具有用于井下流体选择的可动阀板的自主流体控制装置

摘要

本发明描述了用于自动地控制流体在地下井中的流动的设备和方法，其中，基于流体特性例如随时间改变的粘度或密度来控制流体流动。流体流入涡流组件内，其中，离心力被施加至流体。粘度较小的流体具有比粘度较大的流体相对更大的速率和离心力。流体通过涡流出口和周缘出口两者离开涡流室。自主阀元件在打开位置与关闭位置之间移动；在打开位置，流体通过周缘出口自由地流动，而在关闭位置，流体通过周缘出口的流动被限制。阀元件由流体的离心力来移动，使得具有较大离心力的流体将阀元件移动至关闭位置，由此减小通过涡流组件的全部流体流。

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于选择性控制流体从含烃地层中的地层进入井眼中的 生产套管内的流动的方法和设备。更具体地说，本发明涉及用于根据流体流 动的某种特性例如粘度或密度，通过利用具有多个出口(其中至少一个出口 能够由阀元件来关闭，阀元件则由涡流中的流体的离心力致动)的涡流室， 来控制流体流动的方法和设备。

背景技术

在对穿过含烃地层的井进行完井操作期间，生产管和各种设备被安装在 井中，从而能够安全且有效地生产流体。例如，为防止从非固结或松散固结 的地层产出颗粒材料，有些完井包括位于期望生产区段附近的一个或多个防 砂筛。在其它完井中，为控制生产流体进入生产管的流量，通常的做法是与 完井管柱一起安装一个或多个流入控制装置。

来自任何给定生产管段的产出物经常会具有多个流体成分，例如天然气、 油和水，且生产流体的成分比例随时间而变化。因此，随着流体成分的比例 变化，流体流动特性也将类似地变化。例如，当生产流体中的天然气量比例 较高时，与流体中的油量比例较高时相比，流体的粘度将会较低且流体的密 度也会较低。经常期望减少或防止产出一种成分以利于产出另一种成分。例 如，在产油井中，就可能期望减少或排除天然气的产出而最大化油的产出。 尽管多种井下工具已被用来基于流体的需求而控制流体的流动，但仍然需要 在各种流动条件下都可靠的用于控制流体流入的控流系统。此外，还需要自 主地操作、亦即响应井下条件的变化，而无需来自地面由操作者发送的信号 的控流系统。此外，还需要没有运动式机械部件的控流系统，上述运动式机 械部件在不利的井下条件下(包括由于流体中的砂砾的腐蚀或阻塞效应)容 易发生故障。类似问题在注入(流体流入而不是流出地层)的情况下也会产 生。

发明内容

所描述的是用于自动地控制流体在地下井中的流动的设备和方法，其中， 流体流动基于随着时间改变的流体特性而被控制。在优选实施例中，流体流 入涡流组件内，在该涡流组件中离心力施加至流体上。粘度较小的或较不稠 的流体(例如水或天然气)，将具有比粘度较大的或较稠的流体(例如油) 大的速率和离心力。流体通过位于底部的涡流出口和沿涡流壁设置的周缘出 口两者离开涡流室。自主的枢转阀元件在打开位置与关闭位置之间移动；在 打开位置，流体通过周缘出口自由地流动；而在关闭位置，流体通过周缘出 口的流动被减少或防止。阀元件由流体的离心力移动，使得具有较大离心力 的粘度较小的流体将阀元件移动至关闭位置，由此减小通过涡流组件的全部 的流体流。在一优选实施例中，枢转阀元件是悬臂。优选地，枢转阀元件朝 向打开位置被弹簧偏置，使得枢转阀元件在离心力减小时，例如在流体粘度 降低时重新打开。

