專利名稱：當流體性能處于選定范圍時能夠顯著減少流體流動的流動控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體上來說涉及用于控制從地下地層到井眼中的開采管柱中的流體流量的設備和方法。
背景技術：
諸如油和氣這樣的烴類是利用鉆進地層的井或井眼從地下地層采收的。在有些情況下，這樣的井眼通常通過以下方式完井沿著井眼長度放置套管并臨近各個開采區(含烴區)對套管鉆孔以將流體(例如油和氣)從開采區抽取到井眼內。在其它情況下，井眼可能是裸井。一個或更多個流入控制裝置置于井眼中，以控制流體流入井眼中。這些流動控制裝置和開采區通常通過在它們之間安裝封隔器而彼此分開。從各個開采區進入井眼的流體被吸入延伸到地面的管道中。所希望的是，沿開采區具有基本上均勻的流體流動。不均勻的排放可能導致出現不希望有的狀況，例如侵入式氣錐或水錐。在采油井的情況下，例如，氣錐會導致氣體流入井眼內，這會顯著降低采油量。同樣，水錐也會導致水流入油開采流內， 這也會降低采油量和質量。通常在開采區鉆入偏斜或水平井眼，以由此抽取流體。若干流入控制裝置沿著這樣的井眼間隔放置，以排放地層流體或者將流體注入到地層中。地層流體常常包含油層、油下面的水層以及油上面的氣層。對于生產井來說，水平井眼典型處于水層上方。油、水和氣的邊界層在水平井的整個長度上可能不是均勻的。而且，地層的某些性質，例如孔隙度和滲透率，沿著井長度也可能不是相同的。所以，地層和井眼之間的流體可能不會均勻地流過流入控制裝置。對于生產井眼來說，所希望的是開采流體相對均勻地流入井眼內以及防止水和氣流過各個流入控制裝置。已經使用了主動(active)流動控制裝置來控制流體從地層進入井眼。這樣的裝置比較昂貴，并且包括移動部件，這些移動部件需要維護，在井眼的壽命期限內可能不是非常可靠。所以，能夠限制水和氣流入井眼的被動(passive)流入控制裝置(“I⑶”)是所希望的。在此，本發明提供被動流入控制裝置，其一方面限制具有不希望的粘度或密度的流體流動，另一方面保持具有所希望的粘度或密度的流體的基本上恒定的流動。
發明內容
在一個方面，本發明提供了一種用于控制流體在地層與井眼之間流動的流動控制裝置。在一個實施例中，該流動控制裝置可以包括流入區域、流通區域和流出區域，其中，流通區域構造成當流體的粘度或密度處于第一范圍時，顯著增大壓降，當流體的粘度或密度處于第二范圍時，保持基本恒定的壓降。在另一個實施例中，所述流通區域可以包括結構流區域、流入開口和流出開口，其中，對所述結構流區域、結構流區域中的流體流動路徑、流體流動路徑的彎曲度以及流出開口的尺寸進行選擇，使得具有在第一范圍內的雷諾數(“Re”) 的流體的壓力損失系數(“K”)的值顯著高于具有在第二范圍內的雷諾數的流體。在另一個方面，本申請提供了一種制造在井眼中使用的用于控制流體從地層流入井眼的流動控制裝置的方法。在一個實施例中，該方法可以包括限定流體流入所述流動控制裝置的流量；選擇所述流動控制裝置的流通區域的幾何形狀，對于所限定的流量，所選擇的幾何形狀足以使得具有在第一范圍內的粘度或密度的流體穿過所述流通區域的壓降顯著高于具有在第二范圍內的粘度或密度的流體；和形成具有所選擇的幾何形狀的流動控制裝置。在又一個方面，本發明在此提供了一種計算機可讀介質，該可讀介質可允許處理器進入，且其上嵌入有用于執行包含在計算機程序中的指令的計算機程序，該計算機程序包括(a)存取用于流動控制裝置的流量的指令；(b)存取用于流動控制裝置的形成在一管狀元件上的流通區域的第一幾何形狀的指令，該流通區域包括入口、出口以及位于入口和出口之間的彎曲路徑，所述彎曲路徑構造成在入口和出口之間的流體流動中誘導足以減少出口的有效流動區域的湍流，以對于所限定的流量，使得具有在第一范圍內的粘度或密度的流體的穿過出口的壓降顯著高于具有在第二范圍內的粘度或密度的流體；對應于多個流體粘度或流體密度，基于第一幾何形狀，計算穿過出口的壓降的指令；(C)確定所計算的壓降是否可接受的指令；(d)當所計算的壓降不可接受時，選擇不同的幾何形狀，利用該不同的幾何形狀，重復(b)和(C)，直到壓降可接受的指令；和(e)存儲壓降可接受時的幾何形狀。本發明更重要特征的例子概述得相當寬泛，以便可以更好地理解下述的詳細說明書以及可以領悟對本領域做出的貢獻。當然，本發明還具有附加特征，這將在下文描述，其形成了附加于此的權利要求的主題。
