控制使用粘性開關(guān)的自動閥中的流體流動的方法和裝置制造方法
【專利摘要】描述的是一種用于自動地控制井眼中的管內(nèi)流體流動的裝置和方法。流體流過入口通道而進入偏置機構(gòu)內(nèi)。在偏置結(jié)構(gòu)上建立流體流動分布。流體流動分布響應(yīng)于流體特性隨時間的改變而改變。作為響應(yīng)，流過下游粘性開關(guān)的流體改變，由此改變下游渦旋組件中的流體流動模式。該方法基于流體的特性，例如粘度、密度、速度、流量等進行選擇。偏置機構(gòu)可采用多種形式，例如加寬通道、沿偏置機構(gòu)的輪廓元件、或偏置機構(gòu)通道的彎曲段。偏置機構(gòu)可包括在通道壁中形成的空心部、從通道壁伸出的障礙部、射流二極管、特斯拉射流二極管、彎道、或通道截面中的突變部。
【專利說明】控制使用粘性開關(guān)的自動閥中的流體流動的方法和裝置
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請主張享有2011年4月8日提交的美國臨時申請序列號61/473，669的優(yōu)先權(quán)，其就所有目的而言通過援引并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體涉及使用“粘性開關(guān)”或偏置機構(gòu)來控制流體流動的自動流體閥的控制方法和裝置，且更具體地涉及使用這樣的機構(gòu)來控制含烴地層與井眼中的下井儀器串之間的流體流動。
【背景技術(shù)】
[0004]在橫貫含烴地層的完井期間，生產(chǎn)管與各種設(shè)備被安裝在井中，以便能夠安全高效地生產(chǎn)流體。例如，為防止從未固結(jié)或松散固結(jié)的地層產(chǎn)出顆粒材料，某些完井包括一個或多個位置接近于期望的生產(chǎn)層段的防砂篩。在其它完井中，為控制進入生產(chǎn)管的生產(chǎn)流體的流量，通常的實踐是完井管柱安裝有一個或多個流入控制裝置。
[0005]來自任何指定生產(chǎn)管段的產(chǎn)品都經(jīng)常會含有多種流體成分，例如天然氣、油和水，生產(chǎn)流體的成分比例隨著時間而改變。由此，隨著流體成分的比例改變，流體流動的特征將同樣改變。例如，當生產(chǎn)流體具有按比例含量較高的天然氣時，與當流體具有按比例含量較高的油時相比，流體的粘度和流體的密度將會較低。通常期望減小或阻止一種組分的產(chǎn)出而需要另一種組分的產(chǎn)出。例如，在產(chǎn)油井中，可能期望減小或消除天然氣的產(chǎn)出，而使產(chǎn)油量最大化。雖然已經(jīng)利用各種井下工具，以基于這些井下工具來控制流體的流動，但仍然需要用于控制流體流入而且在各種流動條件下可靠的流動控制系統(tǒng)。此外，還需要自動地操作、即響應(yīng)于變化的井下條件而無需來自地表的操作員的信號的流動控制系統(tǒng)。此外，還需要一種流動控制系統(tǒng)，其無需使在不利的井下條件(包括由流體導(dǎo)致的侵蝕或砂阻塞效應(yīng))下受損的機械部件移動。注入情形(其中流體流入地層內(nèi)而不是離開地層)下會出現(xiàn)類似的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]描述的是一種用于自動地控制位于井眼中的管內(nèi)的流體流動的裝置和方法，井眼延伸通過含烴地層。在所述方法中，流體通過入口通道進入偏置機構(gòu)內(nèi)。第一流體流動分布被建立在流動偏置機構(gòu)的出口上。流體流動響應(yīng)于流體特性隨時間的改變，而被改變成在流動偏置機構(gòu)的出口上的第二流動分布。作為響應(yīng)，通過下游粘性開關(guān)組件的流體流動被改變，由此改變下游渦旋組件中的流體流動模式。借助引起通過渦旋組件的或多或少的螺旋式流動，通過渦旋組件的流體流動“選擇”具有優(yōu)選特性、例如具有較大或較小的粘度、密度、或較大或較小的速度等的流體。
[0007]偏置機構(gòu)可采用多種實施例。偏置機構(gòu)可包括加寬流體通道，優(yōu)選地在上游端較窄而在下游端較寬?？蛇x地，偏置機構(gòu)能包括沿偏置機構(gòu)的至少一側(cè)的至少一個輪廓元件。輪廓元件可以是在通道壁中形成的空心部，或從通道壁伸出的障礙部。偏置機構(gòu)可包括射流二極管、特斯拉射流二極管、彎道(chicane)、通道截面中的突變部、或通道的彎曲段。
[0008]井下管可包括多個流動控制系統(tǒng)。流動控制系統(tǒng)能夠用于生產(chǎn)和注入方法。流動控制系統(tǒng)根據(jù)特性隨時間的改變而自動地選擇具有期望特性的流體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為了更完整地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，現(xiàn)在連同附圖參考本發(fā)明的詳細描述，其中，不同圖中相應(yīng)的數(shù)字指代相應(yīng)的部件，附圖中:
[0010]圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的原理的包括多個自動流動控制系統(tǒng)的井系統(tǒng)的示意圖；
