CN102482937A - 用于控制井眼进水的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制地层流体的流量的设备，在一个实施例中，其可以包括具有一条或更多条流体通道的管件和由颗粒及亲水材料形成的流量控制装置，所述流量控制装置邻近管件并且配置为在放入井眼中时接收沿大体上径向方向流动的地层流体。

Description

用于控制井眼进水的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求作为提交于2008年8月14日的美国专利申请序列No.12/191921、提交于2007年10月12日的美国专利申请序列No.11/871685和提交于2007年10月19日的美国专利申请序列No.11/875669的部分继续申请的美国专利申请No.12/533508的优先权。

技术领域

本发明通常涉及用于选择性或自适应控制流体流入井眼的设备和方法。

背景技术

利用钻入地层中的井眼从地层中开采诸如油和气的烃。这种井典型地通过沿着井眼长度放置套管和对与每个这类开采区相邻的套管进行穿孔将地层流体(例如烃)抽入井眼中而完成。这些开采区有时通过安装在开采区之间的封隔器彼此隔开。从每个开采区进入井眼的流体被抽吸入延伸至地面的油管中。人们希望沿着开采区具有大体上均匀的排放。不均匀的排放会引起不希望的情况发生，例如侵入性气锥或水锥。在采油井的情况下，例如，气锥会导致气体流入井眼中，这会显著减少石油开采。与此相类似，水锥会使水流入开采的油流中而降低所开采的油的数量和质量。因此，人们希望在开采区内提供均匀排放和/或在承受不希望的水和/或气体入流的开采区内提供有选择地截止或减少入流的能力。

本发明解决了现有技术中的这些及其他需求。

发明内容

在多个方面中，本发明提供了用于控制流体流入井眼的设备。在一个实施例中，该设备可以包括具有一个或更多个通道的管件和由颗粒及亲水材料形成的流量控制装置，所述流量控制装置配置为沿着相对于管件纵向轴线的径向方向接收地层流体。在另一实施例中，该设备可以包括入流控制装置，该入流控制装置包括将来自地层的流体输送至井眼管件的孔中的多个流动路径。两条或多条流动路径从液压原理上来说可并联定位以允许流体以并联方式流动。反应介质可以布置在两条或多条流动路径中。反应介质可以通过与选定流体反应而改变渗透率。在实施例中，反应介质可以与水反应。在一些应用中，一流动路径可以与并联流动路径串联。在实施例中，所述设备可以包括流量控制元件，在所述流量控制元件中形成有从液压原理上来说并联的流动路径。在多个方面中，反应介质可以包括相对渗透率改性剂。在实施例中，反应介质可以在来自地层的流体的含水率增大时增大流动阻力，并且在来自地层的流体的含水率减小时减小流动阻力。反应介质可以配制为改变与流动路径相关的参数。示例性参数包括但不限于渗透率、曲率、湍流度、粘性和流动截面积。

在多个方面中，本发明提供了用于制造流量控制装置的方法。在一个方面，所述方法可以包括提供由反应介质形成的流量控制装置，所述流量控制装置邻近所述管件并且配置为在放入井眼中时接收沿相对于管件纵向轴线以大体上径向方向流动的地层流体，其中，所述反应介质配置为控制流体流入井眼。在另一方面，本发明提供了控制流入井眼的流体流量方法，其可以包括经由多个流动路径将来自于地层的流体输送到井眼管件中；和利用布置在两条或多条流动路径中的反应介质控制多个流动路径中的流动阻力。两条或多条流动路径从液压原理上来说可并联定位。在多个方面中，所述方法还可包括就地重新配置反应介质。

在多个方面中，本发明进一步提供了用于控制来自于地下地层中的流体的流量的系统。所述系统可以包括：井眼管件，该井眼管件具有配置为将来自于地下地层的流体输送至地面的孔；布置在井眼中的入流控制装置；形成在入流控制装置中的液压回路，其将来自于地层的流体输送至井眼管件的孔中；和布置在液压回路中的反应介质，该反应介质通过与选定流体反应而改变渗透率。液压回路可以包括两或多条从液压原理上来说是并联的流动路径。在多个方面中，所述系统可以包括就地配置反应介质的配置工具。液压回路可以包括与第二组并联流动路径串联的第一组并联流动路径。

应当理解，上文已经对具有本发明的更重要特征的实例进行了相当广义的概括，以便更好地理解下文对其进行的详细说明，并且可以认识到对现有技术的贡献。当然，本发明还存在附加特征，其将在下文进行描述并且形成所附权利要求的主题。

附图说明

在结合附图并阅读下列详细说明的情况下，本发明的优点和更多方面会被本领域普通技术人员所认识并变得显而易见，在所述附图中的多幅附图中，相同的参考符号表示相同或类似的元件，其中：

