专利名称：用于在地下井中传播压力脉冲的交变流动阻力增大和减小的制作方法
技术领域：
本公开文本总体涉及与地下井结合使用的装备以及与地下井结合执行的操作，并且在下面描述的一个实施例中更特别地提供为在地下井中传播压力脉冲。
背景技术：
在喷射式井、烃产出井或其它类型的井中，能够将压力脉冲传播到地层中在很多时候是有益的。这种压力脉冲能够增强地层中流体的流动性。例如，在注入操作中注入的流体可以更容易地流入地层中并且通过地层来扩散，并且在产出操作中产出的流体可以更容易地从地层流入井筒中。因此，应当理解的是，在上文提到的情况下，期望在井中传播压力脉冲的技术领域的进展，并且这种进展也将有益于其它各种情况。
发明内容
在下面的公开文本中，提供一种提高在井中传播压力脉冲的技术的可变流动阻力系统和相关的方法。下面说明如下实施例随着流体组合物流过可变流动阻力系统，流体组合物的流动阻力交替地增大和减小。在一个方案中，通过本公开文本为本技术领域提供一种在地下井中传播压力脉冲的方法。所述方法可以包括使流体组合物流过至少一个可变流动阻力系统。所述可变流动阻力系统包括具有至少一个入口和出口的涡流室。当流体组合物围绕出口螺旋式地流动时，形成涡流。通过涡流室的流体组合物的流动阻力交替地增大和减小。在另一个方案中，响应于使流体组合物流过可变流动阻力系统，交替地形成涡流， 并且涡流在涡流室中消散。在又一个方案中，地下井系统可以包括至少一个可变流动阻力系统，该可变流动阻力系统响应于来自地层的流体组合物的流动而将压力脉冲传播到地层中。对于本领域普通技术人员而言，在仔细考虑下面的代表性实施例的详细说明和附图时，这些和其它特征、优点和益处会变得显而易见，在各个图中使用相同的附图标记表示相似的部件。
图1为可以实施本公开文本的原理的井系统和相关方法的示意性局部剖视图。图2为可以用于图1的井系统中井筛和可变流动阻力系统的放大比例的示意性剖视图。图3为沿着图2的线3-3截取的可变流动阻力系统的一个构造的示意性“展开”平面图。图4A和4B为可变流动阻力系统的另一个构造的示意性平面图。图5A和5B为可变流动阻力系统的另一个构造的示意性平面图。
图6为图1的井系统和方法的另一个构造的示意性剖视图。图7为可变流动阻力系统的另一个构造的示意性平面图。图8A-8C分别为可变流动阻力系统的又一个构造的示意性立体图、局部剖视图和剖视图。
具体实施例方式图1中代表性地示出的是可以实施本公开文本的原理的井系统10。如图1中所示，井筒12具有从套管16向下延伸的大致垂直的无套管分段14以及贯穿地层20的大致水平的无套管分段18。井下管柱22 (诸如生产用管式带)安装在井筒12中。在井下管柱22中相互连接的是多个井筛对、可变流动阻力系统25和封隔器26。封隔器沈将在井下管柱22和井筒分段18之间径向形成的环空(armulusUS密封。以此方式，流体30可以经由环空观的处于相邻对的封隔器沈之间的隔离部分而从地层20的多个间隔或区域中产出。位于各相邻对的封隔器沈、井筛M和可变流动阻力系统25之间的是相互连接的井下管柱22。井筛M过滤从环空观流入井下管柱22中的流体30。可变流动阻力系统25 基于流体的某些特性来可变地限制流体30流入井下管柱22。在这点上，应当注意的是，井系统10在图中示出并且在这里描述为仅为本公开文本的原理可以应用的各种井系统的一个实施例。应当清楚地理解的是，本公开文本的原理不限于在图中描绘或者在这里描述的井系统10或其部件的所有细节或任一细节。例如，不一定将本公开文本的原理限制为井筒12包括大致垂直的井筒分段14或者大致水平的井筒分段18。流体30不一定仅从地层20产出，因为在其它的实施例中流体可以注入到地层中，流体可以既注入到地层中又可以从地层中产出，等等。井筛M和可变流动阻力系统25中的每一个不一定位于各相邻对封隔器沈之间。 单个可变流动阻力系统25不一定与单个井筛M结合使用。可以使用这些部件的任何数量、 布置和/或组合。任一可变流动阻力系统25不一定与井筛M —起使用。例如，在注入操作中，注入的流体可以流过可变流动阻力系统25，但不会也流过井筛M。井筛M、可变流动阻力系统25、封隔器沈或井下管柱22的任何其它部件不一定位于井筒12的无套管分段14、18中。与本公开文本的原理一致的是，井筒12的任何分段可以为有套管的或无套管的，并且井下管柱22的任何部分可以位于井筒的无套管分段或有套管分段中。因此，应当清楚地理解，本公开文本描述了如何构造和使用某些实施例，但是本公开文本的原理不限于那些实施例的任何细节。而是，利用从本公开文本获得的知识，本公开文本的原理可应用于其它各种实施例。本领域技术人员应当领悟的是，能够调节流体30从例如地层20的各个区域到井下管柱22的流动将是有益的，用以防止地层中的水锥32或气锥34。井中流动调节的其它用途包括但不限于平衡来自多个区域的产量(或进入多个区域的注入量)，使非期望流体的产量或注入量最小化，使期望流体的产量或注入量最大化，等等。
下文更加全面地说明的可变流动阻力系统25的实施例可以通过如下措施来提供这些益处如果流体速率增加而超过选定级别，则增大流动的阻力(例如，以便因此平衡区域之间的流动，防止水锥或气锥，等等)；如果流体粘度下降到选定级别以下或流体密度增大到选定级别以上，则增大流动的阻力(例如，以便因此限制产油井中诸如水或气体的非期望流体的流动)；和/或如果流体粘度或密度增大到选定级别以上，则增大流动的阻力 (例如，以便因此使蒸汽喷射井中水的注入量最小化)。流体是否为期望流体或非期望流体取决于所进行的产出或注入操作的用途。例如，如果期望从井中产出油而不产出水或气体，那么油为期望流体，水和气体为非期望流体。如果期望从井中产出气体而不产生水或油，则气体为期望流体，而水和油为非期望流体。如果期望将蒸汽注入地层中而不注入水，那么在流体组合物中蒸汽为期望流体，而水为非期望流体。注意的是，在井底温度和压力下，烃气实际上可以完全或部分地处于液相。