CN104040109B - 具有流体二极管的自主流体控制系统 - Google Patents
具有流体二极管的自主流体控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
提出的是用于自主地控制地下井中的流体流动的设备和方法，且具体用于提供一种流体二极管，该流体二极管对沿一个方向流动的流体产生相对大的阻力而对沿反方向流动的流体产生相对小的阻力。所述二极管位于流体通道中，并具有相对的大阻力入口和小阻力入口。在一个实施例中，该大阻力入口具有围绕一孔口的凹陷环形表面，该小阻力入口具有基本锥形表面。该大阻力入口的凹陷环形表面优选纵向延伸超出该孔口的平面。在优选实施例中，流体将在邻近该凹陷环形表面的涡流中流动。
Description
相关申请的交叉引用
无
技术领域
本发明涉及使用流体二极管控制流经系统的流体的装置和方法。更具体地，本发明涉及使用由一孔口限定的具有大阻力侧和小阻力侧的流体二极管。
背景技术
有些井眼修护工具在井眼修护工具的内部与井眼之间提供多个流体流路。然而，通过这种多个流体流路进行流体传送可能以不期望和/或非同质的方式发生。通过多个流体流路传送的流体中的变化可归因于相关含烃地层中的流体状态的变化，和/或可归因于井眼修护工具的操作状态，例如流体流路受到颗粒物质的意外限制。
发明内容
本发明提供用于自主地控制地下井中的流体流动的装置和方法，并具体地提供一种流体二极管，该流体二极管用以生成对一个方向的流体流动相对大的阻力和对反方向的流体流动相对小的阻力。所述二极管位于流体通道中，并具有相对的大阻力入口和小阻力入口。小阻力入口对通过小阻力入口流入二极管内的流体提供相对低的阻力。大阻力入口对通过大阻力入口流入二极管内的流体提供相对大的阻力。在优选实施例中，大阻力入口具有围绕一孔口的凹陷环形表面，小阻力入口具有基本锥形表面。这些入口可具有公共孔口。在一个实施例中，大阻力入口的凹陷环形表面纵向延伸超出孔口的平面。即，从大阻力侧流经二极管的一部分流体将纵向流过，但是在被凹陷环形表面转向之前不通过孔口。在优选实施例中，流体将在邻近凹陷环形表面的涡流中流动。
该装置与方法能够与其它自主流动控制系统结合使用，包括与具有流动控制组件和涡旋组件的那些自主流动控制系统结合使用。本发明能够用于地下井眼的生产、注入和其它修护操作。本发明能够被定位为针对朝向或远离表面移动的流体流动提供相对更大的阻力。
附图说明
为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在参照本发明结合附图的详细描述，其中，不同图中相应的附图标记指的是相应的部件，附图中：
图1是包括根据本发明的实施例的多个自主流体流动控制系统的井系统的示意图；
图2是本发明的优选实施例的流体二极管的剖视图；
图3是通过大阻力入口流入流体二极管的流体的流动示意图；
图4是通过小阻力入口流入流体二极管的流体的流动示意图；
图5A-图5C是根据本发明的流体二极管的示例性实施例；
图6是根据本发明的方案的流体二极管的可选实施例的剖视图；以及
图7是具有根据本发明的方案的流体二极管的示例性的流体控制系统59的示意图。
具体实施方式
本领域技术人员应理解，本文所使用的方向术语，例如“之上”、“之下”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”等，是关于图中示出的说明性实施例来使用的，向上方向就是朝向相应附图的顶部，向下方向则是朝向相应附图的底部。如果不是这样的情况，而要利用一术语来表示需要取向的话，本说明书将会加以说明或使其清楚。“井上”、“井下”被用来表示关于地表的相对位置或方向，其中“井上”表示沿井眼朝向地表的相对位置或运动，而“井下”表示沿井眼进一步远离地表的相对位置或运动，与井眼的取向无关(除非以其它方式清楚说明)。
虽然以下详细地讨论了构成和使用本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解本发明提供了可适用的发明构思，这些发明构思能够在许多特定环境下具体实施。本文讨论的具体实施例是对构成和使用本发明的具体方式的说明，并不限制本发明的范围。
图1是大致以“10”来表示的井系统的示意图，该井系统包括多个体现本发明的原理的自主流动控制系统。井眼12延伸穿过各种地层。井眼12具有基本竖直段14，此段的上部中安装有套管柱16。井眼12还具有基本偏斜段18(图示为水平)，其延伸穿过含烃地层20。如图所示，井眼2的基本水平段18是裸眼。虽然这里示出裸眼(井眼的水平段)，但本发明将对任何取向、并对裸眼或套管孔均有效。本发明也将同样良好地对于注入系统有效。
管柱22被设置于井眼12内并从地表延伸。管柱22提供流体从地层20向上游行进到地表的管路。多个自主流体控制系统25和多个生产管段24被设置于邻近地层20的各种生产层段的管柱22内。每个生产管段24的任一端设有封隔器26，封隔器26提供管柱22与井眼12的壁之间的流体密封。每一对相邻的封隔器26中间的空间限定出一生产层段。
在所示实施例中，每个生产管段24具有防砂功能。与生产管段24关联地设计有防砂筛元件或过滤介质，用以允许流体流过但是阻止足够尺寸大的颗粒物质流过。
流入生产管段24内的流体典型地包括多于一种流体成分。典型的成分是天然气、油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常用作注入流体，用以朝向生产管驱赶烃，而天然气、油和水则典型地是在地层中被现场开采。
