使用可移动的流动转向器组件控制流体流动的方法和装置的制作方法

专利名称：使用可移动的流动转向器组件控制流体流动的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在具有可移动的流控装置的地下井中控制流体流动的装置和方法，所述可移动的流控装置响应流体流动的特性变化而启动。
背景技术：
在穿越地下地层的井的竣工期间，把生产管和多种设备安装在井中以启动地层流体的安全有效生产。例如，为控制产出流体进入生产管的流速，通常的做法是在管柱内安装一个或多个流入控制设备。地层通常在产出流体中产出多种组分，即天然气、石油和水。通常期望减少或防止产出一种组分以利于另一种组分的产出。例如，在石油生产井中，可能需要使天然气的产量最小化，使石油产量最大化。虽然已经使用多种井下工具进行流体分离和控制产出流体，但用于控制地层流体流入的设备是仍有必要的。此外，这样的流体流控设备是有必要的，它能在井的使用期限内，当流体随着时间的推移而变化时，响应其流动特性的变化，无需操作者进行干预。

发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供用于控制流体(如地层流体)流过设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道的装置和方法。响应流体流动特性(如密度)的变化自主地控制流体流动。在一个实施例中，流体转向器可响应流体密度的变化在打开与关闭位置之间移动，并且其操作可限制流体流过阀组件入口。转向器是可枢转的、可转动的或可以别的方式响应流体密度的变化而移动的。在一个实施例中，转向器的操作可控制流体通过两个阀入口的流量比。流体流量比用于操作阀构件以限制流体通过阀的流动。在其它实施例中，流体转向器响应流体中的密度变化而移动，从而影响流体在管道中的流动模式，由流动模式的变化操作阀组件。


为了更全面地理解本发明的特征及优点，现在参考本发明的详细说明以及附图， 其中不同附图中的相应数字是指相应的部件，其中图1是包括多个根据本发明的自主流体控制组件的井系统的示意图；图2是流控装置的一个实施例的部分截面的侧视图，根据本发明的一个方面，所述流控装置具有枢转的转向器臂，并且在密度较高的流体中；图3是流控装置的一个实施例的部分截面的侧视图，根据本发明的一个方面，所述流控装置具有枢转的转向器臂，并且在密度较低的流体中；图4是根据本发明的一个方面的示例性流体阀组件的详细侧截面视图；图5是沿图4中的线A-A截取的端视图；图6是图2的阀组件的截面的底视图，其中阀构件处于关闭位置(所述装置在相对高密度的流体中)；图7是图3的阀组件的截面的底视图，其中阀构件处于打开位置(所述装置在相对低密度的流体中)；图8是具有根据图2的转向器构造的流体流控装置的正交视图；图9是流控装置的另一实施例的正视图，所述流控装置具有根据本发明的一个方面的转动的转向器；图10是图9的流控装置的分解视图；图11是流控设备端部与根据本发明的一个方面的流控装置配合使用的示意流动图；图12是图9的流控装置的侧截面视图，其中所示的转向器处于关闭位置，所述装置在密度较低的流体中；图13是图9的流控装置的侧截面视图，其中所述装置在密度较高的流体中；图14是图9的流控装置的截面的详细侧视图；图15是说明浮力原理的示意图；图16是说明浮力对具有不同密度和不同体积浸在流体空气中的物体的影响的示意图；图17是说明浮力对具有不同密度和不同体积浸在流体天然气中的物体的影响的示意图；图18是说明浮力对具有不同密度和不同体积浸在流体石油中的物体的影响的示意图；图19是本发明的一个实施例的示意图，说明在不同相对密度流体中的相对浮力和位置；图20是本发明的一个实施例的示意图，说明在不同相对密度流体中的相对浮力和位置；图21是流控装置的另一实施例的正视图，所述流控装置具有根据本发明的一个方面改变流向的转动转向器；图22显示图21的装置，其处于流体流动受限最低的位置。图23到图沈是图21中的关闭装置的侧截面视图。图27是流控装置的另一实施例的侧截面视图，根据本发明的一个方面，所述流控装置具有转动的流驱动阻力组件，显示处于打开位置；和图观是图27中所示的实施例的侧截面视图，具有转动的流驱动阻力组件，显示处于关闭位置。
具体实施例方式本领域技术人员应该理解的是，方向性术语(如上面、下面、上、下、向上、向下等) 的使用涉及在附图中描述它们的示例性实施例，向上方向朝向相应附图的顶部，向下方向朝向相应附图的底部。若情况不是这样，则术语是用来指出所需的方向，说明书中将会作出说明，或者通过清楚的方式或上下文的方式使之明确。上游和下游用来指示相对于地表的位置或方向，其中上游指示沿井筒朝地表的相对位置或移动，下游指示沿井筒远离地表的相对位置或移动。虽然下面详细讨论了本发明的各实施例中的制造和使用，但本领域中的实施人员可意识到，本发明提供的是可以在各种具体情况下实施的适用的创新概念。本文中讨论到的具体实施例是对本发明中的制造和使用的具体方式的说明，并非界定本发明的范围。图1是一般以附图标记10表示的井系统的示意图，包括多个体现本发明原理的自主密度驱动的流体控制组件。井筒12延伸穿过各地层。井筒12具有基本上立式的段14， 其上部分中已安装有套管柱16。井筒12还具有基本上偏斜的段18，图中显示为水平的，其延伸穿过含烃地下地层20。管柱22设置在井筒12内并从地表延伸。管柱22提供将地层流体从地层20向上游移动到地表的导管。多个流体控制组件25和多个生产管道段M设置在与地层20相邻的各生产层段中的管柱22内。在每个生产管道M的任一侧是提供管柱22与井筒12的壁之间的流体密封的封隔器26。生产层段由每对相邻的封隔器沈限定。在示出的实施例中，每个生产管道段M具备防砂能力。与生产管道段M相关的防砂筛件或过滤介质被设计成能允许流体流过，但阻止足够尺寸的颗粒物质流过。与流体流控设备M相关的筛件的确切设计对本发明并不重要，只要其设计成适合地层流体的特性并适合要实施的任何处理操作就行。用在本文中的术语“天然气”是指在室内温度和压力下存在于气相中的烃(和不同量的非烃)的混合物。该术语并不表示天然气在发明系统的井下位置处于气相状态。