CN103206196A - 具有循环感应结构以可变地阻止地下井中的流动的可变流阻系统 - Google Patents

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Abstract

一种流动控制装置，可包括：一表面，其限定室并包括侧周边和多个相对的端表面，多个相对的端表面之间的最大距离小于多个相对的端表面的最大尺寸；第一端口，其贯穿端表面之一；以及第二端口，其贯穿表面并与第一端口分开；侧周边表面是可操作的，用以引导来自第二端口的流体绕第一端口旋转。另一装置可包括用于接收通过入口的流体并将流体引导到出口的筒形室，筒形室的最大轴向距离小于筒形室的最大直径尺寸，筒形室基于通过入口的流体的特性来促进流体的旋转。该装置可具有位于筒形室中的流路结构。

Description

具有循环感应结构以可变地阻止地下井中的流动的可变流阻系统
相关申请的交叉引用
本申请是2010年6月2日提交的在先美国专利申请序列号第12/792146号的部分继续申请。本申请还涉及2010年2月4日提交的在先美国专利申请序列号第12/700685号，其为2009年8月18日提交的美国专利申请序列号第12/542695号的部分继续申请。为了所有目的，这些在先申请的全部内容在此通过援引并入。
技术领域
本发明大体涉及与地下井（subterranean well）结合使用的设备和所执行的操作，且在以下描述的示例中，本发明更具体地用于可变地阻止地下井中的流动。
背景技术
在烃生产井（hydrocarbon production well）中，在许多情况下能够调节从地层到井眼内的流体流量都是非常有益的。这种调节能够服务于多个目的，包括防止水或气锥、最小化产砂量、最小化产水量和/或产气量、最大化产油量和/或产气量、在多个带（zone）之间平衡生产量等。
在注入井（injection well）中，典型地期望将水、蒸汽、气体等均匀地注入多个带内，使得烃穿过地层均匀地位移，被注入流体不会过早突破到生产井眼。因此，调节从井眼到地层内的流体流量的能力也能够有益于注入井。
因此应理解，在上述情况下，可变地限制井中的流体流量的技术的进步是符合期望的，而且在许多其他情况下这类进步也是有益的。
发明内容
在以下内容中，提供一种可变流阻系统，其为调节井中流体流量的技术带来多种改进。以下一个示例描述的是，如果流体成分具有达到阈值水平的不期望特性，则流体成分的流动被更多地阻止。以下另一示例描述的是，对流经系统的流体来说，阻力随着流体成分中期望流体与不期望流体之比的减小而增大。
根据一个方案，本发明为本技术领域提供一种用于地下井的可变流阻系统。该系统可包括供流体成分流经的流室（flow chamber）。该室具有至少一个入口、出口和阻止流体成分从绕出口的环流（circular flow）变成朝向出口的径流（radial flow）的至少一个结构。
根据另一方案，一种在地下井中使用的可变流阻系统可包括供流体成分流经的流室。该室具有至少一个入口、出口和阻止流体成分绕出口的环流的至少一个结构。
根据又一方案，提供一种在地下井中使用的可变流阻系统。该系统可包括供流体成分在井中流经的流室，该室具有至少一个入口、出口和阻止流体成分从绕出口的环流变成朝向出口的径流的至少一个结构。
根据另一方案，以下描述的可变流阻系统可包括具有出口的流室和至少一个结构，至少一个结构阻止沿流体成分朝向出口流动的方向改变。流体成分沿流动方向进入室，流动的方向基于流体成分中期望流体与不期望流体之比而改变。
根据再一方案，本发明提供一种可变流阻系统，其可包括流路选择装置；该流路选择装置基于流体成分中期望流体与不期望流体之比，选择来自装置的大部分流体流经多个流路中的哪个流路。该系统还包括：流室，其具有出口、连接到多个流路中的第一流路的第一入口、连接到多个流路中的第二流路的第二入口；以及至少一个结构，其较多地阻止流体成分从第二入口到出口的径流，较少地阻止流体成分从第一入口到出口的径流。
在一个示例中，一种用于安装在地下井眼中的流动控制装置可包括：内表面，其限定内室（interior chamber），该内表面可包括侧周边表面和多个相对的端表面，多个相对的端表面之间的最大距离小于多个相对的端表面的最大尺寸；第一端口，其贯穿多个端表面中的一个端表面；第二端口，其贯穿通过内表面并与第一端口分开；侧周边表面是可操作的，用以引导来自第二端口的流体绕第一端口旋转；并且流动控制装置还可包括位于内室中的流路结构。
在另一示例中，用于安装在地下井眼中的流动控制装置可包括用于接纳通过室入口的流体并将流体引导到室出口的筒形室，筒形室的最大轴向尺寸小于筒形室的最大直径尺寸，筒形室促进流体绕室出口的旋转，而且旋转程度基于通过室入口进入流的特性，并且流动控制装置还可包括位于筒形室中的流路结构。
控制地下井眼中的流动的方法可包括：接收井眼中的流动控制装置的筒形室中的流体，筒形室包括至少一个室入口，筒形室的最大轴向尺寸小于筒形室的最大直径尺寸；通过筒形室内的流路结构引导流体；以及促进流经筒形室的流体绕室出口的旋转，旋转程度基于通过室入口进入流的特性。
在仔细考虑以下代表性示例的详细描述和附图之后，这些及其他特征、优点和益处将变得对本领域技术人员明显，其中相同元件在各图中使用相同的附图标记表示。
附图说明
图1是能够体现本发明的原理的井系统的示意性局部剖视图。
图2是可用于图1的井系统的井筛和可变流阻系统的放大比例的示意性剖视图。
图3是沿图2中的线3-3截取的可变流阻系统的一种构造的示意性“展开”平面图。
图4A和图4B是可变流阻系统的流室的另一构造的示意性平面图。
图5是流室的又一构造的示意性平面图。
图6A和图6B是可变流阻系统的又一构造的示意性平面图。
