CN109973050B - 差压开关操作的井下流体流动控制系统 - Google Patents

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Abstract

井下流体流动控制系统包括流体控制模块，该流体控制模块具有上游侧、下游侧和主流体路径，主流体路径与感应路径平行，主流体路径和感应路径均在上游侧和下游侧之间延伸。布置在主流体路径内的阀元件具有打开位置和关闭位置。包括粘度敏感通道的粘度鉴别器形成感应路径的至少一部分。用于打开和关闭阀元件的差压开关包括来自上游侧的第一压力信号、来自下游侧的第二压力信号和来自感应路径的第三压力信号。第三信号的大小取决于流过感应路径的流体的粘度，使得流体的粘度操作差压开关，从而控制流过主流体路径的流体。

Description

差压开关操作的井下流体流动控制系统
技术领域
本公开总体上涉及与井下生产和注入中实施的操作连同使用的设备，尤其涉及一种响应于基于粘度的差压开关而进行操作的井下流体流动控制系统和方法。
背景技术
在穿过含烃地下岩层完成井的过程中，生产油管和各种完井设备安装在井中，以便确保安全和有效地生产地层流体。例如，为了控制生产流体进入生产管道的流速，通常的做法是在管柱内安装来流流动控制系统，管柱包括一个或多个流入控制装置，例如流管、喷嘴、辅助通道或其他曲折路径装置。通常，基于设计，流经这些流入控制装置的生产流量在安装之前是固定的。
然而，已经发现，由于地层压力的变化和地层流体成分在井的流速的变化，可能需要调整流入控制装置的流量控制特性，特别是，可能需要在不需要修井的情况下调整流量控制特性。此外，对于特定的完井，如水平生产段很长的水平完井设备，可能需要独立地控制生产流体流入每个生产段。
已尝试通过使用自主流入控制装置来实现这些结果。例如，特定自主流入控制装置包括一个或多个阀元件，其响应于期望流体(如油)的流动而完全打开，但响应于不期望流体的流体(如水或气体)的流动而限制生产。然而，已经发现，结合当前自主流入控制装置的系统受到下列限制中的一个或多个：偏压装置的疲劳失效；复杂部件或复杂结构的失效；对微小流体性质差异(如轻质油粘度对水粘度)的敏感性缺乏；和/或由于为了进行操作而需要大量流体或需要流过主流动通道的流体而不能高度限制或关闭不需要的流体流动。
因此，需要一种井下流体流动控制系统，该系统可操作以独立地控制来自多个生产段的生产流体的流入，而无需由于特定生产段中产生的流体的组分随时间改变而进行修井。此外，对于这样的井下流体流动控制系统，需要具有响应于微小流体性质差异而操作的灵敏度。此外，对于这样的井下流体流动控制系统，需要可操作地限制或切断通过主流通道产生的不必要的流体流动。
发明内容
在第一方面，本公开涉及井下流体流动控制系统包括流体控制模块，该流体控制模块具有上游侧、下游侧和主流体路径，主流体路径与感应路径平行，主流体路径和感应路径均在上游侧和下游侧之间延伸。布置在主流体路径内的阀元件具有打开位置和关闭位置。包括粘度敏感通道的粘度鉴别器形成感应路径的至少一部分。用于打开和关闭阀元件的差压开关包括来自上游侧的第一压力信号、来自下游侧的第二压力信号和来自感应路径的第三压力信号。第三信号的大小取决于流过感应路径的流体的粘度，使得流体的粘度操作差压开关，从而控制流过主流体路径的流体。
在一些实施例中，阀元件可具有第一、第二和第三区域，使得第一压力信号作用在第一区域上，第二压力信号作用在第二区域上，第三压力信号作用在第三区域上。在这样的实施例中，差压开关响应于第一压力信号乘以第一区域加上第二压力信号乘以第二区域(P1A1+P2A2)与第三压力信号乘以第三区域(P3A3)之间的差而操作。在特定实施例中，粘度鉴别器可以是粘度鉴别盘。在这样的实施例中，主流体路径还可以包括穿过粘度鉴别盘的至少一个径向通道。此外，在这样的实施例中，粘度敏感通道还可以包括粘度鉴别器的曲折路径，例如形成在粘度鉴别器的表面上的曲折路径或者穿过粘度鉴别器形成的曲折路径。在一些实施例中，曲折路径还可以包括至少一个圆周路径和/或至少一个方向路径的反转。
在特定实施例中，第三压力信号可以来自粘度敏感通道下游的位置，第三压力信号可以是总压力信号。在其他实施例中，第三压力信号可以来自粘度敏感通道的上游位置，第三压力信号可以是静态压力信号。在一些实施例中，第三压力信号的大小随着流过感应路径的流体的粘度降低而增加。在特定实施例中，由期望流体的流入产生的第三压力信号的大小可以将阀元件切换到打开位置，并且由不期望的流体的流入产生的第三压力信号的大小可以将阀元件切换到关闭位置。在一些实施例中，感应路径可包括流体二极管，该流体二极管具有对位于粘度敏感通道和下游侧之间的流体流动的方向阻力。在这样的实施例中，流体二极管可以对沿着注入方向的流体流动提供的阻力大于对沿着流入方向的流体流动提供的阻力，使得由注入流体流动产生的第三压力信号的大小使阀元件切换到打开位置。在特定实施例中，当阀元件处于打开位置时，主流体路径和次流体通道之间的流体流速比可在约3比1和约10比1之间。在一些实施例中，感应路径还可以包括位于粘度敏感通道和下游侧之间的非粘度敏感通道。在这样的实施方案中，第三压力信号可以来自沿非粘度敏感通道的位置，例如非粘度敏感通道的上游位置、中游位置或下游位置。
