CN111954747A - 流控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种流体流控制装置以及一种生产管柱和使用这种流体流控制装置的方法，该流体流控制装置用于在外部流体储存器和构成生产管柱的一部分的中心管之间建立可控制流体连通。流体流控制装置包括布置在流体控制装置壳体内部的主流动路径、副流动路径以及布置在主流动路径处和/或主流动路径内的可移动阀元件。副流动路径的入口与主流动路径的入口分开布置。

Description

流控制装置和方法
技术领域
本发明涉及对流入导管的流体的控制。更具体地，本发明涉及一种流体流控制装置，以及海底生产管柱和使用这种流体流控制装置的方法。本发明可用于控制从地下碳氢化合物储层到生产管柱的流体流动。
背景技术
用于从地下储层生产碳氢化合物的油井(well)可以在多个方向上延伸穿过储层。传统上，通过钻垂直油井来进入储层。这是一种简单且直接的技术，但是每口油井的储层接触有限。因此，为了在每口油井中进入更多的储层，开发了用于钻探水平油井的技术和装置，即，在地表以下的预定深度处将油井从竖直转向水平。所谓的多边油井为储层提供了更大的进入通道并与之接触。
从地下储层生产碳氢化合物的主要挑战是提高回收储层中存在的石油的能力。如今，在关闭油田之前，实际上只能开采和生产给定储层中的一部分石油。因此，有强烈的动机开发新技术以增加产量和石油采收。
为了提高储层的产量和采收率，两个因素特别重要：
获得最大的储层接触以及
防止气体和/或水渗透/突破(通常称为“锥进(coning)”)的负面影响。
通常通过钻许多水平和/或多边油井来实现储层接触。通常通过放置在生产管柱壁上的所谓的流入控制装置(ICD)来减轻锥进的负面影响。通常，水平油井中的生产管柱包括沿其整个长度以规则的间隔布置的大量ICD。ICD用作从储层流入生产管柱的石油的流入端口(通常经由生产管柱和油井层之间的环形空间)，并且是具有固定流动面积的端口。
所谓的自主ICD(AICD)包含一个或多个阀元件，且通常在石油流过该装置时打开，但在水和/或气体进入该装置时和进入该装置处阻塞流动。生产管柱与衬套之间的环空通常通过环空封隔器分成区域，这是本领域已知的。然后在每个区域中放置一个或多个ICD或AICD。
许多ICD在本领域中是已知的。ICD或AICD的相关实例可见于专利公开US5435393(布雷克(Brekke)等人)，US7857050B2(扎佐夫斯基(Zazovsky)等人)，US7823645B2(亨里克森(Henriksen)等人)，US2008/0041580A1(弗雷耶(Freyer)等人)，WO2008/004875A1(阿克雷(Aakre)等人)，US2011/0067878A1(阿德诺伊(Aadnoy))，US2008/0041582A1(塞特勒(Saetre)等人)，US2011/0198097A1(摩恩(Moen))，US2011/0308806A9(迪克斯特拉(Dykstra)等人)，US7918275B2(贝克休斯公司(Baker Hughes Inc))，US2009/0283275A1(贝克休斯公司)，US7819196B2(挪威水电公司(Norsk Hydro ASA))。
上述专利出版物具有以下一个或多个缺点：
-石油的生产也受阻，这可能会在油井使用寿命的最初阶段导致大量的生产损失(桶/天)。
-不想要的相(气体/水)在突破时既不会阻塞也不会关闭。
-不想要的相(气体/水)在某种程度上会阻塞，尽管不会达到流入完全或接近完全停止的程度。
-未表现出可逆性，也就是说，在石油再次开始流入油井中时，能够自动重新打开由于不想要的相进入而关闭的阀门。
-挑战性地控制开/关。
-在所需相的通量期间，主流中的高流动阻力。
-无法以令人满意的方式管理恶劣的井况(高压、高温、结垢等)。
在专利公开WO2013/139601A2中公开了克服所有上述缺点的现有技术AICD，其内容通过引用并入本文。现有技术的AICD包括主流动路径和被布置成与主流动路径流体连通的副流动路径。副流动路径还包括两个流体流限流器，其分别用作从腔室的流入端口和流出端口。两个流限流器被配置为产生不同的流体流特性。
然而，WO2013/139601A2中公开的AICD存在一些缺点。副流动路径与主流动路径流体连通。这种配置需要在壳体内分配额外的空间，从而导致AICD的轴向长度更长。该配置还使得难以在流体入口处布置过滤器以防止在运行期间堵塞。这种堵塞是本领域中众所周知的问题。为了通过插入诸如多孔材料的流体流限流器来产生层流，还需要复杂的设计，很少或根本没有适应变化的流体粘度的可能性。另外，多孔材料通常具有小的开口，从而由于细小颗粒(小颗粒)而产生堵塞的高风险。
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点并获得进一步的优点。
发明内容
在主权利要求中阐述并表征了本发明，而从属权利要求描述了本发明的其他特征。
因此，提供了一种流体流控制装置，其适合于在外部流体储存器和构成生产管柱的一部分的中心管之间建立流体流(F)的可控制流体连通。
流体流控制装置包括布置在流体控制装置壳体的内部的主流动路径。主流动路径包括主流动路径入口以及主流动路径出口，主流动路径入口被配置为在运行期间将构成流体流(F)的一部分的主流体流(F0)从外部流体储存器至少部分地轴向引导至流体控制装置壳体中，主流动路径出口被配置为在运行期间将主流体流(F0)引导到中心管中。
流体流控制装置还包括副流动路径和被布置在流体控制装置壳体内部，主流动路径处和/或主流动路径的内部的可移动阀元件。
