流控制装置和方法
【专利摘要】一种流体流控制装置，包括具有流体入口(7)和至少一个流体出口(8)的壳体。第一流体限流器(1)用作在壳体中的腔室(B)的流入端口，第二流体限流器(2)用作腔室(B)的流出端口。第一流体限流器和第二流体限流器构造成用于产生不同的流体流特征；并且，腔室(B)包括致动器件(5a-l)，该致动器件对腔室中的流体压力变化(ΔP2)进行响应。第一流体限流器(1)和第二流体限流器(2)构造为，基于不同的流体特性而施加流体的相应的不同的流体流特征。在使用中，通过允许流体的至少一部分(f)流过第一流体限流器(1)，进入腔室(B)并经由第二流体限流器(2)离开腔室，可以用所发明的流体流控制装置来控制通过壳体的流体流(F)；并且利用当流体的特性变化时在腔室中出现的压力变化(ΔP2)，来操作阀装置。
【专利说明】流控制装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流入管道的流体的控制。更具体地，本发明涉及一种控制具有不同 特性的流体流的装置和方法。本发明在控制来自地下碳氢化合物储层并且进入生产管柱 (production string)的流体流方面是有用的。所发明的装置和方法对于生产流体是有用 的，并且在流体喷射环境（context)中是有用的。
【背景技术】
[0002] 用于从地下储层生产碳氢化合物的矿井可能在多个定向上延伸穿过储层。传统 地，通过钻坚直矿井来接触储层。这是简单且直接的技术，但是，提供的每个矿井接触限制 的储层。因此，为了每个矿井接触更多的储层，开发了钻水平矿井的技术和装置，即，在地表 下方预定深度处，将矿井从坚直调节至水平。所谓的多水平井能够更好地接近矿井，并且对 储层提供更大的接触。
[0003] 从地下储层生产碳氢化合物的一个主要挑战是，增加回收出现在于储层中的石油 的能力。今天，在关闭油田（field)之前，实际上只回收和生产了给定储层中的石油的一部 分。因此，有很强的动机来开发新技术以增加产量和油回收。
[0004] 为了增加来自储层的产量和回收率，有两个因素特别重要：
[0005] 获得最大储层接触，以及
[0006] 防止气体和/或水渗透/穿透（通常叫做"锥进（coning) "）的不利效果。
[0007] 通常，通过钻许多水平的和/或多方向的（multi-lateral)矿井来实现储层接触。 锥进的不利效果通常通过放在生产管柱壁中的所谓的入流控制装置（ICD)来减轻。典型 地，水平矿井中的生产管柱包括沿着其全长以规则间隔设置的多个ICD。这些ICD用作从储 层流出（通常经由生产管柱和矿井结构之间的环部（annulus))并进入生产管柱的油的流 入端口，并且是具有固定流通面积的端口。所谓的自发I⑶(Al⑶）包括一个或多个阀元件， 并且当油流过该装置时该自发ICD通常是打开的，但是，当水和/或气体进入流（the flow) 时并且在水和/或气体进入流的地方，阻塞所述流。典型地，用本领域中已知的环状封隔 器，将生产管柱和外壳之间的环室分成多个区域。然后，将一个或多个I⑶或AI⑶放在每 个区域中。
[0008] 许多I⑶在本领域中都是已知的，US 5 435 393 (Brekke等人）中描述了一个，该 专利公开了一种生产管道，该生产管道具有下排放管。将排放管分成具有一个或多个入流 限制装置的部分，该装置在所计算的沿着排放管的摩擦压力的损失、所计算的储层的产出 轮廓以及所计算的气体或水的入流的基础上，控制油或气体从储层流入排放管的流动。 [0009] 现有技术还包括US 7 857 050 B2 (Zazovsky等人），其公开了一种用于防止不想 要的水或气体并具有流道（flow conduit)的设备，以及一种在流道附近限定弯曲流体路径 的结构，在该结构处弯曲流体路径接收流体流。用该结构的至少第一和第二构件来限定该 弯曲流体路径，并且，第一和第二构件可相对于彼此移动，以调节弯曲流体路径的横截面流 通面积。可通过外力来调节该横截面面积，并由此调节压降。然而，外部控制和力是昂贵的， 并且截面数量是有限的。
