具有用于井下流體選擇的可動閥板的自主流體控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了用于自動地控制流體在地下井中的流動的設(shè)備和方法，其中，基于流體特性例如隨時間改變的粘度或密度來控制流體流動。流體流入渦流組件內(nèi)，其中，離心力被施加至流體。粘度較小的流體具有比粘度較大的流體相對更大的速率和離心力。流體通過渦流出口和周緣出口兩者離開渦流室。自主閥元件在打開位置與關(guān)閉位置之間移動；在打開位置，流體通過周緣出口自由地流動，而在關(guān)閉位置，流體通過周緣出口的流動被限制。閥元件由流體的離心力來移動，使得具有較大離心力的流體將閥元件移動至關(guān)閉位置，由此減小通過渦流組件的全部流體流。
【專利說明】具有用于井下流體選擇的可動閥板的自主流體控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及用于選擇性控制流體從含烴地層中的地層進(jìn)入井眼中的生產(chǎn)套管內(nèi)的流動的方法和設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及用于根據(jù)流體流動的某種特性例如粘度或密度，通過利用具有多個出口(其中至少一個出口能夠由閥元件來關(guān)閉，閥元件則由渦流中的流體的離心力致動)的渦流室，來控制流體流動的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在對穿過含烴地層的井進(jìn)行完井操作期間，生產(chǎn)管和各種設(shè)備被安裝在井中，從而能夠安全且有效地生產(chǎn)流體。例如，為防止從非固結(jié)或松散固結(jié)的地層產(chǎn)出顆粒材料，有些完井包括位于期望生產(chǎn)區(qū)段附近的一個或多個防砂篩。在其它完井中，為控制生產(chǎn)流體進(jìn)入生產(chǎn)管的流量，通常的做法是與完井管柱一起安裝一個或多個流入控制裝置。
[0003]來自任何給定生產(chǎn)管段的產(chǎn)出物經(jīng)常會具有多個流體成分，例如天然氣、油和水，且生產(chǎn)流體的成分比例隨時間而變化。因此，隨著流體成分的比例變化，流體流動特性也將類似地變化。例如，當(dāng)生產(chǎn)流體中的天然氣量比例較高時，與流體中的油量比例較高時相t匕，流體的粘度將會較低且流體的密度也會較低。經(jīng)常期望減少或防止產(chǎn)出一種成分以利于產(chǎn)出另一種成分。例如，在產(chǎn)油井中，就可能期望減少或排除天然氣的產(chǎn)出而最大化油的產(chǎn)出。盡管多種井下工具已被用來基于流體的需求而控制流體的流動，但仍然需要在各種流動條件下都可靠的用于控制流體流入的控流系統(tǒng)。此外，還需要自主地操作、亦即響應(yīng)井下條件的變化，而無需來自地面由操作者發(fā)送的信號的控流系統(tǒng)。此外，還需要沒有運(yùn)動式機(jī)械部件的控流系統(tǒng)，上述運(yùn)動式機(jī)械部件在不利的井下條件下(包括由于流體中的砂礫的腐蝕或阻塞效應(yīng))容易發(fā)生故障。類似問題在注入(流體流入而不是流出地層)的情況下也會產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]所描述的是用于自動地控制流體在地下井中的流動的設(shè)備和方法，其中，流體流動基于隨著時間改變的流體特性而被控制。在優(yōu)選實施例中，流體流入渦流組件內(nèi)，在該渦流組件中離心力施加至流體上。粘度較小的或較不稠的流體(例如水或天然氣)，將具有比粘度較大的或較稠的流體(例如油)大的速率和離心力。流體通過位于底部的渦流出口和沿渦流壁設(shè)置的周緣出口兩者離開渦流室。自主的樞轉(zhuǎn)閥元件在打開位置與關(guān)閉位置之間移動；在打開位置，流體通過周緣出口自由地流動；而在關(guān)閉位置，流體通過周緣出口的流動被減少或防止。閥元件由流體的離心力移動，使得具有較大離心力的粘度較小的流體將閥元件移動至關(guān)閉位置，由此減小通過渦流組件的全部的流體流。在一優(yōu)選實施例中，樞轉(zhuǎn)閥元件是懸臂。優(yōu)選地，樞轉(zhuǎn)閥元件朝向打開位置被彈簧偏置，使得樞轉(zhuǎn)閥元件在離心力減小時，例如在流體粘度降低時重新打開。
【專利附圖】

