CN103261579B - 具有方向依赖性流阻的井下流体流动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种井下流体流动控制系统（100）。该流动控制系统（100）包括流动控制部件（122），该流动控制部件具有由涡流室（144）产生的方向依赖性流阻。沿第一方向流经流动控制部件（122）的产出流体（140）主要沿切向（148）方向进入涡流室（144），而经历第一压降。沿第二方向流经流动控制部件（122）的注入流体（150）主要沿径向（152）方向进入涡流室（144），而经历第二压降。产出流体（140）的切向（148）流动造成的压降大于注入流体（150）的径向（152）流动造成的压降。

Description

具有方向依赖性流阻的井下流体流动控制系统及方法

技术领域

本发明大体涉及与地下井中执行的操作结合而使用的设备，并具体涉及井下流体流动控制系统和方法，其可操作以借助方向依赖性流阻来控制地层流体的流入和注入流体的流出。

背景技术

不限制本发明的范围，以下将参照从含烃地下层产出流体作为示例来描述本发明的背景技术。

在横穿含烃地下层的完井期间，生产管柱和各种完井设备被安装在井中，以能够安全、高效地生产（产出）地层流体。例如，为了防止由未固结或松散固结的地下层产出颗粒材料，某些完井中包括位于期望的一个或多个生产层段边的一个或多个防砂筛组件。在其他完井中，为了控制产出流体流进入生产管柱，通常实践是将一个或多个流动控制装置安装在管柱内。

（人们）已经尝试在需要防砂的完井内使用流体流动控制装置。例如，在某些防砂筛中，在产出流体流经过滤介质之后，流体被引入流动控制段内。流动控制段可包括一个或多个控流部件，例如流管、喷嘴、迷宫式部件等。典型地，流经这些流动控制筛的产出流体的流速是在安装之前由控流部件的数量和设计而固定的。

已经发现，利用这种流动控制筛的某些完井可得益于生产之前的增产处理液。例如，在一种增产处理液中，含反应酸（例如盐酸）的流体可被注入储层内。这种酸性增产处理液被设计用以改善地层渗透性，这样提高储藏流体的生产量。典型地，酸性增产处理液通过在高流速和一定处理压力（该处理压力接近于但低于地层的断裂压力）条件下注入处理流体来执行。这种方案使酸能够穿透地层，但避免损坏储层。

然而，已经发现，通过使传统流动控制筛颠倒流向来实现期望的注入流速和压力曲线是不切实际的。因为流动控制部件是为生产流速而设计的，尝试使传统流动控制筛颠倒流向，在多个流速会引起不可接受的压降。另外，已经发现注入流体高速流经传统流动控制部件，可导致流动控制部件内的磨蚀。此外，已经发现要取得期望的注入压力，可能要求超过处理操作期间传统流动控制部件的压力等级。

因此，需要一种可操作用以控制地层流体流入需要防砂的完井中的流动控制筛。还需要这样一种流动控制筛：其可操作以允许从完井管柱以期望的注入流速反过来流入地层内，而不造成不可接受的压降。此外，还需要这样一种流动控制筛：其可操作以允许从完井管柱以期望的注入流速反过来流入地层内，而不造成流动控制部件内的磨蚀，也不会超过处理操作期间流动控制部件的压力等级。

发明内容

本文公开的发明包括一种用于控制地层流体流入的井下流体流动控制系统，其可用于需要防砂的完井。另外，本发明的井下流体流动控制系统可操作以允许从完井管柱以期望的注入流速使流动反向进入地层内，而不会造成不可接受的压降、不会造成流动控制部件内的磨蚀、也不会超过处理操作期间流动控制部件的压力等级。

根据一个方案，本发明涉及一种井下流体流动控制系统。该井下流体流动控制系统包括流动控制部件；该流动控制部件具有方向依赖性流阻，使得沿第一方向流经流动控制部件的产出流体流经历第一压降，而沿第二方向流经流动控制部件的注入流体流经历第二压降，第一压降与第二压降不同。