附图说明

为更完整地理解本发明的多个特征和优点，现连同附图一起参考对于本 发明的详细描述，其中，不同附图中的对应附图标记指代对应的部分，且附 图中：

图1是包括根据本发明一实施例的多个自主流体控流系统的井系统的示 意图；

图2为俯视图，亦即实施本发明的原理的利用涡流组件的自主流体控流 装置的流体流动示意图；

图3为侧视图，亦即实施本发明的原理的利用涡流组件的流体控流装置 的剖视图；

图4为俯视图，亦即根据本发明一实施例的自主流体控流装置的流体流 动示意图，该自主流体控流装置使高粘度流体通过该自主流体控流装置流动， 且阀元件处于打开位置；

图5为俯视图，亦即根据本发明一实施例的自主流体控流装置的流体流 动示意图，该自主流体控流装置使低粘度流体通过该自主流体控流装置流动， 且阀元件处于关闭位置；

本领域技术人员应理解，定向术语例如“之上”、“之下”、“上”、 “下”、“向上”、“向下”等等是与说明性实施例相关联地按照它们在附 图中被示出的那样来使用的，向上方向就是朝向对应附图的顶部，而向下方 向就是朝向对应附图的底部。在情况与上述不同且术语被用来表示所需取向 时，本说明书会作声明或使其清楚。“上游”和“下游”被用来表示相对于 地面的位置或方向，其中“上游”表示沿井眼朝向地面的相对位置或运动， 而“下游”表示沿井眼离开地面的相对位置或运动。

具体实施方式

尽管以下详细地描述了本发明的多个实施例的形成和应用，但本领域技 术人员会认识到，本发明提供了多个可应用的创造性概念，这些创造性概念 可在多种特定情境下具体实施。本说明书所述具体实施例以具体方式说明如 何形成和应用本发明，而不是限制本发明的范围。

利用自主控流装置进行流体流动控制及其应用的描述可在以下美国专利 和专利申请中找到，在此并入这些美国专利和专利申请中的每一个的全部内 容用于所有目的：申请日为2004年3月25日、名称为“Apparatus and Method  For Creating Pulsating Fluid Flow,And Method of Manufacture For the  Apparatus”、属于Schultz的美国专利第7404416号；申请日为2005年2月 8日、属于Webb、名称为“Apparatus for Creating Pulsating Fluid Flow”的美 国专利第6976507号；申请日为2009年12月10日、名称为“Fluid Flow Control  Device”、属于Schultz的美国专利申请序列号12/635612；申请日为2010年 4月29日、名称为“Method and Apparatus for Controlling Fluid Flow Using  Movable Flow Diverter Assembly”、属于Dykstra的美国专利申请序列号 12/770568；申请日为2010年2月4日、名称为“Method and Apparatus for  Autonomous Downhole Fluid Selection With Pathway Dependent Resistance  System”、属于Dykstra的美国专利申请序列号12/700685；申请日为2010 年3月30日、名称为“Tubular Embedded Nozzle Assembly for Controlling the  Flow Rate of Fluids Downhole”、属于Syed的美国专利申请序列号12/750476； 申请日为2010年6月2日、名称为“Flow Path Control Based on Fluid  Characteristics to Thereby Variably Resist Flow in a Subterranean Well”、属于 Dykstra的美国专利申请序列号12/791993；申请日为2010年6月2日、名称 为“Alternating Flow Resistance Increases and Decreases for Propagating Pressure  Pulses in a Subterranean Well”、属于Fripp的美国专利申请序列号12/792095； 申请日为2010年6月2日、名称为“Variable Flow Resistance System for Use  in a Subterranean Well”、属于Fripp的美国专利申请序列号12/792117；申请 日为2010年6月2日、名称为“Variable Flow Resistance System With  Circulation Inducing Structure Therein to Variably Resist Flow in a Subterranean  Well”、属于Dykstra的美国专利申请序列号12/792146；申请日为2010年9 月10日、名称为“Series Configured Variable Flow Resistors For Use In A  Subterranean Well”、属于Dykstra的美国专利申请序列号12/879846；申请 日为2010年8月27日、名称为“Variable Flow Resistor For Use In A  Subterranean Well”、属于Holderman的美国专利申请序列号12/869836；申 请日为2010年12月2日、名称为“A Device For Directing The Flow Of A Fluid  Using A Pressure Switch”、属于Dykstra的美国专利申请序列号12/958625； 申请日为2010年12月21日、名称为“An Exit Assembly With a Fluid Director  for Inducing and Impeding Rotational Flow of a Fluid”、属于Dykstra的美国专 利申请序列号12/974212；申请日为2010年12月31日、名称为“Cross-Flow  Fluidic Oscillators for use with a Subterranean Well”、属于Schultz的美国专利 申请序列号12/983144；申请日为2010年12月13日、名称为“Cross-Flow  Fluidic Oscillators for use with a Subterranean Well”、属于Jean-Marc Lopez的 美国专利申请序列号12/966772；申请日为2010年12月31日、名称为“Fluidic  Oscillators For Use With A Subterranean Well(includes vortex)”、属于Schultz  的美国专利申请序列号12/983153；申请日为2011年4月11日、名称为“Active  Control for the Autonomous Valve”、属于Fripp的美国专利申请序列号 13/084025；申请日为2011年4月8日、名称为“Moving Fluid Selectors for the  Autonomous Valve”、属于Fripp的美国专利申请序列号61/473700；申请人 为2011年4月8日、名称为“Sticky Switch for the Autonomous Valve”、属 于Fripp的美国专利申请序列号61/473699；以及申请日为2011年5月3日、 名称为“Centrifugal Fluid Separator”、属于Fripp的美国专利申请序列号 13/100006。