【附圖說明】[0005]為更完整地理解本發(fā)明的多個特征和優(yōu)點，現(xiàn)連同附圖一起參考對于本發(fā)明的詳細(xì)描述，其中，不同附圖中的對應(yīng)附圖標(biāo)記指代對應(yīng)的部分，且附圖中:
[0006]圖1是包括根據(jù)本發(fā)明一實施例的多個自主流體控流系統(tǒng)的井系統(tǒng)的示意圖；
[0007]圖2為俯視圖，亦即實施本發(fā)明的原理的利用渦流組件的自主流體控流裝置的流體流動示意圖；
[0008]圖3為側(cè)視圖，亦即實施本發(fā)明的原理的利用渦流組件的流體控流裝置的剖視圖；
[0009]圖4為俯視圖，亦即根據(jù)本發(fā)明一實施例的自主流體控流裝置的流體流動示意圖，該自主流體控流裝置使高粘度流體通過該自主流體控流裝置流動，且閥元件處于打開位置；
[0010]圖5為俯視圖，亦即根據(jù)本發(fā)明一實施例的自主流體控流裝置的流體流動示意圖，該自主流體控流裝置使低粘度流體通過該自主流體控流裝置流動，且閥元件處于關(guān)閉位置；
[0011]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，定向術(shù)語例如“之上”、“之下”、“上”、“下”、“向上”、“向下”
等等是與說明性實施例相關(guān)聯(lián)地按照它們在附圖中被示出的那樣來使用的，向上方向就是朝向?qū)?yīng)附圖的頂部，而向下方向就是朝向?qū)?yīng)附圖的底部。在情況與上述不同且術(shù)語被用來表示所需取向時，本說明書會作聲明或使其清楚?！吧嫌巍焙汀跋掠巍北挥脕肀硎鞠鄬τ诘孛娴奈恢没蚍较?，其中“上游”表示沿井眼朝向地面的相對位置或運(yùn)動，而“下游”表示沿井眼離開地面的相對位置或運(yùn)動。
【具體實施方式】
[0012]盡管以下詳細(xì)地描述了本發(fā)明的多個實施例的形成和應(yīng)用，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)識到，本發(fā)明提供了多個可應(yīng)用的創(chuàng)造性概念，這些創(chuàng)造性概念可在多種特定情境下具體實施。本說明書所述具體實施例以具體方式說明如何形成和應(yīng)用本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
[0013]利用自主控流裝置進(jìn)行流體流動控制及其應(yīng)用的描述可在以下美國專利和專利申請中找到，在此并入這些美國專利和專利申請中的每一個的全部內(nèi)容用于所有目的:申請日為 2004 年 3 月 25 日、名稱為 “Apparatus and Method For Creating PulsatingFluid Flow, And Method of Manufacture For the Apparatus，，、屬于Schultz 的美國專利第7404416號；申請日為2005年2月8日、屬于Webb、名稱為“Apparatus for CreatingPulsating Fluid Flow”的美國專利第6976507號；申請日為2009年12月10日、名稱為“Fluid Flow Control Device”、屬于Schultz的美國專利申請序列號12/635612 ;申請日為2010 年 4 月 29 日、名稱為 “Method and Apparatus for Controlling Fluid Flow UsingMovable Flow Diverter Assembly”、屬于 Dykstra 的美國專利申請序列號 12/770568 ;申請日為 2010 年 2 月 4 日、名稱為 “Method and Apparatus for Autonomous DownholeFluid Selection With Pathway Dependent Resistance System，，、屬于Dykstra的美國專利申請序列號12/700685 ;申請日為2010年3月30日、名稱為“Tubular Embedded NozzleAssembly for Controlling the Flow Rate of Fluids Downhole，，、屬于 Syed 的美國專利申請序列號12/750476 ;申請日為2010年6月2日、名稱為“Flow Path Control Basedon Fluid Characteristics to Thereby Variably Resist Flow in a