CN104968885B - 油管压力操作的井下流体流量控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种井下流量控制系统利用油管压力操作的阀门来选择性地打开及关闭跨所述系统的流体流量。所述油管压力操作的阀门包括响应于油管压力的活塞和响应于活塞移动的阀门元件。所述阀门元件可响应于所述活塞移动而旋转地、纵向地或旋转及纵向地移动。所述阀门可在关闭位置与至少一个打开位置之间移动。所述活塞和阀门元件可诸如通过单向棘轮可释放地附接。所述阀门元件可为旋转阀门，其可由J形槽机构操作以响应于所述活塞元件的移动而旋转至多个位置。
Description
相关申请的交叉参考
无。
技术领域
本发明大致涉及结合在地下井中执行的操作利用的设备，且尤其涉及一种利用油管压力来致动井下流量控制装置的井下流体流量控制系统和方法。
背景技术
在不限制本发明的范围的情况下，作为实例，将参考从含油气的地下地层产生流体描述其背景。在横穿含油气地下地层的井的完井期间，生产油管和各种完井设备被安装在井中来实现地层流体的安全和高效生产。例如，为了防止从疏松或松散固结的地下地层产生颗粒物质，某些完井包括定位为邻近期望生产层段的一个或更多个防砂筛总成。在其它完井中，为了控制进入生产油管的生产流体的流速，惯常的做法是在油管柱内安装一个或更多个流量控制装置。
已尝试在需要防砂的完井内利用流体流量控制装置。例如，在某些防砂筛总成中，在生产流体流动穿过过滤介质之后，将流体引导至流量控制段。流量控制段可包括一个或更多个流量控制组件，诸如流管、喷嘴、迷宫式组件或类似组件。通常，在安装前固定穿过流量控制筛的生产流阻或流速。
但是，已发现，由于在井寿命内地层压力的变化和地层流体组成的变化，可能期望调整流入控制装置的流量控制特性。此外，对于某些完井，期望调整流入控制装置的流量控制特性而无需修井。
因此，已出现对可操作以控制地层流体的流入的井下流体流量控制系统的需要。此外，已出现对可被并入流量控制筛中的这种井下流入控制装置的需要。此外，已出现对可操作以在井的生产剖面随时间而变化时，调整流量特性而无需修井的这种井下流入控制装置的需要。
发明内容
一种井下流量控制系统利用油管压力操作的阀门来选择性地打开及关闭跨系统的流体流量。所述油管压力操作的阀门包括响应于油管压力的活塞和响应于活塞移动的阀门元件。所述阀门元件可响应于所述活塞移动而旋转地、纵向地或旋转及纵向地移动。所述阀门可在关闭位置与至少一个打开位置之间移动。所述活塞和阀门元件可诸如通过单向棘轮可释放地附接。所述阀门元件可为旋转阀门，其可由J形槽机构操作以响应于所述活塞元件的移动而旋转至多个位置。装置的其它元件可包括临时固持机构，诸如夹头总成、剪切销和类似物。可旋转阀门元件可无终止地旋转，允许阀门装置的重复打开和关闭。装置响应于油管压力且无需修井。装置可结合防砂筛总成、额外流量控制总成等使用。
附图说明
为了更全面理解本发明的特征和优点，现参考本发明的具体实施方式以及附图，其中不同图中的相应数字指代相应部分，且其中：
图1是根据本发明的实施方案的操作多个井下流入控制装置的井系统的示意图；
图2A至图2B是实施为第一构造中的本发明的流量控制筛的井下流入控制装置的连续轴向段的四分之一截面图；
图3A至图3E是根据本发明的一个方面的流入控制装置的示例性实施方案的示意横截面部分图；和
图4A至图4C是根据本发明的一个方面的流入控制装置的示例性实施方案的示意横截面部分图。
本领域技术人员应了解诸如上方、下方、上、下、向上、向下和类似术语的方向术语的使用是参考说明性实施方案如其在图中描绘般使用，向上方向朝向相应图的顶部，且向下方向朝向相应图的底部。在情形并非如此及术语用于指示所需定向的情况下，说明书中将陈述或进行此类澄清。
具体实施方式
虽然下文详细讨论本发明的各种实施方案的制作和使用，但是应了解本发明提供许多可应用的发明概念，其可实施于多种具体背景中。本文中讨论的具体实施方案仅说明制作及使用本发明的具体方式，且不限制本发明的范围。
参考图1，描绘井系统，其具有定位在流量控制筛中实施本发明的原理的多个井下流体流量控制系统，其一般标注为10。在图示的实施方案中，井筒12延伸穿过各种地层。井筒12具有大体上垂直段14，其上部分中固接套管柱16。井筒12还具有大体上水平段18，其延伸穿过含油气地下地层20。如图示，井筒12的大体上水平段18是开孔。
