自主阀的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制流体流动的方法和装置。该流体包括液相和溶解气相。流体流经阀，该阀包括流体入口和位于穿过该阀的流路上的可移动体，该可移动体被设置成通过伯努利效应相对于入口的开口自由移动来改变流过该阀体的流过面积，其中阀的尺寸为使得经过可移动体的流体流动引起压降达到液相中的气相起泡点之下，从而增加通过该阀的流体流动。
【专利说明】自主阀
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制流体流动的自主阀装置。
【背景技术】
[0002]用于从长的、水平的和竖直的井中回收油和气的设备可以从美国专利公开文献N0.4821801,4858691,4577691号和英国专利公开文献N0.2169018号中获知。这些已知设备包括打孔的排出管，在管周围具有例如用于控制沙子的过滤器。已知的用于油和/或气生产的设备在高渗透性地质层中的显著缺点是:由于管中的流动摩擦，排出管中的压力在上游方向指数级地增长。由于储层和排出管之间的压差在上游将下降，从储层流入到排出管中的油和/或气数量因此将相应地减少。通过该装置生产的总的油和/或气量因此将是低的。对于薄油区域和高渗透性地质层来说，还存在形成锥体的高风险，也即不想要的水或气流入到排出管下游，在排出管下游处，油从储层流入到管中的速度是最大的。
[0003]从World Oil, vol.212,N.11 (11/91)，第73-80页中可知的是，将排出管分成具有一个或多个流入限制装置、例如滑动套筒或节流装置的部分。然而，该参考文献主要用于处理流入控制的使用问题，以限制到上孔区域的流入速度，从而避免或减少水和/或气锥体的形成。
[0004]W0-A-9208875描述了包括多个通过混合腔连接的生产部的水平生产管，所述混合腔具有比生产部更大的内径。所述生产部包括外部带槽筛管，该外部带槽筛管可以认为起到过滤作用。然而，不同直径部的顺序产生流动紊流并妨碍沿着生产管外表面操作的修井工具的运行。
[0005]当从地质生产地层抽取油和/或气时，不同质量的流体，也即油、气、水(和沙)依据地层的性质或质量而以不同的数量和混合比产生。上述已知设备中没有一个能够基于油、气或水的相对组分和/或质量在它们之间区分并控制它们的流入。
[0006]W02009088292和W02008004875中公开的装置是耐用的，可以经受大的作用力和高的温度，防止抽吸出现(压差)，无需能量供应，能够经受沙子产生，仍然是可靠而简单和非常便宜的。然而，若干改进可能会增加上述设备的性能和寿命，W02009088292和W02008004875的许多不同实施例描述了作为阀的可移动体的盘或板。
[0007]作为可移动体的盘或板的一个潜在问题是可移动体上的腐蚀。这是由于在内座和阀的可移动体之间的巨大的流速造成的。流体在该处经受流动方向的突变。由于在流体流中总会出现颗粒，即使安装沙筛，这些颗粒会引起腐蚀。无论在阀中是否使用滞留腔，都存在该腐蚀问题。
【发明内容】
[0008]上述问题通过所附权利要求所述的设置流动控制装置的自主阀装置来解决。本发明涉及一种可自调节的流入控制装置或自主阀，可以很容易的安装在生产管的壁上。由于该装置没有延伸到生产管的外周之外，其还可以允许使用修井工具。该装置设计用于“区分”油和/或气和/或水，并能够根据需要这种流体控制的流体，来控制油或气的流动或流入。
[0009]根据优选实施方式，本发明涉及用于控制流体从一个空间或区域流入另一空间或区域的自调节或自主阀或流动控制装置。该阀对于在流动控制装置的入口侧的入口端口到出口侧上的至少一个出口端口之间，流体流出储层和流入在油和/或气储层中井的生产管的流动控制尤其有用。所述生产管路可包括排出管，该排出管包括至少两个部分，每个部分包括一个或多个流入控制装置。
[0010]出口端口的主要部分在相对于通过第二表面的平面而言远离中心孔的位置与凹槽连通。这样，从出口端口向入口端口的流动将作用在阀体远离入口端口的第二表面上。这样的流体流动将使得阀体向入口端口的中心孔移动从而关闭该阀。
[0011]所述阀的尺寸可以使经过可移动阀体的流体的流动引起压力下降。所述流体典型的包括具有溶解气体的液体。所述溶解气体具有“起泡点”，即气体将开始从液体离开溶液的温度或压力。已经发现，如果压降足以达到气体起泡点，溶解气体从液体溶液中析出。这又增加了通过该阀的流动速率。
