專利名稱：使用可移動的流動轉(zhuǎn)向器組件控制流體流動的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在具有可移動的流控裝置的地下井中控制流體流動的裝置和方法，所述可移動的流控裝置響應流體流動的特性變化而啟動。
背景技術：
在穿越地下地層的井的竣工期間，把生產(chǎn)管和多種設備安裝在井中以啟動地層流體的安全有效生產(chǎn)。例如，為控制產(chǎn)出流體進入生產(chǎn)管的流速，通常的做法是在管柱內(nèi)安裝一個或多個流入控制設備。地層通常在產(chǎn)出流體中產(chǎn)出多種組分，即天然氣、石油和水。通常期望減少或防止產(chǎn)出一種組分以利于另一種組分的產(chǎn)出。例如，在石油生產(chǎn)井中，可能需要使天然氣的產(chǎn)量最小化，使石油產(chǎn)量最大化。雖然已經(jīng)使用多種井下工具進行流體分離和控制產(chǎn)出流體，但用于控制地層流體流入的設備是仍有必要的。此外，這樣的流體流控設備是有必要的，它能在井的使用期限內(nèi)，當流體隨著時間的推移而變化時，響應其流動特性的變化，無需操作者進行干預。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的在于提供用于控制流體(如地層流體)流過設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道的裝置和方法。響應流體流動特性(如密度)的變化自主地控制流體流動。在一個實施例中，流體轉(zhuǎn)向器可響應流體密度的變化在打開與關閉位置之間移動，并且其操作可限制流體流過閥組件入口。轉(zhuǎn)向器是可樞轉(zhuǎn)的、可轉(zhuǎn)動的或可以別的方式響應流體密度的變化而移動的。在一個實施例中，轉(zhuǎn)向器的操作可控制流體通過兩個閥入口的流量比。流體流量比用于操作閥構件以限制流體通過閥的流動。在其它實施例中，流體轉(zhuǎn)向器響應流體中的密度變化而移動，從而影響流體在管道中的流動模式，由流動模式的變化操作閥組件。


為了更全面地理解本發(fā)明的特征及優(yōu)點，現(xiàn)在參考本發(fā)明的詳細說明以及附圖， 其中不同附圖中的相應數(shù)字是指相應的部件，其中圖1是包括多個根據(jù)本發(fā)明的自主流體控制組件的井系統(tǒng)的示意圖；圖2是流控裝置的一個實施例的部分截面的側(cè)視圖，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述流控裝置具有樞轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向器臂，并且在密度較高的流體中；圖3是流控裝置的一個實施例的部分截面的側(cè)視圖，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述流控裝置具有樞轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向器臂，并且在密度較低的流體中；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的示例性流體閥組件的詳細側(cè)截面視圖；圖5是沿圖4中的線A-A截取的端視圖；圖6是圖2的閥組件的截面的底視圖，其中閥構件處于關閉位置(所述裝置在相對高密度的流體中)；圖7是圖3的閥組件的截面的底視圖，其中閥構件處于打開位置(所述裝置在相對低密度的流體中)；圖8是具有根據(jù)圖2的轉(zhuǎn)向器構造的流體流控裝置的正交視圖；圖9是流控裝置的另一實施例的正視圖，所述流控裝置具有根據(jù)本發(fā)明的一個方面的轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向器；圖10是圖9的流控裝置的分解視圖；圖11是流控設備端部與根據(jù)本發(fā)明的一個方面的流控裝置配合使用的示意流動圖；圖12是圖9的流控裝置的側(cè)截面視圖，其中所示的轉(zhuǎn)向器處于關閉位置，所述裝置在密度較低的流體中；圖13是圖9的流控裝置的側(cè)截面視圖，其中所述裝置在密度較高的流體中；圖14是圖9的流控裝置的截面的詳細側(cè)視圖；圖15是說明浮力原理的示意圖；圖16是說明浮力對具有不同密度和不同體積浸在流體空氣中的物體的影響的示意圖；圖17是說明浮力對具有不同密度和不同體積浸在流體天然氣中的物體的影響的示意圖；圖18是說明浮力對具有不同密度和不同體積浸在流體石油中的物體的影響的示意圖；圖19是本發(fā)明的一個實施例的示意圖，說明在不同相對密度流體中的相對浮力和位置；圖20是本發(fā)明的一個實施例的示意圖，說明在不同相對密度流體中的相對浮力和位置；圖21是流控裝置的另一實施例的正視圖，所述流控裝置具有根據(jù)本發(fā)明的一個方面改變流向的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器；圖22顯示圖21的裝置，其處于流體流動受限最低的位置。圖23到圖沈是圖21中的關閉裝置的側(cè)截面視圖。圖27是流控裝置的另一實施例的側(cè)截面視圖，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述流控裝置具有轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件，顯示處于打開位置；和圖觀是圖27中所示的實施例的側(cè)截面視圖，具有轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件，顯示處于關閉位置。
具體實施例方式本領域技術人員應該理解的是，方向性術語(如上面、下面、上、下、向上、向下等) 的使用涉及在附圖中描述它們的示例性實施例，向上方向朝向相應附圖的頂部，向下方向朝向相應附圖的底部。若情況不是這樣，則術語是用來指出所需的方向，說明書中將會作出說明，或者通過清楚的方式或上下文的方式使之明確。上游和下游用來指示相對于地表的位置或方向，其中上游指示沿井筒朝地表的相對位置或移動，下游指示沿井筒遠離地表的相對位置或移動。雖然下面詳細討論了本發(fā)明的各實施例中的制造和使用，但本領域中的實施人員可意識到，本發(fā)明提供的是可以在各種具體情況下實施的適用的創(chuàng)新概念。本文中討論到的具體實施例是對本發(fā)明中的制造和使用的具體方式的說明，并非界定本發(fā)明的范圍。圖1是一般以附圖標記10表示的井系統(tǒng)的示意圖，包括多個體現(xiàn)本發(fā)明原理的自主密度驅(qū)動的流體控制組件。井筒12延伸穿過各地層。井筒12具有基本上立式的段14， 其上部分中已安裝有套管柱16。井筒12還具有基本上偏斜的段18，圖中顯示為水平的，其延伸穿過含烴地下地層20。管柱22設置在井筒12內(nèi)并從地表延伸。管柱22提供將地層流體從地層20向上游移動到地表的導管。多個流體控制組件25和多個生產(chǎn)管道段M設置在與地層20相鄰的各生產(chǎn)層段中的管柱22內(nèi)。在每個生產(chǎn)管道M的任一側(cè)是提供管柱22與井筒12的壁之間的流體密封的封隔器26。生產(chǎn)層段由每對相鄰的封隔器沈限定。在示出的實施例中，每個生產(chǎn)管道段M具備防砂能力。與生產(chǎn)管道段M相關的防砂篩件或過濾介質(zhì)被設計成能允許流體流過，但阻止足夠尺寸的顆粒物質(zhì)流過。與流體流控設備M相關的篩件的確切設計對本發(fā)明并不重要，只要其設計成適合地層流體的特性并適合要實施的任何處理操作就行。