因此， 应当理解的是，当在这里使用术语“气体”时，超临界相、液相和/或气相包括在该术语的范围之内。现在另外参考图2，其代表性地示出了可变流动阻力系统25中的一个以及井筛M 中的一个的一部分的放大比例的剖视图。在这个实施例中，流体组合物36(可以包括一种或多种流体，诸如油和水、液态水和蒸汽、油和气体、气体和水、油、水、和气体等)流入井筛 24中，因此被过滤，然后流入可变流动阻力系统25的入口 38。流体组合物可以包括一种或多种非期望或期望的流体。蒸汽和水均可以组合在流体组合物中。作为另一个实施例，油、水和/或气体可以组合在流体组合物中。基于流体组合物的一种或多种特性(诸如密度、粘度、速率等)来阻止流体组合物 36通过可变流动阻力系统25的流动。然后，流体组合物36经由出口 40从可变流动阻力系统25排出到井下管柱22的内部。在其它的实施例中，井筛M可以不与可变流动阻力系统25结合使用(例如，在注入操作中)，流体组合物36可以沿相反的方向流过井系统10的各个构件(例如，在注入操作中)，单个可变流动阻力系统可以与多个井筛结合使用，多个可变流动阻力系统可以与一个或多个井筛一起使用，流体组合物可以来自于或排出到井的除了环空或井下管柱之外的区域中，流体组合物可以在流过井筛之前流过可变流动阻力系统，任何其它部件可以与井筛和/或可变流动阻力系统的上游或下游相互连接，等等。因此，可以理解的是，本公开文本的原理根本不限于图2中描述以及这里说明的实施例的细节。尽管图2中描绘的井筛M是本领域技术任一公知类型的绕线式井筛，在其它的实施例中可以使用任何其它类型的井筛或井筛的组合(诸如烧结的、展开的、预先包装的、线网等)。还可以按照需要使用附加部件(诸如屏板、分流管、线、仪器、传感器、流入控制装置在图2中以简化的形式描绘了可变流动阻力系统25，但是在优选实施例中，系统可以包括用于执行各种功能的各种通道和装置，如下面更加全面描述的那样。另外，系统25 优选地至少部分地围绕井下管柱22沿周向延伸，或者系统可以形成在相互连接成为井下管柱的部分的管状结构件的壁中。在其它的实施例中，系统25可以不围绕井下管柱沿周向延伸或者形成在管状结构件的壁中。例如，系统25可以形成在平整结构中，等等。系统25可以在附接至井下管柱 22的单独壳体中，或者系统25可以取向为使得出口 40的轴线与井下管柱的轴线平行。系统25可以位于测井带上或者附接至形状不是管状的装置。与本公开文本的原理一致的是， 可以使用系统25的任何取向或构造。现在另外参考图3，其代表性地示出了系统25的一个实施例的更加详细的剖视图。系统25在图3中描绘为好似系统25从其周向延伸构造“展开”成大致平面构造。如上所述，流体组合物36经由入口 38进入系统25，并且经由出口 40退出系统。 流体组合物36流过系统25的阻力基于流体组合物的一种或多种特性而变化。图3中描绘的系统25与通过上述引用并入本文的序列号为12/700685的现有申请的图23中所示的系统在很多方面是相似的。在图3的实施例中，流体组合物36最初流入多个流道42、44、46、48。流道42、44、 46、48将流体组合物36引导到两个流路选择装置50、52。装置50选择来自流道44、46、48 的大部分流将进入两个流路讨、56中的哪一个，并且另一个装置52选择来自流道42、44、 46,48的大部分流将进入两个流路58、60中的哪一个。流道44构造为更加限制具有较高粘度的流体的流动。将通过流道44逐渐地限制升高粘度的流体的流动。如这里所使用的，术语“粘度”用于表示包括动粘度、屈服强度、粘塑性、表面张力、 可湿性等的相关流变特性中的任一个。例如，流道44可以具有相对小的流动区域，流道可以要求流过其中的流体沿迂曲路径行进，表面粗糙度或流动阻碍结构可以用于为较高粘度流体的流动提供增大的阻力， 等等。然而，相对低粘度流体能够以对这种流动而言相对低的阻力流过流道44。流路选择装置50的控制通道64接收流过流道44的流体。在控制通道64的端部处的控制口 66具有减小的流动区域，以由此提高退出控制通道中的流体的速率。流道48构造为对流过其中的流体的粘度具有相对不灵敏的流动阻力，但是流道 48可能渐强地阻止较高速率或较高密度的流体的流动。可以通过流道48渐强地阻止升高的粘度流体的流动，但是达不到通过流道44阻止这种流体的流动那么大的程度。在图3中描绘的实施例中，流过流道48的流体在排出到流路选择装置50的控制通道68中之前必须流过“涡流”室62。由于在这个实施例中室62具有带有中心出口的圆筒形状，并且流体组合物36围绕所述室螺旋式行进，在靠近出口时速率升高，由于压力差从入口驱进到出口，所述室称为“涡流”室。在其它的实施例中，可以使用一个或多个节流管、流量计、喷嘴等。控制通道68在控制口 70处终止。控制口 70具有减小的流动区域，以便于增大退出控制通道68中的流体的速率。应当理解的是，随着流体组合物36的粘度升高，较大比例的流体组合物将流过流道48、控制通道68和控制口 70 (由于流道44比流道48和涡流室62更加阻止较高粘度流体的流动)。相反地，随着流体组合物36的粘度下降，较大比例的流体组合物将流过流道 44、控制通道64和控制口 66。流过流道46的流体也流过涡流室72，并且排出到中心通道74中，涡流室72可以与涡流室62类似(但是在优选的实施例中涡流室72对流过其中的流动提供比涡流室62