图1是安装有根据本发明一个实施例的入流控制系统的示例性多区带井眼和开采组件的示意性立面图；

图2是安装有根据本发明一个实施例的入流控制系统的示例性裸井开采组件的示意性立面图；

图3是根据本发明的一个实施例制造的示例性开采控制装置的示意性剖视图；

图4示意性地显示了根据本发明的一个实施例制造的示例性入流控制装置；

图5和6显示了用于根据本发明制造的入流控制装置的示例性特性曲线；

图7示意性地显示了根据本发明制造的入流控制装置中所用流量控制元件的示例性布置方式；

图8示意性地显示了使用根据本发明制造的入流控制装置的地下开采装置以及用于配置这种入流控制装置的示意性配置装置；和

图9示意性地显示了根据本发明的一个实施例制造的示例性开采控制装置。

具体实施方式

本发明涉及用于控制烃开采井中的流体开采的装置和方法。本发明具有不同形式的实施例。附图显示了本发明的具体实施例并且将在下文对其进行详细描述，应当理解，本公开内容是其原理的示例，不用于将本发明的范围限制于本文所示和所述。

在实施例中，通过使用入流控制装置可以(至少部分地)控制进入油井的井眼管件中的地层流体的流量，所述入流控制装置容纳会与由地下地层开采出的一种或更多种指定流体相互作用的介质。所述相互作用可以进行调整或者操纵，使得入流地层流体的流动参数(例如，流量)根据与选定流体参数(例如，含水量、流动速度、气体含量等)的预定关系进行变化。介质可以包括与入流地层流体的成分以规定方式发生化学、离子反应和/或机械反应的材料。该相互作用可以改变入流控制装置的流动阻力，从而为入流控制装置设定用于选定流动参数(如流量)的期望值。尽管本发明的教导可以应用于多种地下应用，为简单起见，将在烃开采井的内容范围内对这种入流控制装置的说明性实施例进行描述。

首先参考图1，显示了已经钻穿地表12并钻入一对希望开采出烃的地层14、16的示例性井眼10。井眼10用金属套管和水泥加固，如本领域已知的那样，并且多个射孔18穿过并延伸到地层14、16中，使得采出流体可以从地层14、16流入井眼10中。井眼10具有偏斜或大体上水平支路19。井眼10具有总体上以附图标记20表示的后级(late-stage)开采组件，该后级开采组件通过从位于井眼10的地面26处的井口24向下延伸的管柱22布置在井眼中。开采组件20限定了沿着其长度的内部轴向流动孔28。在开采组件20和井眼套管之间限定了环形空间30。开采组件20具有沿着井眼10的偏斜支路19延伸的偏斜、大体上水平部分32。开采喷管34定位在沿着开采组件20的选定点处。可选择地，每个开采装置34在井眼10内由一对封隔器装置36隔离。尽管图1只显示了两个开采装置34，实际上，可以沿水平部分32以串联方式大量布置这种开采装置。

每个开采装置34包括开采控制装置38，所述开采控制装置用于控制进入开采组件20的一种或更多种流体流的一个或更多个特征。当在此使用时，术语“流体”包括液体、气体、烃、多相流体、两种或多种流体的混合物、水、盐水、例如钻井泥浆的工程流体、从地面注射的流体(例如水)以及天然产生的流体(例如油和气)。另外，水应当解释为还包括水基流体；例如，盐水或咸水。根据本发明的实施例，开采控制装置38可以具有许多可选结构，其确保选择性操作和控制从中流过的流体流。

图2显示了示例性裸井井眼11的结构，其中，可以使用本发明的开采装置。裸井井眼11的结构和操作在大部分方面与先前所述的井眼10相似。然而，裸井井眼11结构具有未加套管和没有注水泥的钻孔，其直接通向地层14、16。因此，开采流体从地层14、16直接流入限定在开采组件21和井眼11的壁部之间的环形空间30中。不存在射孔，并且可以使用裸眼封隔器36隔离开采控制装置38。开采控制装置的性质使得流体流从地层16直接引入最近的开采装置34中，从而产生均衡流。在一些情况下，裸眼完井可以省去封隔器。

现在参考图3，显示了开采控制装置100的一个实施例，用于控制流体流从储层沿着开采钻柱(例如，图1的管柱22)流入管子104的流动孔102中。开口122允许流体在开采控制装置100和流动孔102之间流动。该流量控制可以是地层流体的一个或更多个特征或参数(包括含水率、压力、流动速度、气体含量等)的函数。此外，开采控制装置100可以沿着采油井的一部分分布以在多个位置提供流体控制。这能有利地(例如)预期在水平井的“踵”处比在水平井的“趾”处流量更快的情况下平衡油开采流。通过适当地配置开采控制装置100，例如通过压力均衡或通过限制气或水的流入，井本身会增大储油层有效排放的可能性。下面讨论示例性开采控制装置。

