具有往复式阀门以用于井下流体选择的自主流体控制装置

摘要

一种随着流体随时间推移改变诸如粘度的特性而自主地控制在地下井中的流体流的设备和方法。自主往复构件具有穿过其中的流体流动通路以及主出口和至少一个次出口。诸如粘度依赖型油嘴或筛的流量限制器被定位成限制流体通过主出口的流动。涡旋室邻近往复构件定位。往复构件在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置中，流体流主要被引导通过往复构件的主出口且进入涡旋组件的主入口，在第二位置中，流体流主要被引导通过往复构件的所述至少一个次出口且进入涡旋组件的所述至少一个次入口。往复构件的运动在相邻的涡旋室中改变流体流型。

说明书

                                    发明人：史蒂芬·格雷奇

                                              国籍：美国

                                    地址：得克萨斯州麦金尼

                                San Mateo街4416号，750750

相关申请的交叉引用

无。

技术领域

本发明大体上涉及用于从含烃地下地层中的地层进入井筒中的生产管 柱内的流体流动的选择性控制的方法和设备。更具体地讲，本发明涉及用 于通过使用诸如在内孔的一端处具有筛覆盖物或油嘴的中空内孔活塞之类 的往复构件根据诸如粘性之类的流体流的一些特性控制流体流动的方法和 设备，其中往复构件根据流体的特性被流动的流体的力、例如被相对较高 粘度的流体的力移动至打开位置。

背景技术

在穿过含烃地下地层的井的完井期间，生产油管和各种设备被安装在 井中以实现流体的安全和有效生产。例如，为了防止来自未固结的或松散 地固结的地下地层的颗粒材料的生产，某些完井包括邻近所需生产层段定 位的一个或多个控砂筛。在其它完井中，为了控制进入生产油管的生产流 体的流量，通常的做法是为完井管柱安装一个或多个流入控制装置。

来自任何给定的生产油管段的产品常常会具有多种流体组分，例如天 然气、石油和水，其中生产流体随时间推移而改变成分的比例。从而，随 着流体组分的比例变化，流体流动特性将同样地变化。例如，当生产流体 按比例地具有更大量的天然气时，流体的粘度将会更低且流体的密度将会 比流体按比例地具有更大量的石油时更低。常常希望减少或防止一种成分 的生产以有利于另一种成分的生产。例如，在石油生产井中，可能希望减 少或消除天然气生产且使石油生产最大化。虽然各种井下工具已经用来根 据其可取性控制流体的流动，但是需要流动控制系统来控制在各种流动条 件下可靠的流体的流入。此外，需要自主操作的流动控制系统，即，响应 于井下的变化的条件且无需通过操作员来要求来自表面的信号。关于注入 情况会出现类似问题，其中流体流进入到地层中而非离开地层。

发明内容

本发明提供了用于自主控制地下井中的流体流动的设备和方法，其中 流体流的流体特性随时间推移而变化。在一个实施例中，自主往复构件具 有穿过其中的流体流动通路以及主出口和至少一个次出口。诸如油嘴或筛 的流量限制器被定位成限制例如相对更高粘度的流体流通过往复构件的主 出口。具有主入口和至少一个次入口的涡旋室邻近往复构件。往复构件在 第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，流体流主要被引导通过往 复构件的主出口且进入涡旋组件的主入口，在第二位置中，流体流主要被 引导通过往复构件的所述至少一个次出口且进入涡旋组件的所述至少一个 次入口。

往复构件响应于流体特性中的变化而运动。例如，当流体具有相对低 的粘度时，其相对自由地流过往复构件通路、往复构件主出口和限制器。 在第一位置中，往复构件的次出口被基本上堵塞。随着流体变为较高粘度， 流体流被限制器限制，并且往复构件被所产生的压力移至第二位置。在第 二位置中，往复构件的次出口不再被堵塞，并且流体此时相对自由地流过 次出口。

往复构件的移动改变相邻的涡旋室中的流体流型。在第一位置中，当 流体流主要流过主出口时，流体被切向地引导进入涡旋，引起螺旋流、增 加的流体速度和在涡旋上更大的压降。在第二位置中，流体流被引导成使 得在涡旋中的所得流体流主要为径向的，速度减小并且在涡旋上的压降减 小。

附图说明

为了更完全地理解本发明的特征和优点，现在参考本发明的详细描述 和附图，其中不同图中的对应数字指代对应部分，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的包括多个自主流体流动控制系统的 井系统的示意图；

