專利名稱：沿井筒進行蒸汽分配的系統(tǒng)、方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及油田開采的設備和技術，并且更具體地，涉及用于重油或稠原油開采的設備和技術。
背景技術：
采用將豎直井鉆入生產段并隨后向生產段內注入蒸汽以提高稠原油的流動性并 降低其粘度的方式在儲層中開采稠原油是已知的。已經采用過多種不同方式來進行這種蒸汽注入。在一種技術中，儲層中的井可以采用稱為周期注蒸汽增產工藝(CSS)而被周期性注入蒸汽。在這一工藝中，蒸汽沿豎直井向下注入并進入生產段。該蒸汽被允許在儲層中“均熱”一相對短的時間段以加熱原油，從而降低原油的粘度并提高其流動性。然后再對該井進行一相對較長的時間段的復采以抽取被加熱了的較低粘度的原油。這一循環(huán)通常重復到上述開采變得沒有收益時為止。另一種已被用于稠原油儲層開采的技術是以幾何圖案將豎直井鉆入生產段，例如以5點或9點圖案。在這些幾何圖案中，豎直井位于儲層區(qū)域內，通常的是以對稱的方式位于儲層區(qū)域內，并且基于各豎直井在圖案中的位置，其或被指定為注入井或被指定為生產井。蒸汽經由注入井不斷地被注入進生產段以加熱稠原油并將其驅至幾何陣列中鄰近的豎直生產井處。在稠原油儲層最初的開發(fā)中，上面描述的這些方法運行良好。然而隨著時間的過去，蒸汽趨向于聚集在生產段的上部。這當然將導致生產段下部的稠原油更少地被加熱。由于原油的高粘度阻止其向生產井的井筒的移動，生產段的重油飽和的下部沒有被排空。因此大量潛在可開采的原油變?yōu)椴豢刹伞，F有技術已知的是，可以采用水平定向的井或水平井來幫助從生產段的某部分進行開采，該部分特別是上文論及的下部，該下部在利用豎直井注入蒸汽后通常沒有被排空。值得期待的是，在這些配置中沿井的水平段的整個長度將均勻分布的蒸汽輸送至生產段。目前可獲得的用于在儲層中排放蒸汽的蒸汽注入系統(tǒng)通常包括具有一系列開口或孔的割縫襯管或割縫管。這樣的裝置的已知的問題是注入到儲層內的蒸汽趨向于在注入區(qū)域的“趾部”和“跟”部(或最遠端部和最近端部)排放而不是在貫穿整個儲層地層中均勻地分布。已采用不同尺寸的開口或孔來控制蒸汽的排放，但是這樣的設置仍然沒有提供一種用于在地下儲層中優(yōu)化蒸汽分布的可靠且有效的方法。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面，公開了一種用于控制流體流動的閥裝置。該閥裝置包括閥罩、閥座以及致動機構。所述閥罩限定了第一開口、第二開口以及在第一開口和第二開口之間延伸的通路。所述閥座與所述第一開口相鄰布置。所述致動機構承載在閥罩內，該致動機構包括致動室、致動部件以及密封元件(例如閥球)。所述致動室具有在其內限定了室空間的剛性室本體。所述致動部件承載在致動室內。所述密封元件在關閉位置時與閥座接合以密封閥罩的第一開口。所述密封元件在打開位置時不與閥座接合。所述致動部件與密封元件相關聯(lián)以在室空間內的溫度超過一預定溫度(例如在約200攝氏度到約400攝氏度之間)時驅動密封元件到所述關閉位置。在一個實施方式中，所述致動部件采用雙金屬材料。在另一個實施方式中，致動部件是智能記憶金屬制成的。在一個或更多實施方式中，所述致動機構包括定位部件，所述定位部件位于閥罩和致動室的剛性室本體之間，用來為所述通路提供空隙。在一個或更多實施方式中，所述致動機構具有初始彈性系數，使得所述致動機構 將密封元件驅動至所述關閉位置，直到一預定壓力施加到密封元件為止。