流動控制裝置和方法
【專利摘要】公開了一種流動控制裝置，其包括：流動路徑；補償腔室；以及調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的相對的第二表面；其中設(shè)置驅(qū)動裝置以便移動所述調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑。在一些實施例中，流動通過流動路徑的流體建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力，并且補償腔室與第一表面的選擇成建立補償腔室壓力的局部區(qū)域處于壓力連通，所述補償腔室壓力作用于調(diào)節(jié)器組合件的第二表面以便使得調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。在一些實施例中，調(diào)節(jié)器組合件的所述第一表面限定輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將施加在所述第一表面上的壓力變化最小化。
【專利說明】流動控制裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流動控制裝置和方法，具體地但非排他性地涉及用于在流體(諸如烴流體)內(nèi)施加壓力波動用于無線通信的流動控制裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了優(yōu)化采收，石油工業(yè)依賴于從井和儲層收集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)形成對于針對油田開發(fā)和運營的幾乎每一個決定的基礎(chǔ)，包括將新井定位到何處、維修計劃和分配/控制生產(chǎn)。
[0003]考慮到對該數(shù)據(jù)的需求，許多井的應用借助于永久安裝的井下儀器(諸如壓力和溫度監(jiān)測裝置)來完成。由于通常惡劣的井筒環(huán)境，永久的儀器具有有限的壽命，預期會出現(xiàn)故障。這種故障會導致從儲層獲得有限的信息以及有限的控制可能性。這都會對儲層的理解和建模具有嚴重的影響并降低儲層的采收率。
[0004]此外，已知的設(shè)備通常需要電力供應和從井口向下到井下監(jiān)測和/或控制系統(tǒng)的生產(chǎn)管的長度的連通線，所述線通常使用定制的夾具固定到生產(chǎn)管。將電纜裝配到管道是一項耗時的活動，其延長了安裝時間。在設(shè)備(諸如傳統(tǒng)的井下壓力和溫度傳感器)的安裝和使用過程中，電纜、夾具、鋼絲繩、穿透器、連接器等會暴露于井流體并且成為自然的故障節(jié)點。如果損壞發(fā)生，最壞的情況就是必須對管的整個長度進行檢修以便更換受到損壞的電纜。如果受到損壞的設(shè)備可被修復，則必須進行良好的維修操作。
[0005]其它鉆孔裝置，諸如多相位流量計、砂探測器、閥門、節(jié)流器、循環(huán)裝置等也可作為永久井筒完井的一部分安裝，并且這是具有如上所述應用的類似問題的情況。
[0006]根據(jù)井況，永久安裝設(shè)備的壽命預期會在從幾個月到幾年的范圍內(nèi)，且如上所述永久設(shè)備會出現(xiàn)故障，在大多數(shù)情況下唯一的補救辦法就是重新完井，這意味著更換生產(chǎn)管和相關(guān)系統(tǒng)。此操作帶來較高的風險和成本，因此通常是非常不希望的。
[0007]改進井下監(jiān)測和/或控制系統(tǒng)在本領(lǐng)域內(nèi)是希望的，以便在永久監(jiān)測系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或損害的情況下使用，從而允許從井重新獲得/維持連續(xù)性數(shù)據(jù)流。除了這種改進方案之外，還有一項被認可的希望是使得井下監(jiān)測和/或控制系統(tǒng)易于安裝、檢修和維護，以便在惡劣的井況下提供長期的監(jiān)測和/或控制功能。
[0008]WO 2006/041308描述了適于在井內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸和井下數(shù)據(jù)采集的一種系統(tǒng)，且無線井下控制系統(tǒng)使得能夠在與生產(chǎn)烴類相關(guān)的井內(nèi)進行井下生產(chǎn)和/或注入?yún)^(qū)域的遠程無線流動控制。具體而言，限制閥元件在管道流體內(nèi)的操作可用于在油井或天然氣井中發(fā)送無線電報，即通過經(jīng)由使流體流動而傳遞壓力脈沖來實現(xiàn)無線信號的傳送。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種流動控制裝置，包括:
[0010]流動路徑；
[0011]補償腔室；
[0012]調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的相對的第二表面；以及
[0013]用于移動所述調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑的驅(qū)動裝置；
[0014]其中，在使用中，通過流動路徑流動的流體建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力，并且補償腔室與第一表面的選擇成建立補償腔室壓力的局部區(qū)域處于壓力連通，所述補償腔室壓力作用于調(diào)節(jié)器組合件的第二表面以便使得調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。
[0015]本發(fā)明可允許利用流動的流體來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器組合件的所希望的偏置。將調(diào)節(jié)器組合件偏置例如可允許在驅(qū)動裝置發(fā)生故障的情況下進行適當?shù)牟僮骰騽幼鳌４送?，將調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置可有助于將驅(qū)動裝置的動力需求最小化。例如，當調(diào)節(jié)器組合件將要通過驅(qū)動組合件在偏置方向上移動時可能需要最小的動力需求。
[0016]通過認識到下述可實現(xiàn)本發(fā)明的效果，即在使用過程中跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的壓力發(fā)生變化，從而在第一表面上適當?shù)剡x擇希望的局部區(qū)域，壓力從所述局部區(qū)域連通到補償腔室。以這種方式，作為在調(diào)節(jié)器組合件的第一表面上的局部區(qū)域位置的函數(shù)可來確定補償腔室壓力。
