專利名稱：用于控制井下流量控制裝置的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及油氣開釆井(oil and gas production well)的 控制。更具體地，其涉及井開采流量控制裝置中的可移動元件的控制。
背景技術：
對油氣開采井的控制構成了目前石油工業的焦點，這部分是由于 除了與環境相關的風險和安全問題以外還牽涉到龐大的經濟開支。考 慮到工業界普遍認識到有多個分支的井(例如，多分支井)將會日益 重要和常見，開采井控制已經變得特別重要并且更加復雜。這樣的多 分支井包括分立的開釆區域，其在公共的或者分立的開采管道中產生 流體。不論哪種情況，都需要控制區域開采、隔離特殊區域，以及另 外監視特定井中每個區域。通常，例如滑動套筒閥(sliding sleeve valve)、井下安全閥和井下阻流門(downhole chokes )等的流量控制 裝置被用來控制開采管道和套管環面(casing annulus )之間的流量。 這樣的裝置被用于區域性隔離、選擇性開采、流量關斷、多層合采和 瞬態測試。
希望利用可變流量控制裝置來操作井下流量控制裝置。可變控制 允許閥門在阻塞(choking)模式下工作，這在嘗試混合在不同的儲藏 裝置(reservior)壓力下操作的多開釆區域時是所希望的。這種阻塞 防止在井下開采區域之間通過井筒(wellbore)的交叉流動。
就例如滑動套筒閥的液壓推動的流量控制裝置而言，閥門隨時間 經歷多種變化。例如，由于暴露在高溫下，液壓流體老化并呈現出潤 滑性的減少。污垢和其他沉淀將出現在閥的內部。此外，密封會隨時 間劣化和磨損。為了使閥門更有效地用作阻流門，需要相當精細的控 制能力等級。流量控制裝置中的可移動元件的精確定位的一個困難是由液壓管線(line)的流體存儲能力引起的。另一個困難由這樣的事 實引起使可移動元件開始運動需要的壓力不同于維持運動需要的壓 力，這是由靜和動摩擦系數之間的差異引起的，即靜系數要大于動系 數。當通過液壓管線連續施加壓力時，管線的彈性性質允許一些膨脹， 在效果上，其使得管線成為流體積累器。管線越長，該效果越大。在 操作中，這些效果的組合能夠引起可移動元件定位中的實質上的過沖。 例如，如果液壓管線壓力增加至克服了靜摩擦，套筒就開始移動。通 常地，已知量的流體被抽入系統，從而使元件移動已知的距離。然而， 由于液壓管線的流體存儲效果，以及繼續運動所需要的力較低，元件 持續運動，超過所希望的位置。這會導致不希望的流量限制。
本發明通過提供在基本上減少過沖影響的同時克服靜摩擦的系 統和方法，而克服了前述現有技術的缺點。并且，相比于現有技術的 其它優點對本領域的技術人員將是明顯的。
發明內容
在一個方面，本發明提供了一種用于控制井下流量控制裝置的系 統，其包括在井中的井下位置處的流量控制裝置，其中，流量控制裝 置具有用于控制井下地層流量的可移動元件。可移動元件具有與之相 關的液壓密封。密封被構造為使得所施加的壓力脈沖的最大壓力足以 克服與密封相關的靜摩擦力，并且其中，所施加的壓力脈沖的最小壓 力不足以克服與密封相關的動摩擦力。
在另一個方面， 一種用于控制流量控制裝置的方法，包括將壓力 脈沖從位于地面的液壓源傳輸至在井下位置處的流量控制裝置。控制 壓力脈沖的特性以將流量控制裝置中的可移動元件漸增地移動到希望 的位置。示例性的壓力脈沖的受控特性包括脈沖幅值和脈沖持續時間。
盡管前面的公開內容涉及本發明的優選實施例，但各種修改對本 領域的技術人員將是明顯的。希望在所附權利要求的范圍之內的所有 變化都將被公開內容所包含。然而，在不離開本發明范圍和精神之內， 對于上述實施例的許多修改和改變對本領域的技術人員將會是明顯的。希望所附權利要求被解譯為包含所有這樣的修改和改變。
為詳細理解本發明，將下面的優選實施例的詳細說明與附圖結合
在一起與作為參考，其中，同樣的元件被賦以同樣的參考標號，其中 圖1是根據本發明的一個實施例的開采井流量控制系統的示意
圖2是示出了流量控制裝置中的可移動元件由于靜和動摩擦的效 果而繼續運動的圖；以及，