[0012]在第一实施例中，如上所述的阀可以包括具有多个孔的出口端口，每个孔都在阀体外周表面处或位于阀体外周表面径向外侧与凹槽相连接。在该实施例中，所述多个孔都沿流动控制装置的径向方向与凹槽连接。多个孔都与该凹槽连接使得每个孔都面向阀体的外周表面。这些孔优选围绕阀体圆周彼此等间距布置。每个孔的中心轴线都位于相对于通过第二表面的平面远离中心孔的平面内。这样，所述中心轴线向着阀体中心径向延伸到凹槽中并且可以位于通过第二表面的平面的内部或外部。因此，从多个孔向入口端口的流动将作用在阀体远离入口端口的第二表面上，导致阀体向其关闭位置移动。
[0013]在第二实施例中，如上所述的阀可具有包括多个孔的出口端口，每个孔都在上述阀体外周表面处或外周表面的径向外侧与凹槽连接。在该实施例中，多个孔都沿流动控制装置的轴向与凹槽连接，平行于入口孔的中心轴线。多个孔可都与凹槽连接使得每个孔都面向阀体第二表面外周部的至少一部分。这些孔优选相对于阀体中心彼此等角度排列布置，并且距离所述中心的距离基本相等。多个孔都在阀体相对于入口端口的相反侧与凹槽连接。每个孔的中心轴线都与凹槽连接使得每个都与阀体外周表面相重合或穿过该阀体外周表面的径向外部。因此，从多个孔向入口端口的流动将作用在阀体远离入口端口的第二表面上，使得阀体向其关闭位置移动。
[0014]上述任何一个实施例所述的阀体被至少三个轴向延伸到凹槽中以支撑阀体第二表面的凸起支撑。当阀体处于非致动停止位置时，设置所述凸起来支撑阀体。选择凸起数量和接触阀体第二表面的表面尺寸来避免或最小化当可动阀体被致动时凸起和可动阀体之间的粘附。
[0015]在第三实施例中，上述的阀可具有出口端口，该出口端口包括在阀体相对于入口端口的相反侧与凹槽连接的孔。所述孔的横截面积等于或大于阀体第二表面的面积。在该情况下，出口端口基本包括单个孔。阀体下游的流动区域仅仅被延伸到凹槽中以支撑阀体的凸起所中断。
[0016]上述第三实施例描述的阀体被至少三个径向延伸到凹槽以支撑阀体第二表面的凸起支撑。当阀体处于非致动静止位置时，设置凸起来支撑该阀体。选择凸起数量和与阀体第二表面接触的表面尺寸来避免或最小化当阀体被致动时凸起和阀体之间的粘附。
[0017]上述的阀可具有包括预定厚度圆盘的阀体。在这种情况下，第一表面和相反的第二表面可以是平的或基本是平的。通常，面对阀体第一表面的凹槽表面具有与阀体形状基本相符的表面。
[0018]替代地，阀体可具有基本圆锥形状的第一表面，其圆锥顶部面对入口端口。阀体相反的第二表面可以是平的或基本是平的。面向所述第一表面的凹槽第一表面具有与阀体形状一致的基本圆锥形状。
[0019]如上所述的用于生产管的阀装置典型的具有直径为2_12mm的入口端口。盘的直径典型地选择是入口端口直径的3-5倍大。组装后阀体的凹槽直径固有较大从而可以使盘移动并且将盘保持在预定位置。可以设置将盘保持在中心位置的装置，但是典型的流经盘的流体试图通过所有出口端口均匀分配该流体并将盘定位在中心。
[0020]阀装置的总高度取决于安装该阀装置的生产管的壁厚。为了使修井工具沿着生产管的外表面操作，希望阀不要延伸到生产管外径的外部。同时，希望阀不会比所需要的进一步延伸到生产管内径的内部，因为这会引起限流和紊流。因此，希望选择的盘的厚度尽可能小。选择盘的尺寸(厚度/直径)和所用材料来维持盘的机械稳定性，从而当其受到高压时不会发生挠曲或变形。同时，该盘必须足够坚固来抵抗长时间的腐蚀和疲劳。类似的，将该盘容纳在组装后阀体内的凹槽高度受到组装后阀体的高度的限制。选择盘和凹槽上表面之间的包括入口端口的距离使得位于盘的周边的总流动面积至少与所述一个或多个出口端口的总流动面积相等。
[0021]选择围绕组装后阀体的出口端口的数量或位置使得出口端口的总流动面积因此等于或大于入口端口的流动面积。然而，由于其他因素，例如阀的坚固性和从井中进入阀的各种颗粒，出口端口的总流动面积经常显著大于入口端口面积。