在第二方面，本发明涉及一种流动控制筛管，其包括具有内部通道的基管，围绕基管定位的过滤介质以及位于过滤介质和内部通道之间的流体流动通道中的流体流动控制系统。流体流动控制系统包括流体控制模块，该流体控制模块具有上游侧、下游侧和与次流体通道平行的主流体路径，主流体路径和感应路径均在上游侧和下游侧之间延伸。阀元件设置在流体控制模块内。阀元件可在打开位置和关闭位置之间操作，在打开位置，允许流体流过主流体路径，在关闭位置，防止流体流过主流体路径。粘度鉴别器设置在流体控制模块内。粘度鉴别器具有形成感应路径的至少一部分的粘度敏感通道。差压开关可操作以使阀元件在打开和关闭位置之间切换。差压开关包括来自上游侧的第一压力信号、来自下游侧的第二压力信号和来自感应路径的第三压力信号。第一和第二压力信号使阀元件朝向打开位置偏压，而第三压力信号使阀元件朝向关闭位置偏压。第三压力信号的大小取决于流过感应路径的流体的粘度，使得差压开关响应于流体粘度的变化而操作，从而控制通过主流体路径的流体流动。
在第三方面，本公开涉及一种井下流体流动控制方法，包括将流体流动控制系统定位在井下目标位置，流体流动控制系统包括具有上游侧和下游的流体控制模块、粘度鉴别器和差压开关，流体控制模块包括平行的主流体路径和感应路径，主流体路径和感应路径均在上游侧和下游侧之间延伸，粘度鉴别器具有粘度敏感通道，粘度敏感通道形成感应路径的至少一部分；生产穿过流体控制模块从上游侧到下游侧的期望流体；响应于生产期望流体，通过将来自上游侧的第一压力信号施加给阀元件的第一区域、将来自下游侧的第二压力信号施加给阀元件的第二区域、以及将来自感应路径的第三压力信号施加给阀元件的第三区域而操作差压开关使阀元件切换到打开位置；生产穿过流体控制模块从下游侧到上游侧的不期望流体；以及响应于生产不期望流体，通过将第一压力信号施加给阀元件的第一区域、将第二压力信号施加给阀元件的第二区域、以及将第三压力信号施加给阀元件的第三区域而操作差压开关使阀元件切换到关闭位置；其中，第三压力信号的大小取决于流过次级流体通路的流体的粘度，使得流体的粘度操作差压开关，从而控制通过主流体通路的流体流动。
附图说明
为了更完整地理解本公开的特征和优点，现提供可供参考的详细描述以及附图，其中不同附图中的对应数字指代对应的部分：
图1是根据本公开实施例的多个流动控制筛管的井下操作系统示意图；
图2是根据本公开实施例的包括井下流体流动控制系统的流动控制筛管的俯视图；
图3A-图3D是根据本公开实施例的井下流体流动控制系统的各种视图；
图4A-图4B是根据本公开实施例的用于井下流体流动控制系统的上粘度鉴别板的俯视和仰视图；
图5A-图5B是根据本公开实施例的分别处于井下流体流动控制模块的打开位置和关闭位置的横截面视图；
图6A-图6C是根据本公开实施例的压力-距离曲线图，描绘了粘度敏感通道度流经其的流体的影响；
图7A-图7B是根据本公开实施例的井下流体流动控制模块的示意图；
图8A-图8B是根据本公开实施例的井下流体流动控制模块的示意图；
图9A-图9C是根据本公开实施例的井下流体流动控制模块的示意图；
图10A-图10C是根据本公开实施例的井下流体动动控制模块的示意图。
具体实施方式
虽然下面详细讨论了本公开的各种实施例的制作和使用，但是应当理解，本公开提供了许多可应用的发明概念，这些概念可以体现在各种特定的上下文中。此处讨论的具体实施例仅仅是说明性的，并不限定本公开的范围。为了清楚起见，在本公开中并非所有的实施例的特征被描述。当然，应该认识到，在开发任何这样的实施例时，必须遵从许多具体的执行决议，以实现开发人员的特定目标，例如遵从系统相关的和商业相关的约束，这些将对不同的实施者有所不同。
在说明书中，参考附图中描述的设备，可以对各个组件之间的空间关系和组件的各个方面的空间取向进行参考。然而，本领域技术人员在完整阅读本公开之后将认识到，这里所描述的设备、部件、装备等可以定位在任何期望的方向上。因此，使用术语“上面”、“下面”、“上部”、“下部”或其他类似术语来描述各组件之间的空间关系或描述这些组件的空间方位，应该被理解为描述组件之间的相对关系或这些组件方位的空间取向，因为这里所描述的设备可以在任何期望的方向上定位。如此公开中所使用的，“接合”一词可以包括任何形式的直接或间接接合，包括移动和/或非移动机械连接。
首先参考图1，其中描绘了包括定位在体现出本公开的原理的流动控制筛管中的多个井下流体流动控制系统的井系统，其示意性示出并且总体以标号10表示。在图示的实施例中，井筒12延伸穿过不同的地层。井筒12具有基本竖直的区段14，其上部已在其中粘合有套管柱16。井筒12还具有延伸穿过含烃地下地层20的基本水平的区段18。如图所示，井筒12的基本水平区段18为裸眼完井。