图1是一井系统的示意图，该井系统一般以附图标记“10”表示，包括 多个具体实施本发明的原理的自主控流系统。井眼12穿过多个地层延伸。井 眼12具有基本竖直段14，基本竖直段的上部装有套管柱16。井眼12还具有 基本偏斜段18(图示为水平的)，基本偏斜段穿过含烃地层20延伸。如图 所示，井眼12的基本水平段18是裸眼段。尽管此处图示为水平的、裸眼的 井眼段，但本发明在任何取向上以及在裸眼井或下套管井中均有效。本发明 也可同等良好地用于注入系统，如下所述。

管柱22被设置在井眼12内并从地面延伸。管柱22提供了用于使流体从 地层20向上游行进至地面的管路。多个自主控流系统25和多个生产管段24 被设置在邻近地层20的各个不同的生产区段中的管柱22内。在每个生产管 段24的任一端设有封隔器26，封隔器26在管柱22与井眼12的壁之间提供 流体密封。每一对相邻的封隔器26之间的空间限定生产区段。

在所示实施例中，多个生产管段24中的每一个均具备防砂能力。与生产 管段24相关的防砂筛元件或过滤介质被设计成允许流体流过，但防止尺寸足 够大的颗粒物质流过。尽管本发明无需具备与之相关的防砂筛，但若使用防 砂筛的话，则与流体控流系统相关的防砂筛元件的精密设计对本发明而言并 非关键。业界有许多广为人知的用于防砂筛的设计，在此不作详细讨论。此 外，在任何上述过滤介质的外部周围可设有具有多个穿过其中的穿孔的保护 性外罩。

通过在一个或多个生产区段中使用本发明的控流系统25，能够对产出流 体的体积和成分实现一定程度的控制。例如，在产油操作中，如果不期望的 流体成分，例如水、蒸汽、二氧化碳、或天然气，进入多个生产区段其中之 一，则该区段中的控流系统就将自主地限制或阻止从该区段产出流体。

本说明书中使用的术语“天然气”或“气”的意思是在室温和压力条件 下以气相存在的烃类混合物(以及含量变化的非烃物质)。该术语并不表示 天然气在本发明的系统的井下位置也呈气相。实际上应理解，所述控流系统 在压力和温度使得天然气主要呈液化状态的位置处使用(尽管可能存在其它 成分并且某些成分可能呈气态)。本发明的概念对液体或气体或同时存在液 体与气体两者的情况下有效。

流入生产管段24内的流体典型地包括超过一种流体成分。典型成分是天 然气、油、水、蒸汽、或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常被用作朝向生产管 驱赶烃的注入流体，而天然气、油和水则典型地原来就存在于地层中。这些 成分在流入每个生产管段24内的流体中的比例将随时间且基于地层和井眼 内的条件而变化。类似的，在整个生产套管的长度上，流入各生产管段内的 流体的成分也会逐区段地显著地变化。所述控流系统被设计成，当任何具体 区段具有较高比例的不期望成分时减少或限制来自该区段的产出。