开采控制装置100可以包括一个或更多个下列部件：用于减小夹带在流体中的颗粒数量和尺寸的颗粒控制装置110；控制一个或更多个排放参数的流量管理装置120和/或根据入流流体的成分控制流量的入流控制装置130。颗粒控制装置110可以包括已知装置，例如滤砂器和相关的砾石充填装置。入流控制装置120包括位于地层和井眼管件之间的多个流动路径，所述流动路径可以构造为控制一个或更多个流动特性，例如流量、压力等。例如，流量管理装置120可以利用螺旋流动路径降低入流流体的流量。尽管入流控制装置130在图3中显示为处于颗粒控制装置110的下游，应当理解，入流控制装置130可以位于沿着地层和流动孔102之间的流动路径的任何位置。例如，入流控制装置130可以整合到颗粒控制装置110中。此外，入流控制装置可以是“独立”装置，其可以在没有颗粒控制装置110或流量管理装置120的情况下使用。下面描述说明性实施例。

参考图4，其显示了入流控制装置130的示例性实施例。在一个实施例中，入流控制装置130可以配置为对与入流流体相关的一个或更多个流动参数进行动态控制。动态是指入流控制装置130可采用预定流动状态(flow regime)，其为一个或更多个可变井底条件(例如入流流体中的水量)的函数。下面讨论入流控制装置130采用的示例性流动状态或功能特性曲线。

现在参考图5，其显示了入流控制装置130可以采用的说明性流动状态。如图5所示，可以响应于流过入流控制装置130的流体中的含水量或含水率来控制流量。在图5中，X轴对应于入流流体中的含水百分比或“含水量”，Y轴对应于流过入流控制装置130的最大流量的百分比。入流控制装置可以配置成对入流流体中的含水率和含水率变化具有各种不同的预定特性曲线。这些特性曲线可以在实施例中以数学关系式表征。另外，入流控制装置130可以在含水率增大和减小时控制流量。也就是说，流量控制可以是双向/可逆和动态/自适应的。动态/自适应是指入流控制装置130响应于井下环境的变化。另外，通过将入流控制装置130配置为即使在极高含水量下也始终允许最小流量而保持入流控制装置130的双向/可逆特征。

在第一实例中，入流控制装置130的特性以线140表征，其中，流量在入流主要为水或主要为油时保持大体上不变，但是在油水比更为平衡的中间区域发生变化。线140可以具有在点142和点144之间表示的第一区段，其中，对从大约0％到可能50％的含水量提供通常不变或固定的最大流量，例如100％。从点144到点146，流量随着含水量增大以线性方式相反地变化。点146粗略地表示含水量为85％时流量为10％。随后，含水量增大超过85％后不会改变流量。也就是说，对于含水量超过85％来说，流量可以保持在10％。入流控制装置130可以配置为沿着线140双方向控制流量。

在第二实例中，入流控制装置130的特性可以由线148表征，其中，只要含水量保持在临界值之下，流量与含水量反向变化。在临界值以上，流量大体上保持不变。线148可以具有在点142和点150之间表示的第一区段。点142可以表示0％含水量时的最大流量，点150可以表示50％含水量时流量为10％。点142和点150之间的线可以由数学关系式近似地表示，其中，流量随着含水量增大以非线性方式相反地变化。随后，含水量超过50％后不会改变流量。也就是说，对于含水量超过50％来说，流量可以保持在10％。

在第三实例中，入流控制装置130的特性可以由线152表征，其中，对于含水量范围的一部分来说，流量与含水量的关系由比较复杂的关系决定。线152可以包括位于点142和150之间的多个区段154、156、158。每个区段154、156、158可以反映流量与含水量的不同关系。第一区段154可以采用陡峭的负斜率并且为线性。第二区段可以是平稳区域，其中，流量不会随着含水量的改变而变化。第三区段158可以是相对非线性区域，其中，流量与含水量反向变化，但并非平滑曲线。随后，含水量增大而超过50％后不会改变流量。也就是说，对于含水量超过50％来说，流量可以保持在10％。

现在参考图6，其显示了可以被入流控制装置130采用的其它说明性流动状态。在图6中，X轴对应于入流流体中的含水百分比或“含水量”，Y轴对应于流过入流控制装置130的最大流量的百分比。入流控制装置130可以配置为相应于含水量的变化而具有相对复杂的特性曲线。进一步地，给定含水量下的流量可以是入流控制装置130先前所遇含水量的函数。也就是说，当入流控制装置130是双向或可逆的时，第一流量-含水量关系可以在含水量增大时控制流量，第二流量-含水量关系可以在含水量减小时控制流量。