[0017]流動控制裝置可配置成與同井筒相關(guān)聯(lián)的流動一起使用，諸如生產(chǎn)流，注入流等。流動控制裝置可配置成在井筒內(nèi)使用，例如在井下位置處。流動控制裝置可限定井下流動控制裝置。
[0018]調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變通過或沿著流動路徑的流動。調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變在全開和全閉位置之間的流動路徑。調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變在全開和全閉位置中間的流動路徑。調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變流動路徑從而在流動的流體內(nèi)施加壓力波動。這種壓力波動可用于在井筒內(nèi)無線通信，例如在WO 2006/041308中所述那樣，其公開內(nèi)容通過引用并入本文。
[0019]調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變流動路徑，從而給流體提供節(jié)流，例如以便控制生產(chǎn)/注入壓力和速率。流動控制裝置可配置成流入或流出控制裝置。
[0020]調(diào)節(jié)器組合件可在流動路徑開放、例如全開的方向上偏置。在這種布置中，例如在驅(qū)動裝置發(fā)生故障的情況下，流動路徑可以打開配置操作并保持在打開配置下。這在出現(xiàn)這種故障的情況下可允許流動路徑保持可操作，例如在井筒應用中上述具有顯著的優(yōu)勢。
[0021]在一個替代性的實施例中，調(diào)節(jié)器組合件可在流動路徑被關(guān)閉的方向上偏置。
[0022]跨過所述第一表面變化的壓力將產(chǎn)生通過所述第一表面作用于調(diào)節(jié)器組合件上的力，以及補償腔室壓力將產(chǎn)生通過所述第二表面作用于調(diào)節(jié)器組合件上的力，其中，這些力的量級不同以便建立將調(diào)節(jié)器組合件在所需方向上偏置的偏置力。所述第一表面的局部區(qū)域的位置可確定補償腔室壓力從而影響通過所述第二表面施加到調(diào)節(jié)器組合件上的力的量級。
[0023]在穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)下，壓力上的恒定變化可在調(diào)節(jié)器組合件的所述第一表面上形成。從而，在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，恒定力可通過所述第一表面在調(diào)節(jié)器組合件上產(chǎn)生。
[0024]補償腔室壓力可與調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域處的壓力相關(guān)聯(lián)，例如基本上等于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域處的壓力。在穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)期間，補償腔室壓力可基本上恒定，因此可通過所述第二表面產(chǎn)生基本上恒定的力。
[0025]流動控制裝置可配置成對于通過流動路徑的流體的所有流動狀態(tài)而言建立偏置力。因此，在使用中，調(diào)節(jié)器組合件可在所需的方向上連續(xù)偏置。
[0026]該裝置可包括在補償腔室和調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域之間延伸的壓力管道以便促進其間的壓力連通。壓力管道可至少部分地設(shè)置成調(diào)節(jié)器組合件的一部分。壓力管道可限定在調(diào)節(jié)器組合件的第一表面內(nèi)的端口，這樣在端口的位置處作用于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部壓力連通到補償腔室。壓力管道可允許在流動路徑和補償腔室之間的流體連通。在這種布置中，補償腔室可暴露于流動通過流動路徑的流體，在其它實施例中，補償腔室與所述流動路徑可與彼此流體地隔離。在這種布置中，利用壓力傳遞裝置諸如波紋管結(jié)構(gòu)、活塞組合件等來實現(xiàn)壓力連通。
[0027]借助于流動通過流動路徑的流體的流態(tài)可建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的壓力變化。例如，流態(tài)可包括較低速度的區(qū)域，從而具有較高的壓力，以及包括較高速度的區(qū)域，從而具有較低的壓力?？赏ㄟ^流體碰撞到流動控制裝置的表面上、不同股流體的碰撞等形成較低速度的區(qū)域。
[0028]在使用過程中，流動通過流動路徑的流體可在相對于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的外側(cè)區(qū)域的中心區(qū)域上形成更大的壓力。在期望更大的補償腔室壓力的這種布置中，與補償腔室壓力連通的第一表面的局部區(qū)域可朝向第一表面的中心定位。備選地，在期望更低的補償腔室壓力的情況下，與補償腔室壓力連通的第一表面的局部區(qū)域可朝向所述第一表面的外側(cè)區(qū)域定位。
[0029]在一個替代性的實施例中，流動通過流動路徑的流體可在相對于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的中心區(qū)域的外側(cè)區(qū)域上形成更大的壓力。
[0030]流動控制裝置可包括至少部分地限定流動路徑的殼體。殼體可至少部分地由管狀構(gòu)件限定。殼體可配置成例如經(jīng)由一個或多個管路懸掛器、封隔器等安裝到井筒內(nèi)。
[0031]殼體可包括或限定用于適應通過所述流動路徑的流體的至少一個流動端口。可設(shè)置多個流動端口。流動端口可沿著殼體的長度軸向分布。流動端口可圍繞殼體周向分布。至少一個流動端口可限定在殼體的壁內(nèi)或通過殼體的壁。至少一個流動端口可提供在所述殼體的外部和內(nèi)部位置之間的流體連通。至少一個流動端口可允許流動路徑和地下區(qū)域(諸如生產(chǎn)區(qū)域、注入?yún)^(qū)域等)之間的連通。
[0032]至少一個流動端口可限定用于允許流體流入到流動路徑內(nèi)的流體流入端口。這種布置可具有在井筒生產(chǎn)流體操作中的應用。至少一個流動端口可限定用于允許流體從流動路徑流出的流體流出端口。這種布置可具有在井筒流體注入操作中的應用。