副流动路径，包括至少一个第一流体流限流器、至少一个第二流体流限流器和腔室(B)，至少一个第一流体流限流器被配置为产生从第一流体流限流器的上游的压力p1到第一流体流限流器的下游的压力p2的压力降低，至少一个第二流体流限流器被布置在第一流体流限流器的下游，并被配置为产生从第二流体流限流器的上游的压力p2到第二流体流限流器的下游的压力p3的压力降低，腔室(B)被布置在第一流体流限流器的下游和第二流体流限流器的上游。
可移动阀元件被配置为当暴露于来自腔室(B)内的压力超过阈值压力时，至少部分地，优选地完全关闭主流体流(F0)的主流动路径。
副流动路径还包括布置在流体控制装置壳体内的副流动路径入口，副流动路径入口优选在其进入壳体的入口处相对于主流动路径具有径向偏移。因此，副流动路径入口被配置为将构成流体流(F)的剩余部分的副流体流(f)从流体储存器引导到流体控制装置壳体中。
如果在流体控制装置壳体的入口处，副流动路径相对于主流动路径径向偏移，则在运行中，来自外部流体储存器的流体流(F)会分成经由第一流体路径进入壳体的主流体流(F0)，和经由副流体路径进入壳体的副流体流(f)。
当流体流(F)仅由主流体流(F0)和副流体流(f)组成时，主流体流(F0)构成每单位时间流体流(F)的主要部分，例如大于90％或大于95％。
轴向和径向在此分别定义为垂直和平行于中心管的纵向的方向，即中心管内流体流的主方向。
在有利的示例中，副流动路径入口被定向成使得副流体流(f)在运行期间轴向地或接近轴向地流入流体控制装置壳体。接近轴向表示与轴向可能存在偏差，例如与轴向的最大偏差为20度。
在另一有利的示例中，第一流体流限流器被配置为产生层流或接近层流的流体流特性或湍流或接近湍流的流体流特性，而第二流体流限流器被配置为产生与第一流体流限流器产生的流体流特性不同的湍流流体流特性或层流流体流特性。层流在本文中定义为在平行层中流动的流体，在层之间没有破坏或没有明显的破坏。此外，湍流在本文中被定义为经历不规则波动或混合的流体，即，在一点处的流体的速度在大小和方向上都连续变化的流体。
在又一有利的示例中，流控制装置还包括轴向地布置在流控制装置壳体内，用于在运行期间引导流体流(F0)穿过其中的入口衬套，以及轴向布置在副流动路径入口下方，其中心开口围绕入口衬套的第一环形盘。入口衬套和第一环形盘可以是分开的或形成整体部分。
第一环形盘可包括沿第一环形盘的内部中心开口的圆周延伸的轴向或接近轴向的第一锁定边缘。
盘优选地还可以包括沿第一环形盘的外圆周的轴向或接近轴向的第二锁定边缘，该第二锁定边缘具有至少一个开口，该开口被配置为在运行期间，将流过副流动路径入口的副流体流(f)引导到流体流限流器中。
为了确保在主流动路径和副流动路径之间没有泄漏或泄漏很小，在入口衬套和第一环形盘之间布置一个或多个衬套密封件。
术语“在…下方”在此表示相对于位于主流体流(F0)和副流体流(f)入口处或附近的流体流控制装置的部件(例如入口衬套和/或入口过滤器)的轴向位置。
在又一有利的示例中，流体流控制装置还包括跨副流动路径入口布置的过滤器，用于在运行期间防止或至少显著减少流体流(F)中的固态颗粒进入副流动路径，且同时允许主流体流(F0)未经过滤地流过主流动路径入口。这种特殊的配置具有额外的优点，即由于主流在进入壳体之前就横向于过滤器流动，因此过滤器变得自清洁。过滤器可包括从过滤器的外圆周沿径向朝外突出的至少一个外部突起和从过滤器的内部圆周沿径向向内突出的至少一个内部突起。这些过滤器突出部分别确保对壳体和第一环形盘的锁定效果。
在又一有利的示例中，第一流体流限流器或第二流体流限流器包括长度为L的管，并且平均水力直径<DL>沿长度L平均，其中，选择长度(L)和平均水力直径(<DL>)以实现从第一流体流限流器和第二流体流限流器中的一个流出的层流特性。例如，选择长度(L)和平均水力直径(<DL>)以获得长度L和平均水力直径<DL>之间的比率，即L/<DL>，从而导致流体流的雷诺数(RE)等于或小于4000，优选小于3500，更优选小于3000，甚至更优选小于2500。
雷诺数定义为
Figure BDA0002713692580000061
其中
Q为体积流速Q(m3/s)，
<AL>是长度L上的平均横截面湿面积(m/s)，
<DL>是长度L上的平均水力直径(m)
ρ是流体流速的密度(kg/m3)以及
μ是动态流体粘度(kg/m·s)。
在又一有利的示例中，第一流体流限流器包括：位于流体控制装置壳体内部的内部出口通道，其与副流动路径入口流体连通；位于流体控制装置壳体外部的长度为L*的外部管，其与内部出口通道流体连通；以及位于流体控制装置壳体内部的内部回流通道，其与外部管流体连通。外部管的一部分可以例如在生产管柱的中心管周围多次螺旋。
在又一有利的示例中，副流动路径包括副流动路径出口。此外，来自副流动路径入口和副流动路径出口的副流动路径的长度的70％以上(更优选地，长度的80％以上，甚至更优选地，长度的90％以上)可以位于流体控制装置壳体的外部。在替代或附加配置中，副流动路径出口(一个或多个)和第二限流器(一个或多个)都布置在壳体的外部，同时与壳体的腔室B内的压力P2流体连通。在该替代或附加配置中，从第二限流器流出的流然后将在压力P3下进入中心管。
在又一有利的示例中，可移动阀元件包括具有面向腔室B的盘表面的下盘，以及一个盘表面位于下盘上，而另一盘表面面向主流动路径入口的上盘。上盘的盘直径可以小于下盘的盘直径。此外，下盘和上盘之间的轴向过渡可以是平滑的，以避免由于流过尖锐边缘、尖头突起等而导致的主流体流(F0)的过大流体流阻力。上盘的盘直径可以优选地，至少等于主流动路径入口的最小径向开口尺寸。此外，下盘在上盘和下盘的外圆周之间的部分相对于流体控制装置壳体的径向可以是扁平的。除了进一步确保不间断的主流体流外，扁平配置还有助于最大程度地减小流体控制装置壳体的轴向范围(tAICD)。
在又一有利的示例中，流体流控制装置还包括以其中心开口围绕可移动阀元件的外圆周布置的第二环形盘。