用在本文中的術語“天然氣”是指在室內(nèi)溫度和壓力下存在于氣相中的烴(和不同量的非烴)的混合物。該術語并不表示天然氣在發(fā)明系統(tǒng)的井下位置處于氣相狀態(tài)。事實上，可以理解的是，可供使用流控系統(tǒng)的位置處的壓力和溫度使得其中天然氣最主要地呈液化態(tài)，不過也可以存在其它組分，并且一些組分可以呈氣態(tài)。創(chuàng)新的概念對液體或氣體或這兩者都存在的情況均有效。流入生產(chǎn)管道M的地層流體通常包含不止一種流體組分。典型的組分有天然氣、 石油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽、水和二氧化碳通常用作注入流體以朝向生產(chǎn)管道驅(qū)動烴， 而天然氣、石油和水則通常見于地層現(xiàn)場。流入生產(chǎn)管道的地層流體中的這些組分的比例會隨著時間的推移并根據(jù)地層和井筒內(nèi)的條件而發(fā)生變化。同樣，流入貫穿整個生產(chǎn)管柱長度的各生產(chǎn)管段的流體的組成在段與段之間會有很大不同。當基于流體的相對密度而言某層段中不期望的組分比例較高時，流控裝置被設計成用來限制該層段中的產(chǎn)量。因此，當對應于具體的一個流體控制組件的生產(chǎn)層段產(chǎn)出較大比例不期望的流體組分時，該層段中的流控裝置將限制該層段中的產(chǎn)出流。如此，產(chǎn)出較大比例所需流體組分 (例如石油)的其它生產(chǎn)層段中將有較多的產(chǎn)出流進入管柱22。通過使用本發(fā)明的流體控制組件25并通過提供許多生產(chǎn)層段，就能夠?qū)Ξa(chǎn)出流體的體積和組成進行控制。例如，在石油生產(chǎn)作業(yè)中，如果產(chǎn)出流體的不期望的組分(如水、蒸汽、二氧化碳或天然氣)以大于目標百分比的比例進入一個生產(chǎn)層段，則根據(jù)這些組分的存在大于目標量時的密度變化， 該層段中的流控裝置將自主地限制該層段的地層流體產(chǎn)出。流控裝置響應現(xiàn)場的流體密度變化而啟動。所述裝置被設計成能在流體達到目標密度時限制流體流動?？蛇x擇密度以在不期望的流體組分達到目標百分比時限制流體的流動。例如，可能期望能夠產(chǎn)出這樣的地層流體，其中所述流體由80%的石油(或更多)與相應的20% (或更少)的天然氣成分組成。如果流體中的石油降到目標百分比之下則限制流動。因此，目標密度是組成為80%石油和20%天然氣的產(chǎn)出流體的密度。如果流體密度變得過低，則通過本文中講到的裝置限制流動。等效的是，在生產(chǎn)所需的較低密度流體時可以限制不期望的較高密度的流體。雖然圖1描述的是裸井環(huán)境中本發(fā)明的流體控制組件，但本領域技術人員應該理解的是，本發(fā)明同樣良好地適用于套管井。另外，雖然圖1描述了每個生產(chǎn)層段中的一個流控裝置，但應該理解的是，在不偏離本發(fā)明原理的情況下，可以將任意數(shù)目的本發(fā)明裝置配置在一個生產(chǎn)層段之內(nèi)。此外可以預見的是，流控裝置25可以與其它井下設備配合使用，包括與流入控制設備(ICD)和篩組件配合使用。在這里不對流入控制設備和篩組件進行詳細描述，它們是本領域中己知的，尤其可商購自Halliburton EnergyServices Inc.。此外，圖1描述了示出為水平井筒的井筒偏斜段中的本發(fā)明的流控裝置。本領域技術人員應該理解的是，本發(fā)明的裝置適合用于偏斜井筒(包括水平井筒)以及立式井筒。 用在本文中的偏斜井筒是指有意偏離豎向鉆出的井筒。圖2顯示用于控制井下管中流體流動的流控裝置25的一個實施例。為了便于討論，所討論的示例裝置用于控制地層流體的產(chǎn)出、限制具有較大比例天然氣的地層流體的產(chǎn)出。流控裝置25由地層流體密度的改變來啟動。可以沿生產(chǎn)管柱中的井筒的長度使用流控裝置25以提供在多個位置上的流體控制。這樣可以有利的是，例如在預期水平井的跟端(heel)流速比井的趾端(toe)流速大的情況下平衡石油產(chǎn)出流。流控裝置25有效地限制不期望的流體的流入，同時能夠?qū)λ枇黧w的流動限制程度最低。例如，可以將流控裝置25構造成在流體由預定的天然氣百分比組成時或者地層流體密度低于目標密度的情況下限制地層流體的流動。在這種情況下，流控裝置選擇石油產(chǎn)量在天然氣產(chǎn)量之上，有效地限制了天然氣的產(chǎn)出。圖2是流控裝置25的一個實施例的部分截面的側(cè)視圖，所述流控裝置用于設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道。流控裝置25包括兩個閥組件200和流體轉(zhuǎn)向器組件 100。流體轉(zhuǎn)向器組件100具有帶兩個轉(zhuǎn)向器臂102的流體轉(zhuǎn)向器101。轉(zhuǎn)向器臂102彼此連接，并且可繞樞軸接頭103轉(zhuǎn)動。由具有選定密度的物質(zhì)制造轉(zhuǎn)向器101，以在井下流體達到預定密度時啟動轉(zhuǎn)向器臂102。制成轉(zhuǎn)向器的材料可以是塑料、橡膠、復合材料、金屬、 其它材料或這些材料的組合。流體轉(zhuǎn)向器臂102用于選擇將流體的流動在閥組件200的下端入口 204與上端入口 206之間分開的方式，由此控制流體通過管道的流動。流體轉(zhuǎn)向器101是通過浸沒它的流體的密度的變化和轉(zhuǎn)向器101的浮力的相應變化而啟動的。當轉(zhuǎn)向器101的密度高于流體密度時，轉(zhuǎn)向器將“下沉”到圖2中所示的位置，該位置被稱為關閉位置，因為當轉(zhuǎn)向器臂 102處于此位置時，閥組件200被關閉(限制流動)。在關閉位置，轉(zhuǎn)向器臂102向下樞轉(zhuǎn)， 使臂102的端部的位置靠近入口 204。如果地層流體的密度增大到高于轉(zhuǎn)向器101的密度， 則所述變化將啟動轉(zhuǎn)向器101，導致其“上浮”，并將轉(zhuǎn)向器101移動到圖3中所示的位置。 圖3中的流控裝置處于開啟位置，因為當轉(zhuǎn)向器臂處于所示位置時，閥組件200是打開的。流體轉(zhuǎn)向臂的操作基于井下流體隨時間的推移產(chǎn)生的密度差異。例如，轉(zhuǎn)向器臂在主要由石油組成的流體中的浮力與在主要由天然氣組成的流體中的浮力是不同的。類似地，在石油中與在水中相比、在水中與在天然氣中相比等情況中，浮力發(fā)生變化。本文中參照圖15-20對浮力的原理有更詳盡的解釋。所述臂將響應變化的流體密度在打開與關閉位置之間移動。在見于圖2的實施例中，轉(zhuǎn)向器101的材料的密度大于典型的井下流體的密度，并且不管流體密度如何都保持在圖2中所示的位置處。在這種情況下，可以使用偏置裝置106(這里顯示為片簧)以抵銷重力作用的影響，使得即使在轉(zhuǎn)向器臂比井下流體(如石油)密度大的情況下，轉(zhuǎn)向器臂102也會移動到開啟位置?？梢允褂萌绫绢I域中已知的其它偏置裝置，例如(但不限于)配重、其它的彈簧類型等，并且偏置裝置可設置在其它的位置上，如設置在轉(zhuǎn)向器臂的端部或端部附近。這里，偏置彈簧106連接于兩個轉(zhuǎn)向器臂102， 趨向于使它們向上并朝著圖3中所示的位置樞轉(zhuǎn)。選擇偏置裝置及其施加的力，使得當流體達到預定的密度時，轉(zhuǎn)向器臂102將移動到圖3中所示的位置。選擇轉(zhuǎn)向器臂的密度以及偏置彈簧的力，以在浸沒裝置的流體達到預定密度時導致轉(zhuǎn)向器臂的啟動。圖4的截面視圖詳細地顯示出圖2中所示的閥組件200。