事实上，可以理解的是，可供使用流控系统的位置处的压力和温度使得其中天然气最主要地呈液化态，不过也可以存在其它组分，并且一些组分可以呈气态。创新的概念对液体或气体或这两者都存在的情况均有效。流入生产管道M的地层流体通常包含不止一种流体组分。典型的组分有天然气、 石油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽、水和二氧化碳通常用作注入流体以朝向生产管道驱动烃， 而天然气、石油和水则通常见于地层现场。流入生产管道的地层流体中的这些组分的比例会随着时间的推移并根据地层和井筒内的条件而发生变化。同样，流入贯穿整个生产管柱长度的各生产管段的流体的组成在段与段之间会有很大不同。当基于流体的相对密度而言某层段中不期望的组分比例较高时，流控装置被设计成用来限制该层段中的产量。因此，当对应于具体的一个流体控制组件的生产层段产出较大比例不期望的流体组分时，该层段中的流控装置将限制该层段中的产出流。如此，产出较大比例所需流体组分 (例如石油)的其它生产层段中将有较多的产出流进入管柱22。通过使用本发明的流体控制组件25并通过提供许多生产层段，就能够对产出流体的体积和组成进行控制。例如，在石油生产作业中，如果产出流体的不期望的组分(如水、蒸汽、二氧化碳或天然气)以大于目标百分比的比例进入一个生产层段，则根据这些组分的存在大于目标量时的密度变化， 该层段中的流控装置将自主地限制该层段的地层流体产出。流控装置响应现场的流体密度变化而启动。所述装置被设计成能在流体达到目标密度时限制流体流动。可选择密度以在不期望的流体组分达到目标百分比时限制流体的流动。例如，可能期望能够产出这样的地层流体，其中所述流体由80%的石油(或更多)与相应的20% (或更少)的天然气成分组成。如果流体中的石油降到目标百分比之下则限制流动。因此，目标密度是组成为80%石油和20%天然气的产出流体的密度。如果流体密度变得过低，则通过本文中讲到的装置限制流动。等效的是，在生产所需的较低密度流体时可以限制不期望的较高密度的流体。虽然图1描述的是裸井环境中本发明的流体控制组件，但本领域技术人员应该理解的是，本发明同样良好地适用于套管井。另外，虽然图1描述了每个生产层段中的一个流控装置，但应该理解的是，在不偏离本发明原理的情况下，可以将任意数目的本发明装置配置在一个生产层段之内。此外可以预见的是，流控装置25可以与其它井下设备配合使用，包括与流入控制设备(ICD)和筛组件配合使用。在这里不对流入控制设备和筛组件进行详细描述，它们是本领域中己知的，尤其可商购自Halliburton EnergyServices Inc.。此外，图1描述了示出为水平井筒的井筒偏斜段中的本发明的流控装置。本领域技术人员应该理解的是，本发明的装置适合用于偏斜井筒(包括水平井筒)以及立式井筒。 用在本文中的偏斜井筒是指有意偏离竖向钻出的井筒。图2显示用于控制井下管中流体流动的流控装置25的一个实施例。为了便于讨论，所讨论的示例装置用于控制地层流体的产出、限制具有较大比例天然气的地层流体的产出。流控装置25由地层流体密度的改变来启动。可以沿生产管柱中的井筒的长度使用流控装置25以提供在多个位置上的流体控制。这样可以有利的是，例如在预期水平井的跟端(heel)流速比井的趾端(toe)流速大的情况下平衡石油产出流。流控装置25有效地限制不期望的流体的流入，同时能够对所需流体的流动限制程度最低。例如，可以将流控装置25构造成在流体由预定的天然气百分比组成时或者地层流体密度低于目标密度的情况下限制地层流体的流动。在这种情况下，流控装置选择石油产量在天然气产量之上，有效地限制了天然气的产出。图2是流控装置25的一个实施例的部分截面的侧视图，所述流控装置用于设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道。流控装置25包括两个阀组件200和流体转向器组件 100。流体转向器组件100具有带两个转向器臂102的流体转向器101。转向器臂102彼此连接，并且可绕枢轴接头103转动。由具有选定密度的物质制造转向器101，以在井下流体达到预定密度时启动转向器臂102。制成转向器的材料可以是塑料、橡胶、复合材料、金属、 其它材料或这些材料的组合。流体转向器臂102用于选择将流体的流动在阀组件200的下端入口 204与上端入口 206之间分开的方式，由此控制流体通过管道的流动。流体转向器101是通过浸没它的流体的密度的变化和转向器101的浮力的相应变化而启动的。当转向器101的密度高于流体密度时，转向器将“下沉”到图2中所示的位置，该位置被称为关闭位置，因为当转向器臂 102处于此位置时，阀组件200被关闭(限制流动)。在关闭位置，转向器臂102向下枢转， 使臂102的端部的位置靠近入口 204。如果地层流体的密度增大到高于转向器101的密度， 则所述变化将启动转向器101，导致其“上浮”，并将转向器101移动到图3中所示的位置。 图3中的流控装置处于开启位置，因为当转向器臂处于所示位置时，阀组件200是打开的。流体转向臂的操作基于井下流体随时间的推移产生的密度差异。例如，转向器臂在主要由石油组成的流体中的浮力与在主要由天然气组成的流体中的浮力是不同的。类似地，在石油中与在水中相比、在水中与在天然气中相比等情况中，浮力发生变化。本文中参照图15-20对浮力的原理有更详尽的解释。所述臂将响应变化的流体密度在打开与关闭位置之间移动。在见于图2的实施例中，转向器101的材料的密度大于典型的井下流体的密度，并且不管流体密度如何都保持在图2中所示的位置处。在这种情况下，可以使用偏置装置106(这里显示为片簧)以抵销重力作用的影响，使得即使在转向器臂比井下流体(如石油)密度大的情况下，转向器臂102也会移动到开启位置。可以使用如本领域中已知的其它偏置装置，例如(但不限于)配重、其它的弹簧类型等，并且偏置装置可设置在其它的位置上，如设置在转向器臂的端部或端部附近。这里，偏置弹簧106连接于两个转向器臂102， 趋向于使它们向上并朝着图3中所示的位置枢转。选择偏置装置及其施加的力，使得当流体达到预定的密度时，转向器臂102将移动到图3中所示的位置。选择转向器臂的密度以及偏置弹簧的力，以在浸没装置的流体达到预定密度时导致转向器臂的启动。