例如，点162、164、166、168和170可以限定线160，其显示了对含水量变化的非对称响应。在点162处，为零含水量提供最大流量。当含水量增大时，流量以相对线性的方式减小至点164(该点可表示在60％含水量下具有10％的流量)。从点164到点166(其可具有90％的含水量或更高)，流量相对不变地保持在10％。当含水量在从点164到点166之间的一些点减少时，入流控制装置130显示出流量对含水量的不同的比例关系。例如，当含水量从点166减少时，流量在点168之前保持不变。也就是说，流量特性曲线可以不符合沿着点164和点162之间直线的路径。点168可以表示含水量为50％时，流量为10％。当含水量降到50％以下时，流量根据点168和点170之间的直线增大。应当注意到，当含水量变为零时，流量可能低于点162处的最大流量。因此，尽管特性曲线160反映入流控制装置130的可逆或双向性能，但与含水量增大相关的流量变化可能不对应或不匹配与含水量减小相关的流量变化。这种不对称性能可以通过配制反应物质预先确定，从而改变与含水量改变方向相关的特性曲线。在其它情况下，不对称性能可能缘于材料完全回复原有形状、状态或条件的能力限制。在另外一些情况下，在含水量在入流流体中消散的时间和与反应物质相互作用的水从反应物质上冲刷或充分去除以允许材料回复到原始状态的时间之间存在时滞。

线172显示了另一种特性曲线，其中，流量由含水量的变化方向决定。线172可以由点162、174、176和170限定。在点162处，为零含水量提供最大流量。当含水量增大时，流量以相对线性的方式减小至点174(该点可表示在40％含水量下具有10％的流量)。从点174到点176，当含水量减小时，流量相对不变地保持在10％。当含水量从点176减小时，流量根据点176和点170之间的直线或曲线增大。应当注意到，当含水量变为零时，流量可能低于点162处的最大流量。因此，如前所述，尽管特性曲线172反映入流控制装置130的可逆或双向性能，但与含水量增大相关的流量变化可能不对应或不匹配与含水量减小相关的流量变化。

现在参考图4，在实施例中，入流控制装置130可以包括一个或更多个流量控制元件132a、b、c，其相互配合以建立特殊流态或控制入流流体的特殊流动参数。尽管显示了三个流量控制元件，应当理解，可以使用任意数量的流量控制元件。因为流量控制元件132a、b、c通常性质类似，为方便起见，只参考流量控制元件132a进行描述。流量控制元件132a(可以形成为盘或环)可以包括周向排列的一条或更多条流动路径134。流动路径134提供允许流体横跨或横穿流量控制元件132a的本体的管道。应当认识到，流动路径134提供横跨流量控制元件132a的液压并联流动。液压并联一方面是指两条或多条管道，其分别独立地提供通向公共点的流体路径或两个公共点之间的流体路径。另一方面，液压并联流动路径包括共用两个公共点(例如，上游点和下游点)的流动路径。共用是指与公共点流体连通或液压连接。

因此，一般而言，流动路径134提供与其相关流量控制元件132a、b、c中的每一个横跨的流体流动。毫无疑问，如果只有单个流动路径134，则流动更好地体现为与流量控制元件132a、b、c交叉的串行流动。

在实施例中，每个流动路径134可以部分或完全装填或填充可渗透反应介质136，其以预定方式控制对流体流动的阻力。用于在流动通道内容纳反应介质136的适当元件包括但不限于滤砂器、烧结玻璃珠子人造岩心(pack)、纤维网等。可渗透反应介质136可以进行工程设计或调整以与入流流体中的一种或更多种选定流体发生反应，从而改变或控制放有反应介质136的流动路径上的流动阻力。调整是指对与和水或其它流体成分发生反应的所述反应介质136的性能相关的一个或更多个特征进行有意调试或调节以按照预定方式或响应于预定条件或一组条件的方式产生。在一个方面，通过改变经过流动路径134的渗透性来控制阻力。在一个方面，可渗透的反应介质136可以包括涂覆有亲水材料(也称作相对可渗透聚合物)的颗粒。在一个方面，亲水材料可以是添加到选定材料(例如开口泡沫塑料、砂颗粒、陶瓷颗粒、金属颗粒或其组合)中以形成可渗透反应介质136的聚合物。