定位在井筒12内且从地面延伸的是油管柱22。油管柱22提供导管供地层流体从地层20行进至地面，及供注入流体从地面行进至地层20。在其下端，油管柱22耦合至已被安装在井筒12中的完井管柱，且将完井层段划分为邻近地层20的各种生产层段。完井管柱包括多个流量控制筛24，其每个定位在被描绘为封隔器26的一对环形屏障之间，所述封隔器26提供完井管柱与井筒12之间的流体密封，由此界定生产层段。在图示的实施方案中，流量控制筛24发挥将颗粒物质过滤出生产流体流的功能。每个流量控制筛24还具有流量控制段，所述流量控制段可操作来控制穿过其中的流体流量。例如，流量控制段可操作以在井操作的生产阶段期间控制生产流体流的流量。替代地或此外，流量控制段可操作以在井操作的处理阶段控制注入流体流的流量。如下文更详细说明，流量控制段可操作以在地层压力降低以使期望流体(诸如油)的生产最大化时控制生产流体的流入，而无需在井寿命内的修井。此外，系统利用如本文中公开的操作者控制、油管压力致动的流入控制装置。即，系统可单独或结合自主流量控制系统使用操作者控制的流入控制装置。在两者结合使用的情况下，生产管柱的流量特性将响应于流体特性的改变而自主改变，但是操作者仍可使用油管压力变化打开、关闭及调节流入。
尽管图1描绘在开孔环境中的本发明的流量控制筛，但是本领域技术人员应了解本发明同样非常适用于套管井。此外，尽管图1描绘每个生产层段中一个流量控制筛，但是本领域技术人员应了解任意数量的本发明的流量控制筛可部署在生产层段内或不包括生产层段的完井层段内，而不脱离本发明的原理。此外，尽管图1描绘在井筒的水平段中的本发明的流量控制筛，但是本领域技术人员应了解本发明同样非常适用于具有其它方向构造的井，包括垂直井、偏斜井、倾斜井、分支井和类似井。因此，本领域技术人员应了解诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右、井上、井下和类似术语的方向术语的使用是参考说明性实施方案如其在图中描绘般使用，向上方向朝向相应图的顶部，且向下方向朝向相应图的底部，井上方向朝向井的地面且井下方向朝向井的底部。此外，尽管图1描绘流量控制筛中的操作者控制的流入控制装置，但是本领域技术人员应了解本发明的操作者控制的流入控制装置无需与流量控制筛相关或作为完井管柱的部分。例如，操作者控制的流入控制装置可被可操作地安置在钻柱内用于钻杆测试，安置在注入管柱内用于井处理等。
接下来参考图2A至图2B，其中描绘被代表性地图示且一般标注为100的根据本发明的流量控制筛的连续轴向段。流量控制筛100可适当地耦合至其它类似流量控制筛、生产封隔器、定位螺纹接口、生产管或其它井下工具以形成如上文描述的完井管柱。流量控制筛100包括基管102，所述基管102具有无孔管段104和有孔段106，所述有孔段106包括多个生产端口108和多个旁通端口110。围绕无孔管段104的井上部分定位30的是筛元件或过滤介质112，诸如绕线筛、纺织网筛、预填筛或类似筛，其有或无围绕其定位的外罩，其被设计来允许流体流动穿过其中，但是阻止预定大小的颗粒物质流动穿过其中。但是，本领域技术人员应了解，本发明无需具有与其相关的过滤介质，因此，过滤介质的准确设计对于本发明而言并不关键。
定位在过滤介质112井下方向的是筛界面外壳114，其与基管102形成环隙116。可固定地连接至筛界面外壳114的井下端的是流量控制外壳118，其与基管102形成环隙120。在其井下端，流量控制外壳118可固定地连接至支撑总成122，所述支撑总成122可固定地耦合至基管102。流量控制筛100的组件的各种连接可以任意适当方式制作，包括10焊接、螺纹接合和类似方式，以及通过使用诸如销、固定螺钉和类似物的紧固件。
定位在流量控制外壳118内，流量控制筛100具有流量控制段，其包括多个流量控制组件124和旁通段126。在图示的实施方案中，流量控制组件124按120°间隔绕基管102圆周分布，使得提供三个流量控制组件124，如图3中最佳所见，其中流量控制外壳118已被移除。尽管已描述流量控制组件124的特定配置，但是本领域技术人员应了解，可使用其它数量和配置的流量控制组件124。例如，可使用均匀或非均匀间隔的更多或更少数量的圆周分布流量控制组件124。此外或替代地，流量控制组件124可沿着基管102纵向分布。如图示，流量控制组件124各由内流量控制元件128和外流量控制元件130形成，在图3中外流量控制元件从流量控制组件124之一中移除25以协助描述本发明。流量控制组件124各具有流体流径132，其包括一对流体端口134、涡流室136和端口140。此外，流量控制组件124具有涡流室136中的多个导流件142。
