CN102027191A - 用于防止层间窜流的井下阀 - Google Patents

Abstract

一种用于井下完井油管柱中的流动控制阀，其中该控制阀防止产油层间的窜流。该控制阀包括其中形成有室(33)的外壳(32)、其穿孔的端部设置于所述外壳内的管状构件(44)、以及设置在所述管状构件的具有穿孔(72)的端部内的塞组件(39)。塞组件包括往复运动地设置在所述管状构件中的轴(42)。所述管状构件内的产液通过所述穿孔流入所述室，并通过形成在盘(38)和外壳内的相应穿孔流到所述控制阀的外部。当完井油管柱内的压力超过产液的压力时，所述塞会关闭以防止流体从所述完井油管流至所述管状构件。

Description

用于防止层间窜流的井下阀

技术领域

本发明涉及地下井完井以及控制产液自包括一次开采井和分支井的井的流动的领域。

背景技术

在许多例子中，烃类生产井筒不仅包括钻入地层中的一次开采井，还包括一个或多个延伸入一次开采井筒附近的周围地层的分支井。图1给出了安装在具有多个分支井的井筒中的井筒生产系统10的示例的剖面图。在这个示例中，一次开采井筒5从表面延伸并进入地层6内的产油层中。井筒5内的注水泥的相关套管7基本上沿着井筒的整个长度延伸并且也进入地层6。穿过井筒5的侧面且穿过套管7进入周围地层6形成的穿孔11，为产液(烃气或烃液)流入井筒5提供了流体路径。井筒生产系统10包括同轴地插入在套管5内的完井油管13。完井油管13沿着井筒5的长度向上延伸至井口14并且将完井油管中的产液输送到井口以分配给生产管线16。

除了来自地层6的产液以外，分支井筒3、4延伸入相应地层8、9中的相应产油层。这些分支井筒3、4也包括使井筒和它们的相关地层之间流体连通的穿孔11。在图1的示例中，来自一次开采井筒5和分支井筒3、4的产液沉积入单根完井油管13中，这些流体在完井油管13中混合。应当指出，也存在其它配置，其中向每个产油层提供专用油管以防止流体在井筒5内混杂。安装专用油管的一个弊端是在井筒内存在额外的硬件以及难以将上述硬件引入并保持在这些独立回路中。

产油层6、8、9可以在变化的压力下运行或生产。为了防止在完井油管13内出现不平衡的压力状况，而在各个相应的产油层和完井油管13之间的流体流动路径中设置节流器18、20、22。节流器通过调节流速和压力来调节流体，以补偿这些不同产油层之间的压差。在图1中还示出了接近一次开采井筒5和分支井筒的接合处的封隔器密封件26，这些封隔器密封件密封了完井油管13和套管5之间的环面间的流动路径，并迫使流体穿过相应的节流器18、20、22流入完井油管13。

虽然现有的节流器或其它流动控制机构调整或调节流体流动和流体压力，但这些装置并不限制穿过它们的流向。因此，在生产油管13内的压力可能超过特定的分支井筒或其相关的产油层内的压力的情况下，具有更高压力的油管柱内的流体可能通过上述已知装置的任一个窜移入产油层。上述情况可能在高压产油层的流动调整失败或者在突然关井前未关闭相应的阀时发生。因为产液从一个层窜移入具有不同压力的另一个层可能对具有更低压力的地层产生有害作用，所以这种情形是不期望发生的。因此，开发一种用于防止产液在具有不同压力的产油层之间窜流的装置将是有益的。并且开发并实施一种既能防止产液窜流又能调节流动的装置也将是有益的。

发明内容

本文公开的装置是井下控制阀，其用在设置在井筒内的油管完井管柱中。在一个实施方式中该控制阀包括在其内限定了室的外壳、和延伸入室中并在该室内具有第一端的管状构件。该管状构件在室内的部分还包括孔，其中该孔穿过该管状构件的侧部形成，控制阀还包括塞组件。该塞组件包括盘，该盘具有从其延伸的轴，其中该轴同轴地设置在所述管状构件的第一端内，并且其中所述塞组件响应于盘上的压差能在所述管状构件内往复滑动。管状构件与相应的井下产油层压力连通。

