CN112424444A - 流量控制喷嘴和系统 - Google Patents

Abstract

流量控制系统，包括喷嘴，该喷嘴用于控制流体从包含烃的储层流入生产油管的流量。喷嘴包括在入口和出口之间延伸的通道，其中该通道包括由角部分开的会聚部分和发散部分。喷嘴用于有效地阻止蒸汽流，从而允许优先生产烃类。

Description

流量控制喷嘴和系统

相关申请的交叉引用

本发明根据巴黎公约要求2018年7月7日提交的美国申请号62/694,977和2018年7月9日提交的美国申请号62/695,625的优先权。这些在先申请的内容的全部通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于控制流体向管状构件的流动的流量控制装置。在一个特定示例中，所描述的流量控制装置控制或阻止蒸汽从地下地层流入生产油管。

背景

地下烃储层(Subterranean hydrocarbon reservoir)通常由一个或多个井进入，该井钻入储层中以进入烃材料。然后将此类材料通过生产油管带到地面。

钻入储层中的井筒可以是垂直的或水平的，或在它们之间可以是任何角度。在某些情况下，所需的烃包括高粘度材料，例如重油，沥青等。在这种情况下，已知使用通常密度较低的蒸汽、气体或其他流体来辅助所需的烃材料的生产。通常将这些试剂注入储层的一个或多个区域中，以促进烃类流入设置在井筒中的生产油管中。蒸汽辅助重力泄油，“SAGD”，是使用蒸汽促进高粘度烃材料(例如油砂中所含的重油、沥青等)流动的一种方法。在SAGD操作中，将一对或多对井(其中每对通常包括两个垂直分开的水平井)钻入储层中。每个井对通常包括注蒸汽井和生产井，其中注蒸汽井通常垂直地位于生产井上方。在操作中，将蒸汽注入注入井中以加热并降低其附近的烃材料(尤其是粘性重油材料)的粘度。经过蒸汽处理后，立即被调集的烃材料由于重力作用而排入下部生产井，随后通过生产油管被带到地面。

循环蒸汽吞吐(Cyclic Steam Stimulation)，“CSS”，是另一种烃生产方法，其中蒸汽被用于增强粘性烃材料的流动性。CSS工艺的第一阶段涉及在一时间段内通过一个或多个井将蒸汽注入到含烃的地层中。蒸汽通过井中提供的油管注入。在第二阶段中，停止蒸汽注入，并且将井以这种状态放置另一时间段，该时间段足以使来自注入的蒸汽的热量吸收到储层中。该阶段称为“关井(shut in)”或“浸泡(soaking)”，在此期间降低烃材料的粘度。最后，在第三阶段，生产出来的立即被调集的烃类通常会通过蒸汽注入所使用的相同的井。可以根据需要重复CSS过程。

上面提到的油管通常包括连接在一起的多个同轴管段或管件。各种工具通常沿着油管的长度设置，并同轴连接到相邻的管件上。用于蒸汽注入或烃生产的油管通常沿其长度包括多个孔或端口，特别是在地层的含烃区域中提供油管的区域中。这些端口提供了一种用于将蒸汽和/或其他降粘剂从地表注入储层的方法，和/或用于烃材料从储层向油管以及最终到地表的流入的方法。具有端口的油管段通常还设有一个或多个过滤装置，例如防砂筛网等，其用于防止或减轻井中的沙子和其他固体碎屑进入油管内。

如本领域中已知的，特别是当使用蒸汽来促进重烃材料的生产时，蒸汽优先于所需烃材料进入生产油管。鉴于蒸汽的密度低于烃材料的密度，因此更具移动性或流动性，因此通常会发生这种情况。例如在SAGD操作中面临该问题，在该操作中，来自注入井的蒸汽行进或渗透穿过烃地层，并优先在生产井中产生。

为了解决上述问题，通常采取步骤以限制或“节流”或“阻止”蒸汽流入生产油管，从而提高烃材料的生产率。为此，已经提出了各种喷嘴和其他装置，其被设计成限制蒸汽流入生产油管。在一些情况下，诸如限流器或类似喷嘴之类的装置设置在油管的“基管”上，以阻止蒸汽的流入。这种流量控制装置的例子在专利US9,638,000；US7,419,002；US8,496,059；和US2017/0058655中描述。在本申请人的共同未决的PCT申请WO2019/090425中描述了另一种用于蒸汽阻气的设备，其全部内容通过引用合并于此。

需要改进的流量控制装置，以控制或限制将蒸汽引入生产油管中。

发明内容

一方面，提供了用于控制流入管道的喷嘴，所述管道沿其长度具有至少一个端口，所述喷嘴适于位于所述管道的外部，与至少一个端口中的一个相邻，并且其中，喷嘴阻止蒸汽的流动，同时优先允许烃和含烃液体的流动。

一方面，提供了用于控制从含烃地下储层到生产油管的流体流动的系统，所述系统包括：

-管段，所述管段适用于形成生产油管的一部分，所述管段具有第一端和第二端以及至少一个延伸穿过其壁的端口，用于将储层流体引导到所述管段中；

-至少一个喷嘴，所述喷嘴设置在所述管段上，所述喷嘴具有用于接收储层流体的入口、布置成与至少一个所述端口流体连通的出口、以及在所述入口和所述出口之间延伸的流体输送通道，所述流体输送通道用于沿第一方向从所述入口到所述出口引导储层流体；