[0011]圖2是篩系統(tǒng)和本發(fā)明的流動控制系統(tǒng)的實施例的側(cè)向剖視圖；
[0012]圖3是現(xiàn)有技術(shù)的“控制噴射”類型的自動流動控制系統(tǒng)60的代表性示意圖；
[0013]圖4A-圖4B是將現(xiàn)有技術(shù)的控制噴射類型的自動閥組件與本申請所述粘性開關(guān)類型的自動閥組件進行比較的流程圖；
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明的方案的粘性開關(guān)類型自動閥的優(yōu)選實施例的示意圖；
[0015]圖6A-圖6B是流過示例性的組件的粘度相對較大流體的圖示；
[0016]圖7A-圖7B是流過示例性的組件的粘度相對較小流體的圖示；
[0017]圖8是具有偏置機構(gòu)的本發(fā)明的替換實施例的示意圖，偏置機構(gòu)采用壁輪廓元件；
[0018]圖9是具有偏置元件的本發(fā)明的替換實施例的詳細示意圖，偏置元件包括輪廓元件并具有階梯剖面的通道形狀；
[0019]圖10是具有如偏置機構(gòu)中的輪廓元件的射流二極管形狀的切斷的示意圖；
[0020]圖11是沿流體通道的第一側(cè)具有特斯拉二極管的本發(fā)明的替換實施例的示意圖；以及
[0021]圖12是具有彎道214或具有由多個位于沿通道的側(cè)面的流動障礙部218與220產(chǎn)生的彎曲216的偏置機構(gòu)通道141的段的本發(fā)明的替換實施例的示意圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，使用的方向術(shù)語，例如之上、之下、上部、下部、向上、向下等是關(guān)于圖中示出的說明性實施例使用的，向上方向為相應(yīng)的圖的頂部，向下方向為向相應(yīng)的圖的底部。如果不是這樣的情況，術(shù)語被用來指示需要的取向，說明書將說明或使其清楚。井上和井下被用來指示關(guān)于地表的相對位置或方向，上游指示沿井眼朝向地表的相對位置或運動，下游指示沿井眼進一步遠離地表的相對位置或運動，不管是否在水平、偏斜或豎直井眼。術(shù)語上游和下游用來指示流體關(guān)于流體流動的方向的相對位置或運動。
【具體實施方式】
[0022]雖然以下詳細地討論了本發(fā)明的各種實施例的形成和使用，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明提供能夠在許多具體的環(huán)境下實施的可應(yīng)用的發(fā)明構(gòu)思。本文討論的具體實施例是對本發(fā)明的形成和使用的具體方式的說明，而并不限制本發(fā)明的范圍。
[0023]圖1是概括地以“10”來表示的井系統(tǒng)的示意圖，該井系統(tǒng)包括多個體現(xiàn)本發(fā)明的原理的自動流動控制系統(tǒng)。井眼12延伸通過各種地層。井眼12具有大體豎直段14，大體豎直段的上部中安裝有套管柱16。井眼12還具有大體偏斜段18 (示出為水平)，大體偏斜段延伸通過含烴地層20。如圖所示，井眼12的大體水平段18是裸眼。雖然這里示出裸眼、井眼的水平段，但本發(fā)明將在任何取向上、而且在裸眼或套管孔中均有效。本發(fā)明也將同樣地在注入系統(tǒng)中有效，如前所述。
[0024]被設(shè)置于井眼12內(nèi)并從地表延伸的是管柱22。管柱22為流體從地層20向上游行進到地表提供了管路。多個自動流動控制系統(tǒng)25和多個生產(chǎn)管段24被設(shè)置于鄰近地層20的各種生產(chǎn)層段的管柱22內(nèi)。位于每個生產(chǎn)管段24的任一端的是封隔器26，封隔器26在管柱22與井眼12的壁之間提供流體密封。在每一對相鄰的封隔器26中間的空間限定出生產(chǎn)層段。
[0025]在所示實施例中，每個生產(chǎn)管段24具有防砂能力。與生產(chǎn)管段24關(guān)聯(lián)的防砂篩元件或過濾介質(zhì)被設(shè)計成允許流體從中流過，但是阻止足夠尺寸的顆粒物質(zhì)從中流過。雖然本發(fā)明不需要具有與其關(guān)聯(lián)的防砂篩，但是如果使用防砂篩的話，那么與流體流動控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的篩元件的確切設(shè)計對本發(fā)明而言并非關(guān)鍵。工業(yè)中有許多眾所周知的用于防砂篩的設(shè)計，這里將不詳細討論。而且，具有多個射孔的保護外罩可被設(shè)置于任何這樣的過濾介質(zhì)的外部周圍。
[0026]通過在一個或多個生產(chǎn)層段中使用本發(fā)明的流動控制系統(tǒng)25，能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)流體的體積和成分的部分控制。例如，在產(chǎn)油操作中，如果例如水、蒸汽、二氧化碳或天然氣之類的不希望的流體成分進入多個生產(chǎn)層段之一，則該層段的流動控制系統(tǒng)將自動地限制或阻止從該層段生產(chǎn)流體。