參照下列詳細說明書，并結合附圖，本領域普通技術人員將更容易領悟和更好地理解本發明的有點和其他方面，其中貫穿附圖中所示的幾個視圖中，同樣的參考標記通常表示同樣或類似的元件，以及其中圖I是示例性多區井眼的示意性正視圖，其具有安裝在其中的開采管柱，該開采管柱包括若干沿著開采管柱長度放置在選定部位的流入控制裝置；圖2是對于某種市場上可得到的流動控制裝置的與流體粘度有關的壓降以及對于用于控制水流過的流動控制裝置的所希望的壓降的曲線圖；圖3是對于用于控制水流過的流動控制裝置的雷諾數和壓力損失系數之間的所希望的關系的曲線圖；圖4是流動控制裝置的立體圖，所述流動控制裝置包括顆粒過濾裝置和依照本發明一個實施例的被動流動控制裝置；
圖5顯示了依照本發明的一個實施例制成的流動控制裝置的示例性結構流模式或流動通道；圖6是對于諸如圖5所示的多級流動通道的水流速的模擬結果流動圖；圖7是對于諸如圖5所示的多級流動通道的粘度為189cP的油流速的模擬結果流動圖；圖8顯示了對于示例性節流裝置、螺旋裝置、混合裝置的壓降相對于粘度的實驗室測試結果以及對于用于控制水流過的流動控制裝置的所希望的壓降；
圖9顯示了根據本發明的一個實施例制成的流動控制裝置的立體圖10顯示了對于圖9所示的流動控制裝置的示例性通道的流體流動路徑；
圖11顯示了可以在依照本發明的一個實施例制成的流動控制裝置中使用的流動
通道；圖12顯示了可以在依照本發明的另一個實施例制成的流動控制裝置中使用的另一個流動通道；圖13顯示了可以在依照本發明的又一個實施例制成的流入控制裝置中使用的又一個流動通道；和圖14顯示了可以在依照本發明的再一個實施例制成的流入控制裝置中使用的再一個流動通道。
具體實施例方式本發明涉及用于控制地層流體在井中流動的設備和方法。本發明提供了某些附圖并描述了所述設備和方法的某些實施例，這些應當視為對在此所述的原理的舉例說明，并非旨在將本發明限制于所示和所描述的實施例。首先參見圖1，圖中顯示了示例性的流體開采系統100，其包括穿過地殼112鉆入一對開采區或儲層114、116的井眼110，期望從所述開采區或儲層開采烴。所示的井眼110 襯有具有若干穿孔118的套管，所述穿孔穿入并延伸到地層開采區114、116中，這樣開采的流體可以從開采區114、116流入井眼110中。所示的示例性井眼110包括豎直區段I IOa和基本上水平區段110b。井眼110包括開采管柱(或開采組件)120，所述開采管柱包括從井眼110的地面126處的井頭124向下延伸的管道(也被稱為中心管)122。開采管柱120沿其長度限定一內部軸向孔128。一環空130限定在開采管柱120與井眼套管之間。開采管柱120具有一偏斜的、基本上水平的部分132，該基本上水平的部分沿著井眼110的偏斜支路IlOb延伸。開采裝置134位于沿開采管柱120的選定部位處。任選地，各開采裝置134 在井眼110內由成對的封隔器裝置136隔離。雖然沿著水平部分132僅僅顯示了兩個開采裝置134，但是，實際上，沿著水平部分132可以布置大量這樣的開采裝置。各個開采裝置134的特征在于開采控制裝置(或流動控制裝置)138，其用于控制從開采區流入開采管柱120中的一種或更多種流體的一個或更多個方面。在此所使用的術語 “流體”包括液體、氣體、烴類、多相流體、兩種或更多種流體的混合物、水、和從地表注入的流體(諸如水)。另外，涉及到水的內容，應當解釋為還包括水基流體；例如鹽水或咸水。依照本發明的實施例，流動控制裝置138可具有若干個提供有選擇地操作和控制由此通過的流體流動的可替換構造特征。
地下地層一般包含水或鹽水以及油和氣。水可能存在于含油區下面，氣可能存在于含油區上面。水平井眼，例如區段110b，通常鉆入開采區(例如開采區116)中，并可以延伸超過5000英尺的長度。一旦井眼已經開采一段時間，就會有水流入流動控制裝置138中。 水流入的量和時間可能隨著開采區的長度不同而變化。所希望的是，當采出流體中存在選定量的水時，流動控制裝置能夠限制流體流動。在一方面，通過限制含有水的采出流體的流動，流動控制裝置能夠在開采區的開采壽命內開采更多的油。圖2顯示了對于不同粘度的流體的某些類型的流入控制裝置的壓降狀況的曲線200。沿著豎直軸線顯示的是穿過裝置的壓降“Λρ”，沿著水平軸線顯示的是流體粘度 “ μ ”。純水的粘度為lcP，地下地層中存在的大多數油的粘度在10cP-200cP之間。曲線202 描繪了對應節流型流入控制裝置的壓降，其中，大部分壓降發生在節流口處，壓降為節流口直徑的函數。穿過節流型流入控制裝置的總壓降大體上是穿過流入控制裝置中含有的全部節流口的壓降之和。可見，隨著流體粘度增加，壓降急劇增大。尤其是，大多數油的壓降大于水的壓降。曲線204對應于螺旋型流入控制裝置，其中，采出流體沿著管狀元件周圍的較長的螺旋路徑流動。曲線204顯示出水的壓降大于粘度高達約60cP的流體的壓降。水的壓降和粘度高達約20cP的流體的壓降都是下降的，粘度大于約20cP時流體的壓降開始上升。曲線204表明，水存在一定堵塞，粘度超過20cP的油也存在一定堵塞。曲線206對應于一種混合結構，其包括由彎曲流動路徑分開的節流口。