[0010] US 7 823 645 B2 (Henriksen等人）公开了一种具有气体或水关闭特征的入流控 制装置，该特征可从矿井表面机械地或液压地操作。该装置可能包括旁通特征，该旁通特征 允许入流控制装置经由套筒的切换位置而关闭或旁通。入流控制装置可适应井眼条件的变 化，例如化学组成、流体密度和温度。可能将该装置构造为，响应于气/油比，水/油比，流 体密度和/或入流控制装置的工作温度的变化而控制流。然而，外部控制和力是昂贵的，并 且区域数量是有限的。
[0011] 自发I⑶(Al⑶）代表上述传统I⑶的一种改进，因为自发I⑶是自控制的，S卩，不 需要任何外部电源或控制。
[0012] 自发 ICD 的实例包括 US 2008/0041580 Al(Freyer 等人）和 TO 2008/004875 Al (Aakre等人）。虽然前者描述了一种具有多个阻流件（其密度小于油的密度）的自发限 流器，但后者公开了一种具有可移动圆盘的自发流控制装置，该圆盘设计为相对于入口孔 移动，从而通过利用伯努利效应和在圆盘上产生的驻点压力（stagnation pressure)来减 小或增加流通面积。
[0013] US 2011/0067878 Al(Aadnoy)描述了一种流控制器，其具有限流器，以及连接至 阀体的压力控制致动器，该阀体与阀孔配合。在封闭侧上，致动器与位于阀孔和限流器上游 的流体连通。在打开侧上，致动器与位于限流器下游和阀孔上游的流体连通。致动器设置 有活塞，该活塞通过至少一个类似隔膜的密封件（特别是具有弹簧常数的隔膜）而与矿井 流体隔离。
[0014] US 2008/0041582 AKSaetre等人）描述了一种流控制设备，其具有定位在管道 外部和其通道之间的流体路径中的限流器。限流器具有活动室和旁通室，并且，在旁通室内 设置旁通管道。旁通管道具有恒定的有效流通面积，以允许生产流体从旁通室进入通道。将 阻流件设置在活动室内并且与管道的出口配合，以基于生产流体的组成成分而自发地改变 允许生产流体从活动室进入通道的有效流通面积。
[0015] US 2011/0198097 Al(Moen)公开了一种阀组件，其用于调节水平井眼中的流体 流。壳体耦接至生产管道，并且具有通过流体通道与形成于井眼附近的内环室流体连通的 腔室。将活塞和偏压件设置在腔室内，在那里偏压件将活塞偏压至第一位置中。流体路径 限定在壳体内，并且与生产管道和内环室连通。该流体路径可包括设置于其中的一个或多 个喷嘴，并且，可将活塞构造为，在第一位置和第二位置之间移动，第一位置允许流体流过 流体路径到达生产管道，第二位置防止流体流至生产管道。该位置由压降决定。
[0016] US 2011/0308806 A9 (Dykstra等人）描述了一种用于控制定位在贯穿地下结构 的井眼中的管道中的流体流的设备。将流控制系统放在与主管道流体连通的地方。流控制 系统具有流比率控制系统和与路径相关的阻力系统。流比率控制系统具有第一和第二通 道，生产流体流入通道，在通道中流过通道的流体的比例与流体流的特性相关。与路径相关 的阻力系统包括涡流室，该涡流室具有第一入口和第二入口及出口，与路径相关的阻力系 统的第一入口与流比率控制系统的第一通道流体连通，并且第二入口与流比率控制系统的 第二通道流体连通。将第一入口定位为这样将流体引入涡流室，使得流体主要切向地流入 涡流室，并将第二入口定位为这样引导流体，使得流体主要径向地流入涡流室。基于其相关 特性，将油井中的不想要的流体，例如天然气或水，主要切向地引入涡流室，从而当不想要 的流体作为生产流体的组分而存在时，限制流体流。