[0027]本文使用的術(shù)語“天然氣”意思是在室溫和大氣壓力下以氣相方式存在的烴(與含量變化的非烴物質(zhì))的混合物。該術(shù)語并不表示天然氣在本發(fā)明的系統(tǒng)的井下位置處于氣相。事實上應(yīng)理解，盡管可能出現(xiàn)其它成分并且一些成分可能處于氣態(tài)，但所述流動控制系統(tǒng)用于壓力和溫度使得天然氣將處于大部分液化狀態(tài)的位置。對于液體或氣體、或在液體與氣體兩者均出現(xiàn)時，本發(fā)明的構(gòu)思均有效。
[0028]流入生產(chǎn)管段24內(nèi)的流體典型地包括多于一種的流體成分。典型的成分是天然氣、油、水、蒸汽或二氧化碳。蒸汽和二氧化碳通常被用作注入流體，用以朝向生產(chǎn)管驅(qū)動烴，然而天然氣、油和水典型地是在地層被原位發(fā)現(xiàn)的。流入每個生產(chǎn)管段24內(nèi)的流體的這些成分的比例將隨時間且基于地層與井眼內(nèi)的條件而變化。同樣地，流入各生產(chǎn)管且遍及整個生產(chǎn)管柱的長度上的流體的成分會從段到段(逐段地)顯著變化。所述流動控制系統(tǒng)被設(shè)計成，當不期望成分的比例較高時，減小或限制來自任何具體層段的產(chǎn)量。
[0029]因此，當與多個流動控制系統(tǒng)中具體一個流動控制系統(tǒng)對應(yīng)的生產(chǎn)層段生產(chǎn)出比例較大的不期望流體成分時，該層段的流動控制系統(tǒng)將限制或阻止來自該層段的生產(chǎn)流動。因此，生產(chǎn)出比例較大的期望流體成分(在本例中是油)的其它生產(chǎn)層段將對進入管柱22的生產(chǎn)流有更多貢獻。具體地，在流體必須流過流動控制系統(tǒng)(而不是簡單地流入管柱內(nèi))的情況下，從地層20到管柱22的流速將更小。換言之，流動控制系統(tǒng)對流體產(chǎn)生流動限制。
[0030]盡管圖1示出每個生產(chǎn)層段中設(shè)有一個流動控制系統(tǒng)，但是應(yīng)理解，任何數(shù)量的本發(fā)明的系統(tǒng)均能夠被設(shè)置在一個生產(chǎn)層段內(nèi)，而不背離本發(fā)明的原理。同樣地，本發(fā)明的流動控制系統(tǒng)并非必須與每一個生產(chǎn)層段關(guān)聯(lián)。本發(fā)明的流動控制系統(tǒng)也可僅出現(xiàn)在井眼中的一些生產(chǎn)層段中、或可出現(xiàn)在管柱通道中，用以處理多個生產(chǎn)層段。[0031]圖2是篩系統(tǒng)28和本發(fā)明的流動控制系統(tǒng)25的實施例的側(cè)視圖。生產(chǎn)管限定內(nèi)部篩環(huán)空或通道32。流體從地層20通過篩系統(tǒng)28進入生產(chǎn)管段24內(nèi)。具體的篩系統(tǒng)這里不作詳細說明。流體在被篩系統(tǒng)28過濾后流入生產(chǎn)管段24的內(nèi)部通道32內(nèi)。如這里使用的，生產(chǎn)管段24的內(nèi)部通道32可為如圖所示的環(huán)形空間、中央柱形空間、或其它形式。
[0032]端口 42為篩環(huán)空32到流動控制系統(tǒng)提供流體連通，流動控制系統(tǒng)具有流體通道44、開關(guān)組件46和自動式可變流阻組件50，自動式可變流阻組件50例如為渦旋組件。如果可變流阻組件是示例性的渦旋組件，則其包括與出口通道38流體連通的渦旋室52。在優(yōu)選實施例中，出口通道38將流體引導(dǎo)至用于井上生產(chǎn)的管中的通道36內(nèi)。在本實施例中，通道36由管壁31限定。
[0033]此處所述方法和裝置旨在基于流體特性隨時間的改變來控制流體流動。此類特征包括粘度、速度、流量和密度。這些特征在并入本文的參考文獻中被更詳細地討論。本文使用的術(shù)語“粘度”意思是任何流變性，包括運動粘度、屈服強度、粘塑性、表面張力、潤濕性等。由于生產(chǎn)流體中的流體成分(例如油和天然氣)的比例量隨時間而改變，流體流動的特性也改變。例如當流體包含相對高比例的天然氣時，流體的密度和粘度將小于油的密度和粘度。流體的表現(xiàn)取決于流體流動的特性。進一步，通道的特定構(gòu)造將根據(jù)流體流動的特性而限制流動，或?qū)α鲃犹峁┹^大的阻力。
[0034]圖3是現(xiàn)有技術(shù)的“控制噴射”類型自動流動控制系統(tǒng)60的代表性示意圖。控制噴射類型系統(tǒng)60包括流體選擇器組件70、流體開關(guān)90以及可變流阻組件，這里可變流阻組件為渦旋組件100。流體選擇器組件70具有主要流體通道72和控制噴射組件74。示出的是示例性實施例；現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)在本文并入的參考文獻中被充分地說明。以下將為了比較的目的討論一示例性的系統(tǒng)。
