專利名稱:在地下井中使用的可變流動限制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明大體涉及一種與地下井結(jié)合而利用的設(shè)備和執(zhí)行的操作,并且在以下描述的示例中,更具體地提供一種可變流動限制器。
背景技術(shù):
在產(chǎn)烴井(hydrocarbon production well)中,能夠調(diào)節(jié)從地層進(jìn)入井眼內(nèi)的流體流動是非常有益的。這種調(diào)節(jié)可服務(wù)于多種目的,包括防止水或氣錐、最小化產(chǎn)砂量、最小化產(chǎn)水量和/或產(chǎn)氣量、最大化產(chǎn)油量、在多個帶(zone)之間平衡產(chǎn)量,等等。因此應(yīng)理解,在上述情況下,在井中可變地限制流體流動的領(lǐng)域中的進(jìn)步是符合期望的,并且這類進(jìn)步在大量的其他情況下也將是有益的。
發(fā)明內(nèi)容
在以下的公開內(nèi)容中,提供一種可變流阻系統(tǒng),其為可變地限制井中流體流動的技術(shù)領(lǐng)域帶來改進(jìn)。以下描述了一個示例,其中,提供一種設(shè)有多個結(jié)構(gòu)的流室,這些結(jié)構(gòu)引起對通過室的流動的限制,以增加流體成分中不期望流體對期望流體的比值。在一個方案中,本發(fā)明向本技術(shù)領(lǐng)域提供了一種在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括流體成分流經(jīng)的流室。該室具有至少一個入口、出口、以及相對于該出口被螺旋式地定向的至少一個結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)引發(fā)流體成分的圍繞該出口的螺旋式流動。在另一方案中,在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng)可包括流室,該流室包括出口 ;至少一個結(jié)構(gòu),其引發(fā)流體成分的圍繞該出口的螺旋式流動;以及至少一個其他結(jié)構(gòu),其阻礙沿流體成分的流動方向徑向地朝向出口改變。一旦仔細(xì)考慮以下對代表性示例的詳細(xì)描述和附圖,這些和其他的特征、優(yōu)勢和益處對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言就將是顯而易見的,其中,在多個附圖中利用相同的附圖標(biāo)記來指代相似的元件。
圖1是能夠體現(xiàn)本發(fā)明的原理的井系統(tǒng)的示意性的局部剖視圖;圖2是井系統(tǒng)的一部分的放大比例的剖視圖;圖3A和圖3B是沿圖2中的線3_3截取的可變流阻系統(tǒng)的進(jìn)一步放大比例的剖視圖,其中圖3A示出經(jīng)過該系統(tǒng)的相對高速、低密度的流動,而圖3B示出經(jīng)過該系統(tǒng)的相對低速、高密度的流動;圖4是該可變流阻系統(tǒng)的另一構(gòu)造的剖視圖。
具體實(shí)施例方式圖1代表性地示出了能夠體現(xiàn)本發(fā)明的原理的井系統(tǒng)10。如圖1所示,井眼12具有從套管16向下延伸的大體豎直的未設(shè)套管區(qū)段14,以及通過地層20延伸的大體水平的未設(shè)套管區(qū)段18。管柱22 (tubular string)例如為生產(chǎn)管柱(production tubing string),被安裝在井眼12中。多個井篩24、可變流阻系統(tǒng)25和封隔器26在管柱22中互連。封隔器26將在管柱22與井眼區(qū)段18之間徑向地形成的環(huán)空28封堵起來。以這種方式,流體30可經(jīng)由環(huán)空28 (這些環(huán)空位于相鄰的成對的封隔器26之間)的隔離部分從地層20的多個間隔區(qū)或帶產(chǎn)出。位于每對相鄰的封隔器26之間的井篩24和可變流阻系統(tǒng)25在管柱22中互連。井篩24過濾從環(huán)空28流入管柱22內(nèi)的流體30??勺兞髯柘到y(tǒng)25基于流體的某些特性,可變地限制流體30進(jìn)入管柱22內(nèi)的流量。在此請注意,圖中示出的以及本說明書在此描述的井系統(tǒng)10只不過是能夠利用本發(fā)明的原理的多種井系統(tǒng)中的一個示例。應(yīng)清楚地理解,本發(fā)明的原理絕不限于圖中示出的或者本說明書描述的井系統(tǒng)10或其部件的任何細(xì)節(jié)。例如,井眼12并非必須包括大體豎直的井眼區(qū)段14或大體水平的井眼區(qū)段18才算符合本發(fā)明的原理。流體30并非必須僅從地層20產(chǎn)出,在其他示例中,流體可被注入地層,流體可既被注入地層又從地層產(chǎn)出等。井篩24和可變流阻系統(tǒng)25中的每一個并非必須位于一對相鄰的封隔器26之間。單個可變流阻系統(tǒng)25并非必須與單個井篩24結(jié)合使用。