深度过滤的颗粒控制滤网.pdf

一种颗粒控制滤网包括支撑层。第一过滤层围绕支撑层设置。第二过滤层围绕第一过滤层设置。第三过滤层围绕第二过滤层设置。每层过滤层具有孔尺寸。第三过滤层的孔尺寸大于第二过滤层的孔尺寸。第二过滤层的孔尺寸大于第一过滤层的孔尺寸。

1.  一种颗粒控制滤网，包括：
支撑层；
第一过滤层，其围绕所述支撑层设置；
第二过滤层，其围绕所述第一过滤层设置；和
第三过滤层，其围绕所述第二过滤层设置，其中每层所述过滤层具有孔尺寸，所述第三过滤层的孔尺寸大于所述第二过滤层的孔尺寸，所述第二过滤层的孔尺寸大于所述第一过滤层的孔尺寸。

2.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述支撑层包括第一支撑层，还包括围绕该第一支撑层设置的第二支撑层。

3.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，还包括设置在所述支撑层和所述第一过滤层之间的第四过滤层。

4.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述过滤层中的至少一层是金属丝网。

5.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，还包括在所述颗粒控制滤网组件长度上延伸且将每层所述滤网层连接在一起的焊缝。

6.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述第一过滤层具有75至300微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有150至400微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有500至1200微米之间的孔尺寸。

7.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述第一过滤层具有75至300微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有150至400微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有200至500微米之间的孔尺寸。

8.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述第一过滤层具有200至300微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有300至450微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有600至800微米之间的孔尺寸。

9.  如权利要求1所述的颗粒控制滤网，其中所述第一过滤层具有100至200微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有250至350微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有500至600微米之间的孔尺寸。

10.  如权利要求3所述的颗粒控制滤网，其中第四过滤层具有75与150微米之间的孔尺寸。

11.  一种井下组件，包括：
穿孔的底管；和
颗粒控制滤网组件，其围绕所述底管而设置，包括：
支撑层；
第一过滤层，其围绕所述支撑层设置，且具有75至300微米之间的孔尺寸；
第二过滤层，其围绕所述第一过滤层设置，且具有150至400微米之间的孔尺寸。
第三过滤层，其围绕所述第二过滤层设置，且具有500至1200微米之间的孔尺寸；
其中所述颗粒控制滤网组件的至少第一端是周向地焊接到底管上。

12.  如权利要求11所述的井下组件，其中所述支撑层包括第一支撑层，还包括围绕该第一支撑层设置的第二支撑层。

13.  如权利要求11所述的井下组件，还包括在所述支撑层和所述第一过滤层之间设置的第四过滤层。

14.  如权利要求11所述的井下组件，其中所述过滤层中的至少一层是金属丝网。

15.  如权利要求11所述的井下组件，还包括在所述颗粒控制滤网组件长度上延伸并将每层所述过滤层连接在一起的焊缝。

16.  如权利要求11所述的颗粒控制滤网，其中所述过滤层围绕所述底管螺旋地缠绕。

17.  如权利要求11所述的井下组件，其中所述第一过滤层具有200至300微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有300至400微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有600至800微米之间的孔尺寸。

18.  如权利要求11所述的井下组件，其中所述第一过滤层具有100至200微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有250至350微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有500至600微米之间的孔尺寸。

19.  一种过滤井下地层的流体的方法，包括：
提供一种组件，该部件包括：
底管；和
颗粒控制滤网组件，包括：
支撑层；
第一过滤层，其围绕所述支撑层设置；和
第二过滤层，其围绕所述第一过滤层设置，
其中每层所述过滤层具有孔尺寸，其中所述第二过滤层的孔尺寸大于所述第一过滤层的孔尺寸，且其中所述颗粒控制滤网组件的至少第一端周向地焊接到所述底管上；
将所述组件设置到包括重油的流体的井下地层中；
该流体通过所述颗粒控制滤网组件从地层吸入，并进入所述底管，其中所述颗粒控制滤网组件过滤所述流体。

20.  如权利要求19所述的颗粒控制滤网，其中所述支撑层包括第一支撑层，还包括围绕该第一支撑层设置的第二支撑层。

21.  如权利要求19所述的颗粒控制滤网，还包括围绕所述第二过滤层设置的第三过滤层，其中该第三过滤层的孔尺寸大于所述第二过滤层的孔尺寸。

22.  如权利要求19所述的颗粒控制滤网，还包括在所述颗粒控制滤网组件长度上延伸并将所述过滤层连接在一起的焊缝。

23.  如权利要求21所述的颗粒控制滤网，其中所述第一过滤层具有100至300微米之间的孔尺寸，所述第二过滤层具有200至400微米之间的孔尺寸，所述第三过滤层具有500至800微米之间的孔尺寸。

