用于引导流体控制系统中流体流动、具有可动的根据密度驱动的分流器的自主流体控制组件

摘要

本发明提供一种装置用以自主地控制地下井中的流体流动，流体的密度随时间推移而变化。该装置的一个实施例具有涡流室、涡流出口以及进入涡流室的第一和第二流动入口。流入入口的流动由流体控制系统引导，该系统具有控制通道，该控制通道用以在流体流出主通道时引导流体的流动。定位在第二通道内的可动的流体分流器，响应于流体密度变化而移动，以限制通过控制通道的流体流动。当通过控制通道的流体流动不受限制时，来自控制通道的流体引导流出主通道的流体朝向选定的涡流入口。当通过控制通道的流动受限制时，流出主通道的流体流动被引导到另一涡流入口。

说明书

技术领域

本发明涉及自主控制流过某一系统的流体流动的装置和方法，其使用响应 于流体密度变化而移动的根据密度驱动的分流器，以在流动控制组件中限制通 过流体控制通道的流动。

背景技术

在横过蕴藏碳氢化合物的地下地层的井的完成过程中，生产管道和各种设 备安装在该井中，以能安全和有效地生产流体。例如，为了防止从未固结或疏 松固结的地下地层中产出颗粒材料，某些竣工井包括靠近所要生产层段定位的 一个或多个沙控筛网。在其它的完成的井中，为了控制流入生产管道内的生产 流体的流量，普通的做法是安装一个或多个带有完井管柱的进流控制装置。

从任何给定生产管道段中进行生产，通常可具有多种流体组分，诸如天然 气、油和水，使得生产出的流体随着时间推移而改变其成分比例。由此，随着 流体组分比例变化，流体流动特性同样也在变化。例如，当生产流体具有较高 比例的天然气量时，较之于生产流体具有比例上较高的油量时，流体粘度将会 降低，而流体密度将会变小。通常希望减少或阻止生产不希望的成分。例如， 在产油井中，可要求减少或去除天然气的产量，而使油产量最大化。尽管为了 根据要求来控制流体的流动而使用了各种向下钻进工具，但仍然需要有一种用 以控制流体进流的流动控制系统，其在各种流动情况下都是可靠的。此外，还 需要一种自主地操作的流动控制系统，即，响应于变化的向下钻进工况自主地 进行操作，无需来自于地面操作人员的信号。此外，还需要不移动机械零件的 流动控制系统，机械零件在井中不利的条件下常会损坏，包括来自于流体中沙 的侵蚀作用。对于注入井情况来说，其使流体流入而不是从地层中流出，会出 现类似的问题。

发明内容

本发明涉及自主控制流体流动的装置和方法，其在流动控制组件的一个或 多个流体控制通道中使用了可动的、根据密度驱动的分流器。提供一种装置用 于自主地控制地下井中的流体流动，流体的密度随时间推移而变化。该装置的 一个实施例具有涡流室、涡流出口以及进入涡流室的第一和第二流动入口。流 入入口的流动由流体控制系统引导，该系统具有第一和第二通道，该第二通道 用以在流体流出第一通道时控制流体的流动。定位在第二通道内的可动的流体 分流器响应于流体密度变化而移动，以限制通过第二通道的流体流动。当通过 第二通道的流体流动不受限制时，该流体冲击或引导流出第一通道的流体，而 使之流入涡流室选定入口内。当流动在第二通道内受限制时，流出第一通道的 流体流动被引导到涡流组件中的另一替换的入口。

因此，流体密度变化自主地运行着根据密度驱动的分流器，分流器交替地 限制通过第二通道的流动和允许流动通过第二通道。来自第二通道的流体流动 又引导来自第一通道的流体流动进入涡流室形成大致离心的流动或形成大致 径向流动，在形成离心流动时，横过涡流组件的流动受到限制，在形成大致径 向流动时，横过涡流组件的流动相对地不受限制。因此，诸如油那样理想的流 体可被选定相对自由地流过装置，而诸如水那样不希望的密度不同的流体可相 对地受到限制。

提出流体分流器的几个实施例。可动的流体分流器可围绕其纵向轴线、径 向轴线转动，可在定位在通道内或沿着通道的腔室内上浮和下沉等。该可动的 分流器有预选的有效密度，其在预选密度的流体中有浮力。流体分流器可通过 偏置构件朝向某一位置偏置，以达到要求有效的密度。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特征和优点，现参照连同附图的对发明的详细 描述，在附图中，不同图中对应的附图标记表示对应的零件，附图中：

图1是井系统的示意图，该井系统包括多个根据本发明实施例的自主流体 流动控制系统；

图2是筛网系统和本发明的自主流体控制系统的实施例的侧视剖视图；

图3是自主流体控制系统的平面图，该自主的流体控制系统具有根据本发 明实施例的流动控制组件和涡流组件；

图4是自主流体控制系统的平面图，该自主的流体控制系统具有根据本发 明实施例的流动控制组件和涡流组件；

图5是根据本发明实施例的处于打开位置的、局部剖示的示范流体分流器 组件的正视图；

图6是如图5的但处于关闭位置的、局部剖示的示范流体分流器组件的正 视图；

图7是具有转动分流器的流体分流器组件的另一实施例的立面图；

图8是图7的流体分流器组件的一端部的分解详图；

图9是定位在通道内且处于关闭位置中的图7所示实施例的正视图；

图10是定位在通道内且处于打开位置中的图9所示实施例的正视图；

图11是图7中重力选择器的详细剖视图；

图12是具有分流器枢转臂的自主流体分流器组件的实施例的正交视图；

图13是根据本发明实施例的流体控制组件的平面图；

图14是本发明实施例的平面图，其具有分流器元件和控制通道板的重力选 择器；以及

图15是根据本发明另一方面的自主阀组件或自主流体控制组件的正交视 图。

本技术领域内技术人员应该理解到，诸如上、下、上面、下面、向上、向 下等方向性术语的使用，对于所示实施例来说，它们是如图中所示那样使用的， 向上方向是朝向对应图的顶部，向下方向是朝向对应图的底部。倘若不是这样 的情形且要使用术语来指示某一要求的定向的话，那么，说明书将会陈述或予 以澄清。上游和下游被用来表示相对于表面的位置或方向，其中，上游表示沿 着井孔朝向地面的相对位置或运动，而下游表示沿着井孔远离地面的相对位置 或运动。