因此，当对应于多个所述控流系统中的具体一个控流系统的生产区段产 出较大比例的不期望流体成分时，该区段中的控流系统将限制或阻止来自该 区段的生产流。因此，产出较大比例的期望流体成分(在本例中是油)的其 它生产区段将会对进入管柱22的产出流有较大贡献。具体地，从地层20至 管柱22的流量将会在流体必须流过控流系统(而不是简单地流入管柱内)处 减小。换言之，所述控流系统对于流体形成流动限制。

虽然图1示出每个生产区段中设有一个控流系统，但应理解，在一个生 产区段内可设置任何数目的本发明的系统，而并不偏离本发明的原理。类似 地，本发明的控流系统并非必须与每一个生产区段相关。所述控流系统可仅 设置在井眼内的某些生产区段中，或可设置在管路通道中用以处理多个生产 区段。

图2是根据本发明一实施例的流体控制装置的俯视图，示出通过该流体 控制装置的流体流路。图3是流体控制装置的立面图。该流体控制装置基于 涡流，并具有涡流组件30，涡流组件30具有涡流室32，涡流室32具有周缘 壁34、顶面36(图2未示出)、底面38(底面向涡流出口40倾斜)、以及 周缘出口42。该装置可被用作流体控制系统25的一部分，与额外的自主流 体控制装置(例如被结合在本申请中的专利申请所描述的那些自主流体控制 装置)结合，被设置成与额外的流体控制系统、流入控制装置串联或并联， 以及被设置在这类装置的上游或下游。

涡流出口40优选被中心式地定位在涡流室的底面38中，如图所示，但 是涡流出口40也可根据预期在涡流组件中产生的流体流动方式以及通过涡 流组件出口的期望流动方式，被设置在底面38中。涡流出口40与涡流出口 通道44流体流通，涡流出口通道44引导流体从涡流组件30流向下游。例如， 涡流出口通道44可引导流体例如通过管柱22流向地面、回到井眼12内、流 向其它管段24、根据应用流向井上侧或井下侧，等等。

周缘出口42位于涡流室的周缘，优选地穿过周缘壁34形成开口。周缘 出口42与引导流体从涡流组件30流向下游的周缘出口通道46流体流通。例 如，周缘出口通道46可引导流体例如通过管柱22流向地面、回到井眼12 内、流向其它管段24、根据应用流向井上侧或井下侧，等等。出口通道44 和46可连接至处于组件下游的相同或不同的通道。例如，在一个实施例中， 流体从两个出口通过生产管被引导向地面。其益处源于流经这些出口的流体 与未流经的到达不同终点的流体的比率。在其它实施例中，出口通道可将流 体引导至不同的终点。

涡流组件30具有入口48；入口48优选地位于周缘壁34中，用以允许 流体流入涡流室32内。入口48与入口通道50流体流通，入口通道50引导 流体从上游流入涡流组件内。例如，入口通道50可由来自井眼12的生产流 体，由被引导通过生产区段中的通道、生产管、经由筛管、ICD等等的生产 流体，来提供流入涡流组件30内的流体。

涡流组件30还包括自主枢转元件52。如此处使用的，术语“枢转”的 意思是在轴线上或如同在轴线上那样沿弧形或环形的路径移动，或被设计为 如此移动。在优选实施例中，自主枢转元件52被附接至涡流周缘壁34。可 选地，枢转元件52可被附接至涡流顶面36、底面38、多个表面或插入元件 (例如枢转销或杆、铰接件、以及其它类型本领域中已知的枢转连接件)的 组合。自主枢转元件可响应由在涡流室中流动的流体施加在该元件上的力， 在打开位置56(如在图2和图4中看到的那样)与关闭位置58(如在图5 中看到的那样)之间，沿路径54移动。