在一个实施例中，所述流动控制部件包括外部流动控制元件、内部流动控制元件和喷嘴元件。在某些实施例中，该流动控制部件包括涡流室，涡流室可在外部流动控制元件与内部流动控制元件之间形成。在这些实施例中，进入涡流室的产出流体流主要沿切向方向流动，而进入涡流室的注入流体流主要沿径向方向流动，使得第一压降大于第二压降。

根据另一方案，本发明涉及一种流动控制筛。该流动控制筛包括具有内通道、无孔管段和射孔段的基管。过滤介质位于基管的无孔管段周围。壳体位于基管周围，该基管限定过滤介质与内通道之间的流体流路。至少一个流动控制部件被设置在该流体流路内。该至少一个流动控制部件具有方向依赖性流阻，使得在流体流路中从过滤介质流到内通道的产出流体流经历第一压降，而在流体流路中从内通道流到过滤介质的注入流体流经历第二压降，其中，第一压降与第二压降不同。

根据又一方案，本发明涉及一种流动控制筛。流动控制筛包括基管，基管具有内通道、无孔管段和射孔段。过滤介质位于基管的无孔管段周围。壳体位于基管周围，基管限定过滤介质与内通道之间的流体流路。流动控制段位于基管的射孔段周围。流动控制段包括多个具有方向依赖性流阻的流动控制部件，使得从过滤介质流到内通道的流体经历第一压降，从内通道流到过滤介质的注入流体经历第二压降，第一压降与第二压降不同。

根据再一方案，本发明涉及一种井下流体流动控制方法。该方法包括：将设有具有方向依赖性流阻的流动控制部件的流体流动控制系统定位于井下目标位置；从地表沿第一方向将处理流体经过流动控制部件泵送到地层，使得处理流体经历第一压降；以及将地层流体沿第二方向经过流动控制部件产出到地表，使得地层流体经历第二压降，其中，第一压降与第二压降不同。

该方法还可包括：将设有具有涡流室的流动控制部件的流体流动控制系统定位于井下目标位置；将处理流体泵送到涡流室内，使得进入涡流室的处理流体主要沿径向流动；以及将地层流体产出到涡流室内，使得进入涡流室的地层流体主要沿切向流动。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在结合附图参照本发明的详细描述，不同的图中对应的附图标记指代对应的零件，而且附图中：

图1是根据本发明的实施例的操作多个井下流体流动控制系统的井系统的示意图；

图2A-图2B是本发明的流动控制筛中实施的井下流体控制系统的连续轴向段的四分之一剖视图；

图3是移除外壳的根据本发明的实施例的井下流体控制系统的流动控制段的俯视图；

图4是根据本发明的实施例的井下流体流动控制系统的流动控制段的俯视图，其中为示出生产操作而移除了流动控制部件的外壳和外部元件；以及

图5是根据本发明的实施例的井下流体流动控制系统的流动控制段的俯视图，其中为示出注入操作而移除了流动控制部件的外壳和外部元件。

具体实施方式

尽管以下详细讨论本发明的各种实施例制造和使用方法，但应理解本发明提供了许多能够以许多特定内容实施的实用发明构思。本文讨论的特定实施例仅仅是实施并使用本发明的特定方式的解释，不应限制本发明的范围。

开始参照图1，其示出了包括多个体现本发明的原理的井下流体流动控制系统的井系统，井系统被示意性示出并大体以附图标记“10”来表示。在所示实施例中，井眼12延伸通过各地层。井眼12具有大体竖直段14，大致竖直段14的上部具有灌水泥的套管柱16。井眼12还具有延伸通过含烃地层20的大体水平段18。如图所示，井眼12的大体水平段18是裸眼。

管柱22位于井眼12内并从地表延伸。管柱22提供了使地层流体从地层20流到地表的管道。在管柱22的下端，管柱22联接到完井管柱，该完井管柱已被安装在井眼12中并将完井层段分成邻近地层20的多个生产层段。完井管柱包括多个流体流动控制系统24，每个流体流动控制系统24位于一对封隔器26之间；封隔器26在完井管柱22与井眼12之间提供密封，由此限定生产层段。在所示实施例中，流体流动控制系统24起过滤出产出流体流中的颗粒物质的功能。每个流体流动控制系统24具有流动控制段；流动控制段可操作以在井操作的生产阶段期间控制产出流体流的流动，并且还可操作以在井操作的处理阶段控制注入流体流的流动。如以下更详细解释的，流动控制段对流经流动控制段的流体产生流动限制。优选地，对流经流动控制段的产出流体流动的限制大于对注入流体流动的限制。换言之，在流经流体流动控制系统24的流动控制段时，沿生产方向的流体流动将比沿注入方向流体流动经历更大的压降。