深度过滤的颗粒控制滤网
本发明基于2006年5月4日提交的申请号为60/797,897的美国专利申请，并要求其优先权，在此结合其全部公开内容作为参考。
技术领域
本发明涉及用于深度过滤的颗粒控制滤网，具体地用于井中。
背景技术
在油井和天然气井中的流体和气体一般包括需要过滤的颗粒，包括砂子、泥土和其它松散的颗粒物质。在生产的流体和打井设备中存在的砂子和其它细小颗粒往往导致昂贵的打井机械和硬件的快速磨蚀。
地下过滤器，也称为滤砂网或井滤网，已经用于石油行业，以去除生产的流体中的颗粒。井滤网一般是管状的，并且包括多孔的底管，裹住并固定到底管上的多孔渗水过滤层，以及外罩。井滤网用在流体进入采油管柱的位置，使得生产的流体在进入采油管柱和泵送到地面之前必须通过过滤层进入多孔的底管。
在井下过滤的情况下，编织的金属丝网被认为是表面过滤器，意思是说丝网防止要求微米尺寸和更大的颗粒通过丝网，所有的颗粒被限制在丝网的上面。缠线也是一种普通的表面过滤器。缠线通常是裹住底管的三角形金属线，金属线之间给出间隙，以达到微米级。用表面过滤器的困难之一是随着在过滤层上拦住的颗粒增大，开口间距越来越小，因此，只能拦住越来越小的颗粒。最终，拦住的颗粒小到过滤器被阻塞，严重地减少或阻止地层流体流过滤网，到达底管。
在一些地方存在又稠又粘的烃类的大储藏量，例如，委内瑞拉的奥里诺科河地带，阿尔伯达的含油砂，以及苏门答腊岛、中国、巴西、北海的矿区。重油是含沥青的、稠密(即，低API比重)和粘性的油，其的化学特性在于存在沥青质，沥青质是在油中结合大部分硫磺和金属的非常大分子。重油一般具有小于22度API比重的比重，粘性大于100厘泊。超重油是API比重小于10度的重油。天然沥青，也称为沥青砂或含油砂，一般具有大于10,000厘泊的粘性。含油砂可以包括低达10％沥青和85％或更高的泥土、砂子和岩石。重油难以从地层中去除，还比普通油田包括更多的颗粒物质。因此，重油也比普通油田更难过滤。
因此，需要具有更高过滤性能的井下过滤组件，尤其是用于重油的过滤组件。
发明内容
在各个方面，本发明使用深度过滤，以将不同尺寸的颗粒限制在过滤介质厚度的不同位置。较大的颗粒限制在丝网的外层，用次层限制越来越小的颗粒，直到达到最终想要的微米级。这样防止越来越细微的颗粒积聚使得阻塞出现，并且增加过滤的颗粒持有容量，让过滤器有更长的寿命。
一方面，颗粒控制滤网包括支撑层。第一过滤层围绕支撑层设置。第二过滤层围绕第一过滤层设置。第三过滤层围绕第二过滤层设置。每层过滤层具有孔尺寸。第三过滤层的孔尺寸大于第二过滤层的孔尺寸。第二过滤层的孔尺寸大于第一过滤层的孔尺寸。
另一方面，井下地层中过滤流体的方法包括提供包含底管的组件和颗粒控制滤网组件。颗粒控制滤网组件包括支撑层，围绕支撑层设置的第一过滤层，围绕第一过滤层设置的第二过滤层。每层过滤层具有孔尺寸。颗粒控制滤网组件的至少第一端沿周向焊接到底管上。该部件设置到井下包括重油的流体的地层中。流体通过颗粒控制滤网组件从地层吸出并吸入底管。颗粒控制滤网组件过滤流体。
附图说明
图1井下组件的实施例的切开透视图。
图2A是图1的井下组件的一侧切开的视图。
图2B是井下组件的另一实施例的一侧切开的视图。
图3A是图1的井下组件的局部剖视图。
图3B是井下组件的另一实施例的局部剖视图。
图4是图1的井下组件的端视图。
图5是井下组件的实施例的透视图。
图6是表示测试各种滤网组件的压力下降与时间的函数的曲线图。
图7是表示测试各种滤网组件的保持颗粒量与时间的函数的曲线图。
图8是表示测试各种滤网组件的压力下降与时间的函数的曲线图。
图9是表示测试各种滤网组件的保持颗粒量与时间的函数的曲线图。
具体实施方式