SubterraneanWell”、屬于Dykstra的美國專利申請序列號12/791993 ;申請日為2010年6月2日、名稱為“Alternating Flow Resistance Increases and Decreases for Propagating PressurePulses in a Subterranean Well”、屬于 Fripp 的美國專利申請序列號 12/792095 ;申請日為 2010 年 6 月 2 日、名稱為 “Variable Flow Resistance System for Use in aSubterranean Well ”、屬于Fripp的美國專利申請序列號12/792117 ;申請日為2010年6月2 日、名稱為“Variable Flow Resistance System With Circulation Inducing StructureTherein to Variably Resist Flow in a Subterranean Well，，、屬于Dykstra的美國專利申請序列號12/792146 ;申請日為2010年9月10日、名稱為“Series Configured VariableFlow Resistors For Use In A Subterranean Well”、屬于 Dykstra 的美國專利申請序列號 12/879846 ;申請日為 2010 年 8 月 27 日、名稱為“Variable Flow Resistor For UseIn A Subterranean Well”、屬于Holderman的美國專利申請序列號12/869836 ;申請日為 2010 年 12 月 2 日、名稱為 “A Device For Directing The Flow Of A Fluid Using APressure Switch”、屬于Dykstra的美國專利申請序列號12/958625 ；申請日為2010年12月 21 日、名稱為“An Exit Assembly With a Fluid Director for Inducing and ImpedingRotational Flow of a Fluid”、屬于Dykstra的美國專利申請序列號12/974212 ;申請日為 2010 年 12 月 31 日、名稱為 “Cross-Flow Fluidic Oscillators for use with aSubterranean Well ”、屬于Schultz的美國專利申請序列號12/983144 ;申請日為2010年12 月 13 日、名稱為 “Cross-Flow Fluidic Oscillators for use with a SubterraneanWelI”、屬于Jean-Marc Lopez的美國專利申請序列號12/966772 ;申請日為2010年12月 31 日、名稱為 “Fluidic Oscillators For Use With A Subterranean Well (includesvortex) ”、屬于Schultz的美國專利申請序列號12/983153 ;申請日為2011年4月11日、名稱為 “Active Control for the Autonomous Valve”、屬于 Fripp 的美國專利申請序列號 13/084025 ;申請日為 2011 年 4 月 8 日、名稱為“Moving Fluid Selectors for theAutonomous Valve”、屬于Fripp的美國專利申請序列號61/473700 ; 申請人:為2011年4月8 日、名稱為“Sticky Switch for the Autonomous Valve”、屬于 Fripp 的美國專利申請序列號 61/473699 ;以及申請日為 2011 年 5 月 3 日、名稱為“Centrifugal Fluid Separator^,屬于Fripp的美國專利申請序列號13/100006。
[0014]圖1是一井系統(tǒng)的示意圖，該井系統(tǒng)一般以附圖標(biāo)記“10”表示，包括多個具體實施本發(fā)明的原理的自主控流系統(tǒng)。井眼12穿過多個地層延伸。井眼12具有基本豎直段14，基本豎直段的上部裝有套管柱16。井眼12還具有基本偏斜段18 (圖示為水平的)，基本偏斜段穿過含烴地層20延伸。如圖所示，井眼12的基本水平段18是裸眼段。盡管此處圖示為水平的、裸眼的井眼段，但本發(fā)明在任何取向上以及在裸眼井或下套管井中均有效。本發(fā)明也可同等良好地用于注入系統(tǒng)，如下所述。