可使用任意數(shù)量、設(shè)置方式和/或組合的這些部件。并非任何可變流阻系統(tǒng)25都必須與井篩24 —起使用。例如,在注入操作中,注入的流體可流經(jīng)可變流阻系統(tǒng)25,而不流經(jīng)井篩24。井篩24、可變流阻系統(tǒng)25、封隔器26或者管柱22的任何其他部件并非必須被置于井眼12的未設(shè)套管區(qū)段14、18中。根據(jù)本發(fā)明的原理,井眼12中的任何區(qū)段可設(shè)有套管或不設(shè)有套管,并且管柱22的任何部分可位于井眼的未設(shè)套管區(qū)段或設(shè)有套管的區(qū)段中。因此,應(yīng)清楚地理解,本發(fā)明描述了如何形成和使用某些示例,但本發(fā)明的原理不限于那些示例的任何細(xì)節(jié)。而是,利用從本發(fā)明獲得的知識,能夠?qū)⒛切┰響?yīng)用于許多其他示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解,能夠調(diào)節(jié)從地層20的每個帶進(jìn)入管柱22內(nèi)的流體30的流量是有益的,例如用以防止在地層中的水錐32或者氣錐34。井中的流量調(diào)節(jié)的其他用途包括但不限于平衡來自多個帶的產(chǎn)出(或?qū)Χ鄠€帶的注入)、最小化不期望流體的產(chǎn)出或注入、最大化期望流體的產(chǎn)出或注入,等等。以下更充分地描述的可變流阻系統(tǒng)25的示例可通過以下方式來提供這些益處如果流體速度增加到超過選定水平,則增大流阻(例如由此平衡多個帶間的流量、防止水錐或氣錐等等);或者如果流體粘度降低到選定水平以下,則增大流阻(例如由此限制產(chǎn)油井中諸如水或氣體之類的不期望流體的流量)。流體是否是期望流體或不期望流體取決于正在進(jìn)行的生產(chǎn)或注入操作的目的。例如,如果期望從井中產(chǎn)出油,但不產(chǎn)出水或氣,則油是期望流體,而水和氣是不期望流體。請注意,在井下的溫度和壓力條件下,烴氣體實(shí)際上能夠完全地或者部分地處于液相。因此,應(yīng)理解,當(dāng)本說明書中使用術(shù)語“氣體”時,超臨界相、液相和/或氣相均被包括在該術(shù)語的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在再參考圖2,其代表性地示出了可變流阻系統(tǒng)25之一和井篩24之一的一部分的放大比例的剖視圖。在該示例中,流體成分36 (可包括一種或多種流體,如油和水、液態(tài)水和蒸汽、油和氣、氣和水、油、水和氣,等等)流入井篩24內(nèi),因此被過濾,然后流入可變流阻系統(tǒng)25的入口 38內(nèi)。流體成分可包括一種或多種不期望流體或期望流體。流體成分中可組合有蒸汽和水兩者。作為另一示例,流體成分中可組合有油、水和/或氣?;诹黧w成分的一個或多個特性(如粘度、速度、密度等),流體成分36通過可變流阻系統(tǒng)25的流量受到限制。流體成分36然后從可變流阻系統(tǒng)25經(jīng)由出口 40被排放到管柱22的內(nèi)部。在另一示例中,井篩24可不與可變流阻系統(tǒng)25結(jié)合使用(例如在注入操作中),流體成分36可沿反方向流經(jīng)井系統(tǒng)10的多個元件(例如在注入操作中),單個可變流阻系統(tǒng)可與多個井篩結(jié)合使用,多個可變流阻系統(tǒng)可與一個或多個井篩一起使用,流體成分可從井中的不同于環(huán)空或管柱的多個區(qū)域中被接收、或被排放到井中的不同于環(huán)空或管柱的多個區(qū)域內(nèi),流體成分可在流經(jīng)井篩之前流經(jīng)可變流阻系統(tǒng),任何其他部件可與井篩和/或可變流阻系統(tǒng)在上游或下游互連,等等。因此應(yīng)理解,本發(fā)明的原理并不限于圖2中示出的和在本說明書中描述的示例的細(xì)節(jié)。雖然圖2中示出的井篩24屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉的繞絲井篩(wire-wrappedwell screen)類型,但在其他示例中可使用任何其他類型的井篩或者多種井篩的組合(如燒結(jié)式的、膨脹式的、預(yù)填充式的、金屬絲網(wǎng)等)。如果期望的話,也可使用額外的部件(如護(hù)罩、分流管、線路、儀器、傳感器、流入控制裝置,等等)。圖2示出了可變流阻系統(tǒng)25的簡化形式,但在優(yōu)選示例中,如以下更充分地描述的,該系統(tǒng)可包括用于執(zhí)行多種功能的多個通道和裝置。另外,系統(tǒng)25優(yōu)選至少部分地圍繞管柱22沿周向延伸,或者該系統(tǒng)可在管式結(jié)構(gòu)的壁中形成,作為管柱22的一部分而互連。在其他示例中,系統(tǒng)25可不圍繞管柱沿周向延伸或形成于管式結(jié)構(gòu)的壁中。例如,系統(tǒng)25可在平面結(jié)構(gòu)中形成,等等。