具体实施方式

尽管下面将详细讨论本发明各种实施例的构成和使用，但本行业从业人员 将会认识到，本发明提供可在各种特殊情形中实施的适用的发明理念。文中所 讨论的特殊实施例是说明构成和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范 围。

图1是井系统10的示意图，该井系统10包括多个实施本发明原理的自主 流动控制系统。井孔12延伸通过各种地层。井孔12具有基本上垂直的部分 14，该部分的上部在其中安装了套管柱16。井孔12还具有大致偏斜的部分18， 图中显示为水平，其延伸通过蕴藏碳氢化合物的地下地层20。如图所示，井 孔12的大致水平部分18是敞开孔。尽管这里显示为敞开孔、井孔的水平部分， 但本发明将在任何定向上和敞开或封壳的孔中工作。本发明还将同样很好地工 作在注射系统中。

管柱（油管柱）22定位在井孔12内且从地面起延伸。该管柱22提供了流 体的导管，以使流体从地层20上游流到地面。多个自主流体控制系统25和多 个生产管道部分24以各种生产层段邻近地层20定位在管柱22内。在各个生 产管道部分24的任一端部处有封隔器26，封隔器26提供管柱22和井孔12 壁之间的流体密封。各对相邻封隔器26中间的空间形成了生产层段。

在所示实施例中，各个生产管道部分24具有控沙能力。与生产管道部分 24相连的控沙筛网元件或过滤器介质设计成允许流体流过其中，但又能阻止 足够大尺寸的颗粒物质流过其中。尽管本发明不需具有与其相连的控沙筛网， 但如果使用的话，则与流体流动控制系统相关的筛网元件的准确设计对于本发 明不是关键的。对于控沙筛网存在有许多种设计，它们在行内是众所周知的， 因此这里将不作详细讨论。还有，具有多个贯穿其中的穿孔的保护性外罩可围 绕在任何如此的过滤器介质外面定位。通过以一个或多个生产层段使用本发明 的流体控制系统25，使得能够实现对生产流体的体积和成分一些控制。例如， 在生产油的运行中，如果诸如水、蒸汽、二氧化碳或天然气之类的不希望的流 体组分进入其中一个生产层段内，则该间隔内的流动控制系统将自主地限制或 阻碍从该间隔中产出流体。

如这里采用的术语“天然气”或“气体”是指在室温和室内压力之下存在 于气态中的碳氢化合物（和数量变化的非碳氢化合物）的混合物。该术语不意 指，在本发明系统的向下钻进位置处，天然气处于气态中。的确，应该理解到， 流动控制系统用于这样的部位处，在这些部位压力和温度使天然气处于大多液 化的状态，但可存在有其它组分，某些组分可以为气态。本发明的理念将可在 液体或气体中或两者都存在时工作。

流入生产管道部分内的流体，通常包括一种以上的流体组分。典型的组分 是天然气、油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常用作注射流体来驱 动碳氢化合物朝向生产管道，而天然气、油和水通常可在地层中就地找到。流 入各个生产管道部分内的流体中的这些组分之比例将随着时间推移并根据地 层和井孔内条件变化。同样地，在生产钻具组的整个长度上，流入各个生产管 道部分内的流体组分，可因不同部分而有显著变化。流动控制系统设计成：当 任何特定间隔具有较高比例的不希望的组分时，系统就减小或限制从该特定间 隔的生产。

因此，当对应于某一个特定的流动控制系统的生产层段生产出较高比例不 希望的流体组分时，该间隔中的流动控制系统将限制或阻止从该间隔生产流 动。因此，生产较高比例需要的流体组分（在本情形中为油的）其它生产层段 将更多贡献于进入管柱22的采出液流。尤其是，从地层20到管柱22的流体 流量将较小，其中，流体必须流过流动控制系统（而不是仅仅流入管柱）。换 言之，流体控制系统对流体形成流动限制。

尽管图1示出了各个生产层段中的一个流动控制系统，但应该理解到，任 何数量本发明的系统可部署在生产层段内，不会脱离本发明的原理。同样地， 本发明的流动控制系统不必与每个生产层段相连。流动控制系统可只存在于井 孔中的某些生产层段内，或可位于管道通路内以致力于多个生产层段。

图2是筛网系统28和本发明自主流体控制系统25实施例的侧视剖视图， 该实施例的流体控制系统具有流动方向控制系统，自主它包括流动比例控制系 统或流体控制组件40，以及倚赖通道的阻力系统或涡流组件50。生产管道部 分24具有筛网系统28、可供选择的进流控制装置（未示出）以及自主流体控 制系统25。生产管道形成内部通道32。流体从地层20通过筛网系统28流入 生产管道部分24内。这里不详细解释筛网系统具体细节。如果有筛网系统28 的话，那么，流体在被筛网系统28过滤之后流入生产管道部分24的内部通道 32内。如这里所用的，生产管道部分24的内部通道32可以是环形空间，如 图所示，中心圆柱形的空间或其它的结构布置。

在实践中，向下钻进工具将具有各种结构的通道，通常具有流体流过的环 形通道、中心开口、盘卷或蜿蜒路径，以及为各种目的的其它结构。流体可被 引导通过蜿蜒通道或其它流体通道，以提供进一步的过滤、流体控制、压降等。 流体然后流入进流控制装置（如有该控制装置的话）。各种进流控制装置在行 内是众所周知的，这不再作详细描述。如此进流控制装置的实例可从 Halliburton Energy Service Inc.以商标名购得。然后，流体流入自主 流体控制系统25的入口42。尽管文中建议附加的进流控制装置定位在本发明 装置的上游，但也可定位在本发明装置的下游或与本发明装置平行。

