CN101490360A - 用于流动控制的方法和自主阀或流动控制装置 - Google Patents

用于流动控制的方法和自主阀或流动控制装置 Download PDF

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Abstract

用于流体控制的方法和一种自调节阀或流动控制装置，特别用于从油和/或气储层中的井生产油和/或气的生产管，该生产管包括最好分为至少两个部分(1)的下排出管，每个部分包括一个或多个流入控制装置(2)，所述流入控制装置使地质生产地层与排出管的流动空间相通。流体流过入口(10)，并通过该控制装置(2)的流道(11)，该流道流经可活动的盘(9)或可活动的装置，该可活动的盘(9)或可活动的装置设计用于相对于入口的开口活动，从而通过使用Bernoulli效应和在盘(9)上产生的滞留压力而减小或增加流通面积(A2)，由此，该控制装置基于预先估计的流动设计，根据流体组分及其性质自主地调节流体的流动。

Description

用于流动控制的方法和自主阀或流动控制装置
技术领域
本发明涉及用于自调节(自主地调节)通过阀或流动控制装置的流体流动的方法，和自调节阀或流动控制装置，其在从油储层和/或气储层的井中生产油和/或气的生产管路中尤其有用，所述生产管路包括下排出管，该下排出管最好分为至少两个部分，每个部分包括一个或多个流入控制装置，所述流入控制装置使地质生产层与排出管的流动空间连通。
背景技术
用于从长的、水平的和竖直的井中回收油和气的设备可以从美国专利公开文件No.4,821,801、4,858,691、4,577,691号和英国专利公开文献No.2169018号中获知。
这些已知设备包括穿孔的排出管，在管周围具有例如用于控制沙子的过滤器。已知的用于油和/或气生产的设备在高渗透性地质层中的显著缺点是：由于管中的流动摩擦，排出管中的压力在上游方向指数级地增长。由于储层和排出管之间的压差在上游将下降，从储层流入到排出管的油和/或气数量因此将相应地减少。通过该装置生产的总的油和/或气量因此将是低的。对于薄油区域和高渗透性地质层来说，还存在形成锥体的高风险，也即不想要的水或气流入到排出管下游，在排出管下游处，油从储层流入到管中的速度是最大的。
从World Oil，vol.212，N.11(11/91)，第73-80页中事先可知的是，将排出管分成具有一个或多个流入限制装置、例如滑动套筒或节流装置的部分。然而，该参考文献主要用于处理流入控制的使用问题，以限制到上孔区域的流入速度，从而避免或减少水和或气锥体的形成。
WO-A-9208875描述了包括多个通过混合腔连接的生产部的水平生产管，所述混合腔具有比生产部更大的内径。所述生产部包括外部带槽筛管，该外部带槽筛管可以认为起到过滤作用。然而，不同直径部的顺序产生流动紊流并妨碍修井工具的运行。
当从地质生产地层抽取油和或气时，不同质量的流体，也即油、气、水(和沙)依据地层的性质或质量而以不同的数量和混合比产生。上述已知设备中没有一个能够在不同质量的流体之间区分，并基于它们的相对组分和/或质量控制油、气或水的流入。
发明内容
本发明提供流入控制装置，该装置是自调节或自主的，并能够容易地安装在生产管壁上，从而提供用于修井工具的使用。该装置设计用于“区分”油和/或气和/或水，并能够根据这些流体的类型选择所需的流体控制，从而控制油或气的流动或流入。
该装置是耐用的，可以经受大的作用力和高的温度，防止抽吸出现(压差)，无需能量供应，能够经受沙子产品，是可靠而仍然简单和非常便宜的。
根据本发明的方法的特征在于：流体流过入口或开口，从而形成通过控制装置的流道，该流道流经可活动的盘或基体，该盘或基体设计用于相对于入口的开口自由地活动，从而通过使用柏努利(Bernoulli)效应和在盘上产生的任何滞留压力而减小或增加流通面积，由此，该控制装置基于预先估计的流动设计，根据流体组分及其性质自主地调节流体的流动，如在权利要求1的特征部分所述的。