在一個或更多實施方式中，所述致動部件在所述室空間的溫度下降到低于所述預定溫度時將密封元件驅動到打開位置。根據本發(fā)明的另一個方面，公開了一種井配置，該井配置用于將蒸汽注入到地下儲層中。所述井配置包括井筒，該井筒與地下儲層的生產段流體連通。所述井筒具有基本豎直段和從所述基本豎直段的下部延伸的基本水平段?；舅蕉蜗薅烁亢椭翰?，該跟部鄰近所述豎直段布置，該趾部處于遠離所述豎直段的位置。多個閥裝置沿軸向設置在所述基本水平段上以將蒸汽排出至地下儲層的生產段。每個閥裝置均包括致動機構，該致動機構從打開位置到關閉位置進行驅動以控制通過所述閥裝置的蒸汽的流動。當所述致動機構超過一預定溫度(例如約200攝氏度到約400攝氏度之間)時，該致動機構驅動至所述關閉位置。在一個或更多實施方式中，所述閥裝置包括閥罩，該閥罩限定了第一開口、第二開口以及在第一開口和第二開口之間延伸的通路。致動機構承載在閥罩中并且包括致動室、致動部件以及密封元件(例如閥球)。致動室具有在其內限定了室空間的剛性室本體。所述致動部件承載在致動室內。所述密封元件在關閉位置時與和所述第一開口相鄰的閥座接合以密封閥罩的第一開口。所述密封元件在打開位置時不與閥座接合。所述致動部件與密封元件相關聯(lián)以在室空間的溫度超過所述預定溫度時將密封元件驅動至所述關閉位置。在一個實施方式中，所述多個閥裝置位于所述基本水平段的內表面上。在另一個實施方式中，所述多個閥裝置位于所述基本水平段的外表面上。在一個或更多實施方式中，每個閥裝置均被接收在所述基本水平段內的凹陷部內。在一個實施方式中，所述致動機構包括雙金屬致動部件。在另一個實施方式中，該致動部件是智能記憶金屬制成的。在一個或更多實施方式中，所述致動機構具有一初始彈性系數而使得所述致動機構被驅動至所述關閉位置，直到所述基本水平段超過一預定壓力為止。在一個或更多實施方式中，當所述室空間的溫度降低到所述預定溫度之下時，所述致動部件驅動至打開位置。


圖I是現有技術中烴生產領域中的水平井中蒸汽輸送的示意性截面圖。圖2是是現有技術中烴生產領域中的水平井中蒸汽輸送的示意性截面圖。圖3是按照本發(fā)明的一個實施方式的用于烴生產領域的蒸汽分配裝置的示意性截面圖。圖4是用于圖3所示的蒸汽分配裝置的閥在打開位置的示意性截面圖。圖5是圖4中的閥在關閉位置的示意性截面圖。
具體實施例方式
首先參考圖I所示現有技術，其中的截面圖示出了井筒11具有豎直段IlA和水平段11B。井筒11在井表面和砂產層或儲層31之間提供流通路徑。管柱13和割縫襯管15也在圖I示出。管柱13的水平段IlB包括跟部13A和相對的趾部13B。割縫襯管15是對井筒11的水平段IlB加襯的完井裝置，且割縫襯管通常通過鉛密封17與井筒11的豎直段IlA隔離。新鮮蒸汽通過管柱13供應且在管柱末端19處從趾部13B流出。蒸汽流動如箭頭21所示。新鮮蒸汽在數字23所標記的區(qū)域中直接沖擊到割縫襯管15上會潛在地導致割縫襯管15的腐蝕和破裂，這是不理想的情況。另外，采用這種技術蒸汽的熱量集中在所述趾部13B附近的儲層31的區(qū)域25和27內，而不是沿著割縫襯管15的長度分布?，F參考圖2所示現有技術，井筒29具有水平段29B以及通至地表的豎直段29A，該水平段穿入砂產層或儲層31的一長水平段。割縫襯管37對井筒29的水平段29B加襯。管柱33從地表下入并且其下端被塞35塞閉。管柱33的水平段29B包括跟部33A和相對的趾部33B。在塞35之前的管柱33的長度上，在其跟部33A和趾部33B之間的整個水平段上布置有間隔設置的鉆孔39。