，本发明的防砂筛管组件对井眼提供约500psi到约2000psi之间的坍塌支撑力。本领域技术人员将认识到，对于具体的实施方案，本发明提供的坍塌支撑能够通过基管、可溶胀材料层和流体收集子组件的特定设计特征而得到优化。

可采用各种技术使可溶胀材料层46与用于引起可溶胀材料层46膨胀的合适的活化流体接触。例如，当防砂筛管组件40安装在井中时，活化流体可能已经出现在井中，在这种情况下，可溶胀材料层46优选包括用于延迟可溶胀材料层46膨胀的机构，例如吸收延迟涂层或薄膜、或防止涂层或薄膜、溶胀延迟材料合成物等。

可替换地，可在防砂筛管组件40安装在井中之后，使活化流体通过井流通到可溶胀材料层46。作为另一替换方案，可从围绕井眼的地层开采进入井眼的活化流体。因此应认识到，根据本发明的原理，可使用引起防砂筛管组件40的可溶胀材料层46发生膨胀的任意方法。

可溶胀材料层46由接触活化流体（例如无机或有机流体）时膨胀的一种或多种材料形成。例如，该材料可以是在由刺激材料以扩张的活化流体激活时，从其原始尺寸膨胀数倍的聚合物。在一个实施例中，可溶胀材料是在接触和/或吸收烃，例如油或气时膨胀的材料。烃被吸收到可溶胀材料中，使得可溶胀材料的体积增加，从而产生可溶胀材料的径向扩张。优选地，可溶胀材料将一直膨胀，直到其外表面和流体收集子组件50的穿孔管52接触到裸眼完井或下套管井筒中的套管壁中的地层面为止。因此可溶胀材料为使得流体收集子组件50的穿孔管52接触地层定位提供了能量。

一些示例性可溶胀材料包括弹性聚合物，例如EPDM橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶单体（ethylene propylene monomer rubber）、三元乙丙橡胶（ethylene propylene diene monomer rubber）、乙烯醋酸乙烯酯橡胶（ethylene vinyl acetate rubber）、氢化丁腈橡胶、丁腈橡胶、异戊二烯橡胶、氯丁二烯橡胶和聚降冰片烯（polynorbornene）。这些材料及其他可溶胀材料在接触和吸收烃时膨胀，使得可溶胀材料扩张。在一个实施例中，可溶胀材料的橡胶也可溶解有其他材料、或与其他材料机械混合，所述其他材料例如为纤维素（cellulose）纤维。额外的选择可以是橡胶与聚氯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、醋酸乙酯或其他与油接触时扩张的聚合物的机械混合物。

在另一实施例中，可溶胀材料是与水接触时膨胀的材料。在这种情况下，可溶胀材料可以是水溶胀的聚合物，例如水可溶胀的弹性体或水可溶胀的橡胶。更具体地，可溶胀材料可以是水可溶胀的疏水聚合物或水可溶胀的疏水共聚物，而且优选为水可溶胀的疏水多孔共聚物。可从许多亲水单体和疏水改性亲水单体制备根据本发明有用的其他聚合物。可利用的特别合适的亲水单体的示例包括但不限于，丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、N，N-二甲基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（dimethylaminoethyl methacrylate）、丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和丙烯酸羟乙酯。

也可利用许多疏水改性的亲水单体来构成根据本发明有用的聚合物。特别合适的疏水改性亲水单体包括但不限于，丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、烷基丙烯酰胺和烷基甲基丙烯酰胺（其中烷基具有约4至约22个碳原子）、甲基丙烯酰氧乙基烷基二甲基溴化铵（alkyl dimethylammoniumethylmethacrylate bromide）、甲基丙烯酰氧乙基烷基二甲基氯化铵（alkylimethylammoniumethyl methacrylate chloride）和甲基丙烯酰氧乙基烷基二甲基碘化铵（alkyl dimethylammoniumethyl methacrylate iodide）（其中烷基具有约4至约22个碳原子）以及甲基丙烯酰氨基丙基烷基二甲基溴化铵（alkyldimethylammonium-propylmethacrylamide bromide）、甲基丙烯酰氨基丙基烷基二甲基氯化铵（alkyl dimethylammonium propylmethacrylamide chloride）和甲基丙烯酰氨基丙基烷基二甲基碘化铵（alkyldimethylammonium-propylmethacrylamide iodide）（其中烷基具有约4至约22个碳原子）。