[0015] 管柱22被設(shè)置在井眼12內(nèi)并從地面延伸。管柱22提供了用于使流體從地層20向上游行進(jìn)至地面的管路。多個自主控流系統(tǒng)25和多個生產(chǎn)管段24被設(shè)置在鄰近地層20的各個不同的生產(chǎn)區(qū)段中的管柱22內(nèi)。在每個生產(chǎn)管段24的任一端設(shè)有封隔器26，封隔器26在管柱22與井眼12的壁之間提供流體密封。每一對相鄰的封隔器26之間的空間限定生產(chǎn)區(qū)段。[0016]在所示實施例中，多個生產(chǎn)管段24中的每一個均具備防砂能力。與生產(chǎn)管段24相關(guān)的防砂篩元件或過濾介質(zhì)被設(shè)計成允許流體流過，但防止尺寸足夠大的顆粒物質(zhì)流過。盡管本發(fā)明無需具備與之相關(guān)的防砂篩，但若使用防砂篩的話，則與流體控流系統(tǒng)相關(guān)的防砂篩元件的精密設(shè)計對本發(fā)明而言并非關(guān)鍵。業(yè)界有許多廣為人知的用于防砂篩的設(shè)計，在此不作詳細(xì)討論。此外，在任何上述過濾介質(zhì)的外部周圍可設(shè)有具有多個穿過其中的穿孔的保護(hù)性外罩。
[0017]通過在一個或多個生產(chǎn)區(qū)段中使用本發(fā)明的控流系統(tǒng)25，能夠?qū)Ξa(chǎn)出流體的體積和成分實現(xiàn)一定程度的控制。例如，在產(chǎn)油操作中，如果不期望的流體成分，例如水、蒸汽、二氧化碳、或天然氣，進(jìn)入多個生產(chǎn)區(qū)段其中之一，則該區(qū)段中的控流系統(tǒng)就將自主地限制或阻止從該區(qū)段產(chǎn)出流體。
[0018]本說明書中使用的術(shù)語“天然氣”或“氣”的意思是在室溫和壓力條件下以氣相存在的烴類混合物(以及含量變化的非烴物質(zhì))。該術(shù)語并不表示天然氣在本發(fā)明的系統(tǒng)的井下位置也呈氣相。實際上應(yīng)理解，所述控流系統(tǒng)在壓力和溫度使得天然氣主要呈液化狀態(tài)的位置處使用(盡管可能存在其它成分并且某些成分可能呈氣態(tài))。本發(fā)明的概念對液體或氣體或同時存在液體與氣體兩者的情況下有效。
[0019]流入生產(chǎn)管段24內(nèi)的流體典型地包括超過一種流體成分。典型成分是天然氣、油、水、蒸汽、或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常被用作朝向生產(chǎn)管驅(qū)趕烴的注入流體，而天然氣、油和水則典型地原來就存在于地層中。這些成分在流入每個生產(chǎn)管段24內(nèi)的流體中的比例將隨時間且基于地層和井眼內(nèi)的條件而變化。類似的，在整個生產(chǎn)套管的長度上，流入各生產(chǎn)管段內(nèi)的流體的成分也會逐區(qū)段地顯著地變化。所述控流系統(tǒng)被設(shè)計成，當(dāng)任何具體區(qū)段具有較高比例的不期望成分時減少或限制來自該區(qū)段的產(chǎn)出。
[0020]因此，當(dāng)對應(yīng)于多個所述控流系統(tǒng)中的具體一個控流系統(tǒng)的生產(chǎn)區(qū)段產(chǎn)出較大比例的不期望流體成分時，該區(qū)段中的控流系統(tǒng)將限制或阻止來自該區(qū)段的生產(chǎn)流。因此，產(chǎn)出較大比例的期望流體成分(在本例中是油)的其它生產(chǎn)區(qū)段將會對進(jìn)入管柱22的產(chǎn)出流有較大貢獻(xiàn)。具體地，從地層20至管柱22的流量將會在流體必須流過控流系統(tǒng)(而不是簡單地流入管柱內(nèi))處減小。換言之，所述控流系統(tǒng)對于流體形成流動限制。
[0021]雖然圖1示出每個生產(chǎn)區(qū)段中設(shè)有一個控流系統(tǒng)，但應(yīng)理解，在一個生產(chǎn)區(qū)段內(nèi)可設(shè)置任何數(shù)目的本發(fā)明的系統(tǒng)，而并不偏離本發(fā)明的原理。類似地，本發(fā)明的控流系統(tǒng)并非必須與每一個生產(chǎn)區(qū)段相關(guān)。所述控流系統(tǒng)可僅設(shè)置在井眼內(nèi)的某些生產(chǎn)區(qū)段中，或可設(shè)置在管路通道中用以處理多個生產(chǎn)區(qū)段。