8较小的阻力)。涡流室72用于“阻抗匹配”以达到通过流道44、46、48的流动的期望平衡。注意的是，需要适当地选择系统25的各个部件的尺寸和其它特性，从而获得期望的结果。在图3的实施例中，流路选择装置50的一个期望结果是当流体组合物具有足够高的期望流体与非期望流体的比率时，流过流道44、46、48的流体组合物36的大部分的流动被引导到流路讨。在这个实施例中，期望流体为油，油具有比水或气体高的粘度，因此当流体组合物 36中的足够高比例为油时，进入流路选择装置50的流体组合物36的大部分(或者至少较大的比例)将被引导以流入流路M中，而不是流入流路56。由于退出控制口 70的流体比退出另一个控制口 66的流体具有较大的比率或较高的速率，因此影响(促使)从通道64、 68,74流过来的流体更多地朝向流路M流动，因此获得这个结果。如果流体组合物36的粘度不足够高(并且因此期望流体与非期望流体的比率在选定级别以下)，则进入流路选择装置50的流体组合物的大部分(或者至少较大比例)将被引导为流入流路56中，而不是流入流路M中。这是由于如下原因退出控制口 66的流体比退出另一个控制口 70的流体具有较大的比率或较高的速率，因此影响从通道64、68、 74流过来的流体更多地朝向流路56流动。应当理解的是，通过适当地构造流道44、46、48，控制通道64、68，控制口 66、70，涡流室62、72等，可以将流体组合物36中的期望流体与非期望流体的比率设定为各种不同的级别，装置50按所述比率为来自装置的流体的大部分的流动选择流路M或56。流路M、56将流体引导到另一个流路选择装置52的相应的控制通道76、78。控制通道76、78在相应的控制口 80、82处终止。中心通道75接收来自流道42的流体。流路选择装置52与流路选择装置50运行的相似之处在于经由通道75、76、78流入装置52中流体被引导以朝向流路58、60中的一个，并且流路选择取决于从控制口 80、82 排出的流体的比率。如果与流过控制口 82的流体相比流体以较大的比率或速率流过控制口 80，那么流体组合物36的大部分(或至少较大比例)将被引导以流过流路60。如果与流过控制口 80的流体相比流体以较大的比率或速率流过控制口 82，那么流体组合物36的大部分(或至少较大比例)将被引导以流过流路58。尽管在图3中的系统25的实施例中描述了两个流路选择装置50、52，应当理解的是，与本公开文本的原理一致的是，可以使用任何数量(包括一个)的流路选择装置。图3 中所示的装置50、52为本领域技术人员所公知的类型喷射式流率放大器，但是与本公开文本的原理一致的是，可以使用其它类型的流路选择装置(例如，压力型流率放大器、双稳型流体开关、比例型流率放大器等)。流过流路58的流体经由入口 86进入流动室84，所述入口 86将流体引导为使流体大致切向地进入该室(例如，室84的形状类似于圆筒，并且入口 86与圆筒的圆周成切向地对准)。结果，流体将围绕室84螺旋式行进，直到流体最终经由出口 40退出，如图3中的箭头90示意性地表示。流过流路60的流体经由入口 88进入流动室84，所述入口 88将流体引导为使流体更加直接地朝向出口 40流动(例如沿径向，如图3中箭头92示意性地表示)。易于理解的是，与当流体较不直接地朝向出口流动时相比，当流体更加直接地朝向出口 40流动时，消耗的能量少得多。
因此，当流体组合物36更加直接地朝向出口 40流动时，经受更小的流动阻力，相反地，当流体组合物较不直接地朝向出口流动时，经受更大的流动阻力。因此，当流体组合物36的大部分从入口 88流入室84中并且通过流路60时，从出口 40的上游运行经受更小的流动阻力。当与退出控制口 82的流体相比流体以较大的比率或速率退出控制口 80时，流体组合物36的大部分流过流路60。当从通道64、68、74流过来的流体的大部分流过流路M 时，更多的流体退出控制口 80。当与退出控制口 66的流体相比流体以较大的比率或速率退出控制口 70时，从通道64、68、74流过来的流体的大部分流过流路M。当流体组合物36的粘度在选定级别以上时，更多的流体退出控制口 70。因此，当流体组合物36具有升高的粘度时(流体组合物中期望流体与非期望流体的较大比率)，通过系统25的流动受到较小的阻力。当流体组合物36具有降低的粘度时， 通过系统25的流动受到较大的阻力。当流体组合物36较不直接地朝向出口 40流动时(例如，如箭头90所示)，流动经受更大的阻力。因此，当流体组合物36的大部分从入口 86流入室84中并且通过流路58 时，流动经受更大的阻力。当与退出控制口 80的流体相比流体以较大的比率或速率退出控制口 82时，流体组合物36的大部分流过流路58。当从通道64、68、74流过来的流体的大部分流过流路56 而不是流过流路M时，更多的流体退出控制口 82。当与退出控制口 70的流体相比流体以较大的比率或速率退出控制口 66时，从通道64、68、74流过来的流体的大部分流过流路56。当流体组合物36的粘度在选定级别以下时，更多的流体退出控制口 66。如上所述，系统25构造为当流体组合物36具有升高的粘度时，提供更小的流动阻力，并且当流体组合物具有降低的粘度时，提供更大的流动阻力。当期望更多的较高粘度流体流动以及更少的较低粘度流体流动时这是有益的(例如，以便于产出更多的油以及更少的水或气体)。如果期望更多的较低粘度流体流动并且更少的较高粘度流体流动(例如，以便于提供更多的气体以及更少的水，或者喷出更多的蒸汽以及更少的水)，那么可以为此目的容易地重新构造系统25。例如，入口 86、88可以方便地反向布置，以使流过流路58的流体被引导到入口 88并且流过流路60的流体被引导到入口 86。尽管如上所述流体组合物36的大部分可以经由入口 86进入室84中以由此具有增大的流动阻力，并且在其它的情况下流体组合物的大部分可以经由入口 88进入该室中以由此具有减小的流动阻力，但可变流动阻力系统25可以构造为使得通过涡流室的流动阻力交替地增大和减小。在一个实施例中这可以通过交替地形成涡流90并且使涡流90在涡流室84中消散来实现。可变流动阻力系统25可以构造为使得当通过系统的流动阻力增大时，通过系统将反压力传输到入口 38 (并且传输到入口上游的部件)，并且通过系统的流体组合物的速率降低。在这样降低的速率下，较大比例的流体组合物36将流过流道48，并且流过通道66、 70,74的流体组合物的大部分将因此流入流路M中。