所示的閥組件本質(zhì)上是示例性的，在不偏離本發(fā)明實質(zhì)的情況下可以改變閥的細節(jié)和構造。閥組件200具有帶下端入口 204、上端入口 206和出口 208的閥殼體202。閥室210容納可操作以限制流體通過出口 208流動的閥構件212。實例閥構件212包括壓力觸動端或臂218和用于限制通過出口 208流動的阻擋件端或臂216。閥構件212安裝在閥殼體202中以繞樞軸214轉(zhuǎn)動。在關閉位置，閥構件的阻擋件端216靠近出口 208并限制流體通過出口 208的流動。阻擋件端可限制或阻擋流動。示例的閥組件200包括文丘里壓力變換器以提高閥組件的驅(qū)動壓力。根據(jù)伯努利原理，假定其它的流動特性保持不變，靜態(tài)壓力將隨著流速的增大而減小。使用轉(zhuǎn)向器臂 102限制通過閥組件的流體入口之一的流動，從而減少通過該入口的容積流體流動，由此在兩個入口 204與206之間造成流體的流量比。入口 204和206在其中具有文丘里收縮以提高在每個壓力口 2M和2 處的壓力變化。文丘里壓力變換器能夠使閥在入口處具有小的壓力差，但可以用較大的壓力差打開和關閉閥組件200。圖5是沿圖4中的線A-A獲取的截面的端視圖。壓力口 2M和2 示于截面視圖中。上壓力口 2 將流體壓力從上端入口 206傳遞到閥室210的一側(cè)。類似地，下壓力口 224將在下端入口 204處測得的壓力傳遞到閥室210的相反側(cè)。由壓力差啟動閥構件212 的壓力觸動臂218。壓力觸動臂218將受到較高壓力側(cè)的推力，或者受較低壓力側(cè)的吸力， 并因此而樞轉(zhuǎn)。圖6和圖7是圖2和圖3中所示閥組件的截面的底視圖。圖6顯示處于關閉位置的閥組件，其中流體轉(zhuǎn)向器臂102處于如圖2所示的相應的關閉位置。轉(zhuǎn)向器臂102定位成限制流體流入閥組件200的下端入口 204。相對較大的流速在上端入口 206中得以實現(xiàn)。通過壓力口 2 和226，利用流速差和所造成的流體壓力差啟動閥構件212的壓力觸動臂218。當轉(zhuǎn)向器臂102處于關閉位置時，其限制流體流入下端入口 204，并且允許上端入口 206中相對較大的流量。因此相對較低的壓力通過上壓力口 2 得以傳遞，而相對較大的壓力通過下壓力口 2M傳遞。壓力觸動臂218被此壓力差所啟動，并朝者閥室210的低壓側(cè)被拉到圖6中所示的關閉位置。閥構件212繞樞軸214轉(zhuǎn)動，并且閥構件212的阻擋件端216移動靠近出口 208，從而限制流體通過閥組件200的流動。在生產(chǎn)井中，由此限制了從地層流出并流入閥組件的地層流體向生產(chǎn)管柱里流動并到達地表?？梢允褂闷醚b置228(如彈簧或配重)朝一個位置偏置閥構件212。如所示的那樣，片簧朝如圖7中所示的打開位置偏置構件212。閥組件中可以使用其它裝置(如隔膜230)以控制或防止流體流動或壓力作用于閥組件的多個部分或者控制或防止細粒干擾樞軸214的移動。此外，對于本領域技術人員來說，閥組件的替代實施例是顯而易見的。例如，可以采用波紋管、壓力氣囊及替代的閥構件設計。圖7是在對應于圖3的打開位置看到的閥組件200的底截面視圖。在圖7中，轉(zhuǎn)向器臂102處于打開位置，其中轉(zhuǎn)向器臂102靠近上端入口 206并限制流體流入上端入口。 較大的流速在下端入口 204中得以實現(xiàn)。通過壓力口 2 和2 測得的所得到的壓力差導致閥構件212啟動并移動到打開位置。構件212的壓力觸動臂被拉向壓力口 224，樞轉(zhuǎn)閥構件212并將阻擋件端216移離出口 208。流體自由地流過閥組件200，進入生產(chǎn)管柱并到達地表。圖8是在殼體120中并連接于生產(chǎn)管柱M的流體控制組件25的正交視圖。在本實施例中，殼體120是帶有開口 114的井下管道，所述開口 114允許流體流入殼體的內(nèi)部開口。地層流體從地層流入井筒，然后流過開口 114。地層流體的密度決定流體轉(zhuǎn)向器臂102 的狀態(tài)和啟動。然后地層流體在組件25的任一端流入閥組件200。流體從流控裝置流向通往生產(chǎn)管(未顯示)內(nèi)部的內(nèi)部通道27。在圖2-8所示的優(yōu)選實施例中，流體控制組件在每一端均具有閥組件200。流過組件的地層流體可被安排流入生產(chǎn)管柱，或者可以使來自下游端的地層流體流往別處，如流回井筒?？梢詫D中所示的雙臂和雙閥組件設計替換為單臂和單閥組件設計。一種替代的殼體120示于圖6和圖7，其中所述殼體包括多根連接兩個閥組件殼體202的桿。要注意的是，可以將如圖2-8中所示的實施例修改成當流體的組成和密度發(fā)生變化時限制不同流體的產(chǎn)出。例如，可以將實施例設計成能限制產(chǎn)水量而允許產(chǎn)出石油、限制石油產(chǎn)量而允許產(chǎn)出天然氣、限制產(chǎn)水量而允許產(chǎn)出天然氣等。根據(jù)應用情況，可以設計閥組件，使得當轉(zhuǎn)向器處于“上浮”、趨于上升或上位時閥是打開的，如圖3所示，或者可以將其設計成在轉(zhuǎn)向器處于“下沉”或下位的情況下是打開的，如圖2所示。例如，為了選擇天然氣產(chǎn)量超過產(chǎn)水量，將閥組件設計成當轉(zhuǎn)向器由于其在相對較高密度的水中的浮力而上升到圖3中所示的位置時是關閉的。此外，所述實施例可用于烴井以外的生產(chǎn)過程。例如，在向井筒里面注入流體期間可以使用所述設備，用以基于流體的相對密度選擇注入的蒸汽超過水。在注入過程期間，熱水和蒸汽通常是混合的，并以不同的比例存在于注入流體中。通常使熱水在井下循環(huán)，直到井筒已達到所需的溫度和壓力條件，以提供主要是注入地層的蒸汽。向地層里面注入熱水通常是不可取的。因此，流控裝置25可用來選擇注入蒸汽(或其它注入流體)超過注入熱水或其它不可取的流體。轉(zhuǎn)向器將根據(jù)注入流體的相對密度而啟動。當注入流體中水的比例不可取并因此具有相對較高的密度時，轉(zhuǎn)向器將上浮到圖3中所示的位置，由此限制注入流體流入閥組件200的上端入口 206。利用在上端入口與下端入口 204和206之間所得到的壓力差將閥組件移動到關閉位置，由此限制不期望的流體通過出口 208和地層的流動。隨著注入流體變換成較高比例的蒸汽，隨之變換成較低的密度，轉(zhuǎn)向器將移動到相反的位置，由此減少對流體到地層的限制。如上所述的注入方法描述的是蒸汽注入。要理解的是，可以使用二氧化碳或其它注入流體。圖9是具有轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器301的流控裝置325的另一實施例的正視圖。流體控制組件325包括帶有可移動的流體轉(zhuǎn)向器301的流體轉(zhuǎn)向器組件300和兩個在轉(zhuǎn)向器組件的任一端的閥組件400。安裝轉(zhuǎn)向器301以響應流體密度的變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動位移。所示的示例性轉(zhuǎn)向器 301在沿其大部分長度的截面上是半圓形的，在任一端具有圓形的截面部分。所述實施例將被描述為用于選擇產(chǎn)出較高密度的流體(如石油)并限制相對較低密度流體(如天然氣) 的產(chǎn)出。在這種情況下，轉(zhuǎn)向器的重量由以相對高密度的材料(如鋼或別的金屬)制成的高密度配重部分306“負擔”。在示例性實施例中顯示為半圓形截面的部分304由密度相對較低的材料(如塑料)制成。轉(zhuǎn)向器部分304在密度較大流體中的浮力比配重部分306的浮力大，導致轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動到圖10中所示的上位或打開位置。