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的流體控制裝置的俯視圖，示出通過該流體控制裝置的流體流路。圖3是流體控制裝置的立面圖。該流體控制裝置基于渦流，并具有渦流組件30，渦流組件30具有渦流室32，渦流室32具有周緣壁34、頂面36(圖2未示出)、底面38 (底面向渦流出口 40傾斜)、以及周緣出口 42。該裝置可被用作流體控制系統(tǒng)25的一部分，與額外的自主流體控制裝置(例如被結(jié)合在本申請中的專利申請所描述的那些自主流體控制裝置)結(jié)合，被設(shè)置成與額外的流體控制系統(tǒng)、流入控制裝置串聯(lián)或并聯(lián)，以及被設(shè)置在這類裝置的上游或下游。
[0023]渦流出口 40優(yōu)選被中心式地定位在渦流室的底面38中，如圖所示，但是渦流出口40也可根據(jù)預(yù)期在渦流組件中產(chǎn)生的流體流動方式以及通過渦流組件出口的期望流動方式，被設(shè)置在底面38中。渦流出口 40與渦流出口通道44流體流通，渦流出口通道44引導(dǎo)流體從渦流組件30流向下游。例如，渦流出口通道44可引導(dǎo)流體例如通過管柱22流向地面、回到井眼12內(nèi)、流向其它管段24、根據(jù)應(yīng)用流向井上側(cè)或井下側(cè)，等等。
[0024]周緣出口 42位于渦流室的周緣，優(yōu)選地穿過周緣壁34形成開口。周緣出口 42與引導(dǎo)流體從渦流組件30流向下游的周緣出口通道46流體流通。例如，周緣出口通道46可引導(dǎo)流體例如通過管柱22流向地面、回到井眼12內(nèi)、流向其它管段24、根據(jù)應(yīng)用流向井上側(cè)或井下側(cè)，等等。出口通道44和46可連接至處于組件下游的相同或不同的通道。例如，在一個實施例中，流體從兩個出口通過生產(chǎn)管被引導(dǎo)向地面。其益處源于流經(jīng)這些出口的流體與未流經(jīng)的到達(dá)不同終點的流體的比率。在其它實施例中，出口通道可將流體引導(dǎo)至不同的終點。
[0025]渦流組件30具有入口 48 ;入口 48優(yōu)選地位于周緣壁34中，用以允許流體流入渦流室32內(nèi)。入口 48與入口通道50流體流通，入口通道50引導(dǎo)流體從上游流入渦流組件內(nèi)。例如，入口通道50可由來自井眼12的生產(chǎn)流體，由被引導(dǎo)通過生產(chǎn)區(qū)段中的通道、生產(chǎn)管、經(jīng)由篩管、ICD等等的生產(chǎn)流體，來提供流入渦流組件30內(nèi)的流體。
[0026]渦流組件30還包括自主樞轉(zhuǎn)元件52。如此處使用的，術(shù)語“樞轉(zhuǎn)”的意思是在軸線上或如同在軸線上那樣沿弧形或環(huán)形的路徑移動，或被設(shè)計為如此移動。在優(yōu)選實施例中，自主樞轉(zhuǎn)元件52被附接至渦流周緣壁34?？蛇x地，樞轉(zhuǎn)元件52可被附接至渦流頂面36、底面38、多個表面或插入元件(例如樞轉(zhuǎn)銷或桿、鉸接件、以及其它類型本領(lǐng)域中已知的樞轉(zhuǎn)連接件)的組合。自主樞轉(zhuǎn)元件可響應(yīng)由在渦流室中流動的流體施加在該元件上的力，在打開位置56(如在圖2和圖4中看到的那樣)與關(guān)閉位置58(如在圖5中看到的那樣)之間，沿路徑54移動。
[0027]閥元件52優(yōu)選地朝向打開位置56被偏置。偏置效果可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方式來實現(xiàn)。在優(yōu)選實施例中，樞轉(zhuǎn)元件52借助元件的剛性和彈性，朝向打開位置被偏置。亦即，元件52充當(dāng)響應(yīng)施加在表面60上的流體力而彎曲的懸臂彈簧(在本說明書中利用術(shù)語“樞轉(zhuǎn)”來涵蓋懸臂式的元件的彎曲)。懸臂式元件52的行為可基于元件尺寸、材料選擇、以及相關(guān)材料性能(例如彈性模量、密度、剪切模量等等)來選擇。在替代實施例中，例如，元件52可按照本領(lǐng)域中已知的方式，利用壓力(壓簧)、拉力(拉簧)、扭力(扭簧)、平面(片簧)、卷簧、板簧以及其它彈簧裝置來偏置。
[0028]此外，樞轉(zhuǎn)元件52例如可通過銷或桿被安裝至渦流組件上，元件52圍繞上述的銷或桿(未示出)轉(zhuǎn)動。優(yōu)選的懸臂設(shè)計的一個優(yōu)點是易于防止在元件的附接端周圍的流動。