图4的截面视图详细地显示出图2中所示的阀组件200。所示的阀组件本质上是示例性的，在不偏离本发明实质的情况下可以改变阀的细节和构造。阀组件200具有带下端入口 204、上端入口 206和出口 208的阀壳体202。阀室210容纳可操作以限制流体通过出口 208流动的阀构件212。实例阀构件212包括压力触动端或臂218和用于限制通过出口 208流动的阻挡件端或臂216。阀构件212安装在阀壳体202中以绕枢轴214转动。在关闭位置，阀构件的阻挡件端216靠近出口 208并限制流体通过出口 208的流动。阻挡件端可限制或阻挡流动。示例的阀组件200包括文丘里压力变换器以提高阀组件的驱动压力。根据伯努利原理，假定其它的流动特性保持不变，静态压力将随着流速的增大而减小。使用转向器臂 102限制通过阀组件的流体入口之一的流动，从而减少通过该入口的容积流体流动，由此在两个入口 204与206之间造成流体的流量比。入口 204和206在其中具有文丘里收缩以提高在每个压力口 2M和2 处的压力变化。文丘里压力变换器能够使阀在入口处具有小的压力差，但可以用较大的压力差打开和关闭阀组件200。图5是沿图4中的线A-A获取的截面的端视图。压力口 2M和2 示于截面视图中。上压力口 2 将流体压力从上端入口 206传递到阀室210的一侧。类似地，下压力口 224将在下端入口 204处测得的压力传递到阀室210的相反侧。由压力差启动阀构件212 的压力触动臂218。压力触动臂218将受到较高压力侧的推力，或者受较低压力侧的吸力， 并因此而枢转。图6和图7是图2和图3中所示阀组件的截面的底视图。图6显示处于关闭位置的阀组件，其中流体转向器臂102处于如图2所示的相应的关闭位置。转向器臂102定位成限制流体流入阀组件200的下端入口 204。相对较大的流速在上端入口 206中得以实现。通过压力口 2 和226，利用流速差和所造成的流体压力差启动阀构件212的压力触动臂218。当转向器臂102处于关闭位置时，其限制流体流入下端入口 204，并且允许上端入口 206中相对较大的流量。因此相对较低的压力通过上压力口 2 得以传递，而相对较大的压力通过下压力口 2M传递。压力触动臂218被此压力差所启动，并朝者阀室210的低压侧被拉到图6中所示的关闭位置。阀构件212绕枢轴214转动，并且阀构件212的阻挡件端216移动靠近出口 208，从而限制流体通过阀组件200的流动。在生产井中，由此限制了从地层流出并流入阀组件的地层流体向生产管柱里流动并到达地表。可以使用偏置装置228(如弹簧或配重)朝一个位置偏置阀构件212。如所示的那样，片簧朝如图7中所示的打开位置偏置构件212。阀组件中可以使用其它装置(如隔膜230)以控制或防止流体流动或压力作用于阀组件的多个部分或者控制或防止细粒干扰枢轴214的移动。此外，对于本领域技术人员来说，阀组件的替代实施例是显而易见的。例如，可以采用波纹管、压力气囊及替代的阀构件设计。图7是在对应于图3的打开位置看到的阀组件200的底截面视图。在图7中，转向器臂102处于打开位置，其中转向器臂102靠近上端入口 206并限制流体流入上端入口。 较大的流速在下端入口 204中得以实现。通过压力口 2 和2 测得的所得到的压力差导致阀构件212启动并移动到打开位置。构件212的压力触动臂被拉向压力口 224，枢转阀构件212并将阻挡件端216移离出口 208。流体自由地流过阀组件200，进入生产管柱并到达地表。图8是在壳体120中并连接于生产管柱M的流体控制组件25的正交视图。在本实施例中，壳体120是带有开口 114的井下管道，所述开口 114允许流体流入壳体的内部开口。地层流体从地层流入井筒，然后流过开口 114。地层流体的密度决定流体转向器臂102 的状态和启动。然后地层流体在组件25的任一端流入阀组件200。流体从流控装置流向通往生产管(未显示)内部的内部通道27。在图2-8所示的优选实施例中，流体控制组件在每一端均具有阀组件200。流过组件的地层流体可被安排流入生产管柱，或者可以使来自下游端的地层流体流往别处，如流回井筒。可以将图中所示的双臂和双阀组件设计替换为单臂和单阀组件设计。一种替代的壳体120示于图6和图7，其中所述壳体包括多根连接两个阀组件壳体202的杆。要注意的是，可以将如图2-8中所示的实施例修改成当流体的组成和密度发生变化时限制不同流体的产出。例如，可以将实施例设计成能限制产水量而允许产出石油、限制石油产量而允许产出天然气、限制产水量而允许产出天然气等。根据应用情况，可以设计阀组件，使得当转向器处于“上浮”、趋于上升或上位时阀是打开的，如图3所示，或者可以将其设计成在转向器处于“下沉”或下位的情况下是打开的，如图2所示。例如，为了选择天然气产量超过产水量，将阀组件设计成当转向器由于其在相对较高密度的水中的浮力而上升到图3中所示的位置时是关闭的。此外，所述实施例可用于烃井以外的生产过程。例如，在向井筒里面注入流体期间可以使用所述设备，用以基于流体的相对密度选择注入的蒸汽超过水。在注入过程期间，热水和蒸汽通常是混合的，并以不同的比例存在于注入流体中。通常使热水在井下循环，直到井筒已达到所需的温度和压力条件，以提供主要是注入地层的蒸汽。向地层里面注入热水通常是不可取的。因此，流控装置25可用来选择注入蒸汽(或其它注入流体)超过注入热水或其它不可取的流体。转向器将根据注入流体的相对密度而启动。当注入流体中水的比例不可取并因此具有相对较高的密度时，转向器将上浮到图3中所示的位置，由此限制注入流体流入阀组件200的上端入口 206。利用在上端入口与下端入口 204和206之间所得到的压力差将阀组件移动到关闭位置，由此限制不期望的流体通过出口 208和地层的流动。随着注入流体变换成较高比例的蒸汽，随之变换成较低的密度，转向器将移动到相反的位置，由此减少对流体到地层的限制。如上所述的注入方法描述的是蒸汽注入。要理解的是，可以使用二氧化碳或其它注入流体。图9是具有转动转向器301的流控装置325的另一实施例的正视图。流体控制组件325包括带有可移动的流体转向器301的流体转向器组件300和两个在转向器组件的任一端的阀组件400。安装转向器301以响应流体密度的变化而产生转动位移。