图3是自主流体控制系统59的平面图，根据本发明实施例的，该自主流体 控制系统59具有流动控制组件60和涡流组件80。流动控制组件60具有第一 或主流体流动通道62和第二或控制通道64。第二通道起作控制或引导流体流 出主通道时的流体流动。自主流体分流器组件66沿着第二通道64定位，并有 选择地限制通过该通道的流体流动。第二通道出口68相邻于第一通道出口70， 这样，流出第二通道的流体将引导流出第一通道出口70的流体。

如文中所使用的，“主通道”可更一般地称作第一通道，这样称呼的原因 在于，主通道或第一通道不一定需要大部分流过流动控制组件的流体流过主通 道。同样地，控制通道可更一般地称作“第二通道”、“第三通道”等。此外， 来自控制通道的或流出控制通道的流体被称作：“引导”来自主通道的流体流 动。显然，从通道流来的流动将影响彼此，决定汇聚或混合流体的最终方向或 流动型式。为了引用之便，从具有分流器组件的控制通道流来的流动，在这里 通常被称作：“引导”来自主通道的流动。附图显示了示范通道的设计；本技 术领域内技术人员将会认识到另外的布置结构，包括对于通道长度、形状、入 口和出口相对于彼此的定位、流体流动和通道的交角、通道出口相对于彼此和 涡流组件的位置等。

涡流组件80具有涡流室82、第一流体入口84、第二流体入口86以及涡流 室出口88。涡流组件80还可包括各种方向元件90，诸如如图所示的且在行内 众所周知的叶轮、槽、分隔物等。第一流体入口84引导流体流入涡流室内， 以形成螺旋形或离心的流动型式。如此螺旋形流动型式在图3中用实线箭头表 示。如图所示，第一流体入口可大致切向地使流体流入涡流室内（与径向地相 对），以形成如此的流动型式。如此的流动型式横贯涡流组件形成较大的压降， 如文中引入的参考文献所解释。第二流体入口86引导流体流入涡流室82，使 得流体具有很少或没有螺旋形型式。相反，流体基本上径向地朝向涡流出口 88流动。如此的流动型式在图3中用虚线箭头表示。因此，横贯涡流组件80 引起相对低的压降。方向性元件90可用来增强所需要的流动型式。

在使用中，诸如来自井孔的生产流体的流体F流入流动控制组件60内，并 流出组件而流入涡流组件80。一部分流体流入主通道62，一部分流体流入控 制通道64。自主流体分流器66沿着控制通道64定位，这样，流体必须流过 自主流体分流器66，以沿着控制通道继续流动。当分流器组件“打开”时， 即，当流体无限制地流过控制通道时，流体流过控制通道64，并冲击或引导 流出主通道62的流体，使得流体朝向涡流组件80的第二流体入口86流动。 替代地，当流体分流器组件“关闭”时，或限制流体流过控制通道64，流过 主通道62的流体被引导到涡流组件的第一流体入口84。在一个实施例中，当 来自控制通道的流体流动受到限制时，从主通道62流出的流体流动将趋于“粘 住”该装置第一流体入口84侧上的壁，因为第一流体入口角θ1大于第二流 体入口角θ2。角度、方向性装置、流体控制系统出口和涡流组件入口在设计 中可变化，就如本文所引参考文献所介绍的，并为本技术领域内技术人员所明 白。

在图3中，控制通道64显示为定位成从控制通道流来的流体流动引导来自 主通道62的流体流动朝向涡流组件80的第二流动入口86，引起通过涡流室 的大致径向流动。该系统可布置成使从控制通道64流来的流体流动引导流体 流入涡流组件的第一流体入口，引起涡流室内大致离心的流动。例如，控制通 道64可定位在装置的相对“侧”上。同样地，涡流组件可“反”过来，以使 角度θ2大于θ1。由此，让来自控制通道的流体引导来自主通道的流体进入到 涡流室内的离心流动。因此可设计方向性元件。由此，该系统可设计成选择相 对较高密度或较低密度的流体，或允许它们相对自由地流动。

流体分流器66是自主装置，其响应于流体特性（诸如密度）的变化来限制 或允许流体相对自由地流过其中。可动的流体分流器定位在流体分流器66内， 并响应于流体中密度变化而移动。该可动的流体分流器设计成具有预选的有效 密度，这样，当流体密度随着时间推移变化时，分流器可“浮”和“沉”。流 体分流器组件的细节在本文另一地方解释。当流体分流器组件处于打开位置 时，允许通过其中相对自由的流体流动，流出控制通道的流体引导流出主通道 的流体朝向第二流动入口。径向流动在涡流室中形成，随之有低的压降，而横 贯系统的流体流动相对增加。当流体分流器组件处于关闭位置时，流过控制通 道64的流体流动受到限制，来自主通道62的流动流入第一流体入口84，由 来自控制通道的减小的流体流动“引导”。因此，流体在涡流室内形成离心的 流动，生成较高的压降和横贯系统受限制的流体流动。由于自主流体分流器组 件响应于流体密度变化而打开和关闭，所以，系统根据如此的变化自主地限制 流动。

系统可限制水流动和选择油流动，限制水和选择气体，限制气体和选择油 等。系统可以注射方法用于从地层中生产流体，或其他本领域技术人员所知的 来生产流体。为描述之方便，这里大部分的实例将涉及地层中流体的生产。