每個鉆孔39被一犧牲撞擊帶41遮蓋，所述犧牲撞擊帶41由碳鋼材料制成并且如需要可以涂覆陶瓷。所述犧牲撞擊帶41在每一鉆孔39的上方以一偏移量焊接到管柱33。蒸汽發(fā)生器源(未示出)位于地表并提供進入管柱33的蒸汽的輸入。蒸汽在管柱33中向下運動至其下部的水平段29B，在該水平段蒸汽經由鉆孔39排出。參考圖3，井筒110與地下儲層31的生產段流體連通。井筒110包括基本豎直段113和基本水平段115，該基本水平段從基本豎直段113的下部延伸。根據本發(fā)明的實施方式，基本水平段115包括襯管111，該襯管從豎直段113延伸并且蒸汽經過該襯管輸送進入儲層31。水平段115包括跟部117、相鄰的密封部119和趾部121，該趾部遠離密封部119和豎直段113定位。襯管111從管柱123接收蒸汽以將其輸送進入儲層31。多個閥125間隔地位于跟部117和趾部121之間。閥125之間的軸向距離能被調節(jié)以適當、均勻或準確地輸送蒸汽進入儲層。參考圖4和圖5，其示出了處于打開位置(圖4)和關閉位置(圖5)的閥125。閥125設置為使蒸汽從襯管111內部通過孔口 127流通到儲層31的生產段。閥125可以位于襯管111的內表面上也可以位于襯管的外表面上。雖然閥125如圖3所示附接到襯管111，本領域技術人員將認識到管柱123可以貫穿水平段115延伸并且閥125可以替代地連接到所述管柱。
閥125包括閥罩129，該閥罩限定了閥125的外部分，蒸汽流過該外部分。閥罩129首先從孔口 127的軸線徑向向外延伸一預定距離以限定閥125的直徑。閥罩129然后平行于孔口 127的軸線延伸、再往回徑向向內延伸以限定閥125的邊界。閥罩129徑向向內延伸的距離比徑向向外延伸的距離短以限定開口 130，蒸汽通過所述開口實現流通。閥125包括承載在閥罩129內的致動裝置131。致動裝置131包括閥基體133和閥殼135，所述閥基體和閥殼限定了閥致動室137。引導部件139連接到閥基體133，所述引導部件在致動裝置131驅動時在打開位置和關閉位置之間引導閥球141。閥球141與在鄰近閥125的孔口 127部分中形成的閥座143相接合以及脫離接合。襯管111可以包括用于接收閥罩129的凹陷部145。所述凹陷部145優(yōu)選地由孔口 127徑向向外一預定距離形成以便因此形成閥連接器147。閥連接器147沿孔口 127的軸線延伸以與閥125接合。本領域技術人員容易理解存在多種方式使閥125與閥連接器147連接。例如，閥連接器147可以帶有螺紋而用于與閥罩129螺紋接合?？纱娴?，閥罩129在閥連接器147的上方可以具有一預定的空隙以形成壓配合，或者以便于當襯管11被 加熱時形成壓配合。定位部件149優(yōu)選地位于閥罩129和致動裝置131的閥基體133之間以便當閥球141在打開位置(圖4)時存在用于蒸汽流通的間隙。當在關閉位置時(圖5)閥球141與閥座143接合而使得蒸汽流通停止或受到影響。致動裝置131還包括致動部件151,該致動部件與閥球141接合并且在打開位置和關閉位置之間驅動閥球。當溫度超過一預定值或降低而低于一預定值時，致動裝置131相應地在圖4所示的打開位置和圖5所示的關閉位置之間驅動。這可以采用例如雙金屬材料、智能記憶金屬/合金或者它們的結合這樣的技術實現。這些技術在現有技術中是已知的，例如在申請?zhí)枮镹o. 12/262，750的美國專利申請中記載的。