虽然图1示出了裸眼井环境下的本发明的流体流动控制系统，但本领域技术人员应理解本发明同等适用于下套管井。而且，虽然图1示出了每个生产层段有一个流体流动控制系统，但本领域技术人员应理解，在生产层段内可使用任何数量的本发明的流体流动控制系统，而不背离本发明的原理。另外，虽然图1描述了本发明的流体流动控制系统处于井眼的水平段，但是本领域技术人员应理解，本发明同等适用于包括竖井、斜井、定向斜井、多分支井等。因此，本领域技术人员应理解使用的方向术语，例如之上、之下、上、下、向上、向下、左、右、井口、井下等是相对于图中示出的示例性实施例使用的，向上方向为朝向对应附图中的顶部，向下方向为朝向对应附图中的底部，井口方向朝向井的地面，井下方向朝向井的底部。

接下来参照图2A-图2B，其中示出了根据本发明的流体流动控制系统的连续的轴向段，该流体流动控制系统被代表性地示出并概括地标识为“100”。流体流动控制系统100可被适当地联接到其他类似的流体流动控制系统、生产封隔器、定位短节（locatingnipple）、生产管件或其他井下工具，以形成如上所述的完井管柱。流体流动控制系统100包括基管102，基管102具有无孔管段104和射孔段106，射孔段106包括多个生产端口（开口）108。筛式元件或过滤介质112位于无孔管段104的井口部分周围；筛式元件或过滤介质例如为绕丝筛管、编织丝筛网、预制筛管等，周围设有或不设有外护罩，被设计成允许流体流过，但防止预定大小的颗粒材料流过。然而，本领域技术人员将理解，本发明不需要与流体流动控制系统相关联的过滤介质，因此，与流体流动控制系统100关联的过滤介质的精确设计对本发明不是至关重要的。

筛界面壳体（screeninterfacehousing）114位于过滤介质112的井下侧，筛界面壳体与基管102形成环空116。流动控制壳体118被牢固地连接到筛界面壳体114的井下端。流动控制壳体118在其井下端被牢固地连接到支撑组件120，支撑组件120被牢固地联接到基管102。流体流动控制系统100的这些部件的各种连接可以任何合适方式形成，包括焊接、螺接等，以及通过使用紧固件，例如销、定位螺钉等。多个流动控制部件122（在图2B中只可见到一个）位于支撑组件120与流动控制壳体118之间。在所示实施例中，流动控制部件122按90°的间隔绕基管102在周向上分布，由此设置四个流动控制部件122。即使已经描述并示出了流动控制部件122的具体布置方式，但本领域技术人员应理解，可使用其他数量和布置方式的流动控制部件122。例如，可使用按均匀或不均匀的间隔在周向上分布的更多或更少的流动控制部件。另外地或可选地，流动控制部件122可沿基管102在纵向上分布。

在所示实施例中，每个流动控制部件122由内部流动控制元件124、外部流动控制元件126和喷嘴元件128构成，喷嘴元件128位于每个流动控制部件122的中心并与一个开口108对齐。即使已经示出并描述了三零件式流动控制部件，但本领域技术人员将认识到，本发明的流动控制部件可由比三个零件更多或更少的不同数量的元件构成，包括单一元件设计。

如以下更详细讨论的，流动控制部件122可操作以控制流体沿任一方向流过。例如，在井操作的生产阶段，流体从地层通过流体流动控制系统100流入生产油管。产出流体在被过滤介质112（如果有的话）过滤之后，流入环空116内。然后，流体在进入流动控制段（如以下更详细描述的）之前，进入基管102与流动控制壳体118之间的环形区域130内。随后，流体进入流动控制部件122的一个或多个入口；在这些流动控制部件中，期望的流阻被应用于实现期望的压降的流体流动。此后，流体通过喷嘴元件128，经由开口108被排放到基管102的内流路132，以产出到地表。