第二环形盘可包括沿第二环形盘的外圆周延伸的轴向边缘，并被配置为在面向主流动路径入口的第二环形盘的径向延伸表面与流体控制装置壳体的内壁之间形成固定的轴向距离。轴向边缘显示至少一个开口，该开口被配置为将流过主流动路径入口的主流体流(F0)从可移动阀元件引导向主流动路径出口。
在又一有利的示例中，流体流控制装置还包括弹性构件，该弹性构件轴向地布置在可移动阀元件的背离主流动路径入口的表面下方。弹性构件的一部分优选地固定至流体控制装置壳体的内壁，使得当在腔室B内未暴露于压力时，可移动阀元件处于轴向位置，这确保流体流在主流动路径入口和主流动路径出口之间流动。
在又一有利的示例中，第一流体流限流器包括布置在副流动路径入口的下游流体连通的多入口管，其中，多入口管显示至少两个径向间隔开的入口，例如，具有穿过主流动路径入口彼此对角地布置的第一入口和第二入口。例如，多入口管的形状可以为部分地围绕主流动路径入口的弧形。
在又一有利的示例中，第一流体流限流器包括：多入口管，其布置有流体控制装置壳体并且与副流动路径入口流体连通；内部出口通道，其布置在流体控制装置壳体内部并与多入口管流体连通；长度为L*的外部管，其至少部分地布置在流体控制装置壳体的外部，并且与内部出口通道流体连通；以及内部回流通道，其位于流体控制装置壳体内部并与外部管流体连通。多入口管显示至少两个径向间隔开的例如围绕主流动路径入口对角或近对角地布置的入口。外部管的段可以是螺旋的，以便使长的第一流体流限流器占据最小量的空间。
本发明还涉及适合于输送碳氢化合物的生产管柱。该生产管柱包括：中心管；布置在该中心管的外壁上的外壳，该外壳具有至少一个外壳输入开口；以及根据上述任何特征的流体流控制装置。
流体流控制装置被布置在中心管的壁的通孔中并且在外壳内，使得在外壳和中心管的内部之间获得可控制流体连通。在一种优选的配置中，流体连通通过一个主流动路径入口发生，并经由多个主流动路径出口进入中心管。
此外，外壳被配置为提供输入腔室，该输入腔室覆盖外壳的至少一个外壳输入开口以及流体流控制装置的主流动路径入口和副流动路径入口。
在一个有利的实施例中，第一流体流限流器或第二流体流限流器包括长度为L的管，且平均水力直径<DL>沿长度L平均，例如具有恒定直径D的管。优选地，至少一部分管围绕中心管的外圆周螺旋至少50％，更优选地围绕外圆周螺旋至少80％，甚至更优选地围绕整个圆周至少一次，甚至更优选地围绕整个圆周至少两次。
最后，本发明涉及一种基于流体特性的变化来控制流体流(F)的方法。该方法使用根据上述任一特征的流体流控制装置，并包括以下步骤：
-引导构成流体流(F)的主要部分的主流体流(F0)通过流体控制装置壳体内的主流动路径；以及
-引导副流体流(f)通过副流动路径，其中，当流体流控制装置处于打开位置时(即，相对于壳体，允许主流动路径入口和主流动路径出口之间的流动连通的阀元件的位置)，副流体流(f)构成流体流(F)的一小部分。当装置处于完全打开位置时，一小部分通常可以小于主流体流(F0)的10％，甚至更通常小于5％。
副流动路径的长度的主要部分可以优选地延伸到流体控制装置壳体的外部。
本发明的流控制装置阻止了不想要的流体(例如水、气体、蒸汽和CO2)进入所需流体(例如石油)的生产流中，同时是稳定、紧凑且完全自主的。在这个意义上它是可逆的，阀门装置的位置随着流体特性(如粘度)的变化而改变。即，例如当流控制装置在粘度降低(即暴露于水或气体)时关闭，在其粘度增加(即暴露于石油)时再次打开。
由于有效地封闭了诸如水和/或气体的不希望的流体相，在防止最初的采油量(现值)阻塞和提高生产程度方面，在经济上有明显的收益。所估计的油井产量和采收率将至少增加10％，这将取决于储层和流体特性。与由于增加的石油产量而带来的潜在收益相比，本发明的阀门的生产成本几乎是微不足道的。
此外，本发明的流控制装置的纤薄/紧凑的设计避免了过多的突伸到生产管柱的中心管中或从中伸出。与上述所有已知的AICD相比，这是一个显著的优势。
从中心管突出远离的流控制装置将使石油和天然气公司难以使用当今使用的标准中心管和孔。而且由于成本和技术挑战，通常不希望对经过充分验证的设计进行任何更改。例如，较大的孔会导致成本增加，而直径较小的孔会导致中心管(油井)中的压力损失增加。
同样，应避免或减少突出到中心管中。突出到中心管中的一个问题与以下事实有关：必须在将较小的管/装置引导到中心管/衬管中的情况下进行测量或修井。诸如突起的流控制装置的任何突起都使得这种操作困难甚至不可能。
附图说明
从以下作为非限制性示例给出的实施例的描述，并参考所附的截面图和附图，本发明的这些和其他特征将变得清楚，其中：
图1示出了本发明的原理；
图2示出了腔室内(即流体流限流器之间)的压力变化与流体粘度变化之间的相关性；
图3的A和B示意性地示出了本发明的两个不同的实施例，其中，图3的A具有单个流体流输出，而图3的B具有两个流体流输出；
图4的A和B示出了安装在生产管柱中的根据本发明的流控制装置，其中图4的A示出了生产管柱与流控制装置之间的相互作用，且图4的B更详细地示出了所安装的流控制装置；
图5示出了根据本发明的流控制装置，示出了用作流体流限流器的螺旋管的长度相对于流控制装置的壳体的尺寸；
图6更详细地示出了图5的流控制装置的壳体；
图7以分解图示出了本发明的流控制装置；
图8的A和B以两个不同的透视图示出了本发明的流控制装置的剖视图；
图9示出了相对于储存器内的低粘度-高粘度流体界面，在中心管内呈倾斜布置的本发明的流控制装置；
图10示出了流控制装置的分解图，该流控制装置具有布置在副流动路径内的多个入口通道；以及
图11的A至C示出了指示在诸如石油的高粘度流体和诸如气体和/或水的低粘度流体的流动期间关闭和打开特性的效率的测量结果，其中，图11的A示出了在运行期间具有主要力和压力的流体控制装置的剖视图，图11的B示出了净关闭力和打开力随流控制装置的活塞两端的压力差而变化的曲线图，以及图11的C示出了在副流动路径内的第一流体流限流器和第二流体流限流器之间的压力差之间的比率的图。