反之，在密度相對較低的流體 (如天然氣)中，轉(zhuǎn)向器部分304的浮力比配重部分306的浮力小，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到如圖 9中所示的關閉位置。可以使用偏置元件(如基于彈簧的偏置元件)代替配重。圖10是圖9的流體控制組件的分解詳細視圖。在圖10中，比如當將組件浸在具有相對高密度的流體(如石油)中的時候，流體選擇器或轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到打開位置。在較高密度的流體中，轉(zhuǎn)向器301的較低密度部分304具有更大的浮力并傾向于“上浮”。較低密度部分304的密度在這種情況下可以比流體的密度低。然而，并不要求較低密度部分 304的密度低于流體的密度。轉(zhuǎn)向器301的高密度部分306反而可充當配重或偏置構件。轉(zhuǎn)向器301繞其縱向軸309轉(zhuǎn)動到如圖10中所示的打開位置。當處于打開位置時，轉(zhuǎn)向器通道308與閥組件400的出口 408對齊，如圖12中最佳顯示的那樣。在這種情況下，閥組件400只具有單入口 404和單出口 408。在所示的優(yōu)選實施例中，組件325還包括固定的支承構件310，這些固定的支承構件310具有多個孔口 312以促進流體通過固定支承體的流動。如圖9-13中所示，流體閥組件400設置在組件的每一端。閥組件具有限定在其中具有入口 404和出口 408的單通道。當轉(zhuǎn)向器處于如圖10中所示的打開位置時，出口 408 與轉(zhuǎn)向器301中的通道308對齊。要注意的是，可以采用以圖2-7中所示的文丘里壓力閥組件200修改的圖9-10中所示的轉(zhuǎn)向器301的設計，所述修改對本領域技術人員來說是顯而易見的。類似地，可以采用以圖9中所示的閥組件修改的圖2中所示的轉(zhuǎn)向器臂設計。轉(zhuǎn)向器的浮力造成扭矩，所述扭矩使轉(zhuǎn)向器301繞其縱向轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生的扭矩必須克服傾向于將轉(zhuǎn)向器保持在適當位置的任何摩擦力和慣性力。要注意的是，可以采用物理約束或阻擋件來限制轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動位移；也就是說，把轉(zhuǎn)動的各轉(zhuǎn)動角限制在預定的弧度或范圍以內(nèi)。于是扭矩將會超過靜摩擦力，從而確保需要時轉(zhuǎn)向器將移動。此外，可設置約束以防止轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動到頂部或底部的中心，從而防止在這樣的方向上“卡住”的可能性。在一個實施例中，限制流體流動直接與轉(zhuǎn)向器在選定的轉(zhuǎn)動范圍以內(nèi)的轉(zhuǎn)動角相關。當轉(zhuǎn)向器處于完全打開的位置時，轉(zhuǎn)向器301的通道308與閥組件的出口 408對齊，如圖10 和圖13中所示。轉(zhuǎn)向器向打開位置轉(zhuǎn)動之時是部分對齊的，從而使得在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動到完全打開位置的時候能有較大的流量。當轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動到同閥的出口處于部分對齊與完全對齊之間的時候，流量度直接與轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動角相關。圖11是本發(fā)明的一個實施例的流動示意圖。流入控制設備350或ICD與流體控制組件325流體連通。流體流過流入控制設備300，通過分流器360到達流控裝置325的任一端，然后流過出口孔330?；蛘?，可以按入口在流體控制設備的中心且出口在任一端的方式運轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
圖12是圖9中所示的流控裝置325的實施例的截面的側(cè)視圖，其中轉(zhuǎn)向器301處于關閉位置。殼體302在其內(nèi)部里面具有轉(zhuǎn)向器組件300和閥組件400。殼體包括出口 330。 在圖12中，地層流體F通過入口 404流入每個閥組件400。流體通過出口 408的流出受到轉(zhuǎn)向器301的阻止或限制。轉(zhuǎn)向器組件300在圖12中處于關閉位置。當流體的密度由于轉(zhuǎn)向器部分304和 306的相對密度和浮力的原因而轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏容^大的組成時，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到關閉位置。即使在流體轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏容^大的組成的情況下(且不論處于打開還是關閉位置)，轉(zhuǎn)向器部分 304的密度也可以比流體密度大，并且在優(yōu)選的實施例中，其密度總是比流體密度大。即使流體密度變化到密度較大的組成，轉(zhuǎn)向器部分304的密度也比流體的密度大，在這種情況下，利用配重部分306。轉(zhuǎn)向器部分304的材料與配重部分306的材料具有不同的密度。當浸在流體中的時候，所述部分的有效密度為所述部分的實際密度減去流體密度。選擇轉(zhuǎn)向器部分304與配重部分306的體積和密度，使得相對密度和相對浮力導致轉(zhuǎn)向器部分304 在流體中“下沉”，且配重部分在流體中“下沉”(當流體具有低密度時，如當其由天然氣組成的時候)。反之，當流體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高密度時，轉(zhuǎn)向器部分304在流體中“上升”或“上浮”， 而配重部分“下沉”(如在石油中)。用在本文中的術語“下沉”和“上浮”用來描述系統(tǒng)某部分移動的方式，并不需要該部分的重量或密度比促動流體的重量或密度大。在如圖9和圖12中所示的關閉位置，通過轉(zhuǎn)向器部分306的通道308沒有與閥組件400的出口 408對齊。流體通過系統(tǒng)的流動受到限制。要注意的是，在很多情況下可以接受一些流體“泄漏”或少量地流過系統(tǒng)并通過出口孔330流出。圖13是如圖12中的流控裝置的截面的側(cè)視圖，然而，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到打開位置。在打開位置，閥組件的出口 408與轉(zhuǎn)向器的通道308對齊。流體F從地層流入具有所述裝置的管道的內(nèi)部通道。流體進入閥組件400，流過固定支承體310上的入口 312，流經(jīng)轉(zhuǎn)向器中的通道308，然后通過(多個)孔口 330流出殼體。然后將流體導入生產(chǎn)管并到達地表。在選擇石油產(chǎn)出超過天然氣產(chǎn)出的情況下，當井筒中的流體密度達到預定密度(如地層石油的預期密度)時，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到打開位置。所述裝置被設計成能從兩端同時接受流體，用以平衡裝置兩側(cè)的壓力并減小轉(zhuǎn)動期間的摩擦力。