[0029]如上所述，自主樞轉(zhuǎn)元件52，在打開位置56與關(guān)閉位置58之間沿彎曲路徑54移動。在優(yōu)選實施例中，元件在使用中移動至關(guān)閉位置，并有效地限制或減少通過周緣出口 42流動的流體。該元件可按照期望來設(shè)計，以在處于關(guān)閉位置時完全地防止通過周緣出口的流動或使流動減少。在優(yōu)選實施例中，元件52包括接觸面62,接觸面62在元件處于關(guān)閉位置時接觸周緣壁34。元件52也可接觸組件的頂面和底面和/或抵靠組件的頂面和底面密封。如在圖2和圖5中看到的，在一些實施例中，甚至在閥元件處于關(guān)閉位置時，相對少量的流體流可仍然在閥元件之上、之下或周圍流動。如果期望即使在元件處于關(guān)閉位置的情況下也有一定的流量，元件可被設(shè)計成減少但是不防止流體通過周緣出口流動。例如，懸臂式元件的長度或形狀可被選擇成，使得該元件不會完全地阻塞周緣出口，或懸臂式元件的剛度可使得該元件不會彎曲或移動至完全地阻塞流動的程度?？蛇x地，可在任何期望位置，通過達(dá)到偏置彈簧的移動極限或以其它方式，例如借助釘栓或止動件，來防止所述樞轉(zhuǎn)元件移動至完全地阻塞流動的位置。
[0030]在使用中，流體“F”通過入口 48流入入口通道50內(nèi)，并進(jìn)入渦流室32內(nèi)。渦流室32在流體中引發(fā)螺旋流動方式，例如像在圖4中看到的那樣。盤旋的流體隨著其在盤旋期間獲得速度而積聚起離心力。當(dāng)自主閥元件52處于打開位置時，流體借助渦流出口 40和周緣出口 42兩者離開渦流室32。渦流組件可按照期望被設(shè)計成使這些出口流動分開。例如，當(dāng)自主閥元件52處于其打開位置56時，渦流出口 40與周緣出口 42之間流體流可被分成60:40、50:50、40:60，或其它期望的比值。在關(guān)閉位置，流(量)比增大至100:0,90:10,80:20，或其它期望的或可能的比值。
[0031]流體流的一部分撞擊在自主閥元件52上。在優(yōu)選實施例中，流體流撞擊在元件52的表面60上。當(dāng)作用在元件52上的流體的離心力克服了使元件52朝向打開位置偏置的彈力時，元件52沿路徑54朝向關(guān)閉位置58移動。當(dāng)元件52朝向關(guān)閉位置移動時,流體通過周緣出口 42的流動減少，并且較大比例的流體被引導(dǎo)通過渦流出口 40流動。作用在元件上的力越大，元件朝向關(guān)閉位置就移動得越遠(yuǎn)，直到元件完全地關(guān)閉為止。在關(guān)閉位置58，如上所述，流體通過周緣出口 42的流動被減少或防止。在較大比例的流體通過潤流出口 40流動的情況下，通過組件30的總的流體流減少。通過組件的總流體減少量可通過組成部件的設(shè)計來選擇。例如，當(dāng)元件52處于關(guān)閉位置時，通過組件的總的流體流可降低70%或更多。當(dāng)撞擊在元件52上的流體的離心力減少到小于作用在元件52上的偏置力時，元件將會朝向打開位置56移動。
[0032]由于離心力隨時間而變化，所以元件52將響應(yīng)離心力和偏置力而在多個位置之間移動。在生產(chǎn)井中，流體成分的比例隨時間而改變，由此引起流體特性例如粘度、密度等等改變。例如，地層流體最初可具有較高比例的油以及較低比例的水和氣。在以后的時間中，地層流體可具有較高比例的水和氣以及較低比例的油。渦流組件30利用流體特性的改變，來改變流體通過組件的流動方式。隨著流體特性變化，例如變化到粘度相對較小或密度相對較小的狀態(tài)，所述閥元件將會因元件上的離心力和/或偏置構(gòu)件的力減小而打開。由于流體的特性隨時間而改變，閥元件將會打開和關(guān)閉許多次。
[0033]圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的渦流組件，相對高粘度的流體通過該渦流組件流動。當(dāng)?shù)貙恿黧w具有相對高的粘度時，例如當(dāng)?shù)貙恿黧w具有較高比例的油時，流體在相對低粘度條件下流動，并且流動方式趨向于切向的盤旋流動較少而徑向流動較多，如在圖3中看到的那樣。流體的粘度越低，相對速率就越低，從而產(chǎn)生相對小的離心力。較小的離心力將會在兀件表面60上產(chǎn)生相對小的力。例如，1000厘泊(cP)、每分鐘一加侖且處于14巴壓力條件下的油，在示例性組件上進(jìn)行模擬，從而在元件表面60上產(chǎn)生400kPa的壓力。相對低壓力和力不會移動元件52，元件52停留在打開位置56或靠近打開位置56。因此，相對更粘的流體通過渦流出口 40與周緣出口 46兩者，流經(jīng)渦流組件。