参照附图对本发明进行说明，其中相同的元件用相同的附图标记表示。通过以下说明可更好地理解本发明的各个元件的关系和功能。这样定义的每个方面可以与其它任何方面结合，除非清楚地指出相反。以下说明的实施例仅仅作为示例，本发明不限于附图所示的实施例。
在常规的表面过滤方法中，颗粒被拦在过滤层上，导致达到发生滤网阻塞的程度以至有效微米级(micron rating)明显小于到原始过滤丝网的微米级。本发明使用深度过滤，以将不同尺寸的颗粒限制在贯穿过滤介质厚度的不同位置。较大的颗粒被限制在最外面的过滤层处，而内层限制越来越小的颗粒，直到达到最终要求的微米级。深度过滤通过降低过滤器的微米级而防止颗粒积聚，且增加过滤器的颗粒容积，为过滤器提供更长的寿命。
本发明对于过滤重油特别有用。这里使用的术语“重油”包括重油、超重油、含油砂、沥青砂、和沥青。由于其高粘性，重油不容易在常规的井中流动。重油可以用几种方法来提取，包括但不限于，蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油(SAGD)和冷加工。在蒸汽驱的方法中，注入井将蒸汽泵入重油储油层中。蒸汽压力迫使加热的重油到达相邻的生产井。在SAGD中，在含油砂中钻两个水平井，一个在地层的底部，另一个在其上面。将蒸汽注入上井中，在该井中将沥青热溶解。沥青流入下井，在下井中沥青被泵送到地面。在冷加工中，油被简单地泵送出地层，通常使用特殊的泵，称为螺杆泵。这种方法仅仅适用于油流动到足以泵送的区域。这些方法的每一种通常导致生产的流体具有比常规油储存(oil deposit)具有更高颗粒含量。
参照图1和2A，颗粒控制滤网组件10的第一实施例图示为包括有砂石或颗粒过滤系统。颗粒控制滤网组件10安装在底管20上，底管20例如可设置在井眼中。颗粒控制滤网组件10围绕底管20而设置，外壳或外罩30围绕颗粒控制滤网组件10而设置。外壳30一般被打孔、开槽或金属丝缠绕。底管10的一部分被打有孔22，以让石油、天然气或重油从井眼流入。为了防止砂石或其它颗粒通过这些孔22吸入底管20，底管20的打孔部分用颗粒控制滤网组件10罩住。尽管为了观看的目的，图1图示各个层被切除，然而在实际使用时，这些层一般基本上罩住底管20的整个长度。
颗粒控制滤网组件10通常为圆筒形，以与底管20相配。如图2A所示，颗粒控制滤网包括至少一层支撑层12和围绕支撑层12的至少两层过滤层14、16。为了产生深度过滤效果，外过滤层16的孔尺寸大于内过滤层14的孔尺寸。在一个实施例中，颗粒控制滤网包括三层过滤层14、16、18，其中外过滤层18的孔尺寸大于第二过滤层16的孔尺寸，第二过滤层16的孔尺寸大于内过滤层14的孔尺寸。
过滤层的数量根据所要求的应用而变化。例如，在另一实施例中，颗粒控制滤网包括设置在支撑层12和内过滤层14之间的第四过滤层(未示出)。在另一实施例中，颗粒控制滤网包括五层、六层或更多层过滤层。
支撑层12为滤网组件10提供结构支撑，并且也起排水层的作用。支撑层12可以是线编织的金属丝网，焊接的金属网，金属网罩，或者支撑过滤层且在过滤介质和底管之间提供用于地层流体排出的流动通道的任何其它结构。颗粒控制滤网15的第二实施例如图2B所示，包括围绕内支撑层12设置的第二支撑层13。第二支撑层13提供附加的结构支撑和排水能力。
过滤层14、16、18可以是金属丝网。然而，也可是其它材料。过滤层14、16、18可以是扩散结合、烧结或未烧结的。可以使用各种织物，包括正方形(包括平纹或斜纹)和密纹(dutch)(包括平纹、斜纹、反向纹或反斜纹)。过滤层14、16、18优选用正方形丝网，以形成深度过滤介质。然而，过滤层14、16、18也可以使用无特征或“无支数”织物，它们是用相同直径不同线支数的经线和纬线平纹纺织的织物。应该注意，过滤层14、16、18可以使用各种丝网、丝网目数和线直径形成。