系統(tǒng)25可處于被附接到管柱22的單獨(dú)殼體中,或可被定向為使得出口 40的軸線平行于管柱的軸線。系統(tǒng)25可以處于測井管柱(loggingstring)上,或被附接到形狀不是管狀的裝置上。根據(jù)本發(fā)明的原理可使用任何方向或構(gòu)造的系統(tǒng)25。現(xiàn)在再參考圖3A和圖3B,其代表性地示出了系統(tǒng)25的一個示例的更詳細(xì)的剖視圖。系統(tǒng)25在圖3A和圖3B中被示出為其構(gòu)造上似乎屬于平面式的,但是如果期望的話,系統(tǒng)也可代之以(例如在管狀構(gòu)件的側(cè)壁中)沿周向延伸。圖3A示出可變流阻系統(tǒng)25,其中流體成分36流經(jīng)位于入口 38與出口 40之間的流室(flow chamber)420在圖3A中,流體成分36具有相對較低的粘度和/或相對較高的速度。例如,如果氣體或水是不期望流體而油是期望流體,則圖3A中的流體成分36具有相對較高的不期望流體對期望流體的比值。請注意,流室42設(shè)有結(jié)構(gòu)44,這些結(jié)構(gòu)引起流體成分36的圍繞出口 40的螺旋式流動。即,使得流體成分36稍微環(huán)形地圍繞出口 40、并且稍微徑向地朝向出口 40流動。優(yōu)選地,結(jié)構(gòu)44還阻礙流體成分36的流動方向徑向地朝向出口 40改變。因此,雖然由結(jié)構(gòu)44引發(fā)的流體成分36的螺旋式流動確實(shí)具有環(huán)向分量和徑向分量兩者,但這些結(jié)構(gòu)優(yōu)選地阻礙徑向分量增大。在圖3A的示例中,結(jié)構(gòu)44沿流體成分36的流動方向彼此間隔開。這些結(jié)構(gòu)44之間的間隔優(yōu)選沿流體成分36的流動方向遞增地減小。圖3A示出了至室42的兩個進(jìn)口 46,其中每個進(jìn)口具有一系列與其關(guān)聯(lián)的間隔開的結(jié)構(gòu)44。然而,應(yīng)理解,根據(jù)本發(fā)明的原理,可設(shè)置任意數(shù)量的進(jìn)口 46和結(jié)構(gòu)44。在室42中有設(shè)置額外的結(jié)構(gòu)48,用于阻礙流體成分36朝向徑向流動的改變。如圖3A所示,這些結(jié)構(gòu)48沿周向和徑向彼此間隔開。結(jié)構(gòu)44、48之間的間隔確實(shí)最終讓流體成分36能夠流到出口 40,但是能量因流體成分圍繞出口的螺旋式和環(huán)形的流動而消散,因此流體成分受到了相對較大的流阻。當(dāng)流體成分36的粘度降低和/或當(dāng)流體成分的速度增加(例如,由于流體成分中期望流體對不期望流體的比值降低)時,對流動的這種阻力(流阻)將增大。相反地,當(dāng)流體成分36的粘度增大和/或當(dāng)流體成分的速度減小(例如,由于流體成分中期望流體對不期望流體的比值增大)時,對流動的這種阻力將減小。在圖3B中,示出的是在上述的流體成分36中期望流體對不期望流體的比值增大的情況下的系統(tǒng)25。由于具有較高的粘度和/或較低的速度,流體成分36能夠更容易地流過結(jié)構(gòu)44、48之間的間隔。以這種方式,與圖3A的示例相比,流體成分36在圖3B的示例中更加直接地流到出口 40。這就是說,圖3B的示例中的流體成分存在一些螺旋式流動,但這遠(yuǎn)少于圖3A的示例中流體成分的螺旋式流動。因此,與圖3A的示例相比,圖3B的示例中的能耗和流阻大幅減少?,F(xiàn)在再參照圖4,其代表性地示出可變流阻系統(tǒng)25的另一構(gòu)造。在此構(gòu)造中,與圖3A和圖3B的構(gòu)造相比,具有多得多的至室42的進(jìn)口 46,并且具有沿徑向間隔開的兩組螺旋式流動引發(fā)結(jié)構(gòu)44。因此,應(yīng)理解,可構(gòu)造許多種不同結(jié)構(gòu)的可變流阻系統(tǒng),而不背離本發(fā)明的原理。請注意,進(jìn)口 46沿流體成分36的流動方向逐漸地狹窄。流動面積這樣變窄稍微增大了流體成分36的速度。如同圖3A和圖3B的構(gòu)造,通過圖4的系統(tǒng)25的流阻將隨著流體成分36的粘度降低和/或隨著流體成分的速度增大而增大。相反地,通過圖4的系統(tǒng)25的流阻將隨著流體成分36的粘度增大和/或隨著流體成分的速度減小而減小。在以上描述的每種構(gòu)造中,結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可在室42的一個或多個壁上形成為葉片或凹部。如果形成為葉片,結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可從室42的壁(多個)向外延伸。如果形成為凹部,結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可從室42的壁(多個)向內(nèi)延伸。