用于从井筒的等温段获取井下能量的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在与烃的生产有关的井筒(wellbore)中的操作。更具体而言，本发明涉及一种通过控制井筒内的流体流动(例如，采出液进入井筒的流入)来在井筒内产生电力的系统和方法。
【背景技术】
[0002]通常将需要电力的仪器和工具定位在烃生产井内的井下位置。例如，电驱动传感器被用于监测温度、压力、流速和其它井下条件。部署在井下位置的其他电驱动工具被主动控制，以实现各种目的。例如，井下阀门被经常地打开和关闭，以在储层的开采寿命(常常是20年以上)内进行储层性能的长期管理。导电线缆被部署成将这些井下工具与设置在地面位置(surface posit1n)的电源相连接。这些线缆昂贵且容易在井筒的恶劣环境中失效。
[0003]在工业上需要可以被安装在井筒内的井下位置来长时间向传感器、阀门或其它井筒仪器提供电力的系统。此外，还需要可以对从井筒开采流体进行管理的系统，该井筒常常延伸穿过具有不同特性(例如，压力、孔隙度和含水量)的分采区。如果管理不当，则这些特性的变化可能导致不理想的开采模式。
【发明内容】
[0004]本发明描述了用于在井下环境中提供电力的系统和方法。该系统和方法采用涡流管，涡流管可操作地响应于流体穿过涡流管的流动来产生温差。涡流管包括温度相对较高的第一出口和温度相对较低的第二出口，第一出口和第二出口与温差发电机可操作地联接。涡流管可操作地在井筒的其它大致等温段中产生温差。
[0005]根据本发明的一个方面，用于在形成于地下地层中的井筒内产生电力的发电系统包括:加压流体源;温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及涡流管，其与温差发电机可操作地联接，以对温差发电机施加温差。涡流管包括:细长中空体;入口，其与加压流体源流体连通;第一出口，其与细长中空体的径向靠外区域(radially outerreg1n)热连通；以及第二出口，其与细长中空体的径向靠内区域(radial Iy innerreg1n)热连通。第一出口与温差发电机的高温输入部可操作地相关联，并且第二出口与温差发电机的低温输入部可操作地相关联。
[0006]在一些实施例中，涡流管的入口可操作地与地下地层流体连通，并且加压流体源是地下地层的开采区内的采出液。在一些实施例中，涡流管的第一出口和第二出口与生产油管可操作地流体连通，使得限定在地下地层与生产油管之间的流动路径延伸经过涡流管。
[0007]在一些实施例中，发电系统还包括与温差发电机电连通(electricalcommunicat1n)的电驱动井下工具，其中，电驱动井下工具可操作为选择性地接收由温差发电机产生的电力。在一些实施例中，电驱动井下工具是流入控制阀，流入控制阀构造为用于调节流体在穿过地下地层的生产油管的内部与外部之间的流动。在一些实施例中，发电系统还包括电联接在温差发电机与电驱动井下工具之间的蓄电装置。
[0008]在一些实施例中，祸流管构造为逆转流动式祸流管(counter-flow vortextube)，第一出口和第二出口设置在该逆转流动式涡流管的细长中空体的纵向相反两侧上。
[0009]根据本发明的另一方面，用于在延伸穿过地下地层的井筒内获取能量的发电系统包括:温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及涡流管，其与温差发电机可操作地联接，以对温差发电机施加温差。涡流管包括:细长中空体;入口，其可操作地与地下地层流体连通，并且可操作地沿着细长中空体的径向靠外区域产生采出液的旋流(swirling flow);第一出口，其设置在细长中空体的径向靠外区域，并且可操作地排出采出液的旋流的第一部分;限流器(restrictor)，其可操作地将采出液的旋流的第二部分从细长中空体的径向靠外区域改向到细长中空体的径向靠内区域；以及第二出口，其设置在细长中空体的径向靠内区域，并且可操作地排出采出液的旋流的第二部分。第一出口与温差发电机的高温输入部可操作地联接，并且第二出口与温差发电机的低温输入部可操作地联接。
[0010]在一些实施例中，涡流管设置在下述环形区域内:该环形区域限定在地下地层与延伸穿过地下地层的生产油管之间。在一些实施例中，该环形区域限定在围绕生产油管延伸且与地下地层的环壁接合的两个纵向隔开的隔离部件之间。在一些实施例中，在涡流管的入口与限定在生产油管中的孔之间存在约300psi的压差，并且孔与涡流管的第一出口和第二出口流体连通。在一些实施例中，在限定在生产油管中的孔处设置有流入控制阀，孔与涡流管的第一出口和第二出口流体连通，并且流入控制阀与温差发电机电联接，以接收来自温差发电机的电力。
[0011]在一些实施例中，发电系统还包括分别与涡流管的第一出口和第二出口热连通的第一热电偶和第二热电偶，其中，涡流管的第一出口和第二出口分别经由第一热电偶和第二热电偶与温差发电机的高温输入部和低温输入部可操作地联接。在一些实施例中，限流器能够相对于细长中空体移动，从而能够调节限定了涡流管的第一出口的环形孔的尺寸。在一些实施例中，涡流管的入口与被限定为贯穿下述套管的穿孔流体连通:该套管围绕生产油管而设置。
[0012]根据本发明的另一方面，用于在延伸穿过地下地层的井筒内产生电力的方法包括:(i)从地下地层开采出采出液，并使采出液进入到井筒中；(ii)使采出液通过涡流管，以在涡流管的第一出口与第二出口之间产生温差；以及(iii)将温差转化为电压。
[0013]在一些实施例中，该方法还包括将电力从温差发电机传送到井下工具，该温差发电机与涡流管可操作地联接，用以将温差转化为电压。在一些实施例中，该方法还包括操作井下工具，以选择性地使采出液通过限定在延伸穿过地下地层的生产油管中的孔。
【附图说明】
[0014]为了实现以及能够具体理解本发明的上述特征、方案和优点以及变得显然的其他特征、方案和优点，下面参考在附图中图示说明的本发明的实施例对上文简要概述的本发明做更具体的描述，附图构成本说明书的一部分。然而，值得注意的是，附图仅图示了本发明的优选实施例，因此，不应视为是对本发明范围的限制，因为本发明可容许有其他同等有效的实施例。
[0015]图1是根据本发明实施例的延伸穿过多个开采区且内部具有发电系统的井筒的示意性剖视图。
[0016]图2是图1的发电系统的放大示意性剖视图，其中示出了延伸穿过安装在生产油管外部的涡流管的流体流动路径。
[0017]图3是用于在本发明可选实施例中使用的涡流管的示意性剖视图。
[0018]图4是示出根据本发明的操作过程的示例性实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0019]在图1中以侧剖视图示出的是井筒100的一个示例性实施例，井筒100延伸穿过限定在地下地层104中的三个开采区102a、102b和102c。开采区102a、102b和102c包含通过井筒100开采的石油或其他含流体的烃。本领域技术人员应认识到的是，尽管井筒100在本文中被描述为用于从地下地层104抽提流体，但在其他实施例(未示出)中，例如，在为进行烃类抽提而执行的压裂操作中，井筒100配置为允许将流体注入到地下地层104中。
[0020]井筒100包括基本竖直部108以及与开采区102a、102b和102c相交的基本水平部106。在其他实施例(未示出)中，井筒100的取向是基本上完全竖直的或偏斜但未达到水平的。在图1所示的示例性实施例中，侧分支110a、110b和IlOc从基本水平部106延伸到相应开采区102a、102b、102c中，并且有助于从开采区102a、102b、102c中收集含流体的烃。在其他实施例(未示出)中，没有设置侧分