现在参考图7，入流控制装置130中的入流流体的流动路径示意性地显示为液压回路。如图所示，流量控制元件132a、b、c以串联方式布置，而每个流量控制元件132a、b、c中的流动路径134a1-an、b1-bn、c1-cn为液压并联方式。在这方面，流动路径可以看作组成液压回路的支路。例如，流量控制元件132a包括多条流动路径134a1-an，每条流动路径在结构上并联。也就是说，每条流动路径134a提供穿过流量控制元件132a的液压独立的管道。每个流量控制元件132a、b、c可以由环形流动空间138隔开。在示例性流动方式中，流体以并联方式从公共点经由至少两个分支/流动路径134流过第一流量控制元件132a。第一流量控制元件132a中的流动路径134均可以对流体具有相同或不同的流动阻力，并且阻力可以根据流体成分，例如含水量发生变化。流体随后从公共点流出并在将第一流量控制元件132a和第二流量控制元件132b隔开的环形空间138中混合。流体以并联方式流过第二流量控制元件132a并且在将第二流量控制元件132b和第三流量控制元件132c隔开的环形空间138内混合。第二流量控制元件132b中的流动路径134对流体也均可以具有相同或不同的流动阻力。在其余流量控制元件中具有类似的流动方式。应当理解，每个流量控制元件132a、b、c以及每个环形空间138可以单独配置以引起流动参数变化或者采用特殊流动参数(例如，压力或流量)。在一个方面，液压回路可以包括串联定位的支路组。一组或更多组支路可以具有液压并联的两个或多个支路。因此，通过使用串联和并联流动路径以及环形空间的组合扩大了入流控制装置130对入流流体中的含水量变化的响应范围和复杂性。

例如，在实施例中，流动路径134a1-an中的至少两条流动路径中的可渗透反应介质136可以配制成在暴露于相同含水量下时发生不同的反应。例如，对于15％含水量而言，流动路径134a1-an中的半数流动路径中的介质可以具有较低的第一流动阻力(例如，较高渗透性)，而另一半流动路径134a1-an中另一半流动路径内的介质可以具有较高流动阻力(例如，较低渗透性)。在另一实例中，流动路径134a1-an中的每条流动路径中的介质对特定含水量具有截然不同或不一样的特性曲线。因此，例如，流动路径134a1中的可渗透介质136在暴露于15％含水量下时渗透性显著降低，流动路径134an中的介质136只有在暴露于50％含水量下时渗透率才显著降低。中间流动路径中的介质136(介质136a2-a(n-1))对15％到50％之间的含水量值可以分别具有逐渐或成比例降低的渗透性。也就是说，一条这种中间流动路径中的介质与相邻流动路径中的介质相比，对含水量具有逐渐递增的不同反应。流量控制元件132b、c中的流动路径可以按照相同或不同的方式配置。

因此，按照有点类似于电路的方式，可以选择入流控制装置130中的每条流动路径以及其相关结构(例如，并联和/或串联支路)的渗透性/阻力以使入流控制装置130能够对所施加的输入产生希望的响应。另外，渗透性/阻力可以与含水量相关并且可变。因此，应当认识到，存在许多变化或置换，可以利用所述变化或置换获得用于入流控制装置130的预定流态或特征。

在实施例中，可渗透反应介质136可以包括水敏介质。水敏介质的一个非限制实例是相对渗透率改性剂(RPM)。在此引入作为参考的美国专利No.6474413、No.7084094、No.7159656和No.7395858中描述了可起到RPM作用的材料，相对渗透率改性剂可以是亲水聚合物。该聚合物可以单独使用或者与基底一起使用。在一种应用中，聚合物可以结合到基底的单独的颗粒上。示例性基底材料包括砂、砾石、金属球、陶瓷颗粒和无机颗粒，或者在井下环境中稳定的任何其它材料。基底还可以是其它聚合物。为了对给定输入，例如具有特定含水量的入流流体获得希望的渗透性或反应性，水敏材料的性质可以通过改变聚合物(类型，组分、组合等)、基底(类型、尺寸、形状、组合等)或两者的组成(聚合物数量、结合方法、构造等)而变化。在一个非限制性实例中，当水在RPM改性的可渗透介质中流动、在其周围流动或从中流过时，涂覆在颗粒上的亲水聚合物膨胀以减小流体流动通道的可用流动截面积，从而增大了流体流动阻力。当油和/或气流流过该可渗透介质时，亲水聚合物收缩以开启用于油和/或气流的流动通道。另外，聚合物可以被注入渗透性材料(例如烧结金属玻璃珠子人造岩心、陶瓷材料、可渗透天然结构等)中。在这种情况下，聚合物可以被注入基底中。另外，聚合物的可渗透泡沫体可以由反应介质构造而成。

