CN105579661B - 用于从井筒的等温段获取井下能量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了在延伸穿过地下地层的井筒内产生电力的系统和方法。加压流体的旋流穿过涡流管，以在涡流管的第一出口与第二出口之间产生温差。该温差被施加到构造为将温差转化为电压的温差发电机上。温差发电机产生电力，该电力可被传送到井筒内的诸如流入控制阀等井下工具。

Description

用于从井筒的等温段获取井下能量的系统和方法

技术领域

本发明涉及在与烃的生产有关的井筒(wellbore)中的操作。更具体而言，本发明涉及一种通过控制井筒内的流体流动(例如，采出液进入井筒的流入)来在井筒内产生电力的系统和方法。

背景技术

通常将需要电力的仪器和工具定位在烃生产井内的井下位置。例如，电驱动传感器被用于监测温度、压力、流速和其它井下条件。部署在井下位置的其他电驱动工具被主动控制，以实现各种目的。例如，井下阀门被经常地打开和关闭，以在储层的开采寿命(常常是20年以上)内进行储层性能的长期管理。导电线缆被部署成将这些井下工具与设置在地面位置(surface position)的电源相连接。这些线缆昂贵且容易在井筒的恶劣环境中失效。

在工业上需要可以被安装在井筒内的井下位置来长时间向传感器、阀门或其它井筒仪器提供电力的系统。此外，还需要可以对从井筒开采流体进行管理的系统，该井筒常常延伸穿过具有不同特性(例如，压力、孔隙度和含水量)的分采区。如果管理不当，则这些特性的变化可能导致不理想的开采模式。

发明内容

本发明描述了用于在井下环境中提供电力的系统和方法。该系统和方法采用涡流管，涡流管可操作地响应于流体穿过涡流管的流动来产生温差。涡流管包括温度相对较高的第一出口和温度相对较低的第二出口，第一出口和第二出口与温差发电机可操作地联接。涡流管可操作地在井筒的其它大致等温段中产生温差。

根据本发明的一个方面，用于在形成于地下地层中的井筒内产生电力的发电系统包括：加压流体源；温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及涡流管，其与温差发电机可操作地联接，以对温差发电机施加温差。涡流管包括：细长中空体；入口，其与加压流体源流体连通；第一出口，其与细长中空体的径向靠外区域(radially outerregion)热连通；以及第二出口，其与细长中空体的径向靠内区域(radially innerregion)热连通。第一出口与温差发电机的高温输入部可操作地相关联，并且第二出口与温差发电机的低温输入部可操作地相关联。

在一些实施例中，涡流管的入口可操作地与地下地层流体连通，并且加压流体源是地下地层的开采区内的采出液。在一些实施例中，涡流管的第一出口和第二出口与生产油管可操作地流体连通，使得限定在地下地层与生产油管之间的流动路径延伸经过涡流管。

在一些实施例中，发电系统还包括与温差发电机电连通(electricalcommunication)的电驱动井下工具，其中，电驱动井下工具可操作为选择性地接收由温差发电机产生的电力。在一些实施例中，电驱动井下工具是流入控制阀，流入控制阀构造为用于调节流体在穿过地下地层的生产油管的内部与外部之间的流动。在一些实施例中，发电系统还包括电联接在温差发电机与电驱动井下工具之间的蓄电装置。

在一些实施例中，涡流管构造为逆转流动式涡流管(counter-flow vortextube)，第一出口和第二出口设置在该逆转流动式涡流管的细长中空体的纵向相反两侧上。

根据本发明的另一方面，用于在延伸穿过地下地层的井筒内获取能量的发电系统包括：温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及涡流管，其与温差发电机可操作地联接，以对温差发电机施加温差。涡流管包括：细长中空体；入口，其可操作地与地下地层流体连通，并且可操作地沿着细长中空体的径向靠外区域产生采出液的旋流(swirling flow)；第一出口，其设置在细长中空体的径向靠外区域，并且可操作地排出采出液的旋流的第一部分；限流器(restrictor)，其可操作地将采出液的旋流的第二部分从细长中空体的径向靠外区域改向到细长中空体的径向靠内区域；以及第二出口，其设置在细长中空体的径向靠内区域，并且可操作地排出采出液的旋流的第二部分。第一出口与温差发电机的高温输入部可操作地联接，并且第二出口与温差发电机的低温输入部可操作地联接。