图7A至图7H是流室的各种构造的示意性剖视图，图7A至图7G是沿图4B中的线7-7截取的，图7H是沿图7G中的线7H-7H截取的。
图7I和图7J是可用于可变流阻系统的流室的那些结构的构造的示意性立体图。
图8A至图11是流室的其他构造的示意性平面图。
具体实施方式
图1代表性地示出了能够体现本发明的原理的井系统10。如图1所示，井眼12具有从套管16向下延伸的大体竖直的未套管段14，以及延伸通过地层20的大体水平的未套管段18。
管状柱（tubular string）22例如为生产油管管柱（production tubing string），被安装在井眼12中。多个井筛24、可变流阻系统25和封隔器26在管状柱22中互连。
封隔器26将在管状柱22与井眼段18之间径向地形成的环空28封堵起来。按这种方式，流体30可经由环空28（这些环空位于相邻的成对的封隔器26之间）的隔离部分而从地层20的多个间隔区或带产出。
位于每对相邻的封隔器26之间的井筛24和可变流阻系统25在管状柱22中互连。井筛24过滤从环空28流入管状柱22内的流体30。可变流阻系统25基于流体的某些特性，来可变地限制流体30进入管状柱22的流量。
在此应注意，图中示出的及本说明书描述的井系统10只不过是能够利用本发明的原理的许多井系统中的一个示例。应清楚地理解，本发明的原理根本不限于图中示出的或本说明书描述的井系统10或井系统的部件的任何细节。
例如，包括大体竖直的井眼段14或大体水平的井眼段18的井眼12并非必须符合本发明的原理。流体30并非必须仅从地层20产出，在其他示例中，流体可被注入地层，流体可既被注入地层又从地层产出等。
井筛24和可变流阻系统25中的每一个并非必须位于一对相邻的封隔器26之间。单个可变流阻系统25并非必须与单个井筛24结合使用。可使用任何数量、设置方式和/或组合的这些部件。
并非任何可变流阻系统25都必须与井筛24一起使用。例如，在注入操作中，注入流体可流经可变流阻系统，而不流经井筛24。
井筛24、可变流阻系统25、封隔器26或管状柱22的任何其他部件并非必须被置于未套管段14、18中。根据本发明的原理，井眼12中的任何段可设有套管或不设有套管，管状柱22的任何部分可位于井眼的未套管或套管段中。
因此，应清楚地理解，本发明描述了如何形成和使用某些示例，但本发明的原理不限于这些示例的任何细节。而是，使用从本说明书获得的知识，那些原理能够应用于许多其他示例。
本领域技术人员应理解，有益的是来自地层20中的每个带的流体30进入管状柱22内的流量能够被调节，例如，以防止地层中的水锥32或气锥34。井中的流量调节的其他用途包括但不限于，平衡来自多个带的产出（或对多个带的注入）、最小化不期望流体的产出或注入、最大化期望流体的产出或注入等。
以下更充分地描述的可变流阻系统25的示例可通过以下方式提供这些益处：如果流速增加超过选定水平，则增大流阻（例如由此平衡多个带间的流量、防止水或气锥等）；如果流体粘度或密度减小至选定水平以下，则增大流阻（例如由此在产油井中限制不期望流体例如水或气的流量）；和/或如果流体粘度或密度增加至选定水平之上，则增大流阻（例如由此最小化在蒸汽注入井的水的注入量）。
流体是期望或不期望的流体取决于正在进行的生产或注入操作的目的。例如，如果期望从井中产出油，但不产出水或气，则油是期望流体，而水和气是不期望流体。如果期望从井中产出气，但不产出水或油，则气是期望流体，而水和油是不期望流体。如果期望将蒸汽注入地层内，但不注入水，则蒸汽是期望流体，而水是不期望流体。
请注意，在井下的温度和压力条件下，烃气体能够实际上完全地或部分地处于液态。因此，应理解，当本文使用术语“气体”时，超临界、液态和/或气态均包括在该术语的范围内。
现在再参照图2，图2代表性地示出了可变流阻系统25之一和井筛24之一的一部分的放大比例的剖视图。在该示例中，流体成分36（可包括一种或多种流体，例如油和水、液体水和蒸汽、油和气、气和水、油、水和气等）流入井筛24内，由此被过滤，然后流入可变流阻系统25的入口38中。
流体成分可包括一种或多种不期望流体或期望流体。流体成分中可组合有蒸汽和水二者。作为另一示例，流体成分中可组合有油、水和/或气。
基于流体成分的一个或多个特性（例如密度、粘度、速度等），流体成分36通过可变流阻系统25的流量受到限制。流体成分36然后从可变流阻系统25经由出口40被排放到管状柱22的内部。
在其他示例中，井筛24可能不与可变流阻系统25结合使用（例如在注入操作中），流体成分36可沿反方向流经井系统10的各元件（例如，在注入操作中），单个可变流阻系统可与多个井筛结合使用，多个可变流阻系统可与一个或多个井筛一起使用，流体成分可从井中的不同于环空或管状柱的区域被接纳、或被排放到井中的不同于环空或管状柱的区域内，流体成分可在流经井筛之前流经可变流阻系统，任何其他部件可与井筛和/或可变流阻系统的上游或下游互连等。因此，应理解，本发明的原理根本不限于图2示出的并在本说明书中描述的示例的细节。
尽管图2示出的井筛24属于本领域技术人员公知的绕丝井筛（wire-wrapped well screen）类型，在其他示例中可使用任何其他类型的井筛或多种井筛的组合（例如，烧结式的、膨胀式的、预填充式的、金属丝网等）。如果期望的话，也可使用其他部件（例如护罩、分流管、线路、仪器、传感器、流入控制装置等）。
图2示出了可变流阻系统25的简化形式，但在优选示例中，如以下更充分地描述的，该系统可包括用于执行各种功能的多种通道和装置。另外，系统25优选绕管状柱22至少部分地沿圆周延伸，或者该系统可在作为管状柱的一部分互连的管状结构的壁中形成。