作为一实例，图3的系统可用来限制水的产生而允许油相当自由地产出。 由于产出的流体的构成物随时间变化，所以，其密度也将变化。流体分流器阀 组件（将在下面解释）具有可动的流体分流器，其有效密度在油和水密度之间。 当产出的流体具有相当较高比例的水时，或密度移向更靠近水的密度，那么， 分流器将在较大密度流体中移动或“浮起”。流体分流器移至某一位置，其中， 流过流体分流器组件66和相应地控制通道64的流体流动受到限制。因此，流 出主通道的流体被引导到第一流体入口84，在涡流室内引起离心的流动，因 此生产受到限制。（该术语“受到限制”应被理解为包括但不需要完全阻止流 动。）当流体密度变化到更接近于油密度并低于分流器的有效密度时，分流器 将移至或“下沉”到某一位置，其中，流过控制通道64的流体流动相对自由 或不受限制。因此，流体将从控制通道64流出，引导流出主通道62的流体流 入第二流体入口86。涡流室内的径向流动导致横贯涡流组件相对低的压降， 因此流体产出相对自由。

图4是自主流体控制系统的平面图，该自主的流体控制系统具有根据本发 明实施例的流动控制组件60和涡流组件80。在该实施例中，存在有附加的控 制通道72或第三通道，以进一步辅助引导流体流动。从该附加的控制通道72 流出的流体流动影响或引导来自主通道的流动。例如，当流体通过第三通道 72不受限制时，流体流动引导来自主通道的流动朝向第一流体入口84。

如图4进一步所示，在附加的控制通道72上，可供选择地使用第二流体分 流器组件74。该流体分流器组件74较佳地设计成：在自主流体分流器组件66 沿着控制通道64是关闭时，该流体分流器组件74被打开，而反之亦然。在如 此的实施例中，不必依赖于流体“粘住”具有较小入口角的壁。相反，来自控 制通道的流体将引导主通道流体流入涡流组件合适的流体入口。一个或多个控 制通道及其对应的入口角可在系统中结合控制流体流动来使用。

还如图4的虚线所示，可将单个的流体分流器组件75连接到两个控制通道 64和72。在一个如此的布置中，可动的流体分流器移动在两个位置之间，一 个位置限制流体流动通过一个控制通道，另一个位置限制流体流动通过另一通 道。例如，若当流体中油的比例大于水的比例时，该系统便用来选择产出流体， 具有有效密度在油和水密度之间的可移动分流器将“浮起”到流体分流器组件 中的某一位置，用以限制流过控制通道64的流体流动。因此，流过控制通道 72的流体流动将引导来自主通道62的流体流入第一流动入口84内。涡流室 内形成的螺旋形流动型式将相对限制横贯系统的流体出产。替代地，当流体密 度变化到更接近油的密度时，可移动流体分流器将“下沉”到分流器组件中某 一位置，以限制通过控制通道72的流体流动。因此，涡流中的流体流动基本 上是径向的，并相对不受限制地流过该系统。

结合控制通道使用的自主流体分流器组件66的若干个实施例将在下面附 图中给出。

图5是根据本发明实施例的处于打开位置的示范流体分流器组件的正视 图。图6是根据本发明实施例的处于打开位置的示范流体分流器组件的正视 图。

自主流体分流器组件190定位在控制通道64内。在图5中，流体分流器组 件190包括分流器子组件100。该分流器子组件100具有带有两个分流器臂102 的流体分流器101。分流器臂102彼此相连并围绕枢转接头103枢转。该分流 器101用这样一种物质制造，该物质的密度选择为在向下钻进流体达到预选密 度时可致动分流器臂102。

根据浸没流体分流器101的流体密度变化以及流体分流器101对应的浮力 变化，致动该流体分流器101。当流体分流器101的有效密度高于流体时，分 流器将“下沉”到如图5所示的位置，该位置被称作关闭位置，这是因为流体 流动被限制通过控制通道64。在所示的示范实施例中，当流体分流器101处 于关闭位置时，流体流动被限制通过板202内的内部导管200。

如果地层流体密度增加到高于流体分流器101的有效密度，那么，密度变 化将致动流体分流器101，使其“浮起”而将流体分流器101移动到如图6所 示位置。流体分流器组件处于图6中的关闭位置，这是因为分流器子组件100 相邻于内部导管200，由此，限制通过内部导管的流动。内部导管和板的形状 和设计可按行内技术人员所理解地进行修改；其功能是当流体分流器组件处于 关闭位置时限制流体流过控制通道，并在流体分流器组件处于打开位置时允许 流体相对不受限制地流过控制通道。在所示示范的实施例中，阻挡件208定位 在控制通道64内并与流体分流器101相邻，以阻止分流器在控制通道内纵向 地移动。该阻挡件使分流器保持处于邻近和远离内部导管200的位置。流体围 绕或通过该阻挡件流动。构造细节未予示出。

在使用中，流体进入控制通道，流过阻挡件，并致动分流器组件，将其移 至打开或关闭位置中。如果在打开位置中，那么，流体继续经过分流器组件并 通过控制通道，以引导来自主通道的流动。如果在关闭位置中，那么，分流器 限制流体流过控制通道。本技术领域内技术人员依据引入的参考资料将会理解 到其它替代的实施例，其中，流体流动沿着分流器的中心部分进入通道并在两 端处流出。

分流器臂将响应于变化的流体密度移动在打开和关闭位置之间。在图5所 示的实施例中，分流器101的材料密度高于通常向下钻进流体的密度。在如此 的情形中，可使用偏置机构106，这里显示为片弹簧，以抵消重力效应，这样， 即使分流器臂的密度高于向下钻进流体的密度，分流器臂102也会移至关闭位 置。换言之，该偏置机构可用来按照需要选择分流器的有效密度，因为正是该 有效密度确定了分流器在流体中将下沉还是浮起。

可使用行内公知的其它偏置机构，例如但不限于：配重、其它类型弹簧等， 偏置机构可定位在其它部位内，诸如在分流器臂端部处或靠近端部。这里，偏 置弹簧106连接到两个分流器臂102，趋于使它们向上枢转并朝向图6所示的 位置。选择偏置机构和它作用的力，使得分流器臂102在流体密度达到预选密 度时将移至图6所示的位置。选择分流器臂的密度和偏置弹簧的弹簧力，以在 浸没装置的流体达到预选密度时致动分流器臂。