图2是采用本发明的原理的利用涡旋组件的自主流体流动控制装置和 自主地往复的组件的俯视示意图；

图3是采用本发明的原理的处于第一位置的往复组件的实施例的详 图；

图4是本发明的备选实施例的俯视示意图；以及

图5是本发明的备选实施例的俯视示意图。

本领域的技术人员应当理解，诸如上方、下方、上、下、向上、向下 和类似方向性术语的使用是相对于其在图中描绘的示例性实施例而使用， 向上方向是朝向对应图的顶部，而向下方向是朝向对应图的底部。在不是 这种情况且使用术语指示所需定向时，本说明书将会注明或将其说清楚。 使用上游和下游指示相对于表面的位置或方向，其中上游指示沿着井筒朝 向地面的相对位置或移动，而下游指示沿着井筒进一步远离地面的相对位 置或移动。

具体实施方式

虽然在下文详细讨论本发明的各种实施例的制作和使用，但是本领域 技术人员将了解，本发明提供可在各种特定语境中体现的可应用的发明概 念。本文中讨论的特定实施例是示例说明制作和使用本发明的特定方式， 并且不限制本发明的范围。

使用自主流动控制装置的流体流动控制及其应用的描述可见于下列美 国专利和专利申请，其中每一个都以引用方式全文并入本文中以用于各种 目的：2004年3月25日提交的授予Schultz的名称为“用于形成脉动流体流 的设备和方法以及该设备的制造方法(Apparatus and Method For Creating  Pulsating Fluid Flow,And Method of Manufacture For the Apparatus)”的美国 专利No.7,404,416；2005年2月8日提交的授予Webb的名称为“用于形成 脉动流体流的设备(Apparatus for Creating Pulsating Fluid Flow)”的美国专利 No.6,976,507；2009年12月10日提交的授予Schultz的名称为“流体流动 控制装置(Fluid Flow Control Device)”的美国专利申请序列号No. 12/635612；2010年4月29日提交的Dykstra的名称为“用于使用可移动的 分流器组件控制流体流的方法和设备(Method and Apparatus for Controlling  Fluid Flow Using Movable Flow Diverter Assembly)”的美国专利申请序列号 No.12/770568；2010年2月4日提交的Dykstra的名称为“用于利用通路依 赖型阻力系统的自主井下流体选择的方法和设备(Method and Apparatus for  Autonomous Downhole Fluid Selection With Pathway Dependent Resistance  System)”的美国专利申请序列号No.12/700685；2010年3月20日提交的 Syed的名称为“用于控制井下流体的流量的管状嵌入喷嘴组件(Tubular  Embedded Nozzle Assembly for Controlling the Flow Rate of Fluids  Downhole)”的美国专利申请序列号No.12/750476；2010年6月2日提交的 授予Dykstra的名称为“基于流体特性的流动路径控制以因此可变地限制地 下井中的流动(Flow Path Control Based on Fluid Characteristics to Thereby  Variably Resist Flow in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列号No. 12/791993；2010年6月2日提交的Fripp的名称为“用于在地下井中传播压 力脉冲的交替的流动阻力增加和减小(Alternating Flow Resistance Increases  and Decreases for Propagating Pressure Pulses in a Subterranean Well)”的美国 专利申请序列号No.12/792095；2010年6月2日提交的Fripp的名称为“用 于在地下井中使用的可变流动阻力系统(Variable Flow Resistance System  for Use in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列号No.12/792117；2010 年6月2日提交的Dykstra的名称为“其中具有循环引发结构以可变地限制 地下井中的流动的可变流动阻力系统(Variable Flow Resistance System With  Circulation Inducing Structure Therein to Variably Resist Flow in a  Subterranean Well)”的美国专利申请序列号No.12/792146；2010年9月10 日提交的Dykstra的名称为“用于在地下井中使用的串联构造的可变流量限 制器(Series Configured Variable Flow Restrictors For Use In A Subterranean  Well)”美国专利申请序列号No.12/879846；2010年8月27日提交的 Holderman的名称为“用于在地下井中使用的可变流量限制器(Variable Flow  Restrictor For Use In A Subterranean Well)”的美国专利申请序列号No. 12/869836；2010年12月2日提交的Dykstra的名称为“用于使用压力开关 导向流体流的装置(A Device For Directing The Flow Of A Fluid Using A  Pressure Switch)”的美国专利申请序列号No.12/958625；2010年12月21 日提交的Dykstra的名称为“具有用于引发和阻碍流体的旋转流的流体导向 器的出口组件(An Exit Assembly With a Fluid Director for Inducing and  Impeding Rotational Flow of a Fluid)”的美国专利申请序列号No.12/974212； 2010年12月31日提交的Schultz的名称为“用于地下井的错流流体振荡器 (Cross-Flow Fluidic Oscillators for use with a Subterranean Well)”的美国专利 申请序列号No.12/983144；2010年12月13日提交的Jean-Marc Lopez的 名称为“具有方向依赖型流动阻力的井下流体流动控制系统和方法 (Downhole Fluid Flow Control System and Method Having Direction  Dependent Flow Resistance)”的美国专利申请序列号No.12/966772；2010年 12月31日提交的Schultz的名称为“用于地下井的流体振荡器(包括涡 旋)(Fluidic Oscillators For Use With A Subterranean Well(includes vortex))” 的美国专利申请序列号No.12/983153；2011年4月11日提交的Fripp的名 称为“对于自主阀门的主动控制(Active Control for the Autonomous Valve)” 的美国专利申请序列号No.13/084025；2011年4月8日提交的Fripp的名 称为“用于自主阀门的移动的流体选择器(Moving Fluid Selectors for the  Autonomous Valve)”的美国专利申请序列号No.61/473,700；2011年4月8 日提交的Fripp的名称为“用于自主阀门的粘性开关(Sticky Switch for the  Autonomous Valve)”的美国专利申请序列号No.61/473,699；以及2011年5 月3日提交的Fripp的名称为“离心式流体分流器(Centrifugal Fluid  Separator)”的美国专利申请序列号No.13/100006。