流量控制组件124可操作以控制在任一方向上穿过其中的流体流量，且可具有方向相依流阻，其中生产流体在穿过流量控制组件124时可能经历比注入流体大的压降。例如，在井操作的处理阶段期间，可在基管102的内部通道144中将处理流体从地面向井下泵入。处理流体随后穿过端口140进入流量控制组件124，且穿过涡流室136，其中期望流阻被施加至流体流量，实现穿过其中的期望压降和流速。在图示的实例中，进入涡流室136的处理流体在穿过流体端口134离开之前主要在涡流室136内的径向方向上行进，在涡流室136内几乎无旋流且不经历相关摩擦力和离心力损失。因此，穿过流量控制组件124的注入流体遭遇较小阻力且相对无阻碍地穿过其中，与在生产情况下相比，以明显较小的压降实现高得多的流速。流体随后在进入环隙116且穿过过滤介质112以注入至周围地层之前，行进至基管102与流量控制外壳118之间的环形区域120中。
同样地，在井操作的生产阶段期间，流体通过流体流量控制系统100从地层流动至生产油管中。生产流体在被过滤介质112(如果存在)过滤后流动至环隙116中。流体随后在进入流量控制段之前行进至基管102与流量控制外壳118之间的环形区域120中。流体随后进入流量控制组件124的流体端口134，且穿过涡流室136，其中期望流阻被施加至流体流量，实现穿过其中的期望压降和流速。在图示的实例中，进入涡流室136的生产流体主要在切向方向上行进，且在最终穿过端口140离开之前，在导流件142的协助下绕涡流室136螺旋。绕涡流室136的流体螺旋将遭受摩擦力损失。此外，切向速度产生阻碍径向流量的离心力。因此，穿过流量控制组件124的生产流体遭遇明显阻力。随后，流体通过开口108被排放至基管102的内部通道144用于生产至地面。尽管已描绘及描述特定流量控制组件124，但是本领域技术人员应了解可使用具有替代设计的其它流量控制组件而不脱离本发明的原理，包括但不限于流入控制装置、流体装置、文丘里管装置、流体二极管和类似装置。
有关防砂筛、流量控制组件和其使用的进一步公开，见例如国际专利申请案PCT/US2012/27463，其为了所有目的，在此完整并入本文中。
在图示的实施方案中，旁通段126包括被描绘为环形滑动套筒142的活塞，其可滑动及密封地定位在支撑总成122与基管102之间的环形区域145中。如图示，滑动套筒142包括：三个外密封件146、148、150，其密封地接合支撑总成122的内表面；和三个内密封件152、154、156，其密封接合基管102的外表面。滑动套筒142还包括一个或更多个旁通端口158，其径向延伸穿过滑动套筒142。旁通端口158可绕滑动套筒142圆周分布，且可与基管102的一个或更多个旁通端口110圆周对齐。旁通端口158定位在外密封件148、150之间及内密封件154、156之间。也安置在环形区域145内的是被描绘为波形弹簧160的机械偏置元件。尽管描绘特定机械偏置元件，本领域技术人员应了解可替代地使用诸如螺旋缠绕压缩弹簧的其它机械偏置元件，而不脱离本发明的原理。支撑总成122与流量控制外壳118形成环隙162。支撑总成122包括：多个操作端口164，其可绕支撑总成122圆周分布；和多个旁通端口166，其可绕支撑总成122圆周分布且可与滑动套筒142的旁通端口158圆周对齐。
现将描述旁通段126的操作。在井寿命早期，地层流体以相对较高压在各种生产层段处进入井筒。如上所述，流量控制组件124用于控制进入完井管柱的流体的压力和流速。同时，由地层流体产生的来自流量控制筛100周围的钻孔的流体压力进入环隙162且穿过操作端口164以产生压力信号，所述压力信号作用在滑动套筒142上且压缩弹簧160，如图2B中最佳所见。在这种操作构造中，滑动套筒142的旁通端口158未与支撑总成122的旁通端口166或基管102的旁通端口110流体连通。这被视为滑动套筒142的阀门关闭位置，其阻止穿过其中的生产流体流量。只要地层压力(在本文中也被称作环隙压力或井筒环隙压力)足以克服弹簧160的偏置力，滑动套筒142就将保持在关闭位置中。当地层压力下降时，作用在滑动套筒142上的压力信号发生变化。当地层压力达到预定水平时，其中压力信号不再足以克服弹簧160的偏置力，滑动套筒142将自主从阀门关闭位置移位至阀门打开位置。在这种操作构造中，滑动套筒142的旁通端口158与支撑总成122的旁通端口166和基管102的旁通端口110流体连通。地层流体现将主要穿过旁通段126从流量控制筛100周围的环隙流动至流量控制筛100的内部144。在这种构造中，流阻显著减小，因为地层流体将大体上绕开高阻力穿过流量控制组件124。以此方式，流量控制筛100的流量控制特性可自主调整来实现由于地层流体进入完井管柱而造成的压降体验的减小而提高的生产。