图5-6中所见的双臂设计可用单臂或单一元件设计代替。单臂设计可枢转， 在一端处或靠近一端附连到枢转点。可浮动的或不附连的元件设计可在通道内 简单地上浮和下沉。

应注意到，图5-6中所见的实施例可修改，以随着流体成分和密度变化限 制各种流体的生产。例如，实施例可设计成限制水的产出而允许油产出，限制 油产出而允许天然气产出，限制水产出而允许天然气产出等。组件可设计成： 例如，通过移动内部导管的位置，使组件在分流器处于“浮起”或浮力位置时 打开，或可设计成：在分流器处于“下沉”或下部位置时（如图5所示），组 件打开。

图7-11是流体分流器组件390的另一实施例的视图，该流体分流器组件390 具有定位在控制通道302内的转动分流器301。

图7是具有转动分流器301的流体分流器组件390另一实施例的立面图。 该流体分流器组件390包括带可动的流体分流器301的流体分流器子组件 300。分流器301安装成响应于流体密度变化作转动运动。所示示范的分流器 301沿着其大部分长度为半圆形截面，而在两端有圆形横截面部分。

现将描述实施例，该实施例用于选择生产诸如油那样较高密度的流体，并 限制生产诸如天然气那样密度相对低的流体。在如此的情形中，分流器用高密 度配重部分306和307“加重”，该配重部分用诸如钢或其它金属的相对高密 度材料制造。部分304在示范实施例中显示为半圆形截面，该部分304用诸如 塑料那样的相对低密度材料制造。分流器部分304在密度较高流体中比配重部 分306和307的浮力更大，致使分流器转动到如图8和10所示的上部或打开 位置。因此，在相对低密度的流体中，诸如是天然气，分流器部分304比配重 部分306和307浮力小，分流器301转动到图7和9中所见的关闭位置。诸如 弹簧那样的偏置元件可结合配重或代替配重使用，这将为本技术领域内技术人 员所明白。材料和偏置元件的选择可为分流器得到有效的密度。

配重部分306和307各具有通过其中形成的内部导管。在优选的实施例中， 上游配重306具有内部导管308，允许流体流入具有分流器的通道部分内，以 使分流器可响应于流体密度。由于上游配重（在本实施例中）不需与其它导管 对齐，因此可使用多个导管308。下游配重部分307具有内部导管309，当分 流器组件打开时，如图10中所示，内部导管309与板400的内部导管402对 齐。本技术领域内技术人员将会认识到，在内部导管和/或板400的可能设计 中有许多变体。然而，当分流器组件打开时，允许流体流动通过通道，而在组 件关闭时，流体流动受到限制。

图8是图7的流体分流器组件一端的分解详图。（注意，该图与图7的图 相反。）由于组件的操作依赖于分流器301响应于流体密度的运动，所以，组 件必须定向成使分流器合适地对齐于内部导管402。具有通过其中的内部导管 402的板400定向在井孔内。提供定向的较佳方法是使用自定向组件，其被加 重或配重而使板在通道内转动。自定向组件有时被称作“重力选择器”。板 400被配重（或其它方式偏置）而定向，一旦全部组件在井孔中就位，便使内 部导管402处于正确的位置。具有纵向转动的分流器设计的一个优点在于，一 旦组件在井孔中就位，分流器组件便不需要定向。相反，仅内部导管（和板或 导管通过的元件）需要定向。在所示实例中，内部导管402定位在控制通道的 下半部内，如图所示。定向导管的其它方法将为本技术领域内技术人员所明白。

在使用中，分流器301围绕其纵向轴线311在打开和关闭位置之间转动。 当处于打开位置中时，分流器301的内部导管309与板400的内部导管402 对齐，流体流过分流器组件和控制通道302。在关闭位置中，导管不对齐，且 流过内部导管402的流动受到限制。

在所示优选的实施例中，组件还包括固定支承构件310，其带有多个通过 其中以便于流体流动通过固定支承件的端口312。

在使用中，分流器的浮力形成转矩，该转矩使分流器301围绕其纵向转动 轴线311转动。所产生的转矩必须克服趋于将分离器固定在位置中的任何摩擦 力和内部力。注意到，可使用实体的约束件或阻挡件来约束分流器的转动运动； 即，将转动限制在预选的弧或范围之内的各种转动角度。该转矩然后将超过静 摩擦力，以在需要时确保分流器移动。此外，可布置约束件来防止分流器转动 到底部或底部中心，以防止可能“卡住”在如此的定向上。在一个实施例中， 流体流动的限制直接与选定转动范围内的分流器转动角有关。当分流器处于完 全打开位置中时，分流器301的内部导管309与板400的导管408对齐。当分 流器朝向打开位置转动时，该对齐是部分的，在分流器转动到完全打开位置时， 允许有更大的流量。当分流器在与板的导管局部对齐和完全对齐之间转动时， 流动程度直接与分流器的转动角度有关。

一旦合适地定向，自定向板400可密封到位，防止阀组件进一步运动并减 少可能的泄漏路径。在一优选的实施例中，如图11所示，密封剂340已经被 围绕在板400外表面放置。如此的密封剂例如可以是可膨胀的弹性体、O形环、 例如在暴露在一定时间、温度或流体时粘结的粘结剂或环氧树脂。密封剂340 还可放置在装置的不需要在运行过程中相对于彼此移动的各个部分之间，诸如 放置在如图所示的板400和固定支承件310之间。防止泄漏路径会是很重要的， 因为泄漏可潜在地降低装置的有效性。该密封剂不应放置成与分流器301的转 动相干扰。