[0017] 所有上述的AI⑶实例的一个共同优点是，与传统I⑶中的喷嘴相比，AI⑶实例均 有助于沿着矿井路径更均匀地流入。目的是，尽可能多地延迟气体和/或水穿透。然而，其 均具有这样的缺点：油也会阻止生产。结果是，与传统ICD相比，矿井周围的提取（回收） 程度整体增加，但是，在矿井使用寿命的初始阶段中，具有大量的生产损失（桶/天）。
[0018] 此外，例如在US 2011/0067878和US 2011/0198097 Al中公开的解决方案在不想 要的相穿透时将不会针对不想要的相（气体/水）阻止或关闭。
[0019] US 2008/0041580 Al, WO 2008/004875 Al, US 2008/0041582 Al 和 US 2011/0308806 A9均提到了具有在一定程度上阻止不想要的相的自发能力的I⑶特征，尽 管不扩展至完全（或接近完全）中断入流。另外，公开文献US 2008/0041580 Al和US 2008/0041582 Al将不会表现出任何可逆的特性，S卩，自发地在油再次开始流入矿井时重新 打开已经由于有不想要的相进入而导致关闭的阀的能力。
[0020] 具有自发地关闭或几乎关闭这种不想要的相的能力的AICD在本领域也是已知 的。
[0021] 在公开文献US 7 918 275 B2中找到一个实例，其描述了一种具有流控制件的设 备，该流控制件选择性地将端口与和井眼管道的流孔连通的开口对准。流控制件可能具有 打开位置和关闭位置，其中，在这两个位置中，该端口分别与开口对准和不对准。流控制件 响应于流动流体所施加的拖曳力的变化，而在打开位置和关闭位置之间移动。偏压元件迫 使流控制件到达打开位置或关闭位置。该设备可能包括容纳流控制件的壳体。流控制件和 壳体可限定流动空间，该流动空间产生导致拖曳力的库艾特流（Couette flow)。流动空间 可能包括亲水材料和/或可水膨胀的材料。
[0022] 然而，US 7 918 275 B2中公开的解决方案的一个主要问题是，阀在安装时处于关 闭位置中，在此过程中流体速度和摩擦是零。因此，将没有驱动开口的力。如果解决了此问 题，那么无论如何都将难以基于流摩擦力而控制阀的打开/关闭，因为与阀机构的摩擦力 相比，流摩擦力通常较小。另外，任何基于拖曳力/摩擦力的可逆特性的功能看起来都是有 疑问的。
[0023] 文献公开的解决方案的另一实例是在公开文献US 2009/0283275 Al中找到的可 自发关闭的AICD，该文献描述了一种用于控制流入井眼管道的流体流的设备。该设备包括 与生产控制装置相关联的主流体路径，沿着主流体路径设置的选择性地阻塞主流体路径的 阻塞件，以及沿着主流体路径设置的反应介质，其中该反应介质可通过与所选择的流体相 互作用来改变贯穿主流体路径的至少一部分上的压力差。该反应介质可能是可水膨胀的材 料，或可油膨胀的材料。
[0024] 因此，在相对于非反应介质的想要的相（诸如油）穿透的过程中，US 2009/0283275 Al将对安装在主流体路径中的油反应材料产生更高的流阻。使水/气体停 止且不停止油的反应材料对于发明人来说是未知的。该公开文献没有和本发明一样使用第 二先导流（pilot flow)来克服主流的任何阻碍。
[0025] 公开文献US 7 819 196 B2也描述了一种流控制器，其具有限流器以及与阀本体 连接的压力控制致动器，接着，该致动器与阀开孔配合。用渗透池 （osmotic cell)来操作 致动器，将渗透池放在流体流中，由此通过利用渗透池中的溶液和相对于渗透池在外部的 流体流/储层之间的渗透压力差，来实现驱动阀的致动器的必要运动。已经表明，此概念根 据其原理而起作用，在对不想要的相关闭的同时表现出高初始油产量。然而，该解决方案取 决于将以令人满意的方式控制恶劣的矿井条件（商压和商温，污垢，等等）的隔I旲。这样的 隔膜在本领域中当前还是未知的。