圖3是與克服靜和動摩擦需要的壓力相關的脈沖液壓壓力和流量 控制裝置中的可移動元件的相關運動的示意圖。
具體實施例方式
眾所周知，給定的井可能被劃分為多個單獨的區域，要求這些區 域隔離井的特定區域，其目的包括但不僅限于，開采選定的流體、防 止井噴和防止水進入。
參考圖1，井l包括兩個示例區域，也就是區域A和區域B，其 中所述區域被不可滲透的屏障分開。以已知的方式實現區域A和區域 B中的每個。圖1示出了使用支撐在井筒5中的油管柱(tubing string) IO上的封隔器(packer) 15和滑動套筒閥20實現區域A。封隔器15 封閉了井筒和流量控制裝置(例如滑動套筒閥20)之間的環面，從而 限制地層流體僅通過打開的滑動套筒閥20流量。可供選擇地，流量控 制裝置可以是任何具有至少一個用于控制流量的可移動元件(包括但 不僅限于，井下阻流門和井下安全閥)的流量控制裝置。如在本技術 領域中已知的，普通的滑動套筒閥采用帶有槽(也被稱為開口 )的外 殼，和帶有槽的內部閥芯(spool)。通過內部閥芯相對于外殼的軸向 運動，槽可對準和不對準。這樣的裝置已經可在商業上獲得。油管柱 IO在地面連接至井口 35。
在一個實施例中，滑動套筒閥20從地面被兩個液壓控制管線，即打開管線25和關閉管線30控制，這兩個液壓控制管線操作滑動套 筒20中的平衡雙重作用液壓活塞(未示出)。液壓活塞推動可移動元 件，例如內部閥芯22 (也稱為套筒)，來對準或不對準流道(flow slot) 或開口，使地層流體流過滑動套筒閥20。可移動元件的多種結構在本 技術領域內是已知的，并且沒有在此處詳細討論。這樣的裝置可在商 業上獲得，例如來自德州休斯頓Baker Oil Tolls的HCM液壓滑動套 筒。在操作中，對管線25加壓以打開滑動套筒閥20,而對管線30加 壓以關閉滑動套筒閥20。在對管線25或者30之一施壓時，相對的管 線被可控地由歧管閥(valve manifold) 65引出到地面儲藏裝置45。 管線25和30通過被處理器60控制的歧管閥65連接到泵40和返回儲 藏裝置45。泵40從儲藏裝置45抽送液壓流體并將其在壓力下供應至 管線41。壓力傳感器50監視泵釋放管線(pump discharge line) 41 中的壓力，并且將與檢測到的壓力相關的信號提供給處理器60。泵40 的循環速率或速度由泵循環傳感器55監視，該傳感器將與泵循環數量 相關的電信號發送給處理器60。來自傳感器55和50的信號可以是任 何合適類型的信號，包括但不僅限于光、電、氣動和聲學信號。通過 此設計，對于每個泵循環，正移位泵釋放可確定的流體容量。通過確 定泵循環的數量，被抽取出的流體的容量能夠被確定和追蹤。通過處 理器60的引導，歧管閥65進行工作，以將泵輸出流量引導至適當的 液壓管線25或30,從而分別在打開或關閉方向移動閥20的閥芯22。 處理器60包含適當的接口電路和處理器，它們在編程的指令下工作， 從而為壓力傳感器50和泵循環傳感器55提供動力并從中接收輸出信 號；與歧管閥65形成接口并控制歧管閥65的致動和泵40的循環速率； 并分析來自泵循環傳感器55和壓力傳感器50， 70， 71的信號，向泵 40和歧管閥65發送命令以將滑動套筒閥20中的閥芯22的位置控制 在打開位置和關閉位置之間。處理器提供如下所述的附加功能。
在操作中，通常操作滑動套筒閥20將閥門開口設置于全開或者 全關狀態。然而，如前文所注意的，希望能夠適當地致動此裝置從而 提供中間的流量狀態，使其能夠用于阻塞儲藏裝置流體的流量。理想地，能夠操作泵提供已知容量的流體，這可將閥芯22移動可確定的距 離。然而，當結合液壓管線25和30的流體存儲能力時，與流量控制 裝置中的可移動元件(例如閥芯22 )相關的靜和動摩擦效果可在閥芯 22的定位中引起顯著的過沖。這些效果可在圖2中看出，圖2示出了 當流體被抽入來移動閥芯22時，閥芯22的運動103。泵壓力沿曲線 IOO提高。在一個實施例中，任何由泵40引起的脈動通過經供應管線 的傳輸而衰減。壓力被增大至壓力101以克服滑動套筒閥20中的密 封(未示出)的靜摩擦力。