RPM或亲水聚合物可以由任何适当的组分制成，所述组分具有强亲水性，从而使聚合物能够根据暴露在水中的量进行结合和尺寸膨胀。亲水材料可以在水接触量减小时收缩。因此，当从地层流出的水量增大时，亲水聚合物的体积增大或膨胀。导致亲水聚合物膨胀的水量可以以流量、流体中的水百分比或表示暴露在水量中的其它参数为基础。在一个方面，可以根据以期望应用为基础的希望渗透率变化配置亲水聚合物的类型和尺寸。例如，一组紧密压缩的颗粒可能需要有限数量的较薄亲水聚合物以限制通过颗粒的水流。在另一个方面，松散填充的颗粒具有较大的流体流动通道，其可能需要大密度亲水聚合物以限制流过颗粒通道的水流。

在实施例中，介质可以包括离子交换树脂珠体的充实基体。珠体可以形成为几乎没有或没有渗透性的球体。当与水接触时，离子交换树脂的尺寸可以通过吸水而增大。因为珠体相对不易渗透，流动截面积由于离子交换树脂的膨胀而减小。因此，经由流动通道的流动可以减少或停止。在实施例中，流动路径中的材料可以构造为根据HPLC(高效液相色谱法)起作用。材料可以包括一种或更多种化学品，其可以根据例如偶极-偶极相互作用、离子相互作用或分子尺寸这些因素来分离流动流体(例如，油和水)的构成组分。例如，如人们已知的那样，油分子的尺寸大于水分子。因此，材料可以构造为使水能够透过，但不易使油透过。这种材料随后可以存水。在另一实例中，可以使用离子交换色谱法构造材料以根据分子的电荷性质分离流体。可以利用材料分子的吸引或排斥有选择地控制流体中组分(例如，油或水)的流量。

在实施例中，可以选择或配制反应介质136以与除了水之外的材料反应或相互作用。例如，反应介质136可以与烃、化合物、细菌、颗粒、气体、液体、固体、添加剂、化学溶液、混合物等反应。例如，可以选择反应介质以在暴露给烃时增大(而非减小)渗透性，这可以在含油量增大时使流量增大。

可以具体构造入流控制装置的每条流动路径以通过适当地改变或选择介质的每一上述方面而对流体组分(例如，含水量)具有希望的特性曲线(例如，阻力、渗透性、阻抗等)。水敏介质的特性曲线可以在指定含水量临界值处逐渐变化或阶跃变化。在临界值以上，阻力以阶梯方式大大增加。应当认识到，通过适当选择反应介质136的材料以及反应介质136沿入流控制装置130的布置方式可以获得图5和6所示流量与含水量关系以及其他希望的关系。

应当认识到，在部署于井眼中的工具内使用水敏材料允许水敏材料以如果水敏材料直接注入地层中时不可能获得的精度进行调整、配制和/或制造。也就是说，与在井底条件不稳定或不易控制期间，水敏材料从地表向下经由套管或管路泵入地下岩层并应用于储层相比，能够以更高精度和技术规范在制造设施的受控环境条件下将一种或更多种水敏材料应用给工具的一条或更多条流动路径中的一个或更多个可渗透介质基底。另外，因为基于水敏材料的入流控制装置在井眼部署之前进行配置，这种入流控制装置的工作特性或性能可以与实际或预测地层条件和/或来自特殊地层的流体组分″协调″或匹配。此外，在实施例中，入流控制装置可以就地进行重新配置或调节。

现在参考图8，显示了具有开采控制装置202、204、206的采油井200，所述开采控制装置分别控制来自储层208、210、212的地层流体入流。尽管开采控制装置202、204、206显示为彼此比较靠近，但是应当理解，这些装置可以隔开几百英尺或更长。开采控制装置202、204、206可以分别包括水敏材料以控制如上所述的入流流体的一个或更多个流动参数。有利地，本发明的实施例可以灵活地配置、重新配置、再装满、脱水或以其他方式调节开采控制装置202、204、206的一个或更多个特性。此外，每个开采控制装置202、204、206可以就地独立调节。

此外，参考图8，控制地层流体入流的开采控制装置202、204、206均可以包括位于可渗透介质基底上的疏水材料以控制如上所述的入流流体的一个或更多个流动参数。例如，在一条或更多条流动路径中使用涂覆可渗透介质基底的疏水材料能够使工具选择水/油比(例如在较高水/油比下)的灵敏度达到最佳。另一非限制实例可以用于在选定水/油比下具有较高流量的油井。又一非限制实例可以用于选择流动路径和可渗透介质基底尺寸构造。