油管柱22位于井筒12内且从地面延伸。油管柱22提供地层流体从地层20到地面和/或注入流体从地面到地层20的通道。在其下端，油管柱22连接到完井管柱24，完井管柱已安装在井筒12中并将完井段划分为与地层20相邻的诸如生产段26a、26b的各个生产段。完井管柱24包括多个流动控制筛管28a、28b，各个流动控制筛管定位在如封隔器30所示的成对环形障碍物之间，封隔器提供完井管柱24与井筒12之间的流体密封，从而限定生产段26a、26b。在所示的实施例中，流动控制筛管28a、28b起到将颗粒物质从生产流体中过滤出来的作用，以及利用基于粘度的差压开关提供流过其中的流体的自动流量控制。
例如，流动控制筛管28a、28b的流动控制部分可以操作以控制在井下操作的生产阶段期间生产流体流的流入。可选地或附加地，流动控制筛管28a、28b的流动控制部分可以操作以控制在井下操作的生产期间注入流体流的流动。如下面更详细地解释的，流动控制部分优选地控制来自每个生产段的生产流体的流入，而不需要良好的干预，因为生产到特定段的流体的成分随时间变化，以便最大化期望流体的生产和尽量减少不需要的流体的生产。例如，可以调节当前的流动控制筛管，以最大化石油的生产并最小化水的生产。作为另一个实例，可以调节当前的流动控制筛管，以最大化气体的生产并最小化水的生产。在另一个实例中，可以调节当前的流动控制筛管，以最大化石油的生产并最小化气体的生产。重要的是，本公开的流动控制部分对生产流体中的粘度变化具有高灵敏度，使得流动控制部分能够区分轻质原油和水。
尽管图1描绘了裸眼完井环境中的本发明的流动控制筛管，但是本领域技术人员应该理解，本发明的流动控制筛管同样适用于套管完井。而且，尽管图1描绘了每个生产段中的一个流动控制筛管，然而本领域技术人员应该理解，在不脱离本公开的原理基础上可以在生产段内部署任意数量的流动控制筛管。另外，尽管图1描绘了井筒的水平部分中的流动控制筛管，但是本领域技术人员应该理解，本流动控制筛管同样适用于在包括竖直井、斜井、斜直井、分支井等的沿其他方向的配置的井中使用。此外，尽管图1中的流动控制系统已经被描述为与管柱中的流动控制筛管相连接，但是本领域技术人员应该理解，本公开的流动控制系统不需要与筛管相关联或者部署为管柱的一部分。例如，一个或多个流动控制系统可以安装并可拆卸地插入管柱的中心或管柱的内部腔体中。
参照图2，其中描述了根据本公开的流动控制筛管，其在被示意性示出并且总体以100表示。流动控制筛管100可以适当地接合到其他类似的流动控制筛管、生产封隔器、定位塞、生产管道或其他井下工具，以形成如上所述的完整管柱。流动控制筛管100包括基管102，其优选地具有安装在筛网元件或过滤介质106(例如绕丝筛管、编织筛网、预制滤砂管或类似物)的内部的空白管部分，其周围设置有或者没有设置外部护罩，其设计用于允许流体流过但阻止预定尺寸的颗粒物质流过。然而，本领域的技术人员应理解，本公开的实施例不需要具有与其相关联的过滤介质，因此，过滤介质的精确设计对本公开并不重要。
通过过滤介质106产生的流体朝向外壳108与基管102之间的环形区域行进并且进入其中。为了进入基管102的内部，流体必须穿过流体控制模块110(通过外壳108的开口部分看到)和基管102的穿孔部分(不可见)，该穿孔部分设置在流体控制模块110的内部。每个流动控制筛管100的流动控制系统可以包括一个或多个流体控制模块110。在特定实施例中，流体控制模块110可以围绕基管102沿周向分布，例如以180度段、120度段、90度段或其他适当分布。可选地或附加地，流体控制模块110可以沿着基管102纵向分布。无论流体控制模块110在基管102上的确切配置如何，任何期望数量的流体控制模块110都可以被并入流动控制筛管100中，其确切的结构取决于本领域技术人员已知的因素，包括储层压力、生产流体的预期组成、预期的生产率等。流动控制筛管100的各部件的连接可以以任何合适的方式进行，包括焊接、螺纹连接等，以及通过使用诸如销、固定螺钉等紧固件。尽管流体控制模块110已经被描述和描绘为联接到基管102的外部，但是本领域技术人员将理解，本公开的流体控制模块可以替代地定位，例如在基管的开口内或内部，只要流体控制模块位于地层流体通道的上游或地层侧与下游或基管内侧之间即可。
流体控制模块110可以操作以控制流体在生产方向和注入方向上的流动。例如，在井下操作的生产阶段期间，流体通过流动控制筛管100从地层流入生产管。生产流体再被过滤介质106(如果存在的话)过滤之后流入基管102与外壳108之间的环形空间。然后，流体进入流体控制模块110的一个或多个入口，其中根据所产生的流体的粘度和/或密度发生期望的流动操作。例如，如果产生诸如油的期望流体，则允许流过流体控制模块110的主流动通道。如果产生诸如水的不期望的流体，则限制或防止流过流体控制模块110的主流动通道。在产生期望流体的情况下，流体通过流体控制模块110排出到基管102的内部流动通道以输送到表面。作为另一个实例，在井下操作的处理阶段期间，处理流体可以从基管102的内部流动通道中的表面泵送到井下。在这种情况下，处理流体然后进入流体控制模块110，在此发生期望的流量控制操作，包括打开主流动通道。然后，流体在注入周围地层之前进入基管102和外壳108之间的环形空间。