在理想的液壓系統中， 一旦閥芯22開始移 動，供應管線壓力就減小到線102,并且附加流體能夠以較低的壓力 供應，從而將閥芯22移動到希望位置108。然而，整個液壓供應管線 25、 30被加壓到更高的壓力101，且供應管線25、 30的膨脹導致在壓 力101下的明顯的流體容量。壓力沿線107逐漸減小而代替了處于水 平102的流體壓力，將閥芯22推到位置109，并超過所希望的位置108。 參見圖3，為減少過沖問題，在本發明的一個實施例中提供了壓 力脈沖203,該壓力樂jc沖203將閥芯22步進地移動到希望位置。通過 使用脈沖203，供應管線膨脹的影響顯著減少。產生每個脈沖203使
力201，并且脈沖最小壓力208小于克服阻止運動的動摩擦力所需要 的壓力202。在一個實施例中，壓力脈沖203疊加在基礎壓力205上。 閥芯22的運動206本質上是階躍運動(stair step motion)以達到希 望位置210。盡管已經討論了閥芯22，但應當理解的是閥芯22只是一 種說明性的可移動元件。其它可移動元件及其相關的靜和動摩擦也同 樣能夠以上述方式使用。
如圖l所示，在一個實施例中，可以是液壓汽缸的壓力源70被 液壓地耦接到管線41。液壓系統72通過管線73致動活塞71,其以預 定的方式移動活塞71，從而將脈沖203施加至管線41。這樣的脈沖通 過供應管線25、 30向下發送，并引起閥芯22的漸增運動。液壓系統 72可以由處理器60控制，從而改變最大和最小脈沖壓力和脈沖寬度 W(也稱為脈沖持續時間)，從而對閥芯22的漸增運動提供附加控制。可供選擇的，泵40可以是具有產生脈沖203的足夠能力的正移位泵。 在一個實施例中，通過分別比較來自地面處的壓力傳感器50的 信號和來自位于井下位置的、供應管線25和30上的壓力傳感器70 和71的信號，來考慮柔性(compliant)供應管線25、 30的效果。來 自傳感器70和71的信號沿信號線(未示出)發送至處理器60。這些
聯的傳遞函數F。傳遞函數F可以被編程至處理器60中，以控制所產 生的壓力脈沖的一個或多個特性，例如脈沖幅值和脈沖持續時間，使 得接收到的壓力脈沖具有選定的幅值和持續時間，從而將閥芯22精確 定位到希望位置。如此處所使用的，脈沖幅值是最大壓力脈沖207與 最小壓力208之間的差值。如此處所使用的，脈沖持續時間為壓力脈 沖能夠實際上移動閥芯22的時間。
在另一個實施例中，位置傳感器73被設置在滑動套筒閥20中， 以確定閥芯22在滑動套筒閥20之內的位置。這里，可以通過將所產 生的脈沖與閥芯22的實際運動進行比較來確定傳遞函數F。位置傳感 器73可以是任何合適的位置感測技術，例如，在2002年11月7日提 交的、轉讓給本發明的受讓人的美國專利申請No.10/289，714中說明的 位置感測系統，為了各種目的其全部內容并入本文作為參考。
盡管在上面參考開采井來說明該系統和方法，但本領域技術人員 將i/v識到，這里"^兌明的系統和方法同樣適用于注入井的流量控制。此 外，本領域技術員將認識到，這里描述的系統和方法同樣適用于陸地
和海底井口位置。
前述說明涉及用于說明和解釋的本發明的特定實施例。但是，對 于本領域技術人員，顯然可以對上述實施例進行各種修改和變化。希 望所附權利要求被解釋為包含所有這樣的修改和變化。
權利要求
1. 一種用于控制井筒中流體流量的系統，包括位于井筒中的流量控制裝置，所述流量控制裝置具有控制井筒中流體流量的可移動元件，通過所施加的具有至少一個受控特性的壓力脈沖而漸增地移位所述可移動元件。
2. 根據權利要求1所述的系統，還包括液壓源，將所施加的 壓力脈沖發送至流量控制裝置，其中，在井下所施加的壓力脈沖的最 大壓力克服與可移動元件相關的靜摩擦力，并且其中，在井下所施加 的壓力脈沖的最小壓力不能克服與可移動元件相關的動摩擦力。
3. 根據權利要求2所述的系統，還包括根據編程的指令工作 的處理器，所述處理器控制液壓源，從而控制所發送的壓力脈沖的至 少一個受控特性。