[0035]流體選擇器組件70具有主流體通道72和控制噴射組件74。控制噴射組件74具有單個控制噴射通道76。其它實施例可使用額外的控制噴射(通道)。流體F在主通道72處進入流體選擇器組件70，并朝向流體開關(guān)90流動。一部分流體流動從主通道72被分到控制噴射組件74。控制噴射組件74包括控制噴射通道76 ;控制噴射通道76具有:至少一個入口 77，向主通道72提供流體連通；以及出口 78，向流體開關(guān)組件90提供流體連通。如果期望的話，則可設(shè)置噴嘴71以在流體離開時產(chǎn)生“噴射”，但這不是必需的。出口 78連接至流體開關(guān)組件90，并將流體引導(dǎo)(或?qū)㈧o壓力連通)到流體開關(guān)組件。如圖所示，控制噴射通道72的控制噴射出口 78和下游部分79與流體開關(guān)組件90的下側(cè)部分92縱向重疊。
[0036]如圖所示,示例性的控制噴射組件還包括多個入口 77。入口優(yōu)選地包括流動控制特征部80 ;這些流動控制特征部例如為示出的室82，以根據(jù)流體的特性來控制從主通道進入控制噴射組件的流體F的體積。也就是說，流體選擇器組件70 “選擇”具有優(yōu)選特性的流體。在示出的實施例中，若流體是粘度相對較高的流體例如油，則流體相對自由地流過入口 77和控制通道76。因此，通過噴嘴78離開控制噴射通道72的下游部分79的流體在嘴部94處進入流體開關(guān)90內(nèi)之后，會從主通道“推動”流體流動?？刂茋娚浣M件朝向開關(guān)組件的選定側(cè)引導(dǎo)流體流動。在這種情況下，若期望生產(chǎn)的是油，則控制噴射組件沿“開通”側(cè)來弓I導(dǎo)流體流動通過開關(guān)90。也就是說，流體被弓I導(dǎo)朝向開關(guān)的“開通”通道96來通過開關(guān)；而通道96又將流體引導(dǎo)至渦旋組件內(nèi)，以朝向渦旋出口 102產(chǎn)生相對直接的流動，如實心箭頭所示。[0037]粘度相對小的流體，例如水或天然氣，則將有不同表現(xiàn)。體積相對較小的流體將通過入口 77和控制特征部80而進入控制噴射組件74。控制特征部80被設(shè)計成，產(chǎn)生通過控制噴射通道76、出口 78和噴嘴71連通到粘性開關(guān)的嘴部94的壓降。一旦流體進入粘性開關(guān)的嘴部94，壓降就會“吸引”來自主通道72的流體流動。然后流體沿與油相反的方向，朝向開關(guān)的“關(guān)閉”通道98被引導(dǎo)，并被引導(dǎo)至渦旋組件100內(nèi)。在渦旋組件中，粘度較小的流體被開關(guān)通道98引導(dǎo)至渦旋室104內(nèi)，以產(chǎn)生相對切向上的螺旋式流動，如虛線箭頭所
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[0038]流體開關(guān)組件90從主通道72的下游端延伸到進入渦旋組件60的入口(不包括渦旋組件)。流體在入口端口 93 (其為在主通道72與流體開關(guān)90之間限定出的分界線)處，從主通道進入流體開關(guān)。流體開關(guān)與控制噴射通道76的下游部分79縱向重疊，下游部分79包括出口 78和噴嘴71。來自主通道的流體流入流體開關(guān)的嘴部94內(nèi)，在此被從控制噴射通道76進入嘴部的流體加入和引導(dǎo)。取決于流體在此時的特性，流體朝向流體開關(guān)的出口通道96和98之一被引導(dǎo)?！伴_通”通道96將流體引導(dǎo)至渦旋組件內(nèi)，以朝向渦旋出口產(chǎn)生相對徑向式流動和在閥組件上相對較低的壓降?！瓣P(guān)閉”通道98則將流體引導(dǎo)至渦旋組件內(nèi)，以產(chǎn)生相對螺旋式流動，由此在自動閥組件上引發(fā)相對高的壓降。如圖所示，流體將常常流過兩個出口通道96、98。應(yīng)注意，流體開關(guān)和粘性開關(guān)是類型截然不同的開關(guān)。
[0039]渦旋組件100具有入口端口 106和108，入口端口 106和108對應(yīng)于粘性開關(guān)的出口通道96和98。渦旋室104內(nèi)的流體表現(xiàn)已被描述。流體通過渦旋出口 102離開。可按需采用并非必須的葉片或定向裝置110。
[0040]在并入本文的參考文獻中可找到使用控制噴射的自動閥組件的更多完整的描述和可選的設(shè)計。例如，在一些實施例中，控制噴射組件使流動分布在多個控制通道內(nèi)，流過通道的流量比率取決于流動特性、通道的幾何形狀等。
[0041]圖4A-圖4B是將現(xiàn)有技術(shù)的控制噴射類型的自動閥組件與本發(fā)明提出的粘性開關(guān)類型的自動閥組件加以比較的流程圖。在圖4A中，粘性開關(guān)類型的自動閥流程圖開始于流體F在步驟112流過入口通道，然后在步驟113通過偏置機構(gòu)并且受到偏置機構(gòu)影響；偏置機構(gòu)基于流體的隨時間而改變的特性，將流體流動偏置到粘性開關(guān)內(nèi)。然后在步驟114，流體流入粘性開關(guān)內(nèi)，在此流體流動朝向開關(guān)的選定側(cè)(例如關(guān)閉或開通)被引導(dǎo)。不使用控制噴射組件。
[0042]圖4B是標準的自動閥組件的流程圖。在步驟115，流體F流過入口通道，然后在步驟116進入流體選擇器組件內(nèi)。流體選擇器組件基于流體的隨時間而改變的特性來選擇是否生產(chǎn)流體。在步驟117a和117b，流體流過至少一個控制噴射組件，然后在步驟118進入流體開關(guān)例如雙穩(wěn)開關(guān)內(nèi)。