可通过使所述亲水单体中的任一个或多个与所述疏水改性的亲水单体中的任一个或多个聚合，来制备根据本发明有用的聚合物。聚合反应按本领域技术人员公知的各种方式来执行，例如美国专利第6,476,169号中描述的那些方式，在此通过援引而并入该美国专利。

合适的聚合物的估算分子量可在约100,000至约10,000,000范围内，并优选在约250,000至约3,000,000的范围内，并且亲水分子与疏水改性的亲水单体的摩尔比可在约99.98:0.02至约90:10的范围内。

根据本发明有用的其他聚合物包括疏水改性的聚合物、疏水改性的水溶性聚合物及其疏水改性的共聚物。特别合适的疏水改性的聚合物包括但不限于，疏水改性的聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、疏水改性的聚丙烯酰胺和疏水改性的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和乙烯吡咯烷酮的共聚物。

作为另一示例，可溶胀材料可以是诸如聚丙烯酰胺或改性的交联的聚（甲基）丙烯酸酯的盐聚体，其具有从盐水通过渗透作用吸水的趋势，其中水穿过允许水分子经过但防止溶解的盐通行的半透膜（聚合物与开采流体之间的界面），从低盐浓度的区域（地层水）流向高盐浓度的区域（盐聚体）。

参考图4A，其中描述了体现本发明的原理的、处于行进形态的防砂筛管组件的剖视图，该防砂筛管组件总体上以附图标记70表示。防砂筛管组件70的设计类似于上述的防砂筛管40，图4A的横截面中描述的防砂筛管组件70包括限定内部流路74并具有穿孔纵向区段和空管纵向区段的基管72。可溶胀材料层76位于基管72的周围。可溶胀材料层76通过粘合或其他合适的技术附接到基管72。流体收集子组件78位于可溶胀材料层76周围，流体收集子组件78包括围绕可溶胀材料层76圆周分布的多个穿孔管80，并且基本上参考上述流体收集组件50的方式进行操作。筛管元件82设置在可溶胀材料层76与流体收集子组件78周围。筛管元件82通过粘合或其他合适的技术附接到可溶胀材料层76、基管72或附接到以上两者。筛管元件82可与其他过滤介质联合使用，或除使用其他过滤介质之外额外使用，或者替换其他过滤介质使用，所说的过滤介质例如为上述的过滤介质62以及在此讨论的其他类型的过滤介质，包括设置在流体收集子组件68外、流体收集子组件68内或流体收集子组件68下游的过滤介质。在某些实施例中，如以下更详细讨论的，筛管元件82可主要用作排水层，或者用于化学处理或其他媒介物的载体。

在示出的实施例中，在防砂筛管组件70的行进形态，筛管元件82由彼此重叠的多个圆周筛管段构成。即使筛管元件82已经描述为包括四段，但是本领域技术人员应理解，可替换地使用大于和小于四段的其他段数，包括一段，同样符合本发明的原理。

现在又参考图4B，其中描述了处于操作形态的防砂筛管组件70的剖视图。在示出的实施例中，可溶胀材料层76已经接触活性流体，例如烃流体、水或气，其已经引起可溶胀材料层76径向扩张，使筛管元件82接触井眼84的表面。除对地层提供支撑以防地层坍塌之外，在这个实施例中，筛管元件82还提供穿孔管80与井眼84之间的余隙（stand off）区域。使用这个构造是有益的，例如如果之前已经在地层的表面上形成滤饼，那么余隙将防止损坏穿孔管80并允许使用酸或其他反应流体移除滤饼。

优选地，筛管元件82中可灌注有反应物质。例如，在安装期间，反应物质可填充筛管元件82的空隙。优选地，反应物质可在暴露于地下井环境时降解。更优选地，反应物质当暴露于井中的高温水时降解。最优选地，提供如美国专利第7,036,587号所描述的反应物质，在此通过援引并入该美国专利。

在某些实施例中，反应物质包括可降解聚合物。根据本发明可使用的合适的可降解聚合物的示例包括：多糖，如葡聚糖或纤维素；甲壳质；壳聚糖、蛋白质；脂肪族聚酯；聚（丙交酯）；聚（乙交酯）；聚

聚（酐）；聚（羟基丁酸盐）；脂肪族聚碳酸酯、聚（原酸酯）；聚（氨基酸）；聚（环氧乙烷）和聚磷腈。在这些合适的聚合物中，脂肪族聚酯例如聚（丙交酯）或聚（乳酸）和聚酐是优选的。