所示的示例性转向器 301在沿其大部分长度的截面上是半圆形的，在任一端具有圆形的截面部分。所述实施例将被描述为用于选择产出较高密度的流体(如石油)并限制相对较低密度流体(如天然气) 的产出。在这种情况下，转向器的重量由以相对高密度的材料(如钢或别的金属)制成的高密度配重部分306“负担”。在示例性实施例中显示为半圆形截面的部分304由密度相对较低的材料(如塑料)制成。转向器部分304在密度较大流体中的浮力比配重部分306的浮力大，导致转向器转动到图10中所示的上位或打开位置。反之，在密度相对较低的流体 (如天然气)中，转向器部分304的浮力比配重部分306的浮力小，转向器301转动到如图 9中所示的关闭位置。可以使用偏置元件(如基于弹簧的偏置元件)代替配重。图10是图9的流体控制组件的分解详细视图。在图10中，比如当将组件浸在具有相对高密度的流体(如石油)中的时候，流体选择器或转向器301转动到打开位置。在较高密度的流体中，转向器301的较低密度部分304具有更大的浮力并倾向于“上浮”。较低密度部分304的密度在这种情况下可以比流体的密度低。然而，并不要求较低密度部分 304的密度低于流体的密度。转向器301的高密度部分306反而可充当配重或偏置构件。转向器301绕其纵向轴309转动到如图10中所示的打开位置。当处于打开位置时，转向器通道308与阀组件400的出口 408对齐，如图12中最佳显示的那样。在这种情况下，阀组件400只具有单入口 404和单出口 408。在所示的优选实施例中，组件325还包括固定的支承构件310，这些固定的支承构件310具有多个孔口 312以促进流体通过固定支承体的流动。如图9-13中所示，流体阀组件400设置在组件的每一端。阀组件具有限定在其中具有入口 404和出口 408的单通道。当转向器处于如图10中所示的打开位置时，出口 408 与转向器301中的通道308对齐。要注意的是，可以采用以图2-7中所示的文丘里压力阀组件200修改的图9-10中所示的转向器301的设计，所述修改对本领域技术人员来说是显而易见的。类似地，可以采用以图9中所示的阀组件修改的图2中所示的转向器臂设计。转向器的浮力造成扭矩，所述扭矩使转向器301绕其纵向转动轴转动。产生的扭矩必须克服倾向于将转向器保持在适当位置的任何摩擦力和惯性力。要注意的是，可以采用物理约束或阻挡件来限制转向器的转动位移；也就是说，把转动的各转动角限制在预定的弧度或范围以内。于是扭矩将会超过静摩擦力，从而确保需要时转向器将移动。此外，可设置约束以防止转向器转动到顶部或底部的中心，从而防止在这样的方向上“卡住”的可能性。在一个实施例中，限制流体流动直接与转向器在选定的转动范围以内的转动角相关。当转向器处于完全打开的位置时，转向器301的通道308与阀组件的出口 408对齐，如图10 和图13中所示。转向器向打开位置转动之时是部分对齐的，从而使得在转向器转动到完全打开位置的时候能有较大的流量。当转向器转动到同阀的出口处于部分对齐与完全对齐之间的时候，流量度直接与转向器的转动角相关。图11是本发明的一个实施例的流动示意图。流入控制设备350或ICD与流体控制组件325流体连通。流体流过流入控制设备300，通过分流器360到达流控装置325的任一端，然后流过出口孔330。或者，可以按入口在流体控制设备的中心且出口在任一端的方式运转系统。
图12是图9中所示的流控装置325的实施例的截面的侧视图，其中转向器301处于关闭位置。壳体302在其内部里面具有转向器组件300和阀组件400。壳体包括出口 330。 在图12中，地层流体F通过入口 404流入每个阀组件400。流体通过出口 408的流出受到转向器301的阻止或限制。转向器组件300在图12中处于关闭位置。当流体的密度由于转向器部分304和 306的相对密度和浮力的原因而转变为密度较大的组成时，转向器301转动到关闭位置。即使在流体转变为密度较大的组成的情况下(且不论处于打开还是关闭位置)，转向器部分 304的密度也可以比流体密度大，并且在优选的实施例中，其密度总是比流体密度大。即使流体密度变化到密度较大的组成，转向器部分304的密度也比流体的密度大，在这种情况下，利用配重部分306。转向器部分304的材料与配重部分306的材料具有不同的密度。当浸在流体中的时候，所述部分的有效密度为所述部分的实际密度减去流体密度。选择转向器部分304与配重部分306的体积和密度，使得相对密度和相对浮力导致转向器部分304 在流体中“下沉”，且配重部分在流体中“下沉”(当流体具有低密度时，如当其由天然气组成的时候)。反之，当流体转变为较高密度时，转向器部分304在流体中“上升”或“上浮”， 而配重部分“下沉”(如在石油中)。用在本文中的术语“下沉”和“上浮”用来描述系统某部分移动的方式，并不需要该部分的重量或密度比促动流体的重量或密度大。在如图9和图12中所示的关闭位置，通过转向器部分306的通道308没有与阀组件400的出口 408对齐。流体通过系统的流动受到限制。要注意的是，在很多情况下可以接受一些流体“泄漏”或少量地流过系统并通过出口孔330流出。图13是如图12中的流控装置的截面的侧视图，然而，转向器301转动到打开位置。在打开位置，阀组件的出口 408与转向器的通道308对齐。流体F从地层流入具有所述装置的管道的内部通道。流体进入阀组件400，流过固定支承体310上的入口 312，流经转向器中的通道308，然后通过(多个)孔口 330流出壳体。然后将流体导入生产管并到达地表。在选择石油产出超过天然气产出的情况下，当井筒中的流体密度达到预定密度(如地层石油的预期密度)时，转向器301转动到打开位置。所述装置被设计成能从两端同时接受流体，用以平衡装置两侧的压力并减小转动期间的摩擦力。在替代实施例中，所述装置被设计成能允许从单端或者从中心向外流动。图15是说明浮力原理的示意图。阿基米德原理指出，完全或部分地浸在流体中的物体受到与由该物体所排挤的流体重量相等的力的支撑。浮力减少了浸入物体的相对重量。重力G作用于物体404上。物体具有质量m和密度P 流体具有密度P 浮力 B向上作用于物体上。物体的相对重量随浮力而变化。把塑料(在空气中)的相对密度作为1. 1。天然气的相对密度为大约0.3，石油的相对密度为大约0.8，水的相对密度为大约 1.0。