虽然自主流量控制系统提供控制生产流体的关键功能，但是仍期望维持用于操作者控制的流量控制的方法和装置。例如，不管井的使用年限、地层压力的变化等，操作者可选择增大、减小、暂停或开始流体流量(即，生产流量)。此外，期望无修井情况下的操作者控制来节省时间和成本。因此，本文中提出流入控制装置的实施方案，其可单独使用或结合自主流量控制组件使用，且是操作者控制的。在流入控制装置结合自主流量控制组件使用的情况下，可能需要设计的更改，诸如将自主元件放置在操作者控制的阀门的上游或下游，使用相对较高油管压力或流速来操作操作者控制的阀门等。在所公开的实施方案中，操作者通过增大、减小或循环油管压力而控制流入控制装置。
图3A至图3E是根据本发明的一个方面的流入控制装置的示例性实施方案(一般标注为200)的示意横截面图，其在使用期间利用处于渐进位置中的分级式流量限制机构。图示的流入控制装置绕具有生产端口204的基管202定位。可使用替代数量和配置的端口。如本领域中已知及本文中其它部分描述，井口方向和向左(未示出)的筛总成和合适的流量通道提供井筒环隙与装置之间的流体连通，尤其至界定在装置外壳212与支撑总成216之间的流入控制装置环隙210。
在其井下端，流入控制装置外壳212附接至支撑总成216，所述支撑总成216附接至基管202，通常通过焊接。大致在管部分218处，支撑总成216界定支撑总成与外壳212之间的环隙210。
流入控制装置200包括定位在界定于支撑总成216的管部分218与基管202之间的阀门环隙214中的可滑动活塞222。活塞222可为环形滑动套筒，其可滑动及密封地定位在阀门环隙214中，其中多个止回阀总成和端口定位在其中。替代地，多个装置200可绕基管圆周定位，其中每个装置具有单独的活塞总成。如图示，活塞222包括密封件226，其密封地接合支撑总成216的内表面及滑动流量限制机构224的外表面。活塞222的纵向移动优选地通过止挡228限制。活塞通过示为弹簧的偏置机构250朝向第一位置偏置，如图3A中所见。其它偏置机构在本领域中众所周知。偏置机构250在活塞222的表面或肩部与支撑总成216的内肩部219之间延伸且座落在它们的任一端上。
活塞222包括一个或更多个止回阀总成。止回阀总成具有纵向延伸穿过活塞222的旁通端口238，其中球240被确定大小为座落在止回阀中以在一个方向上抵挡流量密封，此处从基管至井筒的流量。球238可加笼。此外，可采用其它类型的止回阀或单向阀，如本领域中已知。
也安置在活塞222中或其上的是一个或更多个棘轮机构242。优选的棘轮机构包括齿状滑件244，所述齿状滑件244捕获在界定在活塞中且邻近流量限制机构224的滑件凹部246中。滑件244的齿与界定在流量限制机构224的外表面上的相应组的齿252协作。滑件244可为单个环形滑件或由多个滑块组成，所述滑块绕相应滑件凹部中的流量限制机构圆周配置。滑件的设计和操作在本领域中众所周知。此外，棘轮机构可简单采用界定在内活塞表面上或活塞的延伸构件上等的齿，所述齿与限制机构上的配合齿相互作用。棘轮机构大致在本领域中众所周知，且在所并入的领域中公开一个示例性实施方案。
流量限制机构224可滑动地接合在阀门环隙214中。流量限制机构优选地为具有多个位置的分级式滑动套管，如所示。在图3A中，流量限制机构处于完全关闭位置中，其中流体流量被流量限制机构与流量限制座221之间的密封接合(优选地由支撑总成216的一部分界定)阻挡。密封件227(若期望)可在表面接合处使用且安装至座或限制套筒。流量限制套筒224根据需要包括接合基管202的密封件225。界定在限制套筒的外表面上的是多组齿252，此处是两组齿252a和252b。齿组各与界定在滑件244上的相应齿配合。优选的流量限制器具有分级式流量限制表面254，其具有多个限制水平254a至254c，其在限制套筒移动至各种位置时界定相应流量面积，其允许穿过装置200的更大或更小流量。
现将参考图3A至图3E描述流入控制装置200的操作。装置通常在第一或关闭位置中下钻，如图3A中所见。流量限制套筒224处于关闭位置中，其中穿过阀门环隙214的流体流量被限制表面水平254a与限制座221之间的密封接合阻止。活塞222也处于第一位置中，通过偏置机构250和止挡228维持在适当位置中。
当期望打开流入控制装置时，由操作者跨活塞施加足以将活塞纵向移动至第二位置的差压而增大油管压力，如图3B中所见。活塞压缩偏置机构250，且其纵向移动受限于来自偏置元件或止挡228的阻力。棘轮机构242接合界定在流量限制套筒242上的相应一组齿252a。更具体地，滑块244在齿组252a上方纵向滑动，若需要利用界定在凹部246中的径向空间来径向向外移动以便利在齿252a上方的通过。穿过装置的流量仍受阻。注意，增大的油管压力将同时操作沿着井筒纵向间隔的多个流入控制装置。