当更多的流体组合物36流过控制通道76到达控制口 80时，流体组合物36的大部分将受到影响而流过流路60到达入口 88。因此，流体组合物36将更加直接地流到出口 40 (如箭头92所示)，并且通过系统25的流动阻力将减小。随着流体组合物36更加直接地流到出口 40，室84中之前的涡流将消散。通过系统25的流动阻力的减小使得通过系统传输到入口 38(并且到入口上游的部件)的反压力减小，并且通过系统的流体组合物的速率升高。在这样升高的速率下，较大比例的流体组合物36将流过流道44，并且流过通道66、70、74的流体组合物的大部分将因此流入流路56中。当更多的流体组合物36流过控制通道78而到达控制口 82时，流体组合物36的大部分将会受到影响而流过流路58到达入口 86。因此，流体组合物36将更加不直接地流到出口 40 (如涡流90所示)，并且通过系统25的流动阻力将增大。随着流体组合物36围绕出口 40螺旋式地流动，在室84中形成涡流90。通过系统25的流动阻力将交替地增大和减小，使得反压力相应地交替地增大和减小。由于在井系统10中反压力将引起压力脉冲，这种反压力可以是有用的，所述压力脉冲从系统25的上游传播到环空观和环绕井下管柱22和井筒分段18的地层20中。由于压力脉冲有助于破坏环绕井筒12的“皮层效应”，传送到地层20中的压力脉冲可以有助于从地层中产出流体30，并且增强流体在地层中的流动性。通过使得流体30较易于从地层20流入井筒12中，可以更加容易地产出流体(例如，相同的流体产率将需要从地层到井筒的较小的压力差，或者能够以相同的压力差产出更多的流体，等等)。通过系统25的流动阻力的交替增大和减小还可以使得压力脉冲被传送到出口 40 的下游。例如，在系统25用于将流体组合物36注入到地层中的情况下，出口 40下游的这些压力脉冲可以是有用的。在这些情形下，注入的流体将通过系统25从入口 38流到出口 40，并且因此进入地层中，随着流体组合物36流过系统25并且进入地层中，压力脉冲将从出口 40传送到地层中。关于产出操作，因为压力脉冲通过地层增强了注入流体的流动性，传送到地层中的压力脉冲在注入操作中是有用的。与本公开文本的原理一致的是，由系统25产生的压力脉冲可以有其它用途。在下面更加全面说明的另一个实施例中，压力脉冲用于砾石充填操作以便减少空隙并且增强砾石过滤层中的砾石的固结。应当理解的是，当流体从入口 38流到系统的出口 40时，系统25获得上述益处。然而，在一些情况下，可以期望的是，既当流体从井下管柱22流入地层20中时(例如，在激励 /注入操作中)且当流体从地层流入井下管柱中时(例如，在产出操作中)，产生压力脉冲。如果期望当流体流入地层20中时以及当流体从所述地层中流过来时产生压力脉冲，则多个系统25可以并行地使用，这些系统中的一个或多个系统构造为使得当流体流入地层中时流体从入口 38流到出口 40，并且其它系统中的一个或多个系统构造为使得当流体从所述地层流过来时流体从入口流到出口。止回阀或射流二极管可以用于防止或高度抑制在系统25中的每一个系统中流体从出口 40流到入口 38。现在另外参考图4A和4B，其代表性地示出了可变流动阻力系统25的另一个构造。 由于图4A和4B的系统25不包括流路选择装置50、52，与图3的系统相比，图4A和4B的系统25至少部分地较不复杂得多。图4A和4B中的涡流室84也稍有不同，其区别在于到该室的两个入口 94、96经由两个流道98、100被供有流体组合物36的流动，两个流道98、100弓丨导流体组合物以使流体组合物围绕出口 40沿相反的方向(或者至少沿着使得来自入口 94、96的流彼此阻碍的方向)流动。如图4A和4B中描绘的，经由入口 94进入室84的流体被引导为围绕出口 40沿着顺时针方向(从图4A和4B中看时)，并且经由入口 96进入室的流体被引导为围绕出口沿着逆时针方向流动。在图4A中，在如下情形下描述系统25 流体组合物36升高的速率使得流体组合物的大部分经由入口 94流入室84中。因此，流体组合物36围绕出口 40在室84中螺旋式行进，并且通过系统25的流动阻力增大。在图4A中，由于流道100在涡流室104a-l(Mc处连接至从流道98分流的分流道 10加-102(3，相对少的流体组合物36经由入口 96流入室84中。在相对高的速率下，流体组合物36趋向于流动而经过涡流室l(Ma-104c，不会使相当量的流体组合物流过涡流室和分流道l(^a-102c到达流道100。可以通过增加流道98在每个涡流室104a-l(Mc处的宽度来增强这种效果(例如， 如图4A中所描绘的，wl < w2 < w3 < w4)。涡流室l(Ma-104c的容量还可以沿着流道98 沿下游方向减小。在图4B中，流体组合物36的速率已经下降(由于在图4A中增大的流动限制)，并且结果是，较大比例的流体组合物从流道98流入分流道102a-102c并且经由流道100到达入口 96。由于从两个入口 94、96进入室84的流彼此相对，这些流彼此抵消，使得干扰了室中的涡流90。如图4B中所描绘的，流体组合物36围绕出口 40较少螺旋式地流动并且更加直接地流到出口，从而减小了通过系统25的流动阻力。结果，流体组合物36的速率将升高，并且系统25将返回到图4A中所描绘的情形。应当理解的是，随着流体组合物36流过该系统，通过图4A和4B中的系统25的流动阻力将交替地增大和减小。入口 38处的反压力将交替地增大和减小，使得压力脉冲被传送到入口上游的部件。通过出口 40的流动也将交替地增加和减少，使得压力脉冲被传送到出口下游的部件。作为通过入口 94、96的流体组合物36的流动比例变化的结果，涡流90可以交替地形成并且在室84中消散。关于上述图3中的系统25，图4A和4B的系统可以构造为使得当流体组合物的特性在预定范围之内时，发生通过系统的流动限制的交替增大和减小。例如，当流体组合物的粘度、速率、密度和/或其它特性在期望范围之内时，可以发生流动限制的交替增大和减小。作为另一个实施例中，当流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率在期望范围之内时，可以发生流动限制的交替增大和减小。在产油操作中，可以期望的是，当正在产出足够大比例的油时，将压力脉冲传送到地层20中，从而增强通过地层的油的流动性。从另一个观点看，系统25可以构造为使得 当流体组合物36的粘度在一定级别以上时，发生流动限制的交替增大和减小(并且使得 当产生水或气体的非期望的高比例时，压力脉冲不传播到地层20中)。