以上描述的本发明可构造成：根据油和水两种流体相对的密度，可选择产 出油而不产出水。在气井中，流体控制装置可构造成选择产出气体而不产出油 或产出水。当流体为低密度时，若希望流体流动通过控制通道，诸如是分流器 应允许油流动但限制水流动，则分流器的定向对于打开和关闭位置将会反过 来。对应的变化将使优选的在于板导管402的位置，以便在合适时允许流动。 这里所描述的发明也可用于注射方法中。在注射操作中，控制组件运行来限制 不希望流体（诸如水）的流动，而不限制希望的流体（诸如蒸汽或二氧化碳） 的流动。这里所描述的发明还可用在其它井的操作中，诸如竣工、水泥灌浆、 反向水泥灌浆、砾石压实、液压粉碎等。就文中任何地方描述的实施例来说， 图7-11中的实施例可用来响应于预选密度的流体来打开和关闭控制通道。

图12是具有枢转的分流器臂的自主流体分流器组件实施例的正交视图。流 体分流器组件690具有流体分流器子组件600和定位在控制通道564内的阀子 组件700。分流器子组件600包括分流器臂602，其围绕枢轴在关闭位置和打 开位置之间转动，关闭位置如图12所示用实线表示，而打开位置如虚线所示。 分流器臂602通过浸没该臂的流体密度变化而被致动。类似于以上所述，当流 过控制通道564的流体密度相对低，分流器臂602具有较小的浮力，并移动到 关闭位置时。当流体变化到相对高的密度时，分流器臂602浮力增大，分流器 臂被致动，向上移动到打开位置。分流器臂的枢转端604具有相对狭窄的横截 面，允许流体在臂的任一侧上流动。分流器臂602的自由端606是较大的横截 面，较佳地是大致矩形的横截面，其限制流体流过一部分通道。例如，分流器 臂602的自由端606如图12所示用实线表示，其限制沿着通道底部流动的流 体，而在用虚线表示的位置中，沿着通道上部流动的流体被限制。分流器臂的 自由端不完全阻塞通过通道的流动。

在示范实施例中，阀子组件700包括转动的阀构件702，其可枢转地安装 在控制通道564内，并可在关闭位置和打开位置之间移动，关闭位置如图12 所示，用实线表示，其中，流体通过通道的流动受到限制，打开位置用虚线表 示，其中，允许流体流动而受到限制较小。阀构件702围绕枢轴704转动。阀 子组件可设计成在关闭位置中时部分地或完全地限制流体流动。可要求允许 “泄漏”或某些最小的流动，以防止阀在关闭位置中被卡住。静止的流动臂 705可用来进一步控制通过通道的流体流动型式。

分流器臂602的运动影响流体通过控制通道564的流动型式。当分流器臂 602处于低的或关闭位置时，流过通道的流体主要沿着通道上部被引导。替代 地，当分流器臂602处于上部或打开位置时，图中用虚线所示，流过通道的流 体主要沿着通道下部被引导。因此，流体流动型式受与流体分流器的有效密度 相比较的流体密度影响。响应于流体流动型式的变化，阀子组件700在打开和 关闭位置之间运动。在所示实施例中，组件设计成选择或允许相对较高密度的 流体流动。即，诸如油那样较高密度的流体将致使分流器臂602“浮起”到打 开位置，由此，影响流体流动型式并打开阀子组件700。当流体变化到较低密 度（诸如气体）时，分流器臂602“下沉”到关闭位置，受影响的流体流动致 使阀子组件700关闭，限制密度较低的流体流动。该组件可设计成根据元件的 布置结构选择较高密度的流体或较低密度的流体，元件的布置结构诸如是移动 阀元件枢转轴线的偏移量、诸如流动臂705的方向性元件，或偏置元件。

诸如配重或弹簧那样的偏置元件可被用来调整使分流器臂“浮起”或“下 沉”时的流体密度，并还可用来让分流器臂的材料具有比能使分流器“浮起” 的流体显著高的密度。如以上所解释的，分流器臂相对于流体密度的相对浮力 或有效密度将确定分流器臂将在打开和关闭的或上部和下部的位置之间变化 的条件。当阀子组件处于打开位置时，流体从控制通道564流出以引导流出主 通道的流体。

图13是根据本发明实施例的流体控制组件的平面图。流动控制组件800 具有第一或主通道802和两个控制通道，即，第二通道804和第三通道806。 流体在入口803处供应到主通道802。跨接两个控制通道的是流体分流器组件 810，其具有分流器通道812，该通道提供两个控制通道之间的流体连通。分 流器组件810包括至少一个分流器元件814，其在分流器通道812内移动。第 二通道具有通向分流器通道812的开口816。第三通道具有通向分流器通道812 的开口818。入口通道820和821向分流器通道812提供流体。可使用不同数 量的入口通道。入口通道较佳地设计成允许相对少的或慢的流体流过分流器通 道。在所示的优选实施例中，入口通道直径相对较小。此外，组件较佳地设计 成横贯分流器通道产生相对低的压降。这是优选的，这样移动分流器元件814 的浮力较强，并可克服作用在分流器元件上的水力。

在一个实施例中，分流器元件814是沿着分流器通道812移动的单球。分 流器元件814响应于流体密度变化而移动。当流体密度相对较高时，分流器元 件浮起，并移动到上部，其中，通过开口816移入第二通道804内的流体流动 受到限制。同时，通过开口818流入第三通道806的流体流动未受到限制。因 此，来自第三通道的流体流动引导从主通道802流出的流体流动朝向涡流组件 850的第一入口854。在涡流室852内引起螺旋形的或离心的流动型式，如实 线箭头所示，通过组件流动的流体相对地受到限制。相反地，当流体改变到相 对低的密度时，分流器元件814移动或下沉到限制通过开口818流入第三通道 806内的流体流动的位置。同时地，流入第二通道804内的流动未受到限制。 因此，来自第二通道804的流体流动引导来自主通道802的流体流动朝向涡流 组件850的第二流体入口856。然后，流体基本上径向地流过涡流室朝向涡流 出口858，如虚线箭头所示，流过组件的流体流动相对地未受限制。

