CN104011319A - 用于井眼流体自动管理的反应性扼流器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

流体致动扼流器，其包括由于不希望的流体接触扼流器而膨胀的可膨胀材料。扼流器包括一个或更多个通路，来自生产井的所希望的流体不受阻碍地流过所述一个或更多个通路。扼流器作为井下完井的一部分设置在井下工具中。当一种或更多种不希望的流体进入流过井下完井并因此流过井下工具的生产流而接触扼流器时，可膨胀材料膨胀，导致流体流过通路受到限制，在有些情况下，通路被完全封闭。因而，扼流器在接触不希望的流体时自动检测和起作用，即，限制流体流过扼流器。

Description

用于井眼流体自动管理的反应性扼流器及其使用方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月17日提交的美国申请No.13/298530的优先权，该申请全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及在井下工具中使用的扼流器，尤其是涉及设置在井下工具中的反应性(reactive)流体致动扼流器，其通过在暴露于一种或更多种不希望的流体时膨胀而引起对流体流过扼流器并因此流过井下工具的限制，能够自动防止不希望的流体进入或排出井下完井中的生产流。

背景技术

在从井中生产流体期间，一种或更多种流体从井的地层流入井下完井中。这种流动流体被称作生产流。在此所使用的术语"流体"可以包括油、天然气、水、盐水等等。通常，人们希望只从井中生产烃，将所有其他流体留在井内。但是，在有些情况下，可能希望从井中移除水或盐水，留下烃以便以后生产。无论哪种情形，都希望生产至少一种流体，即使之从地层流入井下完井，并从井流出，而其他流体是不希望的。

发明内容

概括来说，在此公开的井下工具中的流体致动扼流器包括可膨胀本体，所述可膨胀本体包括设置在其中的一个或更多个通路。所希望的流体被允许作为生产流的一部分而不受阻碍地流过所述通路。由于可膨胀本体的膨胀，不希望的流体则被限制流过所述通路。可膨胀本体在接触所述不希望的流体时膨胀。因此，通路从穿过通路提供初始流量的初始位置朝着穿过通路提供较小的第二流量的膨胀或限制位置移动。

附图说明

图1是具有在此公开的流体致动扼流器的一个特定实施例的井下工具的一个特定实施例的截面视图。

图2是在此公开的流体致动扼流器的一个特定实施例的透视图。

图3A是沿线2-2剖取的图2反应性扼流器的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

图3B是沿线2-2剖取的图2反应性扼流器的局部截面视图，显示了位于多个限制或膨胀位置之一的流体致动扼流器。

图4是在此公开的流体致动扼流器的另一特定实施例的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

图5是在此公开的流体致动扼流器的又一特定实施例的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

图6是在此公开的流体致动扼流器的另一特定实施例的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

图7是在此公开的流体致动扼流器的又一特定实施例的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

图8是具有在此公开的流体致动扼流器的一个特定实施例的井下工具的另一实施例的截面视图。

图9是图8的井下工具的局部截面视图，显示了位于初始位置的流体致动扼流器。

虽然本发明结合优选实施例进行描述，但是应当明白，这不意味着本发明局限于这些实施例。相反，本发明意图覆盖包括在由附带的权利要求书所限定的本发明精神和范围之内的所有替换、改进和等同物。

具体实施方式

现在参照图1-3B，井下工具20包括管状构件21，所述管状构件具有外壁表面22和限定有孔24的内壁表面23。扼流器30设置在孔24内，从而将孔24分割成上孔部分25和下孔部分26。正如下面更详细地论述的，诸如油、天然气、盐水、水等等的流体最初或者在向上方向或者在向下方向流过扼流器30。换句话说，流体最初从下孔部分26经过扼流器30流入上孔部分25，或者最初从上孔部分25经过扼流器30流入下孔部分26。

正如图2清楚地示出的，扼流器30包括本体31，所述本体具有上表面32、下表面33、侧表面34和设置在上表面32与下表面33之间从而允许流体流过本体31的多个通路35。如图2所示，因为所述本体形状为圆柱形或盘形，所以其具有一个侧表面34。在其他实施例中，本体31可以具有另一形状，例如诸如正方形、矩形、六边形等等(未显示)的多边形。在这样的实施例中，本体31将具有多于一个的侧表面34。