在其他示例中，系统25可不绕管状柱沿圆周延伸，或者在管状结构的壁中形成。例如，系统25可被形成为平坦结构等。系统25可位于被附接到管状柱22的单独壳体中，或者可被定向为使得出口40的轴线与管状柱的轴线平行。系统25可位于测井管柱（logging string）上，或被附接到形状不是管状的装置。可根据本发明的原理，使用任何方向或构造的系统25。
现在再参照图3，其代表性地示出了系统25的一个示例的更详细截面图。系统25在图3被示出为似乎是从其圆周延伸的构造“展开”到大体平坦的构造。
如上所述，流体成分36经由入口38进入系统25，并经由出口40离开系统。流体成分36通过系统25的流阻基于流体成分的一个或多个特性而变化。图3所示系统25在大多数方面类似于以上通过援引并入本文的在先美国专利申请序列号第12/700685号的图23所示的系统。
在图3的示例中，流体成分36最初流入多个流道42、44、46、48内。流道42、44、46、48将流体成分36引导到两个流路选择装置50、52。装置50选择来自通道44、46、48的流（f1ow，流体）的大部分将进入两个流路54、46中的哪一个流路，另一装置52选择来自通道42、44、46、48的流中的大部分将进入两个流路58、60中的哪一个流路。
流道44被构造为对具有更大粘度的流体的流限制更多。粘度增大的流体通过流道44的流量将受到更大限制。
如本文使用的，术语“粘度”用来指示相关流变属性中的任一个属性，包括运动粘度、屈服强度、粘塑性、表面张力、润湿性等。
例如，流道44可具有相对小的流动面积，流道可要求流体通过曲折路径来流经此处，表面粗糙度或阻碍流动的结构可被用来提供增大对具有较大粘度的流体的流阻等。然而，相对小粘度的流体能够在流道对流体具有相对低阻力的情况下流经流道44。
流路选择装置50的控制通道64接收流经流道44的流体。位于控制通道64的端部的控制端口66的流动面积减小，由此增大离开控制通道的流体的流速。
流动通道48被构造为具有对流经的流体的粘度相对不敏感的流阻，但对具有较大流速和/或密度的流体的流阻增大。粘度增大的流体流动通过流道48的阻力可能增大，但尚未大到这种流体的流动通过流道44所受到的阻力的程度。
在图3所示的示例中，流经流道48的流体在被排放到流路选择装置50的控制通道68内之前，必须流经“涡流”室62。因为在该示例中的室62呈具有中心出口的圆筒形，而且流体成分36绕室螺旋，所以流体的流速随着其靠近出口而增大，并被压力差从入口驱动到出口，该室被称为“涡流”室。在其他示例中，可使用一个或多个孔口、文氏管、喷嘴等。
控制通道68终止于控制端口70处。控制端口70具有减小的流动面积，以便增大离开控制通道48的流体的流速。
应理解，随着流体成分36的粘度增大，更大比例的流体成分将流经流道48、控制通道48和控制端口70（这是因为与流道48和涡流室62相比，流道44更多地限制具有较大粘度的流体的流量）；而随着流体成分的粘度减小，更大比例的流体成分将流经流道44、控制通道64和控制端口66。
流经流道46的流体也流经涡流室72并且被排放到中央通道74内，涡流室72可类似于涡流室62（尽管在优选示例中涡流室72比涡流室62对流经的流体阻力更小）。涡流室72被用于“阻碍匹配（impedance matching）”以实现流经流道44、46、48的流量的期望平衡。
请注意，系统25的各部件的尺寸和其他特性将需要适当地选择，由此实现期望的结果。在图3的示例中，流路选择装置50的一个期望结果是，在流体成分中，期望流体与不期望流体之比充分地高时，流经流道44、46、48的流体成分36的大部分流被引导到流路54内。
在此情况下，期望流体是油，油具有比水或气更大的粘度，所以当充分高比例的流体成分36是油时，进入流路选择装置50的流体成分36的大部分将被引导至进入流路54内，而不是进入流路56内。之所以实现这种结果，是因为离开控制端口70的流体与离开另一控制端口66的流体相比，处于更大速率或更高速度，由此影响从通道64、68、74流出的流体更多流向流路54。
如果流体成分36的粘度不是充分地大（并因此期望流体与不期望流体之比低于选定水平），则进入流路选择装置50的流体成分中的大部分将被引导进入流路56内而不是进入流路54内。之所以如此，是因为离开控制端口66的流体与离开另一控制端口70的流体相比，处于更大速率或更高速度，由此影响从通道64、68、74流出的流体更多流向流路56。
应理解，通过适当地构造流道44、46、48，控制通道64、68，控制端口66、70，涡流室62、72等，流体成分36中期望流体与不期望流体之比能被设定到各种不同水平，装置50在此条件下选择流道54或流道56以供来自装置的大部分流体流过。
流路54、56将流体分别引导到另一流路选择装置52的控制通道76、78。控制通道76、78分别终止于控制端口80、82处。中央通道75从流道42接收流体。
流路选择装置52的操作与流路选择装置50的类似之处在于，经由通道75、76、78流入装置52内的流体被朝向流路58、60中的一个流路引导，而流路的选择取决于从控制端口80、82排放的流体的比值。与流经控制端口82的流体相比，如果流体以较大速率或速度流经控制端口80，则大部分流体成分36将被引导流经流路60。与流经控制端口80的流体相比，如果流体以较大速率或速度流经控制端口82，则大部分流体成分36将被引导流经流路58。
尽管在图3的系统25的示例中示出了两个流路选择装置50、52，但是应理解，根据本发明的原理，可使用任何数量（包括一个）的流路选择装置。图3所示的装置50、52属于本领域技术人员公知的喷射式流体比率放大器的类型，但是根据本发明的原理，也可使用其他类型的流路选择装置（例如，压力式流体比率放大器、双稳流体开关、比例流体比率放大器等）。