這樣的一種流入控制裝置描述在 2009年4月2日提交的、受讓給本申請的受讓人的美國專利申請序列號No. 12/417346中， 該申請整體在此引入作為參考。曲線206表明穿過該裝置的壓降的變化大于穿過螺旋型裝置的壓降的變化，進一步還表明，壓降持續下降，直到流體粘度達到約60cP。這表明，該裝置提供了水堵塞，而且，與螺旋型裝置相比，某些類型的油堵塞較小。與節流裝置和螺旋裝置相比，對應于曲線206的裝置傾向于更好地防止水流入井眼。曲線202、204和206所示的數據是從實驗室測試結果獲得的。仍然參照圖2，所希望的是，提供這樣的流動控制裝置，即對于低粘度流體，例如粘度低于約6cP或IOcP的流體，這種流動控制裝置能夠增大壓降，而對于粘度在超過約6cP 或IOcP的范圍內的流體，這種流動控制裝置大體上保持壓降恒定。隨著粘度在這樣的范圍內的降低，壓降可呈指數增加。曲線208顯示了流體流過流動控制裝置的更希望的壓降狀況，其中，對于粘度在第一范圍內的流體，例如粘度低于約10cP，壓降顯著地較大，而對于粘度在第二范圍的流體，例如約6cP或IOcP之上，壓降大體上保持恒定。圖3顯示了流動控制裝置的所希望性能的曲線圖300，其表示為雷諾數“Re”和壓力損失系數“K”之間的關系。沿豎直軸線顯示的是Re，沿水平軸線顯示的是K。雷諾數Re 是無量綱的，是慣性力和粘性力之比。流體的Re可表示為Re=慣性力/粘性力Re= ( P · V · dv/dx) / μ · d2v/dx2Re= P VD/ μ這里，ρ是流體密度；V是流動體積；v是流體速度；D是流動區域的尺寸，例如開口的直徑；μ是流體的粘度。與諸如油這樣的高粘度流體相比，諸如水這樣的低粘度流體的雷諾數較高。所以，Re也可以表示為Re=f (密度，粘度，流體速度和表面尺寸)
穿過流動面積A的壓降Dp可以表示為Dp=K · ( P /A2) · V2，這里，A是流動面積。壓力損失系數K是雷諾數Re的函數(K=f (Re))。本發明人已經確定，K也是流過流動控制裝置的流體的流動路徑的幾何形狀的函數，并且尤其是流動控制裝置內的流動路徑的彎曲度(tortuosity)的函數，所以，在流體流動中誘導的湍流會影響不同粘度的流體的壓降，正如后面更詳細描述的那樣。壓力損失系數K可以表示為K=f (Re，開口尺寸，彎曲度)。曲線圖300表明流動控制裝置對于雷諾數大于水的雷諾數301的流體呈現高的壓力損失系數K的值(曲線段302所示)是所希望的。曲線圖300還表明對于雷諾數小于水的雷諾數301的情況，具有相對固定的壓力損失系數K (如曲線段306所示)是所希望的。 通過流入控制裝置的流體的整體狀況取決于流體的流變能力。流變能力是若干參數的函數，這些參數包括但不限于流動面積、彎曲度、摩擦、流體速度、流體粘度和流體密度。在許多方面，可以計算或假定流變能力參數，以提供防止水流動的流動控制裝置。在此，本發明利用上述的流體流變學原理及其他因素，來提供防止粘度或密度在一個范圍內的流體的流動而允許粘度或密度在另一個范圍內的流體的基本上恒定的流動的流動控制裝置。示例性流動控制裝置和制造該裝置的方法參照圖4-14進行描述。現在參考圖4，圖中顯示了用于控制流體從儲層流入開采管柱內的開采裝置400 的一個實施例。所示的該裝置400包括用于減少流體中夾帶的顆粒數量和尺寸的顆粒控制裝置或過濾裝置410以及控制地層流體455進入井眼的總排放流量的流入控制裝置450。 在一個實施例中，過濾裝置410可以包括放置在管道402周圍的罩412、放置在罩412和管道402之間的過濾介質414、以及布置在過濾介質414和管狀元件418之間的流動路徑416。 地層流體流入罩412中，所述罩具有允許地層流體流入過濾裝置410的穿孔圖案。罩412隔離過濾裝置410的部件，防止這些部件直接暴露給含有固體顆粒的地層流體和高速流體。 另外，罩412防止大的固體顆粒流動進入過濾介質414。過濾介質414過濾較小的固體顆粒，并允許地層流體流入流體流動路徑416中，進而流入流動控制裝置450。下文描述了示例性的流動控制裝置。圖5顯示了依照本發明的一個實施例制成的流動控制裝置500的示例性結構流模式。在一個方面，流動控制裝置500可以包括流入區域510、流出區域520和流通區域530。 流通區域530可以進一步包括一個或更多個級，例如級530a、530b、530c等等。在流動控制裝置500的流動構型中，地層流體501進入流入區域510，然后經由端口或開口 532a進入第一級530a，并從端口 532b排出而進入第二級530b中。流體從第二級530b經由端口 532c 排出進入下一級530c，然后經由端口 532d進入流出區域520。在許多方面，第一級530a可具有寬度或軸向流動距離xl以及高度或徑向距離yl。 