在井操作的处理阶段期间，处理流体可从地表沿基管102的内流路132向井下泵送。然后处理流体通过开口108，经由喷嘴128进入流动控制部件122；在流动控制部件中，期望的流阻被应用于实现期望的压降的流体流动。然后，流体在进入环空116并经过过滤介质112之前，进入基管102与流动控制壳体118之间的环形区域130内，以注入周围地层。

接下来参照图3，其代表性示出了流体流动控制系统100的流动控制段。在所示段中，支撑组件120被牢固地联接到基管102。支撑组件120可操作以接纳并支撑四个流动控制部件122。示出的每个流动控制部件122由内部流动控制元件124、外部流动控制元件126和喷嘴元件128（见图2B）构成。支撑组件120位于基管102的周围，使得那些喷嘴元件与基管102的开口108（见图2B）在周向和纵向上对齐。支撑组件120包括多个通路，通路用于引导流体在流动控制部件122与环形区域130之间流动。具体地，支撑组件120包括多个纵向通路134和多个周向通路136。纵向通路134与周向通路136一起为流体在流动控制部件122的开口138与环形区域130之间的流动提供路径。

接下来参照图4，其代表性示出了井操作的生产阶段期间流体流动控制系统100的流动控制段。在所示示例中，产出流动如箭头140所示，从环形区域130经由纵向通路134和周向通路136进入流动控制部件122的开口138。在生产情况下，流动控制部件122具有涡流室144、出口146、以及一对入口142。每个入口142主要沿切向方向将流体引导到涡流室144内。在最后流经出口146之前，主要沿如箭头148所示的切向进入涡流室144的流体将绕涡流室144螺旋。绕涡流室144螺旋的流体将受到摩擦损失。此外，切向速率会产生阻碍径向流动的离心力。因此，经过流动控制部件122进入涡流室144的产出流体主要在切向上受到明显阻力。这种阻力被认为是上游产出流体上的背压，这导致流速降低。这种流入控制有益于平衡从各生产层段产出，如图1可最好地示出的，例如，抵消长水平完井中的跟趾效应（heel-toeeffect）、平衡高度偏斜和压裂的井中的流入并减小水/气的流入，由此延长井的生产寿命。

虽然已经示出并描述了入口142、涡流室144和出口146的具体设计，但本领域技术人员将认识到，流动控制部件122内的流体流阻元件的设计可基于例如期望流速、期望压降、产出流体的类型和成分等因素来确定。例如，当流动控制部件内的流体流阻元件是涡流室时，入口的数量和进入角可被更改以将流体引导到涡流室内，从而增大或减小螺旋效果，由此增大或减小流阻并在涡流室中提供期望的流动形式。另外，涡流室可包括流动叶片或其他方向装置，例如槽、脊、波或其他表面形状，用以引导涡流室内的流体流动，从而提供不同的或额外的流阻。本领域技术人员应注意，虽然涡流室可为圆柱形，如图所示，但本发明的流动控制部件可包括具有替代形状的涡流室，这些替代形状包括但不限于正矩形（rightrectangular）、椭圆形、球形、球体等。

接下来参照图5，其代表性地示出井操作的处理阶段期间流体流动控制系统100的流动控制段。在所示实施例中，处理流体流动如箭头150所示，经由纵向通路134和周向通路136离开流动控制部件122的开口138，并进入环形区域130。在注入情况下，流动控制部件122具有涡流室144、入口146、以及一对出口142。注入流体在涡流室144内进行小螺旋运动且没有经历关联的摩擦和离心力损失的情况下流过出口142之前，从入口146进入涡流室144的注入流体在涡流室144内主要沿如箭头152所示的径向行进。因此，经过流动控制部件122的注入流体进入涡流室144，在涡流室中主要受到径向上的小阻力，而且相对未受阻碍地经过，由此能够比上述生产情况具有高得多的流速和明显更小的压降。这种流出控制例如在酸性增产处理期间有益，酸性增产处理需要以接近但低于地层断裂压力的处理压力，注入高速处理液。

