用于從井筒的等溫段獲取井下能量的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及在與烴的生產有關的井筒(wellbore)中的操作。更具體而言,本發明涉及一種通過控制井筒內的流體流動(例如,采出液進入井筒的流入)來在井筒內產生電力的系統和方法。
【背景技術】
[0002]通常將需要電力的儀器和工具定位在烴生產井內的井下位置。例如,電驅動傳感器被用于監測溫度、壓力、流速和其它井下條件。部署在井下位置的其他電驅動工具被主動控制,以實現各種目的。例如,井下閥門被經常地打開和關閉,以在儲層的開采壽命(常常是20年以上)內進行儲層性能的長期管理。導電線纜被部署成將這些井下工具與設置在地面位置(surface posit1n)的電源相連接。這些線纜昂貴且容易在井筒的惡劣環境中失效。
[0003]在工業上需要可以被安裝在井筒內的井下位置來長時間向傳感器、閥門或其它井筒儀器提供電力的系統。此外,還需要可以對從井筒開采流體進行管理的系統,該井筒常常延伸穿過具有不同特性(例如,壓力、孔隙度和含水量)的分采區。如果管理不當,則這些特性的變化可能導致不理想的開采模式。
【發明內容】
[0004]本發明描述了用于在井下環境中提供電力的系統和方法。該系統和方法采用渦流管,渦流管可操作地響應于流體穿過渦流管的流動來產生溫差。渦流管包括溫度相對較高的第一出口和溫度相對較低的第二出口,第一出口和第二出口與溫差發電機可操作地聯接。渦流管可操作地在井筒的其它大致等溫段中產生溫差。
[0005]根據本發明的一個方面,用于在形成于地下地層中的井筒內產生電力的發電系統包括:加壓流體源;溫差發電機,其可操作地響應于被施加的溫差而產生電壓;以及渦流管,其與溫差發電機可操作地聯接,以對溫差發電機施加溫差。渦流管包括:細長中空體;入口,其與加壓流體源流體連通;第一出口,其與細長中空體的徑向靠外區域(radially outerreg1n)熱連通;以及第二出口,其與細長中空體的徑向靠內區域(radial Iy innerreg1n)熱連通。第一出口與溫差發電機的高溫輸入部可操作地相關聯,并且第二出口與溫差發電機的低溫輸入部可操作地相關聯。
[0006]在一些實施例中,渦流管的入口可操作地與地下地層流體連通,并且加壓流體源是地下地層的開采區內的采出液。在一些實施例中,渦流管的第一出口和第二出口與生產油管可操作地流體連通,使得限定在地下地層與生產油管之間的流動路徑延伸經過渦流管。
[0007]在一些實施例中,發電系統還包括與溫差發電機電連通(electricalcommunicat1n)的電驅動井下工具,其中,電驅動井下工具可操作為選擇性地接收由溫差發電機產生的電力。在一些實施例中,電驅動井下工具是流入控制閥,流入控制閥構造為用于調節流體在穿過地下地層的生產油管的內部與外部之間的流動。在一些實施例中,發電系統還包括電聯接在溫差發電機與電驅動井下工具之間的蓄電裝置。
[0008]在一些實施例中,禍流管構造為逆轉流動式禍流管(counter-flow vortextube),第一出口和第二出口設置在該逆轉流動式渦流管的細長中空體的縱向相反兩側上。
[0009]根據本發明的另一方面,用于在延伸穿過地下地層的井筒內獲取能量的發電系統包括:溫差發電機,其可操作地響應于被施加的溫差而產生電壓;以及渦流管,其與溫差發電機可操作地聯接,以對溫差發電機施加溫差。渦流管包括:細長中空體;入口,其可操作地與地下地層流體連通,并且可操作地沿著細長中空體的徑向靠外區域產生采出液的旋流(swirling flow);第一出口,其設置在細長中空體的徑向靠外區域,并且可操作地排出采出液的旋流的第一部分;限流器(restrictor),其可操作地將采出液的旋流的第二部分從細長中空體的徑向靠外區域改向到細長中空體的徑向靠內區域;以及第二出口,其設置在細長中空體的徑向靠內區域,并且可操作地排出采出液的旋流的第二部分。第一出口與溫差發電機的高溫輸入部可操作地聯接,并且第二出口與溫差發電機的低溫輸入部可操作地聯接。