[0034]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的渦流組件，相對低粘度的流體通過該渦流組件流動。當(dāng)?shù)貙恿黧w改變至具有相對低的粘度(例如較高比例的氣或水)時，流體趨向于以較高速率、沿更為切向的路徑流動，從而產(chǎn)生圍繞渦流室的盤旋流動。這一流動方式可在圖4中看到。例如，每分鐘一加侖且處于6巴壓力條件下的水，在示例性組件上進(jìn)行模擬，從而在元件表面60上產(chǎn)生400kPa的壓力。類似地，0.02cP、每分鐘2加侖且處于3巴壓力條件下的氣，在表面60上產(chǎn)生300kPa壓力的模擬結(jié)果。相對較高的壓力和離心力趨向于朝向關(guān)閉位置58移動元件52，由此減少或防止流體流經(jīng)周緣出口 42。因此，相對低粘度的流體主要地或僅僅通過流出口 40，流經(jīng)渦流組件。這樣就有效地減少了通過組件的總的流體流(在組件中總的流體流是通過周緣出口和渦流出口的組合流)。
[0035]隨著流體特性在設(shè)有所述渦流組件的工具的使用期限中改變，該渦流組件將會使粘度較低的流體有相對較大的流速(flow rate),而使粘度較高的流體有相對較低的流速。當(dāng)粘度從相對高(例如油)改變至相對低(例如水或油)時，所述自主閥元件將會朝向關(guān)閉位置移動，并減少通過周緣出口的流動。當(dāng)粘度改變至相對較高的粘度時，例如在水和/或氣的比例下降而油的比例上升的情況下，所述自主閥元件朝向打開位置向回樞轉(zhuǎn)，通過組件的總流量(flow rate)增大。該元件將會由于流體粘度隨時間而改變繼續(xù)改變位置(此處說明系就粘度而言，但應(yīng)理解，類似的概念適用于觀察到不同的流體特性例如密度等等的情況)。
[0036]此處所述渦流組件30為示例性質(zhì)?？衫闷渌兝?例如多個入口，多個入口沿周緣壁處于不同位置，或在其它方式下，不同數(shù)目和位置的多個出口)，來改變渦流室的形狀及其側(cè)壁以及自主閥元件的不同形狀和尺寸，等等。此外，額外的特征，例如葉片、溝槽、以及其它定向元件可被添加至渦流室上。此處所述示例性實施例可在細(xì)節(jié)上修改，細(xì)節(jié)例如為入口通道與渦流壁之間的角度、周緣出口的位置、周緣出口和周緣壁的角度、多個通道的比例尺寸、腔室以及其它元件等等。
[0037]以上以示例性實施例的方式，提供了對所述組件在使用中的說明，其中，生產(chǎn)流體從地層被引導(dǎo)通過組件30。生產(chǎn)流體可在流過組件30之前和之后，通過篩管、通道、管狀段、環(huán)形通道等等流動。組件30也可如所結(jié)合的參考文獻(xiàn)所述且如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，被用于注入和其它的完井工作。本發(fā)明也可與其它控流系統(tǒng)，例如流入控制裝置、滑動套筒、以及業(yè)界中已廣為人知的其它控流裝置一起使用。本發(fā)明的系統(tǒng)與其它控流系統(tǒng)既可并聯(lián)、也可串聯(lián)。
[0038]盡管以上參考說明性實施例描述了本發(fā)明，但這種描述不應(yīng)在限定意義上被解讀。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，參考以上描述，對本發(fā)明的這些說明性實施例以及其它實施例的多種修改及組合方案將會是顯而易見的。因此，隨附權(quán)利要求書應(yīng)涵蓋任何這類修改方案或?qū)嵤├?br> 【權(quán)利要求】