同样，塑料的相对密度在天然气中为0.8，在石油中为0.3，在水中为0. 1。钢的相对密度在空气中为7. 8，在石油中为7. 5，在水中为7. 0。图16-18是显示浮力对具有不同密度和不同体积浸在不同流体中的物体的影响的示意图。继续通过例子说明，将塑料和钢物体放置在天平上来说明浮力的影响。钢物体 406的相对体积为一，而塑料物体408的相对体积为13。在图16中，塑料物体408在空气 410中的相对重量为14. 3，而钢物体的相对重量为7. 8。因此，塑料物体相对较重，导致天平的塑料物体一侧下降。当把天平和物体浸在天然气412中的时候，如图17中所示，天平保持在相同的位置。在天然气中，塑料物体的相对重量现在是10. 4，而钢物体的相对重量是7. 5。在图18中，把系统浸在石油414中。在石油中，钢物体的相对重量现在是7.0，而塑料物体的相对重量是3. 9。因此，天平现在移动到所示的位置，因为塑料物体408的浮力比钢物体406的浮力大。图19和图20是转向器301的示意图，说明转向器在不同相对密度的流体中的相对浮力和位置。使用与上面同样的塑料和钢的例子并对转向器301应用所述原理，钢配重部分306的长度L为一个单位，塑料转向器部分304的长度L为13个单位。两个部分均为半圆柱形并具有同样的截面。因此，塑料转向器部分304的体积为配重部分306的体积的 13倍。在石油或水中，钢配重部分306具有较大的实际重量，转向器301转动到图19中所示的位置。在空气或天然气中，塑料转向器部分304具有较大的实际重量，转向器301转动到图20中所示的较低位置。这些原理用于设计转向器301，用以在将其浸到已知相对密度的流体中的时候使之转动到选定的位置。上面仅仅是例子，可以进行修改，以使转向器在任何选定密度的流体中改变位置。图14是如图9中所示的流体控制组件325的一端的侧截面视图。组件的操作取决于转向器301响应流体密度的移动，因此需要将阀组件400在井筒中定向。定向组件的优选方法是提供自定向的阀组件，其依靠重量导致组件在井筒中的转动。自定向阀组件被称为“重力选择器”。一旦适当地定向后，可以将阀组件400和固定支承体310密封到位以防止阀组件的进一步移动并减少可能的泄漏路径。在优选的实施例中，如图14中所示，已经在固定支承体310和阀组件400的外表面周围放置了密封剂340。这种试剂可以是可膨胀的弹性体、 0型圈、在经历时间、暴露于温度或接触流体时粘结的粘合剂或环氧树脂。也可以将密封剂 340放置在装置的各部分之间，所述各部分在操作期间不需要彼此相对移动，如放置在所示的阀组件400与固定支承体310之间。防止泄漏路径会很重要，因为泄漏可能会潜在地使装置的有效性大大降低。密封剂的放置不应干扰转向器301的转动。可将如上所述的流控装置构造成选择石油产出超过水的产出(基于两种流体的相对密度)。在天然气井中，可以将流控装置构造成选择天然气产出超过石油或水的产出。 本文中所述的本发明也可用于注入方法。将流体控制组件的定向倒转，使自地表的注入流体在进入地层之前流入组件。在注入操作中，控制组件的操作限制不期望的流体(如水) 的流动，同时不提高所需流体(如蒸汽或二氧化碳)的流动阻力。本文中所述的流控装置也可用于其它井作业，如检查、固井、反向固井、砾石充填、水力压裂等。其它用途对本领域技术人员来说是显而易见的。图21和图22是本发明的流体流控装置的另一实施例的正交视图，具有枢转的转向器臂和阀组件。流控装置525具有设置在管道550中的转向器组件600和阀组件700。管道550具有允许流体流过管道的入口 552和出口 554。转向器组件600包括转向器臂602， 所述转向器臂602绕枢轴603在关闭位置(图21中所示)与打开位置(图22中所示)之间转动。转向器臂602由浸没它的流体的密度变化启动。与上面的描述类似的是，当流过管道550的流体的密度相对低时，转向器臂602具有较小的浮力并移动到关闭位置。当流体转变为密度相对较高时，转向器臂602的浮力增大，臂被启动，向上移动到打开位置。转向器臂的枢轴端604的截面相对窄，允许流体在臂的任一侧流动。转向器臂602的自由端
13606优选具有基本上是长方形的截面，其限制通过管道的一部分的流动。例如，如图15中所示，转向器臂602的自由端606限制流体沿管道底部的流动，而在图22中，沿管道的上部的流动受到限制。转向器臂的自由端不会完全地阻挡通过管道的流动。阀组件700包括转动阀构件702，所述转动阀构件702以枢轴的方式安装在管道 550中并可在关闭位置(图15中所示，其中流体通过管道的流动受到限制)与打开位置(图 22中所示，其中允许流体流过阀组件，受到的限制较少)之间移动。阀构件702绕枢轴704 转动。可以将阀组件设计成能在处于关闭位置时部分或完全地限制流体流动。可以利用稳流臂705来进一步控制流体通过管道的流动模式。转向器臂602的移动影响流体通过管道550的流动模式。当转向器臂602处于图 15中所示的下位或关闭位置时，主要沿管道的上部引导流过管道的流体。或者，当转向器臂602处于图22中所示的上位或打开位置时，主要沿管道的下部引导流过管道的流体。因此，流体的流动模式受流体相对密度的影响。响应流体流动模式的变化，阀组件700在打开与关闭位置之间移动。在所示的实施例中，将流控装置525设计成能选择密度相对较高的流体。也就是说，密度较大的流体(如石油)将导致转向器臂602 “上浮”到如图22中的打开位置，由此影响流体流动模式并打开阀组件700。随着流体转变为较低密度(如天然气)，转向器臂602 “下沉”到关闭位置，受影响的流体流动导致阀组件700关闭，限制低密度流体的流动。配重601可用于调节转向器臂602 “上浮”或“下沉”时的流体密度，并且还可用于使浮臂材料的密度显著高于转向器臂“上浮”情况下的流体密度。如上文关于转动的转向器系统所述，相对浮力或转向器臂相对于流体密度的有效密度将决定在何种条件下转向器臂会在打开与关闭之间或者在上下位之间变化。当然，本领域技术人员可以理解的是，可以将图21中所示的实施例设计成能选择本文中别处所述的较大或较小密度的流体，并且可以应用在若干过程及方法中。图2346显示利用如图21中的转向器臂的流控装置实施例的进一步的截面详细视图。