流经流路58的流体经由入口86进入流室84，入口86引导流体大体沿切向进入该室（例如，室84的形状类似于圆筒形，入口86与圆筒形的圆周的切线对齐）。因此，流体将绕室84螺旋，直到其最终经由出口40离开为止，如图3中的箭头90示意性地示出的。
流经流路60的流体经由入口88进入流室84，入口88引导流体更直接地流向出口40（例如沿径向，如图3的箭头92示意性地示出的）。如将容易地理解的那样，与流体较少直接地流向出口时相比，当流体更直接地流向出口40时，在流速相同的条件下必然消耗较少能量。
因此，当流体成分36更直接地向出口40流动时受到较小流阻，相反地，当流体成分较少直接地向出口流动时受到较大流阻。因此，在工作于出口40的上游的条件下，当大部分流体成分36从入口88流入室84内并通过流路60时受到较小流阻。
与离开控制端口82的流体相比，当流体以较大速率或速度离开控制端口80时，大部分流体成分36流经流路60。当从通道64、68、74流出的流体大部分流经流路54时，较多流体离开控制端口80。
与离开控制端口66的流体相比，当流体以较大速率或速度离开控制端口70时，从通道64、68、74流出的流体大部分流经流路54。当流体成分36的粘度处在选定水平之上时，较多流体离开控制端口70。
因此，当流体成分36具有增大的粘度（以及较大的期望流体与不期望流体之比）时，流经系统25的阻力较小。当流体成分36具有减小的粘度时，流经系统25的阻力较大。
当流体成分36较少直接地流向出口40（例如，如箭头90所示）时会受到较大流阻。因此，当大部分流体成分36从入口86流入室84内并流经流路58时受到较大流阻。
与离开控制端口80的流体相比，当流体以较大速率或速度离开控制端口82时，大部分流体成分36流经流路58。当从通道64、68、74流出的流体的大部分流经流路56而不是流经流路54时，较多流体离开控制端口82。
与离开控制端口70的流体相比，当流体以较大速率或速度离开控制端口66时，从通道64、68、74流出的流体的大部分流经流路56。当流体成分36的粘度处在选定水平之下时，较多流体离开控制端口66。
如上所述，系统25被构造为当流体成分36的粘度增大时，流阻较小，而当流体成分的粘度减小时，流阻较大。这在期望粘度较大的流体具有较大流量而粘度较小的流体具有较少流量时（例如为了生产更多的油和更少的水或气）是有益的。
如果期望粘度较小的流体流量较大而粘度较大的流体流量较小（例如为了生产更多的气和更少的水，或者注入更多的蒸汽和更少的水），则为此目的，可容易地重新构造系统25。例如，入口86、88可被方便地颠倒，以使得流经流路58的流体被引导到入口88，而流经流路60的流体被引导到入口86。
现在再参照图4A及图4B，其代表性地示出了与可变流阻系统25的剩余部分分开的流室84的另一构造。图4A及图4B示出的流室84在大多数方面类似于图3示出的流室，但是不同之处至少在于，室中包括一个或多个结构94。如图4A及图4B所示，结构94可被认为是单独结构，其中具有一个或多个中断部或开口96；结构94或可被认为是复合结构，这些复合结构被中断部或开口分开。
结构94造成流体成分36的任何部分绕室84进行环流，并具有相对的高速度、大密度或低粘度，以继续绕室环流，但开口96中的至少一个允许流体成分从入口88较直接地流到出口40。因此，当流体成分36进入另一入口86时，就开始在室84中绕出口40进行环流，随着流体成分的速度和/或密度增大，和/或随着流体成分的粘度减小，结构94越来越强地阻止或阻碍流体成分沿朝向出口流动的方向改变。然而，开口96允许流体成分36逐渐螺旋地向内流到出口40。
在图4A中，相对的高速度、低粘度和/或大密度的流体成分36经由入口86进入室84。一些流体成分36也可经由入口88进入室84，但在本示例中，基本上大部分流体成分经由入口86进入，由此开始沿流室84的切向流动（即，相对于流室的外圆周的切线的角度为0°）。
一旦进入室84，流体成分36就开始绕出口40进行环流。在流体成分围绕出口40的大部分路径上，通过结构94来防止或至少阻碍流体成分36改变方向和沿径向流向出口。然而，开口96逐渐地允许部分流体成分36沿径向向内朝向出口40螺旋。
在图4B中，相对的低速度、大粘度和/或低密度流体成分36经由入口88进入室84。一些流体成分36也可经由入口86进入室84，但在本示例中，基本上大部分流体成分经由入口88进入，由此沿径向流经流室84（即相对于流室的外圆周的切线的角度为0°）。
开口96之一允许流体成分36从入口88更直接地流到出口40。因此，在本示例中，流体成分36朝向出口40的径向流动不被结构94显著地阻止或阻碍。
在图4B中，如果相对的低速度、大粘度和/或低密度流体成分36的一部分应绕出口40进行环流，则开口96将允许流体成分容易地改变方向，并更直接地流向出口。实际上，随着流体成分36的粘度增加，或随着流体成分的密度或速度减小，结构94在这种情况下将更大地阻碍流体成分36绕室84的环流，从而使流体成分能够更容易地改变方向并流经开口96。
请注意，结构94并非必须设置有多个开口96，因为流体成分36也可经由单个开口从入口88更直接地流到出口40，而且单个开口也能够允许流体从入口86逐渐地向内朝向出口螺旋式流动。根据本发明的原理，可设置任何数量的开口（或对径流阻力小的其他区域）。
此外，多个开口96之一并非必须被直接地置于入口88与出口40之间。即使流体成分向内流经多个开口之一需要流体成分围绕结构的某种形式的环流，结构94中的开口96也能够使流体成分36从入口88更直接地流到出口40。