本体31至少部分地由可膨胀材料形成，所述可膨胀材料能够由于接触不希望的流体(例如烃、盐水、水等等)而膨胀，以限制流体流过通路35。参照图3A和3B，当接触不希望的流体时，本体31膨胀，这样本体31、并且因此可膨胀材料和通路35从初始构型或位置(图3A)移动到其中不希望的流体流过通路35的流量减小的限制或膨胀构型或位置(图3B)。换句话说，流体流过通路35的流量减小。如图3B所示，在本体31的可膨胀材料的膨胀作用下，通路35没有从所述初始构型完全封闭。但是，应当明白，在其他实施例中，通路35完全封闭而使得流体流过通路35的流量基本上为零，即小于可膨胀材料在初始构型时容许流过通路35的原始流动能力的5％。

在一个特定实施例中，本体31完全由可膨胀材料形成。在其他实施例中，本体31包括不可膨胀部件，例如与可膨胀材料相连接的硬环或其他支撑结构或基体。此外，在一个实施例，可膨胀材料通过吸收不希望的流体而膨胀。

适合的可膨胀材料包括氨基甲酸乙酯材料和聚氨酯材料，包括聚氨酯泡沫、生物高聚物和超吸收聚合物。盐湖城(Salt Lake City)的Rubber Engineering出售的1064EPDM腈和聚合物是可接受的可膨胀材料。在一个实施例中，可膨胀材料包括可膨胀聚合物，所述可膨胀聚合物为诸如交联或部分交联聚丙烯酰胺、聚氨酯、乙烯丙烯或能够吸收烃或水性流体或其他流体的其他材料，所述可膨胀聚合物能够吸收烃或水性流体或其他流体并因而肿胀以限制通路35。另外适合的可膨胀材料包括弹性体，例如丁腈橡胶("NBR")、氢化丁腈橡胶("HNBR")、羧基丁腈橡胶("XNBR")、硅橡胶、三元乙丙橡胶("EPDM")、氟弹性体("FKM"，"FEPM")和全氟弹性体("FFKM")；和交联聚合物，例如水溶性甲纤维素、醋酸纤维素酞酸酯和羟丙基甲基纤维素聚合物，多(环氧乙烷)聚合物、瓜尔胶及其变型、聚丙烯酰胺、硅基材料、和粉硅酮基材料。其他可膨胀材料披露在美国专利No.7,091,771B2中，该专利全部内容在此引入作为参考。

在另一个实施例中，可膨胀材料为形状记忆材料，例如通过可溶解材料保持在压缩状态的压缩弹性体或聚合物。在一个这样的实施例中，可膨胀材料或本体31本身(包括本体31位于通路35内的表面区域)可以用一层可由诸如水、盐水、液压流体、烃等的流体溶解的材料封装。在此所使用的术语"封装"是指可溶解材料在流体与可膨胀材料或本体31之间形成一初始隔离物。在这样的实施例中，封装层允许通过保护所述膨胀材料直至达到所希望的膨胀，从而使用可膨胀材料以及由可膨胀材料形成的本体31，实际上，可膨胀材料或本体31在接触流体时会瞬间膨胀。

用于封装可膨胀材料的封装用可溶解材料可以是本领域普通技术人员已知的任何材料，其能够在一定温度下或在诸如水基钻进流体、烃基钻进流体或天然气的作用下在一定时间溶解、退化或破碎。优选地，校准所述封装用可溶解材料，使得可溶解材料溶解所需的时间长短是已知的，或者不需要过度实验就能容易确定。适合的封装用可溶解材料包括聚合物和可生物降解聚合物，例如，聚乙烯乙醇基聚合物，诸如可从意大利Altopascia的Idroplax S.r.l.获得的聚合物HYDROCENE^TM，可从Cargill Dow LLC的Nature-Works^TM分部获得的聚交酯("PLA")聚合物4060D；可从DuPont Specialty Chemicals获得的TLF-6267聚乙二醇酸("PGA")；聚己内酰胺以及PLA和PGA的混合物；固体酸，诸如利用蜡或其他适合的粘结剂材料保持在一起的氨基磺酸、三氯乙酸和柠檬酸；聚乙烯均聚物和石蜡；聚烷撑(polyalkylene)氧化物，诸如聚环氧乙烷，和聚二醇，诸如聚乙二醇。在水为不希望的流体的情况下，优选这些聚合物，因为这些聚合物可缓慢溶于水。