1.一種用于自動地控制流體在地下井中的流動的設(shè)備，其中，流體流動的流體特性隨時間而改變，所述設(shè)備包括: 渦流組件，具有限定出渦流室的頂面、底面和周緣壁； 入口，提供進(jìn)入流體室內(nèi)的流體連通； 渦流出口，位于所述渦流室的底面處； 周緣出口，沿所述渦流室的周緣壁被設(shè)置；以及 自主樞轉(zhuǎn)閥元件，被附接至所述渦流組件，用于在打開位置與關(guān)閉位置之間移動，在所述打開位置允許流體通過所述周緣出口流動，而在所述關(guān)閉位置減少流體流動通過所述周緣出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樞轉(zhuǎn)閥元件是懸臂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樞轉(zhuǎn)閥元件朝向所述打開位置被偏置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括彈簧，而且其中，所述樞轉(zhuǎn)閥元件借助所述彈簧，朝向所述打開位置被偏置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樞轉(zhuǎn)閥元件在處于所述關(guān)閉位置時防止流體通過所述周緣出口流動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述樞轉(zhuǎn)閥元件能夠響應(yīng)在所述渦流室中流動的流體的離心力而移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所 述的設(shè)備，其中流體的離心力隨著流體的粘度減小而增大。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述組件具有通過其多個出口的總流量，而且其中，所述總流量在所述樞轉(zhuǎn)閥元件朝向所述關(guān)閉位置移動時減少。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，懸臂式的所述閥元件通過彎曲而樞轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中流體的隨時間而改變的特性是粘度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括井下工具，所述渦流組件位于所述井下工具中。
12.一種用于控制流體在地下井中流動的方法，所述地下井具有從中延伸穿過的井眼，所述方法包括以下步驟: 使流體通過井下工具流動； 使流體流入渦流室內(nèi)； 使流體流經(jīng)所述渦流室中的至少兩個出口，第一出口沿渦流室的周緣被設(shè)置，而第二出口靠近所述渦流室的底部被設(shè)置； 響應(yīng)在所述渦流室中流動的流體的流體特性的變化，移動位于所述渦流室中的自主閥元件； 通過移動所述自主閥元件，來減少流經(jīng)所述第一出口的流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟:通過移動所述自主閥元件，來防止流體流動通過所述第一出口。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述流體特性是粘度。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，響應(yīng)流體特性的變化，流體在所述渦流室中流動的速度增大。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，響應(yīng)流體特性的變化，由在所述渦流室中流動的流體施加的離心力增大。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，響應(yīng)流體特性的變化，施加在所述自主閥的表面上的力增大。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，移動所述自主閥元件的步驟包括朝向關(guān)閉位置移動所述自主閥元件； 并且還包括以下步驟:響應(yīng)流體特性的另一變化，朝向打開位置移動所述自主閥元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，移動所述自主閥元件的步驟還包括:響應(yīng)流體特性隨時間的變化，交替地朝向關(guān)閉位置和朝向打開位置移動所述自主閥元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，移動所述自主閥元件的步驟還包括樞轉(zhuǎn)所述自主閥 元件。
【文檔編號】E21B34/08GK103890313SQ201180074403
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月31日
【發(fā)明者】讓-馬克·洛佩斯, 趙亮 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司