井装置和流控制装置、在井下井眼中自主导引流的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请人为"哈利伯顿能源服务公司"、申请日为2011年Ol月26日、申请号 为201180008491.9、发明名称为"用于自主井下流体选择且具有通路依赖型阻力系统的方 法和装置"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明总体设及从含控地下层中的地层到井筒中的生产管柱的流体流的选择性 控制的方法和装置。更具体来说，本发明设及根据流体流的一些特性通过利用流方向控制 系统和用于向流体流提供可变阻力的通路依赖型阻力系统来控制流体流的方法和装置。所 述系统还可W优选地包括流体放大器。
【背景技术】
[0003] 在穿过含控地下层的完井期间，生产管和各种的设备被安装在井中W实现流体的 安全和有效生产。例如，为了防止来自疏松或松散固结的地下层的颗粒材料的生产，某些完 井包括在最接近于所需生产层段处安置的一个或多个防沙筛管。在其它完井中，为了控制 进入到生产管中的生产流体的流速，常见的做法是利用完井管柱安装一个或多个流入控制 器件。
[0004] 自任何给定生产管段的生产可经常具有多种流体组分，诸如天然气、石油和水，其 中生产流体随着时间推移而在比例成分上有所变化。从而，随着流体组分的比例变化，流体 流特性将同样地变化。例如，当生产流体具有成比例地更高量的天然气时，流体的粘度将会 更低且流体的密度将会比流体具有成比例地更高量的石油时更低。通常可取的是减少或防 止一种成分的生产来支持另一种成分的生产。例如，在石油生产井中，可能需要减少或避免 天然气生产且使石油生产最大化。虽然各种井下工具已经用来根据其可取性控制流体的流 动，但是需要流控制系统来控制在各种流条件下为可靠的流体的流入。此外，需要自主操作 (即，响应于井下的改变条件且无需通过操作员来要求来自表面的信号）的流控制系统。此 夕h需要不具有移动机械部件的流控制系统，运些移动机械部件易于在包含自流体中的沙 的侵蚀或堵塞影响的不利井条件下发生故障。关于注入情况出现类似问题，其中流体流进 入到地层中而非离开地层。
【发明内容】
[0005] 根据本申请提供了一种一种装置，包括:流系统，该流系统基于流体流的黏性在由 至少=个通道共享的共同入口处分隔所述至少=个通道之间的流动，并且该流系统在取决 于流体流的黏性的方向上在由所述至少=个通道共享的共同出口处再结合所述流，其中所 述至少=个通道具有对所述流体流的第一阻力、第二阻力、第=阻力，对所述流体流的所述 第一阻力、第二阻力、第=阻力中的各个阻力均不同于对所述流体流的所述第一阻力、第二 阻力、第=阻力中的其他两个阻力。
[0006] 其中所述至少=个通道包括与入口和出口均连通的第一通道和第二通道，所述第 一通道在所述出口沿第一轨迹定向，所述第二通道在所述出口沿不同的第二轨迹定向。
[0007] 本申请还包括位于至少其中一个通道中的流体二极管，W及位于其中一个通道中 的第一限流器，该第一限流器与位于另一个通道中的第二限流器属于不同的类型，W及其 中所述第一限流器和所述第二限流器选自如下的组群，即，流体二极管、弯曲的流动路径、 表面纹理、接触特定流体而膨胀的材料、和孔口。
[0008] 其中，其中一个通道包括沿其长度一致的直径，且该通道长于另一个通道，W在黏 性增加时提供对流体流的比另一个通道更大的阻力。
[0009] 其中响应于黏性的改变对其中一个通道的流体流的阻力的改变，不同于响应于黏 性的改变对另一个通道的流体流的阻力的改变。
[0010] 其中响应于黏性的改变，其中一个通道提供对流体流基本恒定的阻力。
[0011] 其中响应于增加的黏性，其中一个通道提供的阻力大于另一个通道提供的阻力。
[0012] 其中所述流系统是井下工具。
[0013] 本申请还提供了一种用于安装在井下区域的井眼中的井装置，包括近似管状的壳 体壁，该壳体壁将所述井装置的内部和所述装置的外部分隔开，所述外部从所述内部径向 向外，所述外部在安装到所述井眼之后限定具有所述井眼的环空；W及流体二极管，使得所 述井装置的内部和所述井装置的外部通过所述壳体壁流体连通。
[0014] 其中所述流体二极管使得所述内部和所述外部之间流体连通，W使得来自所述井 装置的外部的生产流体与所述井装置的内部相连通。
[0015] 其中所述井装置包括完井管柱段。
[0016] 其中所述流体二极管使得所述内部和所述外部之间流体连通，W使得来自所述井 装置的内部的注入流体与所述井装置的外部连通。
[0017] 其中所述井装置包括工作管柱段。
[0018] 其中所述流体二极管包括：内表面，限定内室;外表面，包括侧周面和相对的端面； 通过其中一个端面的第一端口； W及通过所述内表面且离开所述第一端口的第二端口。