如图3A和3B所示，支撑层12和过滤层14、16、18一般是相互直接接触。根据应用，也可以使用圆筒金属结构40。金属结构40提供在保护滤网组件10的端部对其进行保护的“安全边缘”，并且可焊接到其它结构(诸如底管20)上，或按要求焊接而不用担心烧坏丝网层的滤网线。过滤层14、16、18也可覆盖部分金属结构40材料并焊接到其上。圆筒金属焊缝42将滤网组件10与圆筒金属结构40连接。在图3B所示的实施例中，颗粒滤网组件17包括一层支撑层12和两层过滤层14和16。
如图3A、3B和4所示，优选将支撑层12和丝网层14、16、18在层之间无明显间隙地彼此直接接触。然而，有可能在一些层或所有层之间存在间隙。另外，在丝网层之间可具有间隔物或其它材料，诸如附加丝的网层。这些间隔物或附加丝网层对利用烧结或扩散结合的丝网层的应用特别有用。而且，颗粒控制滤网10也可以用于可膨胀滤网的应用。
从图1可以最清楚地看出，颗粒控制滤网10理想地包括在颗粒控制滤网组件10长度上延伸的纵向焊缝32。焊缝32将过滤层的一个边缘34与另一边缘36密封。焊缝32还可将支撑层12与过滤层14、16、18连接在一起。如下文所述，过滤层也可螺旋地缠绕在底管20上。
为了提供充分的砂石和颗粒过滤，过滤层14、16、18具有选择性地防止一定尺寸的颗粒流入底管20的孔尺寸。第一或最内的过滤层14优选具有75至300微米之间的孔尺寸。第二或中间过滤层16优选具有150至400微米之间的孔尺寸。第三或外过滤层18优选具有200至1200微米之间的孔尺寸。当最内层具有75至150微米之间的孔尺寸时，可以围绕支撑层12设置附加过滤层(未示出)。
不同的井下条件包括具有不同颗粒尺寸分布的流体。因此，流体的颗粒尺寸分布会影响颗粒控制滤网组件中的丝网层的孔尺寸的选择。在不同的实施例中，第一过滤层14可具有100至200微米之间或200至300微米之间的孔尺寸。第二过滤层16可具有150至300微米之间、250至350微米之间、或300至450微米之间的孔尺寸。第三过滤层18具有500至1200微米之间、200至400微米之间、500至600微米之间或600至800微米之间的孔尺寸。
支撑或排水层12(和13，如果存在)通常比过滤层更粗。例如，支撑层12的常规尺寸包括16×16×0.023”，20×20×0.016”，以及10×10×0.035”。支撑层12和/或13也可以是更粗的层(诸如8×8×0.032”)，然而，这样使它难以与其它丝网用焊缝焊接。在需要较粗的支撑/排水层的情况下，支撑/排水层通常不连接成焊缝。支撑和/或排水层也可包括金属网罩。
通常通过焊料26将颗粒控制滤网组件10(和/或金属结构40)的至少一端24周向地焊接在底管20上。外壳30围绕颗粒控制滤网而设置，并且也优选焊接到其上。这种配置在底管20和井地层之间提供密封，使得不用颗粒控制滤网组件10过滤即可使地层中的流体不能进入底管20。
颗粒控制滤网组件10的工作如下。将颗粒控制滤网组件10设置在井下或地下地层。包括烃的流体，诸如重油或原油，通过组件10流至地面。流体还可包括其它成分，诸如天然气、蒸汽和/或水。流体或者通过泵送或者由于井下存在的压力流动。在流经组件10时，流体首先通过外外壳30。最外过滤层18去除流体中相对较大的颗粒。接下来的过滤层16去除流体中的中等尺寸的颗粒。内过滤层14去除流体中较小的颗粒。然后，流体通过底管20的孔22，且接着被抽到地面。这种多层过滤比单层过滤提供颗粒的更有效去除。
每层过滤层通常具有0.005英寸至0.06英寸之间的厚度。颗粒控制滤网10一般具有在约0.02英寸至约0.3英寸之间的横截面厚度，优选在约0.05英寸至约0.15英寸之间，且更优选在约0.07英寸至约0.09英寸之间。在井的应用中，颗粒控制滤网组件10一般具有在约3英尺至约40英尺之间的轴向长度。应该理解，根据实际井的要求，实际尺寸范围可以变化。