[0022]本发明的另一方面，提供了一种用于控制流体流动的方法，所述流体包括液相和溶解气相。允许所述流体通过阀。所述阀包括流体入口和在穿过该阀的流道上的可移动体。可移动体设置为通过柏努利效应相对于入口的开口可自由移动来改变流体流经的流通面积。设计阀的尺寸，使经过可移动体的流体流动将压力降低到液相中的气相起泡点以下。因此增加经过阀的流体的流动。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面将参考附图对本发明进行详细描述。可以理解的是，附图仅仅用于示例而不是用于对本发明进行限制，本发明的范围由所附权利要求进行限定。进一步可以理解的是附图不必按比例绘制，除非另有说明，它们仅仅示意性的图示所描述的结构和工艺。
[0024]图1显示了设置有根据本发明的自主阀装置的生产管；
[0025]图2A显示了根据本发明第一实施例的设置有流动控制装置的自主阀装置；
[0026]图2B显示了根据本发明第二实施例的设置有流动控制装置的自主阀装置；
[0027]图3显示了在图2A和2B的实施例中使用的第二阀体的局部截面图；
[0028]图4显示了根据本发明的替代性第二阀体的局部截面图；
[0029]图5显示了根据本发明的另一个替代性第二阀体的局部截面图；
[0030]图6显示了在本发明的阀中不同流动区域和压力区的示意图。【具体实施方式】
[0031]油储层典型的包括液体油和气体。虽然气孔可能位于储层中的液体油上方，气体典型的还溶解在液体油中。当温度增加，和/或压力降低时，析出的气体可能开始离开溶液。在一定的温度和压力下产生“起泡点”，在该点第一个气泡离开溶液。当储层中的油典型的气体饱和时，其非常接近起泡点。
[0032]当油从储层进入生产管时，该阀的设计使得油中的压力降低到起泡点之下。降低到起泡点之下会使气体从油中析出，因此增加了液体密度并有效增加了液体的流动速率。
[0033]图1显示的是具有开口的生产管11，在该开口中具有本发明的自主阀装置12。该阀装置12对于在入口侧的入口端口 13到自主阀装置12的出口侧的至少一个出口端口(未示出)之间，从地下储层流出和流入油储层和/或气储层中的生产管11的流体控制尤其有用。构成整体自主阀装置的零部件后面被称为“阀装置”，同时用于控制流动的主动部件通常被称为“流动控制装置”。自主阀装置12的入口侧位于生产管11的外侧14的开口中，而出口侧位于生产管11的内侧15上。在下文中，术语例如“内”和“外”用于定义当阀装置安装在管11中时(参见图1)相对于阀装置内表面和外表面的位置。
[0034]图2A显示了根据本发明第一实施例的设置有流动控制装置的自主阀装置20。该阀装置20包括容纳有流动控制装置的环形体21。环形体21通过任何合适的方法，例如压力配合或螺纹连接，安装在穿过生产管的开口(参见图1)中。第一阀体22位于环形体21中的同心扩大孔中。第一阀体22上的外凸缘与环形体21中的孔的径向表面接触从而可以沿着环形体21的轴向方向定位该第一阀体22。第一阀体22通过作用在所述外凸缘的相反侧上的锁定环24被锁定就位，且在环形体21中的孔的内表面的圆周槽中固定就位。在环形体21和第一阀体22的外凸缘之间设置有液体密封件。该液体密封件包括位于凹槽中的圆周槽内的O形环，其与第一阀体22的外凸缘的外周表面相接触。
[0035]穿过第一阀体22的中心设置有轴向入口端口 23。入口端口 23从阀装置的外表面延伸到流体控制装置的凹槽26中。凹槽26形成于第一阀体22和第二阀体27之间的空间中。在图2A所示的例子中，第二阀体27具有大致的杯形，其具有面向第一阀体22的开口。第二阀体27与第一阀体22密封接触且通过螺纹连接附接到第一阀体22。该螺纹连接位于第一阀体22的内部段上，在外凸缘的下方。第二阀体27具有多个径向出口端口 30，从凹槽26径向向外延伸到环形体21和第二阀体27之间的环形空间31。该环形空间31与安装有阀装置的管的内部容积流体连通。
[0036]第二阀体27可以通过任何合适的连接方法与第一阀体22连接，但是优选通过螺纹连接、螺钉或卡口式连接进行可拆卸的连接。进一步的替换方式是将第二阀体27与环形体21的内表面连接，同时至少与第一阀体22保持密封接触。