在替代實施例中，所述裝置被設計成能允許從單端或者從中心向外流動。圖15是說明浮力原理的示意圖。阿基米德原理指出，完全或部分地浸在流體中的物體受到與由該物體所排擠的流體重量相等的力的支撐。浮力減少了浸入物體的相對重量。重力G作用于物體404上。物體具有質(zhì)量m和密度P 流體具有密度P 浮力 B向上作用于物體上。物體的相對重量隨浮力而變化。把塑料(在空氣中)的相對密度作為1. 1。天然氣的相對密度為大約0.3，石油的相對密度為大約0.8，水的相對密度為大約 1.0。同樣，塑料的相對密度在天然氣中為0.8，在石油中為0.3，在水中為0. 1。鋼的相對密度在空氣中為7. 8，在石油中為7. 5，在水中為7. 0。圖16-18是顯示浮力對具有不同密度和不同體積浸在不同流體中的物體的影響的示意圖。繼續(xù)通過例子說明，將塑料和鋼物體放置在天平上來說明浮力的影響。鋼物體 406的相對體積為一，而塑料物體408的相對體積為13。在圖16中，塑料物體408在空氣 410中的相對重量為14. 3，而鋼物體的相對重量為7. 8。因此，塑料物體相對較重，導致天平的塑料物體一側(cè)下降。當把天平和物體浸在天然氣412中的時候，如圖17中所示，天平保持在相同的位置。在天然氣中，塑料物體的相對重量現(xiàn)在是10. 4，而鋼物體的相對重量是7. 5。在圖18中，把系統(tǒng)浸在石油414中。在石油中，鋼物體的相對重量現(xiàn)在是7.0，而塑料物體的相對重量是3. 9。因此，天平現(xiàn)在移動到所示的位置，因為塑料物體408的浮力比鋼物體406的浮力大。圖19和圖20是轉(zhuǎn)向器301的示意圖，說明轉(zhuǎn)向器在不同相對密度的流體中的相對浮力和位置。使用與上面同樣的塑料和鋼的例子并對轉(zhuǎn)向器301應用所述原理，鋼配重部分306的長度L為一個單位，塑料轉(zhuǎn)向器部分304的長度L為13個單位。兩個部分均為半圓柱形并具有同樣的截面。因此，塑料轉(zhuǎn)向器部分304的體積為配重部分306的體積的 13倍。在石油或水中，鋼配重部分306具有較大的實際重量，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到圖19中所示的位置。在空氣或天然氣中，塑料轉(zhuǎn)向器部分304具有較大的實際重量，轉(zhuǎn)向器301轉(zhuǎn)動到圖20中所示的較低位置。這些原理用于設計轉(zhuǎn)向器301，用以在將其浸到已知相對密度的流體中的時候使之轉(zhuǎn)動到選定的位置。上面僅僅是例子，可以進行修改，以使轉(zhuǎn)向器在任何選定密度的流體中改變位置。圖14是如圖9中所示的流體控制組件325的一端的側(cè)截面視圖。組件的操作取決于轉(zhuǎn)向器301響應流體密度的移動，因此需要將閥組件400在井筒中定向。定向組件的優(yōu)選方法是提供自定向的閥組件，其依靠重量導致組件在井筒中的轉(zhuǎn)動。自定向閥組件被稱為“重力選擇器”。一旦適當?shù)囟ㄏ蚝?，可以將閥組件400和固定支承體310密封到位以防止閥組件的進一步移動并減少可能的泄漏路徑。在優(yōu)選的實施例中，如圖14中所示，已經(jīng)在固定支承體310和閥組件400的外表面周圍放置了密封劑340。這種試劑可以是可膨脹的彈性體、 0型圈、在經(jīng)歷時間、暴露于溫度或接觸流體時粘結(jié)的粘合劑或環(huán)氧樹脂。也可以將密封劑 340放置在裝置的各部分之間，所述各部分在操作期間不需要彼此相對移動，如放置在所示的閥組件400與固定支承體310之間。防止泄漏路徑會很重要，因為泄漏可能會潛在地使裝置的有效性大大降低。密封劑的放置不應干擾轉(zhuǎn)向器301的轉(zhuǎn)動?？蓪⑷缟纤龅牧骺匮b置構造成選擇石油產(chǎn)出超過水的產(chǎn)出(基于兩種流體的相對密度)。在天然氣井中，可以將流控裝置構造成選擇天然氣產(chǎn)出超過石油或水的產(chǎn)出。 本文中所述的本發(fā)明也可用于注入方法。將流體控制組件的定向倒轉(zhuǎn)，使自地表的注入流體在進入地層之前流入組件。在注入操作中，控制組件的操作限制不期望的流體(如水) 的流動，同時不提高所需流體(如蒸汽或二氧化碳)的流動阻力。本文中所述的流控裝置也可用于其它井作業(yè)，如檢查、固井、反向固井、礫石充填、水力壓裂等。其它用途對本領域技術人員來說是顯而易見的。圖21和圖22是本發(fā)明的流體流控裝置的另一實施例的正交視圖，具有樞轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向器臂和閥組件。流控裝置525具有設置在管道550中的轉(zhuǎn)向器組件600和閥組件700。管道550具有允許流體流過管道的入口 552和出口 554。轉(zhuǎn)向器組件600包括轉(zhuǎn)向器臂602， 所述轉(zhuǎn)向器臂602繞樞軸603在關閉位置(圖21中所示)與打開位置(圖22中所示)之間轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向器臂602由浸沒它的流體的密度變化啟動。與上面的描述類似的是，當流過管道550的流體的密度相對低時，轉(zhuǎn)向器臂602具有較小的浮力并移動到關閉位置。當流體轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏认鄬^高時，轉(zhuǎn)向器臂602的浮力增大，臂被啟動，向上移動到打開位置。轉(zhuǎn)向器臂的樞軸端604的截面相對窄，允許流體在臂的任一側(cè)流動。轉(zhuǎn)向器臂602的自由端
13606優(yōu)選具有基本上是長方形的截面，其限制通過管道的一部分的流動。例如，如圖15中所示，轉(zhuǎn)向器臂602的自由端606限制流體沿管道底部的流動，而在圖22中，沿管道的上部的流動受到限制。轉(zhuǎn)向器臂的自由端不會完全地阻擋通過管道的流動。閥組件700包括轉(zhuǎn)動閥構件702，所述轉(zhuǎn)動閥構件702以樞軸的方式安裝在管道 550中并可在關閉位置(圖15中所示，其中流體通過管道的流動受到限制)與打開位置(圖 22中所示，其中允許流體流過閥組件，受到的限制較少)之間移動。閥構件702繞樞軸704 轉(zhuǎn)動?？梢詫㈤y組件設計成能在處于關閉位置時部分或完全地限制流體流動?？梢岳梅€(wěn)流臂705來進一步控制流體通過管道的流動模式。轉(zhuǎn)向器臂602的移動影響流體通過管道550的流動模式。當轉(zhuǎn)向器臂602處于圖 15中所示的下位或關閉位置時，主要沿管道的上部引導流過管道的流體?；蛘?，當轉(zhuǎn)向器臂602處于圖22中所示的上位或打開位置時，主要沿管道的下部引導流過管道的流體。因此，流體的流動模式受流體相對密度的影響。響應流體流動模式的變化，閥組件700在打開與關閉位置之間移動。在所示的實施例中，將流控裝置525設計成能選擇密度相對較高的流體。也就是說，密度較大的流體(如石油)將導致轉(zhuǎn)向器臂602 “上浮”到如圖22中的打開位置，由此影響流體流動模式并打開閥組件700。隨著流體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低密度(如天然氣)，轉(zhuǎn)向器臂602 “下沉”到關閉位置，受影響的流體流動導致閥組件700關閉，限制低密度流體的流動。配重601可用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向器臂602 “上浮”或“下沉”時的流體密度，并且還可用于使浮臂材料的密度顯著高于轉(zhuǎn)向器臂“上浮”情況下的流體密度。