本发明提供在通道中使用流体二极管的方法和装置，其用以对沿一个方向流经通道的流体提供相对大的阻力，同时对沿反方向流动的流体提供相对小的阻力。可设想对于流体流动的这种相对限制能够用于期望流体沿一个方向流动、而不期望流动沿反方向流动的任何操作。例如，在从井眼产出烃期间，流体典型地从井眼流入管柱内，并由此朝向地表向井上流动。然而，如果流动因为一些理由逆向，一流体二极管或串联的多个二极管将会限制逆向流动。这些二极管能够类似地被用于注入操作，以限制流体向井上流动。本领域技术人员将认识到优选的是那些需限制沿一个方向的流动的其它应用。
图2是本发明的优选实施例的流体二极管的剖视图。流体二极管100位于由通道壁101限定的流体通道102中。通道102可与附加的流体二极管串联或单独地被设置于井下工具、管柱中，作为更大的自主流体控制系统的一部分。
流体二极管100具有大阻力入口104和小阻力入口106。在示出的优选实施例中，小阻力入口104具有基本锥形表面180；该基本锥形表面从大直径端110向小直径端112变窄，并终止于孔口114处。基本锥形表面优选地被制造，使得该基本锥形表面事实上呈圆锥形；然而，该表面也可以不是真正的圆锥形，而代之以例如由多个平面来形成，这些平面被设置成呈圆锥状变窄。大阻力入口106从大直径端116向小直径端118变窄，并终止于孔口114处。在示出的优选实施例中，孔口114对于大、小阻力端而言是一致的。在其它实施例中，可设有分开的多个孔口。孔口114、大阻力入口106和小阻力入口104优选在通道102的纵轴线103上居中。孔口114处在平面115中。优选地，平面115正交于纵轴线103。
大阻力入口106优选地包括凹陷表面120。凹陷表面120呈环形，且围绕孔口114延伸。在优选实施例中，如图2看到的，凹陷表面120沿大于90°的弧形弯曲。这里，“弧形”并不要求该表面为一段圆弧；例如，图2看到的表面不是圆形。该凹陷表面可以是一段圆弧、椭圆等，或者是不规则的。凹陷表面从孔口114的平面115的一侧纵向延伸到另一侧。为了讨论的目的，凹陷表面120从位于孔口的平面的上游的一点(当流体流入大阻力入口106内时)，纵向延伸到从孔口的位置处于下游的最远范围。也就是说，该凹陷表面纵向延伸超出孔口的平面。凹陷表面120的处于下游的最远范围以虚线“121”来表示。在所示实施例中，锥形表面108的纵向范围与凹陷表面120的纵向范围重叠。
在使用中，流体F能够以任一方向流经二极管100。当流体通过小阻力入口104流入二极管内时(如图2中的实线箭头所示)，二极管对于流体流动的阻力小于流体通过大阻力入口106流入二极管内时(如图2中的虚线箭头所示)。在典型的使用中，优选的是流体沿小阻力方向流动，例如用于产出井流体。如果流动逆向，使得流体从大阻力入口流过二极管，则流动受限。
图3是通过大阻力入口106流入流体二极管100内的流体F的流动示意图。图4是通过小阻力入口104流入流体二极管100内的流体F的流动示意图。示出的流动线是速度流动线。流体从大阻力侧进入(如在图3所示)，一部分流体的流动基本上朝向轴线103被径向地引导。流经孔口114的流体基本上受限或变慢，穿过二极管的总的流体流动同样地受限。相应地，穿过二极管的压降相对较高。在优选实施例中，邻近大阻力入口的凹陷表面生成涡流122。在流体从小阻力侧进入二极管的情况下(如图4所示)，则流经二极管的流体受到相对小的阻力，穿过二极管的压降也就对应较低。
以下是示例性实际上的和通过以类似于图2-图4的二极管进行计算机建模来产生的数据。穿过二极管的压降和对流体流动的阻力取决于流经二极管的流体的方向。当从大阻力侧流入二极管内时，流量每秒0.2kg的水穿过二极管受到的压降大约是4200Pa。从小阻力侧反方向流动的水只受到大约2005Pa的压降。类似地，密度为每立方米1.3kg并且流量相同的空气沿受限方向流动时受到400psi的压降，而在无限制方向只有218psi压降。最后，在每立方米150kg并且流量相同的条件下建模的气体在受限方向受到5psi的压降，而在无限制方向的压降为2psi。这些数据点只是示例性的。
图5A-图5C是根据本发明的流体二极管的示例性实施例。图5A-图5C示出用于流体二极管100的凹陷环形表面120的可选轮廓。图5A中，轮廓类似图2中的轮廓，其中，凹陷表面120弯曲大于90°，具有相当深的“袋状部”，并越过孔口114的平面115延伸到点121。图5B类似，不过凹陷表面120更浅。在图5C中，凹陷表面120弯曲90°，但不越过孔口的平面115纵向延伸。图5A的设计目前是优选的，并在沿受限方向流动时提供最大压降。使用建模技术，穿过图5A-图5C中的二极管的压降分别是4200Pa、3980Pa和3208Pa。另外，大阻力入口可采取其它形状，例如不同于所示出的凹陷表面的其他曲率的曲面、不同于所示出的确切曲率的凹陷表面、多个平面(这些平面在以集合方式采用时形成基本上相似的凹陷表面)、或甚至具有矩形的截面。而且，所述通道可具有圆形的、矩形的或其它的横截面形状。
图6是根据本发明的方案的流体二极管的可选实施例的剖视图。图6示出可选实施例，其中，大阻力入口106的孔口114a与小阻力入口104的孔口114b不一致。相对窄的管路124连接这些孔口。
