用于工具位置反馈的对控制管线的压力监测的制作方法

专利名称：用于工具位置反馈的对控制管线的压力监测的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及井下工具的液压控制，特别是涉及用于确定此 类液压致动工具状态的方法和装置。
背景技术：
从井下生产油气需要地下生产设备，以控制油气流体流入生产油 管。典型的流控设备包括滑套阀组件或其它阀组件，其中，套在打开 位置和关闭位置之间运动，以选择性地允许生产流体进入生产油管。 采用液压控制管线或其它方法从地面控制阀组件。
在一种简单的系统中，套阀可只在两个位置或状态之间运动完
全打开和完全关闭。更复杂的系统被提供，其中井穿过多个油气层带， 并且理想的是从这些层带的一些或全部中生产。在这种情况下，理想 的是能测量和控制从每个层带流出的流量。在这种情况下，经常想要 的是使用可以以离散增量或状态打开的流控装置，以允许从特定层带 流出的流量可变。已知几种"智能型"液压装置，其可以保有关于装 置状态的信息。此类装置的实例包括市售的品牌HCM-A In-ForceTM 可变节流阀(Variable Choking Valve)和In-ForceTM单管线转换器 (Single Line Switch )， 这两种可以从Baker Oil Tools of Houston，Texas购买。这些装置包括有由一对液压管线致动的滑套，液 压管线使滑套在平衡液压腔内移动。"J形槽"棘齿布置是用来将滑套 定位在几个离散位置，以允许可变量的流体流过该装置。
因为这些装置能够在多个状态或位置之间被控制，所以装置位置 确定和监测很重要。目前，已经通过测量当装置在一个位置和下一个 之间移动时控制管线中液压流体的排量来完成位置确定。液压流体排 量测量将提供工具已经移动到的特定状态的指示，因为在每个移动时200580018002.2
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流体排量不同。但是在某些情况下，比如海底接头盒(subsea pod) 的情况，测量流体量是不可能的。同时，由于各种原因导致有时流体 量测量技术不精确，这些原因包括会导致流体损失的液压管线和连接 中泄漏或密封处泄漏，这样造成位置确定不准确。此外，液压控制管 线在压力下(储能效应)会膨胀，或由于井眼中的高温而变形。在长 管线中，在这种膨胀/变形时的额外的储量会比通常在不同移动之间流 体量的微小差异更大，并导致位置确定不精确。 本发明致力于解决上述现有技术的一些问题。

发明内容
在本发明的一个方面，用在井眼中以允许地层流体流入井眼的流 控装置包括当设置在井眼中时适于移动的阀部件。流体管线供应压送 的工作流体以移动阀部件，从而允许流体流入井眼。在井眼中且与流 体管线相连的传感器提供阀部件的位置指示。
在另一方面，井下流控装置包括在第一位置和第二位置之间可操 作的液压致动的套阀，其中在第一位置，该阀处于第一流体流动状态， 而在第二位置，该阀处于第二流体流动状态。液压控制管线可操作地 与套阀相连，以供应液压流体来在不同状态之间操作阀。与液压控制 管线可操作地相连的井下压力传感器检测管线中的流体压力，以提供 套阀状态的指示。
在另一方面， 一种确定流控工具在井眼中状态的方法包括把流体 压送到流控工具，以使该工具的流控部件移动到位。在井下检测供应 流体的压力。流控装置的状态通过检测到的供应流体的压力来确定。
在本发明的又一个方面， 一种确定流控工具在井眼中状态的方法 包括在井下检测与流控工具流体相通的液压供应管路中的流体流量。 流控工具的状态通过检测到的流体流量来确定。


为了详细地理解本发明，参考以下结合附图对优选实施例的详细
描述，其中相似元件用相似附图标记表示。
图l是示范井眼系统的示意图，其中有多个油气层带和流体进入
点；