在一個實施方式中，當超過200攝氏度時，致動機構驅動至關閉位置，而當降低到低于200攝氏度時，致動機構驅動至打開。在另一個實施方式中，當超過400攝氏度時，致動機構驅動至關閉位置，而當降低到低于400攝氏度時，致動機構驅動至打開。在另一個實施方式中，致動機構設計為在大約200攝氏度到大約400攝氏度之間進行驅動。通常致動溫度點基于井的特性、儲層特性以及使稠原油在儲層中移動所需熱量的量來決定。致動裝置131可以設有一初始彈性系數使得在襯管111承受注入的蒸汽的壓力之前，閥球141被驅動至關閉位置。然后，致動裝置131和閥球141 一直保持打開，直到致動裝置131的溫度超過將閥球141驅動至關閉位置所必須的預定溫度。可選擇地，在閥球141和閥殼135之間可設置一彈簧(未不出)以在蒸汽對襯管111施壓之前將閥球141偏壓至關閉位置。在操作中，管柱123將蒸汽輸送至襯管111。蒸汽從跟部117運行至趾部121。在從跟部117運行至趾部121期間，部分蒸汽通過打開的閥125和孔口 127流通進入儲層31。在優(yōu)選的實施方式中，閥125在襯管111被來自管柱123的蒸汽輸送施壓之前被偏壓至關閉位置。一旦蒸汽輸送至襯管111并且襯管111內的壓力增加至超過一預定值，閥125打開使得蒸汽輸送至儲層31。取決于閥125是位于襯管111的內表面還是外表面，蒸汽或通過開口 130 (閥在內部定位時)或通過孔口 127處的閥座143和閥球之間的部分(閥在外部定位時)流通進入該閥。當蒸汽為了輸送進入儲層31而在開口 130和閥座143與閥球141間的空隙之間流通時，該蒸汽在閥罩129的內部和致動裝置131的外部之間流動。蒸汽還在閥球141和閥致動基體133之間流通以使得蒸汽在閥致動室137內收集。致動部件151暴露于閥致動室137內蒸汽中。由于蒸汽在閥致動室137內收集，致動部件151的溫度升高。當閥致動室137和致動部件151的溫度超過所述預定值時，致動部件151將閥球141從圖4所示的打開位置驅動至圖5所示的關閉位置。閥球141密封地與閥座143接合以致于蒸汽不再從襯管111流通至儲層31。當閥球141關閉，蒸汽也不再流通進入閥致動室137，因此使得致動部件151得以冷卻。當致動部件151冷卻至所述預定溫度之下，致動部件151驅動閥球141回到圖4所示的打開位置。這一打開和關閉的循環(huán)連續(xù)進行以幫助確保蒸汽從襯管111進入儲層31的均勻輸送。 雖然本發(fā)明僅以其某些形式示出，但是對本領域技術人員應該是顯而易見的是，本發(fā)明不限于此而是容許在不偏離本發(fā)明范圍的情況下進行各種變更。
權利要求
1.一種閥裝置，所述閥裝置用于控制流體通過所述閥裝置的流動，所述閥裝置包括 閥罩，所述閥罩限定了第一開口、第二開口以及在所述第一開口和所述第二開口之間延伸的通路； 閥座，所述閥座位于鄰近所述第一開口處；以及 致動機構，所述致動機構承載在所述閥罩內，所述致動機構包括 致動室，所述致動室具有在其內限定了室空間的剛性室本體； 密封元件，所述密封元件在關閉位置時與所述閥座接合以密封所述閥罩的所述第一開口 ；并且所述密封元件在打開位置時不與所述閥座接合；以及 致動部件，所述致動部件承載在所述致動室內，所述致動部件與所述密封元件相關聯(lián)以在所述室空間內的溫度超過一預定溫度時驅動所述密封元件至所述關閉位置。
2.如權利要求I所述的閥裝置，其中所述致動機構進一步包括定位部件，所述定位部件位于所述閥罩和所述致動室的所述剛性室本體之間，用來為所述通路提供空隙。