图7是具有根据本发明的方案的流体二极管的示例性流体控制系统59的示意图。流体控制系统59参考通过援引并入本文的文献来具体解释，并且此处将不再具体描述。流体控制系统被设计用于沿着以双箭头F来表示的方向流动的流体。流体例如为产出流体，其进入流体控制系统59，流经流动控制组件60的通道62和64，且通过出口68和70离开。流体随后通过任选的方向元件90，经由入口84或86流入涡旋组件80内，通过涡旋室82，并离开涡旋出口88。流体随后向下游(在本实施例中为井上侧)流动，例如流到地表。虽然沿该方向的流动是优选的并且是典型的，但本发明的流体二极管也可与流动控制系统结合、或作为流动控制系统的一部分来使用，以限制或防止逆向流体流经系统。如图所示，沿系统在系统的上游或下游位置可使用一个或多个流体二极管100。
在优选实施例中，多个流体二极管100被设置成串联，使得流体经过多个二极管流动。例如，在图7中可观察到，涡旋组件80的下游是两个二极管100。如上所述，当流体流经二极管的大阻力侧时，与反方向流动时相比，穿过二极管可实现更大的压降。然而，穿过多个二极管的压降还会更大。优选的是，多个串联的二极管被用来产生更大得多的穿过多个二极管的总压降。通过这种方式，可使通过系统的逆流基本上受限。
本领域技术人员将会理解，本文所述二极管能够与并入本文的参考文献中描述的各种流动控制系统、组件和装置结合使用。
对于使用自主流动控制设备装置的流体流动控制的说明及其申请可在下列美国专利和专利申请中找到，因此下列美国专利和专利申请中的每个就各方面而言被全文并入本文：Schultz在2009年12月10日提交的题为“流体流动控制装置(Fluid FlowControlDevice)”的美国专利申请序列第12/635612号；Dykstra在2010年4月29日提交的题为“使用可移动流动分流器组件控制流体流动的方法和设备(Method and Apparatus forControlling Fluid Flow Using Movable Flow Diverter Assembly)”的美国专利申请序列第12/770568号；Dykstra在2010年2月4日提交的题为“具有轨迹从属阻力系统的自主井下流体选择方法和设备(Method and Apparatus for Autonomous Downhole FluidSelection With Pathway Dependent Resistance System)”的美国专利申请序列第12/700685号；Dykstra在2010年6月2日提交的题为“基于流体特性的流路控制由此可变地抵抗地下井中的流动(Flow Path Control Based on Fluid Characteristics to TherebyVariably Resist Flow in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12/791993号；Fripp在2010年6月2日提交的题为“交替增大、减小地下井中传播的压力压力脉冲的流阻(Alternating Flow Resistance Increases and Decreases for Propagating PressurePulses in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12/792095号；Fripp在2010年6月2日提交的题为“用于地下井的可变流阻系统(Variable Flow Resistance System forUse in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12/792117号；Dykstra在2010年6月2日提交的题为“其中具有流通引导结构的可变流阻系统以可变地抵抗地下井中的流动(Variable Flow Resistance System With Circulation Inducing Structure Thereinto Variably Resist Flow in a Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12/792146号；Dykstra在2010年9月10日提交的题为“用于地下井的串联构造的可变限流器(SeriesConfigured Variable Flow Restrictors For Use In A Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12/879846号；Holderman在2010年8月27日提交的题为“用于地下井的可变限流器(Variable Flow Restrictor For Use in A Subterranean Well)”的美国专利申请第12/869836号；Dykstra在2010年12月2日提交的题为“使用压力开关的用于指引流体流动的装置(A Device For Directing The Flow Of A Fluid Using A Pressure Switch)”的美国专利申请序列第12/958625号；Dykstra在2010年12月21日提交的题为“具有引导并妨碍流体的旋转流动的流体指引器的离开组件(An Exit Assembly With a Fluid Directorfor Inducing and Impeding Rotational Flow of a Fluid)”的美国专利申请序列第12/974212号；Schultz在2010年12月31日提交的题为“与地下井使用的横流流体振荡器(Cross-Flow Fluidic