图2是根据本发明包括有流体压力传感器系统的示范滑套阀组件 的侧截面示意图3A示出根据本发明一个实施例的J形槽棘齿和凸耳的布置； 图3B示出根据本发明一个实施例的替代的J形槽棘齿和凸耳的
布置；
图4是流体压力对时间的曲线图5是根据本发明 一 个实施例的地面监测和控制系统的框图。
具体实施例方式
图1示出示范的生产井10，其穿过地表12进入多个油气层带， 比如层带14、 16。井10下有套管18，套管18贴近每个层带14、 16 处穿有射孔20，以为层带14、 16中的油气流体提供进入井10的流动 点。要注意到，尽管图示了一个井眼，但实践中可以有多个多边井眼， 每个井眼穿过一个或多个层带，比如层带14、 16。此外，尽管只示出 两个层带，但本领域技术人员将理解可以有更多这样的层带。
生产油管管柱22从井口 24设置到井10中，并且其包括分别贴近 层带14、 16的流控装置26、 28。封隔器30隔开井10中的流控装置 26、 28。在一个实施例中，每个流控装置26、 28是滑套型流控装置， 能够有两个以上的可操作位置，也称为打开/关闭状态。适用于本应用 的流控装置的例子包括市售的品牌HCM-A In-ForceTM可变节流阀和 In-ForceTM单管线转换器，这两种可以从Baker Oil Tools of Houston, Texas购买。
监测和控制站32位于井口 24处，用于对流控装置26、 28操作性 控制。总体以34表示的液压控制管线从监测和控制站32向下延伸到 流控装置26、 28。监测和控制站32是本领域已知的类型，用于控制 液压井下流控装置，且以下将参考图5更详细描述。
图2示出单个示范流控装置26及其与示范压力传感器位置检测系 统的互连。为了便于说明，流控装置26是以简化示意形式示出。实践 中，流控装置26可以是由Baker Oil Tools of Houston,Texas销售的 HCM-AIn-ForceTM可变节流阀品牌的流控装置。流控装置26包括滑 套组件接头36，其具有管形外套38，该滑套组件接头36中限定了流 体腔40。流体孔42设置在流体腔40下面的外套38中。滑套44被保 持在外套38中，并包括穿过其径向设置的多个流体口 46。密封43a 和43b设置在外套38中，分别位于流体孔42之上和之下。当滑套44 轴向位移以使活塞50靠近流体腔40底部时，流体口 46在下密封43b 的下面，从而没有流体流入外套38的眼48中。根据滑套44在外套 38和密封43a、 43b中的轴向位置，滑套44的流体口 46能够选择地 与外套38中的流体孔42对齐，以当流体口 46与流体孔42以可变的 量重叠时允许可变量的流体流入外套38的眼48中。滑套44还包括增 大的外活塞部分50,其位于流体腔40中并将流体腔40分成上腔52 和下腔54。在活塞50外径上的密封(未示出)液压地隔开上腔52和 下腔54。活塞50对于腔52和54的每一个所露的活塞面积基本上相 等，以至于腔52和54中相等的压力对活塞50产生基本上相等且相反 的力，从而活塞50被认为是"平衡的"。为了移动活塞50，将较高的 压力导入一个腔，且流体被允许从另一个腔在较低的压力排出，这样 就在活塞50上产生了不平衡的力，从而使活塞50在想要的方向上移 动。
液压控制管线34a和34b被可操作地固定到外套38上，以使流体 流入和流出每个流体接收腔52、 54。如本领域技术人员可理解的，通 过液压流体传送进入和离开流体接收腔52、 54，滑套44可以在外套 38中轴向移动。例如，如果想要相对于外套38向下移动滑套44,则 液压流体被泵送通过控制管线34a并只进入上流体接收腔52。此流体 在活塞50的上表面上施加压力，从而迫使滑套44向下。当滑套44 向下移动时，液压流体从下流体接收腔54通过控制管线34b向井10 的地表排出。反之，如果想要相对于外套38向上移动滑套44，则液
压流体被泵送通过控制管线34b进入下流体接收腔54，以在活塞50 的下面施加压力。当滑套44向上移动时，液压流体从上流体接收腔 52通过控制管线34a排出。