为了打开流入控制装置，操作者减小油管压力，使得偏置机构250将活塞222压回其原始或第一位置，如图3C中所见。流量限制套筒242被活塞拉动，因为棘轮齿保持与套筒上的齿组252a接合。限制套筒242被移动至如所示的第二或中间位置，允许流量穿过流量限制总成及跨装置200。座221和流量表面水平254b配合以界定被选择来允许跨限制总成的定义流速的流量面积。现允许沿着流径的流体流量，所述流径包括井筒环隙、筛或过滤装置(如存在)、环形区域210、支撑总成端口220、跨流量限制表面254，穿过止回阀端口238、基管端口204和基管202的内部通道。
为了将流量限制机构调整至第二或在这种情况下的最终流量位置，再次增大油管压力，安放止回阀球及抵抗偏置元件移动活塞，如图3D中所见。这次，棘轮机构再次与齿组252b配合。油管压力降低，使得偏置机构将活塞222压回其原始位置，如图3E中所见。流量限制套筒242被活塞拉动，因为棘轮齿保持与套筒上的齿组252b接合。限制套筒242被移动至完全打开位置，如图3E中所见。流体流动穿过流量限制总成且跨装置200。座221和流量表面水平254c配合以界定被选择来允许跨限制总成的定义流速的完全开放流量面积。流体沿着流径流动，所述流径包括井筒环隙、筛或过滤装置(如果存在)、环形区域210、支撑总成端口220、跨流量限制表面254，穿过止回阀端口238、基管端口204和基管202的内部通道。
可使用额外的限制和流速渐变。例如，在分级式流量限制机构中，可添加额外流量表面水平，其中相应的额外齿组用于与棘轮总成配合。此外，可使用流量限制机构(诸如具有斜坡、锥形或其它形状元件的流量限制机构)来提供额外渐变。
额外部件(诸如锁定或临时固持机构)可用于控制总成的零件之间的相对移动。例如，临时固持机构(诸如剪切销、剪切环、卡环、卡掣等)可用于使活塞相对于支撑总成维持静止，直至足够的油管压力被施加来致动临时固持机构(例如，对剪切销进行剪切)。其它这种机构可用于相对于支撑总成或基管调节流量限制套筒的移动。此外，活塞中的止回阀可用流量孔或类似物取代，在这种情况下，装置由流体流速而非压力致动。
图4A至图4C是根据本发明的一个方面的流入控制装置的示例性实施方案(一般标注为300)的示意横截面图，其利用J形槽致动的流量限制机构。图示的流入控制装置可结合或不结合筛总成、额外流量控制组件等使用。为讨论目的而简化下文优选实施方案中描述的实施方案。
图示的流量控制装置300绕基管302定位。多个装置在基管上的圆周间隔开的位置上附接至基管。类似地，基管周围的单个外壳可用于容纳多个流入限制装置。本领域技术人员应了解其它配置。基管包括流入端口306，其提供基管内部与阀门环隙341之间的流体连通。此外，基管包括压力端口308，其提供基管内部与活塞环隙314之间的压力连通。
流入控制装置300包括定位在界定于外壳312间的活塞环隙314中的可滑动活塞322。密封件324提供活塞与外壳壁之间的流体密封。活塞322初始、可释放且重复地由固持装置326固持在第一位置中，如图4A中所见。在所示的优选实施方案中，活塞通过夹头总成328固持在适当位置，所述夹头总成328具有可在径向展开位置(图4A中所见)与径向回缩位置(图4B中所见)之间移动的多个夹头指状物329。夹头总成包括多个锁定爪330，所述锁定爪330从夹头指状物径向延伸至界定于外壳壁中的配合的一个或更多个凹部332中。夹头总成的操作，以及夹头总成的各种设计在本领域中众所周知，且将不在此进一步详细讨论。固持装置可替代地为卡环、弹簧加载径向销、从弹簧加载或以其它方式偏置的元件(诸如弹簧臂、杠杆臂等)延伸的配合锁定爪。本领域技术人员应了解其它实施方案。
活塞通过偏置机构334(诸如螺旋弹簧，如所示)朝向第一位置偏置。螺旋弹簧座落在活塞和外壳肩部336的一端上。螺旋弹簧绕机械连杆338定位，此处是从活塞纵向延伸的简单活塞杆。
压力信号的变化可用于使滑动阀门元件340循环穿过多个位置或无穷系列的位置。如图4A中最佳所见，活塞杆在旋转接头342处附接至阀门元件340以允许杆和阀门元件的相对旋转移动。活塞可操作以使阀门元件在阀门环隙341中纵向来回滑动。可旋转元件340可包括界定在其表面中的槽344，被称作J形槽，一个或更多个销346延伸至所述槽中。销346可从外壳壁、基管等径向延伸，且与槽配合。替代地，槽可界定在外壳或基管壁上，而销携载在阀门元件上。