在一些实施例中，涡流管设置在下述环形区域内：该环形区域限定在地下地层与延伸穿过地下地层的生产油管之间。在一些实施例中，该环形区域限定在围绕生产油管延伸且与地下地层的环壁接合的两个纵向隔开的隔离部件之间。在一些实施例中，在涡流管的入口与限定在生产油管中的孔之间存在约300psi的压差，并且孔与涡流管的第一出口和第二出口流体连通。在一些实施例中，在限定在生产油管中的孔处设置有流入控制阀，孔与涡流管的第一出口和第二出口流体连通，并且流入控制阀与温差发电机电联接，以接收来自温差发电机的电力。

在一些实施例中，发电系统还包括分别与涡流管的第一出口和第二出口热连通的第一热电偶和第二热电偶，其中，涡流管的第一出口和第二出口分别经由第一热电偶和第二热电偶与温差发电机的高温输入部和低温输入部可操作地联接。在一些实施例中，限流器能够相对于细长中空体移动，从而能够调节限定了涡流管的第一出口的环形孔的尺寸。在一些实施例中，涡流管的入口与被限定为贯穿下述套管的穿孔流体连通：该套管围绕生产油管而设置。

根据本发明的另一方面，用于在延伸穿过地下地层的井筒内产生电力的方法包括：(i)从地下地层开采出采出液，并使采出液进入到井筒中；(ii)使采出液通过涡流管，以在涡流管的第一出口与第二出口之间产生温差；以及(iii)将温差转化为电压。

在一些实施例中，该方法还包括将电力从温差发电机传送到井下工具，该温差发电机与涡流管可操作地联接，用以将温差转化为电压。在一些实施例中，该方法还包括操作井下工具，以选择性地使采出液通过限定在延伸穿过地下地层的生产油管中的孔。

附图说明

为了实现以及能够具体理解本发明的上述特征、方案和优点以及变得显然的其他特征、方案和优点，下面参考在附图中图示说明的本发明的实施例对上文简要概述的本发明做更具体的描述，附图构成本说明书的一部分。然而，值得注意的是，附图仅图示了本发明的优选实施例，因此，不应视为是对本发明范围的限制，因为本发明可容许有其他同等有效的实施例。

图1是根据本发明实施例的延伸穿过多个开采区且内部具有发电系统的井筒的示意性剖视图。

图2是图1的发电系统的放大示意性剖视图，其中示出了延伸穿过安装在生产油管外部的涡流管的流体流动路径。

图3是用于在本发明可选实施例中使用的涡流管的示意性剖视图。

图4是示出根据本发明的操作过程的示例性实施例的流程图。

具体实施方式

在图1中以侧剖视图示出的是井筒100的一个示例性实施例，井筒100延伸穿过限定在地下地层104中的三个开采区102a、102b和102c。开采区102a、102b和102c包含通过井筒100开采的石油或其他含流体的烃。本领域技术人员应认识到的是，尽管井筒100在本文中被描述为用于从地下地层104抽提流体，但在其他实施例(未示出)中，例如，在为进行烃类抽提而执行的压裂操作中，井筒100配置为允许将流体注入到地下地层104中。

井筒100包括基本竖直部108以及与开采区102a、102b和102c相交的基本水平部106。在其他实施例(未示出)中，井筒100的取向是基本上完全竖直的或偏斜但未达到水平的。在图1所示的示例性实施例中，侧分支110a、110b和110c从基本水平部106延伸到相应开采区102a、102b、102c中，并且有助于从开采区102a、102b、102c中收集含流体的烃。在其他实施例(未示出)中，没有设置侧分支。基本竖直部108延伸到地面位置112，操作者可访问该地面位置112，以便监测和控制安装在井筒100内的设备。如图1所示，地面位置112是陆地位置，而在其它可选实施例(未示出)中，地面位置112是海底位置。

生产油管122从地面位置112延伸穿过井筒100的基本水平部106。生产油管122包括限定在其中的孔124，孔124实现了使流体在生产油管122的内部与外部之间流动的通道。经由孔124进入的流体通过生产油管122被传送到地面位置112，在地面位置122上，地面流动管路134将生产油管122与贮存器136联接在一起，以便收集从地下地层104获得的流体。套管142设置成围绕生产油管122，从而在套管142与生产油管122之间限定了环形区域144a、144b和144c。在套管142中设置有穿孔146或其它开口，以允许流体从相应开采区102a、102b、102c流动到环形区域144a、144b和144c中。