如图1所示，扼流器30被刚性管状构件70环绕，所述刚性管状构件能够有利于将扼流器30固定在孔24内部。管状构件70对本体31的向外膨胀提供阻力，因此，其有利于在本体31膨胀期间限制通路35。在图1的实施例中，管状构件70还包括设置在上表面32上的顶部保持器71和设置在下表面33上的底部保持器72，以对本体31的向上膨胀和向下膨胀提供阻力。因此，上保持器71和下保持器72也有利于限制通路35。在另一个实施例(未显示)中，上保持器71、下保持器72在整个上表面32、下表面33上延伸，并包括至少部分地与各个通路35对齐的孔。在该实施例中，上保持器71、下保持器72对本体31的向上膨胀和向下膨胀提供了附加的阻力，以便限制各个通路35；而且，由于所述孔至少部分地与相应通路35对齐，因此，在本体31膨胀之前，流体能够流过上保持器71、下保持器72。

如图1-3B的实施例所示，扼流器30包括具有圆柱形截面形状的多个通路35，使得各个通路35与上表面32、下表面33的相交处提供基本上圆形的形状，每个圆形形状具有基本上相同的周长。在其他实施例中，诸如图4所示的实施例，一个或更多个通路35包括锯齿状截面形状。如图4所示，通路35的截面形状的一侧具有的锯齿状部在形状上与通路35的截面形状的相对一侧上的锯齿状部互补。因而，在本体31膨胀时，一侧的锯齿状部配合到相对一侧的形状互补的锯齿状部中，便于限制流体流过通路35。

在其他实施例中，一个或更多个通路35可以具有圆锥形截面(图5)，其中，通路35与上表面32的相交处提供的圆形形状的周长小于通路35与下表面的相交处的圆形形状的周长。作为选择，通路35与下表面33的相交处的圆形形状的周长也可以小于通路35与上表面的相交处的圆形形状的周长。

在图6所示的另一实施例中，一个或更多个通路35包括曲线截面形状，其中，一侧具有凸形形状，相对一侧具有形状互补的凹形形状，这样，在本体31膨胀时，具有凸形形状的一侧配合到具有凹形形状的一侧中，便于限制流体流过通路35。

在图7所示的又一个实施例中，一个或更多个通路35的截面形状的各侧具有单个人字形截面形状，其中，一侧配合到通路35的截面形状的相对一侧上的形状互补的人字形形状中，便于限制流体流过通路35。

现在参照图8-9，在另一个实施例中，井下工具80包括管状构件81，所述管状构件具有外壁表面82和限定有孔84的内壁表面83。扼流器30、上多孔介质50和下多孔介质60设置在孔84内，从而将孔84分割成上孔部分85和下孔部分86。扼流器30可以是在此披露和教导的任何实施例。上多孔介质50、下多孔介质60可以是本领域已知的容许流体流过的任何多孔介质。适合的多孔介质包括特氟隆泡沫或金属筛网。

诸如油、天然气、盐水、水等的流体最初或者在向上方向或者在向下方向上流过扼流器30、上多孔介质50、和下多孔介质60。换句话说，流体最初从下孔部分86经过下多孔介质60、扼流器30和上多孔介质50流入上孔部分85，或者最初从上孔部分85经过上多孔介质50、扼流器30和下多孔介质60流入下孔部分86。

如图9清楚地示出的，扼流器30、上多孔介质50和下多孔介质60接合到管状构件85的内壁表面83上，并由上保持器87、下保持器89保持在适当位置。因而，管状构件85对本体31的向外膨胀提供阻力，因此有利于本体31向内膨胀，从而限制通路35。上多孔介质50与本体31的上表面32接合，下多孔介质60与下表面33接合。因而，上多孔介质50、下多孔介质60分别对本体31的向上膨胀和向下膨胀提供阻力，因此有利于在本体31膨胀期间限制通路35。另外，上保持器87、下保持器89分别对本体31的向上和向下膨胀提供附加的阻力，以进一步有利于限制通路35。

在又一个实施例中，未在附图中示出，扼流器包括开口，芯轴、管道或其他管状构件穿过所述开口。在该实施例中，扼流器设置在芯轴、管道或其他管状构件的外径上，使得流体流过设置在芯轴、管道或其他管状构件外部的通路。在该配置的一个特定实施例中，扼流器是不动的，其设置在芯轴、管道或其他管状构件的外径上。在该配置的另一个特定实施例中，扼流器设置在与芯轴、管道或其他管状构件的外径滑动接合的滑动套筒上。

在运行时，一井下工具设置在井下完井内的预定部位处。然后容许流体从地层作为生产流的一部分流过井下完井，并因此流过井下工具。在生产流流过井下工具的路径内设置有流体激活的扼流器，例如在此披露的可流体激活的扼流器。容许所希望的流体不受阻碍地流过扼流器。但是，如果不希望的流体接触扼流器，由于形成扼流器本体的一种或更多种可膨胀材料的膨胀，扼流器自动限制流体流过扼流器。