[0033]至少一個流動端口可形成流動路徑的一部分。
[0034]調(diào)節(jié)器組合件可與至少一個流動端口配合以便改變通過流動路徑的流體。例如，調(diào)節(jié)器組合件配置成選擇性地阻斷或部分地阻斷至少一個流動端口。
[0035]經(jīng)由至少一個流動端口進入殼體的流體可建立流態(tài)，其形成跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的可變壓力。例如，來自至少兩個流動端口、例如徑向相對的流動端口的流體會碰撞以便生成低流速和高壓力的區(qū)域。
[0036]至少一個流動端口可限定有助于形成通過流動路徑的所需流態(tài)的幾何形狀。例如，雖然需要跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的可變壓力，但是至少一個流動端口可限定幾何形狀，以便消除跨過所述第一表面的壓力上的非常大的變化。至少一個流動端口可限定幾何形狀以有助于將流動路徑內(nèi)的流動的停滯最小化。至少一個流動端口可相對于殼體的中心軸線傾斜地對準。
[0037]至少一個流動端口可限定幾何形狀，其補償調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的幾何形狀。例如，至少一個流動端口可限定角度，所述角度對應于第一表面的輪廓的角度。該布置可促進在流動路徑內(nèi)產(chǎn)生或控制所需的流態(tài)。
[0038]殼體可包括或限定至少一個旁通流動端口。旁通流動端口可配置成在任何時候開放。旁通流動端口可不受到調(diào)節(jié)器組合件的影響。例如在調(diào)節(jié)器組件發(fā)生故障的情況下，旁通流動端口可允許流體旁路通過流動路徑，以便適應大的流率等。
[0039]調(diào)節(jié)器組合件的第一表面可限定幾何形狀以便有助于建立跨過上述表面的希望流態(tài)和壓力分布。例如，雖然需要跨過調(diào)節(jié)組合件的第一表面的可變壓力，但是所述第一表面可限定幾何形狀，其用于消除跨過所述第一表面的壓力上的非常大的變化。所述第一表面可限定幾何形狀以便沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移(例如逐漸轉(zhuǎn)移)流體流。例如，所述第一表面可限定幾何形狀，其沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移(例如經(jīng)由至少一個流動端口)流入的流體。所述第一表面可限定幾何形狀，其逐漸改變流體的流動方向以便與所述流動路徑對準。這種幾何形狀可將流體停滯最小化。所述第一表面可限定錐形或截頭錐形的輪廓。第一表面可限定拋物線的錐形輪廓。第一表面可限定部分球形表面，諸如半球形表面。
[0040]調(diào)節(jié)器組合件可安裝到殼體內(nèi)。調(diào)節(jié)器組合件可在殼體內(nèi)軸向移動以便改變流動路徑。補償腔室可定位于或限定于所述殼體內(nèi)。驅(qū)動裝置可定位于所述殼體內(nèi)。
[0041]調(diào)節(jié)器組合件可將流動路徑和補償腔室分離。流動控制裝置可包括密封裝置，其配置成提供調(diào)節(jié)器組合件和所述殼體之間的密封。密封裝置可提供流動路徑和補償腔室之間的密封?？煽邕^密封組合件施加作用于調(diào)節(jié)器組合件的相應第一和第二表面的壓力。密封組合件可在調(diào)節(jié)器組合件的兩側(cè)上限定等同的密封區(qū)域。備選地，可設(shè)置不同的密封區(qū)域，這可導致生成偏置。
[0042]驅(qū)動裝置可包括流體驅(qū)動裝置，諸如活塞裝置。驅(qū)動裝置可包括機械驅(qū)動裝置，諸如馬達驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置可起到抵制調(diào)節(jié)器組合件上偏置的功能，例如以將偏置組合件在偏置的反方向上移動。
[0043]流動控制裝置可配置成安裝到井筒內(nèi)的現(xiàn)有設(shè)備中。流動控制裝置可配置成在井筒內(nèi)改裝。流動控制裝置可配置成作為井筒完井的一部分安裝于井筒內(nèi)。流動控制裝置可配置成利用一個或多個封隔器、懸掛器等安裝于井筒內(nèi)。
[0044]調(diào)節(jié)器組合件可包括單個元件，其中所述單個元件的一側(cè)限定第一表面，相對側(cè)限定第二表面。調(diào)節(jié)器組合件可包括多個元件。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種控制流量的方法，包括:
[0046]在流動控制裝置內(nèi)限定流動路徑和補償腔室；
[0047]提供調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面以及暴露于補償腔室的相對的第二表面，其中所述調(diào)節(jié)器組合件由驅(qū)動裝置可移動以便改變流動路徑；
[0048]使得流體通過流動路徑，以便建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力；以及
[0049]將壓力從所述第一表面的局部區(qū)域連通到補償腔室以便建立補償腔室壓力，其作用于調(diào)節(jié)器組合件的所述第二表面以便將調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。
[0050]流動控制裝置可根據(jù)第一方面配置。在這種配置中，在第一方面中使用的特征和相關(guān)聯(lián)的方法可適用于第二方面。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種無線通信組合件，包括:
[0052]流動路徑；
[0053]補償腔室；
[0054]調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的相對的第二表面；以及
[0055]驅(qū)動裝置，用于移動所述調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑，以在流體內(nèi)施加壓力波動，其中所述壓力波動編碼有數(shù)據(jù)；
[0056]其中，在使用過程中，流動通過流動路徑的流體建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力，并且補償腔室與第一表面的選擇成建立補償腔室壓力的局部區(qū)域處于壓力連通，所述壓力作用于調(diào)節(jié)器組合件的第二表面以便使得調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種流動控制裝置，包括:
[0058]流動路徑和補償腔室；
[0059]將流動路徑從補償腔室分離的調(diào)節(jié)器組合件；以及
[0060]驅(qū)動裝置，其用于使得閥元件移動以便改變流動路徑；
[0061]其中在使用過程中，流動通過流動路徑的流體建立較高壓力的第一區(qū)域和較低壓力的第二區(qū)域，并且補償腔室與所述第一和第二區(qū)域之一壓力連通以便建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的所需力差。
[0062]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種流動控制裝置，包括:
[0063]彼此壓力連通的流動路徑和補償腔室；
[0064]調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的相對的第二表面；以及
[0065]驅(qū)動裝置，其用于移動調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑；
[0066]其中所述第一表面限定輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將在所述第一表面上施加的壓力最小化。
[0067]相應地，可將壓力變化的任何影響最小化，否則壓力變化會在調(diào)節(jié)器組合件上形成不利的偏置。因此這可允許在壓力從流動路徑放出或滲出以與補償腔室連通的位置變得不那么重要。例如，在壓力被放出的該位置可基于其它因素建立，諸如制備簡便性等。
[0068]此外，將任何不利的偏置最小化可便于驅(qū)動裝置的低動力運行。
[0069]所述第一表面可限定幾何形狀以便沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移(例如逐漸轉(zhuǎn)移)流體流。例如，所述第一表面可限定幾何形狀，其沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移(例如經(jīng)由至少一個流動端口)流入的流體。所述第一表面可限定幾何形狀，其逐漸改變流體的流動方向以便變成與所述流動路徑對準。這種幾何形狀可將流體停滯最小化。所述第一表面可限定錐形或截頭錐形的輪廓。第一表面可限定拋物線的錐形輪廓。第一表面可限定部分球形表面，諸如半球形表面。
[0070]補償腔室可經(jīng)由設(shè)置于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面上的端口與流動路徑壓力連通。
[0071]與第一和其它方面相關(guān)聯(lián)的特征可應用于根據(jù)第五方面的裝置。
[0072]根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種控制流動的方法，包括:
[0073]在流動控制裝置內(nèi)限定流動路徑和補償腔室以及在所述流動路徑和補償腔室之間建立壓力連通；
[0074]提供調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的第二表面，其中所述第一表面限定輪廓；
[0075]由驅(qū)動裝置使得調(diào)節(jié)器組合件移動以便改變流動路徑；以及
[0076]使得流體通過流動路徑，這樣所述第一表面的輪廓將施加在所述表面上的壓力變化最小化。
[0077]根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種流動控制裝置，其包括:
[0078]流動路徑；
[0079]調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面；以及
[0080]驅(qū)動裝置，其用于移動調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑；
[0081]其中所述第一表面限定輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將施加在所述第一表面上的壓力變化最小化。
[0082]根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供一種控制流動的方法，其包括:
[0083]在流動控制裝置內(nèi)限定流動路徑；
[0084]提供調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面，其中由驅(qū)動裝置使得調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變流動路徑；
[0085]使得流體通過流動路徑；
[0086]其中所述第一表面限定輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將在所述第一表面上施加的壓力變化最小化。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供一種流動控制裝置，其包括:
[0088]流動路徑；
[0089]調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面；以及
[0090]驅(qū)動裝置，其用于移動調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑；
[0091]其中所述第一表面限定拋物線的錐形輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將在所述第一表面上施加的壓力變化最小化。
[0092]流動控制裝置可包括補償腔室，其與流動路徑壓力連通，例如在調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的區(qū)域處。調(diào)節(jié)器組合件可限定暴露于補償腔室的第二表面。
[0093]上面已經(jīng)限定了各種不同的方面。但應當理解的是一個方面的各種特征可以與任何其它方面獨立或任何合適組合的方式應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0094]現(xiàn)在將參照附圖僅僅通過示例的方式對本發(fā)明的這些和其它方面進行描述，其中:
[0095]圖1是示出井筒布置的示意圖，其包括根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在井筒內(nèi)無線通信的裝置；