具体实施方式
图1示出了流体F，f如何在第一压力p1下通过流体流入口1流入导管2，进一步通过第一流体流限流器3并流入腔室B，在腔室B中其达到第二压力p2，并且然后流经第二流体流限流器4，然后在第三压力p3下通过流体流出口5离开导管2。当流体流速和流体特性(例如粘度、密度)保持恒定时，压力(p1，p2，p3)也恒定，并且p1，＞p2，＞p3。
在图1中，第一流体流限流器3是螺旋管，且第二流体流限流器4是孔口。螺旋管可以具有任何横截面形状，例如圆形、矩形、三角形等。
通常，长度为L且直径为D的圆柱管中由于粘性作用而产生的压力损失与长度L成正比，并且可以用达西-魏斯巴赫(Darcy-Weisbach)等式表示为：
Figure BDA0002713692580000111
其中：ρ＝流体流速的密度(kg/m3)
DL＝管的水力直径(对于圆形截面的管，其等于管的内径(m))；
<v>＝平均流速，通过实验测量为每单位横截面湿面积的体积流速Q(m/s)；
fD＝达西摩擦因数(也称为流量系数λ)；
L＝圆柱管的长度(m)。
因此，根据达西-魏斯巴赫等式(等式1)，当流体F，f流过导管2时，大的L/D比对应于大的压降ΔP(图1A中从p1到p2)。
在层流状态下，等式1可以重写为
Figure BDA0002713692580000112
因此，在层流条件或接近层流条件下，螺旋管两端的压力变化(ΔP)与流体粘度(μ)以及比率L/D4成正比。
雷诺数(RE)小于4000可实现层流。由于对于直径为D的管中的流体流动，RE＝<v>·D·ρ/μ，因此可以通过调节例如直径D和/或流速<v>来确保这种层流。从等式2可以清楚地看出，如果ΔP为常数，则Q(体积流速)将随着管长度(L)的增加而减小，且其结果是速度<v>的减小。因此，具有足够管长度(L)的螺旋管将形成层流或接近层流。
流过孔口的流体的流动特性可以表示为：
Figure BDA0002713692580000113
其中：ΔP＝孔口两端的流体压力差(典型单位：帕(Pa))
Korifice＝孔口系数(无量纲)
ρ＝流体密度(每单位体积的质量单位)
v＝流体速度(每单位时间的长度单位)
因此，当流过孔口4时，流体经历由等式3描述的压降(ΔP)(从p2到p3)。穿过孔口4的流体压力的变化几乎与粘度无关，而是与密度和孔口系数以及流体速度平方成正比。
因此，参考图1，如果流体的性质(粘度或密度)改变，则在腔室B中，即在螺旋管3和孔口4之间的流体压力p2将改变。这在图2中以图形方式示出。p2的第一(低)值由具有高流体粘度(μ高)的流体流形成，且p2的第二(高)值由具有低流体粘度(μ低)的流体流形成。当流体特性改变(例如，粘度降低)时出现的p2的值之间的差(ΔP2)可用于执行工作，例如，致动致动器6，致动器6继而可以通过液压和/或电气和/或机械传动装置10(见图3)使用作阀元件9的活塞9运动。
通常，当经受不同性质的流体(例如石油和水)时，本发明利用在两个不同限流器之间发生的压力变化(ΔP2)。这些性质可以例如是粘度、密度或两者。
图3A和图3B是示出上述原理的两个实施例的示意图。图3A以其基本形式示出了本发明的流控制装置100的第一实施例(即，省略了密封件、垫圈和本领域已知的其他所需或推荐的辅助部件)。流体流(F)经由两个流体路径2，7(具有主流动路径入口1的主流动路径(主导管)2和具有副流动路径入口11的副流动路径(副导管)7)进入流体控制装置壳体8。流体流(F)的主要部分(F0)(在下文中称为主流体流)流过主导管2和初始打开的阀元件9。流体流(F)的较小部分(f)(例如，主流体流(F0)的5％，也称为副流体流(f))，在进入主导管2并通过流体流出口5离开该导管2之前，流过第二导管7，该第二导管包括长度为L、直径为D的螺旋的细管形式的第一流体流限流器3和孔口形式的第二流体流限流器4。
当流体流(F)的粘度(I)改变时，位于两个流体限流器3，4之间的副导管7中的腔室B中的第二压力p2也改变。例如，如以上参考图1和图2所解释的，如果石油流被水或气体代替，则粘度减小并且第二压力p2增大。
图3A还(示意性地)示出了布置在腔室B内或联接至腔室B的致动器6。致动器6经由传动装置10(例如，经由液压连杆机构、机械连杆机构和/或信号电缆)连接至活塞/阀元件9。致动器10可以是能够致动活塞/阀元件9的任何形式，例如，阀活塞的表面(例如面对腔室B的表面)承受由感应压力ΔP2产生的力。
当流体粘度(μ)如上所述改变时，p2的值之差(ΔP2，见图1)在致动器6上施加致动力，致动器6继而操作(例如关闭)活塞/阀元件9。因此，导管2，7和流体流限流器3，4的配置和尺寸可以使得(当防止穿透时)当流体(F)的粘度(μ)下降到预定水平以下时，活塞/阀元件9自动关闭。作为示例，在油田应用中，该装置100防止不希望的水和/或气体流入生产管柱101(见图4)。
图3B示意性地示出了本发明的流控制装置100的第二实施例。第二实施例与第一实施例相同，除了副流动路径7不与主流动路径2流体连通。相反，两者均经由分开的流动路径进入和离开壳体8。主流体流(F0)从入口1进入主流动路径2并通过主流动路径出口5离开，而副流体流(f)从入口11进入副流动路径7并通过单独的副流动路径12离开。然而，操作原理与第一实施例相同，即在至少部分地布置在副流动路径7内的两个流体流限流器3，4之间产生压力差ΔP2，并且使用由该感应的压力差产生的力通过活塞/阀元件9来封闭流过主流动路径2的主流体流F0。
图4A和图4B示出了根据本发明的完整的流控制装置100的横截面图。图4A示出了安装在生产管柱101中的流控制装置100，并且图4B更详细地示出了由虚线矩形框起来的生产管柱101的区域(细节A)。