[0043]圖5是根據(jù)本發(fā)明的方案的粘性開關(guān)類型的自動閥的優(yōu)選實施例的示意圖。粘性開關(guān)類型的自動控制閥120具有入口通道130、偏置機構(gòu)140、粘性開關(guān)組件160和可變流阻組件，可變流阻組件在本例中為渦旋組件180。
[0044]入口通道130將來自流體源的流體、例如來自篩環(huán)空的地層流體連通到偏置機構(gòu)140。通道中的流體流動與流體速度大體相稱。入口通道如圖所示延伸并在偏置機構(gòu)處結(jié)束。入口通道具有上游端132和下游端134。
[0045]偏置機構(gòu)140與入口通道130和粘性開關(guān)組件160流體連通。如本文所述的偏置機構(gòu)140可采用各種形式。
[0046]示例性的偏置機構(gòu)140具有偏置機構(gòu)通道141，如圖所示，偏置機構(gòu)通道從入口通道的下游端延伸到粘性開關(guān)的上游端。在優(yōu)選實施例中，偏置機構(gòu)140由加寬通道142限定，如圖所示。加寬通道142從上游端144的第一截面積(例如在入口和加寬通道是矩形管的情況下利用矩形橫截面的寬度和高度來測量，或在入口通道和加寬通道基本呈圓筒狀的情況下利用直徑來測量)，加寬到下游端146的更大的第二截面積。以下就矩形截面的通道來討論?？上胂笃脵C構(gòu)的加寬通道142具有縱向延伸的兩“側(cè)”，即由第一側(cè)壁152和第二側(cè)壁154限定的第一側(cè)148和第二側(cè)150。第一側(cè)壁152大體與入口通道130的相應(yīng)的第一側(cè)壁136同向延伸。然而，第二側(cè)壁154從入口通道的相應(yīng)的第二側(cè)壁138偏離，由此使偏置機構(gòu)從其第一截面積加寬到第二截面積。入口通道的這些壁大體平行。在優(yōu)選實施例中，第一側(cè)壁152和第二側(cè)壁154之間的加寬角度大約是5°。
[0047]粘性開關(guān)160將來自偏置機構(gòu)的流體連通到渦旋組件。粘性開關(guān)具有上游端162和下游端164。粘性開關(guān)在其下游端分別限定有“開通”和“關(guān)閉”出口通道166、168。這些出口通道與渦旋組件180流體連通。如其名稱暗示的，粘性開關(guān)朝向選定的出口通道引導(dǎo)流體流動?？上胂笳承蚤_關(guān)具有第一側(cè)170和第二側(cè)172，第一側(cè)170和第二側(cè)172分別對應(yīng)于偏置機構(gòu)的第一側(cè)和第二側(cè)。第一側(cè)壁174和第二側(cè)壁176從偏置機構(gòu)的第一壁和第二壁偏離，由此在開關(guān)室178中產(chǎn)生加寬截面積。如圖所示，偏轉(zhuǎn)角P和S被限定為粘性開關(guān)壁與正交于入口通道壁(和偏置機構(gòu)的第一側(cè)壁)的直線之間的角度。第二側(cè)的偏轉(zhuǎn)角6比第一側(cè)的偏轉(zhuǎn)角P淺。例如，偏轉(zhuǎn)角P可大約為80°，而偏轉(zhuǎn)角8大約為75°。
[0048]渦旋組件180具有對應(yīng)于粘性開關(guān)的出口通道166和168的入口端口 186和188。渦旋室104內(nèi)的流體表現(xiàn)已經(jīng)描述。流體通過渦旋出口 182離開。按照期望的可使用隨意的葉片或方向裝置190。
[0049]在使用中，粘度較大的流體例如油，會“跟隨”變寬。換言之，粘度較大的流體除了粘附到非偏離的(第一)壁之外，還趨向于“粘附”到偏置機構(gòu)的偏離的(第二)壁。亦即，分布在偏置機構(gòu)的下游端146的截面上的流體流量和/或流體速度從第一側(cè)到第二側(cè)是相對對稱的。對于離開偏置機構(gòu)時淺偏轉(zhuǎn)角S而言，粘度較大的流體會跟隨或粘附到粘性開關(guān)的第二壁。因此，開關(guān)會朝向選定的開關(guān)出口來引導(dǎo)流體。
[0050]相反，粘度較小的流體例如水或天然氣，不趨向于“跟隨”偏離的壁。因此，在偏置機構(gòu)的出口會出現(xiàn)相對較少對稱的流動分布。在偏置機構(gòu)的下游端所截取的截面上的流動分布被偏置，以朝向粘性開關(guān)的第一側(cè)170來引導(dǎo)流體。因此，流體流動朝向粘性開關(guān)的第一側(cè)和開關(guān)的“關(guān)閉”出口通道被引導(dǎo)。
[0051]圖6是流過示例性的組件相對粘度較大的流體的圖示。相似的部件被編號，而不再作討論。粘度較小的流體例如油，流過入口通道并進入偏置機構(gòu)內(nèi)。油跟隨偏置機構(gòu)的偏離的壁，在偏置機構(gòu)的下游端處引起相對對稱的流動分布。細節(jié)示出在下游端處的速度分布196的圖示。速度曲線在開口上大體對稱。觀察到流量、質(zhì)量流量等的類似分布。
[0052]請注意流體開關(guān)(如圖3中的)與本發(fā)明的粘性開關(guān)之間的區(qū)別。在流體開關(guān)組件中，不對稱的偏轉(zhuǎn)角朝向選定的出口引導(dǎo)大體對稱的流動(進入流體開關(guān)的流體的流動)。在粘性開關(guān)中，偏置機構(gòu)在偏置機構(gòu)的出口(和開關(guān)的入口)處產(chǎn)生不對稱的流動分布，這種不對稱性朝向選定的出口引導(dǎo)流體。(不是所有的流體都將典型地流過單個出口 ；應(yīng)理解，被選定的是小于所有流體的流體流過的出口。)