在如此的实施例中，相对低密度的流体选择用于生产。通过改变入口角θ1 和θ2、改变方向性元件860，可选择较高密度的流体，就如文中任何地方所 解释的，且将为本技术领域内技术人员所明白。

分流器元件显示为球形，但也可呈其它形状，诸如棒、小球、长方形（椭 圆形）等。

在另一实施例中，同时使用诸如分流器元件814和815那样多个分流器元 件。第一分流器元件814沿着分流器通道812在两个位置之间移动，一个位置 限制流体流入第二通道，而在另一个位置中该流动不受到限制。第二分流器元 件815沿着分流器通道812在两个位置之间移动，一个位置限制流体流入第三 通道，而在另一个位置中该流动不受到限制。例如，通过阻挡件或销子，可限 制分流器元件的运动，这样，分流器元件保持靠近于第二和第三通道开口。

在优选实施例中，图13中所示的组件包括重力选择器或某些其它的装置， 用以定向组件，使得分流器元件可沿着分流器通道浮起和下沉而进入合适的对 齐位置。

在本文讨论的几个实施例中，至少一部分的流体控制组件需要被定向，以 使分流器或分流器元件可合适地浮起和下沉。例如，以上参照图7-11讨论重 力选择器。重力选择器或其它导向装置可用来定向全部的流体控制组件，或者 只是一部分的组件，诸如流动控制组件、控制通道板、内部导管等。

图14是具有分流器元件和用于控制通道板的重力选择器的本发明实施例 的平面图。流动控制组件870具有第一或主通道872和第二或控制通道874。 基于密度的分流器元件876定位在第二通道874内。分流器元件显示为浮球， 但也可以是文中所讨论的或如行内公知的分流器。具有贯穿开口880的板878 定位在第二通道874内。板878附连到重力选择器882或包括重力选择器882， 通过围绕枢轴线884转动使得开口880有效地定位，从而使板可通过重力使其 自身定向。

分流器元件876在打开位置和关闭位置之间移动，在打开位置中时，流过 板878中开口880的流体流动相对地未受限制，而在关闭位置中，流过其中的 流动相对地受到限制。尽管分流器和板的设计可以变化，但分流器需在限制通 过控制通道的流动的位置和如此流动不受限制的位置之间移动。

涡流组件的运行和设计通过以上讨论可以很好地理解，这里将不再重复。 涡流组件890具有第一流体入口892、第二流体入口894、出口898、涡流室 896以及可供选择的方向性元件899。

图15是根据本发明另一方面的自主阀组件的正交视图。在该实施例中，可 动的、基于密度的流动分流器组件900定位在通向涡流组件1000的主通道862 （优选实施例中仅有的通道）内。运行分流器组件可改变流过通道流体的速度 曲线，而不是运行组件来限制通过导管的流动。分流器组件900具有可动的（在 该情形中为可枢转的）分流器臂902，其围绕安装臂903枢转。分流器臂902 具有以上参照图12描述的形状。可使用其它类型的根据密度驱动的分流器以 代替所示的枢转分流器。

分流器臂902改变通道862内的流体流动型式。例如，分流器臂902的定 位改变着速度曲线，如标号904处所示。尽管本发明参照速度曲线进行讨论， 但也可适用于流量曲线等。当分流器臂902靠近通道862的上部时，流体速度 在通道底部处最大，如图所示。当分流器移至靠近通道底部的位置时，速度曲 线则反过来。通道内流动型式的改变会引导流体流入涡流组件1000的第一流 动入口1004或第二流动入口1006内，如图所示，可供选择地是，可用方向性 元件1010辅助。涡流室1002内生成且最终流入涡流出口1008的流动在文中 其它地方描述过。因此，诸如油那样优选的流体可被引导到涡流室内，以便大 致径向地流动，而诸如水那样不希望的流体通过引入到大致螺旋形流动中而受 到限制。可改变实施例来选择任何需要的流体，诸如选择气体而不是水等，如 文中所解释的，通过改变分流器的有效密度、涡流组件的入口角等来进行选择。 组件可需要径向重力定向，如文中任何地方所描述的。

参照图15所描述的概念可结合文中所述多流动通道的实施例使用，其中， 利用可动的、基于密度的分流器来改变通道内的速度曲线，由此，引导流出通 道的流体流动。

本文所述的发明还可用于其它流动控制系统，诸如进流控制装置、滑动套 筒，以及已为行内众所周知的其它流动控制装置。本发明的系统可与这些其它 的流动控制系统并联或串联。

具体来说，文中的揭示的内容可与2011年4月8日（4/8/2011）提交的授 予Fripp的美国专利申请系列No.61/473,699内容结合起来，其题为“用于自 主阀的粘滞开关（Sticky Switch for the Autonomous Valve）”。