除了流控制装置100之外，生产管柱101还包括中心管102(其安装有流控制装置100)、滤砂管103(其围绕中心管102，以防止诸如沙粒或碎屑的大固体颗粒进入中心管102)、外套筒110(其将滤砂管103的一个轴向端固定到中心管102)、第一内套筒104(其被配置为将滤砂管103的另一轴向端固定到中心管102上，并且从定向通过滤砂管103或在滤砂管103下方的滤砂管流体通道106建立内套筒流体通道105，并到达流控制装置100的流体路径输入1，11)。
生产管柱101还包括：第二内套筒107，其相对于第一内套筒104布置在流控制装置100的相对径向侧的中心管102上；以及端盖108，其从生产管柱101的外部密封或接近密封安装的流控制装置100，从而形成由第一内套筒104和第二内套筒107、端盖108和中心管102建立的封闭的输入腔室109。
在运行中，流体(F)流过滤砂管103进入滤砂管流体通道106，进一步沿着内套筒流体通道105，经由内套筒开口111流入封闭的输入腔室109，并最后通过流控制装置100进入中心管102。
从图4可以明显看出，典型的生产管柱101中的流控制装置100可用的空间很小。认为有利的是，流控制装置100的壳体8具有轴向厚度(即，安装时垂直于中心管102的轴向/纵向的厚度)，该轴向厚度与技术上可行的厚度一样小，以便避免或最小化从中心管102的外壁和/或中心管102的内部突出。
尤其应避免突出到中心管102中，因为这会干扰在生产管柱101的整个使用寿命期间可能需要/建议的中心管102中的测量和/或维护和/或维修工作。这种操作通常涉及将各种装置插入到中心管102中。
如上所述，为了确保第一流体流限流器3上的大压力差，比率L/D4应该大。此外，可以通过产生雷诺数小于4000，优选小于2500的流来获得层流。这可以通过使构成第一流体流限流器3的管的长度(L)足够大来实现。
图5示出一种配置，其中流控制装置100包括作为层流的螺旋管，该螺旋管产生布置在副导管7内的第一流体流限流器3。为了确保流过副导管7的副流体流(f)的层流(flam)，并且，在压力差(p1-p2)大的情况下，螺旋管3比流控制装置壳体8的轴向厚度(tAICD)长得多。
第一流体流限流器3可分为位于壳体8内部的内部部分3b、位于壳体8外部并与内部部分3b流体连通的外部笔直部分3c和位于壳体8外部并且与外部笔直部分3c流体连通的外部螺旋部分3d。外部螺旋部分3d优选地多次盘绕在中心管102上，以使在径向上相对于中心管102的方向(即，垂直于其纵向方向)上所需的空间使用最小，从而使本发明的流控制装置100对现有生产线101的尺寸干扰最小化。同时，可以实现期望的大压力差和层流。
管的长度(L)与流控制装置壳体8的轴向厚度(tAICD)之间的比率优选大于50，更优选大于100，甚至更优选大于200，甚至更优选大于300。在典型安装中，管的长度为5米，且轴向厚度为14毫米。
图6示出了流控制装置100的一部分，其仅包括位于流控制装置壳体8之内或附近的部分。壳体8(如图4所示，其在运行中布置在中心管102的壁内)显示与封闭腔室109流体连通的入口1，11和与生产管柱101的中心管102的内部流体连通的出口5，12。
在壳体8的内部布置有可轴向移动的活塞/盘9形式的阀元件9。阀元件9在图6中放置在带齿的主流体流衬套18中，该主流体流衬套18在允许轴向活塞运动的同时向活塞9(参见图7)提供侧向支撑。横向支撑表示在安装点处活塞9在径向方向上没有或几乎没有运动，即平行于中心管102的纵向轴线。
此外，在图6所示的实施例中，活塞/阀元件/可移动盘9的背向入口1，11的表面与弹性构件10接触，该弹性构件10的外圆周固定在壳体8的相邻内壁上。弹性构件10将感应压力传递到活塞9，并确保流控制装置100在任何流(F)之前处于初始预定位置，例如处于完全打开位置或完全关闭位置。弹性构件10，例如隔膜，可以是诸如弹性体的半柔性材料。
特别参考图7，并结合图6，看到布置在主流体流衬套18的外圆周处的齿18a既充当副流体流衬套19/弹性构件10与壳体8的内壁之间的轴向隔离件，又充当通道开口18b，从而允许主流体流(F0)径向流过齿18a之间的开口18b。
如图7最佳所示，活塞9包括与弹性构件10接触的下盘9a和居中布置在下盘9a上的上盘9b。下盘9a的外径等于或接近于带齿主流体流衬套18的内径。上盘9b位于下盘9a的中央，且其径向直径小于下盘9a的径向直径，例如，其等于或略大于主流动路径入口1的最小内径和/或等于或小于下盘9a的直径的一半。
活塞9的上部的稍大的直径的示例可以是比主流动路径入口1的最小内径大不到10％的直径。
再次参考图6，副流动路径入口11(引导进入副导管7的副流(f))和主流动路径入口1(引导进入主导管2的主流体流(F0))显示为物理上分开。因为壳体8的轴向厚度(tAICD)不需要也容纳副流动路径入口11的入口直径，所以认为两个入口1，11的这种特定配置节省空间。
主流动路径入口1在图6中显示为单独的入口衬套16，其形成漏斗状的入口开口，该入口开口具有平滑的内壁，从而确保在运行期间的湍流最小。同样，光滑的内壁表示壁没有尖锐的边缘和/或尖锐的突起。
为了避免副管7的堵塞，包括精细掩蔽的网的环形过滤器14覆盖副流动路径入口11，从而阻止任何直径大于网孔尺寸的颗粒进入副导管7。网孔尺寸应显著小于副导管7的最小横截面面积。注意，精细掩蔽的网可以是允许过滤颗粒的任何物体，例如由金属丝、多孔板或其组合组成的网。
参照图4至图8，第一流体流限流器3的内部部分3b由具有用于主流体流(F0)的内部中心开口的副流体流衬套19建立。副流体流衬套19包括沿着内部中心开口的圆周延伸的一个或多个第一锁定边缘19a，以及沿副流体流衬套19的外圆周延伸的第二锁定边缘19b或多个锁定齿19b，它们形成至少一个衬套开口19c，通过该衬套开口19c，副流(f)可以在进入副流动路径输入11后流动。
在该示例性配置中，将径向布置的外部的第二锁定边缘或锁定齿19b插入壳体8中的专用凹槽中，然后旋转，使得边缘/齿19b被引导入轨道中并锁定衬套19，从而防止任何轴向位移。