接下来参考图3A-3D，代表性地示出了用于本公开的井下流体流动控制系统的流体控制模块，并且通常用110表示。流体控制模块110包括使用多个螺栓116连接在一起的壳体构件112和壳体盖114。O形环密封件118设置在壳体构件112和壳体盖114之间，以在它们之间提供流体密封。如图3C中最佳所示，壳体构件112限定了大体圆柱形的空腔120。在所示实施例中，粘度鉴别盘122紧密地容纳在空腔120内。粘度鉴别盘122包括上粘度鉴别板122a和下粘度鉴别板122b。大体圆柱形的密封元件124设置在下粘度鉴别板122b的下表面和壳体构件112的下腔室125a之间。
如图3C中最佳所示，粘度鉴别盘122限定了大体圆柱形空腔126，空腔126具有曲线和阶梯形轮廓。在所示实施例中，阀元件128容纳在空腔126内。阀元件128包括上阀板128a和下阀板128b。大体圆柱形的密封元件130设置在上阀板128a和下阀板128b之间。另外，密封元件130的径向外部设置在上粘度鉴别板122a和下粘度鉴别板122b之间。在所示实施例中，密封元件130的内环130a容纳在上阀板128a和下阀板128b的压盖内。密封元件130的外环130b容纳在下粘度鉴别板122b的压盖内。上阀板128a、下阀板128b和密封元件130通过螺栓132和垫圈134连接在一起，使得上阀板128a和下阀板128b用作信号阀元件128。
流体控制模块110包括在流体控制模块110的上游侧135a和135b的下游侧之间延伸的主流体路径，其在图3C中沿主流体路径136示出。在所示实施例中，主流体路径136包括位于上粘度鉴别板122a的下表面和阀元件128的上表面之间的入口136a。主流体路径136还包括延伸穿过上粘度鉴别板122a的三个径向通道136b(图3C中仅可见一个)、延伸穿过上粘度鉴别板122a的三个纵向通道136c(图3C中只有一个可见)、延伸穿过下粘度鉴别板122b的三个纵向通道136d(图3C中仅一个可见)以及延伸穿过壳体构件112的三个纵向通道136e(图3C中仅一个可见)。如图3B中最佳所示，主流体路径136包括三个出口136f。尽管主流体路径136已经被描绘和描述为具有包括特定数量的通道的特定配置，但是本领域技术人员应该理解，本公开的主流体路径可以具有各种设计，其中通道、分支和/或出口的数量为大于或小于三的任意数，只要主流体路径在流体控制模块的上游侧和下游侧之间提供流体通道。
流体控制模块110包括在流体控制模块110的上游侧135a和135b的下游侧之间延伸的感应路径，如图3C中的流线138所示。在所示实施例中，感应路径138包括位于上粘度鉴别板122a中的入口138a。感应路径138还包括延伸穿过上粘度鉴别板122a的粘度敏感通道138b、延伸穿过下粘度鉴别板122b的纵向通道138c、延伸穿过壳体构件112的纵向通道138d、延伸穿过壳体构件112的径向通道138e、以及延伸穿过壳体构件112的纵向通道138f。如图3B中最佳所示，感应路径138包括出口138g。感应路径138经由压力端口140与下腔室125a流体连通，压力端口140与径向通道138e流体连通。在所示实施例中，压力端口140在粘度敏感通道138b下游的位置处与感应路径138相交。在其他实施例中，压力端口140可以在粘度敏感通道138b上游的位置或沿着感应路径138的其他合适位置处与感应路径138相交。流体控制模块110包括延伸下粘度鉴别板122b和壳体的压力端口142，以在下游侧135b与限定在密封原件124余密封原件130之间的上腔室125b之间提供流体连通。主流体路径136和感应路径138之间的流体流量比可在约3比1和约10比1之间或更高，并且当主流体路径136打开时优选地大于4比1。
另外参考图4A-图4B，描绘了粘度鉴别盘122的示例性上粘度鉴别板122a。如图4A中最佳所示，上粘度鉴别板122a的上表面144包括感应路径138的入口138a。入口138a与粘度敏感通道138b的开始部分146对准。如图4B中所示，上粘度鉴别板122a的下表面148包括主流体路径136的三个纵向通道136c和与下粘度鉴别板122b的凸耳配合的对准槽口150，以确保上粘度鉴别板122a和下粘度鉴别板122b彼此适当地定向。下表面148还包括感应路径138的粘度敏感通道138b。在图示的实施例中，粘度敏感通道138b包括开始部分146、内周通道152、描绘为方向通道的反转的转弯154、外周通道156以及端部158。端部158与延伸穿过下粘度鉴别板122b的纵向通道138c流体连通。
粘度敏感通道138b为行进通过感应路径138的流体提供曲折通道。另外，粘度敏感通道138b优选具有足够小的特征尺寸，以使流过的流体的粘度的影响不可忽略。当产生诸如水的低粘度流体时，流过粘度敏感通道138b的流动可以是湍流，其雷诺数在10,000至100,000的范围内或更高。当产生诸如油的高粘度流体时，流过粘度敏感通道138b的流动可以是较小的湍流或甚至层流，其雷诺数在1,000至10,000的范围内。
