專利名稱：具有防磨損內管的油井套管組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于地下鉆進和泵送自然資源例如油和氣的油井套管。
全世界的能源生產在很大程度上依賴于地下的自然資源，例如油和氣。為此，人們始終在探尋從地下巖層中抽取流體(例如油和氣)的改進方法和裝置。
油氣井一般包括一個細長的管柱，該管柱由多個套管組件構成，每個套管組件都包括一個圓筒形的內管和一個同心的外部部件。外部部件和內管上都設置有通孔。外部部件上的通孔可允許來自地層的流入物進入外部部件與內管之間的環形區域內。內管上設置有一覆蓋通孔的濾網，從而使夾帶在流體中的微粒物質從環形區域流入內管并穿過內管沿軸向導向地面之前，將其從流體中除去，以用于流體的回收。
外部部件上的通孔通常具有足夠大的尺寸，例如6.3mm，以不使沙粒滯留在地層中。這種尺寸的通孔通常可防止定位于通孔之下的內部濾網部件受損。但是，在某些地層中，如果一些銳利的突出物，例如頁巖袋穿過外部部件上的孔并使濾網表面的一部分變形，從而使濾網上的孔眼增大，那么這些突出物將損壞下面的濾網。當油井相對垂直或水平方向以一角度偏移，從而當外部部件沿井孔延伸，使外部部件以相當大的力支撐在地層壁上時，尤其如此。此外，在流體流量很大的情況下，穿過外部部件上的孔流入的流體將以足夠大的速度和力撞擊濾網的某些區域，從而使濾網損壞。對于由桿或金屬線制成的濾網，當包含流體的流入顆粒物在濾網的很小面積上作用一個太大的力時，由金屬線形成的狹縫將會變大。這種增大不僅會降低濾網的效率，而且還會在該區域內的壓降降低，從而使包含流體的更多顆粒物撞擊金屬線，從而進一步使濾網的網眼增大，并使濾網的設置失去意義。
為減少作用于油井套管組件上的流體力的強度，有人提出在外部部件上設置狹槽或開口，這些狹槽或開口被加工成可使徑向流過開口的流體在其徑向向里通過濾網部件之前沿軸向移動一個較短的距離。關于這一點，見授權給Voll等人的美國專利5,624,560。但是，在該專利中所示的結構并未解決當地下巖層中的突出物進入通孔并使下面的濾網表面變形時，濾網受損的問題。盡管在現有技術中，在相對同心管件的偏移位置上設置入口通孔和出口通孔已經是公知的，如授權給Byerly的美國專利1,604,386所述，但是通孔的設置并沒有給我們其能夠保護設置于套管組件內的濾網的啟示或建議。
因此，本發明的一個目的在于提供一種用于防止油井濾網受到突出物和/或流體力損壞的裝置。本發明的另一目的在于在大流量的地層部分形成改進的流量分配，從而減少油井濾網的磨損。
參照附圖，通過對最佳實施例的具體說明，將會清楚本發明的上述和其它目的、特征及優點，其中在所有的附圖中，同一附圖標記表示相同的部件。附圖沒有必要按比例繪制，其目的主要在于說明本發明的原理。
圖1為根據本發明之第一實施例的油井套管的側面剖視圖；圖1A為根據本發明之第二實施例的油井套管的側面剖視圖，該實施例在內管和外管部件之間采用了以流量控制環形式存在的流量控制裝置；圖2為油井套管沿圖1A之剖面線2-2的剖視圖。
在如下的說明中，出于解釋而不是限制的目的，對具體的特征例如具體的結構、技術等等作出了描述，以充分理解本發明。但是，本領域的技術人員應該清楚在不脫離這些具體特征的范圍內，可以其它實施例實施本發明。在其它的實施例中，省去了對公知設備的具體說明，以使本發明的說明更加清楚。
圖1示出了根據本發明之一個實施例的油井套管組件20。油井套管組件20包括一基本為圓筒形的內管22和一個同心的外部保護罩部件24，在圖中保護罩24由一管件所表示，但其可具有當套管部件進入井孔時用于保護下面的濾網部件的其它結構。內管22和外部部件24平行套管的軸線25延伸。內管22在其內部形成一通道26，象油和氣這樣的流體可沿箭頭28所示的方向通過該通道26導向。一般情況下，套管組件20的長度為9-12米。該組件在其每個端部上都設置有螺紋部分22’，以使每個部件能夠通過一接頭23與另一相同的部件連接。在很多情況下，連接在一起的一串套管組件可延伸600米或更長。
外部部件24在其端部例如通過焊接被環形的套環或柱帽部件32固定于內管22上。應該理解也可采用使外部部件24相對內管22隔開和密封的其它裝置。內管22沿其長度方向設置有第一組通孔40，以形成第一長度部分42。外部部件24在其長度方向的一個或多個部分上，最好是在鄰近其一端定位的第二長度部分52和鄰近其另一端定位的第三長度部分52’上分別設置一系列開口或通孔50。但也可考慮其它類型的孔，例如放氣孔。長度部分52和52’平行于套管的軸線25，并沿套管軸線25在油井套管的一部分長度上延伸。在一個實施例中，長度部分52和52’分別延伸約2.8米，并沿縱向和圓周方向設置有多個6.3mm的通孔50，通孔50定位于12.5mm的中心處。在圖1的實施例中，通孔50的密度為每米長度上約120至240個。