3.如權利要求I所述的閥裝置，其中當所述密封元件在所述打開位置時，所述室空間與所述第一開口流體連通以便使所述室空間接收流體。
4.如權利要求3所述的閥裝置，其中所述致動部件適于在所述室空間內的流體超過所述預定溫度時驅動所述密封元件至所述關閉位置。
5.如權利要求4所述的閥裝置，其中所述致動機構進一步包括定位部件，所述定位部件位于所述閥罩和所述致動室的所述剛性室本體之間，用來為所述通路提供空隙。
6.如權利要求4所述的閥裝置，其中所述致動部件是雙金屬材料部件。
7.如權利要求4所述的閥裝置，其中所述致動機構具有初始彈性系數使得所述致動機構將所述密封元件驅動至所述關閉位置，直到一預定壓力施加到所述密封元件為止。
8.如權利要求4所述的閥裝置，其中在所述室空間內的流體降低至所述預定溫度之下時，所述致動部件進一步將所述密封元件驅動至所述打開位置。
9.如權利要求I所述的閥裝置，其中所述致動部件是雙金屬材料部件。
10.如權利要求I所述的閥裝置，其中所述預定溫度在約200攝氏度到約400攝氏度之間。
11.如權利要求I所述的閥裝置，其中所述致動機構具有初始彈性系數使得所述致動機構將所述密封元件驅動到所述關閉位置，直到一預定壓力施加到所述密封元件為止。
12.如權利要求I所述的閥裝置，其中在所述室空間內的溫度降低至所述預定溫度之下時，所述致動部件進一步將所述密封元件驅動至所述打開位置。
13.如權利要求I所述的閥裝置，其中所述密封元件是閥球。
14.一種井配置，該井配置用于將蒸汽注入地下儲層，所述井配置包括 井筒，所述井筒與地下儲層的生產段流體連通；所述井筒包括一基本豎直段和一基本水平段，所述基本水平段從所述基本豎直段的下部延伸，所述基本水平段限定了跟部和趾部，該跟部位于鄰近所述基本豎直段處，該趾端部位于遠離所述基本豎直段的遠端，以及多個閥裝置，所述多個閥裝置軸向地設置在所述基本水平段上以將所述基本水平段內的蒸汽排出至地下儲層的生產段，每個閥裝置包括 閥罩，所述閥罩限定了第一開口、第二開口以及在所述第一開口和所述第二開口之間延伸的通路；閥座，所述閥座位于鄰近所述第一開口處；以及 致動機構，所述致動機構承載在所述閥罩內，所述致動機構包括 致動室，所述致動室具有在其內限定了室空間的剛性室本體； 密封元件，所述密封元件在關閉位置時與所述閥座接合以密封所述閥罩的所述第一開口 ；并且所述密封元件在打開位置時不與所述閥座接合；以及 致動部件，所述致動部件承載在所述致動室內，所述致動部件與所述密封元件相關聯(lián)以在所述室空間內的溫度超過一預定溫度時驅動所述密封元件至所述關閉位置。
15.如權利要求14所述的井裝置，其中 所述預定溫度在約200攝氏度到約400攝氏度之間；并且 所述致動部件在所述室空間內的溫度降低至低于所述預定溫度下時進一步將密封元件驅動至所述打開位置。
全文摘要
公開了一種用于提高和改進稠油開采的方法和設備。水平井鉆入稠油地層。一襯管包括多個溫度致動閥以更均勻地沿著襯管的跟部和趾部輸送蒸汽。所述溫度致動閥包括致動機構，所述致動機構從打開位置到關閉位置進行驅動以控制蒸汽通過溫度致動閥的流動。所述致動機構在其超過一預定溫度時驅動至關閉位置。蒸汽中的熱量提高了重原油的流動性并降低了其粘度，原油隨后通過傳統(tǒng)的提升裝置被開采到地表。
文檔編號E21B43/24GK102741501SQ201080062866
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2009年12月14日
發(fā)明者D·B·弗里曼 申請人:雪佛龍美國公司