在本示例性实施例中，设置有隔离部件132，隔离部件132可操作地将环形区域144a、144b和144c彼此流体隔离。隔离部件132构造为围绕生产油管122的外部延伸且与地下地层104的环壁接合的膨胀式封隔器。隔离部件132用于在井筒100内将开采区102a、102b和102c彼此隔开，使得源自开采区102a、102b和102c中的一者的流体流动到相应的环形区域144a、144b、144c中。

在井筒100中设置有用于在控制采出液从环形区域144a、144b、144c流入到生产油管122中的同时发电的发电系统150。发电系统150通常包括涡流管152、温差发电机154、蓄电装置156和电驱动井下工具，电驱动井下工具包括流量传感器160、162和构造成用于调节流体在生产油管122与环形区域144b之间的流动的流入控制阀164。如下面更详细描述的，采出液经由涡流管152的流动与在涡流管152内形成的温差相关联。该温差被用于驱动温差发电机156，继而由温差发电机156产生电流。电流被直接输送到诸如流量传感器162等电驱动井下工具，或被输送到蓄电装置156，由蓄电装置156向诸如流量传感器160和流入控制阀164等电驱动井下工具提供电力。流入控制阀164构造为带有门、球或用于选择性地且可调节地允许或限制流体流动穿过限定在生产油管122中的孔124的其他电驱动闭合部件的任意类型的阀。本领域技术人员应认识到的是，发电系统150还用于向诸如电动机、螺线管、泵等其他电驱动井下工具(未示出)和/或地面设备(未示出)提供电力。

另外，涡流管152还用于相对于采出液从环形区域144a、144c到生产油管122的流动，增大采出液从环形区域144b到生产油管122的流动的阻力。在一些实施例中，流动阻力的这种增大用于平衡或以其他方式控制流体从开采区102a、102b和102c的相对流入。

现在参考图2，将更详细地描述发电系统150。涡流管152包括带有入口170的细长中空体168，入口170与套管142中的穿孔146流体连通。入口170被布置为产生穿过入口170进入涡流管152的流体的旋流。如本领域所公知，可以设想采用弯曲壁、螺旋突起或其他特征来产生旋流。在细长中空体168的与入口170相反的纵向端部限定有第一出口172，并且在第一出口172内设置有限流器174。在图2所示的实施例中，限流器174为相对于细长中空体168能够纵向移动的锥形阀的形式，使得设置在细长中空体168的径向靠外区域178a的环形孔176的尺寸是可变的或可调的。在其他实施例(未示出)中，限流器174相对于细长中空体168是静止不动的，从而环形孔176是固定的。在细长中空体168的与入口170相邻的纵向端部处限定有第二出口180。第二出口180设置在细长中空体168的径向靠内区域178b。涡流管152构造为带有设置在细长中空体168的纵向相反两侧的第一出口172、第二出口180的“逆转流动式”涡流管。但也可以设想诸如“单向流动式”涡流管(参见图3，其中第一出口和第二出口设置在细长中空体的相同纵向侧)等其它构造。

在第一出口172附近，第一热电偶182与细长中空体168联接，并且在第二出口180附近，第二热电偶184与细长中空体168联接。热电偶182、184与温差发电机154可操作地联接，使得温差发电机154将限定在热电偶182、184之间温差转化为电压。第一热电偶182与温差发电机154的高温输入部154a可操作地相关联，并且第二热电偶154b与温差发电机154的低温输入部154b可操作地相关联。温差发电机154与蓄电装置156电联接，蓄电装置156在示例性实施例中为充电电池。蓄电装置156可操作为保持温差发电机154所产生的电压，并且选择性地将电力分配至流入控制阀164和流量传感器160。在一些实施例(未示出)中，流量传感器162也与蓄电装置156联接而非与温差发电机154直接联接。

继续参考图2，在地下地层104中的开采区102b与延伸经过涡流管152的生产油管122之间限定有流动路径。在压力作用下从开采区102b开采出的采出液如箭头188a所示那样经由套管142中的穿孔146进入涡流管152的入口170。入口170构造为如箭头188b所示那样沿着细长中空体168的径向靠外区域178a产生采出液的旋流。如箭头188c所示那样，采出液的第一部分经由第一出口172排出。限流器174将采出液的第二部分从细长中空体168的径向靠外区域178a改向到径向靠内区域178b。采出液的第二部分的旋流如箭头188d所示那样横穿径向靠内区域178b并经由第二出口180排出。通过涡流管152内部的这种类型的旋流运动，能够观察到采出液中的径向温度分离(radial temperature separation)。经由第一出口172排出的采出液表现出具有比经由第二出口180排出的采出液的温度高的温度。