-所述流体输送通道具有：

-第一会聚区，所述第一会聚区在所述入口附近，所述第一会聚区在所述第一方向上具有减小的横截面积；

-发散区，所述发散区在所述出口附近，所述发散区具有第一端和第二端，所述第一端具有第一直径，所述第二端位于所述出口处并具有第二直径，其中所述第一直径小于所述第二直径，并且其中所述发散区在所述第一方向上至少其一部分上具有增加的横截面积；以及，

-角部，所述角部限定所述发散区的所述第一端。

另一方面，提供了用于控制从地下储层到设置在管道上的端口的流体流动的喷嘴，所述喷嘴适用于位于与端口相邻的管道的外部，所述喷嘴具有用于接收储层流体的入口、布置成与所述端口流体连通的出口、以及在所述入口和所述出口之间延伸的流体输送通道，用于沿第一方向从所述入口到所述出口引导储层流体；

-所述流体输送通道具有：

-第一会聚区，所述第一会聚区在所述入口附近，所述第一会聚区在所述第一方向上具有减小的横截面积；

-发散区，所述发散区在所述出口附近，所述发散区具有第一端和第二端，所述第一端具有第一直径，所述第二端位于所述出口处并具有第二直径，其中所述第一直径小于所述第二直径，并且其中所述发散区在所述第一方向上至少其一部分上具有增加的横截面积；以及，

-角部，所述角部限定所述发散区的所述第一端。

附图简要说明

在下面的详细描述中，某些实施方案的特征将变得更加明显，在这些详细描述中参考了附图，其中：

图1是根据本发明的一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图1a是图1的喷嘴的入口的端视图。

图2是根据本发明的另一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图3是根据本发明的一方面的流入喷嘴与管道结合的侧面剖视图。

图4是根据本发明的另一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图5是根据本发明的另一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图6a是通过文丘里喷嘴的流体流动特性的示意图。

图6b是通过图1的喷嘴的流体流动特性的示意图。

图7是根据本发明的另一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图7a是图1的喷嘴的入口的端视图。

图8a是图7的喷嘴的一个示例的入口的端视图。

图8b是沿图8a的线B-B截取的喷嘴的侧面剖视图。

图8c是示出了出口的图8b的喷嘴的侧面透视图。

图9a是图7的喷嘴的另一个示例的入口的端视图。

图9b是沿其线B-B截取的图9a的喷嘴的侧面剖视图。

图9c是示出了出口的图9b的喷嘴的侧面透视图。

图10是根据本发明的另一方面的流量控制喷嘴的侧面剖视图。

图11是示出图10所示的喷嘴的一部分及其示例性尺寸的示意图。

图12示出了流过图11的喷嘴的流体的压力变化。

图13是流过图11的喷嘴的流体的归一化流速曲线。

具体实施方式

如本文中所使用的，术语“喷嘴”或“流量控制装置”将被理解为是指控制流过其中的流体的流量的装置。在一个示例中，本文所述的喷嘴是“流入控制装置”或“流入控制喷嘴”，用于控制通过一个端口从地下地层到生产作业的管道中的流体流量。将理解的是，这种喷嘴还可允许流体沿相反方向流动，例如用于注入操作。

本文中可以使用术语“调节”，“限制”，“节气门”和“阻塞”。应当理解，这些术语旨在描述对通过本文所述的喷嘴的流体的流量的调节。如本文中所讨论的，本发明的喷嘴被专门设计为阻止低粘度流体，特别是蒸汽的流动。为了本发明的目的，如果下游压力的进一步降低并未导致流过限制器的流体的速度增加，则认为流体被“阻塞”。即，流体速度受到限制，因此，假设所有其他变量保持不变，则流体的质量流率也受到限制。

术语“烃”是指在地下储层中发现的烃类化合物。烃类化合物的例子包括石油和天然气。从本发明将显而易见的是，本文所述的喷嘴特别适合于包含重油或类似高粘度烃材料的储层。

术语“井筒(wellbore)”是指钻入地下地层，特别是含有烃的地层的井或井筒。

术语“井筒流体(wellbore fluid)”是指进入井筒的包含在储层中的烃类和其他物质。本发明不限于任何特定的井筒流体。

术语“管”或“基管”是指管或其他此类管状构件的一部分。基管可以沿其长度在各个位置处设有一个或多个开口或狭槽，在本文中统称为端口，以允许流体流过。

术语“生产(production)”或“生产(producing)”是指将井筒流体，特别是所需的烃材料从储层带到地面的过程。

术语“生产油管(production tubing)”是指连接在一起并通过井筒从地表延伸到储层中的一系列管或管状物。生产油管可以用于生产井筒流体。

如本文中所使用的，术语“筛网”，“防砂筛网”，“金属丝筛网”或“绕接筛网”是指用于抑制或抑制过滤的已知过滤或筛网装置，该装置是用于抑制或防止储层中的沙子或其他固体物质流入生产油管的装置。这种筛网可以包括绕接筛网、精密冲孔筛网，优质筛网或在基管上提供的以过滤流体并形成环形流动通道的任何其他筛网。本发明不限于本文描述的任何特定筛网。