[0096]圖2是示出變型的井筒布置的示意圖，其也包括根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在井筒內(nèi)無線通信的裝置；
[0097]圖3示出流動控制裝置的示例性實施例，其用于在井筒內(nèi)無線通信；
[0098]圖4提供根據(jù)本發(fā)明實施例的在調(diào)節(jié)器組合件的區(qū)域內(nèi)的流動控制裝置的放大視圖；
[0099]圖5提供根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的在調(diào)節(jié)器組合件的區(qū)域內(nèi)的流動控制裝置的放大視圖；
[0100]圖6提供根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的在調(diào)節(jié)器組合件的區(qū)域內(nèi)的流動控制裝置的放大視圖；以及
[0101]圖7提供根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的在調(diào)節(jié)器組合件的區(qū)域內(nèi)的流動控制裝置的放大視圖。

【具體實施方式】
[0102]本發(fā)明的各方面與實施例涉及用于控制井筒內(nèi)流動的流動控制裝置和方法。這種流動控制的一個示例性應用是提供井筒內(nèi)的無線通信。這種示例性應用在圖1中示出。
[0103]圖1示出井筒101，其便于經(jīng)由一組射孔102從地下儲層103制備烴類，諸如石油和/或天然氣。在地球表面上的某些地方，井筒101端接于井口 104內(nèi)，井口包括適當?shù)拈y和監(jiān)測系統(tǒng)以便根據(jù)相關(guān)程序和法律法規(guī)控制和操作井。在井口 104的下游，所產(chǎn)生的烴類流動通過流體管線105到達生產(chǎn)設(shè)施，諸如分離器和罐設(shè)施(未示出)。
[0104]油田或天然氣田通常包括許多井，其大多數(shù)/全部做成相同的處理設(shè)施。由于井會具有不均勻的壓力，例如由于穿透儲層103的不同區(qū)段或不同儲層單元，因此，需要在表面上進行調(diào)節(jié)以確保來自每個井的產(chǎn)物以相同的壓力到達制造設(shè)施。為了針對這一點，大多數(shù)流體管線105裝配有節(jié)流閥107以便調(diào)節(jié)壓力。此外，大多數(shù)流體管線105和/或井口 104裝配有壓力傳感器106以便監(jiān)測井口壓力。
[0105]在井筒101的儲層端部，示出根據(jù)本發(fā)明各方面的流動控制裝置或系統(tǒng)108。裝置108用于控制流動，以便通過井流體施加壓力信號112，從而在地面和井下位置之間提供無線通信。
[0106]裝置108可用于監(jiān)測和/或控制井。為了井下數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的，裝置108使用一個或多個傳感器，諸如壓力傳感器111?？刂颇K110用于記錄和處理數(shù)據(jù)。裝置108包括節(jié)流器/流量調(diào)節(jié)器閥或組合件109，其用于智能地將壓力變化112施加到流動的生產(chǎn)流體上，以便將所記錄的數(shù)據(jù)傳送到地面。在地面上，所述壓力信號112由諸如壓力傳感器106的傳感器接收，以及使用分析系統(tǒng)(未示出)來提取井下信息。
[0107]圖2示出了在很大程度上類似于圖1所示的井筒，因此相同的部件具有相同的附圖標記。然而，圖2中所示布置的不同之處在于配置類似于井下裝置108的流動控制裝置或系統(tǒng)201在地面位置處設(shè)置(有效地替代或改變圖1中的節(jié)流器107)，且其用于接收從井下裝置108傳送的信號112以及將壓力信號205傳送到所述井下裝置108。
[0108]現(xiàn)在參照圖3，其中示出流動控制裝置或系統(tǒng)108的一個實施例，其可用于監(jiān)測井下條件，諸如壓力和溫度數(shù)據(jù)，并通過將壓力脈沖施加到在井內(nèi)流動的流體上而將這些數(shù)據(jù)無線傳送到地面。裝置108以類似于WO 2006/041308中所述的方式起作用，其公開內(nèi)容通過援引加入本文。
[0109]包括節(jié)流器/流量調(diào)節(jié)器閥或組合件109的裝置108包括殼體210，其通過封隔器裝置212固定到井/生產(chǎn)管路101。封隔器裝置212限制流體沿著管路101的流動216，導致流體流動通過形成于殼體210的壁內(nèi)的流動端口 218并進入到與地面流體連通的流動路徑214內(nèi)，流體可以是制備的流體也可以是注入的流體。調(diào)節(jié)器組合件或元件220安裝在殼體210內(nèi)且由驅(qū)動裝置222致動以便移動，從而改變通過端口 218的流體面積并進入到流動路徑214內(nèi)以基于無線信號產(chǎn)生壓力，該無線信號然后經(jīng)由流體傳送到地面。
[0110]調(diào)節(jié)器組合件220被密封抵靠所述殼體的內(nèi)表面，并包括暴露于所述流動路徑214的第一表面224和暴露于補償腔室228的相對的第二表面226。如將在下面進一步詳細描述的那樣，在表面224，226、流動路徑214內(nèi)的壓力和補償腔室228之間所需的交互作用提供調(diào)節(jié)器組合件22在所需的方向上的偏置。在一些實施例中，調(diào)節(jié)器組合件在流動端口 218完全打開的方向上偏置。因此，例如在驅(qū)動裝置第222發(fā)生故障的情況下，這可有助于提供故障保護措施。
[0111]補償腔室228可設(shè)置成在使用過程中防止調(diào)節(jié)器組合件的液壓鎖定。此外，如將在下面詳細描述的那樣，補償腔室228與流動路徑214壓力連通，這樣跨過調(diào)節(jié)器組合件220的壓力差通常被最小化。這可有助于將驅(qū)動裝置222移動調(diào)節(jié)器組合件220所需的動力最小化。
[0112]也安裝在殼體內(nèi)的驅(qū)動裝置222包括電動馬達230，其操作泵232以便使得流體位移進出活塞腔室234，以便將所做的功施加到通過軸238固定于調(diào)節(jié)器組合件220的驅(qū)動活塞236上。
[0113]電池模塊240和控制/電子模塊242用于激勵和控制裝置108的操作。壓力隔壁244用于保護電池模塊240和控制/電子模塊242，免受處理/井壓力的影響。