应理解，图4A的示例中，流体成分36的更多环流导致在相同流速条件下消耗较多能量，因此与图4B的示例相比，对流体成分的流阻更大。如果油是期望流体，而水和/或气是不期望流体，那么应理解，当期望流体与不期望流体的比值增大时，图4A及图4B示出的可变流阻系统25对流体成分36的流阻较小，而当流体成分的期望流体与不期望流体之比减小时，将有较大流阻。
现在再参照图5，其代表性地示出了室84的另一构造。在该构造中，室84包括四个结构94，这四个结构被四个开口96等距地分开。这些结构94可被等距地或不等距地分开，这取决于系统25的期望运行参数。
现在再参照图6A及图6B，其代表性地示出了可变流阻系统25的另一构造。图6A及图6B中的可变流阻系统25与图3中的可变流阻系统有很大差异，不同之处至少在于，图6A及图6B中的可变流阻系统复杂程度大为减少，并具有少得多的部件。实际上，在图6A及图6B的构造中，只有室84被插置在系统25的入口38与出口40之间。
在图6A及图6B的构造中，室84只具有单个入口86。室84中还包括结构94。
在图6A中，相对的高速度、低粘度和/或高密度流体成分36经由入口86进入室84，并受结构94影响而继续绕室流动。因此，流体成分36环向地流过室84，并随着经由开口96而逐渐地绕过结构94，最终向内螺旋式流到出口40。
然而，在图6B中，流体成分36具有较低速度、较大粘度和/或较小密度。在本示例中，流体成分36能够在经由入口86流入室84内时更容易地改变方向，从而能够从入口经由开口96更直接地流到出口40。
应理解，在图6A的示例中，流体成分36采用了更迂回的流路，在相同流速条件下消耗了流体成分的更多能量，因此与图6B的示例中采用更直接流路的流体成分相比，导致了更大流阻。如果油是期望流体，而水和/或气是不期望流体，那么应理解，在流体成分36具有增大的期望流体与不期望流体之比时，图6A及图6B的可变流阻系统25将对流体成分36流阻较小，而在流体成分具有减小的期望流体与不期望流体之比时，流阻较大。
尽管在图6A及图6B的构造中，只使用单个入口86来允许流体成分36进入室84，但在其他示例中，如果期望的话可设置有多个入口。流体成分36可同时地或分别地经由多个入口流入室84内。例如，当流体成分36具有对应的不同特性（例如不同速度、粘度、密度等）时，可使用不同入口。
结构94在形式上可以是一个或多个沿圆周延伸的叶片，且一个或多个叶片间设有一个或多个开口96。替代性地，或附加性地，结构94在形式上可以是一个或多个沿圆周延伸的凹部，这些凹部处于一个或多个室84的壁中。结构94可相对于室84的一个或多个壁向内和/或向外伸出。因此，应理解，根据本发明的原理，随着流体成分的速度或密度增大，或随着流体的粘度减小，可采用任何类型的结构来起到增大对流体成分36继续绕室84进行环流（迂回流动）的影响的作用；和/或随着流体成分的速度或密度的减小，或随着流体的粘度的增大，可采用任何类型的结构来起到增大阻碍流体成分绕室进行环流的作用。
图7A至图7J示出了结构94的若干示意性的示例，图7A至图7G的剖视图是沿图4B中的线7-7截取的。这些示例证明有大量的可能方式用来构建结构94，所以应理解，本发明的原理不限于使用室84的任何具体结构来构造。
在图7A中，结构94包括壁或叶片，壁或叶片在室84的上壁98与下壁100（如图所示）之间延伸。在本示例中，结构94妨碍流体成分36从室84的外部，在除了开口96之外的其他部位沿径向向内流动。
在图7B中，结构94包括壁或叶片，壁或叶片在室84的壁98与壁100之间仅部分地延伸。在本示例中，结构94不阻止流体成分36沿径向向内流动，但阻止在室84的外部在方向上从环流改变成径向流。
一个入口（例如入口88）可被设置在相对于室的壁98、100的高度处，使得经由该入口进入室84的流体成分36基本上不冲击结构94（例如，在该结构之上或在该结构之下流动）。另一入口（例如入口86）可被置于不同高度处，使得经由该入口进入室84的流体成分36基本上不冲击结构94。冲击结构的流体成分36将会受到更大流阻。
在图7C中，结构94包括阻止流体成分36从室84的外部沿径向向内流动的须状部（whisker）、鬃状部（bristle）或刚丝部（stiffwire）。本示例中的结构94可在室84的壁98与壁100之间完全地或部分地延伸，并且可从两个壁向内延伸。
在图7D中，结构94包括多个沿圆周延伸的凹部或突出部，沿圆周延伸的凹部或突出部阻止流体成分36沿径向向内流动。凹部和突出部之一或凹部和突出部二者可被设置在室84中。如果只设置凹部，则结构94可根本不伸入室84内。
在图7E中，结构94包括在室84的壁98、100上形成的多个沿圆周延伸的波形段。类似于图7的构造，波形段包括凹部和突出部，但在其他示例中可设置有凹部和突出部之一或凹部和突出部二者。如果只设置凹部，则结构94可根本不伸入室84内。
在图7F中，结构94包括沿圆周延伸但径向偏置的壁或叶片，这些沿圆周延伸但径向偏置的壁或叶片从室84的壁98、100向内延伸。根据本发明的原理，可使用任何数量、排列方式和/或构造的壁或叶片。
在图7G及图7H中，结构94包括从室壁100向内延伸的壁或叶片，而以另一叶片102来影响流体成分36，使流体成分相对于出口40轴向地改变方向。例如，叶片102可被构造为，其引导流体成分轴向地远离出口40或朝向出口40流动。
叶片102可被构造为，其实现从多个入口接收到的流体成分的混合、增大对室84内进行环流的流体的流阻、和/或为室的不同轴向水平的流体提供流阻等。根据本发明的原理，可使用任何数量、排列方式、构造等的叶片。