在本发明中可以使用术语“包括(comprise)”，“包括(comprises)”，“包含(comprised)”或“包含(comprising)”。如本文中所使用的(包括说明书和/或权利要求书)，对于相关领域的普通技术人员而言显而易见的是，这些术语将被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，而不是排除一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其群组。

在本发明中，可以使用术语“顶部”，“底部”，“前部”和“后部”。将理解的是，这些术语的使用纯粹是为了使本发明容易理解的目的，除非另有说明，否则不意图以任何方式进行限制。例如，除非另外指出，否则这些术语无意于限制所描述的元件或结构的方向或位置。

本发明涉及一种流量控制装置或喷嘴，特别是一种流量控制装置，用于控制或调节从储层到生产油管的流体流量。如上所述，通常需要这种调节以便优先产生所需的烃材料而不是不希望的流体，例如蒸汽。如上面也讨论的那样，通常发生蒸汽的产生，例如在SAGD操作中，因为蒸汽的密度比许多烃材料(例如重油等)低得多。蒸汽比重油更易流动，它们也优先流向并进入生产油管。一方面，本文所述的喷嘴用于节流或调节蒸汽进入生产油管的流入。

如本领域技术人员将理解的，本文描述的喷嘴优选地被设计为包括为与管道相关联的设备的一部分，该设备的示例在图3中示出(在下文进一步讨论)。即，喷嘴适于在管道上提供的一个或多个端口的附近固定至管道，并用于在过滤以去除固体材料之后控制进入管道的流体的流动。可以通过任何方式将喷嘴保持在所需的位置，例如通过通常与防砂装置(例如绕线筛网等)相关的套环等。一方面，本发明的喷嘴可以位于或定位在切入管道或管壁的狭槽或开口内。将理解的是，将喷嘴固定到管道的装置和方法不限于本文提供的具体描述，并且可以使用任何其他装置或方法，同时仍然保留本文所述的功能。

图1和图1a示出了根据本发明的喷嘴的一方面。如图所示，喷嘴10包括大致圆柱形的主体(如图8c和9c中的示例所示)，其具有入口12和出口14以及延伸穿过其中的通道。流体沿箭头11所示的方向流过喷嘴10。入口12从储层(未显示)接收流体。在通过喷嘴10之后，流体通过出口14排出。在入口12和出口14之间延伸的通道包括由喉部16限定的收缩区域。更具体地说，如图1所示，入口12设置有入口直径d1的喉部，而位于入口下游的喉部16具有小于d1的喉道直径d2。出口14设置有出口直径d3，其大于d2，并且在一方面，其大于d1。在其他方面，出口直径d3可以在尺寸上等于或小于d1。然而，如从本发明的理解，d3优选大于d1。

入口12形成有逐渐变窄的开口13，其形成减小横截面积的区域。根据一方面，开口13优选地具有光滑的壁。因此，开口13具有大致漏斗状的形状。

入口12延伸至喉部16，在此处开口的直径减小至d2。喉部16可以是具有恒定直径或横截面积的任何长度。

从本发明中可以理解，从入口12延伸到喉部16的开口13的长度和喉部16的长度可以是任意大小，并且可以根据所产生的流体的特性而变化。特别地，如下所述，变窄的开口13和喉部16的目的是增加速度并减小流过其中的流体的压力。因此，本领域技术人员将基于所讨论的储层中的流体的性质来理解获得该结果所需的开口的长度。在图4中示出了根据本发明的并且具有细长的喉部截面的喷嘴的示例，并且在下面进一步描述。

从喉部16沿方向11延伸的通道部分具有增大的直径，直到至少出口14的直径d3为止。这样，从入口12延伸到喉部16的喷嘴通道的部分包括会聚部分18，从喉部16到出口14的通道的部分(即在方向11上)包括发散部分20，该发散部分通向膨胀区或压力恢复区24。可以理解，在区域20中，流动流体的速度降低，导致压力增加。在图1中，喷嘴通道被示出为到达出口14上游的直径d3。可以理解为，在其他方面，喉部16下游的通道可具有连续增大的直径，其横截面积增大直至出口14。

如图1所示，由会聚部分18和发散部分20组成的喷嘴10的通道在结构上可能看起来大致类似于文丘里喷嘴(例如专利US9,638,000中所教导的那样)。如本领域中已知的，文丘里喷嘴包括喉部，该喉部导致用于流体流动的会聚部分和发散部分。文丘里喷嘴的会聚部分和发散部分以及喉部包括光滑的弯曲表面，其中会聚部分和发散部分包括光滑的圆锥形表面。这种没有表面缺陷的文丘里喷嘴，通过利用文丘里效应，即流过喉部的流体的速度逐渐增加和伴随的压力降低，然后通过速度逐渐降低，来产生所需的流量特性喉部之后的发散区中的压力增加，即压力恢复。因此，对于文丘里喷嘴，由于流体的膨胀而导致的流体压力恢复在整个发散部分上发生。