[0037]该阀装置进一步包括位于流动控制装置的凹槽26中的可自由移动阀体28，该可移动阀体28具有面向入口端口 23的第一表面28a和远离入口端口 23的第二表面28b。类似的，凹槽26具有面向可移动阀体28的第一表面28a的第一表面26a,和面向可移动阀体28的第二表面28b的第二表面26b。可移动阀体28包括具有预定厚度的圆盘，该圆盘延伸到与凹槽26的相邻侧壁26c相间隔的外圆周28c。在这种情况下，第一表面和相反的第二表面都是平的或基本是平的。对于本文所述的该实施例或其他任何实施例，面向所述可移动阀体第一表面的凹槽表面具有与可移动阀体的形状相一致的表面。可移动阀体28由多个凸起29支撑。凸起29为可移动阀体28限定了下方位置且阻止了所述阀体28在流动控制装置致动过程中与凹槽26的第二表面26b的粘附。因此，构成流动控制装置的部件是第一和第二阀体22、27以及可自由移动阀体28。
[0038]在工作中，入口端口通过中心孔或开口与凹槽连通，其中流体设置成通过中心孔流入凹槽。然后流体设置成径向越过阀体的第一表面且经过所述阀体的外周表面向着至少一个出口端口流出该凹槽，所述第一表面面向该中心孔。
[0039]本发明使用了伯努利效应，教导了静态压力、动态压力和摩擦力之和沿着流道是不变的:
[0040]
【权利要求】
1.一种用于控制流体流动的阀，该流体包括液相和溶解气相，该阀包括: 流体入口 ； 位于从流体入口穿过该阀的流路中的可移动体，该可移动体被设置成通过伯努利效应相对于入口的开口自由移动来改变流体所流过的流过面积， 其中阀的尺寸为使得经过可移动体的流体流动引起压降达到液相中的气相起泡点之下,从而增加通过该阀的流体流动。
2.如权利要求1所述的阀，其中可移动体位于阀中的凹槽内，所述可移动体具有面向入口端口的第一表面和远离入口端口的第二表面； 其中，入口端口通过中心孔与凹槽连通使得流体被设置成通过中心孔流入凹槽；并且 流体被设置成径向越过可移动体的第一表面且经过所述可移动体的外周表面向着至少一个出口端口从凹槽流出。
3.如权利要求2所述的阀，其中出口端口的主要部分在相对于通过第二表面的平面远离中心孔的位置与凹槽连通。
4.如权利要求2或3所述的阀，其中出口端口包括多个孔，每个孔在可移动体的外周表面处或可移动体外周表面的径向外侧的位置与凹槽连通。
5.如权利要求4所述的阀，其中所述多个孔都沿着流动控制装置的径向方向与凹槽连通。
6.如权利要求5所述的阀，其中所述多个孔都与凹槽连通使得每个孔都面向可移动体的外周(圆周)表面。
7.如权利要求4、5或6所述的阀，其中每个孔的中心轴线设置在相对于通过第二表面的平面远离中心孔的平面内。
8.如权利要求2或3所述的阀，其中出口端口包括多个孔，每个孔都沿着流动控制装置的轴向与凹槽连通。
9.如权利要求8所述的阀，其中所述多个孔都在可移动体相对于入口端口的相反侧与凹槽连通。
10.如权利要求8或9所述的阀，其中每个孔的中心轴线与凹槽连通，使得每个中心轴线与可移动体的外周表面一致或者穿过可移动体外周表面的径向外侧。
11.如权利要求2至10中任一项所述的阀，其特征在于，可移动体由至少三个凸起支撑，所述凸起向着可移动体的第二表面延伸到凹槽中。
12.如权利要求2或3所述的阀，其特征在于，出口端口包括在可移动体相对于入口端口的相反侧与凹槽连通的孔。
13.如权利要求12所述的阀，其特征在于，所述孔的横截面积等于或大于可移动体的第二表面。
14.如权利要求12或13所述的阀，其特征在于，可移动体由至少三个凸起支撑，所述凸起从凹槽的外围圆周径向向外延伸。
15.如任一项前述权利要求所述的阀，其特征在于，可移动体包括圆盘和圆锥形中的一种，该圆锥形具有面向入口端口的顶部。
16.用在碳氢化合物储层中的生产管，该生产管包括排放管，该排放管包括至少一个如权利要求1-15任一项所述的阀，其中该阀被设置成控制碳氢化合物流体从储层流动到排放管内部。
17.控制流体流动的方法，该流体包括液相和溶解气相，该方法包括允许流体穿过阀，该阀包括流体入口和位于穿过该阀的流路上的可移动体，该可移动体被设置成通过伯努利效应相对于入口的开口自由移动来改变流体所流过的流过面积，其中阀的尺寸为使得经过可移动体的流体流动引起压降达到液相中的气相起泡点之下，从而增加通过该阀的流体流动。`
【文档编号】E21B43/12GK103443395SQ201180069267
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2011年9月29日 优先权日:2011年1月14日
【发明者】H·阿克勒, V·马斯艾西, B·韦尔什维克 申请人:斯塔特伊石油公司