[0114]為了傳送一個單個的壓力脈沖(在該實施例中為負脈沖)，使用馬達230來操作泵232，以便將流體泵送到活塞腔室234內(nèi)，從而導致驅(qū)動活塞236和調(diào)節(jié)器組合件220 (經(jīng)由軸238)移動到圖3中的右側(cè)。這具有減少通過流動端口 218的流體面積的作用，從而對流體節(jié)流并在裝置108的下游產(chǎn)生壓降。在已經(jīng)施加所需的壓力量級(壓降)足夠的時間段以便允許在地面處進行檢測之后，馬達230反向旋轉(zhuǎn)以便將流體從活塞腔室234卸載。彈簧246導致調(diào)節(jié)器組合件220縮回以及生產(chǎn)返回到“正?！?，即完全打開位置。
[0115]在許多情況下，在油井和天然氣井中存在的相對劇烈的流態(tài)會不利地影響裝置的操作。例如，由于流動速率變化導致的為局部壓力變化形式的流體影響會將不利的偏置力施加到調(diào)節(jié)器組合件220上。在某些情況下，由流體動態(tài)力(諸如噴射器作用)所產(chǎn)生的力可克服彈簧246的力以及導致故障。噴射器作用也可克服由作用于活塞236上的泵232所產(chǎn)生的力。
[0116]此外，油井和天然氣井會經(jīng)受垢的形成，其會導致摩擦并帶來用于操作裝置108所需的更大的動力需求。
[0117]如現(xiàn)在將在下文中詳細描述的那樣，本發(fā)明試圖通過緩解或減輕不希望的偏置效果和/或允許更低動力操作來解決這種問題。
[0118]現(xiàn)在參照圖4，其中示出在節(jié)流器/流量調(diào)節(jié)器閥或組合件109的區(qū)域中的圖3中所示的流動控制裝置108的放大視圖。本發(fā)明人已認識到由流體流動通過流動端口 218并流入流動路徑214內(nèi)所創(chuàng)建的流態(tài)建立跨過調(diào)節(jié)器組合件220的第一表面變化的壓力。具體而言，第一表面224的中央?yún)^(qū)域接收高于第一表面224周邊區(qū)域的更高壓力，如在疊加的壓力曲線圖250中所示那樣。本發(fā)明人認為這種效果是來自相對的流動端口 218的流體流在流動路徑的中央?yún)^(qū)域內(nèi)碰撞的結(jié)果，從而相對于周邊區(qū)域?qū)е轮醒雲(yún)^(qū)域流速低，進而導致更高壓力。從而經(jīng)由第一表面224施加到調(diào)節(jié)器組合件220上的力將是該可變壓力的函數(shù)。
[0119]如圖4中所示，調(diào)節(jié)器組合件220限定壓力管道252，其提供第一表面224的局部區(qū)域254和補償腔室228之間的壓力連通。相應地，補償腔室228內(nèi)的壓力將基本上等于作用在所述第一表面224的局部區(qū)域254處的壓力，因此該壓力將基本上均勻地施加到調(diào)節(jié)器組合件220的第二表面226上。補償腔室壓力以及從而由該壓力施加到調(diào)節(jié)器組合件220上的力因此可為局部區(qū)域254的位置的函數(shù)，壓力從該局部區(qū)域254從第一表面224流出。因此該局部區(qū)域的位置的適當選擇可允許將所需的偏置力施加到調(diào)節(jié)器組合件22上。在當前的實施例中，局部區(qū)域254選擇成經(jīng)由所述第二表面226施加到調(diào)節(jié)器組合件的力的最終量級低于經(jīng)由所述第一表面224施加到調(diào)節(jié)器組合件220的力的最終量級。在這種布置中，凈力將起到使得調(diào)節(jié)器組合件220在端口 218打開的方向上偏置的作用。
[0120]現(xiàn)在參照圖5，其中示出根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例的流動控制裝置208的一部分。圖5的流動控制裝置208在大多數(shù)方面類似于圖4中所示的裝置108，因此相同的部件具有相同的附圖標記，但是圖5中的附圖標記相比于圖4中相應的附圖標記增加100。相應地，裝置208包括殼體310，其包括多個流動端口 318，其允許流體進入殼體310和內(nèi)部流動路徑314。裝置208包括調(diào)節(jié)器組合件320，其安裝到殼體310內(nèi)且可通過驅(qū)動裝置(未示出)可移動以便與流動端口 318交互作用以改變流動通過流動路徑314的流體，例如將基于無線通信信號的壓力施加到流體內(nèi)。
[0121]調(diào)節(jié)器組合件320包括第一表面324，其暴露于流體且其限定圓錐形的幾何形狀。設(shè)置在帽部分325上的這種幾何形狀有助于在進入流動路徑314的流體內(nèi)提供優(yōu)選的流態(tài)。具體而言，第一表面324的幾何形狀用于逐漸地偏轉(zhuǎn)流入流體以便引導該流體沿著流動路徑314的方向流動，從而最小化流速的減小，例如通過使來自相對流動端口 318的流體流碰撞所導致的流速減小。最小化流速上的這種減小因此可允許獲得更均勻的流速分布，其繼而可將跨過第一表面324的較大壓力變化最小化，如在疊加的壓力曲線圖350中所示。因此這可抵消或最小化由跨過第一表面的這種壓力變化所導致的調(diào)節(jié)器組合件的任何不利偏置。
[0122]調(diào)節(jié)器組合件320還限定暴露于補償腔室328的第二表面326。補償腔室328經(jīng)由壓力管道布置352與流動路徑314壓力連通，所述壓力管道布置352在第一表面324上的位置354處開設(shè)端口。在一些實施例中，第一表面324的幾何形狀可足以抵消跨過所述表面324的可變壓力的不利影響，這樣端口位置354不是關(guān)鍵的。然而，在其它實施例中，裝置208可利用任何剩余的壓力變化的效果并適當?shù)剡x擇端口位置354以便實現(xiàn)調(diào)節(jié)器組合件320的所需的偏置作用。
[0123]流動端口 318相對于殼體310的中心軸線360傾斜地對準，這有助于在流動路徑314內(nèi)建立所需的流態(tài)。如圖所示，流動端口 318通常對應于第一表面324的幾何形狀或輪廓傾斜，進一步有助于產(chǎn)生所需的流態(tài)。
[0124]調(diào)節(jié)器組合件320還包括過濾器362，其用于過濾經(jīng)由管道352連通到補償腔室328的流體。此外，動力密封件327設(shè)置于調(diào)節(jié)器組合件320和殼體310之間。密封件327設(shè)置成防止流體在調(diào)節(jié)器組合件320和殼體310之間泄漏。這種泄漏否則可導致流體從補償腔室328流動通過過濾器362并進入到流動路徑314內(nèi)。但是，過濾器可被認為是代表對這種流體的限制，尤其是如果堵塞顆粒物的情況，這樣可在補償腔室328內(nèi)產(chǎn)生背壓，其會不利地使得調(diào)節(jié)器組合件320在關(guān)閉端口 318的方向上偏置。