在一个实施例中，见图3A， J形槽棘齿组件接头56被固定到滑 套阀外套38的上端。棘齿组件接头56用于给滑套组件接头36中的滑 套44提供多个预定的轴向位置或状态，从而根据流体口 46与流体孔 42的轴向重叠量提供预定的控流量。棘齿组件接头56包括一对外套 部件58、 60，它们彼此邻靠并可相对于彼此旋转运动。凸耳套62被 保持在接头56中，并具有向外伸出的上下凸耳64、 66。凸耳64、 66 接合刻在外套部件58、 60内表面上的凸耳通道。这些通道示于图3A 中，图3A以"展开"的方式表示外套部件58、 60的内表面。上外套 部件58具有刻出的曲折通道68，上凸耳64置于其中。下外套部件60 的特征在于刻出的凸耳运动区域70，其具有一系列下凸耳止动肩 72a-72e，它们被布置成阶梯形式。阶梯式肩72a-72e关系到流体口 46 与流体孔42的轴向重叠量。下凸耳通道74位于止动肩72e附近。此 外，下外套部件60具有上凸耳止动肩76。上凸耳通道78限定在上外 套部件58中，并且当上下外套部件58、 60适当地旋转对齐时，上凸 耳通道78与凸耳进入通道80对齐，这样上凸耳64可以在两个外套部 件58、 60之间移动。
如上所述滑套44通过活塞50运动而进行的轴向移动使得邻靠的 凸耳套62在棘齿组件接头56中轴向移动。当这种移动发生时，上凸 耳64顺序地在凸耳位置64a、 64b、 64c、 64d、 64e、 64f、 64g、 64h、 64i和64j中移动。最后，上凸耳64移动到其最后的凸耳位置64k， 该凸耳位置64k相当于滑套组件接头36的完全关闭位置或状态。此外， 下凸耳66顺序地移动通过凸耳位置66a-66k。当凸耳66位于上肩76 附近时，流体口 46与流体孔42对齐，以提供完全打开的流动状态。 可以看出，下凸耳66邻靠到每个下肩72a， 72e上将导致凸耳套62 相对于外套部件58、 60的轴向位置逐渐降低。通过改变流体孔42与 流体口 46的轴向重叠量(见图2)，这些不同的轴向位置导致滑套44
的不同流控位置或状态。如图3A所示，随着下凸耳66从位置66a到 66i的移动，流动开口变得越来越小，并最终在位置66k关闭。当凸 耳64和66分别处于位置64k和66k时，滑套44向下移动，以使流 体口 46在密封43b下面，从而没有流动。通过适当地选择连续状态之 间的阶变，就需要预定量的流体来使滑套在连续状态之间移动。在一 个实施例中，移动量以及因此所需的流体量被选择，以使在每个连续 状态之间的移动差异是独特地不同。通过这样选择，每个移动所需的 流体量是独特的，且然后通过将滑套移动到某个位置所需的流体量能 够识别滑套的定位。
图3B示出了另一个实施例，其中J形槽布置被定向成使得随着 系统被操作，流动开口逐渐增大。在"展开"视图中示出在外套160 和158内侧上的该J形槽布置。如图3B所示，上凸耳164移动通过 位置164a-164m,而下凸耳166移动通过位置166a-166m。下肩176 作为下凸耳166的止动件。上肩172a-g呈阶梯式进展，这关系到由滑 套44中流体口 46与流体孑L 42的对齐所导致的流动开口量。但是,与 图3A对比，当凸耳166靠在肩176上时，没有直接的流动路径通过 流体口46和流体孔42，但流体口不在密封43b下面。因此，由于滑 套44和外套38之间的间隙导致有一部分流体泄漏到眼48中，名义上 被称作扩散位置。如图3A所示，肩172a-g的位置可以被选择，以通 过在连续位置之间移动滑套44所需的流体量来提供滑套44位置的独 特指示。为了采用图3B的布置来关闭滑套44，凸耳164和166被向 下移动通过通道178和179,直到流体口 46在密封43b下面(见图2)。 要注意，在本发明的范围内可以采用其它凸耳和棘齿布置方式。