尽管上粘度鉴别板122a已经被描绘和描述为具有特定形状并且其中粘度敏感通道具有特定取向的曲折通道，然而本领域技术人员应理解，本公开的上粘度鉴别板可以具有各种形状并且可以具有各种不同取向的曲折通道。另外，尽管粘度鉴别盘122已经被描绘和描述为具有上粘度鉴别板和下粘度鉴别板，但本领域的技术人员应当理解，本公开的粘度鉴别器可以具有小于或大于两个的其他数量的板。此外，尽管粘度敏感通道138b已被描绘和描述为位于粘度鉴别板的表面上，但本领域技术人员应理解，粘度敏感通道可选择性地形成在粘度鉴别器(例如由信号分量形成的粘度鉴别器)内。
参照图5A-图5B，代表性地示出了处于其打开和关闭位置的井下流体流动控制模块，并且总体指定为110。流体控制模块110具有通过多个螺栓(见图3C)连接在一起的壳体构件112和壳体盖114，其间有密封元件118。粘度鉴别盘122和密封元件124布置在壳体构件112的空腔120内。阀元件128和密封元件130布置在粘度鉴别盘122的空腔126内。流体控制模块110限定主流体路径136和感应路径138，每个流体通道在流体控制模块110的上游侧135a和下游侧135b之间延伸。粘度鉴别盘122包括形成次流体通道138的一部分的粘度敏感通道138b。此外，粘度鉴别盘122和壳体构件112形成压力端口142，该压力端口提供从下游侧135b到上腔室125b的流体连通。壳体构件112中的压力端口140提供从感应路径138到下腔室125a的流体连通。
通过比较图5A和图5B可以看出，阀元件128可操作用于在流体控制模块110内移动，并且在图5A中示出处于其完全打开位置，而在图5B中示出处于其完全闭合位置。本领域技术人员应该注意，阀元件128在完全打开和完全关闭位置之间也具有多个止动位置。阀元件128响应于差压开关而在打开和关闭位置之间操作。差压开关包括来自上游侧135a的压力信号P1，其作用在上阀板128a的上表面A1上，以产生将阀元件128朝向打开位置偏压的力F1。差压开关还包括来自下游侧135b的压力信号P2，其经由压力端口142作用在下阀板128b的上表面A2上，以产生将阀元件128朝向打开位置偏压的力F2。另外，差压开关包括来自感应路径138的压力信号P3，其经由压力端口140作用在阀元件128的下表面A3上，以产生将阀元件128朝向关闭位置偏压的力F3。
如图5A中最佳所示，当(P1A1)+(P2A2)>(P3A3)或F1+F2>F3时，阀元件128被偏压到打开位置。该图可以表示当生产具有高粘度的期望流体(例如油)时的生产情况。如图5B中最佳所示，当(P1A1)+(P2A2)<(P3A3)或F1+F2<F3时，阀元件128被偏压到关闭位置。该图可以表示当生产具有低粘度的不期望流体(例如水)时的生产情况。差压开关响应于来自感应路径138的压力信号P3的大小的变化而运作，其决定F3的大小。压力信号P3的大小是基于行进穿过次级流体通道138的粘度而建立的。更具体地，粘度敏感通道138b所产生的曲折通道对高粘度流体(例如油)和对低粘度流体(例如水)的影响是不同的。例如，曲折通道对行进穿过的高粘度流体的速度的影响比对行进穿过的低粘度流体的速度的影响更大，这导致行进穿过粘度敏感通道138b的高粘度流体的动态压力PD的降低比低粘度流体的动态压力的降低更多。以这种方式，使用具有粘度依赖性压差开关的本公开的流体流动控制系统使得能够在生产流体的粘度在井的寿命期间改变时能够自动操作阀元件，从而能够通过主流动通道生产期望的流体(例如油)，但是限制或关闭通过主流动通道生产不期望流体的流体(例如水或气体)。
根据伯努利原理，静态压力PS、动态压力PD和重力项的总和是常数，并且在本文中称为总压力PT。在目前的情况下，由于低的高度变化，重力项可以忽略不计。图6A是压力-距离图，示出了与行进穿过粘度敏感通道138b的低粘度流体相比，曲折通道对高粘度流体的动态压力PD的影响。图6B是压力-距离图，示出了与行进穿过粘度敏感通道138b的低粘度流体相比，曲折通道对高粘度流体的静态压力PS的影响。图6C是压力-距离图，示出了与行进穿过粘度敏感通道138b的低粘度流体相比，曲折通道对高粘度流体的总压力PT的影响。在图中，假设在高粘度流体和低粘度流体情况下，上游侧135a处的压力恒定并且下游侧135b处的压力恒定。如图6C中最佳所示，靠近粘度敏感通道138b的下游位置的高粘度流体的总压力PT小于相同位置处的低粘度流体的总压力PT，例如图中的位置L1。因此，对于高粘度流体，在粘度敏感通道138b下游的位置处获得的压力信号P3的大小将小于在低粘度流体的相同位置处获得的压力信号P3的大小。压力信号P3的大小的差异足以触发差压开关以是的阀原件128在高粘度流体(如油)流动时的打开位置与低粘度流体(如水)流动时的关闭位置之间切换。
参照图7A-图7B，井下流体流体控制模块110呈现为电路图。流体控制模块110包括主流体路径136，主流体路径具有设置在其中的阀元件128。流体控制模块110还包括具有粘度敏感通道138b的次流体通道138。流体控制模块110还包括差压开关150，其包括将阀元件128偏压到打开位置的来自上游侧135a的压力信号152、将阀元件128偏压到打开位置的来自下游侧135b的压力信号154、以及将阀元件128偏压到关闭位置的来自感应路径138的压力信号156。