现在转向形成颗粒控制滤网组件10的方法，支撑层12和过滤层14、16、18可以是扩散结合、烧结或未烧结。对于未烧结的过滤层，可将两层或更多层过滤层叠加，丝网尺寸取决于所要求的过滤质量。过滤层相对于彼此地设置，以形成多层未烧结滤网。过滤层可以钉在一起，以将它们保持在适当位置，用于以后的加工步骤。在钉的过程中，过滤层可以用平板压平，以防止形成波纹。可将金属条40(如图3A和3B所示)连接在多层未烧结滤网的相反端。将金属条40焊接至多层未烧结滤网。
接着，滤网形成大致圆筒形状。如果这些层的纵向边缘没对齐，那么可将其修剪，使得每层的纵向边缘大致是共边的。等离子切割机可以用于修剪纵向边缘。为了实现这个目的，将大体圆筒形设置在等离子切割机中并固定至心轴上。心轴用于稳定地保持大体圆筒形状，并且还为等离子切割机提供引导，以修剪纵向边缘的。心轴包括沿其长度的铣槽。等离子喷枪沿心轴喷射并修剪每层的纵向边缘。修剪过程可能形成未烧结/非扩散结合丝网层的纵向焊接。接着将丝网层的纵向边缘焊接在一起。纵向焊缝32沿管子的整个长度形成，如图1所示。
在可选结构形式中，过滤层通过螺旋缠绕而围绕底管20或支撑层12设置，如图5所示。设置包括几层过滤层的长条层丝网。过滤层14、16、18围绕底管20或其它支撑层缠绕，使得过滤层的边缘与螺旋焊缝38重叠。当过滤层缠绕底管20或其它支撑时，焊缝38沿底管20或其它支撑轴向盘旋。
在另一可选构成方法中，过滤层形成大致圆筒形状，过滤层的纵向边缘重叠并焊接。然后，将整个过滤部件滑入外壳，从而装配底管。通过标准装配方法将滤网的端部固定至底管上，标准组装方法包括但不限于压接、锻压或模压(swage)和焊接。
如果过滤层被烧结或扩散结合在一起，两层或更多层的过滤层被重叠，其中丝网尺寸取决于所要求的过滤质量。过滤层彼此相对地设置，以形成多层滤网。然后，在后面的加工步骤中过滤层被烧结或扩散结合在一起。根据应用要求，支撑层可结合或不结合至扩散结合的层压层。在层压片的每个端部增加金属结构40(如果要求)后，滤网形成大体圆筒形。然后，丝网层的纵向边缘焊接在一起。纵向焊缝32沿管子的整个长度形成。
在组装的每个阶段的焊接通过任何已知的方法来实现，包括钨极惰性气体保护焊(GTAW)、钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)、等离子焊接、金属焊条惰性气体保护(MIG)和激光焊接。每种焊接的材料是常规的，并选择成与支撑管(在一个实施例中是不锈钢)和丝网层(在一个实施例中是不锈钢)的金属相容。颗粒控制滤网组件可以由316L、Carpenter 20Cb3、Inconel 825和其它类型的不锈钢过滤介质制成，以经受得起生产环境。
颗粒控制滤网组件10可以用任何数量的外壳结构设置到底管20上，在颗粒滤网组件10的每端形成圆筒形焊缝，以形成完整的井滤网。颗粒滤网组件10可以沿给定长度部分的底管10的长度组装，例如，在4英尺、9英尺或42英尺部分，其中每个部分固接到底管10上，诸如焊接到其上。底管的一般长度是20、30或40英尺，当然，更短或更长的长度是可能的。在一个实施例中，多重颗粒控制滤网组件10与颗粒控制安装管连接在一起。
因为颗粒控制滤网组件10利用深度过滤，比利用表面过滤的控制滤网具有更长的使用寿命。还具有提高的流率，降低的滤网侵蚀危险，当生产慢时，降低井逆流的频率和成本。
实例
为了解释和说明提供本发明以下实例和比较实例。
利用上述技术中的一种来制备颗粒控制滤网组件。
实例1
以125微米的要求过滤微米级制备滤网组件。滤网组件包括两层支撑层和四层过滤层，如下面的表1所示。
表1