阀元件52优选地朝向打开位置56被偏置。偏置效果可通过本领域技术 人员已知的方式来实现。在优选实施例中，枢转元件52借助元件的刚性和弹 性，朝向打开位置被偏置。亦即，元件52充当响应施加在表面60上的流体 力而弯曲的悬臂弹簧(在本说明书中利用术语“枢转”来涵盖悬臂式的元件 的弯曲)。悬臂式元件52的行为可基于元件尺寸、材料选择、以及相关材料 性能(例如弹性模量、密度、剪切模量等等)来选择。在替代实施例中，例 如，元件52可按照本领域中已知的方式，利用压力(压簧)、拉力(拉簧)、 扭力(扭簧)、平面(片簧)、卷簧、板簧以及其它弹簧装置来偏置。

此外，枢转元件52例如可通过销或杆被安装至涡流组件上，元件52围 绕上述的销或杆(未示出)转动。优选的悬臂设计的一个优点是易于防止在 元件的附接端周围的流动。

如上所述，自主枢转元件52，在打开位置56与关闭位置58之间沿弯曲 路径54移动。在优选实施例中，元件在使用中移动至关闭位置，并有效地限 制或减少通过周缘出口42流动的流体。该元件可按照期望来设计，以在处于 关闭位置时完全地防止通过周缘出口的流动或使流动减少。在优选实施例中， 元件52包括接触面62，接触面62在元件处于关闭位置时接触周缘壁34。元 件52也可接触组件的顶面和底面和/或抵靠组件的顶面和底面密封。如在图2 和图5中看到的，在一些实施例中，甚至在阀元件处于关闭位置时，相对少 量的流体流可仍然在阀元件之上、之下或周围流动。如果期望即使在元件处 于关闭位置的情况下也有一定的流量，元件可被设计成减少但是不防止流体 通过周缘出口流动。例如，悬臂式元件的长度或形状可被选择成，使得该元 件不会完全地阻塞周缘出口，或悬臂式元件的刚度可使得该元件不会弯曲或 移动至完全地阻塞流动的程度。可选地，可在任何期望位置，通过达到偏置 弹簧的移动极限或以其它方式，例如借助钉栓或止动件，来防止所述枢转元 件移动至完全地阻塞流动的位置。

在使用中，流体“F”通过入口48流入入口通道50内，并进入涡流室 32内。涡流室32在流体中引发螺旋流动方式，例如像在图4中看到的那样。 盘旋的流体随着其在盘旋期间获得速度而积聚起离心力。当自主阀元件52 处于打开位置时，流体借助涡流出口40和周缘出口42两者离开涡流室32。 涡流组件可按照期望被设计成使这些出口流动分开。例如，当自主阀元件52 处于其打开位置56时，涡流出口40与周缘出口42之间流体流可被分成 60:40、50:50、40:60，或其它期望的比值。在关闭位置，流(量)比增大至 100:0、90:10、80:20，或其它期望的或可能的比值。

流体流的一部分撞击在自主阀元件52上。在优选实施例中，流体流撞击 在元件52的表面60上。当作用在元件52上的流体的离心力克服了使元件 52朝向打开位置偏置的弹力时，元件52沿路径54朝向关闭位置58移动。 当元件52朝向关闭位置移动时，流体通过周缘出口42的流动减少，并且较 大比例的流体被引导通过涡流出口40流动。作用在元件上的力越大，元件朝 向关闭位置就移动得越远，直到元件完全地关闭为止。在关闭位置58，如上 所述，流体通过周缘出口42的流动被减少或防止。在较大比例的流体通过涡 流出口40流动的情况下，通过组件30的总的流体流减少。通过组件的总流 体减少量可通过组成部件的设计来选择。例如，当元件52处于关闭位置时， 通过组件的总的流体流可降低70％或更多。当撞击在元件52上的流体的离 心力减少到小于作用在元件52上的偏置力时，元件将会朝向打开位置56移 动。

由于离心力随时间而变化，所以元件52将响应离心力和偏置力而在多个 位置之间移动。在生产井中，流体成分的比例随时间而改变，由此引起流体 特性例如粘度、密度等等改变。例如，地层流体最初可具有较高比例的油以 及较低比例的水和气。在以后的时间中，地层流体可具有较高比例的水和气 以及较低比例的油。涡流组件30利用流体特性的改变，来改变流体通过组件 的流动方式。随着流体特性变化，例如变化到粘度相对较小或密度相对较小 的状态，所述阀元件将会因元件上的离心力和/或偏置构件的力减小而打开。 由于流体的特性随时间而改变，阀元件将会打开和关闭许多次。