外壳312具有多个生产端口304a至304d，其提供阀门环隙341与装置外部的井筒环隙之间的流体连通。这些生产端口与阀门元件340配合，所述阀门元件340依据其旋转位置，阻挡或允许流体流量穿过一个或更多个生产端口。阀门元件可具有界定在其外表面上用于与生产端口304配合的一个或更多个流量凹部348。阀门元件可旋转至多个位置，各界定流量条件，例如，诸如关闭、三分之一打开，三分之二打开及完全打开。在图4A中所见的关闭位置中，阀门元件阻挡穿过生产端口304的流量。在三分之一打开位置中，阀门元件的流量凹部348被定位使得流量凹部348与例如生产端口304a对齐且允许穿过生产端口304a的生产，而其它生产端口仍被阻挡。阀门元件的其它位置允许穿过额外生产端口或生产端口的组合的流量。
作用在活塞322上的油管压力信号的变化导致活塞在活塞环隙314中滑动。增大的油管压力作用在夹头总成上，以预选压力径向回缩夹头。沿着井筒间隔或沿着井筒的独立长度间隔的额外装置优选地都在相同压力下操作，使得所有流入控制装置被同时操作。夹头在爪330从凹部332移动时回缩。活塞322纵向移位，压缩偏置弹簧334。活塞和杆的纵向移动导致阀门元件340在阀门环隙341内的类似纵向移动。销346与阀门元件之间的相对移动导致销在J形槽344内滑动。J形槽导致阀门元件绕旋转接头342旋转。
阀门元件的旋转选择性地将阀门元件的流量凹部348与一个或更多个生产端口304a至304c对齐，允许流体流量以预选流速穿过端口。在其它旋转位置，流量被阻挡而不穿过生产端口304。J形槽可被设计为要求多个压力信号来使阀门元件从关闭位置旋转至打开位置。在这种情况下，在阀门元件被旋转至与端口304的对齐位置之前，销346可能需行进穿过J形槽344的数段。替代地或此外，J形槽344一旦被放置在特定位置(诸如完全打开位置)中，就可用于阻止阀门元件340的进一步旋转。即，J形槽机构可用于将阀门锁定在适当位置中。此外，J形槽可使阀门元件能构造在关闭位置与完全打开位置之间的各种扼流或部分流量位置中。J形槽可为无限的，使得可通过持续压力循环使旋转经过关闭和打开位置的无限重复。
将参考图4A至图4B描述流入控制装置300的操作。装置通常在第一或关闭位置中下钻。穿过生产端口的流量被阀门元件阻止。活塞322也处于第一位置中，通过偏置机构334和固持结构或夹头总成326维持在适当位置中。
当期望打开流入控制装置时，由操作者跨活塞施加足以回缩夹头总成326及将活塞322从如图4A中所见的第一位置纵向移动至如图4B中所见的第二位置的差压而增大油管压力。夹头总成326在爪330从凹部332拉出时径向向内回缩。夹头总成328、活塞322、杆338和阀门元件340都沿着活塞环隙314和阀门环隙341纵向移动。活塞移动压缩偏置机构334。
虽然生产端口304的初始条件可由操作者设定，但是预期在多数应用中，生产端口在下钻中时将处于关闭位置中。在这样一种优选实施方案中，当活塞处于第二位置中时，跨生产端口304、阀门环隙341和流入端口306穿过的流量仍被阻挡，见图4A。注意，在这样一种情况下，增大的油管压力将同时操作沿着井筒纵向间隔的多个流入控制装置。
油管压力随后降低，使得偏置机构334将活塞322压回其原始位置或第一位置。沿着纵向将阀门元件340拉动至其原始或第一纵向位置，但是，通过槽344与销346的配合使阀门元件绕其纵轴旋转。
当阀门元件被纵向移动时，槽344和销346配合以旋转阀门元件。阀门元件绕接头342相对于活塞杆338旋转。J形槽轨道设计指定阀门元件响应于活塞的纵向移动的旋转移动。将不详细讨论J形槽轨道设计，因为这种机构和设计在本领域中众所周知。在优选的实施方案中，阀门元件旋转，但在从第一位置至第二位置的初始冲程期间不打开生产端口304。在活塞返回至原始位置时，由槽344界定的轨道将导致阀门元件340在阀门元件纵向移动期间旋转。注意，可能需要多个压力序列来打开生产端口作为防止过早或意外打开的安全措施。在优选的实施方案中，生产阀门304a与界定在阀门元件340表面中的相应流体通道305a对齐。流体通道允许从生产端口304a至阀门环隙341的流体流量。流体随后在端口306处进入基管。因此，一个油管压力循环(升高-降低)打开生产流量至第一流量水平。