反应物质可在存在有含水的（hydrated）有机或无机化合物固体时降解，上述含水的有机或无机化合物固体可包含在防砂筛管组件70中，这样在安装筛管时井中有可利用的水源。可替换地，可在防砂筛管组件70被运送到井中之后，例如通过将水源向下通到井中而将另一水源送到反应物质，或者将地层水用作水源。

参考图5，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记90表示。防砂筛管组件90包括限定内部流路94的基管92。基管92具有允许流体从基管92与外壳体100之间的环空区域98通到内部流路94的多个开口96。可溶胀材料层102围绕基管92的空管区段定位。可溶胀材料层102通过粘合或其他合适的技术附接到基管92。流体收集子组件104围绕可溶胀材料层102设置，流体收集子组件104包括围绕可溶胀材料层102圆周分布的多个穿孔管106，并基本上按上述参考流体收集组件104描述的方式进行操作。在示出的实施例中，过滤介质108定位于每个穿孔管106周围。根据需要，过滤介质108可包括绕丝，或者一层或多层具有各种排水层和过滤层的金属丝网或纤维丝网。这种过滤介质可代替例如上述的过滤介质62或筛管元件82使用，或者除使用例如上述的过滤介质62或筛管元件82之外使用。可替换地或另外地，过滤材料可放在穿孔管106内。这种过滤材料可包括单层或多层烧结或未烧结的丝网、可烧结在穿孔管106中、预充填或树脂覆膜砂的钢球或钢珠或者陶瓷球或陶瓷珠、或以上的组合等等。

在某些实施例中，期望选择性地允许和防止流经本发明的防砂筛管组件，例如防砂筛管组件90。在这种实施例中，阀或其他控流装置可放置在防砂筛管组件90的外部与内部流路94之间的流体流路中。例如，滑动套筒（未示出）可操作地与基管92和开口96相连。滑动套筒可设置基管92内的内部流路94中，或可优选地设置在基管92外的环空区域98内。滑动套筒可具有允许流体流经开口96的打开位置和防止流体流经开口96的闭合位置。另外，滑动套筒的位置可平滑地调整，使得滑动套筒可提供阻止功能。滑动套筒可机械式地、电子式地、液力式地或通过其他合适的工具来操作。

接下来参考图6，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记120表示。防砂筛管组件120包括流体收集区段122、防砂区段124、流体鉴别器区段126、限流器区段128和流体入口区段130。防砂筛管组件120包括限定内部流路134的基管132。在防砂筛管组件120的流体收集区段122，可溶胀材料层136设置在基管132的空管区段周围，并通过粘合或其他合适的技术附接到基管132。流体收集子组件138设置在可溶胀材料层136的周围，流体收集子组件138包括围绕可溶胀材料层136圆周分布的多个穿孔管140，并基本上按上述参考流体收集子组件50描述的方式进行操作。防砂区段124包括过滤介质142，该过滤介质142示出为包括串联设置的各种排水层和过滤层的多层金属丝网过滤介质。

流体鉴别器区段126构造成与防砂区段124串联，使得流体在进入流体鉴别器区段126之前必须经过防砂区段124。流体鉴别器区段126包括外壳144，外壳144与基管132的非穿孔区段一起限定环形腔146。流体鉴别器区段126还包括保持环148。保持环148具有多个出口150；多个出口150在保持环中沿周向分隔开，且被设计成提供从腔146至限流器区段128的流体通道。

被描述为球形构件或球的一个或多个阻流构件152设置在保持环148和过滤器介质142之间的腔146内，并与出口150相配合以限制进入流体鉴别器区段126的开采流体的任何不期望部分的流动。例如，在开采流体既包含油又包含水的情况下，构件152的密度使得特定的出口150被特定的构件152挡住，以阻断或阻止水从中流过。因此，当开采流体主要是油时，构件152将放置在离出口150相对远的位置，例如放置在腔146的底部。然而，当开采的流体中存在足够比例的水时，构件152将通过阻断或阻止经由出口150中特定的那些出口的流动来限制水流。