第一級530a的進入端口 532a和排出端口 532b之間的偏置量或偏差由hi表不。同樣,后面的級530b和530c的軸向流動距離、徑向距離和排出端口分別用x2、h2和d3以及x3、h3 和d4表示。通過這些級的流體路徑由Fpl、Fp2和Fp3表示。顯著的第一壓降Dpl出現于端口 532a。然后流體501沿著彎曲路徑Fpi流動，并通過端口 532b排出。第二壓降Λρ2 出現于端口 532b。同樣，后面的壓降出現于端口 532c以及端口 532d。在一實施例中，大部分壓降出現于端口。穿過所述流動控制裝置500的壓降近似為各級的壓降即ΛΡ1、ΛΡ2和Λ p3之和。如前所述，對于給定的流體類型(粘度、密度等等)和流量，壓降取決于流動面積、 流動路徑的彎曲度等等。在一個方面，流動控制裝置500中的各級可以具有相同的結構尺寸。在另一個方面，可以選擇所述徑向距離、端口偏置量和端口尺寸，以提供所希望的彎曲度，使得壓降成為流體粘度或密度的函數。在其他方面，這些級的尺寸也可以是不同的。已經確定，依照圖5所示的那些方面制成的流動控制裝置對于粘度較低、例如小于IOcP的流體可以提供較高的壓降，而對于粘度在IOcP之上的范圍的流體可以提供基本恒定的壓降。 一般來說，穿過一端口、例如端口 532b的壓降是偏置量(h)、軸向距離(X)和端口尺寸(d)的函數。在一個方面，其關系可以為x/h>d/h。在另一個方面，尺寸h可以是d的4-6倍。圖6是對于諸如圖5所示的多級(630a_630g)流動控制裝置的水流速的模擬結果流動圖600,其中流跡線根據速度大小(英尺/每秒(ft/sec))著色。流體的速度隨著流體 601從一級進入下一級而增加。環(例如級632a中的環640a和640b)表示流體具有較低的速度，因而被認為基本上不流過級630a。流體601沿著第一級632a中的彎曲流動路徑650a 流動，該流動路徑包括軸向路徑650a和徑向路徑650b。端口之間的偏置量或偏差為“h”。 然后流體601排出端口 660b。流體路徑650的彎曲度和端口 660b處的相應壓降可以通過軸向距離、徑向距離、偏置量和端口尺寸的組合進行控制。因此，在一實施例中，流動控制裝置可以設計成通過選擇相應的軸向距離、徑向距離、偏置量和端口尺寸，限制含水流體的流動，以使穿過流動控制裝置的壓降明顯。圖7是對于諸如圖6所示的多級(630a_630g)流動控制裝置，粘度為189cP的油流速的模擬結果流動圖700，其中流跡線根據速度大小(英尺/每秒(ft/sec))著色。流體的速度隨著流體701從一級進入下一級而增加。環(例如級630a中的環740a和740b)表示流體具有較低的速度，因而被認為基本上不流過所述級630a。應該注意，與對于水的環 640a和640b相比，這些速度環不是那么劇烈。流體701沿著第一級630a中的彎曲流動路徑750a流動，該流動路徑包括基本上軸向的第一路徑650a和基本上徑向的第二路徑650b。 所述基本上徑向的第二路徑650b基本上等于偏置距離“h”。然后流體701排出端口 660b。 流體路徑650的彎曲度和端口 660b處的相應壓降可以通過選擇軸向距離、徑向距離、偏置量和端口尺寸的組合進行控制。強湍流趨向于形成穿過裝置端口的高壓降，例如圖7所示。圖8顯示了對于節流型裝置、螺旋裝置、混合裝置及諸如圖6和7所示的裝置的相對于水的壓降的示例性比較表800。相對于水的百分比壓降變化沿著豎直軸線描繪，流體粘度沿著水平軸線描繪。曲線802對應于節流型流動控制裝置，曲線804對應于螺旋裝置， 曲線806對應于混合裝置，曲線808對應于如圖6和7所示類型的流動控制裝置。應注意 依照圖6和7所述的原理制成的流動控制裝置，對于低粘度流體，例如粘度范圍由附圖標記 810a所示的流體(達到約10cP)，呈現較高的百分比壓降變化，而對于粘度范圍由附圖標記 810b所示的流體(從約IOcP到180cP)，呈現基本恒定的壓降。圖9顯示了依照在此所述的原理制成的被動流動控制裝置900的實施例的立體圖。所示的流動控制裝置900包括在管狀元件902周圍形成的若干結構流部分920a、920b、 920c和920d，每個這樣的部分限定流動通道或流動路徑。各部分可以構造成產生預定壓降，以控制采出流體從地層到井眼管道的流量。為了提供穿過這樣的部分的選定或規定的壓降，可以堵塞這些流動路徑或部分中的一個或更多個(不與另一部分液壓連通)。通過關閉為選定流動部分而設置的端口 938，可以控制通過特定部分的流體流動。穿過裝置900的總壓降是各有效部分產生的壓降之和。結構流部分920a-920d也可以被稱為流動通道。為簡化描述裝置900，參照通道920a描述通過各個通道的流動控制。所示的通道920a包括流入區域910和流出區域912。