在一个实施例中，可以通过输送装置222将配置工具220输送到油井200中。与配置工具220相关的密封224可以致动以使配置工具220和开采控制装置204与开采控制装置202、206隔离。这种隔离确保由配置工具220供应的流体或其它材料只被传输至开采控制装置204而对其起作用。其后，可以操作输送装置222以配置开采控制装置204。例如，配置工具220可以按照规定方式注入与开采控制装置204中的WSM反应的添加剂、泥浆、酸或其它材料。可以通过输送装置220(其可以是盘管或钻柱)从地面泵送流体。流体还可以利用钻泥提取器(bailer)注入，所述钻泥提取器构造为接收来自泵(未显示)的加压流体。现在参考图3和8，由输送装置220供应的流体可以从流动孔102经由开口122流入开采控制装置204/100。用于配置或重新配置开采控制装置204的其它方式可以包括利用配置装置220施加能量(例如，热能、化学能、声能等)以及利用流体机械冲刷或清洗开采控制装置204，即与化学相互作用相对的机械作用。

在说明性的工作方式中，配置工具220可以注入使开采控制装置204中的水敏材料脱水的流体，从而重建流过开采控制装置204的入流。在另一应用中，配置工具220可以注入增大或降低水敏材料反应性的材料。例如，注入材料可以将具有50％含水量临界值的水敏材料转换为具有30％或80％含水量临界值的水敏材料。同样，注入材料可以用不同的第二水敏材料代替第一水敏材料。此外，在一个方案中，可以利用对来自储层210的地层流体进行的分析而在地面配置开采控制装置204。其后，开采控制装置204可被输送到紧邻储层210的井200中并安装。其后经过一段时间，对来自储层201的流体的分析可以指出，改变开采控制装置204的一个或更多个特性可以产生更适合的入流流量，其可能变高或变低。因此，配置装置220可以输送到井200中并且进行操作以使开采控制装置204发生希望的改变。在另一方案中，开采控制装置204可以利用效率在一段时间之后降低的水敏材料。配置装置220可以定期部署到井220中以整修开采控制装置204。

图9是示例性开采控制装置300的侧部剖视图，所述开采控制装置具有若干个部件以控制地层流体316流入开采管件312中。管件312的纵向中心线302上方显示了开采控制装置300的一半的层结构。开采管件312包括使地层流体能够流入开采管件312的多个通道。在一个方面，开采控制装置300可以包括作为外层的保护构件304(或外套)以保护开采控制装置300的部件。保护构件304还可以配置为避免大颗粒进入开采管件312。用于减小流入开采管件312中的地层流体316中的颗粒数量和尺寸的栅网306可以放于保护构件304和管件312之间。在一个方面，入流控制装置308(这里还称作流体感应构件、流量控制装置或水入流控制装置)可以位于栅网306和内套310之间。内套310提供用于入流控制装置308的支撑。另外，内套310使流体能够在入流控制装置308和开采管件312之间流动或排出。如这里所述，入流控制装置308还可以称作流量控制装置或水入流控制装置。入流控制装置308可以由反应介质组成，所述反应介质配置为改变反应中对水或其它选定流体的渗透率。在实施例中，反应介质可以在暴露于选定水量下时降低渗透率。反应介质可以在水暴露减少时增大渗透率。

在多个方面中，入流控制装置308可以包括任何适当的颗粒，包括但不限于砂、陶瓷或涂覆亲水聚合物材料的金属颗粒。在一个方面，亲水聚合物的性质可以根据应用的希望渗透率和颗粒特征(例如用于构建入流控制装置的尺寸和材料)进行配置。例如，一组紧密压缩的较小颗粒可能需要有限数量的亲水聚合物以限制通过位于颗粒之间的狭窄通道的水流。进一步地，微粒和亲水聚合物的类型和尺寸可以在入流控制装置308内的反应介质上变化。例如，入流控制装置308可以配置为在反应介质上具有一定范围的渗透率。在这种情况下，可以使用亲水聚合物和微粒的组合。另外，用于亲水聚合物的材料可以配置为以用于每种应用的希望方式进行作用。

仍然参考图9，在一个方面，内套310可以提供入流控制装置308和开采管件312之间的流体流动路径。内套310可以包括隔离结构以改进流体穿过开采控制装置的流动。如上所述，开采管件312包括使流体能够流入流动孔314的流体通路。反应介质可以邻近装置300的任意部件(包括相邻的保护构件304、栅网306和内套310)放置。

如图9所示，采出流体316可以沿径向方向流动，所述径向方向可与装置300的中心线302成任何适当的角度。流动可以与中心线302垂直或大体上垂直。在这种构造中，采出流体316在开采控制装置300的大体上整个长度上向内流动。采出流体流过保护构件304和栅网306，该栅网过滤采出流体316中的颗粒。经过过滤的流体随后流向入流控制装置308，该入流控制装置包括具有反应介质的构件，所述反应介质配置为根据水量而改变反应中的渗透率。通过使流体能够流过入流控制装置308的大体上整个纵向长度，流体可以以较低速度流动。由于较低的流体流动速度，亲水聚合物趋向于相对不受干扰且稳定定位地停留在入流控制装置308的流体连通通道中。该实施例优于流体以较高速度线性流过反应介质(这会使反应介质受损)的实施例。