与文丘里喷嘴相反，图1的喷嘴10包括尖锐的过渡角、尖角或边缘22(在本文中称为“角部”)，其限定了从喉部16到发散部分20的相对快速的过渡。一方面，角部22由数学上不可微(differentiable)的表面限定。使用喷嘴10，流动流体的膨胀在角部22的特定位置或特定点处迅速发生。不受任何特定理论的约束，可以认为流动流体在角部22处经历了普朗特-迈耶膨胀(Prandtl-Meyer expansion)，这与文丘里喷嘴通常产生的逐渐膨胀相反。这种普朗特-迈耶膨胀或普朗特-迈耶膨胀“扇”的产生，特别是发生在当流过喉部16的流体处于或接近声速(即马赫数等于或大于1)时。

因此，利用主体喷嘴10的结构，特别是在存在角部22的情况下，流过喷嘴10的通道的热流体(例如蒸汽或热气体)在喉管16中受到压降并闪蒸(即，喉部内的压降低到流体的蒸气压以下)。然后使流动流体在角部22处混合。在没有蒸汽或蒸汽浓度低于某个值的情况下，流体的蒸汽压低于喉部16中的压力，因此，保持了流体的流速。因此，与已知的文丘里喷嘴相比，本发明的喷嘴10在蒸汽阻塞方面提供了改进。

更具体地说，在不受任何特定理论约束的情况下，从储层流入生产油管的流体可以包括以下一种或多种：“冷流体”，由单相蒸汽/水和烃组成；“热流体”，包括多于一个的相，尤其是蒸汽相和液态烃相；蒸汽，特别是湿蒸汽，其也可以包含烃组分但仍将构成单相。本文所述的喷嘴主要设计用于将“热流体”或多相流体转换成单相。

当湿蒸汽或热流体和蒸汽混合物流过当前描述的喷嘴时，会聚部分将引起流体流动的加速，即，流体速度的增加。速度的这种增加与流体压力的相应减小有关。产生的压降通常将导致蒸汽与流体混合物的分离，从而导致更离散的蒸汽相。理想地，在流体到达角部22之前，蒸汽将被完全分离并且将与流动流体的水含量达到平衡状态。一旦从其余的流体中移出并进入单独的相，可以理解为，蒸汽在通过喷嘴时将具有增加的速度。该增加的速度被认为充当流体液相的载体。可以理解为，通过本文所述的喷嘴实现的速度的增加用于进一步增加流体的压降，其中，根据伯努利原理，这种压降与流速的平方成比例。换句话说，流体速度的增加导致压降的指数增加。因此，一方面，本文所述的喷嘴通过以独特的方式增加流体速度来实现更大的压降。

在角部22之后的喷嘴的膨胀区24用作压力恢复室，在该压力恢复室中，流动流体的总压力增加或“恢复”。在膨胀区24中，流体的蒸汽/水(处于平衡状态)相和烃相被合并成单相。优选地，在膨胀区24中，流体压力被增加到规定的出口压力，以便避免在喷嘴内形成冲击波。与已知的文丘里喷嘴中的长的逐渐膨胀部分相比，目前描述的喷嘴的尖的角部22为压力恢复提供了立即和初始的膨胀。因此，通过将本文所述的喷嘴与角部22一起使用，可以以相对较短的喷嘴保持高质量(即富含烃)的流量。

图6a和6b示出了如图1所示的具有角部22的典型文丘里喷嘴600和喷嘴10之间的上述流动特性。在图6a和6b中分别通过波反射轮廓线602和604示出了流动特性。

图2示出了当前描述的喷嘴的另一方面，其中相似的元件用与上述相同的附图标记表示，但是具有前缀“1”。如图所示，喷嘴110包括主体，该主体具有入口112，出口114和设置在它们之间的通道。该通道包括由喉部116隔开的会聚部分118和发散部分120。与喷嘴的前述方面一样，图2的喷嘴110包括具有尖锐的角部分122的喉部116。入口112、喉部116和出口114的各自直径如前那样由d1、d2和d3示出。喷嘴110还包括由壁113限定的与入口112相邻的区域。壁113可限定恒定的横截面积的区域或沿流动方向11具有减小的直径的区域。

如图所示，当以横截面观察时，图2的喷嘴110包括由圆锥形部分限定的喉部116。限定会聚部分118的壁被设置为角度θ1，而限定圆锥形发散部分120的壁被设置为角度θ2，其中，相对于喷嘴110的纵轴测量θ1和θ2，或者换句话说，流量11的方向。如图所示，θ1和θ2均为锐角，从而形成角部122。

图3示意性地示出了包括管道的流体流量控制系统或设备，该管道设置有至少一个如本文所述(上面和下面)的喷嘴。如图所示，管道300包括细长的管状主体，该管状主体沿其长度方向具有多个端口302。端口302允许管道的外部与其内部或内腔之间的流体连通。通常，用于生产的管道(即生产油管)通常包括筛网304，例如绕接筛网(wire-wrapscreen)等，用于筛掉进入管道的流体。筛网304用于防止来自井筒的沙子或其他微粒碎屑进入管道。筛网304设置在管道300的表面上方，并通过套环306或任何其他这种保持装置或机构保持在适当位置。