额外循环以类似方式操作，使阀门元件进一步旋转且将额外生产端口304b至304c与额外流量通道305b至305c对齐。在各连续循环，允许跨阀门环隙的更大总流体流量。流量通道和生产端口可根据期望确定大小及对齐。例如，所有生产端口可均等地确定大小，使得第二端口304b的打开有效使来自单个端口304a的流量翻倍。替代地，生产端口可为不同大小，允许跨生产端口的不同流体流量。优选实施方案提供关闭、一个端口打开、两个端口打开、三个端口打开、关闭的生产端口序列。这可明显更改以提供不同顺序、不同数量和大小的打开的端口等。例如，序列可要求两个端口在任一个端口打开时关闭，额外“关闭”位置可夹置于打开位置之间等。
在优选的实施方案中，可使阀门元件旋转以关闭生产端口304a至304c且停止基管内部与井筒环隙之间的流体流量。环形槽344可用于提供阀门的无限可能的打开和关闭循环。替代地，如果期望具有“最终”阀门元件位置，例如，锁定阀门打开或关闭，那么槽可采用“死端”，有效阻止任何进一步旋转。
此外，装置可可选地在端口308上方利用隔膜309。相对非可压缩流体填充活塞环隙314。虽然隔膜会将油管压力传输至活塞环隙314，但油管流体不会进入环隙，由此使夹头和活塞总成维持清洁。
流速由生产端口、流体通道和流入端口的尺寸界定。这些元件可被设计来基于井筒条件和设计考虑提供期望流量面积、流速等。此外，在井的寿命内，这些元件可基于预期井筒流体特性而选择和设计。作为实例，在预期油井将最终产生较大比例的(非期望)气生产的情况下，可将阀门元件旋转至减小气生产的位置，同时仍使油生产最佳化。流体控制组件可例如界定在阀门元件的表面上。
额外部件(诸如锁定或临时固持机构)可用于控制总成的零件之间的相对移动。例如，临时固持机构，诸如剪切销、剪切环、卡环、卡掣等可用于使活塞或阀门相对于外壳维持静止，直至足够的油管压力被施加来致动临时固持机构(例如，对剪切销进行剪切)。
在本文中及在随附权利要求中提供的优选和示例性方法中，公开各种方法步骤，其中所列步骤并非唯一的，有时可被省略或同时、依序或以变化或替代的顺序结合其它步骤执行(即，步骤XYZ可执行为XZY、YXZ、YZX、ZXY等)(除非另有规定)，且其中额外通过随附权利要求公开步骤的顺序和性能，其为了所有目的(包括支持权利要求)以引用的方式完整并入本说明书中及/或形成本说明的一部分，方法步骤在下文中提出。对于本发明使用的示例性方法的描述，应理解本发明仅由权利要求书确定和限制。本领域技术人员应了解额外步骤、不同顺序的步骤及无需执行所有步骤来实践所描述的发明方法。
虽然已参考说明性实施方案描述本发明，但是本描述不应以限制意义来解释。本领域技术人员基于对本描述的参考，应了解本发明的说明性实施方案以及其它实施方案的各种修改和组合。因此，随附权利要求旨在涵盖任意这些修改或实施方案。
Claims (26)
1.一种井下流体流量控制系统，其能够操作以定位在延伸穿过地下地层的井筒中，且能够操作以控制所述井筒与管的内部通道之间的流体流量，所述系统包括：
利用油管压力进行操作的装置，其沿着所述管的所述内部通道与所述管的外部之间的流径定位；
活塞元件，其朝向第一位置偏置，可滑动地安置在活塞环隙中，所述活塞环隙具有至所述管的所述内部通道的压力传输端口，所述活塞元件能够响应于传输穿过所述压力传输端口的油管压力变化而移动至第二位置；和
阀门元件，其可释放地附接至所述活塞元件且能够响应于所述活塞元件在阻挡流体流经过所述流径的关闭位置与允许流体流经过所述流径的打开位置之间的移动而移动，
其中所述流径穿过界定在所述活塞元件中的旁通端口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述活塞元件进一步包括定位在其上能够操作以控制穿过所述旁通端口的流体流量的止回阀。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述流径穿过活塞环隙。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述阀门元件能够移动至多个打开位置，每个打开位置允许跨预选流量面积的流体流量经过。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述阀门元件和所述活塞元件包括配合的单向棘轮齿。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述阀门元件是分级式、斜坡、锥形、部分锥形或另外成形以界定多个打开位置。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述活塞元件进一步包括滑块，所述单向棘轮齿界定于所述滑块上。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述阀门元件是旋转阀门元件。