图1是总体指示为10的井系统的示意图，其包括采用本发明的原理的 多个自主流动控制系统。井筒12延伸通过各个地层。井筒12具有大体上 竖直的部段14，在其上部内安装套管柱16。井筒12还具有示出为水平且 大体上偏离的部段18，其延伸通过含烃地下地层20。如图所示，井筒12 的大体上水平的部段18是裸眼井。虽然在本文中示出为裸眼井(井筒的水 平部段)，但是本发明将在任何定向以及裸眼井或套管井中奏效。本发明也 同样将在如上文讨论的注入系统中奏效。

油管管柱22定位在井筒12内并且从地面延伸。油管管柱22提供用于 使流体从地层20向上游方向行进到地面的导管。多个自主流动控制系统25 和多个生产油管段24定位在邻近地层20的各生产层段中的油管管柱22内。 在每个生产油管段24的任一端上的是封隔器26，其在油管管柱22和井筒 12的壁之间提供流体密封。每对相邻封隔器26之间的空间限定出了生产层 段。

在图示实施例中，每个生产油管段24包括控砂能力。与生产油管段 24相关的控砂筛元件或过滤介质被设计成允许流体通过其流动但防止足够 大尺寸的颗粒物流过其。虽然本发明不需要具有与其相关的控砂筛，但是 如果使用了ー个，那么与流体流动控制系统相关的筛元件的确切设计并不 是本发明的关键。业界具有许多熟知的控砂筛的设计，本文将不予详细讨 论。另外，可将具有多个穿过其间的射孔的保护外罩定位在任何这类过滤 介质外部的周围。

通过在一个或多个生产层段中使用本发明的流动控制系统25，能够实 现对所产生流体的体积和成分的一些控制。例如，在石油生产操作中，如 果非所需流体组分(例如水、蒸汽、二氧化碳或天然气）进入这些生产层段 之一，那么那个层段中的流动控制系统将自主限制或阻止从该层段生产流 体。

如本文中使用的术语“天然气”或“气”意指在常温和常压下以气相存在 的烃类混合物(和变化数量的非烃类)。该术语并非指示天然气在本发明的系 统的井下位置处于气相。实际上，应当理解，尽管可能存在其它组分并且 一些组分可能处于气态，但是流动控制系统是被用在压力和温度使得天然 气将处于几乎液化状态的那些位置中。本发明的概念将在液体或气体或两 者均存在时也适用。

流入生产油管段24的流体通常包括多于一种的流体组分。典型组分是 天然气、石油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常被用作注入流 体以朝生产油管推动烃类，而天然气、石油和水通常在地层中就地找到。 流入每个生产油管段24内的流体中的这些组分的比例将随时间并且根据地 层和井筒内的条件而变化。同样，贯穿整个生产管柱的长度而流入各种生 产油管段中的流体成分可在不同段之间有显著变化。流动控制系统被设计 用来当其具有更高比例的非所需组分时减少或限制任何特定层段中的生 产。