可以理解为，尽管通常使用这种筛网，但是本发明的系统不一定需要筛网的存在。本发明也不限于任何类型的筛网304或筛网保持装置或机构306。

本发明也不限于任何数量的端口302。此外，将理解的是，尽管示出了筛网304的存在，但是并不基于存在这样的筛网来确定当前描述的喷嘴的使用。因此，即使在没有任何筛网304的情况下，当前描述的喷嘴也可以在管道300上使用。应当理解，在不使用筛网的情况下，诸如夹具306之类的保持装置，仍然可以将其利用以将喷嘴210固定到管道300上。或者，可以将喷嘴210以本领域技术人员已知的任何其他方式固定到管道上。

如图3所示，根据本发明的喷嘴通常在210处示出。将理解的是，喷嘴210的图示是示意性的，并不旨在将喷嘴的结构限制为任何特定的形状或结构。因此，图3的喷嘴210可以由如图1和图2所示的上述喷嘴之一或根据本发明的任何其他喷嘴构造组成。

如图3所示，喷嘴210位于管道300的外表面上并且位于端口302的近侧。特别地，喷嘴的出口214被定位成使得离开喷嘴210的流体进入端口302。进一步地，通过将喷嘴210定位在筛网304的下游，在进入喷嘴210之前，流体被滤去碎屑等。如图3示意性示出，并且如本申请的其他附图所示，通过的喷嘴的通道通常与管道300的纵轴对准，并且通常与管道300的纵轴平行。因此，将理解的是，将在喷嘴出口214和端口302之间提供某种形式的转向装置，以使流体从出口214转向端口302。这种分流器的例子在WO2019/090425中提供。

在使用中，管道300设置有喷嘴210，并且在需要时设置有筛网304。然后将管道300插入井筒中以开始生产过程。在生产期间，如308所示，井筒流体穿过筛网304(如果存在的话)并被转向喷嘴210。如上所述，喷嘴210具有带有会聚部分和发散部分的通道。在井筒流体主要包含所需烃(例如油和重油等)的情况下，通过喷嘴210的流量不中断，并且此类流体进入端口302并进入管道或生产油管300。但是，在流体308处喷嘴包括蒸汽(如在SAGD操作中在蒸汽突破中会发生的情况)，喷嘴如上所述发挥功能，并有效地阻止了此类低密度流体的流动。沿管道长度的其他部分将继续产生所需的烃。结果，在整个长度上，管道或生产油管将优先生产烃，同时在发生蒸汽突破的那些区域阻塞蒸汽流。

应当理解，尽管本发明主要针对蒸汽流入的阻塞，但是目前所描述的喷嘴也可以用于阻塞其他“不期望的”流体的流动，例如与期望的烃结合发现的水和气体，或其他注入地层的低密度流体，例如粘度调节剂、溶剂等。

图4中示出了本发明的另一方面,其中与图1的元件相似的元件用与上述相同的附图标记标识，但是为了方便起见以前缀“4”标识。在图4中，喉部416比图1所示的喉部16长。这种细长的喉部形成管道区26，该管道区26具有基本上恒定的横截面积，该管道区流体地连接会聚部分418和发散部分420。由于上述原因，还优选地在喉部416和膨胀区424之间的过渡点处设置边缘422。如图所示，并且根据一方面，管道区26可具有恒定的直径，该直径对应于如上所定义的直径d2。如上所述，利用图4的喷嘴，会聚部分418具有平滑的弯曲形状，并由开口413形成，这有助于单相液体和不需要的湿蒸汽的流入。与图1的喷嘴10一样，由于这种流体的更高粘度，喷嘴410的光滑壁的会聚部分418促进了单相液体从中流过。会聚部分418下游的管道区26具有恒定的横截面积，其作用是进一步促使蒸汽成分与流体分离并达到平衡状态。因此，管道区26用于进一步加速通过其中的流体，并进一步增大上述压降。一方面，在需要在湿蒸汽/水闪蒸的情况下产生更高的压降的情况下，具有管道区26的喷嘴410将是优选的。在管道区26的下游，流速与体积流速成比例。因此，当蒸汽与流体完全分离时，体积流量将增加，并且压降(即，压差)将相应地增加。

在一个示例中，图4所示的喷嘴410和图1所示的喷嘴10可以具有以下尺寸：

d1	10mm
		d2	4mm
d3	7mm
		L1	20mm
L2	15mm
		L3	100mm

将理解的是，本文所述的喷嘴的尺寸将基于预期用途而变化。例如，喉部的直径d2通常将由储层的压力和所需的生产率决定。通常，喷嘴的长度将是固定的，因为它将受到生产阶段所用设备的限制。

图5示出了本发明的另一方面，其中，与图1的元件相似的元件用与上述相同的附图标记标识，但是为了方便起见以前缀“5”标识。如图所示，图5所示的喷嘴510在结构上与图4的喷嘴410相似。但是，该喷嘴的管道区(标识为28)没有恒定的横截面积。相反，喷嘴510的管道区28在横截面中包括会聚和发散的轮廓，该轮廓由在最窄点处具有直径d4的狭窄区30形成。如图所示，直径d4小于直径d2。因此，图5的喷嘴包括串联的两个收缩区域。管道区28的这种几何形状将用于进一步加速流过管道区28的流体，从而增强上述效果。尽管示出了管道区28的相对端具有相同的直径d 2，但这仅是示例性的，并且应当理解，相对端也可以具有不同的直径。在任一情况下，直径d4仍将小于相对端的直径。