根据希望从井中移除的流体，容许不受阻碍地流过扼流器的所希望的流体可以是烃、盐水、水等等。同样，不希望的流体也可以是烃、盐水、水等等。换句话说，在有些作业中，可能希望从井中移除水，在井内留下烃以便将来生产。在这些作业中，扼流器将容许水不受阻碍地流过井下完井，但在扼流器接触烃时，将自动限制烃流过扼流器。反之，在其他作业中，可能希望从井中移除烃，而在井内留下水。在这些作业中，扼流器将容许烃不受阻碍地流过井下完井，但在扼流器接触水时，将自动限制水流过扼流器。

在在此披露的扼流器的运行的某些特定实施例中，扼流器是可逆的。也就是说，扼流器可以通过与不希望的流体接触而封闭或进行限制；但是，在不希望的流体不再接触扼流器后，或者在扼流器与希望的流体接触后，扼流器中的通路会朝着其原始开口位置或无限制的位置移动，在有些实施例中，通路一直返回到其原始开口位置或无限制的位置。因而，再次容许所希望的流体流过扼流器。之后，可由不希望的流体再次激活扼流器，以限制流体流过扼流器。随后，可以重新打开扼流器，限制流体流过所述通路然后再打开所述通路的工序可以重复进行。

在一个实验中，所形成的扼流器包括遇水膨胀橡胶，所述与水膨胀橡胶具有可从位于新泽西州Florham Park的BASF获得的牌号为DPNT040207的丁腈橡胶(NBR)和聚丙烯酰胺的混合物。扼流器包括连续厚度为0.085英寸、直径为0.950英寸的盘状形状。穿过扼流器本体设置有四十三个圆孔或通路，均具有大约0.620英寸的直径。扼流器放置在上多孔介质、下多孔介质之间，所述上多孔介质、下多孔介质均包括特氟隆泡沫。上多孔介质具有盘状形状，直径为0.950英寸，厚度为1.000英寸。下多孔介质具有盘状形状，直径为0.950英寸，厚度为1.500英寸。

上多孔介质、扼流器和下多孔介质处于1英寸直径的流动回路中，流体流动的方向是首先流过下多孔介质，然后流过扼流器，最后流过上多孔介质。最初，180℉的油(LVT200)以100ml/min的流量流过该流动回路。每分钟采集20秒的压力读数，单位为每平方英寸压力。在实验的第一个75分钟，压力保持稳定在大约0.5psi。在该实验的第75分钟，将油替换为30％盐水的溶液(水中含30％盐的溶液)。从该实验的第88分钟开始，在75分钟间隔内，每分钟再次采集20秒的压力读数。另外，30分钟后，盐水的百分比增大，直到盐水达到100％。在盐水流过流动回路的75分钟间隔期间，流过流动回路的流体的压力从30％盐水的大约1.0psi增大至100％盐水的大约2.9psi。在该实验的第163分钟，100％盐水被替换为油(LVT200)。然后，从该实验的第163分钟至第295分钟，每分钟对流过流动回路的油采集20秒的压力读数。流体的压力从该实验的第165分钟(100％油)的大约2.2psi减小至该实验的第295分钟的大约0.9psi。

如该实验所示，容许所希望的流体、油以较低的压力流过扼流器；但是，在接触盐水(不希望的流体)时，扼流器肿胀，通路被封闭，导致流动回路内压力的增大。移除盐水，使扼流器的肿胀消退(reverses)，导致通路重新打开而容许油流过。因而，扼流器是可逆的、可重复的，使得流过扼流器的流体可以减少，然后再增加。