[0019] 其中所述侧周面能操作为使得所述流从所述第二端口被导向为围绕所述第一端 口旋转。
[0020] 其中所述相对的端面之间的最大距离小于所述相对的端面的最大尺寸。
[0021 ]其中所述第一端口包括内室的出口，所述第二端口包括内室的入口。
[0022] 其中所述流体二极管包括柱状室，用于接收通过室入口的流且用于将所述流导向 室出口。
[0023] 其中所述柱状室促使流围绕所述室出口旋转，且旋转的程度是基于通过所述入口 流入的流的特性。
[0024] 其中所述柱状室的最大轴向尺寸小于所述柱状室的最大径向尺寸。
[0025] 本申请还提供了一种用于安装在地层的井眼中的井装置，当该井装置安装在所述 井眼中时，该井装置使得流与地层连通，所述井装置包括:井装置壳体，限定所述井装置的 内部和环空外部;流体二极管，位于流动路径中，所述流动路径延伸通过所述井装置壳体且 位于所述井装置的内部和所述井装置的外部之间，W在所述内部和所述外部之间接收流， 所述流体二极管包括：内表面，限定内室;外表面，包括侧周面和相对的端面，所述相对的端 面之间的最大距离小于所述相对的端面的最大直径;通过其中一个端面的第一端口； W及 通过所述内表面且离开所述第一端口的第二端口，所述侧周面能操作为使得来自所述第二 端口的流导向为围绕所述第一端口旋转。
[0026] 其中所述流体二极管位于从所述井装置的内部到所述井装置的外部的流动路径 中，W接收注入流体流。
[0027] 其中所述流体二极管位于从所述井装置的外部到所述井装置的内部的流动路径 中，W接收生产流体流。
[0028] 其中所述第一端口包括离开所述内室的出口，所述第二端口包括到达所述内室的 入口。
[0029] 其中所述第一端口包括到达所述内室的入口，所述第二端口包括离开所述内室的 出口。
[0030] 本申请提供了一种用于安装在井底管上的井下井眼中的流控制装置，所述流控制 装置包括：内表面，限定内室，所述内表面包括侧周面和相对的端面，所述相对的端面之间 的最大距离小于所述相对的端面的最大尺寸;第一端口，通过其中一个所述端面，用于将流 体流输出到所述井底管或所述井眼，或者从所述井底管或所述井眼接收所述流体流；W及 第二端口，通过所述内表面且离开所述第一端口，所述侧周面能操作为将来自所述第二端 口的流引导为围绕所述第一端口旋转，所述第二端口用于将流体流输出到另一个所述井底 管或所述井眼，或者从另一个所述井底管或所述井眼接收流体流;第一流动路径，能操作为 将通过所述第二端口的流W第一角度引导到所述内室，W及第二流动路径，能操作为将通 过所述第二端口的流W不同的第二角度引导到所述内室;所述第一流动路径和所述第二流 动路径之间限定的流比率；W及其中，所述流体流比率响应于进入所述流控制装置的流的 特性的自主变化而自主地变化。
[0031] 其中所述第一端口包括离开所述内室的出口，所述第二端口包括到达所述内室的 出口。
[0032] 其中所述第一流动路径能操作为在近似角方向围绕所述出口且沿着所述侧周面 导引通过所述入口的流。
[0033] 其中所述第二流动路径能操作为在近似径向的方向朝向所述出口且垂直于所述 侧周面导引通过所述入口的流。
[0034] 其中所述侧周面能操作为促使旋转流从所述第一流路围绕所述出口流动。
[0035] 其中所述内室能操作为从所述第二流动路径到所述出口支撑近似非旋转的流。
[0036] 根据本申请，提供一种在井下井眼中自主导引流的方法，包括:在井装置中接收流 体的初始流，然后将流体的所述初始流分离为第一流和独立的第二流;建立所述第一流和 所述第二流之间的流比率；响应于所述流体的特性的改变而自主地改变流比率;然后接收 流体的第一流和第二流，所述第一流小于所述第二流，所述第一流在不同于第二方向的第 一方向流动，所述第二流在所述第二方向流动;将所述第一流和所述第二流结合为结合流； 将形成的结合流远离上述第二方向且朝着所述第一方向导引；W及产生流条件，所述流条 件自主地增加所述结合流的趋势W朝向第一方向流动。
[0037] 其中产生流条件包括:抵靠在增加结合流的趋势的第一方向延伸的表面引导所述 结合流，W在所述第一方向沿着所述表面流动。
[0038] 其中所述流体的特性包括:流体的密度、流体的黏性或流体的速度的至少一种。
[0039] 其中所述流是朝向第一方向或第二方向稳定流动的双稳态，W及其中产生流条件 包括:产生增加所述结合流的趋势的流条件，W朝向第一方向稳定流动。
[0040] 其中上述井装置包括比例放大器，且产生流条件包括:基于所述流按比例地分隔 所述第一方向和所述第二方向之间的流。