在一个示例中，关于图4的喷嘴，图5中所示的喷嘴510可以具有与上表中提供的尺寸相同的尺寸。尽管在表中未列出，但是管道区28的直径d4为应该理解为具有小于直径d2的尺寸。

图7以及相关的图7a示出了描述的另一方面，其中，与已经引入的元件相似的元件用前缀“7”标识。图7中所示的喷嘴710类似于图4中所示的喷嘴，并且类似地包括具有入口712和出口714以及延伸穿过其中的通道的大致圆柱形的主体。如图所示，喷嘴710的入口712形成有开口713，开口713具有在第一曲率半径θ3处提供的会聚直径。在开口713的下游(即，在流动方向11上)设置有喉道716。喉部的曲率半径θ4小于θ3。换句话说，如图7所示，喉部716比图4所示的喉部416长，并且横截面积的变化小于开口713的变化。

喉部716还包括在726处示出的管道区，该管道区类似于图4所示的管道区26并且具有与上述相同的功能。喷嘴710还包括在喉部716的管道区726和形成膨胀区724的发散部分720之间的过渡点722。膨胀区724在出口714处终止。与图4相比，喷嘴710是细长的。

在一示例中，图7的喷嘴可具有5.512英寸的总长度，直径为0.55英寸的入口712和直径为0.453英寸的出口714。开口713的长度可以是0.395英寸，其曲率θ3从入口712的直径(即0.55英寸)开始，并且以在喉部716之前的直径0.195英寸结束。喉部716的变窄入口的长度可以是0.393英寸，并且可以具有2.76度的曲率度θ4，由此该区域的直径在管道区726处从0.195英寸减小到0.157英寸。区域726可以是0.788英寸并且具有0.157英寸的恒定直径。膨胀区724的长度(从过渡点722延伸到出口714)可以是3.936英寸。

图7的喷嘴的上述示例在图8a，8b和8c中进一步示出。在图9a，9b和9c中示出了相同喷嘴但是尺寸不同的另一个例子。将理解的是，前述尺寸以及在前述附图中示出的尺寸涉及特定示例，并且无意于限制本发明的范围。尺寸还将被理解为基于可接受的制造公差而变化。

图10示出了根据本发明的喷嘴的另一方面，其类似于图5中所示的喷嘴。如图10所示，喷嘴810如前所述包括具有入口812和出口814的大致圆柱形的主体以及延伸穿过其中的通道，其中，该通道通常在膨胀区之前包括两个收缩区域。流体沿箭头11所示的方向流过喷嘴810。与先前描述的喷嘴一样，入口812从容器(未显示)接收流体。在通过喷嘴810之后，流体通过出口814排出。在入口812和出口814之间延伸的通道分别包括靠近入口812和发散区824的第一会聚区和第二会聚区，815和817。第二会聚区817由喉部816形成。应当理解，第二会聚区817类似于如上关于图5所示的方面所定义的“管道区”。

如图10所示，第一会聚区815由具有逐渐变窄或减小的壁813形成，直径范围为从入口812的d1到喉部816开始的点821的减小的直径d2。

喉部816形成第二会聚区817，并且在喷嘴810的通道中包括变窄的区域或收缩部。更特别地，如图10所示，位于第一会聚区815的入口的下游(即，沿箭头11的方向)和下游的喉部816设置有喉部直径d4，该喉部直径d4小于尺寸d2。如上所述，第二会聚区817在过渡点821处开始，如图10所示，与第一会聚区815逐渐减小的直径相比，直径从d2减小到d4。第二会聚区817和喷嘴810的通道的最窄直径具有上述直径d4。在更下游(沿箭头11的方向)，第二会聚区817的直径增大，并且通常可以在通道中的点或角部822返回到直径d2。将理解的是，在发明的一些方面，在角部822处的直径d2也可以大于或小于d2。例如，这在图11(下面进一步讨论)中示出，其中，角821和822的角度相对于喷嘴810的纵轴所取的角度，分别是θ1和θ2，是不同的。

出口814的出口直径d3大于d2或d4，并且在一方面，大于d1。

从第二会聚区817的端部延伸(即角部822)到出口814(即，沿方向11)的通道的部分形成喷嘴810通道的发散区824，并且该部分具体增长的直径，从d2直到至少出口814的直径d3。一方面，如图10所示，发散区824由壁820形成，该壁820的直径沿从角部822到出口814的方向(即沿箭头11的方向)逐渐增大。如上所述，发散区824也可以被称为压力恢复区。

在图10中，喷嘴810的发散区824被示为具有从喉部816到出口814的逐渐增大的直径。但是，在其他方面，直径d3可以到达出口814的上游，在这种情况下，通道末端的一部分(即靠近出口814的部分)的恒定的直径d3可以一直延伸到出口814。

如图10所示，喷嘴810包括在会聚区815和发散区824之间的狭窄的喉部816。发明人已经发现由喉部816形成的附加的狭窄区817导致期望的流体流动特性。利用主体喷嘴810的结构，流过喷嘴810的通道的热流体(例如蒸汽或热气体)在喉管816中经受压降并闪蒸(即，喉管内的压力为降低到低于流体的蒸气压)。然后，当流动的流体进入膨胀区24时，进行混合。在不存在蒸汽或蒸汽浓度低于某个值的情况下，流体的蒸汽压将低于通过喉部16的流动所施加的压力，因此，将保持流体的流速。因此，与已知的文丘里喷嘴相比，喷嘴810在蒸汽阻塞方面提供了改进。