在控制阀的一个操作模式中，塞组件能滑入第一位置，以促使所述轴靠近孔，从而阻止流体流经所述孔。在控制阀的另一操作模式中，塞组件能滑入第二位置，以促使所述轴远离所述孔，从而允许流体流经所述孔。

可选地，在外壳的端部可以形成唇部，其中所述唇部朝着所述外壳的轴线径向地向内延伸并且所述唇部将所述塞组件保持在室内。可以在所述盘上形成第一穿孔，并在所述唇部上形成相应的第二穿孔，其中第一穿孔和第二穿孔基本上对齐，从而提供穿过所述穿孔从所述室到所述外壳的外部的流动路径。可以在所述管状构件上形成额外的孔。

本发明还包括设置在具有多于一个产油层的地下井筒内的完井系统。完井系统包括油管柱和控制阀。控制阀包括：外壳、外壳内的室、延伸入所述室中的管状构件、在所述构件位于所述室内的部分上穿过构件壁形成的孔、和塞，该塞滑动地响应于相应的产油层和油管柱内的压力之间的压差，而同轴地设置在管状构件的位于所述室内的端部。

所述塞构造为在油管柱内的压力超过相应的产油层压力时滑动地响应至关闭位置。所述塞还构造为在第一产油层压力超过油管柱内的压力时滑动地移动到打开位置，从而允许流体从第一产油层流入所述油管柱。控制阀还调整进入生产管柱的流体流动。完井系统可以包括第二控制阀。

附图说明

为了使本发明的特征、优点和目的以及其它方面更加清楚并被更具体地理解，将参照实施方式对上述简要概述的本发明进行更加详细的描述，这些实施方式例示在附图中，而附图构成了说明书的一部分。然而，应当注意，附图中仅示出了本发明的优选实施方式，因此并不被认为是对本发明的范围的限制，因为本发明的范围还包括其它等效的实施方式。

图1示出了现有技术中的井生产系统；

图2是控制阀的示例的局部侧视剖面图；

图3a-图3e是控制阀的部件的侧视图和主视图；

图4a-图4d示出了根据本发明的控制阀的操作模式。

具体实施方式

现在将在下文中通过参考示出了本发明的实施方式的附图更加全面地描述本发明。但是，本发明可以以许多不同的形式实现，并不应当理解为是限定为本文中阐述的例示实施方式；相反，提供这些实施方式以使本发明全面、完整，且向本领域技术人员充分说明本发明的范围。全文中同样的附图标记表示相同的元件。

本文描述的装置和系统用于防止产液在不同产油层之间的窜流或窜移。在一个实施方式中该装置包括设置在生产烃液的地下层和油管完井管柱之间的流动路径中的控制阀。该装置构造为允许流体从其相应的产油层流入完井管柱，但防止流体从完井管柱流入相应的产油层。如果完井管柱压力超过了产油层的压力，那么有可能是因为与所述完井管柱连通的另一产油层的压力高于上述第一产油层的压力。因此，本文公开的控制阀和装置具有在同一井筒回路的不同产油层之间的层位封隔功能。

现在参照图2，其示出了根据本发明的控制阀30的一个实施方式的局部侧视剖面图。控制阀30包括大致中空的外壳32，在外壳32中形成有室33。外壳32在其后壁37上封闭并且通常在相对端打开。管状构件44示出为穿过后壁37延伸进入室33。穿过管状构件44的壁形成有孔46，从而将管状构件44的内部区域连通于室33。管状构件44的第一端终止在室33内，而构件44的第二端(未示出)与地层的相应产油层流体连通。

在管状构件44的开放的第一端内滑动地设置有塞组件39。塞组件39(也在图2a中以剖面图示出)包括带有轴42的盘38，轴42从盘38的一侧延伸。穿过盘38形成有穿孔40，穿孔40基本上与盘的轴线平行。在外壳32的开口端形成有唇部34。穿过所述唇部形成有穿孔36，穿孔36基本上与控制阀30的轴线35平行。在图2的实施方式中，示出了盘38的穿孔40基本上与穿孔36对齐。