[0053]圖7是流過示例性的組件相對粘度較小的流體的圖示。相似的部件被編號，而不再作討論。粘度較小的流體例如水或天然氣，流過入口通道并進入偏置機構(gòu)內(nèi)。水不能跟隨偏置機構(gòu)的偏離的壁(與更大粘度的流體相比)，在偏置機構(gòu)的下游端處引起相對不對稱的或偏置的流動分布。細節(jié)示出在下游端處的速度分布198的圖示。速度曲線在開口上大體不對稱。
[0054]上面的討論涉及作為所關(guān)注的流體特性的粘度，然而也可選擇其它特性例如流量、速度等。進一步通過反轉(zhuǎn)開關(guān)中產(chǎn)生螺旋式流動的那一側(cè)，該構(gòu)造可被設(shè)計成針對相對粘度更大或更小的流體來進行“選擇”。
[0055]可使用其它的實施例，利用各種偏置機構(gòu)朝向或遠離粘性開關(guān)的一側(cè)來引導(dǎo)流體流動。這些變例的使用將不被詳細討論，這是因為它們的使用與以上描述的內(nèi)容類似。只要適當會自始至終使用相似的附圖標記，并可能不作標注。
[0056]圖8是本發(fā)明的替換實施例的示意圖，其具有使用壁輪廓元件的偏置機構(gòu)。入口通道130將流體引導(dǎo)至偏置機構(gòu)140內(nèi)。偏置機構(gòu)的第二側(cè)150在輪廓上相對平滑。偏置機構(gòu)的通道的第一側(cè)148具有一個或多個輪廓元件200，輪廓元件200被設(shè)置在偏置機構(gòu)的第一側(cè)壁152中。這里，輪廓元件是從偏置機構(gòu)的通道側(cè)向延伸的圓形空心部。當流體F沿偏置機構(gòu)流動時，輪廓元件200使流動的中心線移位并改變偏置機構(gòu)中的流體分布。(分布可以是對稱的或可以是不對稱的)。通過類似于光折射的方式，輪廓仿佛增大了對流體的阻力并使流體流動折射。這種流體的折射產(chǎn)生偏置，這種偏置被開關(guān)用以控制流體流動的方向。因此，粘度較大的流體例如油會沿粘性開關(guān)的第二側(cè)172的方向流動，如實心箭頭所示。相對粘度較小的流體例如水或天然氣則朝向粘性開關(guān)的第一側(cè)170在另一方向上被引導(dǎo)，如虛線所示。
[0057]對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然可使用其它彎曲的、線性的或曲線的輪廓元件，例如三角形的切口、鋸齒形的切口、特斯拉射流二極管、正弦曲線的輪廓、斜坡等。
[0058]圖9是本發(fā)明的替換實施例的詳細示意圖，其具有偏置元件，偏置元件包括輪廓元件且具有階梯剖面式的通道形狀。偏置機構(gòu)140具有多個沿偏置機構(gòu)的通道141那一側(cè)的輪廓元件。此處的輪廓元件202具有不同尺寸,輪廓元件202為從偏置機構(gòu)的通道141側(cè)向延伸的彎曲切口或空心部。輪廓元件影響通道中的流體分布。
[0059]還示出另一種類型的偏置機構(gòu)，階梯204或通道截面上的突變部。偏置機構(gòu)的通道141沿通道的上游部分具有第一截面206。在下游點，截面突變成第二截面208。這種突變改變了偏置機構(gòu)的下游端處的流體分布。截面變化可單獨地或與附加的元件結(jié)合地使用(如圖所示)，并且可位于這類元件之前或之后。此外，截面可從大變小，而且也可改變形狀，例如從圓形變成正方形等。
[0060]偏置機構(gòu)引起流體朝向粘性開關(guān)的用于粘度較大流體的一側(cè)和朝向用于粘度較小流體的另一側(cè)流動。
[0061]圖9還示出用于粘性開關(guān)出口通道166和168的替換實施例。此處多個“開通”出口通道166將流體從粘性開關(guān)引導(dǎo)至渦旋組件180。流體被大體徑向地引導(dǎo)至渦旋室184內(nèi)，引起到渦旋出口 182的更多定向流動和隨之在該裝置上產(chǎn)生更低的壓降。粘性開關(guān)的“關(guān)閉”出口通道168則將流體大體正切地引導(dǎo)至渦旋室184內(nèi)，引起室中的螺旋式流動，而且在該裝置上產(chǎn)生與其他方式相比相對更大的壓降。
[0062]圖10是本發(fā)明的替換實施例的示意圖，其具有作為偏置機構(gòu)中的輪廓元件的射流二極管狀的切口。偏置機構(gòu)140具有一個或多個射流二極管狀的輪廓元件210，所述輪廓元件沿著影響偏置機構(gòu)的通道141的流動分布的一個側(cè)壁且位于下游端處。流動分布響應(yīng)于流體特性的改變而改變，且朝向粘性開關(guān)的選定側(cè)來引導(dǎo)流體。
[0063]圖11是本發(fā)明的替換實施例的示意圖，其沿流體通道141的第一側(cè)148具有特斯拉二極管212。這些特斯拉二極管影響偏置機構(gòu)中的流動分布。流動分布響應(yīng)于流體特性的改變而改變，由此朝向粘性開關(guān)的選定側(cè)來引導(dǎo)流體。