更具体地，并且不受任何特定理论的束缚，从储层流入生产油管的流体可以包括以下一种或多种：“冷流体”，其包括蒸汽/水和烃的单相；“热流体”，包括多于一个的相，尤其是蒸汽相和液态烃相；蒸汽，或更特别地是湿蒸汽，其也可以包含烃组分但仍构成单相。本文所述的喷嘴主要设计用于将热流体转化为单相。

当湿蒸汽或热流体和蒸汽混合物流过当前描述的喷嘴时，会聚区815和817将引起流体流动的加速，并因此增加流体速度。速度的这种增加与流体压力的相应减小有关。产生的压降通常将导致蒸汽与流体混合物分离，从而导致更离散的蒸汽相。理想地，在流体到达膨胀区824之前，蒸汽将被完全分离并且将与水含量达到平衡状态。一旦从其余的流体中移出并进入单独的相，可以理解为，蒸汽在通过喷嘴时将具有增加的速度。该增加的速度被认为充当流体液相的载体。可以理解为，通过本文所述的喷嘴实现的速度的增加用于进一步增加流体的压降，其中，根据伯努利原理，这种压降与流速的平方成比例。换句话说，流体速度的增加导致压降的指数增加。因此，一方面，本文所述的喷嘴通过以独特的方式增加流体速度来实现更大的压降。

跟随喉部816的喷嘴的膨胀区824用作压力恢复室，在该压力恢复室中，流动流体的总压力增加或“恢复”。在膨胀区824中，流体的蒸汽/水相(处于平衡状态)和烃相被合并为单相。优选地，在膨胀区824中，流体压力被增加到规定的出口压力，以便避免在喷嘴内形成冲击波。

利用本文所述的喷嘴，会聚区815和817具有光滑的弯曲形状，这有助于单相液体和不需要的湿蒸汽的流入。喷嘴810的第一会聚区815，优选具有光滑的壁，由于这种流体的较高粘度而促进单相液体从中流过。在第一会聚部分815下游的喉部816的作用是进一步促使蒸汽成分与流体分离并达到平衡状态。如上所述，喉部816也可以包括光滑的壁表面。因此，喉部816用于进一步加速从中流过的流体，并进一步增大上述压降。在喉部816的下游，流速与体积流速成比例。因此，当蒸汽与流体完全分离时，体积流量将增加，并且压降(即，压差)将相应地增加。

图11示出了图10所示的喷嘴的一部分的细节，其中示出了喷嘴810的各个部分的示例性尺寸。图11示出了喷嘴810的通道的壁的一部分。在轮廓上，其中标识了第一会聚区815的壁813，第二转换区817的喉部816和发散区824的壁820。应当理解，图11所示的所有尺寸，包括长度、半径和角度，都旨在说明本文所述的喷嘴810的一个示例。图11所示的尺寸或其他细节无意以任何方式限制本发明的范围。

可以以与上文所讨论的相同的方式来使用喷嘴810，例如参考图3。如上所述，如上所述，喷嘴810可以与合适的转向装置相结合。使从喷嘴流出的流体被引导到装有喷嘴的管道的入口。

图12示出了流过本文所述的喷嘴810的流体的压力变化，特别是在图11中示出。在图12中，x轴对应于沿喷嘴810的长度的位置，而y轴对应于每个位置的压力。图12中的曲线示出了如何从第一会聚区815(如图12中的830所示)开始，特别是从喉部816(如832中所示)开始在喷嘴810上产生压降，以及如何压力在发散区824中恢复(如834所示)。

图13示出了流过图11中所示的喷嘴810的流体的归一化流速曲线。图13的x轴是过冷指数，它是归一化的过冷温度，而y轴是归一化的流速，其是在冷水下通过喷嘴810的流体流速与在闪蒸条件下的流速之比。可以理解，在较高的过冷指数下，喷嘴在闪蒸条件下会受到更多的限制，从而导致更好的喷嘴性能。如图13中所示，与正常端口的0％(即不使用喷嘴的情况)相比，本文所述的喷嘴810实现了约63％的蒸汽阻塞(如836所示)。

如将理解的，尽管本发明主要针对蒸汽流入的阻塞，但是当前描述的喷嘴也可以用于阻塞其他“不期望的”流体的流动，诸如水和气体或注入的其他流体进入地层，例如粘度调节剂、溶剂等。

在本发明中，喷嘴的流体通道已被描述为具有光滑的壁。然而，在某些情况下，壁可以设置有粗糙或阶梯状的饰面。

尽管以上描述包括参考某些特定实施方案，但是其各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。本文提供的任何示例仅出于本发明的目的而包括在内，而无意以任何方式进行限制。特别地，本发明中提及的任何特定尺寸或数量仅旨在示出一个或多个特定方面，而不旨在以任何方式限制本发明。本文提供的任何附图仅出于说明各个方面的目的，而无意于按比例绘制或以任何方式进行限制。所附权利要求书的范围不应由以上描述中提出的优选实施方案来限制，而应给予与本发明整体一致的最宽泛的解释。本文引用的所有现有技术的公开内容通过引用整体并入本文。