图3a-图3c示出了管状构件44的侧视图和塞组件39部件的侧视图和主视图。现在参照图3a，以侧视图示出了管状构件44的一部分，其图示了穿过管状构件44的壁形成的穿孔46。在图3b中示出了轴42的侧视图；如上所述，轴形成为在管状构件44的环形区域内同轴地滑动。在一个实施方式中，轴42可以是从Boston Gear(位于14 Hayward Street，Quincy，MA 02171，电话617-328-3300)可获得的Boston轴。图3c图示了具有穿孔40的盘38的主视图，这些穿孔40以离盘38的中心基本相同的径向距离穿过盘38形成。图3d是后壁37的后视图，其示出了控制阀32具有大致圆筒构造的实施方式。图3e是控制阀32的剖面部分的立体图。在这个实施方式中，示出了唇部34具有穿孔36，这些穿孔36以离唇部34的中心大致相同的径向距离形成。

如上所述，本文所描述的控制阀30主要用在例如图1中所示的油管完井管柱内。因此，本发明的范围包括具有多个控制阀的完井管柱。在一个实施方式中，本文所描述的控制阀包含在完井管柱中，并被设置在产油层和完井管柱之间的流动路径中。因此每个控制阀30的管状构件44与其相应的产油层之间流体连通和压力连通。而盘的外表面与完井管柱压力连通。因此，相应的产油层和施加在所述盘的外表面上的完井管柱压力之间的压差或压力梯度决定了塞组件39的位置。

图4a-图4d示出了本发明的控制阀的实施方式的操作顺序。图4a示出了控制阀30的局部剖面图，其中塞组件39的位置完全插入在管状构件44内。这种配置(本文也称为第一位置或关闭位置)使盘38基本上与管状构件的位于室33内的终端齐平。在关闭位置，轴42延伸入管状构件44内，并位于每个孔46附近。因此，控制阀30的关闭位置或第一位置阻止了管状构件的内部区域和室33之间的流体连通和压力连通。在位于关闭位置时，相关的完井油管柱内的压力超过了管状构件44内的压力，并且也超过了与管状构件44连通的相应的产油层内的压力。

图4b-图4d图示了当管状构件44内的压力(也即其相应的产油层)超过完井管柱压力时的情况，从而促使盘38滑动地远离管状构件44。现在参照图4b，塞组件39从图4a中示出的位置远离管状构件44的终端朝向唇部34移动。另外，轴42远离第一排穿孔46移动，从而启动管状构件44的内部区域和室33之间的压力连通和流体连通。图4c示出了塞组件39在室33内朝着唇部34的进一步移动。最终，如图4d所示，相应产油层的大于完井管柱内部的压力的压力完全促使塞组件39与唇部34大致配合接触。在这个配置中，可以看到穿孔40基本上与穿孔36对齐。因此在图4d所示的打开位置或第二位置，在室33和生产/完井油管柱的内部之间存在完全的流体连通和压力连通。图4b和图4c表示塞组件在打开位置和关闭位置之间的中间位置。如本文中所图示和描述的，控制阀30是响应于盘38的两相对表面间的压差的被动装置，并且可以通过上述的滑动动作在打开位置和关闭位置之间往复运动。

在正常操作中并且在油气层和相关的井筒的生产模式中，与经过所述室的流动结合的孔46和穿孔40、36能够调整压降。当井筒生产回路除了包括一次开采井筒之外还包括多个分支生产筒时，调整流体流动可能是必要的。当与井系统的每个生产井筒相关地布置时，控制阀30的调整能力能够在不妨碍其它分支并筒的生产的情况下调整完井油管内的压力。

本发明的装置在井的生产被停止了一段时间的情况下也是有益的。在一些例子中具有多个分支井筒的井可能被关井以进行“沉析(settleout)”。通过在不调整或不减少产油层和完井管柱之间的压力的情况下通过完井管柱连通所有相互连接的产油层来实现沉析。这将具有较低压力的产油层暴露于具有最高压力的产油层；如果不检查，会使高压层的产液窜移入低压层。本文中公开的控制阀的实施通过将塞组件推入图4a中所示的关闭位置或第一位置来对上述压差做出反应。处于关闭位置的控制阀30阻止了高压流体窜移入其相应的产油层。因此，本文中描述的被动系统相对于现有已知系统具有很大优势，现有已知系统可能需要在关井之前手动关闭阀。而且，因为一些关井条件发生时几乎没有或根本没有警告，所以并不总能实施手动关闭。