本发明自调节阀或控制装置的特征在于：该控制装置是流体流动控制装置的分开的或集成的部分，包括盘或可自由活动的控制体，该盘或可自由活动的控制体提供在管壁的凹槽中或提供在壁的分开的壳体中，该盘或控制体面向在凹槽或壳体中心中的开口或孔的出口，并通过保持装置或配置合适地保持在凹槽或壳体中，从而形成流道，其中流体通过中心开口或入口进入该控制装置，流向盘或基体并沿着所述盘或基体流动，进而从凹槽或壳体出去，如在独立权利要求4的特征部分所述的。
从属权利要求2-3和5-8限定出本发明的优选的实施例。
附图说明
本发明将在下面通过例子并参考附图进行进一步地说明，其中：
图1是具有根据本发明的控制装置的生产管的示意图。
图2a)表示根据本发明的控制装置的放大的剖视图，2b)表示相同装置的顶视图。
图3是表示通过根据本发明的控制装置与固定的流入装置的流动容量对压差的比较图表。
图4表示图2所示的装置，但是带有不同压差区域的指示，所述区域影响不同应用中的装置的设计。
图5表示根据本发明的控制装置的另外一个实施例的概略图。
图6表示根据本发明的控制装置的第三实施例的概略图。
图7表示根据本发明的控制装置的第四实施例的概略图。
图8表示本发明的第五实施例的概略图，其中的控制装置是流动装置的集成部。
具体实施方式
如上所述，图1表示传送管1的一部分，其中提供了根据本发明的控制装置2的原型。该控制装置2最好是圆的、相对扁平的形状，并可以具有外螺纹3(图2)，以螺纹连接到管中具有相应内螺纹的圆形孔中。通过控制厚度，装置2可以适应于管的厚度并安装于管的外周和内周中。
图2a)和2b)以放大的比例表示控制装置2。该装置包括第一盘形壳体4，该壳体4具有外圆柱形部分5和内圆柱形部分6，并具有中心孔或开口10，该装置还包括第二盘形保持体7，该保持体具有外圆柱形部8，和提供在开口空间14中的最好是扁平的盘或可自由活动的本体9，该开口空间14形成在第一盘形壳体4和第二盘形保持体7之间。本体9可以为了特殊的应用和调节而不采用扁平形，而是可以具有部分的锥形或半圆形(例如靠近开口10)。如同可以从图中看到的，第二盘形保持体7的圆柱形部8安装并突出在第一盘形壳体4的外圆柱形部5相对的方向上，从而形成如箭头11所示的流动通道，其中流体通过中心孔或开口(入口)10进入控制装置，并在流过形成在圆柱形部8和6之间的环形开口12并进一步从形成在圆柱形部8和5之间的环形开口13流出之前，向着和径向地沿着盘9流动。第一盘形壳体4和第二盘形保持体7在图2b)所示的连接区域15通过螺钉连接、焊接或其他方式(没有进一步在图中示出)而互相结合。
本发明使用了Bernoulli效应的教导，即静态压力、动态压力和摩擦力之和沿着流道是不变的：
Figure A200780025868D00071
当盘9经受流体流动，如在本发明的情形下，盘9上的压差可以表示为：
Δp over = [ p over ( P 4 ) - p under ( f ( p 1 , p 2 , p 3 ) ] = 1 2 ρv 2
由于低的粘性，例如为气体的流体将“延长时机”并进一步沿着盘到达其外端(由参考数字14指示)。这使得盘9端部区域16具有更高的滞留压力，这反过来在盘上作用更高的压力。盘9(其可以在盘形体4、7之间的空间内自由活动)将向下运动，从而使盘9和内圆柱形部6之间的流道变窄。这样，盘9根据流过的流体的粘性而向下或向上运动，从而该原理可以用于控制(闭合/打开)流体通过装置的流动。
而且，通过具有固定的几何形状的传统的流入控制装置(ICD)的压降将与动态压力成比例：
Δp = K · 1 2 ρv 2
其中，常数K主要是几何形状的函数而较小依赖于雷诺数(Reynolds number)。在根据本发明的控制装置中，当压差增加时，流动面积将减小，使得流过控制装置的容量不会或几乎不会在压降增加时增加。根据本发明的具有可活动盘的控制装置与具有固定的流通开口的控制装置的比较表示在图3中，如同可以从图中看到的，本发明的流通容量在给定的压差之上保持恒定。