[0041] 描述的是一种用来控制流体在位于延伸通过含控地下层的井筒中的生产管中的 流动。一种流控制系统被放置成和生产管流体连通。所述流控制系统具有流方向控制系统 和通路依赖型阻力系统。所述流方向控制系统可优选包括具有至少第一通道和第二通道的 流比率控制系统，所述生产流体流入所述通道中，其中通过所述通道的流体流的比率与所 述流体流的特性(诸如粘度、密度、流速或多个属性的组合)有关。所述通路依赖型阻力系统 优选包括具有至少第一入口和出口的满流室，所述通路依赖型阻力系统的所述第一入口与 所述流体比率控制系统的所述第一通道或第二通道中的至少一者流体连通。在优选实施方 案中，所述通路依赖型阻力系统包括两个入口。所述第一入口被定位成将流体引导到所述 满流室中，使得其主要切向地流入所述满流室中，且所述第二入口被定位成引导流体使得 其主要径向地流入所述满流室中。所需流体，诸如石油是根据其相对特性来选择的，且主要 径向地被引导到所述满流室中。油井中的非所需流体，诸如天然气或水主要切向地被引导 到所述满流室中，从而限制流体流。
[0042] 在优选实施方案中，所述流控制系统还包括流体放大器系统，所述流体放大器系 统插置在所述流体比率控制系统和所述通路依赖型阻力系统之间且，且与运两者流体连 通。所述流体放大器系统可包括比例放大器、喷射型放大器，或压力型放大器。优选而言，在 所述流比率控制系统中提供第=流体通道，主通道。所述流体放大器系统接着利用来自所 述第一通道和第二通道的流作为引导来自所述主通道的流的控制部。
[0043] 所述井下管可W包括多个本发明的流控制系统。油田管的内部通道还可W具有环 形通道，其中多个流控制系统定位成邻近所述环形通道使得流动通过所述环形通道的流体 被引导到所述多个流控制系统中。
【附图说明】
[0044] 为了更完全地理解本发明的特征和优点，现在参考本发明的详细描述和附图，其 中不同图中的对应数字指代对应部分，且其中：
[0045] 图1是包括体现本发明原理的多个自主流控制系统的井系统的示意图；
[0046] 图2是根据本发明的筛系统、流入控制系统和流控制系统的横截面侧视图；
[0047] 图3是本发明的一个实施方案的自主流控制系统的示意代表图；
[0048] 图4A和图4B是图3的流控制系统针对天然气和石油两者的计算流体动力模型；
[0049] 图5是根据本发明的具有比率控制系统、通路依赖型阻力系统和流体放大器系统 的流控制系统的一个实施方案的示意图；
[0050] 图6A和图6B是示出在本发明的一个实施方案中的流控制系统中的流体放大器系 统的流比率放大效应的计算流体动力模型；
[0051 ]图7是在本发明中使用的压力型流体放大器系统的示意图；
[0052] 图8是根据本发明的定位在管壁中的流控制系统的透视图；和
[0053] 图9是本发明的定位在管壁中的多个流控制系统的横截面端视图。
[0054] 图10是根据本发明的流控制系统的一个实施方案的示意图，其具有流比率控制系 统、压力型流体放大器系统、双稳态开关放大器系统和通路依赖型阻力系统；
[0055] 图1IA至图11B是示出如图10所示的流控制系统的实施方案的流比率放大效应的 计算流体动力模型；
[0056] 图12是根据本发明的一个实施方案的流控制系统的示意图，其利用流体比率控制 系统、具有与双稳态式放大器串行的比例放大器的流体放大器系统和通路依赖型阻力系 统；
[0057] 图13A和图13B是示出图12中所见的流控制系统的实施方案中的流体流型（fl OW pattern)的计算流体动力模型；
[0058] 图14是根据本发明的定位在管壁中的流控制系统的透视图；
[0059] 图15是根据本发明的一个实施方案的流控制系统的示意图，其被设计用来选择较 低粘度流体而非较高粘度流体；
[0060] 图16是示出在注入井和生产井中使用本发明的流控制系统的示意图；
[0061] 图17A至图17C是本发明的通路依赖型阻力系统的一个实施方案的示意图，其指示 随时间变化的流量(flow rate,流速）；
[0062] 图18是压力对流量的曲线图，且指示从图17的系统中流量随时间变动预期的滞后 效应；
[0063] 图19是示出根据本发明的一个实施方案的具有比率控制系统、放大器系统和通路 依赖型阻力系统的流控制系统的示意图，其示例性使用在流入控制器件替代物中；
[0064] 图20是压力P对流量Q的曲线图，其示出图19中流动通道的表现；
[0065] 图21是示出根据本发明的流控制系统的一个实施方案的示意图，其具有与辅助流 动通道和第二(次级)通路依赖型阻力系统串行的多个阀口；
[0066] 图22示出根据本发明的流控制系统的示意图，其使用在延伸到井筒内的管中的反 向固井操作中；
[0067] 图23示出根据本发明的流控制系统的示意图；和
[0068] 图24A至图24D示出本发明的通路依赖型阻力系统的四个替代实施方案的示意代 表图。
[0069] 本领域技术人员应理解，诸如上方、下方、上、下、向上、向下和类似