叶片102能够为粘度增大的流体的环流提供更大阻力，以使得此类流体更易于朝向出口40转移。因此，在结构94加大了对于速度增大、密度增大或粘度减小的流体成分36沿径向向内流向出口40的阻碍的同时，叶片102能够增大对于粘度增大的流体成分的环流的阻力。
一个入口（例如入口88）可被置于与室的壁98、100对应的高度处，使得经由该入口进入室84的流体成分36基本上不冲击结构94（例如，在结构之上或在结构之下流动）。另一入口（例如入口86）可被置于不同高度处，使得经由该入口进入室84的流体成分基本上不冲击结构94。
在图7I中，结构94包括一件式圆筒形壁，该壁具有开口96，这些开口绕壁分布在壁的交替的上端和下端。结构94可被置于室84的端壁98、100之间。
在图7J中，结构94包括一件式圆筒形壁，该壁类似于图7I示出的壁，不过多个开口96是绕壁分布在壁的位于上端与下端之间的中部。
图8A至图11代表性地示出了流室84和结构94的其他构造。这些附加的构造证明能够有大量的不同构造，而不背离本发明的原理，而且本发明的原理根本不限于本文描述和附图所示的明确示例。
在图8A中，室84在大多数方面类似于图4A至图5中示出的室6，具有入口86、88。具有相对的高速度、低粘度和/或高密度的流体成分36的大部分经由入口86流入室84内，并绕出口40进行环流。结构94阻碍流体成分36沿径向向内流向出口40。
在图8B中，具有相对的高速度、高粘度和/或低密度的流体成分36的大部分经由入口88流入室84内。多个结构94之一防止流体成分36从入口88直接流到出口40，但流体成分能够容易地改变方向，从而绕每个结构流动。因此，图8B中的系统25的流阻小于图8A中的系统25的流阻。
在图9A中，室84在大多数方面类似于图6A及图6B中的室，具有单个入口86。具有相对的高速度、低粘度和/或高密度的流体成分经由入口86流入室84内，并绕出口40进行环流。结构94阻碍流体成分36沿径向向内流向出口40。
在图9B中，具有相对的低速度、高粘度和/或低密度的流体成分36经由入口86流入室84内。结构94防止流体成分36从入口88直接流到出口40，但流体成分能够容易地改变方向，从而绕结构流动并通过开口96流向出口。因此，图9B的系统25的流阻小于图9A中的系统25的流阻。
假设通过防止相对的低速度、高粘度和/或低密度的流体成分在图8B中从入口88或者在图9B中从入口86直接流到出口40，则流体成分向出口的径向速度能够按期望地被降低，而不会显著地增大系统25的流阻。
在图10及图11中，室84在大多数方面类似于图4A至图5的构造，具有两个入口86、88。经由入口86流入室84内的流体成分至少最初绕出口40进行环流，然而经由入口88流入室内的流体成分将更直接地流向出口。
在图10的构造中，有多个杯式结构94绕室84分布；而在图11的构造中，有多个结构位于室中。当流体成分具有降低的速度、增大的粘度和/或减小的密度时，这些结构94能够加大对流体成分36绕出口40的环流的阻碍。按这种方式，尽管结构不显著地阻碍相对的高速度、低粘度和/或高密度流体绕出口40的环流，但结构94能够起到稳定相对的低速度、高粘度和/或低密度流体在室84中的流动的作用。
对于结构94在室84中的放置、构造、数量等存在许多其他可能方案。例如，结构94可呈机翼形或圆筒形，这些结构可包括相对于出口沿径向定向的凹槽等。根据本发明的原理，可使用结构94的任何排列方式、位置和/或组合。
现在可充分地理解，本发明为地下井中调节流体流量的技术提供了多个改进方案。上述可变流阻系统25的各种构造能够控制井中期望流体与不期望流体，而无需使用复杂、昂贵或易出故障的机构。反之，系统25相对地简单，且制造、操作和维护便宜，并且操作可靠。
以上内容为本技术领域提供了一种在地下井中使用的可变流阻系统25。系统25包括供流体成分36流经的流室84。流室84具有至少一个入口86、88，并具有出口40和至少一个结构94，结构94阻碍流体成分36从绕出口40的环流变成朝向出口40的径流。
流体成分36能够流经井中的流室84。
结构94能够响应于a）流体成分36的速度增大、b）流体成分36的粘度减小、c）流体成分36的密度增大、d）流体成分36中期望流体与不期望流体之比减小、e）流体成分36进入室84内的角度减小、以及f）流体成分36对结构94更实质的冲击中的至少一个，来加大对流体成分36从绕出口40的环流变成朝向出口40的径流的阻碍。
结构94可具有至少一个开口94，开口96允许流体成分36改变方向并从入口86、88更直接地流到出口40。
至少一个入口可至少包括第一入口和第二入口，其中，与第二入口86相比，第一入口88引导流体成分36更直接地流向室84的出口40。
至少一个入口可仅包括单个入口86。
结构94可包括叶片和凹部中的至少一个。
结构94可相对于室84的壁98、100向内或向外、或既向内又向外地伸出。
流体成分36可经由出口40，沿如下方向离开室84：该方向基于流体成分36中的期望流体与不期望流体之比而改变。
随着流体成分36的粘度增大、随着流体成分36的速度减小、随着流体成分36的密度减小、随着流体成分36中期望流体与不期望流体之比增大、和/或随着流体成分36进入的角度增大，流体成分36可从入口86、88更直接地流到出口40。
随着流体成分36从入口86流到出口40，结构94可减小或增大流体成分36的速度。
以上内容还为本技术领域提供了一种可变流阻系统25，其包括供流体成分36流经的流室84。室84具有至少一个入口86、88，其具有出口40和至少一个结构94，结构94阻碍流体成分36绕出口40的环流。
以上内容还描述了一种在地下井中使用的可变流阻系统25，该系统包括流室84，流室84包括出口40和至少一个结构94，结构94阻止流体成分36流向出口40的方向改变。流入成分36沿如下的流动方向进入室84：该流动方向基于流体成分36中期望流体与不期望流体之比而改变。