Oscillators for use with a Subterranean Well)”的美国专利申请序列第12983144号；Jean-Marc Lopez在2010年12月13日提交的题为“具有方向从属流动阻力的井下流体流动控制系统和方法(Downhole Fluid Flow Control System andMethod Having Direction Dependent Flow12/966772Resistance)”的美国专利申请序列第12/966772号；Schultz在2010年12月31日提交的题为“与地下井(包括涡流)使用的流体振荡器(Fluidic Oscillators for use with a Subterranean Well(includesvortex))”的美国专利申请第12/983153号；Fripp在2011年4月11日提交的题为“自主阀的主动控制(Active Control for the Autonomous Valve)”的美国专利申请序列第13/084025号；Fripp在2011年4月8日提交的题为“自主阀的运动流体选择器(Moving FluidSelectors for the Autonomous Valve)”的美国专利申请序列第61/473,700号；Fripp在2011年4月8日提交的题为“自主阀的粘性开关(Sticky Switch for the AutonomousValve)”的美国专利申请序列第61/473,699号；以及Fripp在2011年5月3日提交的题为“离心的流体隔板(Centrifugal Fluid Separator)”的美国专利申请序列第13/100006号。
虽然本发明是参照说明性的实施例来描述的，但不应在限制意义上解读这种描述。参照本说明书，说明性的实施例以及本发明的其它实施例的各种更改和组合将对本领域技术人员明显。因此，应认为随附权利要求书包含任何这样的更改或实施例。
Claims (19)
1.一种用于自主地控制地下井中的流体流动的设备，所述设备包括：
流体通道，所述流体通道中设有流体二极管；
所述流体二极管具有相对的大阻力入口与小阻力入口；
所述小阻力入口对通过所述小阻力入口流入所述二极管内的流体提供相对小的阻力；以及
所述大阻力入口对通过所述大阻力入口流入所述二极管内的流体提供相对大的阻力，并且其中，所述大阻力入口具有围绕一孔口的凹陷环形表面。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述小阻力入口具有基本锥形表面。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述基本锥形表面变窄并终止于所述孔口处。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述凹陷环形表面纵向延伸超出所述孔口的平面。
5.如权利要求1所述的设备，还包括井下工具，所述流体通道和二极管位于所述井下工具中。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述地下井从地表延伸，并且其中，所述二极管被设置成使得朝向地表流动的流体进入所述二极管的小阻力入口。
7.如权利要求5所述的设备，还包括自主流体控制系统，所述自主流体控制系统具有涡旋组件和流动控制组件。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述二极管位于所述涡旋组件的上游。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述二极管位于所述流动控制组件的下游。
10.如权利要求4所述的设备，所述凹陷环形表面用于在通过所述大阻力入口流入所述二极管内的流体中生成涡流。
11.一种修护延伸穿过含烃地层的井眼的方法，所述方法包括以下步骤：
设置与所述井眼流体连通的流体二极管；
使流体流经所述二极管的小阻力入口；以及
使流体流经所述二极管的大阻力入口，由此限制流经所述二极管的流体，
其中，所述大阻力入口具有围绕一孔口的凹陷环形表面。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述小阻力入口具有锥形表面。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：使流体流经自主流体控制系统，所述自主流体控制系统具有流动控制组件和涡旋组件。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：使从所述井眼产出的流体流入所述自主流体控制系统内。
15.如权利要求11所述的方法，还包括：使流体流入所述井眼内。
16.如权利要求13所述的方法，其中，使流体流经自主流体控制系统的步骤出现在使流体流经所述二极管的小阻力入口的步骤之前。
17.如权利要求11所述的方法，还包括：在使流体流经所述二极管的大阻力入口的步骤期间，在流体流动中生成涡流的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其中，涡流是邻近所述大阻力入口的所述凹陷环形表面生成的。
19.如权利要求11所述的方法，其中，所述凹陷环形表面纵向延伸超出由所述孔口限定的平面。
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