[0064]圖12是本發(fā)明的替換實施例的示意圖，其具有彎道214或偏置機構(gòu)通道141的具有多個彎曲部216的段，彎曲部是由沿通道的側(cè)面設(shè)置的流動障礙部218與220產(chǎn)生的。彎道影響偏置機構(gòu)的流動分布。流動分布響應(yīng)于流體特性的改變而改變，由此朝向粘性開關(guān)的選定側(cè)來引導(dǎo)流體。在所示的示例性實施例中，沿相對側(cè)的流動障礙部218呈半圓形，而流動障礙部220大體呈三角形或斜坡狀。彎道元件也可采用其它形狀、數(shù)量、尺寸和位置。
[0065]圖13是本發(fā)明的替換實施例的示意圖，其具有偏置機構(gòu)的通道141，通道141具有彎曲段222。彎曲段的功能是沿通道的凹入側(cè)使流體加速。彎曲段影響偏置機構(gòu)的流動分布。流動分布響應(yīng)于流體特性的改變而改變，由此朝向粘性開關(guān)的選定側(cè)來引導(dǎo)流體?？墒褂闷渌问降膹澢魏投鄠€彎曲段。
[0066]本發(fā)明也可與其它流動控制系統(tǒng)一起使用，例如流入控制裝置、滑動套筒、以及其它在工業(yè)上已經(jīng)眾所周知的流動控制裝置。本發(fā)明的系統(tǒng)能夠與上述其它流動控制系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)。
[0067]雖然以上參照說明性的實施例描述了本發(fā)明，但這種描述并非旨在從限定意義上被解讀。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，一旦參照本說明書，說明性的實施例以及本發(fā)明的其它實施例的各種更改和組合將成為顯而易見的。因此，應(yīng)認為隨附權(quán)利要求書涵蓋任何這樣的更改或?qū)嵤├?br> [0068]進一步，本發(fā)明能夠被用來對照粘度較小的流體而選擇粘度較大的流體，或反之亦然。例如，可能期望生產(chǎn)天然氣但限制水的產(chǎn)量等。因此，為所有目的、包括為本申請的任何權(quán)利要求主題提供支持而通過援引并入以下美國專利(專利號)和專利申請(申請系列號):美國專利申請系列號 12/700685, “Method and Apparatus for Autonomous DownholeFluid Selection with Pathway Dependent Resistance System (利用旁路依賴阻力系統(tǒng)的自動井下流體選擇的方法和裝置)”;美國專利申請系列號12/750476，“Tubular EmbeddedNozzle Assembly for Controlling the Flow Rate of Fluids Downhole(控制井下流體的流量的管狀嵌入噴嘴組件)”;美國專利申請系列號12/791993，“Flow Path Control Basedon Fluid Characteristics to Thereby Variably Resist Flow in a Subterranean Well(基于流阻對由此地下井中的可變流阻的流路控制)”；美國專利申請系列號12/792095，“Alternating Flow Resistance Increases and Decreases for Propagating PressurePulses in a Subterranean Well (為地下井中的傳播壓力脈沖改變流阻增大和減小)”；美國專利申請系列號 12/792117，“Variable Flow Resistance System for Use in aSubterranean Well (地下井中使用的可變流阻系統(tǒng))”；美國專利申請系列號12/792146，“Variable Flow Resistance System With Circulation Inducing Structure Thereinto Variably Resist Flow in a Subterranean Well (利用其中的產(chǎn)生循環(huán)結(jié)構(gòu)可變流阻系統(tǒng)抵抗地下井中的可變流阻)”；美國專利申請系列號12/879846，“Series ConfiguredVariable Flow Restrictors For Use In A Subterranean Well (地下井中使用的串聯(lián)構(gòu)造的可變流阻器)”;美國專利申請系列號12/869836，“Variable Flow Restrictor For UseIn A Subterranean Well(地下井中使用的可變流阻器)”;美國專利申請系列號12/958625，“A Device For Directing The Flow Of A Fluid Using A Pressure Switch (使用壓力開關(guān)指引流體流動的裝置)”；美國專利申請系列號12/974212，“An Exit Assembly Witha Fluid Director for Inducing and Impeding Rotational Flow of a Fluid (具有用于產(chǎn)生并阻礙流體的旋轉(zhuǎn)流動的流體指向器的離開組件)”；以及美國專利申請系列號 12/966772，“Downhole Fluid Flow Control System and Method Having DirectionDependent Flow Resistance(具有依賴方向的流阻的井下流體流動控制系統(tǒng)和方法)”。