地層流體進入通道920a至流入區域910中，經由流出區域 912從通道排出。通道920a通過引導流動流體穿過流通區域930產生壓降，該流通區域可以包括一個或更多個流動級或管路，例如級932a、932b、932c和932d。各結構流部分可以包括任何所希望數量的級。而且，在許多方面，裝置中的各通道可以包括不同數量的級。在另一個方面，各通道或級可以構造成在流入區域和流出區域之間提供獨立的流動路徑。如前所述，通道920a-920d的一些或全部能夠彼此大體上液壓隔離。也就是說，穿過通道和裝置 900的流動被認為是并聯而不是串聯。因而，穿過一個通道的流動可以被部分或完全堵塞， 而基本上不會影響穿過另一個通道的流動。應當明白，術語“并聯”用于功能角度，而不是建議一特定結構或物理構造。仍然參照圖9，還顯示了流動控制裝置900的更多細節，該流動控制裝置通過輸送流入流體經過多個通道920a-920d中的一個或更多個而形成壓降。通道920a_920d中的每個可以沿著基管或芯軸902的壁形成，并包括構造成以預定方式控制流動的結構特征。雖然不是必要的，但通道920a-920d可以以并行的方式對齊，并沿著芯軸902的長軸縱向布置。各個通道可具有與井眼管狀流動鉆孔402 (圖4)流體連通的一端132以及與分離所述流動控制裝置120和地層的環形空間或環空流體連通的第二端134 (圖3)。通常，通道 920a-920d可以彼此分開，例如在它們相應的流入區域和流出區域之間的區域中彼此分開。 在實施例中，通道920a可以布置成曲徑或迷宮結構，該結構形成用于流體流過的彎曲或迂回的流動路徑。在一個實施例中，通道922a的各級932a-932d可以分別包括腔942a-942d。 開口 944a-944d以串聯方式液壓地連接腔942a_942d。在通道920a的示例性構造中，地層流體進入流入區域910，經由端口或開口 944a排出至第一腔942a中。然后流體沿著彎曲路徑952a行進，經由端口 944b排出至第二腔942b內，諸如此類。每個端口 944a_944d呈現穿過該端口的一定壓降，該壓降是該端口每個側面上的腔的構造、與之相聯的端口之間的偏置量以及各個端口的尺寸的函數。上述的分級式構造以及各級內的結構確定了各個特定腔中的流體流動的曲率和摩擦，正如在此所述的。特定通道中的不同級可以構造成提供不同的壓降。基于在此所述的原理、方法及其他實施例，這些腔可以構造成任何所希望的構造。圖10顯示了流動控制裝置900的四個示例性通道920a_920d的流體流動路徑。為便于說明，流動控制裝置900以虛線顯示，并且與圖9的管狀描繪相比，為了更好地描繪通道920a-d，以平面的形式“展開”流動控制裝置900。這些通道920a-920d中的每一個在環空或地層與管狀鉆孔402 (圖4)之間提供分開的、獨立的流動路徑，如流動路徑1020a-1020d 所示。而且，在所示的實施例中，每個通道920a-920d對于流動的流體提供不同的壓降。通道920a構造成對流體流動提供最小量的阻力，從而提供較小的壓降。管路920d構造成對流體流動提供最大的阻力，從而提供較大的壓降。管路920b和920c提供的壓降范圍在管路920a和920d提供的那些之間。但是，應當明白，在其他實施例中，管路中的兩個或更多個可以提供相同的壓降，或者所有管路可提供相同的壓降。如前所述，來自任何通道的流體流動可以或者部分堵塞，或者完全堵塞。因而，通過有選擇地堵塞通道920a-920d中的一個或更多個，可以調節穿過流動控制裝置900的流體流動。當然，可用壓降的變更量隨通道數量而變化，根據需要，可以是一個或更多個。因而，在實施例中，流動控制裝置900可以提供與穿過一個通道的流動相關的壓降，或者提供與穿過兩個或更多個通道的流動相關的復合壓降。這樣的裝置可以在現場構造，可以沿井眼放置不同構造的裝置。另外，在實施例中，通道920a_920d的表面中的一些或全部可以構造成對流動具有特定的摩擦阻力。在有些實施例中，可以利用紋理、粗糙表面或其他這樣的表面特征來增大摩擦。作為選擇，通過使用拋光或光滑表面，可以減小摩擦。在實施例中，表面可以涂覆增大或減小表面摩擦的材料。此外，基于流動材料(例如水或油)的性質，可以構造涂層來改變摩擦。例如，所述表面可以涂敷親水材料，這種親水材料吸水以增大對水流動的摩擦阻力，或者可以涂敷疏水材料，這種疏水材料斥水以減少對水流動的摩擦阻力。圖11顯示了示例性通道或流動通道1100，其可以在依照本發明的一個實施例制成的流動控制裝置中使用。這種流動控制裝置可以包括一個或更多個這樣的流動通道或通道組合。為了說明目的，所示的通道1100包括級1102a-1102d，每個級分別包括腔或流動區域1104a-1104d和相應的流出端口或管路1106a_1106d。