在图17中，流控的阀构件702是可绕枢轴711在(所示的)关闭位置(其中楔710 限制通过出口 712贯穿阀组件700的壁714的流动)与打开位置(其中楔710不限制通过出口 712的流动)之间移动的枢转楔710。类似地，图M显示具有枢转的楔形阀构件720的实施例。所示的楔形阀构件720 处于打开位置，流体沿管道的底部部分流过阀的出口 712不受限制。要注意的是，阀的出口 712在这种情况下部分地由管道的内表面限定，部分地由阀壁714限定。阀构件720绕枢轴 711在打开与关闭位置之间转动。图25显示具有枢转盘阀构件730的另一阀组件实施例，所述枢转盘阀构件730绕枢轴711在(所示的)打开位置与关闭位置之间转动。可以进一步使用稳流臂734。图21-25是具有可移动的转向器臂和阀组件的流控装置的示例性实施例，所述可移动的转向器臂影响流体在管道内的流动模式，所述阀组件响应流体流动模式的变化在打开与关闭位置之间移动。实施例的细节是用于举例而非限制。流动转向器臂是可绕(多个)枢轴移动的、可滑动的、弯曲的或者是以别的方式可移动的。转向器可以由任意合适的材料或组合材料制成。管道的截面可以是所示的圆形或具有另外的形状。转向器臂的截面显示为在一端是锥形的，在另一端基本上是长方形的，但也可采用其它形状。阀组件可以包括多个出口、静叶片和成形壁。阀构件可以采取能通过流体流动模式的变化在打开与关闭位置之间移动的任何已知的形状，如盘、楔等。阀构件进一步是可绕(多个)枢轴移动的、 可滑动的、可弯曲的或以别的方式可移动的。阀构件可完全或部分地限制通过阀组件的流动。这些以及其它例子对本领域技术人员是显而易见的。如同本文中所述的其它实施例的情况一样，可以将图21-25中的实施例设计成能基于目标密度来选择任何流体。如本文中所述，可以选择转向器臂，以响应流体在石油、水、 天然气等之间的组成变化提供不同的流动模式。这些实施例也可用于多种过程及方法，如生产、注入、检查、固井和反向固井。图沈是根据本发明具有流动转向器的流控装置实施例的示意图，所述流动转向器由沿双流路的流体流动来启动。流控装置800具有带第一流路804和第二流路806的双流路组件802。两个流路被设计成能对流体流动提供不同的阻力。至少一个流路上的阻力取决于流体的粘度、流速、密度、速度或其它流体流动特性的变化。示例性流路及变化在Jason Dykstra等提交于2010年2月4日的序列号为12/700，685的美国专利申请当中详细描述， 据此为所有目的将该申请全文并入。因此，本文中只简要地描述一个示例性实施例。在图沈的示例性实施例中，选择第一流体流路804，以使流过所述路径的流体产生压力损失，所述压力损失取决于流体流动性能。选择第二流路806，使之对流体流动性能具有不同于第一流路804的流速依赖性。例如，第一流路可以包括长窄管段，而第二流路是具有至少一个孔口 808的孔口型压力损失设备，正如所看到的那样。通过第一及第二流路的相对流速限定了流量比。随着流体流动性能的变化，流体流量比将发生变化。在此实例中，当流体由相对较大比例的石油或其它粘性流体组成时，流量比将相对较低。当流体转变为粘性较小的组成时，比如当存在天然气时，该比例将随着流过第一路径的流体相对于流过第二路径的增多而增大。可以采用在并入的参考文献中教授的其它流路设计，包括多流路、多流控设备，比如可以采用孔板、曲折路径等。此外，可以把路径设计成能响应其它的流体流动特性而表现出不同的流量比，这些其它的流体流动特性例如为流速、速度、密度等，如并入的参考文献中所述。阀组件820具有与第一流路804流体连通的第一入口 830和与第二流路806流体连通的第二入口 832。可移动的阀构件822设置在阀室836中，并响应流入阀入口 830和 832的流体而移动或启动。可移动的阀构件822在优选的实施例中绕枢轴825转动。枢轴 825被设置成控制阀构件822的枢转，并且可以如所示的那样偏离中心，从而提供所需对来自入口的流量的响应。交替的可移动阀构件可以转动、枢转、滑动、弯曲、折曲或以别的方式响应流体流动而移动。在实例中，把阀构件822设计成当流体由相对大量的石油组成时能绕枢轴825转动到图20中所示的打开位置，而当流体转变为相对较大量的天然气时则移动到关闭位置。同样，可以把阀组件和构件设计成当流体具有目标量的流体流动特性时能打开和关闭，并且可以针对天然气选择石油、针对水选择石油、针对水选择天然气，等等。可移动的阀构件822具有流量传感器824，所述流量传感器拟4分别具有第一和第二流量传感器臂838和840。流量传感器拟4响应流体通过入口 830和832的流动模式的变化而移动。具体地说，第一传感器臂838设置在自第一入口 830的流路中，第二传感器臂 840设置在第二入口 832的流路中。每个传感器臂都具有冲击面828。在优选的实施例中，冲击面8 具有阶梯式设计，用以当部件转动时使液压力最大化。阀构件822还具有能限制阀的出口 834的限制臂826。当阀构件处于所示的打开位置时，限制臂允许流体流过出口而没有限制或限制程度最小。当阀构件转动到关闭位置时，限制臂拟6移动，从而限制流体流过阀的出口。阀可以部分或完全地限制流体流过出口。图27是本发明的流控装置的另一实施例900的截面侧视图，所述装置具有转动的流驱动阻力组件。流体流入管状通道902，导致转动的流驱动阻力组件904的转动。流体的流动使附接于转动构件906的定向叶片910产生转动。转动构件以可移动的方式设置在管道中，用以绕纵向转动轴转动。当转动构件906转动之时，角向力被施加至平衡构件912。 转动越快，施予平衡构件的力就越大，它们从转动轴向外径向移动的倾向越大。平衡构件 912显示为球形重物，但可以采取其它的替代形式。在转动速率相对低时，阀座构件916和附接的限制构件914保持在图27中所示的打开位置。每个平衡构件912以可移动的方式附接于转动构件906，在优选的实施例中，这是通过平衡臂913完成的。平衡臂913附接于以可滑动的方式安装在转动构件906上的阀座构件916。当平衡构件向外径向移动时，平衡臂向外径向枢转，由此朝着关闭位置纵向移动阀座构件。在关闭位置，阀座构件在上游方向上纵向移动(到图27中的左边)，同时限制构件914相应地移动。