如上文關于轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)所述，相對浮力或轉(zhuǎn)向器臂相對于流體密度的有效密度將決定在何種條件下轉(zhuǎn)向器臂會在打開與關閉之間或者在上下位之間變化。當然，本領域技術人員可以理解的是，可以將圖21中所示的實施例設計成能選擇本文中別處所述的較大或較小密度的流體，并且可以應用在若干過程及方法中。圖2346顯示利用如圖21中的轉(zhuǎn)向器臂的流控裝置實施例的進一步的截面詳細視圖。在圖17中，流控的閥構件702是可繞樞軸711在(所示的)關閉位置(其中楔710 限制通過出口 712貫穿閥組件700的壁714的流動)與打開位置(其中楔710不限制通過出口 712的流動)之間移動的樞轉(zhuǎn)楔710。類似地，圖M顯示具有樞轉(zhuǎn)的楔形閥構件720的實施例。所示的楔形閥構件720 處于打開位置，流體沿管道的底部部分流過閥的出口 712不受限制。要注意的是，閥的出口 712在這種情況下部分地由管道的內(nèi)表面限定，部分地由閥壁714限定。閥構件720繞樞軸 711在打開與關閉位置之間轉(zhuǎn)動。圖25顯示具有樞轉(zhuǎn)盤閥構件730的另一閥組件實施例，所述樞轉(zhuǎn)盤閥構件730繞樞軸711在(所示的)打開位置與關閉位置之間轉(zhuǎn)動?？梢赃M一步使用穩(wěn)流臂734。圖21-25是具有可移動的轉(zhuǎn)向器臂和閥組件的流控裝置的示例性實施例，所述可移動的轉(zhuǎn)向器臂影響流體在管道內(nèi)的流動模式，所述閥組件響應流體流動模式的變化在打開與關閉位置之間移動。實施例的細節(jié)是用于舉例而非限制。流動轉(zhuǎn)向器臂是可繞(多個)樞軸移動的、可滑動的、彎曲的或者是以別的方式可移動的。轉(zhuǎn)向器可以由任意合適的材料或組合材料制成。管道的截面可以是所示的圓形或具有另外的形狀。轉(zhuǎn)向器臂的截面顯示為在一端是錐形的，在另一端基本上是長方形的，但也可采用其它形狀。閥組件可以包括多個出口、靜葉片和成形壁。閥構件可以采取能通過流體流動模式的變化在打開與關閉位置之間移動的任何已知的形狀，如盤、楔等。閥構件進一步是可繞(多個)樞軸移動的、 可滑動的、可彎曲的或以別的方式可移動的。閥構件可完全或部分地限制通過閥組件的流動。這些以及其它例子對本領域技術人員是顯而易見的。如同本文中所述的其它實施例的情況一樣，可以將圖21-25中的實施例設計成能基于目標密度來選擇任何流體。如本文中所述，可以選擇轉(zhuǎn)向器臂，以響應流體在石油、水、 天然氣等之間的組成變化提供不同的流動模式。這些實施例也可用于多種過程及方法，如生產(chǎn)、注入、檢查、固井和反向固井。圖沈是根據(jù)本發(fā)明具有流動轉(zhuǎn)向器的流控裝置實施例的示意圖，所述流動轉(zhuǎn)向器由沿雙流路的流體流動來啟動。流控裝置800具有帶第一流路804和第二流路806的雙流路組件802。兩個流路被設計成能對流體流動提供不同的阻力。至少一個流路上的阻力取決于流體的粘度、流速、密度、速度或其它流體流動特性的變化。示例性流路及變化在Jason Dykstra等提交于2010年2月4日的序列號為12/700，685的美國專利申請當中詳細描述， 據(jù)此為所有目的將該申請全文并入。因此，本文中只簡要地描述一個示例性實施例。在圖沈的示例性實施例中，選擇第一流體流路804，以使流過所述路徑的流體產(chǎn)生壓力損失，所述壓力損失取決于流體流動性能。選擇第二流路806，使之對流體流動性能具有不同于第一流路804的流速依賴性。例如，第一流路可以包括長窄管段，而第二流路是具有至少一個孔口 808的孔口型壓力損失設備，正如所看到的那樣。通過第一及第二流路的相對流速限定了流量比。隨著流體流動性能的變化，流體流量比將發(fā)生變化。在此實例中，當流體由相對較大比例的石油或其它粘性流體組成時，流量比將相對較低。當流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎承暂^小的組成時，比如當存在天然氣時，該比例將隨著流過第一路徑的流體相對于流過第二路徑的增多而增大?？梢圆捎迷诓⑷氲膮⒖嘉墨I中教授的其它流路設計，包括多流路、多流控設備，比如可以采用孔板、曲折路徑等。此外，可以把路徑設計成能響應其它的流體流動特性而表現(xiàn)出不同的流量比，這些其它的流體流動特性例如為流速、速度、密度等，如并入的參考文獻中所述。閥組件820具有與第一流路804流體連通的第一入口 830和與第二流路806流體連通的第二入口 832?？梢苿拥拈y構件822設置在閥室836中，并響應流入閥入口 830和 832的流體而移動或啟動?？梢苿拥拈y構件822在優(yōu)選的實施例中繞樞軸825轉(zhuǎn)動。樞軸 825被設置成控制閥構件822的樞轉(zhuǎn)，并且可以如所示的那樣偏離中心，從而提供所需對來自入口的流量的響應。交替的可移動閥構件可以轉(zhuǎn)動、樞轉(zhuǎn)、滑動、彎曲、折曲或以別的方式響應流體流動而移動。在實例中，把閥構件822設計成當流體由相對大量的石油組成時能繞樞軸825轉(zhuǎn)動到圖20中所示的打開位置，而當流體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^大量的天然氣時則移動到關閉位置。同樣，可以把閥組件和構件設計成當流體具有目標量的流體流動特性時能打開和關閉，并且可以針對天然氣選擇石油、針對水選擇石油、針對水選擇天然氣，等等?？梢苿拥拈y構件822具有流量傳感器824，所述流量傳感器擬4分別具有第一和第二流量傳感器臂838和840。流量傳感器擬4響應流體通過入口 830和832的流動模式的變化而移動。具體地說，第一傳感器臂838設置在自第一入口 830的流路中，第二傳感器臂 840設置在第二入口 832的流路中。每個傳感器臂都具有沖擊面828。在優(yōu)選的實施例中，沖擊面8 具有階梯式設計，用以當部件轉(zhuǎn)動時使液壓力最大化。閥構件822還具有能限制閥的出口 834的限制臂826。當閥構件處于所示的打開位置時，限制臂允許流體流過出口而沒有限制或限制程度最小。當閥構件轉(zhuǎn)動到關閉位置時，限制臂擬6移動，從而限制流體流過閥的出口。閥可以部分或完全地限制流體流過出口。圖27是本發(fā)明的流控裝置的另一實施例900的截面?zhèn)纫晥D，所述裝置具有轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件。流體流入管狀通道902，導致轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件904的轉(zhuǎn)動。流體的流動使附接于轉(zhuǎn)動構件906的定向葉片910產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動構件以可移動的方式設置在管道中，用以繞縱向轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)動構件906轉(zhuǎn)動之時，角向力被施加至平衡構件912。 轉(zhuǎn)動越快，施予平衡構件的力就越大，它們從轉(zhuǎn)動軸向外徑向移動的傾向越大。平衡構件 912顯示為球形重物，但可以采取其它的替代形式。在轉(zhuǎn)動速率相對低時，閥座構件916和附接的限制構件914保持在圖27中所示的打開位置。每個平衡構件912以可移動的方式附接于轉(zhuǎn)動構件906，在優(yōu)選的實施例中，這是通過平衡臂913完成的。