这代表了本发明的主要的优点，因为其可以用于确保流过整个水平井中每个部分的容量相同，这在固定的流入控制装置中是不可能的。
在生产油和气时，根据本发明的控制装置可以具有两个不同的应用：用作流入控制装置以减小水的流入，或者用于在气体中断情形下减少气体流入。当设计根据本发明的控制装置用于不同应用，例如水或气时，如上所述，不同的面积和压力区域(如图4所示)将对装置的效率和流通性能产生影响。参见图4，不同面积/压力区域将分成：
-A1，P1分别为流入面积和压力。由这个压力产生的力(P1＊A1)将努力打开该控制装置(向上移动盘9)。
-A2，P2是在速度最大区域的面积和压力，因而代表动态压力源。动态压力所产生的作用力将努力闭合控制装置(在流速增加时向下移动盘)。
-A3，P3是在出口处的面积和压力。这将与井的压力(入口压力)相同。
-A4，P4是盘后面的面积和压力。在位置16(图2)处的滞留压力在盘后面产生压力和作用力。其将努力闭合控制装置(向下移动盘)。
具有不同粘性的流体将根据这些区域的设计而在每个区域提供不同的作用力。为了优化控制装置的效率和流通性能，对于不同应用(例如，气流/油流或油流/水流)，其面积设计将不同。因此，对于每种应用，需要考虑每种设计情况下的性质和物理条件(粘性、温度、压力等)而仔细平衡和优化设计面积。
图5是根据本发明的控制装置另外一个实施例的概略图，其设计比图2所示的版本更加简单。与图2所示的版本一样，该控制装置2包括具有外圆柱形部5和中心孔或开口10的第一盘形壳体4，和结合到壳体4的外圆柱形部5上的第二盘形保持体17，及优选是提供在形成于第一盘形壳体4和第二盘形保持体17之间的开口空间14中的扁平盘9。然而，由于第二盘形保持体17是向内开口(通过一个孔或多个孔23等)并且现在只合适地保持该盘，且由于圆柱形部5具有的不同的流道比图2所示的要短，没有上面结合图4所述的滞留压力(P4)建立在盘9的背面。在这个没有滞留压力的方案下，装置的设置厚度变小，并可以经受包含在流体中的更大数量的颗粒。
图6表示根据本发明的第三实施例，其中，该设计与图2所示的例子相同，除了有螺旋形或其他合适的弹簧装置形式的弹簧元件18提供在盘的任一侧上，并使盘与保持部7、22、凹槽21或壳体4连接。
该弹簧元件18用于平衡和控制盘9和入口10、或更确切地，入口10的外围边缘或座19之间的流入面积。这样，依赖于弹簧常数进而依赖于弹簧力，盘9和边缘19之间的开口将更大或更小，并且根据在提供有控制装置的选择的位置处的流入和压力条件，通过合适地选择的弹簧常数，可以实现流过装置的质量恒定。
图7表示本发明的第四实施例，其中的设计与图6所示的例子相同，除了盘9在面向入口开口10的一边提供有热响应装置，例如双金属元件20。当生产油和/或气时，从只生产油或生产的大部分为油的情形到只生产气或生产的大部分为气(气突破或气锥体)的情形，条件将快速地改变。例如从100巴开始的16巴的压降将对应于约20℃的温度降。如图7所示，通过为盘9提供具有例如为双金属元件的热响应元件，盘将通过元件20向上弯曲或向上运动以抵接保持形体7，从而使盘和入口10之间的开口变窄或完全闭合所述入口。
如图1和2以及4-7所示的根据本发明的控制装置的上述例子都涉及到这样的方案，其中的控制装置是独立的单元或装置，其结合流体流动情形或装置而提供，例如与油和气的生产相接合的生产管壁结合提供。然而，如图8所示，该控制装置可以是流体流动装置的集成部分，从而盘9可以提供在凹槽21中，该凹槽21面向例如如图1所示的管1的壁的开口或孔10的出口，而不是提供在分开的壳体4中。而且，盘可以通过保持装置、例如向内突出的钉子、圆形环22等合适地保持在凹槽中，所述圆形环22等将通过旋拧、焊接等方式连接到凹槽的外开口。
限定在权利要求中的本发明不限于涉及上述的油和/或气从井流入的应用，或者将气(天然气、空气或CO2)、蒸汽、或水注入油生产井和/或气生产井的应用。这样，本发明将用于任何相关申请的过程中，其中具有不同气体组分和/或液体组分的流体流动需要得到控制。