图4为表示由压力传感器82检测到的流体压力对时间的曲线图。 该曲线图直观地表示移动滑套44过程中控制管线34a中的流体压力。 随着液压压力施加到上流体接收腔52，控制管线34a中的流体压力将 开始上升，如图中的第一段卯所示。流体压力将继续上升，直到抵抗 活塞运动的力(比如内部工具摩擦力)被克服。 一旦摩擦力被克服， 活塞50就开始移动，并且因此将流体从下腔54排出。此时，滑套44
向下移动，且在滑套移动过程中控制管线34a中的压升停止并稳定在 基本恒定的压力。当滑套44移动到其被棘齿接头组件56限制的下一 个位置或状态后，控制管线34a中的流体压力将又开始上升，因为滑 套44将不进一步移动。图4中的倾斜段94表示该阶段。最终，当泵 压达到泵的失速压力或是达到供应管线中的泄压值时，控制管线34a 中的流体压力将稳定。
通过对图3A、 3B中阶梯式肩的适当选择，与滑套运动相关联的 稳定压力(图4的段92)对应的时间长度(x)与在流控装置26工具 状态之间的特定运动相关。例如，流控装置26从下凸耳66位于66b 处的这样一个位置移动到下凸耳66位于66c处的这样一个位置所用的 时间将比如果流控装置从下凸耳66位于66h的这样一个位置然后移动 到66i的这样一个位置所用的时间要少。因此，"x"的测量值将表示 工具26已移动到的状态。在一个实施例中，"x"的长度对于工具26
每个特定的移动来说是不同的。
参照图2和5,注意到传感器82与流体控制管线34a是可操作地 相连，以检测控制管线34a中的流体压力大小。在一个实施例中，传 感器82为压力传感器，其实际上设置在流控装置26的外套38处或附 近，以使控制管线34a的流体储能效应最小。替代地，传感器82可以 是流量传感器，用来直接地测量通过控制管线34a并进入或离开流控 装置26中相应腔的流体量。数据线84从传感器82向上延伸到监测和 控制站32。在一个实施例中，数据线84包括电导体和/或光导体。传 感器82测得的读数被通过数据线84传输到监测和控制站32。替代地， 传感器82测得的读数可以被无线地传输到地面，例如通过本领域公知 的声学技术和/或电磁技术。尽管所示的一个传感器仅仅是附连在控制 管线34a上，但可以理解多个传感器可以被附连到控制管线34a、 34b 的任意一个上或是同时附连到它们上。
监测和控制站32功能性地包括用于驱动流控系统的液压系统，和 用于驱动井下传感器82并检测、处理及显示来自传感器82的信号的 适当电子和计算设备。在一个实施例中，监测和控制站32采用来自传感器82的信号来提供反馈控制，以控制液压供应系统。监测和控制站 32包括控制泵202输出的泵控制器201，其中泵202具有流体源203。 来自泵202的流体驱动井下工具26。此外，具有存储器205的处理器 204与回路206相连，以为传感器82提供动力和提供与传感器82的 接口 。来自传感器82的信号被回路206接收，然后传输到处理器204。 根据编程指令而动作的处理器204利用硬拷贝207、显示器208和大 容量存储器209来提供来自传感器82的压力对时间的记录和/或存储。 在一个实施例中，如前所述与滑套每个运动相关的时间长度(x)可以 被存储在存储器205中。将测得的时间长度(x)与存储的特征值比较， 从而基于该比较而确定滑套的位置。在另一个实施例中，每个运动的 压力曲线被存储在存储器205中，并且将测得的曲线与存储器中的曲 线比较，以确定滑套的位置。替代地，手动控制器200可以由操作者 控制，以操作液压系统。
尽管本文所述的系统具有双液压控制管线和平衡活塞，但本领域 技术人员可以理解本系统意在涵盖采用具有弹性回复能力的活塞的单 液压管线系统。
本领域技术人员将理解，可以对本文所述的示范设计和实施例进 行许多改进和变化，并且本发明仅被所附权利要求和等同物限制。
权利要求
1. 一种用在井眼中以允许地层流体流入井眼的流控装置，其包括:当设置在井眼中时适于移动的阀部件；压送工作流体以使阀部件移动的流体管线，以允许流体流入井眼；和位于井眼中并与流体管线相连的传感器，以提供关于阀部件位置的指示。
