CN109415934A - 用于水平井中的聚合物注入的交替螺旋流控制装置 - Google Patents

Abstract

流动控制装置包括一个或多个堆叠的螺旋路径，其中入口到螺旋物的端部的形状在一侧或多侧上具有锥形物，以逐渐增加聚合物速度以消除流进入所述螺旋路径时的快速加速点。入口与其锥形物可以被弯曲来进入所述螺旋物。可以切向地或径向地或轴向地进入所述螺旋物。

Description

用于水平井中的聚合物注入的交替螺旋流控制装置

发明领域

本发明领域是平衡流动的流动控制装置，并且更特别地是被配置成最小化不利地影响注入聚合物的粘度的剪切效应的装置。

发明背景

诸如油气的烃使用在地层中钻出的井或井筒来从地下地层开采。在一些情况下，井筒通过以下方式来完井：沿着井筒长度放置套管并且对邻近每个生产区(含烃区)的套管进行射孔以从这种生产区提取流体(诸如油气)。在其他情况下，井筒可以是无套管钻孔。一个或多个流动控制装置被放置在井筒中以控制流体到井筒中的流动。这些流动控制装置和生产区通常通过在其间安装封隔器来彼此隔开。从每个生产区进入井筒的流体被抽吸到延伸到表面的管道中。希望沿着生产区具有基本上均匀的流体流动。不均匀的排放可能会导致不希望的状况，诸如气锥或水锥的侵袭。例如，在产油井的情况下，气锥可能会引起气体流入到井筒中，这会明显减少油生产。以类似的方式，水锥可能会引起水流入到产油流中，这会降低所生产的油的量和品质。

在生产区中往往会钻出偏斜或水平井筒来从中提取流体。若干流入控制装置沿着这种井筒间隔开地放置以排放地层流体或将流体注入到地层中。地层流体通常包含油层、处于油之下的水层和处于油之上的气层。对于生产井，水平井筒通常放置在水层上方。油、水和气的边界层沿着水平井的整个长度可能不是均匀的。此外，地层的诸如孔隙率和渗透性的某些性质沿着井长度可能是不相同的。因此，地层与井筒之间的流体可能不会均匀地流过流入控制装置。对于生产井，希望具有生产流体到井筒中的相对均匀的流动并且还希望抑制水和气体流过每个流入控制装置。已使用有源流动控制装置来控制从地层进入井筒的流体。这类装置相对昂贵并且包括活动件，所述活动件需要维护并且在井筒的寿命之内可能不是非常可靠。能够限制水和气体流入到井筒中的无源流入控制装置(“ICD”)因此是令人希望的。

使用用于注入和生产的水平井来帮助最大化波及系数和经济采收率；对于海洋环境中的粘性油的开采来说尤其如此。在常规开采操作中很容易使用流动控制装置(FCD)来控制沿着井的流动，从而带来提高的采收率。已经很好地证明了聚合物驱油和FCD的益处，但是还没有完全实现两种技术的组合。FCD未被用于聚合物注入应用中的原因要归因于穿过装置的聚合物的严重劣化。

尤其是对于较高生产率、成熟且较稠的储油层来说，聚合物驱油作为提高采油率(EOR)选项具有巨大潜力。所述技术简单地使注入水稠化，以便提高驱油的效率，从而实现改进的波及系数。以一种方式设计聚合物，所述方式确保在已被视为对于油田来说最佳的注入策略中工作时与纯水注入相比较，油相具有更有利的流度比。因此，聚合物驱油策略的有效性高度取决于聚合物的粘度。

由聚合物增强的采油已被用作水驱的替代方案来实现更好的波及系数；所述由聚合物增强的采油通过使水稠化以便获得对于油来说有利的流度比来起作用，因此维持聚合物的粘度对于聚合物的成功来说是必不可少的。然而，随着聚合物粘度增加，摩擦效应也会增加，这在长的水平井筒中变得更为严重。取决于储层品质，可能会出现明显的跟部带动趾部效应，因此明显的注入通量会出现在跟部和其他较高储层品质或低压环境中，而不是水平井筒的整个长度上。因此，这会影响采收率。流动控制装置和阀可以用于平衡沿着井筒的注入通量，从而提高采收率。然而，大多数流动控制系统的问题是它们会剪切聚合物，从而影响聚合物粘度。然而，本发明说明了一种特定设计，所述特定设计可以被实施来明显最小化对聚合物的不想要的剪切，同时仍然提供沿着井筒的注入通量的均衡。