[0010]在一些實施例中,渦流管設置在下述環形區域內:該環形區域限定在地下地層與延伸穿過地下地層的生產油管之間。在一些實施例中,該環形區域限定在圍繞生產油管延伸且與地下地層的環壁接合的兩個縱向隔開的隔離部件之間。在一些實施例中,在渦流管的入口與限定在生產油管中的孔之間存在約300psi的壓差,并且孔與渦流管的第一出口和第二出口流體連通。在一些實施例中,在限定在生產油管中的孔處設置有流入控制閥,孔與渦流管的第一出口和第二出口流體連通,并且流入控制閥與溫差發電機電聯接,以接收來自溫差發電機的電力。
[0011]在一些實施例中,發電系統還包括分別與渦流管的第一出口和第二出口熱連通的第一熱電偶和第二熱電偶,其中,渦流管的第一出口和第二出口分別經由第一熱電偶和第二熱電偶與溫差發電機的高溫輸入部和低溫輸入部可操作地聯接。在一些實施例中,限流器能夠相對于細長中空體移動,從而能夠調節限定了渦流管的第一出口的環形孔的尺寸。在一些實施例中,渦流管的入口與被限定為貫穿下述套管的穿孔流體連通:該套管圍繞生產油管而設置。
[0012]根據本發明的另一方面,用于在延伸穿過地下地層的井筒內產生電力的方法包括:(i)從地下地層開采出采出液,并使采出液進入到井筒中;(ii)使采出液通過渦流管,以在渦流管的第一出口與第二出口之間產生溫差;以及(iii)將溫差轉化為電壓。
[0013]在一些實施例中,該方法還包括將電力從溫差發電機傳送到井下工具,該溫差發電機與渦流管可操作地聯接,用以將溫差轉化為電壓。在一些實施例中,該方法還包括操作井下工具,以選擇性地使采出液通過限定在延伸穿過地下地層的生產油管中的孔。
【附圖說明】
[0014]為了實現以及能夠具體理解本發明的上述特征、方案和優點以及變得顯然的其他特征、方案和優點,下面參考在附圖中圖示說明的本發明的實施例對上文簡要概述的本發明做更具體的描述,附圖構成本說明書的一部分。然而,值得注意的是,附圖僅圖示了本發明的優選實施例,因此,不應視為是對本發明范圍的限制,因為本發明可容許有其他同等有效的實施例。
[0015]圖1是根據本發明實施例的延伸穿過多個開采區且內部具有發電系統的井筒的示意性剖視圖。
[0016]圖2是圖1的發電系統的放大示意性剖視圖,其中示出了延伸穿過安裝在生產油管外部的渦流管的流體流動路徑。
[0017]圖3是用于在本發明可選實施例中使用的渦流管的示意性剖視圖。
[0018]圖4是示出根據本發明的操作過程的示例性實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中以側剖視圖示出的是井筒100的一個示例性實施例,井筒100延伸穿過限定在地下地層104中的三個開采區102a、102b和102c。開采區102a、102b和102c包含通過井筒100開采的石油或其他含流體的烴。本領域技術人員應認識到的是,盡管井筒100在本文中被描述為用于從地下地層104抽提流體,但在其他實施例(未示出)中,例如,在為進行烴類抽提而執行的壓裂操作中,井筒100配置為允許將流體注入到地下地層104中。
[0020]井筒100包括基本豎直部108以及與開采區102a、102b和102c相交的基本水平部106。在其他實施例(未示出)中,井筒100的取向是基本上完全豎直的或偏斜但未達到水平的。在圖1所示的示例性實施例中,側分支110a、110b和IlOc從基本水平部106延伸到相應開采區102a、102b、102c中,并且有助于從開采區102a、102b、102c中收集含流體的烴。在其他實施例(未示出)中,沒有設置側分