限流器区段128构造成与流体鉴别器区段126串联，使得流体在进入限流器区段128之前必须经过流体鉴别器区段126。限流器区段128包括外壳154，外壳154适当地联结到流体鉴别器区段126的外壳144，或与流体鉴别器区段126的外壳144形成为一体。外壳154与基管132的非穿孔区段限定环形腔156。流速控制器158设置在腔156内。流速控制器158包括一个或多个管状通道160；这些管状通道160为流体在限流器区段128内行进提供了相对长的、窄的和曲折的通道，并且与通过流动鉴别器区段126的不受限制的通道相比，提供了具有更多限制的通道。这样，可操作限流器区段128来限制开采流体通过防砂筛管组件120的流速。

一旦开采流体经过限流器区段128的流速控制器158，它们就进入环形腔162并最终经由以槽的形式示出的开口164进入基管132的内部流路134。一旦进入基管132的内部，开采流体就流到油管柱内部的表面。

流体鉴别器区段126可在各种流态下进行操作，并可借助阻流构件152的各种构造进行操作。例如，阻流构件152可具有单一密度并被设计成挡住单一类型的不期望流体（例如产油操作中的水或气），或者可具有两种密度并被设计成挡住多种不期望流体（例如产油操作中的水和气）。所有的上述阻流构件还旨在挡住特定的、不必要具有相同密度的不期望的流体。替代性地，每个种类的阻流构件可具有不同的密度范围，使得这些阻流构件在不同密度的开采流体中自然漂浮。

虽然图6已经描述了流体鉴别器区段的具体实施例，但其他类型的流体鉴别机构能够与本发明的防砂筛管组件结合使用，其他类型的流体鉴别机构例如为美国专利第7,185,706号和美国专利申请公布第US2008-0041580A1、US2008-0041581A1、US2008-0041588A1和US2008-0041582A1号中描述的那些流体鉴别机构，在此通过援引而并入上述的每个美国专利和专利申请。同样地，虽然图6已经描述了限流器区段的具体实施例，但其他类型的限流机构能够与本发明的防砂筛管组件结合使用，其他类型的限流机构例如为美国专利第5,803,179、6,857,476、6,886,634、6,899,176、7,055,598、7,096,945和7,191,833号，以及美国专利申请公布第US2006-0042795A1、US2007-0039741A1、US2007-0246407A1、US2007-0246210A1和US2007-0246213A1号中描述的那些限流机构，在此通过援引而并入上述的每个美国专利和专利申请。

参考图7，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记170表示。防砂筛管组件170包括限定内部流路174的基管172。基管172具有允许流体从基管172与外壳体180之间的环空区域178流入内部流路174的多个开口176。可溶胀材料层182定位于基管172的非穿孔区段周围。可溶胀材料层182通过粘合或其他合适的技术附接到基管172。优选地，可溶胀材料层182的厚度基于防砂筛管组件170的直径和井眼的直径来优化，使得在扩张时，如以上所述，可溶胀材料层182和流体收集组件184与井眼的表面之间实现基本均匀的接触。

流体收集子组件184包括基本上按上述参考流体收集子组件50描述的方式进行操作的多个穿孔管186。优选地，穿孔管186围绕防砂筛管组件170的包括可溶胀材料层182的部分圆周分布。过滤介质188设置在基管172的穿孔部周围且位于环空区域178内。过滤介质188可包括任何合适的一个或多个机械滤筛元件，并实施为设计为允许流体流经但防止预定大小的颗粒材料流经的多层金属丝网筛或纤维丝网筛。

防砂筛管组件170的流体收集子组件184还包括允许根据需要实时获得有关相邻地层的信息并将信息传输至地表的仪器和通信系统。如示出的，其中一个穿孔管186已经用包括一个或多个传感器的电子器件包190来代替。传感器是以下类型的传感器中的一种或多种，包括压力传感器、温度传感器、压电声传感器、用于确定流速的流量计、加速计、用于确定含水率的电阻率传感器、速度传感器、重量传感器或测量井下流体属性或物理参数的任意传感器。如这里使用的，术语传感器应包括这些传感器中的任意传感器，以及用于井下环境的任意其他类型的传感器以及这些传感器的等同物。例如，光纤分布式温度传感器192被描述为围绕其中一个穿孔管186缠绕。传感器可包括微处理器或与微处理器相连，以允许编辑并解译传感器数据并用于处理指令。同样地，如果需要，传感器可耦合到用于存储信息的存储器，以稍后成批处理或成批传输。重要的是，提供部件的这个组合来本地控制并操作其他井下部件，例如可与控流装置、安全装置或其他可激活的井下装置相连的激活器。可替换地或另外地，传感器数据可以是数字编码的，并使用电子的、光学的、声学的、电磁的或其他遥测技术发送到地表。