在采出液从涡流管152排出后，采出液如箭头188e所示那样流动穿过环形区域144b到达流入控制阀164。采出液穿过环形区域144b的流动被描述为基本不受约束的流动。在其他实施例(未示出)中，可以设置管道或通道来引导采出液穿过环形区域144b的流动。

选择性地允许采出液如箭头188f所示那样经由流入控制阀164进入生产油管122。在一些实施例中，在涡流管152的入口170与限定在生产油管122中的孔124之间存在约300psi的压差。该压差至少部分是由于涡流管152对采出液施加的摩擦力所造成的。该摩擦力部分取决于涡流管的长度和直径以及入口170、第一出口172和第二出口180的尺寸和构造。在一些实施例中，该压差有助于相对于采出液从环形区域144a、144c到生产油管122的流动，平衡或调节采出液从环形区域144b到生产油管122的流动。以这种方式，涡流管152用作被动式流入控制装置。

现在参考图3，其中示出了根据本发明可选实施例的涡流管200。涡流管200包括带有入口204的细长中空体202，入口204设置为产生穿过入口204进入涡流管200的流体的旋流。在细长中空体202的与入口204相反的纵向端部处限定有第一出口208。在第一出口208内设置有限流器210，并且限流器210限定有穿过限流器210的第二出口212。第一出口208设置在细长中空体202的径向靠外区域218a，并且第二出口212设置在细长中空体202的径向靠内区域218b。流动穿过涡流管200的流体的径向温度分离使第一出口208表现出比第二出口212的温度高的温度。如此，第一热电偶182、第二热电偶184分别与第一出口208和第二出口212可操作地联接，并且分别与温差发电机154的高温输入部154a、低温输入部154b可操作地联接，以便将温差施加到温差发电机154。

涡流管200的构造被描述为带有设置在细长中空体202的同一纵向侧的第一出口208和第二出口212的“单向流动式”涡流管。在单向流动式涡流管中观察到的温度分离一般不如在逆转流动式涡流管中观察到的温度分离那样明显。诸如涡流管200等单向流动式涡流管在被放置在围绕生产油管122的有限环形空间(图2)中时能够表现出某些优点。例如，在一些实施例中，设置在细长中空体202的同一纵向侧的第一出口208和第二出口212允许采用更大直径的细长中空体202，因为流体无需以如上文参考箭头188e(图2)所述的方式沿涡流管200的外侧流动。

现在参考图4，对用于发电系统150(参见图1和图2)的操作过程300进行描述。从开采区102b开采出采出液，使得采出液进入井筒100(步骤302)。然后，使采出液穿过涡流管152，以在第一出口172与第二出口180之间产生温差(步骤304)。通过温差发电机154、第一热电偶182和第二热电偶184将温差转化为电压(步骤306)。将电力从温差发电机154传送到诸如流入控制阀164等井下工具(步骤308)。在一些实施例中，电力在被传送到流入控制阀164之前临时储存在蓄电装置156中。操作流入控制阀164(步骤310)，从而利用传送到流入控制阀164的电力来使采出液选择性地穿过限定在生产油管122中的孔124。这样，发电系统150通过在井筒100的井下段(其通常是等温的)中产生温差来获取储存在采出液中的能量，并且利用所获取的能量驱动井下工具。

因此，本文所描述的本发明非常适合于实现上述目标以及实现所提及的目的、优点以及本发明所具有的其他目标。虽然出于公开的目的给出了本发明的当前优选的实施例，但为了实现期望结果，步骤细节上可以存在多方面改变。这些以及其他相似的变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且应被包含在本文披露的本发明的主旨和随附权利要求书的范围之内。

Claims (16)

1.一种用于在形成于地下地层中的井筒内产生电力的发电系统，所述发电系统包括：

加压流体源，其中，所述加压流体源是地下地层的开采区，所述地下地层的开采区包括含流体的烃，其中所述加压流体是在压力作用下从所述开采区开采出的采出液；

温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及

涡流管，其与所述温差发电机可操作地联接，以对所述温差发电机施加所述温差，所述涡流管包括：

细长中空体；

入口，其与所述加压流体源流体连通，其中，所述涡流管的所述入口可操作地与所述地下地层流体连通，所述涡流管的所述入口经由套管的穿孔与所述地下地层流体连通，所述套管围绕生产油管；