如图4和图5所示，在流体流动控制系统100的流动控制段中使用流动控制部件122，能够实现产出流体流动控制和注入流体流动控制两者。在所示示例中，流动控制部件122在井操作的生产阶段期间与井操作的处理阶段相比，对流动的阻力更大。与需要一组流动控制部件用于产出、另一组流动控制部件用于注入、且需要相关联的截止阀以防止逆流的复杂而昂贵的现有技术不同，本发明利用单一一组流动控制部件，其具有方向依赖性流阻，可操作用于双向流动，所以能够在生产方向和注入方向均实现期望的流动和压力配置。按这种方式，在包括流动控制筛的流体流动控制系统中使用本发明的流动控制部件能够改善双方向的流动控制。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但本说明书不旨在解释为限制的意思。在参照说明书时，本发明的示例性实施例以及其他实施例的各种更改和组合将对本领域技术人员明显。因此，旨在使随附权利要求书包含任何这种更改或实施例。

Claims (8)

1.一种井下流体流动控制方法，包括：

将设有流动控制部件的流体流动控制系统定位于井下目标位置，所述流动控制部件借助涡流室而具有方向依赖性流阻；

从地表沿第一方向将处理流体经过所述流动控制部件泵送到地层，使得所述处理流体经历第一压降；以及

将地层流体沿第二方向经过所述流动控制部件产出到地表，使得所述地层流体经历第二压降；

其中，所述第一压降与所述第二压降不同，而且

其中，地层流体经过至少一对被相对地设置的入口进入所述涡流室，所述入口沿所述涡流室的至少两个切向方向引导所述地层流体。

2.如权利要求1所述的方法，其中，从地表沿第一方向将处理流体经过所述流动控制部件泵送到地层，使得所述处理流体经历第一压降还包括：将所述处理流体泵送到所述涡流室内，使得进入所述涡流室的处理流体主要沿径向方向流动。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一压降小于所述第二压降。

4.一种井下流体流动控制方法，包括：

将流动控制筛定位于井下目标位置，所述流动控制筛具有基管、过滤介质、壳体、以及借助涡流室而具有方向依赖性流阻的流动控制部件，所述基管具有内通道、无孔管段和射孔段，所述过滤介质位于所述基管的无孔管段周围，所述壳体位于所述基管周围，所述基管限定所述过滤介质与所述内通道之间的流体流路，所述流动控制部件被设置在所述流体流路内；

从地表沿第一方向将处理流体经过所述流动控制部件泵送到地层，使得所述处理流体经历第一压降；以及

将地层流体沿第二方向经过所述流动控制部件产出到地表，使得所述地层流体经历第二压降；

其中，所述第一压降与所述第二压降不同，而且

其中，地层流体经过至少一对被相对地设置的入口进入所述涡流室，所述入口沿所述涡流室的至少两个切向方向引导所述地层流体。

5.如权利要求4所述的方法，其中，从地表沿第一方向将处理流体经过所述流动控制部件泵送到地层，使得所述处理流体经历第一压降还包括：将所述处理流体泵送到所述涡流室内，使得进入所述涡流室的处理流体主要沿径向方向流动。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一压降小于所述第二压降。

7.一种井下流体流动控制方法，用于平衡来自多个彼此隔开的生产层段的产出，所述方法包括：

将至少一个流动控制筛定位于所述多个生产层段的每一个生产层段中，每个所述流动控制筛具有基管、过滤介质、壳体、以及借助涡流室而具有方向依赖性流阻的流动控制部件，所述基管具有内通道、无孔管段和射孔段，所述过滤介质位于所述基管的无孔管段周围，所述壳体位于所述基管周围，所述基管限定所述过滤介质与所述内通道之间的流体流路，所述流动控制部件被设置在所述流体流路内；

从地表沿第一方向将处理流体经过所述流动控制部件泵送到所述多个生产层段，使得所述处理流体经历第一压降；以及

从所述多个生产层段将地层流体沿第二方向经过所述流动控制部件产出到地表，使得所述地层流体经历第二压降；

其中，所述第一压降与所述第二压降不同，而且

其中，地层流体经过至少一对被相对地设置的入口进入所述涡流室，所述入口沿所述涡流室的至少两个切向方向引导所述地层流体，由此平衡来自所述多个生产层段的产出。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一压降小于所述第二压降。