圖11所示的流體流動狀況是水流過通道1100的模擬結果。地層流體1101經由管路1106a進入第一腔1104a，并經由管路 1106b排出至腔1104b內。第一腔1102a中的流體路徑1120a由腔1102a的筆直區段1122a 以及管路1106a和1106b之間的偏置量hi限定。壓降出現于管路1106b的開口處。后面的腔中的流動路徑由類似的結構參數限定。這些級的物理構造可以設計成對于粘度或密度在第一范圍內的流體(例如含水流體)，提供顯著高的壓降，而對于在第二范圍內的流體(例如所包含的大都是油的流體)，提供基本上恒定的壓降。模擬結果表明，對于給定質量流量 (體積)的水，穿過級1102a-1102c的壓降Λ P大約為在直管區段中流動的水的壓降的4. 88 倍。通過選擇腔和管路參數，可以改變壓降的量。區域1130a-1130d分別顯示了不會明顯影響穿過它們的相應級的壓降的區域。另外，這些腔的結構和構造限定了彎曲度和在流動流體中誘導的湍流，限定了這些腔之間各個端口的有效開口的減少。例如，引起大量湍流的腔由于端口內以及端口周圍阻力明顯，可能僅導致端口打開70%而允許流體流動。也可以有選擇地控制這種狀況，以產生穿過各級的所希望的壓降。圖12顯示了可以在依照本發明的另一個實施例制成的流入控制裝置中使用的流動通道1200。為了說明目的,所示的通道1200包括級1202a-1202d,每個級分別包括通過相應的管路1206a-1206d耦合的腔1204a_1204d。圖12所示的流體流動狀況是水流過通道1200的模擬結果。地層流體1201經由管路1206a進入第一腔1204a，并經由管路1206b 排出至腔1204b內。第一腔1204a中的流體路徑1220a由腔1204a的彎曲區段1222a以及管路1106a和1106b之間的偏置量hi限定。壓降出現于各個管路的流出端口處。后面的每級1202b-1202d中的流動路徑由類似的物理參數限定。各級的物理或結構構造可以設計成對于粘度或密度在第一范圍的流體(例如含水流體)，提供顯著高的壓降，而對于粘度或密度在第二范圍的流體(例如大部分為油的流體)，提供基本上恒定的壓降。模擬結果表明， 對于給定體積的水流動，穿過級1202b-1202c的壓降Λρ大約為在直管區段中流動的同樣體積的水的壓降的5. 60倍。通過選擇各級參數，可以改變壓降的量。區域1230a-1230d對應于不會明顯引起壓降的區域。圖13顯示了可以在依照本發明的又一個實施例制成的流動控制裝置中使用的另一個流動通道1300。所示的通道1300為Z形通道，其包括第一基本上筆直的區段1310、第一成角度或彎曲的區段1320、第二基本上筆直的區段1330、第二成角度或彎曲的區段1340 和第三基本上筆直的區段1350。圖13所示的流動路徑是水流過區段1300的模擬結果。在流動通道1300中，在流動中誘導的湍流減少了緊鄰各彎曲部的有效流動面積。例如，區域 1360顯示了可以忽略的流體流動區域或死區，其減少了沿著彎曲部1320的有效流動面積。 同樣，相關的死區或非流動區域1362減少了緊鄰彎曲部1340的有效流動面積，區域1364 減少了緊鄰彎曲部1340的區段1350中的流動面積。模擬結果表明，對于特定實施例中的水的壓降約為對于管區段中的水的壓降的4. 11倍。圖14顯示了流動通道1400，其中地層流體1401從流入區域1402流入起伏狀或彎曲路徑1410中，所述路徑1410包括第一彎曲部1420。在一個方面，周圍的環增加了與彎曲部相切的慣性，這會增大穿過第二彎曲部1422的壓降。然后流體在元件1430周圍形成環， 并經由第二彎曲部1422排出。可以選擇彎曲部1420和1422的角度1421和1423，以提供所選擇的壓降，使得對于粘度或密度在第一范圍的流體(例如含水流體)的穿過通道1400的總壓降顯著較高，并且對于粘度或密度在第二范圍的流體(例如大部分為油的流體)的壓降基本上較低且恒定。一個或更多個彎曲部可以具有銳角(小于90度)。模擬結果表明，對于水，穿過特定構造的通道1400的壓降可以為穿過直管區段的壓降的4. 2-5. 02倍。在另一個方面，在此，本發明提供一種確定用于流入裝置的一個或更多個流動通道的構造的方法，與對于粘度或密度在第二范圍的流體的壓降相比，該流入裝置對于粘度或密度在第一范圍的流體可以提供顯著高的壓降。對于特定應用，限定一組流體參數，這些參數可以包括流量或流入裝置所需的總體積、流體的粘度范圍和/或密度范圍等等。然后可以選擇或限定流入裝置的一組初始參數，例如，這些參數可以包括下列中的一個或更多個級數、各級的表面面積、級幾何形狀、流動端口之間的偏置量、流體在各級中的軸向行進距離、流動路徑的彎曲部角度、流動路徑的彎曲度等等。利用計算機系統和模擬模型確定流過規定流入控制裝置的壓降與流體粘度相比對的狀況。