2. 如权利要求l所述的流控装置，其特征在于，阀部件适于移动 到多个位置。
3. 如权利要求l所述的流控装置，其特征在于，传感器靠近阀部 件设置，且传感器从由压力传感器和流量传感器构成的组中选择。
4. 如权利要求l所述的流控装置，还包括控制器，用来接收来自 传感器的信号并且基于接收的信号来确定阀部件的位置。
5. 如权利要求4所述的流控装置，其特征在于，控制器具有与阀 部件位置相关的相应压力曲线。
6. 如权利要求2所述的流控装置，其特征在于，该流控装置包括 第一流体腔和第二流体腔，它们适于响应压送的流体供应而协同地工 作，以把阀部件移动到多个位置。
7. 如权利要求2所述的流控装置，其特征在于，所述多个位置相应于多个J形槽。
8. 如权利要求4所迷的流控装置，其特征在于，所述控制器通过将来自传感器的信号与存储在与该控制器相关联的存储器中的预定特 征值比较来确定阀部件的位置。
9. 一种井下流控装置，其包括液压致动的套阀，其可以在第一位置和第二位置之间操作，其中， 在第一位置时阀处于第一流体流动状态，而在第二位置时阀处于第二 流体流动状态；与套阀可操作地相连的液压控制管线，用于供应液压流体以 在不同状态之间操作套阀；以及与液压控制管线可操作地相连的井下压力传感器，以检测液 压控制管线中的流体压力，从而提供关于套阀状态的指示。
10. 如权利要求1所述的流控装置，其特征在于，该压力传感器 靠近套阀设置。
11. 一种确定井眼中的流控工具状态的方法，包括压送流体到流控工具，以使流控工具的流控部件移动进入状态；在井下检测所供应流体的压力；和通过检测到的供应流体的压力来检测流控装置的状态。
12. 如权利要求ll所述的方法，还包括在地面提供控制器，用 于通过检测到的流体压力来确定流控工具的状态。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括将关于流控部件移动的 压力曲线存贮在控制器中。
14. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述流控部件适于 移动到多个状态。
15. 如权利要求14所述的方法，还包括通过与所述多个状态的 每一个相关的压力曲线来检测每一个状态。
16. —种确定在井眼中流控工具状态的方法，其包括在井下检测与流控工具流体相通的液压供应管路中的流体流量；和通过检测到的流体流量来确定流控工具的状态。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述流体流量是用从由压力传感器和流量传感器构成的组中选择的传感器来检测。
18. 如权利要求16所述的方法，还包括在地面提供控制器，用 于通过在井下检测到的流体流量来确定流控工具的状态。
19. 如权利要求18所述的方法，还包括将关于流控部件移动的 压力曲线存贮在控制器中。
20. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述状态包括多个 状态，它们具有与每个状态相关的压力曲线。
全文摘要
一种用在井眼中以允许地层流体流入井眼的流控装置(26)，其包括当设置在井眼中时适于移动的阀部件(44)。流体管线(34A)压送工作流体来移动阀部件(44)，以允许流体流入井眼。在井眼中与流体管线(34A)相连的传感器(82)提供关于阀部件(44)位置的指示。一种确定井眼中的流控工具状态的方法，其包括将流体压送到流控工具，以使该流控工具的流控部件移动进入状态。在井下检测所供应流体的压力。流控装置的状态通过检测到的所供应流体的压力来确定。
文档编号E21B47/10GK101384793SQ200580018002
公开日2009年3月11日 申请日期2005年5月31日 优先权日2004年6月1日
发明者G·瓦尚 申请人:贝克休斯公司