在图7A中，高粘度流体(例如油)通过流体控制模块110生产并且由实线箭头158表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道138b对流过其中的高粘度流体的速度的影响很大，使得压力信号156的大小将使得差压开关150将阀元件128操作到打开位置，如由穿过流体控制模块110的实线箭头158的高容量所示。在图7B中，低粘度流体(例如水)通过流体控制模块110生产，并由空心箭头160表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道138b对流过其中的低粘度流体的速度具有小的影响，使得压力信号156将使差压开关150将阀元件128操作到关闭位置，如由穿过流体控制模块110的空心箭头160的低容量所示，其可以表示仅通过感应路径138的流动。在所示实施例中，压力信号156是在粘度敏感通道138b下游的位置处获取的总压力PT信号。
接下来参考图8A-图8B，井下流体流动控制模块210表示为电路图。流体控制模块210包括主流体路径236，主流体路径具有设置在其中的阀元件228。流体控制模块210还包括具有粘度敏感通道238b的感应路径238。流体控制模块210还包括差压开关250，其包括将阀元件228偏压到打开位置的来自上游侧235a的压力信号252、将阀元件228偏压到打开位置的来自下游侧235b的压力信号254、以及将阀元件228偏压到关闭位置的来自感应路径238的压力信号256。
在图8A中，通过流体控制模块210生产高粘度流体(例如油)，并且由实线箭头258表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道238b对对流过其中的高粘度流体的速度的影响很大，使得压力信号256的大小将使得差压开关250将阀元件228操作到打开位置，如由穿过流体控制模块210的实线箭头258的高容量所示。在图8B中，通过流体控制模块210产生低粘度流体(例如水)，并由空心箭头260表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道238b对流过其中的低粘度流体的速度具有小的影响，使得压力信号256将使差压开关250将阀元件228操作到关闭位置，如由穿过流体控制模块210的空心箭头260所示，其可以表示仅通过感应路径238的流动。在所示实施例中，压力信号256在粘度敏感通道238b上游的位置处获取的静态压力PS信号。
参照图9A-图9C，井下流体流量控制模块310表示为电路图。流体控制模块310包括主流体路径336，主流体路径具有设置在其中的阀元件328。流体控制模块310还包括具有粘度敏感通道338B的二次流体通道338和非粘度敏感通道360。流体控制模块310还包括差压开关350，差压开关350包括来自上游侧335a的将阀元件328偏压到打开位置的压力信号352、来自下游侧335b的将阀元件328偏压到打开位置的压力信号354以及来自感应路径338的将阀元件328偏压到关闭位置的压力信号356。
在图9A中，通过流体控制模块310生产高粘度流体(例如油)，并且由实线箭头358表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道338b对流过其中的高粘度流体流动的速度具有大的影响，使得压力信号356的大小将使差压开关350将阀元件328操作到打开位置，如通过流体控制模块310的实线箭头358所示。在所示实施例中，压力信号356是在粘度敏感通道338b的下游和非粘度敏感通道360的上游位置360a处获取的总压力PT信号。在图9B中，压力信号356是在粘度敏感通道338b的下游和从中游位置获取的总压力PT信号。在图9C中，压力信号356是从粘度敏感通道338b的下游和非粘度敏感通道360的下游位置360c获取的总压力PT信号。非粘度敏感通道360与感应路径338中的粘度敏感通道338b结合使用使得流量控制模块310的设计具有灵活性。与本文描述的流体控制模块110和210类似，当通过流体控制模块310产生低粘度流体(例如水)时，粘度敏感通道338b对流过其中的低粘度流体的速度具有小的影响，使得压力信号356将使差压开关350将阀元件328操作到关闭位置。
参照图10A-图10C，井下流体流量控制模块410表示为电路图。流体控制模块410包括主流体路径436，主流体路径具有设置在其中的阀元件428。流体控制模块410还包括具有粘度敏感通道438b的感应路径438和具有特斯拉阀460的方向电阻的流体二极管。流体控制模块410还包括差压开关450，差压开关450包括来自上游侧435A的将阀元件428偏压到打开位置的压力信号452、来自下游侧435b的将阀元件428偏压到打开位置的压力信号454、以及来自感应路径438的将阀元件428偏压到关闭位置的压力信号456。