此外，为了确保衬套19在定位期间和/或之后没有达到任何不希望的旋转位置，在这种配置中，前述过滤器14除了从副流中滤出固体颗粒之外，还具有其他目的。从图7和图8中最明显地看出，过滤器14包括一个或多个从过滤器14的外圆周径向朝外突出的外部突起14a和一个或多个从过滤器14的内部圆周径向朝内突出的内部突起14b。
通过将内部突起14b装配在衬套19的内部锁定边缘19a内，实现了旋转锁定效果。另外，可以将外部突起14a插入上述凹槽中，从而将过滤器14固定至壳体8。
流体流控制装置100还可以包括衬套密封件26，例如O形环，其密封地布置在衬套19和入口衬套16之间(见图8A)，从而防止在运行期间主流动路径2和副流动路径8之间的任何不希望的泄漏。
副流体流衬套19通过沿着副流体流衬套19的外圆周延伸，在锁定边缘19b或多个锁定齿19b下方或部分在下方的O形环15与壳体8密封。
衬套开口19c或多个衬套开口19c中的至少一个与构成第一流体流限流器3的内部3b的出口通道对准。因此，副流体流(f)穿过一个或多个对准的衬套开口19c，并进一步进入内部部分3b。副流(f)随后通过外部螺旋部分3d流入位于壳体8外部的外部笔直部分3c，并经由壳体8内的一个或多个回流通道21流回壳体8。回流通道21经由位于孔口形式的第二流体流限流器4引导通过位于活塞9和弹性构件10下方的腔室B的副流体流(flam)，并通过副流动路径出口12流出。孔口4布置在固定成与副流动路径出口12流体连通的出口衬套17中。孔口4可以是可调节的，从而使得能够调节副流体流(ftur)的湍流程度。
为了将流控制装置100固定到中心管102上，壳体8具有多个贯通孔23，这些贯通孔23被配置为容纳诸如螺钉或螺栓(未示出)的固定装置。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的石油)被分成通过主流动路径入口1进入壳体8的主流体流F0和通过副流动路径入口11进入壳体8的小的副流体流f。在壳体8内部，主流体流F0在通过主流动路径出口5离开壳体8并进入中心管102之前跟随主导管2。
流体流F的其余部分，即副流体流f，流经副导管7，即流经过滤器14、副流体流衬套19、螺旋管3、回流通道21、腔室B、孔4，并最后通过副流动路径出口12进入中心管102。如果水和/或气体进入流F，导致整体粘度μ下降，所产生的p2值差异(ΔP2，见图2)用于向活塞9的致动表面6和隔膜10背离入口1，11的方向施加压力(见图6中的粗线)。作用在致动表面6上的压力的这种变化产生了原动力，该原动力用于将活塞9的上部9b推向主流动路径入口1，从而防止了进一步的主流体流F0进入壳体8。隔膜10确保了在活塞9上的主要的弹性力或偏压力，该弹性力或偏压力被引导远离主流动路径入口1。因此，当缺少主流体流F0或足够小以至于不能抵消弹性力时，活塞9相对于主流动路径入口1保持在打开位置。
图9至图10示出了一种特定配置，目的是在多相流体渗透的情况下(例如在从高粘度流体(例如石油)122过渡到低粘度流体(例如气体或水)120的过程中，实现流量控制阀100的有效快速关闭/打开。在图9中，示出了地层123(例如海底地层)内的生产管柱101。包括例如气体120和石油122的流体储存器位于周围地层123与生产管柱101的外部之间。低粘度-高粘度流体界面121(例如，油气界面)在图9中用水平线表示。此外，生产管柱101包括中心管102和流量控制阀100，该流量控制阀100在储存器和中心管102的内部之间形成可关闭的开口。流控制装置100在图9中被示出为相对于流体界面121处于倾斜位置，并且位于中心管102上的对应于与流体界面121处于同一高度的位置。在该特定配置中，流体界面121大致位于主流动路径入口1的中间。每个流体控制装置100在中心管102中的位置是随机的。
特别参考图10，为了确保有效和迅速地关闭/打开形成副流动路径7的一部分的隔室，并且由副流体流衬套19和入口过滤器14进行设置，包含具有至少两个相对于流体流入口1成对角或接近对角线的入口25的内部多入口通道3a。利用图9所示的倾斜布置，并且螺旋管3的内部部分3b垂直于图9的纸定向，由于两个间隔开的入口25相互对角地布置，因此流控制装置100将主要向上入口25中产生诸如气体或水120的低粘度流体。原因是阻力(摩擦)低于诸如石油122的高粘度流体。因此，低粘度流体的流速较高，从而在多相流的情况下导致流控制装置100的关闭更快。
注意，对于所有上述实施例，本发明不限于特定的材料或特定的几何形状。实际上，任何材料和/或几何形状的选择都是可能的，只要在运行期间一个限流器产生主要的层流，而另一个限流器产生主要的湍流。同样，即使参考附图使用了诸如在下面，在径向和在轴向上的方向性词，也应理解这些词仅是为了清楚起见，而不应被解释为限制本发明的控制装置的方向性位置。
上述本发明的流控制装置的所有实施例在它们基于流体F的变化特性(例如粘度μ)而移动(以关闭或打开流体入口)的意义上是自主的。螺旋管3、孔4、壳体8的内部尺寸和内部布置的衬套18，19可以设计成适合各种应用。
作为使用本发明的流控制装置100的测量结果的示例，将参考图11A，图11B和图11C。
图11A是本发明的自主流控制装置100的原理图，其被配置为用于阻止诸如气体和水的低粘度流体进入诸如石油的高粘度流体的期望流动相，并显示了由流体流产生的各种力F1、F2、F3，以及相应的压力P1、P2、P3和横截面积A1、A2、A3。
图11B示出了作用在可移动活塞9上的测得的净力∑F1-3(垂直轴)作为穿过流控制装置100的压降(p3-p1)(水平轴)的函数。净力和压降分别以牛顿和巴为单位。
净力代表在活塞9上的力的总和∑F1-3，当∑F1-3为正时，活塞9打开流控制装置100，而当∑F1-3为负时，活塞9关闭流控制装置100。图11B示出，虽然流体控制装置100在受到石油(高粘度流体)的作用下是打开的，但是在受到气体和水(低粘度流体)的影响时几乎是瞬间关闭的。