平衡臂913附接于以可滑動的方式安裝在轉(zhuǎn)動構件906上的閥座構件916。當平衡構件向外徑向移動時，平衡臂向外徑向樞轉(zhuǎn)，由此朝著關閉位置縱向移動閥座構件。在關閉位置，閥座構件在上游方向上縱向移動(到圖27中的左邊)，同時限制構件914相應地移動。當處于關閉位置時，限制構件914配合閥壁922限制流體流過閥的出口 920。對流體流過出口的限制取決于轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件904的轉(zhuǎn)動速率。圖28是圖27的流控裝置900處于關閉位置的實施例的截面?zhèn)纫晥D。管狀通道 902中的流體流動已經(jīng)導致轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件904的轉(zhuǎn)動。在相對高的轉(zhuǎn)動速率下，閥座構件916和附接的限制構件914移動到圖觀中所示的關閉位置。平衡構件912通過離心力從縱向軸向外徑向移動，使平衡臂913樞轉(zhuǎn)遠離縱向軸。平衡臂913附接于以可滑動的方式在轉(zhuǎn)動構件906上移動的閥座構件916。平衡構件已向外徑向移動，平衡臂向外徑向樞轉(zhuǎn)，由此朝著所示的關閉位置縱向地移動閥座構件。在關閉位置，閥座構件在上游方向上縱向移動，同時限制構件914相應地移動。當處于關閉位置時，限制構件914配合閥壁922 限制流體流過閥的出口 920。對流體流過出口的限制取決于轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件904的轉(zhuǎn)動速率。對流動的限制可以是部分的或者是完全的。當由于限制構件914的移動使流體的流動減慢或停止時，組件的轉(zhuǎn)速將減慢，閥將再次移動到打開位置。為此目的，可以通過偏置構件(如偏置彈簧等)將組件向著打開位置偏置。預計組件將隨著限制構件的位置變化而周期性地打開和關閉。轉(zhuǎn)動組件的轉(zhuǎn)動速率取決于選定的流體特性或流體流動特性。例如，所示的轉(zhuǎn)動組件是依賴于粘度的，當流體具有相對高的粘度時對轉(zhuǎn)動位移具有較大的阻力。隨著流體粘度的下降，轉(zhuǎn)動組件的轉(zhuǎn)動速率增大，由此限制流過閥的出口。或者，轉(zhuǎn)動組件可響應其它流體特性(如速度、流速、密度等)以變化的速率轉(zhuǎn)動，如本文中所述。轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動組件可用來限制具有預先選定的目標特性的流體的流動。如此，所述組件可用于在流體具有目標組成(如相對高的石油含量)時使流體流動，而當流體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^高含量的粘度較小組分(如天然氣)時限制流動。類似地，可以把組件設計成能在生產(chǎn)方法中選擇石油超過水、天然氣超過水或天然氣超過石油。所述組件還可用于其它過程，如固井、注入、檢查及其它方法。此外，有替代的設計可供轉(zhuǎn)動的流驅(qū)動阻力組件。平衡、平衡臂、葉片、限制構件及
1限制支承構件都可以使用替代設計，并且可以設置在彼此的上游或下游。其它設計決定對本領域技術人員是顯而易見的。 雖然已經(jīng)參照示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，但這種描述并非旨在被解釋成具有限制意義。經(jīng)參考說明書，示例性實施例的各種修改與組合以及本發(fā)明的其它實施例對本領域的技術人員而言將是顯而易見的。因此，這意味著所附權利要求書包括了任何的此類修改或?qū)嵤├?br> 權利要求
1.一種用于設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道的流體流控裝置，所述油田管道用于使流體流過，所述流體具有隨時間的推移而變化的密度，所述裝置包括工具殼體；具有閥殼體的閥組件，所述閥殼體具有至少一個入口和至少一個出口 ；設置在所述工具殼體中的可移動的流體轉(zhuǎn)向器，所述流體轉(zhuǎn)向器由所述流體的密度變化來啟動，所述流體轉(zhuǎn)向器是可移動的，用以響應所述流體的密度變化而限制流體流過至少一個閥入口。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器具有預定的密度，并且在預定密度的流體中有浮力。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器可在第一與第二位置之間移動， 且其中通過偏置構件將所述流體轉(zhuǎn)向器向著第一位置偏置。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述偏置構件是彈簧裝置。
5.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述偏置構件是配重。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其中所述配重的密度與所述流體轉(zhuǎn)向器的密度不同。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中所述配重以可操作的方式連接于所述流體轉(zhuǎn)向
8.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中在所述裝置的操作期間，所述流體轉(zhuǎn)向器的密度大于所述流體的密度，所述偏置裝置抵消所述轉(zhuǎn)向器的密度，并使所述轉(zhuǎn)向器能被所述流體的密度變化所啟動。
9.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述可移動的流體轉(zhuǎn)向器可樞轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器包括第二閥組件，其中所述轉(zhuǎn)向器的臂的操作可限制流過閥組件的入口。
11.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中所述閥組件的至少一個入口包括第一入口和第二入口，且其中所述流體轉(zhuǎn)向器在第一位置與第二位置之間轉(zhuǎn)動，所述流體轉(zhuǎn)向器在所述第一位置限制流體流入所述第一入口，所述流體轉(zhuǎn)向器在所述第二位置限制流體流入所述第二入口。
12.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述轉(zhuǎn)向器可繞縱向軸轉(zhuǎn)動。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動到多個轉(zhuǎn)動角度，且其中限制所述流體的流動與所述流體轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動角度有關。
14.根據(jù)權利要求12所述的裝置，還包括第二閥組件，每個閥組件具有至少一個入口和至少一個出口，當所述流體轉(zhuǎn)向器處于關閉位置時，所述流體轉(zhuǎn)向器的操作可限制流入兩個閥組件的入口。
15.根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括用于在所述井筒中定向所述閥組件的定向選擇器組件。