每個并入的參考文獻進一步描述了自動流體控制的方法和裝置的細節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制井眼中的流體流動的方法，所述井眼延伸通過地層，所述流體的特性隨時間而改變，所述流體流過入口通道、流動偏置機構(gòu)和可變流阻組件，所述方法包括以下步驟: 使所述流體流過所述入口通道； 在所述流動偏置機構(gòu)的出口上建立第一流體流動分布；然后 響應(yīng)于所述流體特性的改變，將所述第一流體流動分布改變成所述流動偏置機構(gòu)的出口上的第二流動分布；以及 響應(yīng)于從所述流動偏置機構(gòu)的出口的流動分布的改變，改變所述可變流阻組件的流體流阻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟:使所述流體流動到地表或進入地層內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟:在所述可變流阻組件中建立第一流動模式；然后響應(yīng)于流過所述流動偏置機構(gòu)的出口的流體的改變，將所述可變流阻組件中的流動改變到第二流動模式。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述流體的特性是流體速度、密度、流量和速度之
o
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)是在上游端較窄而在下游端較寬的加寬通道。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)的下游端限定有兩側(cè)，所述兩側(cè)連接到流體開關(guān)組件的相應(yīng)的第一側(cè) 和第二側(cè)，對應(yīng)于在連接部限定的第一偏轉(zhuǎn)角和第二偏轉(zhuǎn)角；而且其中，所述第一偏轉(zhuǎn)角比所述第二偏轉(zhuǎn)角淺。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一流體流動分布是大體對稱的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)包括沿所述偏置機構(gòu)的至少一側(cè)的至少一個輪廓元件。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，每個輪廓元件包括側(cè)向延伸的空心部。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，每個輪廓元件包括大體圓筒形的段。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)包括具有第一截面尺寸的第一段和具有與第一截面尺寸不同的第二截面尺寸的鄰接的第二段。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)包括一個或多個沿所述偏置機構(gòu)的壁形成的二極管。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述偏置機構(gòu)包括被限定在所述偏置機構(gòu)中的彎道。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述彎道包括位于所述偏置機構(gòu)的第一側(cè)和第二側(cè)上的多個流動障礙部。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟:使流體通過所述偏置機構(gòu)的通道的彎曲段。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可變流阻組件包括自動閥組件。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟:使所述流體流過所述偏置機構(gòu)與所述可變流阻組件之間的流體開關(guān)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，所述流體開關(guān)限定至少一個流動通道，所述流動通道具有與所述入口通道的出口一致的入口。
19.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟:增大不期望流體的流體流阻。
20.如權(quán)利要求16所`述的方法，其中，所述自動閥組件還包括渦旋組件。
【文檔編號】E21B34/14GK103492671SQ201280017357
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】M·L·夫瑞普, 賈森·D·戴克斯特拉 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司