∑F1-3基于分别都布置在副流动路径7内的层流元件3和湍流元件4中的压降(p3-p1)的测量值。图11C示出了给定流体(垂直轴)的层流和湍流压降比率ΔP层流/ΔP湍流作为图11B中给出的压降的函数(水平轴)。基于∑F1-3，可以计算出流控制装置100在以下情况下打开：
P1·A1+P3·A3-P2·A2＞0
这些测量示例旨在说明本发明的流控制装置100的功能。应当理解，流体流限流器3，4可以不同地布置和配置。例如，如果打算将该装置用在气体储存器中，则流体流限流器3，4可以在流动路径中倒置，并且期望防止诸如水的较高粘度的流体进入产品。
还应该理解，本发明的流控制装置100可以被布置和被配置为控制和防止其他流体的流入，例如二氧化碳(已注入到储存器中)和蒸汽(与例如所谓的重油蒸汽辅助重力排水(SAGD)结合注入)和产气井中的水。
尽管已经参考来自地下储层的油井流体(例如石油、气体、水)的控制描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明的装置及其方法在目标是基于流中的各种流体的性质(例如粘度、密度)来控制流体流以防止不想要的流体进入流体流的任何应用中可能是有用的。这种应用的示例是注入油井、分离过程和疏水阀。
参考数字：
Figure BDA0002713692580000201
Figure BDA0002713692580000211
Figure BDA0002713692580000221

Claims (15)

1.一种流体流控制装置(100)，用于在外部流体储存器(120-122)和生产管柱(101)的中心管(102)之间建立流体流(F)的可控制流体连通，包括
-被布置在流体控制装置壳体(8)内部的主流动路径(2)，所述主流动路径(2)包括
主流动路径入口(1)，被配置为在运行期间从所述外部流体储存器(120-122)将主流体流(F0)轴向引导到所述流体控制装置壳体(8)中，其中，轴向和径向分别定义为垂直于和平行于所述中心管(102)的纵向的方向，以及
主流动路径出口(5)，被配置为在运行期间将所述主流体流(F0)引导到所述中心管(102)中，
-副流动路径(7)，包括第一流体流限流器(3)、第二流体流限流器(4)和腔室(B)，所述第一流体流限流器(3)被配置为产生从所述第一流体流限流器(3)的上游的压力p1到所述第一流体流限流器(3)的下游的压力p2的压力降低，所述第二流体流限流器(4)被布置在所述第一流体流限流器(3)的下游，并被配置为产生从所述第二流体流限流器(4)的上游的所述压力p2到所述第二流体流限流器(4)的下游的压力p3的压力降低，所述腔室(B)被布置在所述第一流体流限流器(3)的下游和所述第二流体流限流器(4)的上游，以及
-可移动阀元件(9)，被布置在所述流体控制装置壳体(8)内，并被配置为当暴露于来自所述腔室(B)内的压力超过阈值压力时，关闭流体流的所述主流动路径(2)，
其特征在于，
所述副流动路径(7)包括被布置在所述流体控制装置壳体(8)内的副流动路径入口(11)，其中，所述副流动路径入口(11)相对于所述主流动路径(2)具有径向偏移，并且其中，所述副流动路径入口(11)被配置为将副流体流(f)从所述流体储存器(120-122)引导到所述流体控制装置壳体(8)，
这样，在运行期间，所述流体流(F)被分为
经由所述第一流体路径(2)进入所述流体控制装置壳体(8)的所述主流体流(F0)以及
经由所述副流体路径(7)进入所述流体控制装置壳体(8)的所述副流体流(f)。
2.根据权利要求1所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述副流动路径入口(11)被定向成在运行期间使得所述副流体流(f)轴向流入所述流体控制装置壳体(8)。
3.根据权利要求1或2所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述流控制装置(100)还包括
-入口衬套(16)，被轴向布置在所述流控制装置壳体(8)内，用于引导所述主流体流(F0)穿过其中，以及
-第一环形盘(19)，被轴向布置在所述副流动路径入口(11)下方，所述第一环形盘(19)的中心开口围绕所述入口衬套(1，16)，
所述第一环形盘(19)包括
-沿着所述第一环形盘(19)的内部中心开口的圆周的轴向第一锁定边缘(19a)。
4.根据权利要求3所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述第一环形盘(19)还包括
-沿着所述第一环形盘(19)的外圆周的轴向第二锁定边缘(19b)，所述轴向第二锁定边缘(19b)具有至少一个开口(19c)，所述开口(19c)被配置为在运行期间，将流过所述副流动路径入口(11)的所述副流体流(f)引导到所述流体流限流器(3，4)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述流体流控制装置(100)还包括
-跨所述副流动路径入口(11)布置的过滤器(14)，用于在运行期间防止所述流体流(F)内的固态颗粒进入所述副流动路径(7)，同时允许所述主流体流(F0)未经过滤地流过所述主流动路径入口(1)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，
所述第一流体流限流器(3)和所述第二流体流限流器(4)中的一个包括长度为L的管，且平均水力直径<DL>沿长度L平均，
其中，选择所述长度(L)和所述平均水力直径(<DL>)以实现从所述第一流体流限流器(3)和所述第二流体流限流器(4)中的一个流出的层流特性。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，