也可以執行該模擬來提供通過各級的壓降、流體流動速度模式、沿著流體路徑的有效流動面積的減少等等。可將對于所模擬的或所計算的不同范圍粘度或密度的壓降結果與所希望的壓降進行比較。如果結果大于可接受值，則改變流動控制裝置的一個或更多個初始參數，重復模擬工序。利用一個或更多個流入裝置參數的新值，可以繼續該迭代過程，直到獲得滿意的壓降關系。作為選擇，在各模擬運行結束時可確定雷諾數(Re)和摩擦系數(K)之間的關系，以確定流入裝置構造，這種流入裝置構造對于不需要的流體、例如水，能夠提供高的壓降，而對于其他某些流體、例如油， 能夠提供相對恒定的壓力或層流。可以根據流動速度模式，確定沿著流入裝置中流體路徑誘導的湍流的量、沿著端口或彎曲部的有效流動面積的減少，等等，并利用所確定的這些因素在各模擬運行之前選擇流入裝置的參數。在此描述的流動控制裝置的示例性通道是在管中軸向設置的通道。但是，這樣的通道及其他依照這里的教導制成的通道可以徑向布置、螺旋布置或沿著任意其他角度布置。另外，這樣的流動控制裝置在單個裝置中可以運用不同類型的通道。因而，在一個方面，在此，本發明提供了一種用于控制流體在儲層和井眼之間流動的設備，在一個實施例中，該設備可以包括一流通區域，所述流通區域構造成當與該流通區域有關的選擇參數處于第一范圍時，顯著增加該選擇參數的值，當流體的選定性能處于第二范圍時，保持選擇參數的值基本恒定。
在另一個方面，流動控制裝置可包括一流通區域，所述流通區域構造成，當流體的選定性能處于第一范圍時，顯著增大穿過流通區域的壓降，當流體的選定性能處于第二范圍時，基本上保持穿過流通區域的壓降恒定。在另一個實施例中，流動控制裝置可以包括流入區域、流通區域和流出區域，其中，所述流通區域構造成，當流體的粘度或密度處于第一范圍時，顯著增加壓降，當流體的粘度或密度處于第二范圍時，保持基本恒定的壓降。在一個方面，所述第一范圍可以包括粘度小于10cP，所述第二范圍可以包括粘度超過10cP。作為選擇，第一范圍可以包括密度大于8. 33磅每加侖，第二范圍包括密度小于8. 33磅每加侖。在一個方面，流通區域可以構造成在粘度或密度處于所述第一范圍內的流體中誘導選擇量的湍流，以對于穿過流通區域的給定流體流量，提供穿過流通區域的所希望的壓降。在另一個方面，流動區域可包括一結構區域，所述結構區域構造成經由第一端口接收流體，并經由第二端口排出所接收的流體，第二端口具有尺寸“d”，該結構區域具有軸向距離“X”，第一端口和第二端口之間存在偏置量 “h”。在一個實施例中，h是d的4-6倍。在另一個實施例中,h/x大于d/h。在另一個實施例中，流通區域可以構造成包括彎曲路徑。在另一個方面，本發明提供一種流動控制裝置，其可以包括流通區域，所述流通區域包括結構流區域、流入開口和流出開口，其中，選擇所述結構流區域、流入開口與流出開口之間的結構流區域中的流體流動路徑、流體流動路徑的彎曲度以及流出開口的尺寸， 使得與具有處于第二范圍內的高Re的流體相比，對于具有處于第一范圍內的低雷諾數 (“Re”)的流體的流體性能系數(“K”)的值顯著較大。在另一個方面，提供了一種方法，其可包括限定用于流過所述流入控制裝置的流體的流量；選擇用于在管狀元件上形成的流通區域的幾何形狀，該流通區域包括入口、出口和位于入口和出口之間的流動路徑，所述流動路徑構造成在入口和出口之間的流體流動中誘導足以減少出口的有效流動區域的湍流，以對于所限定的流量，使得具有在第一范圍內的粘度或密度的流體的穿過出口的壓降顯著高于具有在第二范圍內的粘度或密度的流體； 和形成具有所選擇的幾何形狀的管狀元件。在又一個方面，提供了一種計算機可讀介質，其可允許處理器進入，用于執行嵌入到計算機可讀介質中的程序的指令，該程序可以包括(a)存取用于流體流動控制裝置的流量的指令；(b)存取用于流入控制裝置的形成在一管狀元件上的流通部分的第一幾何形狀的指令，流通部分包括入口、出口和位于入口和出口之間的彎曲路徑，所述彎曲路徑構造成在入口和出口之間的流體流動中誘導足以減少出口的有效流動區域的湍流，以對于所限定的流量，使得具有在第一范圍內的粘度或密度的流體的穿過出口的壓降顯著高于具有在第二范圍內的粘度或密度的流體；(C)對應于多個流體粘度或流體密度，基于第一幾何形狀，計算穿過出口的壓降的指令；(d)將所計算的對應于所述第一范圍和第二范圍的壓降與所希望的值進行比較的指令；(e)利用一個或更多個另外的幾何形狀，重復步驟c和d，直到所計算的壓降在可接受的值之內的指令4P(e)存儲具有滿足所希望的值的壓降的幾何形狀的指令。應當明白，圖1-14旨在僅僅說明在此所述的原理和方法的教導，這些原理和方法可以應用于設計、構造和/或利用流入控制設備。此外，為便于說明和描述，上文的描述針對的是本發明的特定實施例。但是，對本領域技術人員來說顯而易見的是，在沒有背離本發明的范圍的情況下，可以對上述實施例進行許多修改和變化。