第一出口，其与所述细长中空体的径向靠外区域热连通，所述第一出口与所述温差发电机的高温输入部可操作地相关联；以及

第二出口，其与所述细长中空体的径向靠内区域热连通，所述第二出口与所述温差发电机的低温输入部可操作地相关联。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述涡流管的所述第一出口和所述第二出口与生产油管可操作地流体连通，使得限定在所述地下地层与所述生产油管之间的流动路径延伸经过所述涡流管。

3.根据权利要求1所述的发电系统，还包括与所述温差发电机电连通的电驱动井下工具，其中，所述电驱动井下工具可操作为选择性地接收由所述温差发电机产生的电力。

4.根据权利要求3所述的发电系统，其中，所述电驱动井下工具是流入控制阀，所述流入控制阀构造为用于调节流体在延伸穿过所述地下地层的生产油管的内部与外部之间的流动。

5.根据权利要求3所述的发电系统，还包括电联接在所述温差发电机与所述电驱动井下工具之间的蓄电装置。

6.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述涡流管构造为逆转流动式涡流管，并且所述第一出口和所述第二出口设置在所述细长中空体的纵向相反两侧上。

7.一种用于在延伸穿过地下地层的井筒内获取能量的发电系统，所述发电系统包括：

温差发电机，其可操作地响应于被施加的温差而产生电压；以及

涡流管，其与所述温差发电机可操作地联接，以对所述温差发电机施加所述温差，所述涡流管包括：

细长中空体；

入口，其可操作地与所述地下地层流体连通，并且可操作地沿着所述细长中空体的径向靠外区域产生采出液的旋流，其中，所述涡流管的所述入口与被限定为贯穿围绕生产油管而设置的套管的穿孔流体连通；

第一出口，其设置在所述细长中空体的所述径向靠外区域中，并且可操作地排出所述采出液的旋流的第一部分，所述第一出口与所述温差发电机的高温输入部可操作地联接；

限流器，其可操作地将所述采出液的旋流的第二部分从所述细长中空体的所述径向靠外区域改向到所述细长中空体的径向靠内区域；以及

第二出口，其设置在所述细长中空体的所述径向靠内区域中，并且可操作地排出所述采出液的所述旋流的第二部分，所述第二出口与所述温差发电机的低温输入部可操作地联接。

8.根据权利要求7所述的发电系统，其中，所述涡流管设置在限定在所述地下地层与延伸穿过所述地下地层的生产油管之间的环形区域内。

9.根据权利要求8所述的发电系统，其中，所述环形区域限定在围绕所述生产油管延伸且与地下地层的环壁接合的两个纵向隔开的隔离部件之间。

10.根据权利要求9所述的发电系统，其中，在所述涡流管的入口与限定在所述生产油管中的孔之间存在约300psi的压差，并且所述孔与所述涡流管的所述第一出口和所述第二出口流体连通。

11.根据权利要求9所述的发电系统，其中，在限定在所述生产油管中的孔处设置有流入控制阀，所述孔与所述涡流管的所述第一出口和所述第二出口流体连通，并且所述流入控制阀与所述温差发电机电联接以接收来自所述温差发电机的电力。

12.根据权利要求7所述的发电系统，还包括分别与所述涡流管的所述第一出口和所述第二出口热连通的第一热电偶和第二热电偶，其中，所述涡流管的所述第一出口和所述第二出口分别经由所述第一热电偶和所述第二热电偶与所述温差发电机的所述高温输入部和所述低温输入部可操作地联接。

13.根据权利要求7所述的发电系统，其中，所述限流器能够相对于细长中空体移动，从而能够调节限定了所述涡流管的所述第一出口的环形孔的尺寸。

14.一种在延伸穿过地下地层的井筒内产生电力的方法，所述方法包括：

(i)从所述地下地层开采出采出液，并使所述采出液进入到所述井筒中；

(ii)使所述采出液通过涡流管，以在所述涡流管的第一出口与第二出口之间产生温差，其中，所述涡流管的入口与被限定为贯穿围绕生产油管而设置的套管的穿孔流体连通；以及

(iii)将所述温差转化为电压。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将电力从温差发电机传送到井下工具，所述温差发电机与所述涡流管可操作地联接，用以将所述温差转化为所述电压。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括操作所述井下工具，以选择性地使所述采出液通过限定在延伸穿过所述地下地层的生产油管中的孔。