如上所述，內管22沿第一長度部分42上設置有一系列通孔40。與長度部分52、52’相類似，長度部分42平行于套管的軸線25并沿套管的軸線25在油井套管的一部分長度上延伸。但是，如圖1所示，長度部分42沿套管軸線25相對長度部分52、52’軸向偏移。在一個實施例中，長度部分42延伸約5.5米，而且該部分上設置有多個直徑為12.5mm的通孔40。在圖1的實施例中，通孔40的密度為每米長度上約6至26個。
內管22沿長度部分42同心地裝配有一個濾網60。濾網60由多個軸向延伸的桿62形成，每個桿62都被螺旋纏繞的金屬線64所覆蓋，金屬線64在每個交點處被焊接在桿上。濾網上的金屬線64一般被編織成“V”形或楔形，以使形成于相鄰匝的金屬線之間的空間內的流通狹縫不被地層中的砂礫所堵塞。濾網60在其相對端通過連接環66固定于內管22的外圓周上，至少一個連接環例如可通過焊接連接到內管22上。連接環66具有一個軸向延伸的外表面67，外表面67的外徑大于濾網60的外徑。外表面67之外徑大于濾網60之外徑的事實使以高速流過外表面67的流體遠離濾網表面轉向，從而減少流體磨損濾網表面的可能性。表面67之伸出的長度還可允許環66包括一環形的凹入開口68，用于接觸并固定濾網60的端部。
如圖1所示，外部部件24上的一系列通孔50軸向偏離內管22上的多組通孔40。盡管偏離的程度在各個不同的實施例中也不相同，如圖1所示，通孔40和50充分偏移，以使通孔40和50沿套管的軸線25沒有重疊。事實上，設置有通孔50的外部部件24之長度部分52、52’不會與設置有通孔40并固定濾網60的內管22之長度部分42重疊。盡管已對由金屬線纏繞而成的濾網作出了說明，但也可以考慮使用其它類型的過濾表面，例如燒結纖維、金屬絲網或燒結顆粒。
盡管外部部件24上的多組通孔50可以全部定位于外部部件的一端上，而內管22的穿孔長度部分42可以定位于外部部件的另一端上，但是，我們還是推薦圖1所示的定位方式，因為這種設置為進入通孔的流體提供了一條較短的流動通道，而且為地層中的流體提供了更均勻的進入。此外，當內管22上的通孔位于其長度的中部上時，管件的未穿孔部分，即較長部分位于其端部，管件在其端部受到最大的扭力或張力。
如圖1所示，來自地層的流體首先沿徑向穿過通孔50進入套管組件20內。接著，流體在環形部分52、52’內沿箭頭70、70’所示的方向軸向流動。當流體到達長度部分42時，流體一般沿徑向向里穿過濾網60，如箭頭72所示。此后，流體沿箭頭28所示的軸向流過通道26。
從上述的說明中，可看到本發明的油井套管組件20使流體的流動方向產生變化，從而降低了進入流體作用于濾網60上的力，同時與流體進入通孔50的速度相比，其速度得以極大降低。此外，由于通孔50沿套管的軸線25與濾網60成交錯或偏移關系排列，因此濾網60不易被穿過通孔50侵入的地下物體所損壞。而且，外部部件24之最堅固的未穿孔部分定位于長度部分42之上，從而進一步保護濾網60。
圖1A的實施例與圖1的實施例區別之處在于以流量控制環80、80’的形式設置了流量控制裝置。流量控制環80、80’位于內管22與外部部件24之間的環形空間內。如圖2所示，流量控制環80、80’設置有多個孔82。孔82允許流體的流動平行于套管的軸線25。帶孔的流量控制環的設置將產生一個壓降，該壓降可使來自地層不均勻流量區域的流量均勻流動到濾網60，從而進一步防止濾網受到磨損。
使流體均勻流向濾網60以減少磨損的流量控制環80、80’之設計標準為在孔82內產生約1.5至6米/秒的速度。該速度值約為形成于外部部件24與基體或內管22之間的環形區域84、84’內最大速度的5-40倍。該速度可在不使流量控制環產生磨損問題的前提下，對分散油井的大流量面積產生了足夠的約束。例如，對于直徑為10cm、在濾網長度上的流量平均為60-120桶/天/米的基體管22而言，每個環80、80’之開口的總的流量面積應該為1.3至2.5cm2。該面積可通過在每個流量控制環80、80’上設置16-32個直徑為3.2mm的孔來實現。在一個具體的實施例中，外部部件24的外徑為12cm，其壁厚為3.2mm。內管22的外徑為10cm，其壁厚為9.5mm。介于金屬絲匝之間的狹縫(不可見)之寬度為0.15mm，其中纏繞在一起的金屬絲形成了濾網。我們希望外部部件24上通孔的總的入口流量面積為550-5100cm2。濾網狹縫和通孔40的總的入口流量面積最好為約1920cm2。