[0026] 本发明的目的是，克服现有技术的缺点并获得其他优点。
【发明内容】
[0027] 在主权利要求中阐述了本发明并表现出其特征，同时从属权利要求描述了本发明 的其他特征。
[0028] 因此，提供了一种流体流控制装置，其包括具有一个流体入口以及至少一个流体 出口的壳体，其中，第一流体限流器用作流至壳体中的腔室的流入端口，并且第二流体限流 器用作从腔室流出的流出端口，并且其中，将第一流体限流器和第二流体限流器构造为用 于产生不同的流体流特征；并且，该腔室包括对腔室中的流体压力变化进行响应的致动器 件。
[0029] 在一个实施方式中，流体流控制装置包括阀装置，该阀装置布置于流体入口和该 至少一个流体出口之间，并可操作地连接至致动器件。
[0030] 将第一流体限流器和第二流体限流器构造为用于基于不同的流体特性而施加其 相应的不同的流体流特征。
[0031] 在一个实施方式中，将第一流体限流器构造为在流过限流器的流体上施加基本上 层状的（laminar)流动特征，并将第二流体限流器构造为在流过限流器的流体上施加基本 上湍流的（turbulent)流动特征。在一个实施方式中，将第一流体限流器构造为基于流体 粘度而施加流动特征，并将第二流体限流器构造为基于流体密度而施加流动特征。
[0032] 第一流体限流器可以是多孔元件，第二流体限流器可以是孔口。
[0033] 第一流体限流器有利地用作流入腔室的唯一流入端口，第二流体限流器有利地用 作从腔室流出的流出端口。
[0034] 在一个实施方式中，壳体包括主流体路径和辅助流体路径，并且将流体限流器和 腔室布置在辅助流体路径中。在一个实施方式中，将阀装置布置为用于关闭主流体路径。
[0035] 第一流体限流器可以是阀装置的一部分，和/或第二流体限流器可以是阀装置的 一部分。
[0036] 在一个实施方式中，阀装置包括能移动的本体，该能移动的本体经由柔性波纹管 连接至壳体。在另一实施方式中，阀装置包括能移动的活塞，该能移动的活塞布置为在壳体 内滑动运动。
[0037] 在一个实施方式中，流体流控制装置包括限流器元件，该限流器元件构造为当使 阀装置朝着关闭位置移动时逐渐阻止流体从孔口流出。
[0038] 还提供了一种基于在流体特性上的变化来控制通过壳体的流体流的方法，其中：
[0039] -允许流体的至少一部分流过第一流体限流器进入腔室，并经由第二流体限流器 离开腔室；
[0040] -利用当流体的特性变化时在腔室中出现的压力变化，来操作阀装置，从而控制通 过壳体的流体流。
[0041] 在该方法的一个实施方式中，流体的所述特性包括粘度。在该方法的另一实施方 式中，流体的所述特性包括密度。在一个实施方式中，该方法包括，由第一流体限流器产生 的基本上层状的流，以及由第二流体限流器产生基本上湍流的流。
[0042] 本发明利用当流体特性（例如粘度）变化时在两个限流器之间出现的在压力上的 变化。此在压力上的变化用来移动本体和/或致动阀。
[0043] 虽然已经描述了本发明的限流器是多孔元件和孔口的实施方式，但是本发明同样 可应用其他限流器，例如长管道和/或管道中的突然的几何形状变化。
[0044] 本发明的流控制装置以优于已知的I⑶和AI⑶的方式，阻止不想要的流体（例如 水，气体，蒸汽和CO2)进入想要的流体（例如油）的生产流。本发明的流控制装置是稳健 的，且完全自发的。当流体的特性（例如粘度）变化时，阀装置改变位置是可逆的。也就是 说，例如，在当粘度减小（即，暴露于水或气体）时流控制装置关闭，当粘度增加（即，暴露 于油）时该流控制装置再次打开。
[0045] 在由于有效地关闭不想要的流体相（例如水和/或气体），在防止阻止初始产油 (当前值）并增加生产程度方面，具有明显的经济效益。在来自矿井的生产和回收方面估计 的增长，将至少是10%，该估计的增长将是储层和流体特性的函数。与由于增加的油产量产 生的潜在收益相比，本发明的阀的生产成本接近于无关紧要的。