因此，当与一个特定流动控制系统对应的生产层段产生较大比例的非 所需流体组分时，那个层段中的流动控制系统将限制或阻止从该层段生产 流体。这样，正在产生较大比例的所需流体组分(在这情况中是石油)的其它 生产层段将对进入油管管柱22的生产流有更多贡献。特别地，在流体必须 流动通过流动控制系统(而不是仅仅流入油管管柱中）时，从地层20到油 管管柱22的流量将减少。换句话说，流动控制系统对流体产生了流动限制。

尽管图1描绘了每个生产层段中有一个流动控制系统，但是应当理解， 在不脱离本发明原理的情况下，生产层段内可部署任意数量的本发明的系 统。同样，本发明的流动控制系统不需要与每个生产层段相关。它们可仅 存在于井筒的一些生产层段中，或可在油管通路中，以应对多个生产层段。

图2是根据本发明的一个实施例的流体控制装置30的俯视平面图，示 出了穿过其中的流体流动路径。流体控制装置30具有往复组件40，用于将 流体流导入流体流系统80。

流体流室80的优选实施例在图2可见。该室为涡旋室82，其具有周 壁84、顶部表面(未示出)和倾斜以引起旋转或螺旋流的底部表面86。流体 流过涡旋出口88，其通常位于靠近底部表面86的中心处。流体流系统80 可包括附加特征。例如，可以添加诸如叶片、凹槽等的定向元件90。在图 2中看到的实施例中，流体流系统具有多个入口，即，主入口92和两个次 入口94。这些入口可以是通路，如图所示。

主入口92将流体流导入涡旋室82以在该室中引起螺旋或离心流。在 一个优选的实施例中，主入口92将流动切向地导入涡旋室以增加这样的流 动。结果，在涡旋室上存在更大的压降(从室入口到室出口)。沿着主入口 92且通过涡旋室82的流体流在图2中示出为实心箭头，以方便参考。

相反地，次入口94被设计用于将流体导入涡旋室82中以抑制或导致 相对较少的螺旋或离心流。在图2所示实施例中，次入口94将流动沿在相 反的流动路径导入涡旋室82，使得这些流动趋于干涉或“彼此抵消”并且抑 制离心流。相反，被引导通过次入口94的流体流过涡旋出口88，而没有或 具有最少的螺旋。优选地，来自次入口94的流体流径向流过涡旋室82。被 引导通过次入口94的流动在室上产生相对较低的压降。沿着次入口94且 然后通过涡旋室82的流体流示出为虚线箭头，以方便参考。

往复组件40在图2-4中的优选实施例中示出。图3是处于第一位置的 往复组件的详细视图，其中流体流被导入流体流室以在室上形成相对较高 的压降。例如，在如图所示的涡旋室中，当往复组件处于第一位置时，流 体通过主入口92优选切向地被导入涡旋室82，以便如由实心箭头所指示的 形成围绕室的离心流。图4是处于第二位置的往复组件的详细视图，其中 流体流被导入流体流室以在室上形成相对较低的压降。例如，在如图所示 的涡旋室中，当往复组件处于第二位置时，流体通过次入口94被导入涡旋 室82，以抑制螺旋或离心流通过该室。这样的流动优选地引起通过室82 的径向流动，如由虚线箭头所指示的。

在图2-4中所示的优选实施例中，往复组件40包括往复构件42，例如 活塞44。活塞44限定往复构件通路46，例如所示的中空内孔。活塞44在 气缸48内往复运动。活塞44由诸如弹簧的偏置构件50朝第一位置偏置， 如图2和图3所示。其它偏置机构为本领域已知的。可设置密封件52用以 防止或减少围绕活塞的流动，并可安装在如图所示气缸壁中或者在活塞周 边上。往复构件42移动至第二位置，例如当活塞44处于图4中所示位置 时。

往复构件42限定穿过其中的至少一个流体流动通路46。在优选实施 例中，通路46是穿过活塞的中空内孔通路。流体流进入往复构件通路并朝 流体流系统80流动。中空内孔通路46通向多个出口。主出口54具有定位 成限制流体流通过主出口的流量限制器56。流量限制器56可以是油嘴、筛 或本领域已知的其它机构。流量限制器示出为定位在主出口的端部上方， 但可以定位在别处，例如在出口通路内。流量限制器56被设计成当流体具 有相对低的粘度时、例如为水或天然气时允许流体流过其中。流量限制器 56在流体具有相对较高的粘度时、例如为石油时限制或防止流动通过其中。 在第一位置中，通过次出口58的流动被限制或阻止。例如，在图示实施例 中，通过次出口58的流动被气缸48的壁限制。图3示出了流入往复构件 通路且穿过主出口54和限制器56的流体“F”。