盡管已參照最佳實施例對本發明作出了具體的圖示和說明，但本領域的技術人員應該理解在不脫離本發明范圍的前提下，可對其作出各種變化。例如，濾網60的結構為單個濾網，但應該理解其它類型的濾網，例如雙層金屬絲卷和預先包裝好的濾網也在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于油井的套管組件，該套管組件包括一基本為圓筒形的內管，沿套管組件整個長度的套管軸線延伸，所述內管沿套管軸線的第一長度部分穿過其表面上形成有一系列通孔；一基本為圓筒形的外部部件，該部件相對內管徑向隔開并同心地定位，而且也沿套管軸線延伸，所述外部部件沿套管軸線的第二長度部分穿過其表面上形成有一系列通孔；一濾網，固定于內管的外圓周表面上并覆蓋形成于內管上的一系列通孔；其特征在于沿套管軸線的第一長度部分和固定于其表面上的濾網及第二長度部分相對偏置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一長度部分和第二長度部分基本沒有重疊。
3.根據權利要求1所述的裝置，還包括在濾網的一端設置于外部部件和內管之間環形空間內的至少一個流量控制部件，所述至少一個流量控制部件上設置有多個孔，用于使流體沿基本平行套管軸線的方向從第一長度部分流向第二長度部分。
4.一種用于油井的套管組件，該套管組件包括一基本為圓筒形的內管，沿套管組件整個長度的套管軸線延伸；一基本為圓筒形的外部部件，相對內管同心地定位；其特征在于所述內管和外部部件分別沿套管軸線設置有內管通孔和外部部件通孔，而且所述內管通孔和外部部件通孔以交錯的順序沿套管軸線形成；一濾網，固定于內管通孔的外圓周表面上。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于所述內管通孔和外部部件通孔沿套管軸線基本沒有重疊部分。
6.根據權利要求4所述的裝置，還包括在濾網的一端設置于外部部件和內管之間環形空間內的至少一個流量控制部件，所述至少一個流量控制部件上設置有多個孔，用于使流體沿基本平行套管軸線的方向從第一長度部分流動到第二長度部分。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于內管的兩端上設置有允許一個套管組件連接到另一套管組件上的裝置。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于沿內管的第一長度部分形成的系列通孔定位于內管長度的中部，沿套管軸線的第二長度部分穿過外部部件形成的系列通孔定位于外部部件之長度的一端上，所述外部部件還包括沿第三長度部分定位于外部部件另一端上的另一組通孔。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特征在于所述第一長度部分、第二長度部分和第三長度部分基本沒有重疊部分。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于所述第一長度部分其軸向長度約等于第二長度部分與第三長度部分的長度之和。
11.根據權利要求9所述的裝置，還包括在濾網的兩端定位于外部部件和內管之間環形空間內的一對流量控制部件，所述流量控制部件上設置有多個孔，所述的孔用于使流體沿基本平行套管軸線的方向從第一長度部分和第三長度部分流向第二長度部分。
12.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所述濾網在其兩端通過一對連接環固定于內管的外圓周表面上，所述連接環包括一外部部分，該外部部分的直徑大于濾網外表面的直徑，從而使流過所述環的流體從濾網的表面轉向。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于每個所述的連接環都設置有一環形的凹入部分，該凹入部分位于所述外部之下，用于容納并固定濾網的一個端部。
14.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于所述濾網包括多個縱向延伸的支撐金屬絲，一成型的金屬絲螺旋纏繞在所述金屬絲上并在交叉點處被焊接。
全文摘要
用于油氣井尤其是用于斜井或水平井的套管組件(20)包括一帶有螺紋端(22’)的內管部件(22),其螺紋端可用于將套管組件連接成串。內管(22)沿其長度的一個部分(42)設置有一系列通孔(40),這些通孔被一細長的濾網部件(64)所覆蓋,濾網部件用于防止沙粒的進入。一同心的外部保護罩部件(24)在與內部濾網(64)徑向相對的區域內未設置通孔(50),以防止損壞濾網。外部部件(24)的一個或多個穿孔部分(52,52’)沿軸向與濾網隔開,以使從地層向里的流量在到達濾網前其能量和速度降低,從而使濾網表面的磨損最小。如果需要,帶孔的流量控制裝置,例如環形的環(82)可在濾網部分的兩端定位于內管(22)和外部部件(24)之間,以使更均勻的流量流向濾網,從而進一步減少磨損。
文檔編號E21B43/08GK1269732SQ98808840
公開日2000年10月11日 申請日期1998年9月3日 優先權日1997年9月5日
發明者喬治·A·吉萊斯皮, 斯蒂芬·A·烏巴恩 申請人:美國過濾器公司