从经济学角度来看，重要的是，为了实现对于最优波及系数来说所需的聚合物粘度，完井策略不能不利地影响聚合物品质，从而导致聚合物用量的增加。因此，会出现以下问题：当考虑到用于喷注器的完井策略应消除可能会引起对聚合物的过度剪切的潜在节点时是否应该利用流动控制装置(FCD)？虽然在本行业中已经被很好地理解的是，FCD的实施会带来较高的采收率并且会延迟不想要的流体突破，但是不太理解的是对聚合物喷注器的影响。

在US 8403038中描述了并在图1和图2中以一些细节示出了用于生产应用的流入控制装置。这些图使用速度分布来说明当用于聚合物注入时会引起问题的限制点，其中过度剪切会改变聚合物粘度并且会改变从注入实现所需的生产增强结果所需的流速。有关流入控制装置的其他技术是US 2009/0205834、US 7,942,206和US 8925633。

图1和图2示出了US 8403038中描述并被设计成根据穿过其中进行生产的流体的粘度来不同地表现的流入控制装置的两个旋转视图。所述流入控制装置的特征为入口10，所述入口10通向隔开的入口通道12和14，所述隔开的入口通道12和14继续进入z字形流动区16，同时一开始在箭头18的方向上轴向地移动。在20处发生方向改变，并且在流体现在箭头22的方向上行进穿过直的过渡通道24时继续z字形运动。如可见于图2，在通道24之后，在箭头18的方向上以z字形方式继续流动以在出口26处排出。通常，在周向方向上顺时针移动之后，例如，流通过小的过渡通道30以在逆时针方向上继续沿周向流动。过渡通道偏离邻近的过渡通道30以诱导z字形流动型态，以便为流入控制获得所需的压降。流动实验已显示在入口通道12和14处以及在过渡通道30处或刚好越过所述过渡通道30处存在高速度。虽然图1和图2示出了利用过渡通道24在箭头18的方向上实现的单一z字形运动，但是设计可以具有多个这种大体轴向定向的流动布置以为预定流速获得所需压降。使用这种装置或图3所示的替代装置的问题是存在会引起流体剪切的高速区域，以至于如果在注入应用中通过这类装置使用聚合物来平衡流动，则结果将会是不利地影响聚合物的粘度的过度剪切。重要的是，确保能维持聚合物浓度的大小，并且所述装置能够有效地为聚合物相注入平衡流动，同时还为一起注入或在不同时间注入的不同的注入流体相(即，纯水、蒸汽等)平衡流动。已经认识到，为了通过流动平衡装置有效地注入聚合物，关键的设计参数是减少会引起不利地影响正注入的聚合物的粘度的剪切的高速区。

图3是另一种已知的流入控制装置，其特征为流入口40，所述流入口40通向入口通道42，之后是通向出口44的螺旋流动型态。入口通道42处的速度会对聚合物产生将不利地影响所述聚合物的粘度的剪切效应。

本发明需要并提供一种用于聚合物注入操作的流动分布装置，所述流动分布装置具有减少对聚合物的剪切效应以最小化对所述聚合物的粘度的不利影响的配置。达到这一目的的某种方式是流动路径的宽的周向入口，所述流动路径周向地定向，同时提供z字形流动型态，所述z字形流动型态使用大的过渡通道来获得z字形流动效应，所述z字形流动效应是由z字形流的周向定向实现的设计特征。另一种方式是将聚合物引入到一个或多个堆叠的螺旋路径，其中螺旋物的入口是锥形物，所述锥形物逐渐地增加聚合物速度并且消除逼近螺旋物的入口的快速加速。在审阅了优选实施方案的详细描述和相关联的附图之后，本领域技术人员将更容易清楚明白所述装置和使用所述装置的聚合物注入方法的这些和其他方面，同时认识到本发明的全部范围可参见随附权利要求。

发明内容

流动平衡装置有助于以最小化对注入聚合物的剪切效应的方式进行水平地层中的聚合物注入。所述装置的特征使用宽的周向定向的入口增压室来降低速度，所述入口增压室通向具有z字形流体运动的周向定向的路径，所述周向定向的路径的特征在于宽通道，所述宽通道限定z字形型态，以便在这类过渡位置处降低速度。由于路径周向地定向，因此独立于壳体直径，存在用于宽的过渡通道的空间。宽的月牙形形状的入口增压室还降低入口速度以保留注入聚合物的粘度。可以注入其他材料，或可以将所述装置采用于生产服务以及注入中。相关方法采用所描述的装置来进行注入。