16.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其中所述定向選擇器組件利用重力來定向所述閥組件。
17.根據(jù)權利要求15所述的裝置，還包括穩(wěn)定器以保持所述閥組件的定向。
18.根據(jù)權利要求16所述的裝置，其中所述穩(wěn)定器包括可膨脹的彈性體。
19.根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括流入控制設備，且其中所述閥的入口與所述流入控制設備流體連通。
20.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述閥組件還包括間隔開的第一和第二入口，且其中所述轉(zhuǎn)向器的操作可響應流體密度的變化而改變所述流體在所述第一與第二入口之間的流量比。
21.根據(jù)權利要求20所述的裝置，其中可操作流體比的變化以啟動所述閥組件中的閥構件。
22.根據(jù)權利要求21所述的裝置，其中所述閥組件還包括與所述閥的入口和閥的出口流體連通的閥室，所述閥室容納可在關閉位置與打開位置之間移動的閥構件，其中在所述關閉位置，流體流過所述閥的出口受到限制，在所述打開位置，流體流過所述閥的出口受到的限制較少。
23.根據(jù)權利要求22所述的裝置，其中所述閥構件是可樞轉(zhuǎn)的閥臂，所述可樞轉(zhuǎn)的閥臂具有一個靠近所述閥的出口并可操作以限制流過所述出口的端部。
24.根據(jù)權利要求21所述的裝置，其中所述閥組件還包括文丘里壓力變換器。
25.根據(jù)權利要求M所述的裝置，其中所述文丘里壓力變換器將壓力傳遞給所述閥構件，由此啟動所述閥構件。
26.一種用于設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道的流體流控裝置，所述油田管道用于使流體流過，所述流體具有密度，所述裝置包括可響應所述流體的密度變化而移動的流體轉(zhuǎn)向器；所述流體沿著流體流路流動，其中所述流體轉(zhuǎn)向器的移動改變所述流體的流路；和用于限制流體流動的閥組件，所述閥組件具有打開和關閉位置，其中由所述流體流路的變化改變所述閥組件的位置。
27.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器具有預定的密度，并且在預定密度的流體中有浮力。
28.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中通過偏置構件將所述流體轉(zhuǎn)向器向著第一位置偏置。
29.根據(jù)權利要求觀所述的裝置，其中所述偏置構件是彈簧裝置。
30.根據(jù)權利要求觀所述的裝置，其中所述偏置構件是配重。
31.根據(jù)權利要求30所述的裝置，其中所述配重的密度與所述流體轉(zhuǎn)向器的密度不同。
32.根據(jù)權利要求觀所述的裝置，其中在所述裝置的操作期間，所述流體轉(zhuǎn)向器的密度大于所述流體的密度，所述偏置裝置抵消所述轉(zhuǎn)向器的密度，并使所述轉(zhuǎn)向器能被所述流體的密度變化所啟動。
33.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器可通過繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的方式移動，繞所述轉(zhuǎn)動軸的移動改變所述流體的流路。
34.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器可通過繞樞軸樞轉(zhuǎn)的方式移動。
35.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中所述閥組件還包括間隔開的第一和第二入口， 且其中所述轉(zhuǎn)向器的操作可響應流體密度的變化而改變所述流體在所述第一與第二入口之間的流量比。
36.根據(jù)權利要求35所述的裝置，其中可操作流體比的變化以啟動所述閥組件中的閥構件。
37.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，其中所述裝置還包括殼體，所述流體轉(zhuǎn)向器以可移動的方式安裝在所述殼體中，所述流體的流路由沿著所述殼體流動的流體限定并鄰接所述流體轉(zhuǎn)向器。
38.根據(jù)權利要求37所述的裝置，其中所述閥組件包括至少一個入口和至少一個出口，且其中所述流體的流路部分地由所述至少一個入口和出口限定。
39.根據(jù)權利要求37所述的裝置，其中所述流體轉(zhuǎn)向器可從鄰接第一閥組件入口的第一位置和鄰接第二閥組件入口的第二位置移動。
40.一種用于設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道的流體流控裝置，所述油田管道用于使流體流過，所述裝置包括限定用于使流體流過的通道的管道構件； 具有至少一個入口的閥組件；用于在所述管道構件中的轉(zhuǎn)動位移安裝的流控組件，流體的流動使所述流控組件轉(zhuǎn)動；所述流控組件具有用于限制通過所述閥組件的入口流動的限制構件。
41.根據(jù)權利要求40所述的裝置，安裝所述限制構件以在所述管道構件中縱向移動。
42.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其中所述限制構件在打開位置與關閉位置之間移動，其中在所述打開位置，通過所述閥的入口的流動不受限制，在所述關閉位置，通過所述閥的入口的流動受到限制。
43.根據(jù)權利要求40所述的裝置，其中所述流控組件的轉(zhuǎn)速與流體流動特性的改變有關。
44.根據(jù)權利要求43所述的裝置，其中所述流體流動特性是粘度。
45.根據(jù)權利要求41所述的裝置，其中所述流控組件還包括多個平衡構件，安裝所述平衡構件以響應所述流控組件的轉(zhuǎn)動而徑向移動。
46.根據(jù)權利要求45所述的裝置，其中以樞軸的方式安裝所述平衡構件，用以響應所述流體控制組件的轉(zhuǎn)動而徑向移動。
47.根據(jù)權利要求46所述的裝置，其中所述平衡構件的徑向移動導致所述限制構件的縱向移動。
48.根據(jù)權利要求44所述的裝置，其中當所述流體達到預定粘度時，所述流體通過所述閥的流動受到限制。
49.根據(jù)權利要求48所述的裝置，其中所述流體在相對低粘度下的流動受到限制，流體在相對高粘度下的流動不受限制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于控制流體(如地層流體)流過設置在貫穿地下地層的井筒中的油田管道的裝置和方法。流體的流動響應流體流動特性(如密度或粘度)的變化而自主地受到控制。在一個實施例中，流體轉(zhuǎn)向器可響應流體密度的變化在打開與關閉位置之間移動，并且其操作可限制流體流過閥組件入口。轉(zhuǎn)向器是可樞轉(zhuǎn)的、可轉(zhuǎn)動的或可以別的方式響應流體密度的變化而移動的。在一個實施例中，轉(zhuǎn)向器的操作可控制流體通過兩個閥入口的流量比。流體的流量比用于操作閥構件以限制流體流過所述閥。在其它實施例中，流體轉(zhuǎn)向器響應流體中的變化而移動，從而影響流體在管道中的流動模式，由流動模式的變化操作閥組件。
文檔編號E21B43/12GK102235162SQ20111011289
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2010年4月29日
發(fā)明者M·L·夫瑞普, O·德杰瑟斯, 賈森·D·戴克斯特拉 申請人:哈利伯頓能源服務公司