应当明白，本发明不局限于所示和所述的构造、操作、准确材料或实施例的精确细节，任何改变和等效物对本领域技术人员来说都是显而易见的。例如，穿过扼流器的通路可以具有任意所希望的或必须的截面形状，以便于限制流体流过扼流器。此外，不要求扼流器中的所有通路都具有相同的截面形状。而且，扼流器可以具有单个通路，或者具有多个通路。另外，在可膨胀材料膨胀之后，不需要防止所有流体流过扼流器。相反，可以允许一定流体继续流过扼流器，仍可以通过例如压力变化或流量变化向井的工作人员指示不希望的流体已经进入生产流，这样工作人员可以对井的生产进行所希望的调整。另外，应当明白，当可膨胀材料、本体或通路之一处于第一或初始构型或位置时，这些部件中的其余部件也处于第一或初始构型或位置。同样，可膨胀材料、本体或通路之一处于第二构型或位置，而这些部件中的其余部件也处于在第二构型或位置。此外，不要求管状构件具有圆形截面。反而，管状构件可以具有多边形形状或使生产流流过管状构件所希望或所需的任何其他形状。此外，不要求扼流器是圆柱形的或盘形的，其可以具有在接触一种或更多种不希望的流体时足以限制流体流过井下工具所希望或所需的任何其他形状。此外，在扼流器可逆的实施例中，不要求通路返回到其原始位置。所需的只是，通路朝着原始位置移动，使得容许增大流过通路的流体。因此，本发明仅由附带的权利要求书的范围限定。

Claims (21)

1.一种井下工具，生产流流过所述井下工具，该井下工具包括：

流体致动扼流器，所述流体致动扼流器包括：

本体，所述本体具有上表面、下表面和连接所述上表面与下表面的通路，本体由可膨胀材料构成，所述可膨胀材料具有其中流体以第一流量流过通路的第一构型和其中流体以第二流量流过通路的第二构型，第一流量大于第二流量，

其中，由于第一流体接触可膨胀材料，可膨胀材料从第一构型膨胀到第二构型。

2.如权利要求1所述的井下工具，其中，导致可膨胀材料从第一构型膨胀至第二构型的第一流体是水。

3.如权利要求1所述的井下工具，其中，导致可膨胀材料从第一构型膨胀至第二构型的第一流体是烃。

4.如权利要求1所述的井下工具，其中，第二流量为零。

5.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述本体设置在一刚性管状构件中，便于可膨胀材料从第一构型变化至第二构型。

6.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述本体包括多个通路，所述多个通路中的每个通路均具有与第一流量相关的第一构型和与第二流量相关的第二构型，每个第一流量均大于相应的每个第二流量。

7.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述通路具有基本上圆柱形的截面形状。

8.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述通路在第一相交处与上表面相交，所述第一相交处具有第一基本上圆形的形状。

9.如权利要求8所述的井下工具，其中，通路在第二相交处与下表面相交，所述第二相交处具有第二基本上圆形的形状。

10.如权利要求9所述的井下工具，其中，第一基本上圆形的形状包括第一周长，第二基本上圆形的形状包括第二周长，第一周长大于第二周长。

11.如权利要求1所述的井下工具，其中，可膨胀材料包括可膨胀的聚合物。

12.如权利要求1所述的井下工具，其中，可膨胀材料包括封装用可溶解材料，所述封装用可溶解材料封装所述可膨胀材料以防止可膨胀材料从第一构型膨胀至第二构型，直到封装用可溶解材料被第一流体溶解。

13.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述可膨胀材料是可逆的，使得可膨胀材料在接触第二流体时从第二构型朝着第一构型变化。

14.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述本体的上表面与第一刚性多孔介质相接触。

15.如权利要求14所述的井下工具，其中，所述本体的下表面与第二刚性多孔介质相接触。

16.一种限制流体流过井下工具的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)使流体流过井下工具的流体流动路径，该井下工具具有设置在流体流动路径内的流体致动扼流器，所述流体致动扼流器包括：

本体，所述本体具有上表面、下表面和连接上表面与下表面的通路，本体由可膨胀材料构成，所述可膨胀材料具有其中流体以第一流量流过所述通路的第一构型和其中流体以第二流量流过所述通路的第二构型，第一流量大于第二流量；和

(b)使流体致动扼流器的可膨胀材料与第一流体相接触，这导致所述可膨胀材料从第一构型朝着第二构型膨胀，从而使通路从初始位置朝着关闭位置移动，由此限制流过通路的流体从第一流量到第二流量。

17.如权利要求16所述的方法，其中，在步骤(b)期间，第一流体溶解封装所述可膨胀材料的可溶解材料。

18.如权利要求16所述的方法，其中，在步骤(a)期间，流体以第一流量首先流过第一多孔介质，然后流过通路，最后流过第二多孔介质。

19.如权利要求16所述的方法，其中，第二流量基本上为零。

20.如权利要求16所述的方法，还包括步骤：

(c)使流体致动扼流器的可膨胀材料与第二流体相接触，这导致可膨胀材料从第二构型朝着第一构型变化，从而使通路朝着初始位置移动，增大流过通路的流体流量。

21.如权利要求20所述的方法，其中：重复步骤(b)。