【专利附图】
【附图说明】
[0046] 参考所附的截面草图和附图，从作为非限制性实例的这些实施方式的以下描述 中，本发明的这些和其他特征将是显而易见的，在附图中：
[0047] 图Ia示出了本发明背后的原理以及基本形式的本发明的流控制装置；
[0048] 图Ib示出了腔室内的（S卩，限流器之间的）压力的变化和流体粘度的变化之间的 相互关系；
[0049] 图2是本发明的流控制装置的原理草图；
[0050] 图3是示出了根据本发明的流控制装置的第二实施方式的原理草图；
[0051] 图4示出了根据本发明的流控制装置的第三实施方式；
[0052] 图5示出了根据本发明的流控制装置的第四实施方式；
[0053] 图6示出了根据本发明的流控制装置的第五实施方式；
[0054] 图7示出了根据本发明的流控制装置的第六实施方式；
[0055] 图8示出了根据本发明的流控制装置的第七实施方式；
[0056] 图9示出了根据本发明的流控制装置的第八实施方式；
[0057] 图10示出了根据本发明的流控制装置的第九实施方式；
[0058] 图11示出了根据本发明的流控制装置的第十实施方式；
[0059] 图12示出了根据本发明的流控制装置的第十实施方式；
[0060] 图13a和图13b分别是示出了本发明的流控制装置的实施方式中的油和水的关闭 力和打开力的图，本发明的流控制装置构造为自发地阻止水进入油的流；
[0061] 图14是示出了在本发明的流控制装置的实施方式中的作为压力的函数的关闭力 和打开力的图，本发明的流控制装置构造为在预定压力差下自发地阻止流体流。
【具体实施方式】
[0062] 图Ia示出了流体F在第一压力P1下如何通过第一限流器1流入管道3a并进入腔 室B，在该腔室处流体达到第二压力p2，然后，在流体以第三压力p3下离开管道3a之前，流 过第二流体限流器2。当流体流速和流体特性（例如粘度，密度）恒定时，压力（Pl、p2、p 3) 是恒定的，并且，P1 > P2 > P3。
[0063] 在图Ia中，第一限流器1是多孔元件，并且第二限流器2是孔口。
[0064] 通常，可以用达氏定律（即，层流）来描述通过多孔介质的流动特性，其表达为：
[0065]
【权利要求】
1. 一种流体流控制装置，包括： 壳体（3a-l)以及 主流体路径（18a_l)，位于所述壳体（3a_l)内，所述主流体路径包括 流体入口（7)以及至少一个流体出口（8)， 其特征在于 至少一个辅助流体路径（19b_l)被布置为与所述主流体路径（18a_l)流体连通， 所述辅助流体路径（19b-l)包括 第一流体限流器（1)和第二流体限流器（2)，所述第一流体限流器和所述第二流体限 流器分别用作腔室（B)的流入端口和所述腔室（B)的流出端口，所述第一流体限流器和所 述第二流体限流器被构造成用于产生不同的流体流特性； 所述腔室（B)，所述腔室进一步包括致动器件（5a-l)，所述致动器件对所述腔室（B)中 的限流器产生的流体压力变化（AP2)进行响应， 所述致动器件（5a_l)能操作地连接至布置在所述流体入口（7)与所述至少一个流体 出口（8)之间的至少一个阀装置（4a_l)。
2. 根据权利要求1所述的流体流控制装置，其中，在使用过程中当流变化成具有比初 始流体低的整体粘度的流体时，流体限流器（1，2)中的一个导致腔室（B)中的压力增加。
3. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述至少一个辅助流体 路径（19b-d，1)布置为至少部分地平行于所述主流体路径（18a-l)。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述第一流体限流器 (1)和所述第二流体限流器（2)被构造为基于不同的流体特性而施加其相应的不同的流体 流特征。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述第一流体限流器 (1)被构造为在流过限流器的流体上施加基本上层状的流动特征，并且所述第二流体限流 器（2)被构造为在流过限流器的流体上施加基本上湍流的流动特征。
6. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述第一流体限流器 (1)被构造为基于流体粘度施加流动特征，并且所述第二流体限流器（2)被构造为基于流 体密度施加流动特征。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，限流器（1，2)中的一个 至少部分地由这样的材料组成，所述材料在上游侧和下游侧之间产生与流体通过的过程中 的整体流体粘度成正比的压力变化。
8. 根据权利要求7所述的流体流控制装置，其中，两个限流器（1，2)中的另一个被构造 为，确保上游侧和下游侧之间的压力变化与流体通过的过程中的流体密度成正比。
9. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述阀装置（4a-l)被布 置成用于关闭所述主流体路径（18a-l)。
10. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述阀装置（4d-l)包 括能移动的活塞，所述能移动的活塞被布置为在所述壳体（3d-l)内滑动运动。
11. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，进一步包括限流器元件或限 流器区域（32d，f)，所述限流器元件或限流器区域被构造成用于当所述阀装置（4d，f)朝着 关闭位置移动时逐渐阻止流体从所述第二限流器（2)流出。
12. 根据前述权利要求中的一项所述的流体流控制装置，其中，所述阀装置（4c，e)包 括能移动的本体，所述能移动的本体经由柔性波纹管（9c，e)连接至壳体（3c，e)的内壁。
13. -种基于流体特性的变化而控制通过壳体（3b_l)的流体流（F)的方法，其中，所 述流体流（F)的大部分流（匕）沿着主流体路径（18a_l)流动，所述主流体路径从流体入口 (7)延伸到至少一个流体出口（8)，其特征在于： -允许所述流体（F)的小部分流（f)流入辅助流体路径经由第一流体限流器 (1)进入腔室（B)，并进一步经由第二流体限流器（2)离开所述腔室（B); _在使用过程中，利用当流体的特性变化时在所述腔室中出现的由限流器产生的压力 变化（AP2)来操作阀装置（4a_l)，所述阀装置关闭所述主流体路径（18a_l)内的流。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，在使用过程中当流从由主要所需的相组成的 流体变成由主要不需要的相组成的流体时，所述第一流体限流器（1)导致所述限流器（1) 上的压力差减小。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中，流体的所述特性包括粘度。
16. 根据权利要求13至15中的一项所述的方法，其中，流体的所述特性包括密度。
17. 根据权利要求13至16中的一项所述的方法，进一步包括，通过所述第一流体限流 器（1)产生基本上层状的流，并且通过所述第二流体限流器（2)产生基本上湍流的流。
【文档编号】E21B43/12GK104364464SQ201380015832
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】维达·马蒂森, 比约纳·威尔斯维克, 哈瓦尔德·阿克雷 申请人:英孚罗控制股份有限公司