流体成分36可经由出口40，沿如下方向离开室：该方向基于流体成分36中期望流体与不期望流体之比而改变。
结构94能够阻碍流体成分36从绕出口40的环流变成朝向出口40的径流。
结构94可具有至少一个开口96，开口96允许流体成分36从室84的第一入口88直接地流到出口40。与第二入口86相比，第一入口88能够引导流体成分36更直接地流向室84的出口40。
结构94中的开口96能够允许流体成分从第一入口88直接地流到出口40。在上述一个示例中，室84只包括一个入口86。
结构94可包括叶片或凹部。结构94可相对于室84的一个或多个壁98、100向内或向外伸出。
随着流体成分36的粘度增大、随着流体成分36的速度减小、随着流体成分36的密度增大、随着流体成分36中期望流体与不期望流体之比增大，随着流体成分36进入的角度增大、和/或随着流体成分36对结构94的冲击减小，流体成分36能够从室84的入口86更直接地流到出口40。
结构94可造成流体成分36的绕出口40进行环流的部分继续绕出口40进行环流。结构94优选阻碍流体成分36从绕出口40的环流变成朝向出口40的径流。
以上内容还描述了一种可变流阻系统25，其包括供流体成分36流经的流室84。室84具有至少一个入口86、88，并具有出口40和至少一个结构94，结构94阻碍流体成分36从绕出口40的环流变成朝向出口40的径流。
以上内容还描述了一种可变流阻系统25，其包括流路选择装置52；流路选择装置52基于流体成分36中期望流体与不期望流体之比，来选择大部分流体从装置52流经多个流路58、60中的哪个流路。系统25的流室84包括：出口40；第一入口88，其连接到多个流路中的第一流路60；第二入口86，其连接到多个流路中的第二流路58；以及至少一个结构94，其较多地阻碍流体成分36从第二入口86到出口40的径流，较少地阻碍流体成分36从第一入口88到出口40的径流。
一种用于安装在地下井眼12中的流动控制装置（例如，可变流阻系统25）可包括：内表面98、100、110，其限定内室84，内表面包括侧周边表面110和多个相对的端表面（例如壁98、100），多个相对的端表面之间的最大距离小于多个相对的端表面的最大尺寸；第一端口（例如出口40），其贯穿端表面之一（例如壁100）；以及第二端口（例如入口86），其贯穿内表面并与第一端口分开；侧周边表面110是可操作的，用以引导来自第二端口86的流（流体）绕第一端口40旋转；并且流动控制装置还可包括流路结构（例如结构94），流路结构位于内室84中。
流路结构94是可操作的，用以引导来自第二端口86的流绕第一端口40旋转。流路结构是可操作的，用以允许来自第二端口86的流直接地流向第一端口40。
第一端口40可包括内室84的出口，第二端口86可包括内室84的入口。
流路结构94可包括内壁（例如在图7F的示例中示出的内壁），内壁从多个相对的端表面98、100中的至少一个端表面延伸。内壁可从多个相对的端表面中的一个端表面延伸到另一相对的端表面（例如在图7J的示例中，从一个壁98延伸到另一壁100）。内壁可从多个相对的端表面中的一个端表面延伸，并限定内壁的顶部与另一相对的端表面之间的间隙（例如在图7F的示例中）。
流路结构94可包括：第一叶片102，其从多个相对的端表面中的一个端表面（例如壁98或100）延伸；以及第二叶片102，其从另一相对的端表面延伸。
流路结构94可包括以下至少一种结构：须状部、鬃状部或丝，其从多个相对的端表面98、100之一延伸；凹部，其限定于相对的端表面98、100的至少一个中；波形段，其限定于多个相对的端表面98、100的至少一个中；和/或叶片102。
一种用于安装在地下井眼12中的流动控制装置（例如可变流阻系统25）可包括：筒形室84，其用于接纳通过室的入口86的流（流体），并将流引导到室出口40，筒形室84的最大轴向尺寸（见图7G）小于筒形室84的最大直径尺寸D，筒形室84促进流体绕室出口40的旋转，而且旋转程度基于通过室入口86的进入流（进入流体）特性；以及流路结构94，其位于筒形室84中。
旋转程度可基于进入流的密度、进入流的粘度和/或进入流的速度。
旋转程度的增加可增大装置25的内部与外部之间的流阻，而旋转程度的减小会减小内部与外部之间的流阻。
旋转的程度可基于流路结构94在筒形室84中的位置与通过室的入口86的进入流方向之间的空间关系。
筒形室84可呈圆筒形。筒形室84可包括侧周边表面100以及相对的端表面98、100，而且侧周边表面110可垂直于两个相对的端表面98、100。
一种控制地下井眼12中的流体的方法可包括：接收井眼12中的流动控制装置25的筒形室84中的流，筒形室84包括多个室入口86、88，筒形室84的最大轴向尺寸小于筒形室84的直径尺寸D；通过筒形室84内的流路结构94来引导流；以及促进流经筒形室84的流绕室出口40的旋转，其中，旋转程度基于通过室入口86、88中的至少一个的进入流的特性。
促进旋转可包括基于进入流的粘度增大旋转程度、基于进入流的速度增大旋转程度和/或基于进入流的密度增大旋转程度。
通过流路结构引导流可包括基于通过室入口86、88中的至少一个进入流的特性，和/或允许流的至少一部分从室入口86、88中的至少一个直接地流向室出口40来增大或降低旋转程度。
促进旋转可包括增大旋转程度，而且增大旋转程度可包括增大流通过筒形室84的流阻。
应理解，以上描述的各种示例可用于多种方向，例如倾斜、颠倒、水平、竖直等，并用于多种构造，而不背离本发明的原理。图中示出的多个实施例仅仅作为本发明的原理的有效应用的示例来示出和描述，本发明不限于这些实施例的任何具体细节。