Claims (30)

1.用于控制从含烃地下储层到生产油管的流体流动的系统，所述系统包括：

-管段，所述管段适用于形成生产油管的一部分，所述管段具有第一端和第二端以及至少一个延伸穿过其壁的端口，用于将储层流体引导到所述管段中；

-至少一个喷嘴，所述喷嘴设置在所述管段上，所述喷嘴具有用于接收储层流体的入口、布置成与至少一个所述端口流体连通的出口、以及在所述入口和所述出口之间延伸的流体输送通道，所述流体输送通道用于沿第一方向从所述入口到所述出口引导储层流体；

-所述流体输送通道具有：

-第一会聚区，所述第一会聚区在所述入口附近，所述第一会聚区在所述第一方向上具有减小的横截面积；

-发散区，所述发散区在所述出口附近，所述发散区具有第一端和第二端，所述第一端具有第一直径，所述第二端位于所述出口处并具有第二直径，其中所述第一直径小于所述第二直径，并且其中所述发散区在所述第一方向上至少其一部分上具有增加的横截面积；以及，

-角部，所述角部限定所述发散区的所述第一端。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个喷嘴包括基本上圆柱形的主体。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述角部在数学上是不可微的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述流体输送通道还包括：

-第二会聚区，在所述第一会聚区和所述发散区之间，所述第二会聚区限定喉部，所述喉部具有靠近所述第一会聚区的收缩部分和靠近所述发散区的扩张部分。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二会聚区的横截面积的减小率大于所述第一会聚区的横截面积的减小率。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述第二会聚区在所述收缩部分和所述扩张部分之间包括恒定的横截面部分。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述发散区的长度大于所述第一会聚区或所述第二会聚区的长度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述第一会聚区的长度大于所述第二会聚区的长度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述喷嘴出口的直径大于或等于所述喷嘴入口的直径。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述发散区具有直至所述喷嘴出口的增大的横截面积。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述发散区在靠近所述喷嘴出口的部分处具有恒定的横截面积。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述喷嘴的所述流体输送通道沿其长度具有基本上光滑的表面。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，还包括设置在所述喷嘴出口与所述端口之间的流体分流器。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，还包括用于过滤储层流体的筛网，并且其中所述筛网设置在所述喷嘴入口附近。

15.根据权利要求14所述的系统，还包括用于将所述筛网保持在所述管道上的保持装置，并且其中，所述保持装置包括用于接收所述喷嘴的至少一部分的凹部。

16.用于控制从地下储层到设置在管道上的端口的流体流动的喷嘴，所述喷嘴适用于位于与端口相邻的管道的外部，所述喷嘴具有用于接收储层流体的入口、布置成与所述端口流体连通的出口、以及在所述入口和所述出口之间延伸的流体输送通道，用于沿第一方向从所述入口到所述出口引导储层流体；

-所述流体输送通道具有：

-第一会聚区，所述第一会聚区在所述入口附近，所述第一会聚区在所述第一方向上具有减小的横截面积；

-发散区，所述发散区在所述出口附近，所述发散区具有第一端和第二端，所述第一端具有第一直径，所述第二端位于所述出口处并具有第二直径，其中所述第一直径小于所述第二直径，并且其中所述发散区在所述第一方向上至少其一部分上具有增加的横截面积；以及，

-角部，所述角部限定所述发散区的所述第一端。

17.根据权利要求16所述的喷嘴，其中，所述至少一个喷嘴包括基本上圆柱形的主体。

18.根据权利要求16或17所述的系统，其中，所述角部在数学上是不可微的。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中，所述流体输送通道还包括：

-第二会聚区，在所述第一会聚区和所述发散区之间，所述第二会聚区限定了喉部，所述喉部具有靠近所述第一会聚区的收缩部分和靠近所述发散区的扩张部分。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二会聚区的横截面积的减小率大于所述第一会聚区的横截面积的减小率。

21.根据权利要求19或20所述的系统，其中，所述第二会聚区在所述收缩部分和所述扩张部分之间包括恒定的横截面部分。

22.根据权利要求16至21中任一项所述的系统，其中，所述发散区的长度大于所述第一会聚区或所述第二会聚区的长度。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的系统，其中，所述第一会聚区的长度大于所述第二会聚区的长度。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的系统，其中，所述喷嘴出口的直径大于或等于所述喷嘴入口的直径。

25.根据权利要求16至24中任一项所述的系统，其中，所述发散区具有直至所述喷嘴出口的增大的横截面积。

26.根据权利要求16至24中任一项所述的系统，其中，所述发散区在靠近所述喷嘴出口的部分处具有恒定的横截面积。

27.根据权利要求16至25中任一项所述的系统，其中，所述喷嘴的所述流体输送通道沿其长度具有基本上光滑的表面。

28.根据权利要求16至27中任一项所述的系统，还包括设置在所述喷嘴出口与所述端口之间的流体分流器。

29.根据权利要求16至28中任一项所述的系统，还包括用于过滤储层流体的筛网，并且其中，所述筛网设置在所述喷嘴入口附近。

30.根据权利要求29所述的系统，还包括用于将所述筛网保持在所述管道上的保持装置，并且其中，所述保持装置包括用于接收所述喷嘴的至少一部分的凹部。

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