權利要求
1.一種用于控制流體在地層和井眼之間流動的流動控制裝置，其包括流通區域，所述流通區域構造成當流體的選定性能處于第一范圍時，顯著增大穿過流通區域的壓降，當流體的選定性能處于第二范圍時，保持穿過流通區域的壓降基本上恒定。
2.如權利要求I所述的流動控制裝置，其中，該選定性能為粘度，所述第一范圍包括粘度小于約10cP，所述第二范圍包括粘度在約IOcP之上。
3.如權利要求I所述的流動控制裝置，其中，該選定性能為密度，所述第一范圍包括密度大于約8. 33磅每加侖，所述第二范圍包括密度小于約8. 33磅每加侖。
4.如權利要求I所述的流動控制裝置，其中，所述流通區域包括限定穿過該流通區域的壓降的彎曲路徑。
5.如權利要求4所述的流動控制裝置，其中，穿過所述彎曲路徑的壓降隨流體在所述第一范圍內的選定性能而變化。
6.如權利要求4所述的流動控制裝置，其中，所述彎曲路徑包括銳角彎曲部，以及其中，緊鄰該銳角彎曲部的壓降隨流體在所述第一范圍內的選定性能的值的改變而改變。
7.如權利要求I所述的流動控制裝置，其中，該流通區域包括入口和出口之間的偏置量h ;所述出口所具有的尺寸“d” ；以及在所述入口和出口之間的軸向流動距離X。
8.如權利要求6所述的設備，其中，h是d的4-6倍。
9.如權利要求6所述的設備,其中，h/x大于d/h。
10.如權利要求I所述的流動控制裝置，其中，該流通區域包括下列之一Z形流體流動路徑；S形流體流動路徑；以及包括圓形路徑和銳角彎曲部的流體流動路徑。
11.一種用于控制流體在地層和井眼之間流動的流動控制裝置，其包括流通區域，該流通區域構造成當流體的雷諾數在第一范圍內變動時，使得流體性能系數以指數律地顯著增大，而當流體的雷諾數處于第二范圍時，使得所述性能系數保持基本恒定。
12.如權利要求11所述的流動控制裝置，其中，所述第一范圍對應于大部分為水或氣的流體，所述第二范圍對應于大部分為原油的流體。
13.如權利要求11所述的流動控制裝置，其中，所述流通區域包括多級，當雷諾數在所述第一范圍變動時，各級引起流體性能系數的值的增大。
14.如權利要求11所述的流動控制裝置，其中，所述流通區域包括位于用于接收流體的入口與用于排出所接收的流體的出口之間的彎曲路徑，其中，所述彎曲路徑基于流體中的水含量或氣含量在流體中誘導湍流，所述湍流改變了緊鄰出口的流體的行進有效面積。
15.一種供井眼使用的設備，其包括防砂裝置，該防砂裝置構造成控制地層流體中含有的固體顆粒流過防砂裝置；和流動控制裝置，該流動控制裝置構造成接收來自防砂裝置的地層流體，該流動控制裝置包括流通區域，所述流通區域構造成當流體的選定性能處于第一范圍內時，使得與該流通區域有關的選擇參數顯著增大，當流體的所述選定性能處于第二范圍內時，使得所述選擇參數的值基本保持恒定。
16.如權利要求15所述的設備，其中，所述選擇參數為下列之一(i)流體的粘度； ( )流體的密度；和(iii)流體的性能系數。
17.如權利要求15所述的設備，其中，所述流通區域包括位于用于接收流體的入口與用于排出所接收的流體的出口之間的彎曲路徑，其中，所述彎曲路徑基于流體中的水含量或氣含量在流體中誘導湍流，以引起緊鄰所述出口的流體有效流動面積的改變。
18.一種開采井眼系統，其包括井眼中的中心管；中心管外面的防砂裝置，該防砂裝置構造成控制地層中含有的固體顆粒流入所述中心管；和流動控制裝置，該流動控制裝置構造成接收來自所述防砂裝置的地層流體，該流動控制裝置包括流通區域，所述流通區域構造成當流體的選定性能處于第一范圍內時，使得該流通區域的選擇參數的值顯著增大，當流體的所述選定性能處于第二范圍內時，使得所述選擇參數的值基本保持恒定。
19.如權利要求18所述的設備，其中，選擇參數為下列之一流體的(i)粘度；(ii )密度jP(iii)性能系數。
20.如權利要求18所述的設備，其中，所述流通區域包括彎曲路徑，該彎曲路徑基于流體中的水含量或氣含量在流體中誘導湍流，該湍流改變了所述流體穿過所述彎曲路徑行進的有效面積。
全文摘要
本申請提供了一種用于控制流體從儲層流入井眼中的設備，在一個實施例中，該設備可以包括一流通區域，所述流通區域構造成當與該流通區域有關的選擇參數處于第一范圍時，顯著增加該選擇參數的值，當流體的選定性能處于第二范圍時，所述選擇參數保持為基本恒定的值。
文檔編號E21B34/08GK102612589SQ201080051740
公開日2012年7月25日 申請日期2010年10月1日 優先權日2009年10月2日
發明者E·G·鮑恩, G·A·加西亞, L·A·加西亞, R·D·拉塞爾, S·巴內吉 申請人:貝克休斯公司