当处于关闭位置时，限制构件914配合阀壁922限制流体流过阀的出口 920。对流体流过出口的限制取决于转动的流驱动阻力组件904的转动速率。图28是图27的流控装置900处于关闭位置的实施例的截面侧视图。管状通道 902中的流体流动已经导致转动的流驱动阻力组件904的转动。在相对高的转动速率下，阀座构件916和附接的限制构件914移动到图观中所示的关闭位置。平衡构件912通过离心力从纵向轴向外径向移动，使平衡臂913枢转远离纵向轴。平衡臂913附接于以可滑动的方式在转动构件906上移动的阀座构件916。平衡构件已向外径向移动，平衡臂向外径向枢转，由此朝着所示的关闭位置纵向地移动阀座构件。在关闭位置，阀座构件在上游方向上纵向移动，同时限制构件914相应地移动。当处于关闭位置时，限制构件914配合阀壁922 限制流体流过阀的出口 920。对流体流过出口的限制取决于转动的流驱动阻力组件904的转动速率。对流动的限制可以是部分的或者是完全的。当由于限制构件914的移动使流体的流动减慢或停止时，组件的转速将减慢，阀将再次移动到打开位置。为此目的，可以通过偏置构件(如偏置弹簧等)将组件向着打开位置偏置。预计组件将随着限制构件的位置变化而周期性地打开和关闭。转动组件的转动速率取决于选定的流体特性或流体流动特性。例如，所示的转动组件是依赖于粘度的，当流体具有相对高的粘度时对转动位移具有较大的阻力。随着流体粘度的下降，转动组件的转动速率增大，由此限制流过阀的出口。或者，转动组件可响应其它流体特性(如速度、流速、密度等)以变化的速率转动，如本文中所述。转动的流驱动组件可用来限制具有预先选定的目标特性的流体的流动。如此，所述组件可用于在流体具有目标组成(如相对高的石油含量)时使流体流动，而当流体转变为相对较高含量的粘度较小组分(如天然气)时限制流动。类似地，可以把组件设计成能在生产方法中选择石油超过水、天然气超过水或天然气超过石油。所述组件还可用于其它过程，如固井、注入、检查及其它方法。此外，有替代的设计可供转动的流驱动阻力组件。平衡、平衡臂、叶片、限制构件及
1限制支承构件都可以使用替代设计，并且可以设置在彼此的上游或下游。其它设计决定对本领域技术人员是显而易见的。 虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但这种描述并非旨在被解释成具有限制意义。经参考说明书，示例性实施例的各种修改与组合以及本发明的其它实施例对本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，这意味着所附权利要求书包括了任何的此类修改或实施例。
权利要求
1.一种用于设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道的流体流控装置，所述油田管道用于使流体流过，所述流体具有随时间的推移而变化的密度，所述装置包括工具壳体；具有阀壳体的阀组件，所述阀壳体具有至少一个入口和至少一个出口 ；设置在所述工具壳体中的可移动的流体转向器，所述流体转向器由所述流体的密度变化来启动，所述流体转向器是可移动的，用以响应所述流体的密度变化而限制流体流过至少一个阀入口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体转向器具有预定的密度，并且在预定密度的流体中有浮力。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体转向器可在第一与第二位置之间移动， 且其中通过偏置构件将所述流体转向器向着第一位置偏置。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述偏置构件是弹簧装置。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述偏置构件是配重。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述配重的密度与所述流体转向器的密度不同。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述配重以可操作的方式连接于所述流体转向
8.根据权利要求3所述的装置，其中在所述装置的操作期间，所述流体转向器的密度大于所述流体的密度，所述偏置装置抵消所述转向器的密度，并使所述转向器能被所述流体的密度变化所启动。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述可移动的流体转向器可枢转。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述流体转向器包括第二阀组件，其中所述转向器的臂的操作可限制流过阀组件的入口。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述阀组件的至少一个入口包括第一入口和第二入口，且其中所述流体转向器在第一位置与第二位置之间转动，所述流体转向器在所述第一位置限制流体流入所述第一入口，所述流体转向器在所述第二位置限制流体流入所述第二入口。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述转向器可绕纵向轴转动。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述流体转向器转动到多个转动角度，且其中限制所述流体的流动与所述流体转向器的转动角度有关。
14.根据权利要求12所述的装置，还包括第二阀组件，每个阀组件具有至少一个入口和至少一个出口，当所述流体转向器处于关闭位置时，所述流体转向器的操作可限制流入两个阀组件的入口。
15.根据权利要求1所述的装置，还包括用于在所述井筒中定向所述阀组件的定向选择器组件。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述定向选择器组件利用重力来定向所述阀组件。
17.根据权利要求15所述的装置，还包括稳定器以保持所述阀组件的定向。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述稳定器包括可膨胀的弹性体。