文中所提出的实施例提供了自主控制地下井中流体流动的装置，流体的密 度随时间推移而变化，该装置包括：具有涡流室的涡流组件、涡流出口，以及 通向涡流室的第一流动入口和第二流动入口；具有第一流体通道和第二流体通 道的流体控制系统，将流出第一和第二通道的流体引导到涡流室；以及定位在 第二通道内的可动的流体分流器，该流体分流器根据流体密度变化而移动，流 体分流器响应于流体密度变化而移动，以限制流过第二通道的流体流动。类似 的装置，其中，第二通道在流体流出第一流体通道并流入涡流组件内时用来引 导流体流动。在该装置中，流体控制系统还包括第三通道和定位在第三通道中 的可动的流体分流器。在该装置中，和疆和第三通道用于当流体流动离开第一 流体通道并进入涡流组件时引导流体流动。在该装置中，流体控制系统还包括 第三通道和在第一和第二控制通道之间可多动的可动的流体分流器。在该装置 中，可动的流体分流器围绕纵向轴线转动。在该装置中，可动的流体分流器围 绕流体分流器的径向轴线枢转。在该装置中，可动的流体分流器包括未附连到 通道壁的浮动元件。在该装置中，可动的流体分流器包括至少一个浮球。在该 装置中，可动的流体分流器具有预选的有效密度，且在预选密度的流体中浮起。 在该装置中，可动的流体分流器在第一和第二位置之间移动，其中，偏置构件 偏置流体分流器朝向第一位置。在该装置中，偏置构件是配重。在该装置中， 流体分流器在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，流体分流器限制 流过第二通道的流体流动，而在第二位置中，流过第二通道的流体流动不受限 制。在该装置中，流体分流器能转到多个旋转角，其中，流体流动的限制与流 体分流器的转角有关。在该装置中，通过第一流动入口的流体流动引起流体在 涡流室内形成大致螺旋形的流动。在该装置中，通过第二流动入口的流体流动 引起流体在涡流室内形成大致径向的流动。在该装置中，当可动的流体分流器 具有比流体密度低的密度时，流出主通道的流体则被引导到涡流组件的第一流 动入口内。在该装置中，流体分流器在水中下沉，其中，流过该装置的水在涡 流室内基本上切向地流动。在该装置中，当可动的流体分流器具有比流体密度 高的密度时，流出第一流体通道的流体则被引导到涡流组件的第二流动入口 内。在该装置中，流体分流器在油中浮起，其中，流过该装置的油在涡流室内 基本上径向地流动。在该装置中，当可动的流体分流器具有比流体密度低的密 度时，可动的流体分流器限制流过第二通道的流体流动。在该装置中，流出第 二通道的流体将流出第一通道的流体引导到涡流室内，以建立起大致的径向流 动。在该装置中，当可动的流体分流器具有比流体密度高的密度时，可动的流 体分流器限制流过第二通道的流体流动。在该装置中，流出第二通道的流体将 流出第一通道的流体引导到涡流室内，以引起出大致切向的流动。该装置还包 括用于地下井中的向下钻进工具、涡流组件、流体控制系统以及定位在向下钻 进工具内的可动的流体分流器。一种自主控制地下井中流体流动的方法，流体 的密度随时间推移而变化，该方法包括以下步骤：使流体流过流体控制系统的主 流体通道；使来自主流体通道的流体流入涡流组件，该涡流组件具有通向涡流 室的第一和第二流动入口；使流体流过流体控制系统的控制通道，该控制通道 用于在流体流出主流体通道并流入涡流室的入口时控制流体流动；以及使定位 在控制通道内的可动的流体分流器响应于流体密度变化而移动，所述流体分流 器移动而限制流过控制通道的流体流动。

对于使用自主的流动控制装置来控制流体流动以及其应用的描述，可见于 以下的美国专利和专利申请，出于所有目的，本文由此引入各个专利的全部内 容：12/10/2009提交的授予Schultz的美国专利申请系列No.12/635612，其题 为“流体流动控制装置”；4/29/2010提交的Dykstra的美国专利申请系列 No.12/770568，其题为“使用可动的流体分流器组件控制流体流动的方法和装 置”；2/4/2010提交的Dykstra的美国专利申请系列No.12/700685，其题为“带 有倚赖路径的阻力系统的自主向下钻进流体选择方法和装置”；3/30/2010提 交的Syed的美国专利申请系列No.12/750476，其题为“控制向下钻进流体流 量的管形嵌入的管嘴组件”；6/2/2010提交的Dykstra的美国专利申请系列 No.12/791993，其题为“基于地下井中可变阻力流动的流体特性的流动路径控 制”；6/2/2010提交的Fripp的美国专利申请系列No.12/792095，其题为“地 下井中传播压力脉动的交替的流动阻力增加和降低”；6/2/2010提交的Fripp 的美国专利申请系列No.12/792117，其题为“用于地下井中的可变流动阻力系 统”；6/2/2010提交的授予Dykstra的美国专利申请系列No.12/792146，其题 为“带有可变地阻抗地下井中流动的诱发循环的结构的可变流动阻力系统”； 9/10/2010提交的授予Dykstra的美国专利申请系列No.12/879846，其题为“用 于地下井中系列构造的可变流动阻力器”；8/27/2010提交的Holderman的美 国专利申请系列No.12/869836，其题为“用于地下井中的可变流动阻力器”； 12/2/2010提交的授予Dykstra的美国专利申请系列No.12/958625，其题为“使 用压力开关引导流体流动的装置”；12/21/2010提交的授予Dykstra的美国专 利申请系列No.12/974212，其题为“带有诱发和阻碍流体旋转流动的流体引导 器的出口组件”；12/31/2010提交的Schultz的美国专利申请系列No.12/983144， 其题为“用于地下井的横向流流体振荡器”；12/31/2010提交的Jean-Marc Lopez 的美国专利申请系列No.12/966772，其题为“具有倚赖方向的流动阻力器的向 下钻进流体流动控制系统和方法”；12/31/2010提交的Schultz的美国专利申 请系列No.12/983153，其题为“用于地下井的流体振荡器（包括涡流）”； 4/11/2011提交的Fripp的美国专利申请系列No.13/084025，其题为“用于自主 阀的主动控制”；4/8/2011提交的Fripp的美国专利申请系列No.61/473,700， 其题为“用于自主阀的可移动流体选择器”；4/8/2011提交的授予Fripp的美 国专利申请系列No.61/473,699，其题为“用于自主阀的粘滞开关”；以及 5/3/2011提交的授予Fripp的美国专利申请系列No.13/100006，其题为“离心 式流体分离器”。

尽管本发明参照说明性的实施例进行了描述，但该描述不被认为有限制意 义。本技术领域内技术人员参照本描述后将会明白到说明性实施例的各种修改 和组合，以及本发明的其它实施例。因此，附后的权利要求书要包括任何如此 的修改或实施例。