在注入操作中，可以期望的是，当注入的流体组合物36中的大比例为蒸汽而不是水时，将压力脉冲传送到地层20中。从另一个观点看，系统25可以构造为使得当流体组合物36的密度在一定级别以下时，发生流动限制的交替增大和减小(并且使得当流体组合物包括相对高比例的水时，压力脉冲不传播到地层20中)。因此，对于特殊的应用，系统25的涡流室、各个流道和其它部件优选地设计为使得当流体组合物36的特性(例如，密度、粘度、速率等)如所预想或期望的那样时，发生通过系统的流动限制的交替增大和减小。将需要一些原型设计和测试来确立应当如何设计系统25的各个部件来实现特殊应用的特殊目标，但是，如果本领域普通技术人员仔细地考虑本公开文本的原理，则将不需要过度的实验。现在另外参考图5A和5B，其代表性地示出了可变流动阻力系统25的另一个构造。 图5A和5B的系统25在很多方面与图4A和4B的系统相似，但是至少在如下方面是不同的 在图5A和5B的构造中不一定使用分流道102a-102c和涡流室l(Ma-104c。而是，流道100 自身将流道98分流。另一个区别在于，在图5A和5B的构造中，循环流动引导结构件106用于室84中。 当流体组合物不围绕出口循环流动时，结构件106起作用以保持流体组合物36围绕出口 40 循环流动，或者至少阻碍流体组合物朝向出口的向内流动。结构件106中的开口 108容许流入组合物36最终向内流动到出口 40。结构件106为如何能够改变系统25的构造以当期望时(例如，当流体组合物36 具有预定的粘度、速率、密度、其中的期望流体与非期望流体的比率等)产生压力脉冲的实施例。流道100从流道98分流的方式是针对如何能够改变系统25的构造以便当期望时产生压力脉冲的又一个实施例。在图5A中，在如下情形下描绘系统25 流体组合物36的速率提高使得流体组合物的大部分经由入口 94流入室84中。因此，流体组合物36在室84中围绕出口 40螺旋式行进，并且通过系统25的流动阻力增大。在图5A中，由于流道100以流体组合物的大部分保留在流道98中的方式从流道 98分流，相对少的流体组合物36经由入口 96流入室84中。在相对高的速率下，流体组合物36趋向于流动而经过流道100。在图5B中，流体组合物36的速率已经下降(由于在图5A中流动限制增加)，并且结果是，较大比例的流体组合物从流道98流过来并且经由流道100到达入口 96。由于从两个入口 94、96进入室84的流方向相反(或者至少通过入口 96的流体组合物的流动与通过入口 94的流动相对)，这些流彼此抵消，使得干扰了室中的涡流90。如图5B中所描绘的，流体组合物36较少螺旋式地围绕出口 40流动，并且更加直接地流到出口，从而减小了通过系统25的流动阻力。结果，流体组合物36的速率将升高， 并且系统25将返回到图5A中描绘的情形。应当理解的是，通过图5A的系统25的流动阻力将随着流体组合物36流过系统而交替地增大和减小。入口 38处的反压力将交替地增大和减小，使得压力脉冲被传送到入口上游的部件。通过出口 40的流动也将交替地增大和减小，使得压力脉冲被传送到出口下游的部件。作为通过入口 94、96的流动组合物36的流动比例变化的结果，涡流90可以交替地
13形成并且在室84中消散。现在另外参考图6，其代表性地示出了井系统10的另一个构造。在这个构造中，正在执行砾石充填操作，其中流体组合物36包括砾石浆料，砾石浆料流出井下管柱22并且进入环空28以由此围绕一个或多个井筛M形成砾石过滤层110。在这种砾石充填操作中，砾石浆料的流体部分(流体组合物36)向内流过井筛M 并且经由系统25进入井下管柱22的内部。如上所述构造，系统25优选地随着砾石浆料流入环空观中而将压力脉冲传播到砾石过滤层110中，从而有助于消除砾石过滤层中的空隙，有助于围绕井筛M固结砾石过滤层，等等。当期望从地层20中产出流体时，系统25可以随着流体从地层流入井筒12中而将压力脉冲传播到地层中，并且因此通过井筛M和系统25进入井下管柱22的内部。因此， 尽管不一定与本公开文本的原理一致，在不同的井操作中系统25可以有益地将压力脉冲传播到地层20中。可选择地、或者除此之外，另一个可变流动阻力系统25可以合并到井下管柱22中作为砾石充填装备的部件112的部分(诸如横跨部或浆料出口接合部)。响应于流体组合物通过系统的流动，系统25因此可以交替地增大和减小流体组合物36进入环空28的流动，从而将压力脉冲传播到砾石过滤层110中。传感器114(诸如在专利号为6913079的美国专利中描述的类型的光纤声学传感器，或者另一类型的传感器)可以用于检测系统25何时将压力脉冲传播到砾石过滤层110 中、进入地层20中等等。这在图6的构造的井系统10中是有用的，从而确定多个砾石过滤层110中的哪一个正在被正确地放置、沿着长的砾石过滤层的何处正获得适当流动，等等。 在图1的井系统10的构造中，传感器114可以用于确定流体30在何处以适当的比率进入井下管柱22中，等等。现在另外参考图7，其代表性地示出了可变流动阻力系统25的另一个构造。图7 的构造在大多数方面与图5A和5B的构造相似，但是至少在如下方面不同当流体组合物围绕室84螺旋式行进时，控制通道116在图7的构造中用于使更多的流体组合物36朝向流道100转向。当流体组合物36的大部分流过入口 94进入室84中时，围绕出口 40螺旋式行进的流体组合物的动量可以使得流体组合物的相对少部分进入控制通道116。