4. 根據權利要求3所述的系統，其中，處理器使用由液壓源發 送的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個被測參數和在可移動元件 處接收的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個被測參數來控制所述 液壓源。
5. 根據權利要求3所述的系統，其中，處理器使用可移動元件 的被測位置和由液壓源發送的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個 被測參數來控制所述液壓源。
6. 根據權利要求3所述的系統，其中，處理器產生傳遞函數以 控制所述液壓源。
7. 根據權利要求1所述的系統，其中，壓力脈沖的特性選自由 脈沖幅值和脈沖持續時間構成的組。
8. 根據權利要求1所述的系統，其中，可移動元件具有與其相 關的液壓密封。
9. 一種用于控制井筒中的流體流量的方法，包括(a)將流量控制裝置定位在井筒中的井下位置，所述流量控制 裝置具有控制井筒中流體流量的可移動元件；(b)將具有至少一個受控特性的壓力脈沖施加至可移動元件， 所述可移動元件通過所施加的壓力脈沖漸增地移位。
10. 根據權利要求9所述的方法，還包括利用液壓源將所施加 的壓力脈沖發送至流量控制裝置，其中，在井下所施加的壓力脈沖的最大壓力克服與可移動元件相關的靜摩擦力，并且其中，在井下所施 加壓力脈沖的最小壓力不能克服與可移動元件相關的動摩擦力。
11. 根據權利要求10所述的方法，還包括利用處理器控制液 壓源，從而控制所發送的壓力脈沖的至少一個受控特性。
12. 根據權利要求11所述的方法，還包括測量由液壓源發送 的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個參數；測量在可移動元件處 接收的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個參數；以及基于測量到 的感興趣的參數來控制所述液壓源。
13. 根據權利要求12所述的方法，還包括基于計算出的脈沖 傳遞函數來調節所發送的脈沖的脈沖幅值，從而漸增地移動流量控制 裝置中的可移動元件。
14. 根據權利要求11所述的方法，還包括測量可移動元件的 位置；測量由液壓源發送的所施加的壓力脈沖的感興趣的至少一個參 數；并基于測量到的感興趣的參數控制所述液壓源。
15. 根據權利要求10所述的方法，還包括a. 測量在地面處所發送的壓力脈沖的第一持續時間；b. 測量在井下位置所接收的壓力脈沖的第二持續時間；c. 比較所發送的脈沖的第 一持續時間和所接收的脈沖的第二持 續時間，以計算脈沖持續時間傳遞函數；以及d. 基于所計算的脈沖持續時間傳遞函數來調節所發送的脈沖的 脈沖持續時間，從而漸增地移動流量控制裝置中的可移動元件。
16. 根據權利要求IO所述的方法，還包括a. 測量在地面處所發送的壓力脈沖的幅值；b. 測量在流量控制裝置中的可移動元件的位置；c. 比較所發送的脈沖的幅值以及可移動元件的位置來計算可移動元件位置傳遞函數；以及d.基于所計算的可移動元件位置傳遞函數來調節所發送的脈沖 的脈沖幅值，從而漸增地移動流量控制裝置中的可移動元件。
17.根據權利要求9所述的方法，其中，壓力脈沖的特性選自由 脈沖幅值和脈沖持續時間構成的組。
全文摘要
一種用于控制井筒中流量的系統，其使用位于井筒中的井下位置的井下流量控制裝置。流量控制裝置具有可移動元件，用于控制井下流體的流量。響應于所施加的壓力脈沖，該可移動元件以有限的增量從一個位置移動到另一位置。在一個實施例中，液壓源產生發送至流量控制裝置的壓力脈沖，其中，井下所接收的壓力脈沖的最大壓力足以克服與可移動元件相關的靜摩擦力，并且其中，井下所接收壓力脈沖的最小壓力不足以克服與可移動元件相關的動摩擦力。
文檔編號E21B34/10GK101421485SQ200780012860
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月12日 優先權日2006年2月13日
發明者G·P·瓦尚 申請人:貝克休斯公司