在图10A中，通过流体控制模块410生产高粘度流体(例如油)，并且由实线箭头458表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道438b对流过其中的高粘度流体的速度具有很大影响，使得压力信号456的大小将使差压开关450将阀元件428操作到打开位置，如由穿过流体控制模块410的箭头458的高流量所示。在图示的配置中，特斯拉阀460对在生产方向上流动的流体的影响很小或者没有影响。
在图10B中，通过流体控制模块410生产低粘度流体(例如水)，并且由空心箭头462表示。如本文所讨论的，粘度敏感通道438b对流过其中的低粘度流体的速度的影响很小，使得压力信号456的大小将导致差压开关450将阀元件428操作到关闭位置，如由穿过流体控制模块410的箭头462的低流量所示，其可以表示仅通过感应路径438的流动。在图示的配置中，特斯拉阀460对在生产方向上流动的流体的影响很小或者没有影响。
在图10C中，由实线箭头464表示的处理流体从表面被泵送通过流体控制模块410，以注入周围地层或井筒。特斯拉阀460对注入方向上的流体流动提供显著的阻力，从而使流过其中的流体产生显著的压力损失，使得压力信号456的大小将导致压差开关450将阀元件428操作到打开位置，如由穿过流体控制模块410的箭头464的高容量所示。
为了说明和描述的目的，已经给出了本公开的实施例的前述描述。其并非旨在全面或将本公开限制于所公开的精确形式，并且根据上述说明可以进行修改和变化，或者可以从本公开的实践中获得修改和变化。选择和描述实施例是为了解释本公开的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中利用本公开达到具有适合于预期特定用途的各种修改。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在实施例的设计、操作条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。参照说明书，示意性实施例以及其他实施例的这些修改和组合对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (20)

1.一种井下流体流动控制系统，包括：
流体控制模块，具有上游侧和下游侧，所述流体控制模块包括平行的主流体路径和感应路径，所述主流体路径和所述感应路径均在所述上游侧和所述下游侧之间延伸；
阀元件，设置在所述流体控制模块内，所述阀元件能够在打开位置和关闭位置之间操作，在所述打开位置允许流体流过所述主流体路径，在所述关闭位置防止流体流过所述主流体路径；
粘度鉴别器，静止地设置在所述流体控制模块内，所述粘度鉴别器具有粘度敏感通道，所述粘度敏感通道形成所述感应路径的至少一部分；所述阀元件不参与形成所述感应路径；以及
差压开关，能操作以使所述阀元件在所述打开位置和所述关闭位置之间切换，所述差压开关包括来自所述上游侧的第一压力信号、来自所述下游侧的第二压力信号、以及来自所述感应路径的第三压力信号，所述第一和所述第二压力信号将所述阀元件朝向所述打开位置偏压，所述第三压力信号将所述阀元件朝向所述关闭位置偏压；
其中，所述第三压力信号的大小取决于流过所述感应路径的流体的粘度；并且
其中，所述差压开关响应于流体的粘度的变化而操作，从而控制通过所述主流体路径的流体流动。
2.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述阀元件具有第一区域、第二区域、以及第三区域，并且其中所述第一压力信号作用在所述第一区域上，所述第二压力信号作用在所述第二区域上，所述第三压力信号作用在所述第三区域上，使得所述差压开关响应于所述第一压力信号乘以所述第一区域加上所述第二压力信号乘以所述第二区域与所述第三压力信号乘以所述第三区域之间的差而操作。
3.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述粘度鉴别器为粘度鉴别盘。
4.根据权利要求3所述的井下流体流动控制系统，其中，所述主流体路径还包括穿过所述粘度鉴别盘的至少一个径向通道。
5.根据权利要求3所述的井下流体流动控制系统，其中，所述粘度敏感通道还包括所述粘度鉴别器的曲折路径。
6.根据权利要求5所述的井下流体流动控制系统，其中，所述曲折路径形成在所述粘度鉴别器的表面上。
7.根据权利要求5所述的井下流体流动控制系统，其中，所述曲折路径穿过所述粘度鉴别器形成。
8.根据权利要求5所述的井下流体流动控制系统，其中，所述曲折路径还包括至少一个圆周路径。
9.根据权利要求5所述的井下流体流动控制系统，其中，所述曲折路径还包括至少一个方向路径的反转。
10.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述第三压力信号来自所述粘度敏感通道的下游的位置，并且其中所述第三压力信号是总压力信号。