即使本发明的防砂筛管组件已经描述为具有，在流体进入基管的内部流路之前，引导流体进入流体收集环空腔或歧管的流体收集组件，但是，本领域技术人员将认识到，可替换地使用其他类型的流体收集技术。例如，如在图8A中最佳看到的，描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记200表示。防砂筛管组件200包括限定内部流路204的基管202。基管202具有多个开口206。可溶胀材料层208定位于基管202周围。可溶胀材料层208通过粘合或其他合适的技术附接到基管202。防砂筛管组件200包括流体收集子组件，流体收集子组件在一个或多个纵向位置处围绕可溶胀材料层208圆周分布，并被描述为多个可伸缩的活塞式流体入口210。在示出的实施例中，每个流体入口210包括具有多个穿孔214的管状构件212。排放管216接近管状构件212的中心点，且从管状构件212通过可溶胀材料层208的开口和基管202的开口206径向向内延伸。流体入口210包括设置在管状构件212内、排放管216内或两者内的过滤介质。过滤介质可以是单层或多层烧结或未烧结的丝网、可烧结、预充填或树脂覆膜砂的钢球或钢珠或者陶瓷球或陶瓷珠、或以上的组合等。

按类似上述的方式，防砂筛管组件200在井下运行，同时可溶胀材料层208处于未扩张构造。在接触活性流体，例如在此描述的烃流体、水或气时，可溶胀材料层208径向扩张，如在图8B中最佳看到的，使得可溶胀材料层208的外表面和流体入口210的管状构件212接触裸眼井218的表面。如所示，当可溶胀材料层208径向扩张时，流体入口210按类似活塞的方式径向向外行进。除对地层提供支撑以防地层坍塌以及使地层流体的入口点接触地层之外，在本实施例中，流体入口210还提供地层流体进入基管202的内部流路204的多个基本径直的路径。

即使防砂筛管组件200已经描述为具有按“T”形形成的流体入口210，但是本领域技术人员将认识到，可替换地使用具有其他形状的其他流体入口，并被认为是落在本发明的范围内。例如，如在图9A中最佳看到的，包括基管222和可溶胀材料层224的防砂筛管组件220具有按“L”形形成的多个可伸缩的活塞式流体入口226。明确地，流体入口226包括具有被合适的过滤介质230覆盖的多个穿孔的管状构件228，和从管状构件228经过可溶胀材料层224的开口和基管222的开口234径向向内延伸的排放管232。同样地，如在图9B中最佳看到的，包括基管242和可溶胀材料层244的防砂筛管组件240具有按“U”形形成的多个可伸缩的活塞式流体入口246。明确地，流体入口246包括具有被合适的过滤介质250覆盖的多个穿孔的管状构架248，和从管状构件248经过可溶胀材料层244的开口和基管242的一对开口254径向向内延伸的一对排放管252。进一步，如在图9C中最佳看到的，包括基管262和可溶胀材料层264的防砂筛管组件260具有按“M”形形成的多个可伸缩的活塞式流体入口266。明确地，流体入口266包括具有被一对合适的过滤介质270覆盖的多个穿孔的管状构件268，和从管状构件268经过可溶胀材料层264的开口和基管262的开口274径向向内延伸的三个排放管272。因此，为地层流体进入基管的内部流路提供一个或多个径直路径的流体入口能够采用许多形状或构造，每个形状或构造都被认为落在本发明的范围内。

即使防砂筛管组件200、220、240、260已经描述为具有按类似活塞的方式径向向外行进的流体入口，但是本领域技术人员应认识到，可使用其他技术来径向延伸流体入口，这被认为落在本发明的范围内。例如，如在图10A中最佳看到的，在行进形态，包括基管282和可溶胀材料层284的防砂筛管组件280具有按“L”形形成的多个柔性流体入口286。流体入口286包括具有多个穿孔290的管状构件288，和从管状构件288经过可溶胀材料层284的开口和基管282的开口294径向向内延伸的排放管292。以上讨论类型的过滤介质可设置在管状构件288内、排放管292内或以上两者内。流体入口286还包括一对柔性接头296、298，如在图10B中最佳看到的，当可溶胀材料层284被激活时，柔性接头296、298增强管状构件288接触井眼300的能力。