[0125]圖6中示出流動控制裝置的再一個替代性實施例，在這種情況下通常由附圖標記308標記。圖6的裝置308大致類似于圖5中所示的裝置，因此相同的部件具有相同的附圖標記，但是圖6中的附圖標記相比于圖5中相應的附圖標記增加100。為本說明書的簡便起見，將僅僅分別確定圖5和圖6的裝置208、308之間的差異。在這種情況下，調(diào)節(jié)器組合件420的第一表面424限定拋物線的錐形輪廓，其用于將跨過所述表面424的壓力變化最小化。中央定位的壓力管道542延伸通過調(diào)節(jié)器組合件420，其便于與補償腔室428壓力連通。通過實驗，本發(fā)明人已認識到由這種拋物線的錐形輪廓所導致的令人驚奇的有效結(jié)果。
[0126]現(xiàn)在參照圖7，其中示出根據(jù)本發(fā)明的又一個替代性實施例的流動控制裝置408。圖7的流動控制裝置類似于圖5中的裝置208，因此相同的部件具有相同的附圖標記，但是圖7中的附圖標記相比于圖5中相應的附圖標記增加200。為本說明書的簡便起見，將僅僅分別確定圖5和圖7的裝置208、408之間的差異。也就是說，殼體510包括一個或多個附加的流動端口 570 (只示出一個)，其可被限定為旁通流動端口。這些端口 570不受到調(diào)節(jié)器組合件520的影響，因此保持開放，其在需要通過裝置408的高流量的井內(nèi)具有應用性。應該指出的是調(diào)節(jié)器組合件520被示為包括錐形第一表面524。然而，可以選擇任何合適的幾何形狀，諸如圖6中所示的拋物線錐形幾何形狀。
[0127]應該理解的是在本文中所述的實施例僅僅是示例性的，以及在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可對其進行各種變型。例如，在一些實施例中，各種裝置可配置成適于流體從相應流動路徑流出，例如以便于流體注入。此外，該裝置可配置成用于提供除了信號傳輸之外的流動控制，例如用作流入控制裝置，生產(chǎn)/注入節(jié)流器等。該裝置可在其它流動環(huán)境中使用，并且并不限于在井筒中使用。
【權(quán)利要求】
1.一種流動控制裝置，包括: 流動路徑； 補償腔室； 調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于所述流動路徑的第一表面和暴露于所述補償腔室的相對的第二表面；以及 用于移動所述調(diào)節(jié)器組合件以便改變所述流動路徑的驅(qū)動裝置； 其中，在使用中，通過流動路徑流動的流體建立跨過所述調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力，并且所述補償腔室與第一表面的被選擇來建立補償腔室壓力的局部區(qū)域處于壓力連通，所述補償腔室壓力作用于調(diào)節(jié)器組合件的第二表面以便使得調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，與同井筒相關(guān)聯(lián)的流動一起使用，諸如生產(chǎn)流動或注入流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，配置成在井筒內(nèi)在井下位置處使用。
4.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件可移動以便改變流動路徑，從而在流動的流體內(nèi)施加壓力波動，以提供無線通信。
5.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件在流動路徑開放、例如全開的方向上偏置。
6.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一表面的局部區(qū)域的位置確定補償腔室壓力并影響通過第二表面施加到調(diào)節(jié)器組合件上的力的量級。
7.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中補償腔室壓力與調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域處的壓力相關(guān)聯(lián)，例如基本上等于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域處的壓力。
8.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，配置成對于通過流動路徑的流體的所有流動狀態(tài)形成偏置力。
9.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，包括在補償腔室和調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部區(qū)域之間延伸的壓力管道以便促進其間的壓力連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述壓力管道至少部分地設(shè)置成調(diào)節(jié)器組合件的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置，其中所述壓力管道限定在調(diào)節(jié)器組合件的第一表面內(nèi)的端口，從而在端口的位置處作用于調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的局部壓力連通到補償腔室。
12.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中借助于流動通過流動路徑的流體的流態(tài)來建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的壓力變化。
13.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的壓力變化通過改變在所述第一表面的區(qū)域中的流速來建立。
14.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，包括至少部分地限定流動路徑的殼體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述殼體限定用于適應通過所述流動路徑的流體的至少一個流動端口。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中至少一個流動端口限定在殼體的壁內(nèi)或通過殼體的壁，和/或至少一個流動端口提供在所述殼體的外部和內(nèi)部位置之間的流體連通，和/或至少一個流動端口允許流動路徑和地下區(qū)域之間的連通，地下區(qū)域諸如生產(chǎn)區(qū)域或注入?yún)^(qū)域。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的裝置，其中至少一個流動端口限定用于允許流體流入到流動路徑內(nèi)的流體流入端口和/或至少一個流動端口限定用于允許流體從流動路徑流出的流體流出端口。