图1和2仅用于举例说明可以应用本发明教导的开采系统。例如，在特定开采系统中，井眼10、11可以仅使用套管或衬管将采出流体输送至地面。本发明的教导可以适用于控制流过这些和其它井眼管件的流体。

因此，已经描述过的内容部分地包括用于控制井眼中的管孔和地层之间的流体流动的设备。该设备可以包括入流控制装置，其包括多条流动路径，两条或多条流动路径可以液压并联，其将流体从地层输送到井眼管件的流动孔中。反应介质可以布置在每个流动路径中。反应介质可以通过与选定流体(例如水)相互作用而改变渗透性。在一些应用中，入流控制装置中的至少两条流动路径可以为串联布置方式。在一个非限制方案中，反应介质可以在来自地层的流体的含水率增大时增大流动阻力，并且在来自地层的流体的含水率减小时减小流动阻力。可以配制反应介质以改变流动参数，例如渗透率、曲率(tortuosity)、湍流度、粘性和流动截面积。

现在参考图3，应当认识到，反应介质可以位于除了入流控制装置130之外的其他位置处。例如，流动路径310可以位于颗粒控制装置110内，沿着流量管理装置120的通道，或者沿着开采控制装置100的其他位置。这种位置所使用的反应介质可以是先前所述或如下所述的任何类型。

为了说明和解释的目的，上面的说明涉及本发明的特定实施例。然而，对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的情况下可以对上文所述的实施例进行许多变型和改变。

Claims (23)

1.一种用于控制地层流体的流量的设备，包括：

具有一条或更多条流体流动通道的管件；和

由颗粒和亲水材料形成并放置于所述管件外面的流量控制装置，所述流量控制装置配置为当该流量控制装置位于井眼中时沿着相对于管件纵向轴线的径向方向接收地层流体。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述亲水材料的数量足以使流量控制装置限制从中流过的地层流体的流量。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述流量控制装置定位成接收通过流量控制装置的大体上整个长度的流体。

4.如权利要求1所述的设备，还包括位于井眼管件和流量控制装置之间的流体流动路径。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述亲水材料在流量控制装置中响应于对水的暴露进行膨胀。

6.如权利要求1所述的设备，还包括位于流量控制装置外面的保护构件。

7.如权利要求6所述的设备，还包括位于保护构件和流量控制装置之间的栅网。

8.如权利要求6所述的设备，其中，所述流量控制装置位于保护构件和栅网之间。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述亲水材料响应于对水的暴露改变流动路径参数，所述流动路径参数选自由下述参数构成的组：(i)渗透率，(ii)曲率，(iii)湍流度，(iv)粘性和(v)流动截面积。

10.一种用于制造流体流量控制装置的方法，包括：

提供具有一条或更多条流体流动通道的管件；和

靠近所述管件提供由反应介质形成的流量控制装置，该流量控制装置配置为沿相对于管件纵向轴线的大体上径向方向接收流体，其中，所述反应介质配置为控制流体的流量。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述反应介质包括足以使流量控制装置限制选定流体从中流过的颗粒和选定数量的亲水材料。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述亲水材料是在流量控制装置内响应于对水的暴露而膨胀的聚合物。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述亲水材料响应于对水的暴露改变流动路径参数，所述流动路径参数选自由下述参数构成的组：(i)渗透率，(ii)曲率，(iii)湍流度，(iv)粘性和(v)流动截面积。

14.如权利要求10所述的方法，还包括提供位于管件和流量控制装置之间的流体流动路径。

15.如权利要求10所述的方法，还包括提供位于流量控制装置外面的保护构件。

16.如权利要求14所述的方法，还包括提供位于保护构件和流量控制装置之间的栅网。

17.如权利要求15所述的方法，还包括提供位于保护构件和栅网之间的流量控制装置。

18.一种用于控制来自于地下地层的流体流量的系统，包括：

管件，该管件具有流体通道和配置为将来自于地下地层的流体输送至地面的孔；

沿管件中的流体通道的长度定位的流量控制装置，其中，所述流量控制装置包括在暴露于选定流体中时改变渗透率的反应介质。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述流量控制装置配置为接收沿径向方向流动的流体。

20.如权利要求18所述的系统，其中，所述反应介质包括足以使流量控制装置限制水从中流过的颗粒和选定数量的亲水材料。

21.如权利要求18所述的系统，其中，所述亲水材料是在流量控制装置内响应于对水的暴露而膨胀的聚合物。

22.如权利要求18所述的系统，还包括位于保护构件和流量控制装置之间的栅网。

23.如权利要求18所述的方法，还包括提供位于保护构件和栅网之间的流量控制装置。

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