图3示出根据本发明一实施例的涡流组件，相对高粘度的流体通过该涡 流组件流动。当地层流体具有相对高的粘度时，例如当地层流体具有较高比 例的油时，流体在相对低粘度条件下流动，并且流动方式趋向于切向的盘旋 流动较少而径向流动较多，如在图3中看到的那样。流体的粘度越低，相对 速率就越低，从而产生相对小的离心力。较小的离心力将会在元件表面60 上产生相对小的力。例如，1000厘泊(cP)、每分钟一加仑且处于14巴压 力条件下的油，在示例性组件上进行模拟，从而在元件表面60上产生400kPa 的压力。相对低压力和力不会移动元件52，元件52停留在打开位置56或靠 近打开位置56。因此，相对更粘的流体通过涡流出口40与周缘出口46两者， 流经涡流组件。

图4示出根据本发明一实施例的涡流组件，相对低粘度的流体通过该涡 流组件流动。当地层流体改变至具有相对低的粘度(例如较高比例的气或水) 时，流体趋向于以较高速率、沿更为切向的路径流动，从而产生围绕涡流室 的盘旋流动。这一流动方式可在图4中看到。例如，每分钟一加仑且处于6 巴压力条件下的水，在示例性组件上进行模拟，从而在元件表面60上产生 400kPa的压力。类似地，0.02cP、每分钟2加仑且处于3巴压力条件下的气， 在表面60上产生300kPa压力的模拟结果。相对较高的压力和离心力趋向于 朝向关闭位置58移动元件52，由此减少或防止流体流经周缘出口42。因此， 相对低粘度的流体主要地或仅仅通过流出口40，流经涡流组件。这样就有效 地减少了通过组件的总的流体流(在组件中总的流体流是通过周缘出口和涡 流出口的组合流)。

随着流体特性在设有所述涡流组件的工具的使用期限中改变，该涡流组 件将会使粘度较低的流体有相对较大的流速(flow rate)，而使粘度较高的 流体有相对较低的流速。当粘度从相对高(例如油)改变至相对低(例如水 或油)时，所述自主阀元件将会朝向关闭位置移动，并减少通过周缘出口的 流动。当粘度改变至相对较高的粘度时，例如在水和/或气的比例下降而油的 比例上升的情况下，所述自主阀元件朝向打开位置向回枢转，通过组件的总 流量(flow rate)增大。该元件将会由于流体粘度随时间而改变继续改变位 置(此处说明系就粘度而言，但应理解，类似的概念适用于观察到不同的流 体特性例如密度等等的情况)。

此处所述涡流组件30为示例性质。可利用其它变例(例如多个入口，多 个入口沿周缘壁处于不同位置，或在其它方式下，不同数目和位置的多个出 口)，来改变涡流室的形状及其侧壁以及自主阀元件的不同形状和尺寸，等 等。此外，额外的特征，例如叶片、沟槽、以及其它定向元件可被添加至涡 流室上。此处所述示例性实施例可在细节上修改，细节例如为入口通道与涡 流壁之间的角度、周缘出口的位置、周缘出口和周缘壁的角度、多个通道的 比例尺寸、腔室以及其它元件等等。

以上以示例性实施例的方式，提供了对所述组件在使用中的说明，其中， 生产流体从地层被引导通过组件30。生产流体可在流过组件30之前和之后， 通过筛管、通道、管状段、环形通道等等流动。组件30也可如所结合的参考 文献所述且如本领域技术人员所理解的那样，被用于注入和其它的完井工作。 本发明也可与其它控流系统，例如流入控制装置、滑动套筒、以及业界中已 广为人知的其它控流装置一起使用。本发明的系统与其它控流系统既可并联、 也可串联。

尽管以上参考说明性实施例描述了本发明，但这种描述不应在限定意义 上被解读。对于本领域技术人员而言，参考以上描述，对本发明的这些说明 性实施例以及其它实施例的多种修改及组合方案将会是显而易见的。因此， 随附权利要求书应涵盖任何这类修改方案或实施例。