流体组合物36 的这部分将碰撞流过流道98的流体组合物的非常大的部分并且将趋向于使更多的流体组合物转向为流入流道100中。如果流体组合物36围绕出口 40更加螺旋式地行进，更多的流体组合物将进入控制通道116，使得更多的流体组合物被转向到流道100。如果流体组合物36围绕出口 40 不是显著螺旋式地行进，则将是流体组合物的小部分、或者没有流体组合物进入控制通道 116。因此，控制通道116可以用于调节流体组合物36的速率，使得在所述速率，通过流道98、100的流率变得更加均等并且通过系统25的流动阻力减小。从另一个观点看，控制通道116可以用于调节流体组合物36的速率，使得在所述速率，通过系统25的流动交替地增大和减小以由此传播压力脉冲，和/或控制通道可以用于调节压力脉冲的频率。现在另外参考图8A-8C，其代表性地示出了可变流动阻力系统25的另一个构造。这个构造在如下很多方面与图5A和5B的系统25相似流体组合物36经由流道98进入室 84中，并且随着流体组合物的速率下降、随着流体组合物的粘度升高、随着流体组合物的密度减小和/或随着流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率增大，较大比例的流体组合物也经由流道100进入室中。在图8A-8C的构造中，流道98、100形成在被容置于大致管状壳体120中的大致圆筒形芯轴118上，如图8A中所描绘的。芯轴118可以例如冷缩配合、压配合或以其它方式紧固和/或密封在壳体120内。从图8B中看出，室84在芯轴的端部和壳体120的内端之间轴向地形成。出口 40 贯穿壳体120的端部。流道98、100中的每一个与室84流体连通。然而，经由入口 94进入室84的流体组合物36的流动将在所述室内循环流动，并且经由入口 96进入室的流体组合物的流动将更加直接地朝向出口 40流动，如图8C中描绘的。在另一个实施例中，入口 96可以构造为沿着与经由入口 94进入所述室的流体组合物(如图8C中的流体组合物36a所示)的流动方向相反的方向引导流体组合物36的流动，以使得如上面关于图5A和5B的构造所述的流彼此抵消。室84还可以按照需要设置有如上所述的结构件106、开口 108和控制通道116。现在，可以完全理解的是，上述公开文本为在井中传播压力脉冲的技术领域提供了多个进步。可变流动阻力系统25可以由于通过系统的流动阻力的交替增大和减小、涡流室84中涡流的交替形成和消散等而产生压力脉冲，并且可变流动阻力系统25可以构造为 当流过系统的流体组合物36的特性在预定范围之内时，产生压力脉冲。上述公开文本为技术领域提供了在地下井中传播压力脉冲的方法。所述方法可以包括使流体组合物36流过至少一个可变流动阻力系统25，所述可变流动阻力系统25包括涡流室84，涡流室84具有至少一个入口 86、88、94、96和一个出口 40。当流体组合物36围绕出口 40螺旋式地流动时，形成涡流90。通过涡流室84的流体组合物36的流动阻力交替地增大和减小。响应于使流体组合物36流过可变流动阻力系统25，涡流90可以交替地形成和消散。当流动阻力交替地增大和减小时，压力脉冲可以从可变流动阻力系统25向上游和/或向下游传播。当流动阻力交替地增大和减小时，压力脉冲可以从可变流动阻力系统 25传播到地层20中。当流动阻力交替地增大和减小时，可以通过砾石过滤层110传播压力脉冲。使流体组合物36流动的步骤可以进一步包括使流体组合物36从地层20流入井筒12中。形成流体组合物36的步骤可以进一步包括使流体组合物36经由可变流动阻力系统25从井筒12流入井下管柱22中。当流体组合物36的特性在预定范围之内时，流动阻力可以交替地增大和减小。所述特性可以包括粘度、速率、密度和/或流体组合物36中期望流体与非期望流体的比率。仅当流体组合物36的特性在预定范围之内时，流动阻力可以交替地增大和减小。使流体组合物36流过可变流动阻力系统25的步骤可以包括使多个流体组合物36 流过相应的多个可变流动阻力系统25。所述方法可以包括检测可变流动阻力系统25中的哪些可变流动阻力系统响应于相应的流体组合物36的流动而具有交替地增大和减小的流动阻力的步骤。而且，上述说明了一种地下井系统10，所述地下井系统10可以包括至少一个可变流动阻力系统25，可变流动阻力系统25响应于来自地层20的流体组合物36的流动而将压力脉冲传播到地层20中。井系统10还可以包括井下管柱22，井下管柱22位于与地层20交叉的井筒12中。 可变流动阻力系统25可以响应于来自地层20的流体组合物36的流动并且流入井下管柱 22中，而将压力脉冲传播到地层20中。可变流动阻力系统25可以包括涡流室84，涡流室84具有至少一个入口 86、88、 94,96和一个出口 40。当流体组合物36围绕出口 40螺旋式流动时，可以形成涡流90。响应于流体组合物36流过可变流动阻力系统25，涡流90可以交替地形成并且消散。上述公开文本还说明了一种用于地下井的可变流动阻力系统25，可变流动阻力系统25包括涡流室84，涡流室84具有一个出口 40以及至少第一入口和第二入口 94、96。第一入口 94可以引导流体组合物36以使流体组合物沿第一方向流动，并且第二入口 96可以引导流体组合物36以使流体组合物沿第二方向流动，使得沿第一方向流动的任何流体组合物与沿第二方向流动的任何流体组合物相对。流体组合物36通过涡流室84的流动阻力可以随着通过第一入口 94和第二入口 96的流动变得更加均等而减小。随着流体组合物36的粘度升高、随着流体组合物36的速率下降、随着流体组合物36的密度降低、和/或随着流体组合物36中的期望流体与非期望流体的比率增大，通过第一入口 94和第二入口 96的流动可以变得更加均等。流体组合物36通过涡流室84的流动阻力可以随着通过第一入口 94和第二入口 96的流动变得较不均等而增大。