接下来参考图11，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记310表示。防砂筛管组件310包括限定内部流路314的基管312。基管312具有多个开口316。可溶胀材料层318围绕基管312定位。可溶胀材料层318通过粘合或其他合适技术附接到基管312。防砂筛管组件310包括流体收集子组件，流体收集子组件在一个或多个纵向位置处围绕可溶胀材料层318圆周分布，并被描述为多个可伸缩的活塞式流体入口320。在示出的实施例中，每个流体入口320包括具有多个穿孔324的管状构件322。排放管326接近每个管状构件322的中心点，且从管状构件322经过可溶胀材料层318的开口和基管312的其中一个开口316径向向内延伸。流体入口320包括设置在管状构件322内、排放管326内或以上两者内的过滤介质。过滤介质可以是在此讨论的任意过滤介质，包括单层或多层烧结或未烧结的丝网、可烧结的钢球或钢珠或者陶瓷球或陶瓷珠、预充填或树脂覆膜砂、或以上的组合等。

每个流体入口320还包括设置在排放管326内的流体流量控制装置328。取决于所期望的操作，流体流量控制装置328可采用许多其他形式。例如，可能期望暂时阻止流体流经流体入口320。在这种情况下，流体流量控制装置328可以是由砂、盐、蜡、铝、锌或类似材料构成的可溶解的塞子、可移除的塞子或可剪切的塞子，或者可以是压力激活的装置例如爆破片（burstdisk）。作为另一实施例，可能期望在防砂筛管组件310内进行高压操作期间，阻止进入地层的流体损失，在这种情况下，流体流量控制装置328可以是单向阀或止回阀。作为又一示例，可能期望控制进入防砂筛管组件310的采油的速率，在这种情况下，流体流量控制装置328可以是例如喷嘴、流量管、节流孔或其他限流器的流入控制装置。作为再一示例，可能期望控制进入防砂筛管组件310的流体的类型，在这种情况下，流体流量控制装置328可以是开采控制装置，例如响应于与不期望的流体（例如水）的接触而关闭的阀。这种阀可由可溶胀材料（包括那些以上讨论的可溶胀材料、有机纤维、渗透单元（osmotic cell）或类似材料）激活。

接下来参考图12，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记330表示。防砂筛管组件330包括基管332和限定内部流路336的内套筒334。基管332具有多个开口338。可溶胀材料层340围绕基管332定位。可溶胀材料层340通过粘合或其他合适的技术附接到基管332。防砂筛管组件330包括流体收集子组件，流体收集子组件在一个或多个纵向位置处围绕可溶胀材料层340圆周分布，并被描述为多个可伸缩的活塞式流体入口342。在示出的实施例中，每个流体入口342包括具有多个穿孔346的管状构件344。排放管348接近每个管状构件344的中心点，并从管状构件344经过可溶胀材料层340的开口和基管332的其中一个开口338径向向内延伸。流体入口342包括设置在管状构件344内、排放管348内或以上两者内的过滤介质。过滤介质可以是在此讨论的任意过滤介质，包括单层或多层烧结或未烧结的丝网、可烧结的钢球或钢珠或者陶瓷球或陶瓷珠、预充填或树脂覆膜砂、或以上的组合等。

一对流体流量控制装置350、352设置在基管332与套筒334之间。如上所述，根据期望的操作，流体流量控制装置350、352可采用许多形式，包括可溶解的塞子、可移除的塞子或可剪切的塞子、爆破片、单向阀、止回阀、喷嘴、流量管、节流孔或其他限流器、响应于与不期望的流体的接触而关闭的阀等的任意组合。在某些实施例中，套筒334可通过机械或化学工具移除，这样，如果需要可以中断流体流量控制装置350、352的操作。

参考图13A，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记360表示。如在图14A中最佳看到的，防砂筛管组件360包括限定内部流路364的基管362。基管362具有允许流体在基管362的外部与内部流路364之间穿过的多个开口366。可溶胀材料层368围绕基管362定位。可溶胀材料层368通过粘合或其他合适技术附接到基管362。可溶胀材料层368具有允许通过筛管区段372产出的流体进入内部流路364的多个开口370。如这里讨论的，筛管区段372可由许多过滤介质构成，并示出为具有包括排水层和过滤层以及穿孔外护罩的多层金属丝网或纤维丝网。优选地，可溶胀材料层368的厚度基于防砂筛管组件360的直径和井眼374的直径优化，使得在扩张时，如以上解释的，可溶胀材料层368和筛管区段372与井眼374的表面之间实现基本均匀的接触，如在图13B和14B中最佳看到的。