11.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述第三压力信号来自所述粘度敏感通道的上游的位置，并且其中所述第三压力信号是静态压力信号。
12.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述第三压力信号的大小随着流过所述感应路径的流体的粘度的降低而增加。
13.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，由穿过所述感应路径流动的期望流体产生的所述第三压力信号的大小使得所述阀元件切换到所述打开位置，并且由穿过所述感应路径流动的不期望流体产生的所述第三压力信号的大小使得所述阀元件切换到所述关闭位置。
14.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述感应路径还包括流体二极管，所述流体二极管具有对位于所述粘度敏感通道与所述下游侧之间的流体流动的方向阻力，其中所述流体二极管对沿着注入方向的流体流动提供的阻力大于对沿着流入方向的流体流动提供的阻力，使得由注入流体流动产生的所述第三压力信号的大小使所述阀元件切换到所述打开位置。
15.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，当所述阀元件处于所述打开位置时，所述主流体路径与所述感应路径之间的流体流量比在3比1与10比1之间。
16.根据权利要求1所述的井下流体流动控制系统，其中，所述感应路径还包括位于所述粘度敏感通道和所述下游侧之间的非粘度敏感通道；并且其中所述第三压力信号来自沿着所述非粘度敏感通道的位置。
17.一种流动控制筛管，包括：
基管，带有内部通道；
过滤介质，位于所述基管周围；以及
流体控制模块，具有上游侧和下游侧，所述流体控制模块包括平行的主流体路径和感应路径，所述主流体路径和所述感应路径均在所述上游侧和所述下游侧之间延伸；
阀元件，设置在所述流体控制模块内，所述阀元件能够在打开位置和关闭位置之间操作，在所述打开位置允许流体流过所述主流体路径，在所述关闭位置防止流体流过所述主流体路径；
粘度鉴别器，静止地设置在所述流体控制模块内，所述粘度鉴别器具有粘度敏感通道，所述粘度敏感通道形成所述感应路径的至少一部分；所述阀元件不参与形成所述感应路径；以及
差压开关，能操作以使所述阀元件在所述打开位置和所述关闭位置之间切换，所述差压开关包括来自所述上游侧的第一压力信号、来自所述下游侧的第二压力信号、以及来自所述感应路径的第三压力信号，所述第一和所述第二压力信号将所述阀元件朝向所述打开位置偏压，所述第三压力信号将所述阀元件朝向所述关闭位置偏压；
其中，所述第三压力信号的大小取决于流过所述感应路径的流体的粘度；并且
其中，所述差压开关响应于流体的粘度的变化而操作，从而控制通过所述主流体路径的流体流动。
18.根据权利要求17所述的流动控制筛管，其中，所述阀元件具有第一区域、第二区域、以及第三区域，并且其中所述第一压力信号作用在所述第一区域上，所述第二压力信号作用在所述第二区域上，所述第三压力信号作用在所述第三区域上，使得所述差压开关响应于所述第一压力信号乘以所述第一区域加上所述第二压力信号乘以所述第二区域与所述第三压力信号乘以所述第三区域之间的差而操作。
19.根据权利要求17所述的流动控制筛管，其中，所述粘度鉴别器为粘度鉴别盘，其中所述主流体路径还包括穿过所述粘度鉴别盘的至少一个径向通道，并且其中所述粘度敏感通道还包括所述粘度鉴别器的曲折路径。
20.一种井下流体流动控制方法，包括：
将流体流动控制系统定位在井下目标位置，所述流体流动控制系统包括具有上游侧和下游的流体控制模块、粘度鉴别器和差压开关，所述流体控制模块包括平行的主流体路径和感应路径，所述主流体路径和所述感应路径均在所述上游侧和所述下游侧之间延伸，所述粘度鉴别器静止地设置在所述流体控制模块内，且具有粘度敏感通道，所述粘度敏感通道形成所述感应路径的至少一部分；还包括阀元件，所述阀元件不参与形成所述感应路径；
生产穿过所述流体控制模块从所述上游侧到所述下游侧的期望流体；
响应于生产所述期望流体，通过将来自所述上游侧的第一压力信号施加给所述阀元件的第一区域、将来自所述下游侧的第二压力信号施加给所述阀元件的第二区域、以及将来自所述感应路径的第三压力信号施加给所述阀元件的第三区域而操作所述差压开关使所述阀元件切换到打开位置；
生产穿过所述流体控制模块从所述下游侧到所述上游侧的不期望流体；以及
响应于生产所述不期望流体，通过将所述第一压力信号施加给所述阀元件的所述第一区域、将所述第二压力信号施加给所述阀元件的所述第二区域、以及将所述第三压力信号施加给所述阀元件的所述第三区域而操作所述差压开关使所述阀元件切换到关闭位置；
其中，所述第三压力信号的大小取决于流过所述感应路径的流体的粘度，使得流体的粘度操作所述差压开关，从而控制通过所述主流体路径的流体流动。
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