流体组合物36还可以经由与涡流室84大致成切向取向的第一流道98流到第一入口 94。流体组合物36可以经由与涡流室84大致成切向取向的第二流道100流到第二入口 96，并且第二流道100可以接收来自第一流道98的分流道的流体组合物36。而且，上面还说明了一种在地下井中传播压力脉冲的方法，所述方法可以包括使流体组合物36流过至少一个可变流动阻力系统25的步骤，可以流动阻力系统25包括涡流室84，所述涡流室84具有至少一个入口 86、88、94、96和一个出口 40，当流体组合物36围绕出口 40螺旋式流动时，形成涡流90 ；并且响应于流体组合物36流过可变流动阻力系统 25的步骤，涡流90交替地形成和消散。当涡流90交替地形成和消散时，流体组合物36通过涡流室84的流动阻力可以交替地增大和减小。当涡流90交替地形成和消散时，压力脉冲可以从可变流动阻力系统25向上游和 /或向下游传播。当涡流90交替地形成和消散时，压力脉冲从可变流动阻力系统25传播到地层20中。当涡流90交替地形成和消散时，压力脉冲可以传播而通过砾石过滤层110。当流体组合物36的特性在预定范围之内时，涡流90可以交替地形成和消散。所述特性可以包括粘度、速率、密度和/或流体组合物36中的期望流体与非期望流体的比率。仅当流体组合物36的特性在预定范围之内时，涡流90可以交替地形成和消散。至少一个入口可以包括第一入口 94和第二入口 96。可变流动阻力系统25可以进一步包括控制通道110，控制通道110接收来自涡流室84的流体组合物36的一部分，从而，当由于流体组合物36经由第一入口 94流入室84中而使流体组合物36在室84中围绕出口 40螺旋式行进时，影响更多的流体组合物36经由第二入口 96流入室84中。应当理解的是，上述各个实施例可以在各个取向上以及在各种构造中使用，各个取向诸如倾斜、倒置、水平、垂直等，而不偏离本公开文本的原理。图中所示的实施方案仅被描绘和说明为本公开文本的原理的实用的应用的实施例，本公开文本的原理不限于这些实施方案中的任一特定细节。当然，在仔细考虑代表性实施方案的上述说明时，本领域技术人员将易于领会到， 可以对这些特定的实施方案进行许多改进、添加、替代、删除、和其它的改变，并且这些改变在本公开文本的原理的范围之内。因此，前述详细的描述应当清楚地理解为仅通过示例和实施例的方式给出，本发明的主旨和范围由所附权利要求及其等同内容唯一地限定。
权利要求
1.一种在地下井中传播压力脉冲的方法，所述方法包括如下步骤使流体组合物流过至少一个可变流动阻力系统，所述可变流动阻力系统包括涡流室， 所述涡流室具有至少一个入口和出口，当所述流体组合物围绕所述出口螺旋式地流动时， 形成涡流；以及所述流体组合物流过所述涡流室的流动阻力交替地增大和减小。
2.如权利要求1所述的方法，其中，响应于所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统的步骤，所述涡流交替地形成和消散。
3.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统向上游传播。
4.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统向下游传播。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统传播到地层中。
6.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲传播通过砾石过滤层。
7.如权利要求1所述的方法，其中，使所述流体组合物流动的步骤进一步包括使所述流体组合物从地层流入井筒中。
8.如权利要求7所述的方法，其中，使所述流体组合物流动的步骤进一步包括使所述流体组合物经由所述可变流动阻力系统从所述井筒流入井下管柱中。
9.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流体组合物的特性在预定范围之内时，所述流动阻力交替地增大和减小。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的粘度。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的速率。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的密度。
13.如权利要求9所述的方法，其中，仅当所述流体组合物的所述特性在所述预定范围之内时，所述流动阻力交替地增大和减小。
14.如权利要求1所述的方法，其中，当所述流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率在预定范围之内时，所述流动阻力交替地增大和减小。
15.如权利要求1所述的方法，其中，使所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统的步骤进一步包括使多个流体组合物流过相应的多个可变流动阻力系统，并且进一步包括检测所述可变流动阻力系统中的哪些可变流动阻力系统响应于相应的流体组合物的流动而具有交替地增大和减小的流动阻力的步骤。
16.一种地下井系统，包括至少一个可变流动阻力系统，其响应于来自地层的流体组合物的流动而将压力脉冲传播到地层中。
17.如权利要求16所述的井系统，进一步包括井下管柱，所述井下管柱位于与所述地层交叉的井筒中，并且其中，所述可变流动阻力系统响应于所述流体组合物从所述地层中流入所述井下管柱中，而将所述压力脉冲传播到所述地层中。
18.如权利要求16所述的井系统，其中，所述可变流动阻力系统包括涡流室，所述涡流室具有至少一个入口和出口，并且其中，当所述流体组合物围绕所述出口螺旋式流动时，形成涡流。