18.根據(jù)權(quán)利要求15、16或17所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件與至少一個流動端口配合以便改變通過流動路徑的流體。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的任一項所述的裝置，其中經(jīng)由至少一個流動端口進入所述殼體的流體建立流態(tài)，其產(chǎn)生跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的可變壓力。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的任一項所述的裝置，包括至少兩個流動端口，其在使用中限定對應的流體流，其碰撞以便生成低流速和高壓力的區(qū)域。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20中的任一項所述的裝置，其中至少一個流動端口限定有助于產(chǎn)生通過流動路徑的所需流態(tài)的幾何形狀。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21中的任一項所述的裝置，其中至少一個流動端口相對于殼體的中心軸線傾斜地對準。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22中的任一項所述的裝置，其中至少一個流動端口限定補償調(diào)節(jié)器組合件的第一表面的幾何形狀的幾何形狀。
24.根據(jù)權(quán)利要求14至23中的任一項所述的裝置，其中殼體包括或限定至少一個旁通流動端口。
25.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定幾何形狀以便有助于產(chǎn)生跨過所述表面的所需流態(tài)和壓力分布。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定幾何形狀，其用于將跨過所述第一表面的壓力變化最小化。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定幾何形狀，其沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移、例如逐漸轉(zhuǎn)移流體流。
28.根據(jù)權(quán)利要求25、26或27所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定錐形輪廓。
29.根據(jù)權(quán)利要求25至28中的任一項所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定拋物線的錐形輪廓。
30.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，配置成安裝到井筒內(nèi)的現(xiàn)有設(shè)備中。
31.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的裝置，配置成作為井筒完井的一部分安裝于井筒內(nèi)。
32.—種控制流量的方法，包括: 在流動控制裝置內(nèi)限定流動路徑和補償腔室； 提供調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面以及暴露于補償腔室的相對的第二表面，其中所述調(diào)節(jié)器組合件由驅(qū)動裝置可移動以便改變流動路徑； 使得流體通過流動路徑，以便建立跨過調(diào)節(jié)器組合件的第一表面變化的壓力；以及 將壓力從所述第一表面的局部區(qū)域連通到補償腔室以便建立補償腔室壓力，其作用于調(diào)節(jié)器組合件的所述第二表面以便將調(diào)節(jié)器組合件在所需的方向上偏置。
33.一種流動控制裝置，包括: 彼此壓力連通的流動路徑和補償腔室； 調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的相對的第二表面；以及 驅(qū)動裝置，其用于移動調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑； 其中所述第一表面限定輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將施加在所述第一表面上的壓力變化最小化。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定幾何形狀，用于沿著所述流動路徑的方向轉(zhuǎn)移、例如逐漸轉(zhuǎn)移流體流。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的裝置，其中調(diào)節(jié)器組合件的第一表面限定錐形輪廓。
36.根據(jù)權(quán)利要求33、34或35所述的裝置，其中第一表面限定拋物線的錐形輪廓。
37.根據(jù)權(quán)利要求33至36中的任一項所述的裝置，其中所述補償腔室經(jīng)由設(shè)置于所述調(diào)節(jié)器組合件的第一表面上的端口與流動路徑壓力連通。
38.一種控制流量的方法，包括: 在流動控制裝置內(nèi)限定流動路徑和補償腔室以及在所述流動路徑和補償腔室之間建立壓力連通； 提供調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面和暴露于補償腔室的第二表面，其中所述第一表面限定輪廓； 由驅(qū)動裝置使得調(diào)節(jié)器組合件移動以便改變流動路徑；以及 使得流體通過流動路徑，從而所述第一表面的輪廓將施加在所述表面上的壓力變化最小化。
39.一種流動控制裝置，包括: 流動路徑； 調(diào)節(jié)器組合件，其限定暴露于流動路徑的第一表面；以及 驅(qū)動裝置，其用于移動調(diào)節(jié)器組合件以便改變流動路徑； 其中所述第一表面限定拋物線的錐形輪廓，其配置成借助于流動通過流動路徑的流體的作用而將施加在所述第一表面上的壓力變化最小化。
【文檔編號】E21B43/12GK104246122SQ201380019989
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月21日
【發(fā)明者】巴德·蒂尼恩, 哈弗·索特懷特 申請人:唐德卡股份有限公司