引發(fā)流體成分36的期望流動方向的功能,或者抵抗流體成分的流動方向改變的功能可借助任何類型、任何數(shù)量、任何間隔或任何構(gòu)造的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行?,F(xiàn)在可完全地理解,以上公開的內(nèi)容對于可變地限制井中流體流量的技術(shù)提供了多種重大改進(jìn)。優(yōu)選地,上述的可變流阻系統(tǒng)25的多個示例自主地且自動地操作,并且不需要任何移動部件以可靠地調(diào)節(jié)地層20與管柱22的內(nèi)部之間的流動。一方面,以上公開的內(nèi)容描述了一種在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng)25。系統(tǒng)25可包括流體成分36流經(jīng)的流室42。流室42具有至少一個入口 38、出口 40、以及至少一個結(jié)構(gòu)44,上述至少一個結(jié)構(gòu)相對于出口 40被螺旋式地定向,由此結(jié)構(gòu)44引發(fā)流體成分36的圍繞出口 40的螺旋式流動。另一方面,上述的可變流阻系統(tǒng)25包括流室42,流室42包括出口 40 ;至少一個結(jié)構(gòu)44,其引發(fā)流體成分36的圍繞出口 40的螺旋式流動;以及至少一個其他結(jié)構(gòu)48,其阻礙流體成分36的流動方向徑向地朝向出口 40的改變。流體成分36優(yōu)選在井中流經(jīng)流室42。結(jié)構(gòu)48漸增地阻礙方向徑向地朝向出口 40改變,以響應(yīng)以下至少之一 a)流體成分36的增大的速度;b)流體成分36的減小的粘度;以及c)流體成分36中期望流體對不期望流體的減小的比值。結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可包括葉片和凹部中的至少一種。結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可相對于室42的壁而以向內(nèi)和向外至少一種方式突出。結(jié)構(gòu)44和/或結(jié)構(gòu)48可包括間隔開的多個結(jié)構(gòu)。相鄰的多個結(jié)構(gòu)44之間的間隔可沿流體成分36的螺旋式流動的方向減小。隨著流體成分36的粘度增大、隨著流體成分36的速度減小、和/或隨著流體成分36中的期望流體對不期望流體的比值增大,流體成分36優(yōu)選更直接地流到出口 40。應(yīng)理解,上述的多種示例可用于多種方向(如傾斜的、顛倒的、水平的、豎直的等)和多種結(jié)構(gòu),而不背離本發(fā)明的原理。圖中示出的實(shí)施例僅作為本發(fā)明的原理的有效應(yīng)用的示例來示出和描述,本發(fā)明不限于這些實(shí)施例的任何具體細(xì)節(jié)。在以上對本發(fā)明的代表性示例的描述中,方向術(shù)語如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等等是參照附圖為了方便而使用的。通常,“上方”、“上部”、“向上”以及相似的術(shù)語涉及沿著井眼朝向地球表面的方向,而“下方”、“下部”、“向下”以及相似的術(shù)語涉及沿著井眼遠(yuǎn)離地球表面的方向。當(dāng)然,一旦仔細(xì)考慮以上對代表性實(shí)施例的描述,本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解,對這些具體實(shí)施例可進(jìn)行許多更改、添加、替換、刪減以及其他改變,并且這些改變處于本發(fā)明的原理的范圍內(nèi)。因此,前述詳細(xì)的描述應(yīng)被清楚地理解為僅作為說明和示例給出,本發(fā)明的精神和范圍僅由所附權(quán)利要求書及其等價物進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括: 流體成分流經(jīng)的流室,所述室具有至少一個入口、出口、以及相對于所述出口被螺旋式地定向的至少一個結(jié)構(gòu),由此所述結(jié)構(gòu)引發(fā)流體成分的圍繞所述出口的螺旋式流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,所述流體成分在所述井中流經(jīng)所述流室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,所述結(jié)構(gòu)阻礙所述流體成分的流動方向徑向地朝向所述出口改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其中,所述結(jié)構(gòu)漸增地阻礙方向徑向地朝向所述出口改變,以響應(yīng)以下至少之一:a)所述流體成分的增大的速度;b)所述流體成分的減小的粘度;以及c)所述流體成分中期望流體對不期望流體的減小的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,所述結(jié)構(gòu)包括