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括用于控制所述阀门元件的旋转移动的J形槽机构。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述J形槽机构包括销和配合槽，其中所述销相对于所述旋转阀门元件行进。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述配合槽被界定在所述旋转阀门元件的表面上，且其中所述销径向延伸至所述阀门环隙中。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述旋转阀门元件能够相对于配合的多个生产端口旋转至多个打开位置。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述旋转阀门元件能够从关闭位置旋转至打开位置且随后旋转至关闭位置。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述配合槽是无端的。
15.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括能够操作地连接至所述活塞元件的临时固持机构。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述临时固持机构能够被重复使用。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述活塞元件是具有与所述管的纵轴重合的纵轴的环形活塞元件。
18.一种用于维修延伸穿过地层的地下井筒的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将井筒管定位在井下位置，所述井筒管具有定位于其上的流量控制装置，所述流量控制装置具有被安装来在活塞环隙内纵向移动且朝向第一位置偏置的活塞元件，阀门元件被安装来移动且能够由所述活塞元件操作，且界定所述井筒管的内部通道与所述井筒环隙之间的流径，所述阀门元件沿着所述流径定位且能够操作以选择性地阻挡或允许沿着所述流径的流体流量；
b)增大油管压力；
c)响应于步骤b)将所述活塞从所述第一位置纵向移动至第二位置；
d)减小油管压力；
e)响应于步骤d)将所述活塞从所述第二位置纵向移动至所述第一位置；
f)响应于步骤c)移动所述阀门元件并将所述活塞元件和所述阀门元件可释放地附接至彼此；和
g)响应于步骤f)允许流体流沿着所述流体流径流过；
h)响应于步骤b)密封定位在所述活塞元件上的止回阀，由此阻挡穿过界定在所述活塞元件中的旁通端口的流体流量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中可释放地附接所述活塞与所述阀门元件的步骤进一步包括将界定在所述阀门元件上的配合单向棘轮齿与界定在所述活塞元件上的相应棘轮齿互锁的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述互锁的步骤包括将齿状滑件移动至与所述阀门元件的棘轮齿配合接触。
21.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括以下步骤：
循环增大及减小油管压力；
响应于此重复移动所述活塞元件；
响应于所述活塞元件的移动在关闭位置与多个打开位置之间重复移动所述阀门元件，每个打开位置允许跨所述阀门元件的不同流体流速。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括响应于所述活塞元件的所述重复移动将所述活塞元件与所述阀门元件重复附接至彼此及从彼此拆卸的步骤。
23.根据权利要求18或21所述的方法，其中步骤f)进一步包括旋转所述阀门元件的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述阀门元件能够通过销与槽之间的相对移动操作。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述阀门元件能够在关闭位置与至少两个打开位置之间旋转，每个打开位置允许穿过所述装置的不同流速。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述旋转阀门能够无终止地旋转。
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