在另一个实施方案中，流动控制装置包括一个或多个堆叠的螺旋路径，其中入口到螺旋物的端部的形状在一侧或多侧上具有锥形物，以逐渐地增加聚合物速度并且消除流进入螺旋路径时的快速加速。入口与其锥形物可以被弯曲来进入螺旋物。可以切向地或径向地或轴向地进入螺旋物。

附图说明

图1是来自第一定向的示出进入流的现有技术装置的示意图；

图2是图1的略微旋转来示出流出流的视图；

图3是特征为螺旋流动路径的另一个现有技术流入控制装置；

图4示出了本发明中的入口和通向出口的周向流动路径的定向；

图5是图4的示出流的速度的视图；

图6是图4的示出来自流的壁剪力的视图；

图7是示出与图1至图3的设计相比较，本发明的相对较低的速度和壁剪力的性能曲线图；

图8示出了切向地和径向地定向的入口锥形物配置；并且

图9示出了跟踪限制路径的螺旋曲率的锥形入口。

具体实施方式

图4为了更清楚起见示出了不具有外壳的装置中的流动路径。入口60在相对端部62与64之间延伸，其间存在高度66，使得由箭头表示的入口流与限定入口60的月牙形形状的开口或槽对准。从该处，流如由箭头72所示轴向地进入通道70中，然后如由箭头76所示周向地转入通道74中。过渡通道78在轴向和周向上偏离通道74以诱导z字形流动型态，所述z字形流动型态在流周向地前进时随着所述流轴向地来回移动而重复，直到到达通道82以移动到轴向路径84中以便继续前往出口86为止，所述出口86具有入口60的相同的月牙形形状并且导致由箭头88所示的流轴向地从出口86离开，以最小化宽出口的流出速度并且使用自出口86离开的如由箭头88所示的轴向流来消除转弯。

变化是预期的，诸如当流离开通道82并进入通道84以进行轴向流动时，可以进入另一个周向z字形阵列，或可以具有小于初始周向通路的直径的卷形物继续路径。还可设想多于两个圆形路径。每个轴向路径的长度可以变化。已知的是诸如70的轴向路径，所述轴向路径在入口60与出口86之间延伸大约一半的路径，其中每个轴向路径的长度相等。这可以发生变化，使得轴向路径可以比所示延伸得更远或更近到达所述轴向路径延伸入口60与出口86之间的全部距离的点。给定圆形路径中的轴向路径可以具有不同或相同的长度。轴向通路之间的交叉通道，诸如74、76和82可以具有相同截面积或不同截面积。这类开口的形状优选地是矩形的，但是也可以是方形、圆形或促进其中的平稳流动以减少来自高速区的剪切效应的另一种形状。轴向通路之间的交叉通道，诸如74、76和82的开口形状可以是相同或不同的。由于流动区是周向的，因此独立于在图4的结构周围的未被示出的壳体，总是存在延伸诸如74的通道的长度的空间。

可以使用的周向路径可以轴向地堆叠并且具有相同直径。轴向地堆叠的多个路径中的流动可以是串行或并行的。周向路径的直径可以是相同或不同的。多个周向路径还可以在轴向上部分或完全嵌套，这意味着所述周向路径将具有不同的直径并且可以具有串流或并行流。并行流涉及多个入口和出口，所述多个入口和出口可以被配置成利用允许嵌套的不同直径完全或部分地以圆形阵列并排地或轴向地嵌套。入口开口66可以具有入口扩张部，诸如锥形物或圆边，以减少湍流以及所得的会起源于这种湍流的流体剪切。

图5和图6分别示出了图4所示的装置中的速度和壁剪力。图7是曲线图，其中顶部的线表示图3装置的性能，并且中间的线表示图1和图2装置的性能。图4所示的本发明以最底部的线示出了其性能，从而表明对于给定流速，峰值速度是较低的，这导致低于图1至图3的已知设计的壁剪力。

图4装置可以用于注入方法中以在最小化对聚合物的剪切效应的同时平衡流动，或用于注入其他材料或甚至用于对地层进行生产。

现参考图8，包括线圈100和102的双叠层螺旋形状具有相应的入口形状104和106。入口104具有相对侧108和110，其中至少一个朝向另一个成锥形，使得112处的截面积大于线圈100入口处的位置114处的截面积。因此，从112流动到线圈100中的注入聚合物的速度逐渐地增加，并且消除了如在图3可见的替代设计中在入口42处观察到的快速加速点。壁的锥度在某种程度上取决于可用空间，但是30度或更小的锥角是预期的。在入口的长度上的截面积差可以多达50％，并且入口的长度可以长达相关联的盘绕路径的一半轴向长度。如针对入口104所示，在入口106被示出为径向入口时，进入方向是切向的。出口116和118以更轴向的定向示出，并且所示的入口104和106可以可选地以与所示的出口一样定向在更轴向的定向上，从而将所述入口置于纵向轴线的约30度之内。虽然示出了两个堆叠的线圈，但是可以使用一个或多于两个的线圈。入口的锥形物逐渐地增加注入聚合物的速度以控制会不利地影响聚合物的物理性质和所需注入速率的对所述聚合物的剪切的量以从地层获得最优生产效益。