在图4中，往复构件处于第二位置。活塞44已沿气缸48移动，从而 压缩偏置构件50。流体流此时被允许沿着次出口58。如图所示，流过活塞 44的流体F此时被引导通过次出口58且进入流体流系统80的次入口94。

往复构件42的移动是自发的且依赖于流过其中的流体的特性，该特性 预计在使用期间会随时间推移而变化。在图示的优选实施例中，当流体具 有低粘度时，它仅仅以由限制器提供的相对来说很小的阻力流过往复构件， 并且往复构件保持在第一位置。当流体的该特性改变、例如改变至较高粘 度时，限制器56限制流体流动，升高限制器之后的流体压力，并且导致往 复构件移动至第二位置。在第二位置中，流体主要流过次出口，例如次出 口58。虽然一些流体可流过限制器56且流过涡旋组件的入口92，但是流 体流使得它不会在室中引起显著的(或任何)离心流或螺旋流。在一个优选的 实施例中，往复构件的一部分、例如限制器56，移动到入口92附近或移动 进入入口92，从而进一步减小或防止通过主入口92的流动。

随着流体特性再次改变，例如变至相对较低的粘度，偏置构件使往复 构件返回其第一位置。因此，流体或流体流的变化的特性自主地改变往复 构件的位置且改变通过流体流系统80的流动路径。

往复构件通路的替代实施例可包括多个通路，其被布置成通过往复构 件、沿着凹槽或凹陷、沿着往复构件的外部等。次通路可以是如图所示径 向的，或者采用其它形式以便在往复构件移动时提供替代的流体流动路径。 类似地，往复构件42示出为活塞，但可以采用本领域的技术人员将知道的 替代形式，例如滑动构件、往复球等。

特别指出的是，往复组件可与替代的流体流系统80一起使用。所并入 的参考文献提供了这种流系统的示例。

图5和图6是可以结合本文所述往复组件使用的流体流系统80的替代 的示例性实施例。在图5中，流体流系统80带有涡旋室82、涡旋出口88 和定向元件90，其具有单个入口98。流体流被导向通过往复活塞44的主 出口56并且切向地进入涡旋室82中，如由实心箭头所指示的。当活塞44 处于第二位置时，如图5所示，流体流过次出口58并且被导向成使得它基 本上径向地流过涡旋室82。因此，利用不同的设计实现了相同或类似的流 型。

在图6中，当流体具有相对低的粘度时，流体流被引导通过活塞44、 沿着通路46、通过主出口54和限制器56、并且进入涡旋组件的主入口92， 从而在涡旋室中引起螺旋或离心流。当流体改变特性、例如改变至高粘度 时，活塞44被移动至第二位置，并且流体主要流过次出口58且进入流体 流组件的次入口94。因此，如由虚线箭头所指示的，相对较高粘度的流体 被主要径向地引导通过涡旋室82且通过涡旋出口88。

可以看出，本文中本发明的特征可与具有单个或多个入口、单个或多 个出口等的各种流体流系统80一起使用，如本领域的技术人员应理解的那 样。

在使用中的组件的上述描述在其中来自地层的生产流体被导向通过组 件的示例性实施例中提供。生产流体可以在流过组件之前或之后流过筛、 通路、管段、环形通路等。该组件也可用于注入和其它完井活动，如在并 入的参考文献和解释的和本领域的技术人员所理解的。示例性用途被描述 为限制诸如水或天然气的流体流以及允许石油的流动。本发明可用来根据 粘度或其它流体特性限制流体流，并且可用来限制非所需的流体的流动， 同时允许所需流体的流动。例如，水流可被限制，而天然气流被允许，等 等。例如，在注入应用中，蒸汽可被允许，而水被限制。

本发明还可以与已经在业界熟知的其它流动控制系统(例如流入控制 装置、滑动套筒和其它流动控制装置）一起使用。本发明的系统可以与这 些其它流动控制系统并联或串联。

虽然本发明已参照示例性实施例进行了描述，但这种描述并非意图在 限制性意义上被理解。在参考描述之后，本发明的示例性实施例以及其它 实施例的各种修改和组合对于本领域的技术人员将显而易见。因此，希望 所附权利要求书涵盖任何此类修改或实施例。