除提供地层流体进入内部流路的通路之外，防砂筛管组件360还对地层提供支撑以防地层坍塌。明确地，筛管区段372的形状和构造使防砂筛管组件360的外表面特别贴合，这样改进了可溶胀材料层368的径向扩张时，砂筛组件360与地层之间的接触。

参考图15A，其中描述了体现本发明原理的、处于行进形态的防砂筛管组件，该防砂筛管组件总体上以附图标记380表示。防砂筛管组件380包括基管382，基管382限定内部流路384和允许流体在基管382的外部与内部流路384之间经过的多个开口386。过滤介质388围绕基管382设置。如示出的，过滤介质388包括外穿孔护罩、具有相对常规的金属丝网的外排水层和内排水层，过滤层设置在外排水层和内排水层之间且具有相对细的筛孔。可溶胀材料层390围绕基管382定位。可溶胀材料层390通过粘合或其他合适技术附接到过滤介质388。如示出的，可溶胀材料层390包括绕基管382的360°圆周延伸的多个带392。在这个构造中，在可溶胀材料层390激活时，可溶胀材料层390提供完全围绕过滤介质388的多个区段的隔离，如图15B中最佳看到的，其使可溶胀材料层390接触地层。在这个构造中，可减少或消除与一个或多个防砂筛管组件380相连的封隔器或其他密封装置的使用。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是不希望在限制意义上解释本说明书。参考本说明书，示例性实施例以及本发明的其他实施例的各种更改和组合对本领域技术人员而言将是明显的。因此，希望所附权利要求涵盖任何这种更改或实施例。

Claims (9)

1.一种防砂筛管组件，所述防砂筛管组件可操作地定位于井眼内且包括：

基管，具有位于所述基管的侧壁部中的至少一个开口、空管区段和内部流路；

可溶胀材料层，设置在所述基管的所述空管区段外；

包括多个圆周分布的穿孔管的流体收集子组件，设置在所述可溶胀材料层和所述基管的空管区段外，每个穿孔管具有多个轴向分布的开口以提供进入每个穿孔管的多个流体进入位置，每个穿孔管经由所述基管的开口与所述内部流路流体连通；以及

过滤介质，可操作地与所述防砂筛管组件相连，并设置在所述防砂筛管组件的外部与所述内部流路之间的流路中；

其中，响应于与活性流体的接触，所述可溶胀材料层的径向扩张使得每个穿孔管的至少一部分朝向所述井眼的表面移位。

2.如权利要求1所述的防砂筛管组件，其中所述过滤介质设置在所述流体收集子组件内。

3.如权利要求1所述的防砂筛管组件，其中所述过滤介质设置在所述流体收集子组件的下游。

4.如权利要求1所述的防砂筛管组件，还包括设置在所述流体收集子组件与所述可溶胀材料层外的筛管元件。

5.如权利要求1所述的防砂筛管组件，其中所述活性流体是烃流体、水和气中的至少一种。

6.如权利要求1所述的防砂筛管组件，还包括设置在所述防砂筛管组件的外部与所述内部流路之间的所述流路中的至少一个流体流量控制装置。

7.一种在井眼中安装防砂筛管组件的方法，所述方法包括：

使所述防砂筛管组件行进至所述井眼内的目标位置，所述防砂筛管组件具有设置在可溶胀材料层外的包括多个圆周分布的穿孔管的流体收集子组件，所述可溶胀材料层设置在基管的空管区段外，每个穿孔管具有多个轴向分布的开口以提供进入每个穿孔管的多个流体进入位置，每个穿孔管经由所述基管的至少一个开口与所述基管的内部流路流体连通；

使所述可溶胀材料层接触活性流体；

响应于与所述活性流体的接触，所述可溶胀材料层径向扩张；以及

响应于所述可溶胀材料层的径向扩张，使每个穿孔管的至少一部分朝向所述井眼的表面移位。

8.如权利要求7所述的方法，其中响应于与所述活性流体的接触，所述可溶胀材料层径向扩张的步骤还包括，使所述可溶胀材料层接触烃流体、水和气中的至少一种。

9.如权利要求7所述的方法，其中响应于所述可溶胀材料层的径向扩张，使每个穿孔管的至少一部分朝向所述井眼的表面移位的步骤还包括，响应于所述可溶胀材料层的径向扩张，使每个穿孔管的至少一部分接触所述井眼。

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