因此，本文公开的本发明很适于实现前述的目的并得到前述的结果和优点、以及本发明本身的其它方面。虽然本文为公开目的给出了本发明的优选实施方式，但是在实现期望结果的具体过程中还存在许多改变。这些改变和其它类似变形是本领域技术人员容易想到的，并都包含在本文公开的本发明的精神以及所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种井下控制阀，其用于设置在井筒内的油管完井管柱中，该控制阀包括：

外壳，其内限定了室；

管状构件，其延伸入所述室中并具有在所述室内的第一端；

所述管状构件的位于所述室内的部分上的孔，其中所述孔穿过所述管状构件的侧部形成；和

塞组件，其包括具有轴的盘，所述轴从所述盘延伸，其中所述轴同轴地设置在所述管状构件的第一端内，并且其中所述塞组件响应于盘上的压差能在所述管状构件内往复滑动。

2.如权利要求1所述的控制阀，其中所述塞组件能滑入第一位置以促使所述轴靠近所述孔，从而阻止流体流经所述孔。

3.如权利要求1所述的控制阀，其中所述塞组件能滑入第二位置以促使所述轴远离所述孔，从而允许流体流经所述孔。

4.如权利要求2所述的控制阀，还包括形成在所述外壳的端部的唇部，其中所述唇部朝着所述外壳的轴线径向向内延伸，其中所述唇部将所述塞组件保持在所述室内。

5.如权利要求4所述的控制阀，还包括形成在所述盘上的第一穿孔和形成在所述唇部上的相应的第二穿孔，其中所述第一穿孔和第二穿孔大致对齐，以提供通过所述穿孔从所述室到所述外壳的外部的流动路径。

6.如权利要求1所述的控制阀，还包括形成在所述管状构件上的额外的孔。

7.如权利要求1所述的控制阀，其中所述管状构件与井下产油层压力连通。

8.如权利要求1所述的控制阀，其中所述盘包括内表面和外表面，其中所述盘的外表面与所述控制阀的外部空间压力连通。

9.如权利要求7所述的控制阀，该控制阀设置在完井油管柱内，其中控制阀调整从井下产油层向所述完井油管柱内的流动。

10.一种完井系统，其设置在地下井筒内，该井筒具有多于一个的产油层，所述完井系统包括：

油管柱；和

控制阀，其包括外壳、所述外壳内的室、延伸入所述室中的管状构件、在所述构件的位于所述室内的部分上穿过所述构件的壁形成的孔、和塞，所述塞滑动地响应于相应产油层和所述油管柱中的压力之间的压差，而同轴地设置在所述管状构件的位于所述室内的端部。

11.如权利要求10所述的完井系统，其中所述塞的内表面与第一产油层压力连通。

12.如权利要求11所述的完井系统，其中所述塞的外表面与油管柱压力压力连通。

13.如权利要求12所述的完井系统，其中所述塞构造为在所述油管柱内的压力超过所述第一产油层压力时滑动地响应至关闭位置。

14.如权利要求13所述的完井系统，其中所述第一产油层和所述油管柱之间的压差足以使所述油管柱内的流体窜移至所述第一产油层。

15.如权利要求13所述的完井系统，其中在所述第一关闭位置，所述塞在所述管状构件内滑动到所述孔附近以阻止流体流经所述孔。

16.如权利要求12所述的完井系统，其中所述塞构造为在所述第一产油层的压力超过所述油管柱内的压力时滑动地响应至打开位置，以允许流体从所述第一产油层流到所述油管柱中。

17.如权利要求16所述的完井系统，其中所述控制阀调整流体流动压力。

18.如权利要求16所述的完井系统，还包括第二控制阀，该第二控制阀包括外壳、位于所述外壳内的室、延伸入所述室中的管状构件、在所述构件的位于所述室内的部分上穿过所述构件的壁形成的孔，和塞，所述塞滑动地响应于第二相应产油层和所述油管柱内压力之间的压差，而同轴地设置在所述管状构件的位于所述室内的端部。

19.如权利要求16所述的完井系统，其中在所述第二控制阀中，所述塞的内表面与所述第二产油层压力连通而所述塞的外表面与所述油管柱压力连通。

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