19.如权利要求18所述的井系统，其中，响应于所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统，所述涡流交替地形成和消散。
20.如权利要求18所述的井系统，其中，所述流体组合物通过所述涡流室的流动阻力交替地增大和减小。
21.如权利要求20所述的井系统，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲从所述入口向上游传播。
22.如权利要求20所述的井系统，其中，当所述流动阻力交替地增大和减小时，所述压力脉冲从所述入口向下游传播。
23.如权利要求20所述的井系统，其中，当所述流体组合物的特性在预定范围之内时， 所述流动阻力交替地增大和减小。
24.如权利要求23所述的井系统，其中，所述特性包括所述流体组合物的粘度。
25.如权利要求23所述的井系统，其中，所述特性包括所述流体组合物的速率。
26.如权利要求23所述的井系统，其中，所述特性包括所述流体组合物的密度。
27.如权利要求20所述的井系统，其中，仅当所述流体组合物的所述特性在所述预定范围之内时，所述流动阻力交替地增大和减小。
28.如权利要求20所述的井系统，其中，当所述流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率在预定范围之内时，所述流动阻力交替地增大和减小。
29.如权利要求16所述的井系统，其中，所述至少一个可变流动阻力系统包括供多个流体组合物流过的多个可变流动阻力系统，并且所述至少一个可变流动阻力系统进一步包括至少一个传感器，所述传感器检测所述可变流动阻力系统中的哪些可变流动阻力系统响应于相应的流体组合物的流动而具有交替地增大和减小的流动阻力。
30.一种在地下井中传播压力脉冲的方法，所述方法包括使流体组合物流过至少一个可变流动阻力系统，所述可变流动阻力系统包括涡流室， 所述涡流室具有至少一个入口和出口，当所述流体组合物围绕所述出口螺旋式地流动时， 形成涡流；以及响应于所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统的步骤，所述涡流交替地形成和消散。
31.如权利要求30所述的方法，其中，当所述涡流交替地形成和消散时，所述流体组合物通过所述涡流室的流动阻力交替地增大和减小。
32.如权利要求30所述的方法，其中，当所述涡流交替地形成和消散时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统向上游传播。
33.如权利要求30所述的方法，其中，当所述涡流交替地形成和消散时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统向下游传播。
34.如权利要求30所述的方法，其中，当所述涡流交替地形成和消散时，所述压力脉冲从所述可变流动阻力系统传播到地层中。
35.如权利要求30所述的方法，其中，当所述涡流交替地形成和消散时，所述压力脉冲传播通过砾石过滤层。
36.如权利要求30所述的方法，其中，使所述流体组合物流动的步骤进一步包括使所述流体组合物从地层流入井筒中。
37.如权利要求36所述的方法，其中，使所述流体组合物流动的步骤进一步包括使所述流体组合物经由所述可变流动阻力系统从所述井筒流入井下管柱中。
38.如权利要求30所述的方法，其中，当所述流体组合物的特性在预定范围之内时，所述涡流交替地形成和消散。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的粘度。
40.如权利要求38所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的速率。
41.如权利要求38所述的方法，其中，所述特性包括所述流体组合物的密度。
42.如权利要求38所述的方法，其中，仅当所述流体组合物的所述特性在所述预定范围之内时，所述涡流交替地形成和消散。
43.如权利要求30所述的方法，其中，当所述流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率在预定范围之内时，所述涡流交替地形成和消散。
44.如权利要求30所述的方法，其中，使所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统的步骤进一步包括使多个流体组合物流过相应的多个可变流动阻力系统，并且使所述流体组合物流过所述可变流动阻力系统的步骤进一步包括检测所述可变流动阻力系统中的哪些可变流动阻力系统响应于相应的流体组合物的流动而具有交替地形成和消散的涡流的步骤。
45.如权利要求30所述的方法，其中，所述至少一个入口包括第一入口和第二入口，并且其中，所述可变流动阻力系统进一步包括控制通道，所述控制通道接收来自所述涡流室的所述流体组合物的一部分，从而，当由于所述流体组合物经由所述第一入口流入所述涡流室中而使所述流体组合物在所述涡流室中围绕所述出口螺旋式行进时，影响更多的所述流体组合物经由所述第二入口流入所述涡流室中。
全文摘要
一种在井中传播压力脉冲的方法，该方法可以包括使流体组合物流过可变流动阻力系统，所述可变流动阻力系统包括涡流室，所述涡流室具有至少一个入口和出口，当流体组合物围绕出口螺旋式行进时，形成涡流，并且流体组合物的流动阻力交替地增大和减小。响应于流体组合物流过该系统，涡流可以交替地形成和消散。一种井系统，其可以包括可变流动阻力系统，所述可变流动阻力系统响应于来自地层的流体组合物的流动而将压力脉冲传播到所述地层中。
文档编号E21B43/12GK102472092SQ201080034471
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年8月18日
发明者M·L·夫瑞普, 贾森·D·戴克斯特拉 申请人:哈利伯顿能源服务公司