19.根据权利要求1所述的装置，还包括流入控制设备，且其中所述阀的入口与所述流入控制设备流体连通。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述阀组件还包括间隔开的第一和第二入口，且其中所述转向器的操作可响应流体密度的变化而改变所述流体在所述第一与第二入口之间的流量比。
21.根据权利要求20所述的装置，其中可操作流体比的变化以启动所述阀组件中的阀构件。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述阀组件还包括与所述阀的入口和阀的出口流体连通的阀室，所述阀室容纳可在关闭位置与打开位置之间移动的阀构件，其中在所述关闭位置，流体流过所述阀的出口受到限制，在所述打开位置，流体流过所述阀的出口受到的限制较少。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述阀构件是可枢转的阀臂，所述可枢转的阀臂具有一个靠近所述阀的出口并可操作以限制流过所述出口的端部。
24.根据权利要求21所述的装置，其中所述阀组件还包括文丘里压力变换器。
25.根据权利要求M所述的装置，其中所述文丘里压力变换器将压力传递给所述阀构件，由此启动所述阀构件。
26.一种用于设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道的流体流控装置，所述油田管道用于使流体流过，所述流体具有密度，所述装置包括可响应所述流体的密度变化而移动的流体转向器；所述流体沿着流体流路流动，其中所述流体转向器的移动改变所述流体的流路；和用于限制流体流动的阀组件，所述阀组件具有打开和关闭位置，其中由所述流体流路的变化改变所述阀组件的位置。
27.根据权利要求沈所述的装置，其中所述流体转向器具有预定的密度，并且在预定密度的流体中有浮力。
28.根据权利要求沈所述的装置，其中通过偏置构件将所述流体转向器向着第一位置偏置。
29.根据权利要求观所述的装置，其中所述偏置构件是弹簧装置。
30.根据权利要求观所述的装置，其中所述偏置构件是配重。
31.根据权利要求30所述的装置，其中所述配重的密度与所述流体转向器的密度不同。
32.根据权利要求观所述的装置，其中在所述装置的操作期间，所述流体转向器的密度大于所述流体的密度，所述偏置装置抵消所述转向器的密度，并使所述转向器能被所述流体的密度变化所启动。
33.根据权利要求沈所述的装置，其中所述流体转向器可通过绕转动轴转动的方式移动，绕所述转动轴的移动改变所述流体的流路。
34.根据权利要求沈所述的装置，其中所述流体转向器可通过绕枢轴枢转的方式移动。
35.根据权利要求沈所述的装置，其中所述阀组件还包括间隔开的第一和第二入口， 且其中所述转向器的操作可响应流体密度的变化而改变所述流体在所述第一与第二入口之间的流量比。
36.根据权利要求35所述的装置，其中可操作流体比的变化以启动所述阀组件中的阀构件。
37.根据权利要求沈所述的装置，其中所述装置还包括壳体，所述流体转向器以可移动的方式安装在所述壳体中，所述流体的流路由沿着所述壳体流动的流体限定并邻接所述流体转向器。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述阀组件包括至少一个入口和至少一个出口，且其中所述流体的流路部分地由所述至少一个入口和出口限定。
39.根据权利要求37所述的装置，其中所述流体转向器可从邻接第一阀组件入口的第一位置和邻接第二阀组件入口的第二位置移动。
40.一种用于设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道的流体流控装置，所述油田管道用于使流体流过，所述装置包括限定用于使流体流过的通道的管道构件； 具有至少一个入口的阀组件；用于在所述管道构件中的转动位移安装的流控组件，流体的流动使所述流控组件转动；所述流控组件具有用于限制通过所述阀组件的入口流动的限制构件。
41.根据权利要求40所述的装置，安装所述限制构件以在所述管道构件中纵向移动。
42.根据权利要求41所述的装置，其中所述限制构件在打开位置与关闭位置之间移动，其中在所述打开位置，通过所述阀的入口的流动不受限制，在所述关闭位置，通过所述阀的入口的流动受到限制。
43.根据权利要求40所述的装置，其中所述流控组件的转速与流体流动特性的改变有关。
44.根据权利要求43所述的装置，其中所述流体流动特性是粘度。
45.根据权利要求41所述的装置，其中所述流控组件还包括多个平衡构件，安装所述平衡构件以响应所述流控组件的转动而径向移动。
46.根据权利要求45所述的装置，其中以枢轴的方式安装所述平衡构件，用以响应所述流体控制组件的转动而径向移动。
47.根据权利要求46所述的装置，其中所述平衡构件的径向移动导致所述限制构件的纵向移动。
48.根据权利要求44所述的装置，其中当所述流体达到预定粘度时，所述流体通过所述阀的流动受到限制。
49.根据权利要求48所述的装置，其中所述流体在相对低粘度下的流动受到限制，流体在相对高粘度下的流动不受限制。
全文摘要
本发明公开了一种用于控制流体(如地层流体)流过设置在贯穿地下地层的井筒中的油田管道的装置和方法。流体的流动响应流体流动特性(如密度或粘度)的变化而自主地受到控制。在一个实施例中，流体转向器可响应流体密度的变化在打开与关闭位置之间移动，并且其操作可限制流体流过阀组件入口。转向器是可枢转的、可转动的或可以别的方式响应流体密度的变化而移动的。在一个实施例中，转向器的操作可控制流体通过两个阀入口的流量比。流体的流量比用于操作阀构件以限制流体流过所述阀。在其它实施例中，流体转向器响应流体中的变化而移动，从而影响流体在管道中的流动模式，由流动模式的变化操作阀组件。
文档编号E21B43/12GK102235162SQ20111011289
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年4月29日
发明者M·L·夫瑞普, O·德杰瑟斯, 贾森·D·戴克斯特拉 申请人:哈利伯顿能源服务公司