所述第一和第二流体流限流器(3)中的一个包括长度为L的管，以及在所述长度L上测得的平均水力直径<DL>，
其中，选择所述长度(L)和所述平均水力直径(<DL>)以获得所述长度L和所述平均水力直径<DL>之间的比率，从而导致所述流体流的雷诺数(RE)等于或小于4000，所述雷诺数定义为
Figure FDA0002713692570000041
其中
Q为体积流速Q(m3/s)，
<AL>是所述长度L上的平均横截面湿面积(m/s)，
<DL>是所述长度L上的平均水力直径(m)
ρ是流体流速的密度(kg/m3)以及
μ是动态流体粘度(kg/m·s)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述第一流体流限流器(3)包括
-位于所述流体控制装置壳体(8)内部的内部出口通道(13)，所述内部出口通道(13)与所述副流动路径入口(11)流体连通，
-位于所述流体控制装置壳体(8)外部的长度为L*的外部管(3b，3c)，所述外部管(3b，3c)与所述内部出口通道(13)流体连通，以及
-位于所述流体控制装置壳体(8)内部的内部回流通道(21)，所述内部回流通道(21)与所述外部管(3b，3c)流体连通，
其中，所述外部管(3b，3c)的段(3d)是螺旋的。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，
所述副流动路径(7)包括副流动路径出口(12)，并且
从所述副流动路径入口(11)和所述副流动路径出口(1)的所述副流动路径(7)的长度的70％以上位于所述流体控制装置壳体(8)的外部。
10.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述可移动阀元件(9)包括
-下盘(9a)，具有面向所述腔室B的盘表面，以及
-上盘(9b)，被布置为一个盘表面位于所述下盘(9a)上，且另一盘表面面向所述主流动路径入口(1)，
其中，所述上盘(9b)的盘直径小于所述下盘(9b)的盘直径，并且
其中，所述下盘(9a)和所述上盘(9b)之间的轴向过渡是平滑的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述流体流控制装置(100)还包括
-第二环形盘(18)，被布置为所述第二环形盘(18)的中心开口围绕所述可移动阀元件(9)的外圆周，所述第二环形盘(18)包括
-沿所述第二环形盘(18)的外圆周延伸的轴向边缘(18a)，所述轴向边缘(18a)被配置为在面向所述主流动路径入口(1)的所述第二环形盘(18)的径向延伸表面与所述流体控制装置壳体(8)的内壁之间形成固定的轴向距离，其中，所述轴向边缘(18a)显示至少一个开口(18b)，所述开口(18b)被配置为将流过所述主流动路径入口(1)的所述主流体流(F0)从所述可移动阀元件(9)引导向所述主流动路径出口(5)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述第一流体流限流器(3)包括多入口管(3a)，所述多入口管(3a)被布置为在所述副流动路径入口(11)的下游流体连通，其中，所述多入口管(3a)显示至少两个径向间隔开的入口(25)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的流体流控制装置(100)，其特征在于，所述第一流体流限流器(3)包括
-布置有所述流体控制装置壳体(8)的多入口管(3a)，所述多入口管(3a)与所述副流动路径入口(11)流体连通，所述多入口管(3a)显示围绕所述主流动路径入口(1)沿对角线或近对角线布置的至少两个入口(25)，
-布置在所述流体控制装置壳体(8)内部的内部出口通道(13)，所述内部出口通道(13)与所述多入口管(3a)流体连通，
-至少部分布置在所述流体控制装置壳体(8)的外部的长度为L*的外部管(3b，3c)，所述外部管(3b，3c)与所述内部出口通道(13)流体连通，以及
-位于所述流体控制装置壳体(8)内部的内部回流通道(21)，所述内部回流通道(21)与所述外部管(3b，3c)流体连通。
14.用于输送碳氢化合物的生产管柱，其中，所述生产管柱包括
-中心管(102)，
-布置在所述中心管(102)的外壁上的外壳(104，107，108)，所述外壳(104，107，108)具有至少一个外壳输入开口(111)以及
-根据权利要求1至13中任一项所述的流体流控制装置(100)，
其中，所述流体流控制装置(100)被布置在所述外壳(104，107，108)内的所述中心管(102)的壁的通孔中，使得在所述外壳(104，107，108)与所述中心管(102)的内部之间获得可控制流体连通，并且
其中，所述外壳(104，107，108)被配置为提供输入腔室(109)，所述输入腔室(109)覆盖所述外壳(104，108，108)的所述至少一个外壳输入开口(111)，并覆盖所述流体流控制装置(100)的所述主流动路径入口(1)和所述副流动路径入口(11)。
15.一种使用根据权利要求1至13中任一项所述的流体流控制装置(100)基于流体特性的变化来控制流体流(F)的方法，所述方法包括以下所述步骤：
-引导构成所述流体流(F)的主要部分的所述主流体流(F0)通过所述流体控制装置壳体(8)内的所述主流动路径(2)；以及
-引导所述副流体流(f)通过所述副流动路径(7)，当所述流体控制装置(100)处于打开位置时，所述副流体流(f)构成所述流体流(F)的一小部分，其中，所述副流动路径(7)的大部分长度延伸到所述流体控制装置壳体(8)的外部。
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