Claims (8)

1、用于自主地调节通过阀或流动控制装置(2)的流体流动的方法，特别用于控制流体、也即包括任何水的油和/或气从储层进入在油和/或气储层中的井的生产管的流动，该生产管包括优选分为至少两个部分(1)的下排出管，每个部分包括一个或多个流入控制装置(2)，所述流入控制装置使地质生产地层与排出管的流动空间相通，
其特征在于：
流体流过入口或开口(10)，从而形成通过该控制装置(2)的流道(11)，该流道流经可活动的盘或基体(9)，该盘或基体(9)设计用于相对于入口的开口自由地活动，从而通过使用柏努利效应和在盘(9)上产生的任何滞留压力而减小或增加流通面积(A2)，由此，该控制装置基于预先估计的流动设计，根据流体组分及其性质自主地调节流体的流动。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述流体由一种或多种气体和/或一种或多种液体组成。
3、根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于：
所述流体是水和油，或油和天然气或生成气和/或二氧化碳。
4、用于控制流体从一个空间或区域到另一个空间或区域的流动的自调节(自主)阀或控制装置(2)，特别用于控制流体、也即包括任何水的油和/或气从储层进入在油储层和/或气储层中的井的生产管的流动，该生产管包括优选分为至少两个部分(1)的下排出管，每个部分包括一个或多个流入控制装置(2)，所述流入控制装置使地质生产地层与排出管的流动空间相通，
其特征在于：
该控制装置是流体流动控制装置的分开的或集成的部分，包括盘或可自由活动的控制体(9)，该盘或可自由活动的控制体(9)提供在管(1)壁的凹槽(21)中或提供在壁的分开的壳体(4)中，该盘或控制体(9)面向在凹槽(21)或壳体(4)中心中的开口或孔(10)的出口，并通过保持装置或配置(7、22)保持在凹槽(21)或壳体(4)中的位置中，从而形成流道(11)，在流道(11)中流体通过中心开口或入口(10)进入该控制装置，流向盘或基体(9)并沿着盘或基体(9)流动，进而从凹槽或壳体出去。
5、根据权利要求4所述的自调节阀或控制装置，其特征在于：
所述控制装置包括具有外圆柱形部(5)、内圆柱形部(6)和中心开口(10)的第一盘形体(4)，和具有外圆柱形部(8)的第二盘形体(7)，及提供在第一盘形体(4)和第二盘形体之间的基本扁平的盘(9)，由此，第二盘形体(7)的圆柱形部(8)安装并突出在第一盘形体(4)的外圆柱形部(5)的相对方向上，从而形成流道(11)，，在流道(11)中，流体通过中心开口或入口(10)进入控制装置，并在流过形成在圆柱形部(8和6)之间的环形开口(12)并进一步从形成在圆柱形部(8和5)之间的环形开口(13)流出之前，向着盘(9)并沿着盘(9)流动。
6、根据权利要求4和5所述的自调节阀或控制装置，其特征在于：
在所述盘(9)的任一侧之间布置有弹簧(15)，所述弹簧(15)使该盘与保持部(7、22)、凹槽(21)或壳体(4)连接。
7、根据权利要求4和5所述的自调节阀或控制装置，其特征在于：
所述盘在面向所述开口(10)的一侧提供有热响应装置(20)。
8、根据权利要求7所述的自调节阀或控制装置，其特征在于：
所述热响应装置(20)是双金属元件。
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