图9示出了在其转变为切向地进入盘绕区段124时截面积122逐渐地减小的轴向定向的连接部120。在此处，截面是圆的，并且在其被盘绕来切向地进入线圈124的同时直径减小，这还减少了对正被泵运穿过其中的聚合物的剪切效应。出口可以具有相同的锥形特征，但是具有随着流离开线圈124而增大的直径。就像在图8的版本中那样，入口定向可以是轴向或径向的，并且入口截面也可以是四边形或逐渐增量地过渡到较小尺寸，以便最小化对从中流过的泵入聚合物的剪切效应的某种其他形状。

以上描述说明了优选实施方案并且在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以作出许多修改，本发明的范围由以上权利要求的字面和等效范围决定。

Claims (20)

1.一种用于钻孔用途的流动控制组件，所述流动控制组件包括：

至少一个壳体，所述至少一个壳体具有适于连接到管柱的相对端部连接；其特征在于

至少一个盘绕路径(102)，所述至少一个盘绕路径(102)具有至少一个入口(104、106)和至少一个出口(116、118)并且安置在所述壳体中，所述入口(104、106)和所述出口(116、118)与所述管柱中的压力连通，所述入口(104、106)在流体移动到所述入口(104、106)中的方向上包括截面积(108、110)的减小。

2.如权利要求1所述的组件，其中：

所述入口(104、106)包括用于实现所述截面积的减小的至少一个锥形平直侧(108、110)。

3.如权利要求1所述的组件，其中：

所述入口(104、106)切向地进入所述盘绕(102)路径。

4.如权利要求1所述的组件，其中：

所述入口(104、106)径向地进入所述盘绕路径(102)。

5.如权利要求1所述的组件，其中：

所述入口(104、106)轴向地进入所述盘绕路径(102)。

6.如权利要求1所述的组件，其中：

所述至少一个盘绕路径(102)包括多个嵌套的盘绕路径。

7.如权利要求1所述的组件，其中：

所述入口(104、106)逐渐减小到较小尺寸并且被盘绕，使得所述入口(104、106)的端部与所述盘绕路径(102)的相对端部轴向地对准。

8.一种用于钻孔用途的流动控制组件，所述流动控制组件包括：

至少一个壳体，所述至少一个壳体具有适于连接到管柱的相对端部连接；其特征在于

至少一个曲折路径，所述至少一个曲折路径包括用于穿过所述壳体的流动的相对入口(60)和出口(86)，所述路径以z字形型态(72、76、80)基本上围绕所述壳体的内壁沿周向延伸，所述z字形型态(72、76、80)基本上通过与周向定向的连接路径(74)连接的轴向定向的区段(70)来形成。

9.如权利要求8所述的组件，其中：

邻近的周向定向的连接路径(74)轴向地偏移以限定所述z字形型态(72、76、80)。

10.如权利要求8所述的组件，其中：

所述入口(60)由所述轴向定向的区段(70)连接作为所述曲折路径的入口。

11.如权利要求8所述的组件，其中：

所述入口(60)包括弯曲槽(66)。

12.如权利要求11所述的组件，其中：

所述槽宽于所述轴向定向的区段(70)。

13.如权利要求11所述的组件，其中：

所述弯曲槽具有入口扩张部或圆边。

14.如权利要求11所述的组件，其中：

所述出口(86)包括弯曲槽。

15.如权利要求14所述的组件，其中：

所述槽宽于所述轴向定向的区段。

16.如权利要求14所述的组件，其中：

所述弯曲槽具有入口扩张部或圆边。

17.如权利要求8所述的组件，其中：

所述曲折路径限定具有可变直径的卷形形状。

18.如权利要求8所述的组件，其中：

所述轴向定向的区段(70)具有四边形形状。

19.如权利要求8所述的组件，其中：

所述周向定向的连接路径(74)具有四边形或圆形形状。

20.如权利要求8所述的组件，其中：

所述至少一个曲折路径沿周向延伸至少两圈。