当然，在仔细考虑以上对代表性实施例的描述之后，本领域技术人员将容易理解，对这些具体实施例可进行许多更改、添加、替换、删除和其他改变，并且这些改变在本发明的原理的范围内。因此，前述详细描述应清楚理解为仅作为解释和示例给出，本发明的精神和范围仅由随附权利要求书及它们的等价物限制。

Claims (27)

1.一种用于安装在地下井眼中的流动控制装置，所述流动控制装置包括：
内表面，其限定内室，所述内表面包括侧周边表面和多个相对的端表面，所述多个相对的端表面之间的最大距离小于所述多个相对的端表面的最大尺寸；
第一端口，其贯穿所述多个端表面之一；
第二端口，其贯穿所述内表面并与所述第一端口分开，所述侧周边表面是可操作的，用以引导来自所述第二端口的流绕所述第一端口旋转；以及
流路结构，其位于所述内室中。
2.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构是可操作的，用以引导来自所述第二端口的流绕所述第一端口旋转。
3.如权利要求2所述的流动控制装置，其中，所述流路结构是可操作的，用以允许来自所述第二端口的流直接地流向所述第一端口。
4.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述第一端口包括自所述内室的出口，而且所述第二端口包括至所述内室的入口。
5.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括从所述多个相对的端表面中的至少一个端表面延伸的内壁。
6.如权利要求5所述的流动控制装置，其中，所述内壁从所述多个相对的端表面中的一个端表面延伸到另一相对的端表面。
7.如权利要求5所述的流动控制装置，其中，所述内壁从所述多个相对的端表面中的一个端表面延伸，并限定所述内壁的顶部与另一相对的端表面之间的间隙。
8.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括从所述多个相对的端表面中的一个端表面延伸的第一叶片，而且所述流路结构包括从另一相对的端表面延伸的第二叶片。
9.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括须状部、鬃状部或丝中的至少一种，所述须状部、鬃状部或丝从所述多个相对的端表面中的一个端表面延伸。
10.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括在所述多个相对的端表面中的至少一个端表面中限定的凹部。
11.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括在所述多个相对的端表面中的至少一个端表面中限定的波形段。
12.如权利要求1所述的流动控制装置，其中，所述流路结构包括叶片。
13.一种用于安装在地下井眼中的流动控制装置，所述流动控制装置包括：
筒形室，其用于接纳通过室入口的流并将流引导到室出口，所述筒形室的最大轴向尺寸小于所述筒形室的最大直径尺寸，所述筒形室促进流绕所述室出口旋转，而且旋转程度基于通过所述室入口的进入流的特性；以及
流路结构，其位于所述筒形室中。
14.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述旋转程度基于进入流的密度。
15.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述旋转程度基于进入流的粘度。
16.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述旋转程度基于进入流的速度。
17.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述旋转程度增大则所述装置的内部与外部之间的流阻增大，而所述旋转程度降低则所述内部与所述外部之间的流阻减小。
18.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述旋转程度基于所述筒形室中的所述流路结构的位置与通过所述室入口的进入流的方向之间的空间关系。
19.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述筒形室呈圆筒形。
20.如权利要求13所述的流动控制装置，其中，所述筒形室包括侧周边表面和相对的端表面，而且所述侧周边表面垂直于两个所述相对的端表面。
21.一种控制地下井眼中的流动的方法，包括：
接收井眼中的流动控制装置的筒形室中的流，所述筒形室包括室入口，所述筒形室的最大轴向尺寸小于所述筒形室的最大直径尺寸；
通过所述筒形室内的流路结构引导流；以及
促进流经所述筒形室的流绕室出口的旋转，旋转程度基于通过所述室入口的进入流的特性。
22.如权利要求21所述的方法，其中，促进旋包括基于进入流的粘度增大旋转程度。
23.如权利要求21所述的方法，其中，促进旋转包括基于进入流的速度增大旋转程度。
24.如权利要求21所述的方法，其中，促进旋转包括基于进入流的密度增大旋转程度。
25.如权利要求21所述的方法，其中，通过所述流路结构引导流包括基于通过所述室入口进入流的特性，增大或降低旋转程度。
26.如权利要求21所述的方法，其中，通过所述流路结构引导流包括允许流的至少一部分从所述室入口直接地流向所述室出口。
27.如权利要求21所述的方法，其中，促进旋转包括增大旋转程度，而且增大旋转程度增大流通过所述筒形室的流阻。
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