葉片和凹部中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,所述結(jié)構(gòu)相對于所述室的壁以向內(nèi)和向外至少一種方式突出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,所述至少一個結(jié)構(gòu)包括間隔開的多個結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中,相鄰的所述多個結(jié)構(gòu)之間的間隔沿流體成分的螺旋式流動的方向減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分的粘度增大,流體成分更直接地從所述入口流到所述出口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分的速度減小,流體成分更直接地從所述入口流到所述出口。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分中期望流體對不期望流體的比值增大,流體成分更直接地從所述入口流到所述出口。
12.—種在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括: 流室,包括:出口 ;至少一個第一結(jié)構(gòu),引發(fā)流體成分的圍繞所述出口的螺旋式流動;以及至少一個第二結(jié)構(gòu),阻礙流體成分的流動方向徑向地朝向所述出口改變。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,流體成分在所述井中流經(jīng)所述流室。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述第二結(jié)構(gòu)漸增地阻礙方向徑向地朝向所述出口改變,以響應(yīng)以下至少之一:a)流體成分的增大的速度;b)流體成分的減小的粘度;以及c)流體成分中期望流體對不期望流體的減小的比值。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述第一結(jié)構(gòu)包括葉片和凹部中的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述第二結(jié)構(gòu)包括葉片和凹部中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述第一結(jié)構(gòu)相對于所述室的壁以向內(nèi)和向外至少一種方式突出。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述第二結(jié)構(gòu)相對于所述室的壁以向內(nèi)和向外至少一種方式突出。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述至少一個第二結(jié)構(gòu)包括間隔開的多個第二結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,所述至少一個第一結(jié)構(gòu)包括間隔開的多個第一結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng),其中,相鄰的所述多個第一結(jié)構(gòu)之間的間隔沿流體成分的螺旋式流動的方向減小。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分的粘度增大,流體成分更直接地流到所述出口。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分的速度減小,流體成分更直接地流到所述出口。
24.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中,隨著流體成分中期望流體對不期望流體的比值增大,流體成分更直接 地從所述入口流到所述出口。
全文摘要
一種在地下井中使用的可變流阻系統(tǒng),可包括流體成分流經(jīng)的流室,該室具有至少一個入口、出口、以及相對于該出口被螺旋式地定向的至少一個結(jié)構(gòu),由此該結(jié)構(gòu)引發(fā)流體成分的圍繞該出口的螺旋式流動。在地下井中使用的另一種可變流阻系統(tǒng)可包括流室,該流室包括出口;至少一個結(jié)構(gòu),其引發(fā)流體成分的圍繞該出口的螺旋式流動;以及至少一個其他結(jié)構(gòu),其阻礙沿流體成分的流動方向徑向地朝向出口改變。
文檔編號E21B43/12GK103080467SQ201180041339
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者賈森·D·戴克斯特拉, M·L·夫瑞普, 盧克·W·霍爾德曼 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司