专利名称：当流体性能处于选定范围时能够显著减少流体流动的流动控制装置的利记博彩app
技术领域：
本发明总体上来说涉及用于控制从地下地层到井眼中的开采管柱中的流体流量的设备和方法。
背景技术：
诸如油和气这样的烃类是利用钻进地层的井或井眼从地下地层采收的。在有些情况下，这样的井眼通常通过以下方式完井沿着井眼长度放置套管并临近各个开采区(含烃区)对套管钻孔以将流体(例如油和气)从开采区抽取到井眼内。在其它情况下，井眼可能是裸井。一个或更多个流入控制装置置于井眼中，以控制流体流入井眼中。这些流动控制装置和开采区通常通过在它们之间安装封隔器而彼此分开。从各个开采区进入井眼的流体被吸入延伸到地面的管道中。所希望的是，沿开采区具有基本上均匀的流体流动。不均匀的排放可能导致出现不希望有的状况，例如侵入式气锥或水锥。在采油井的情况下，例如，气锥会导致气体流入井眼内，这会显著降低采油量。同样，水锥也会导致水流入油开采流内， 这也会降低采油量和质量。通常在开采区钻入偏斜或水平井眼，以由此抽取流体。若干流入控制装置沿着这样的井眼间隔放置，以排放地层流体或者将流体注入到地层中。地层流体常常包含油层、油下面的水层以及油上面的气层。对于生产井来说，水平井眼典型处于水层上方。油、水和气的边界层在水平井的整个长度上可能不是均匀的。而且，地层的某些性质，例如孔隙度和渗透率，沿着井长度也可能不是相同的。所以，地层和井眼之间的流体可能不会均匀地流过流入控制装置。对于生产井眼来说，所希望的是开采流体相对均匀地流入井眼内以及防止水和气流过各个流入控制装置。已经使用了主动(active)流动控制装置来控制流体从地层进入井眼。这样的装置比较昂贵，并且包括移动部件，这些移动部件需要维护，在井眼的寿命期限内可能不是非常可靠。所以，能够限制水和气流入井眼的被动(passive)流入控制装置(“I⑶”)是所希望的。在此，本发明提供被动流入控制装置，其一方面限制具有不希望的粘度或密度的流体流动，另一方面保持具有所希望的粘度或密度的流体的基本上恒定的流动。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于控制流体在地层与井眼之间流动的流动控制装置。在一个实施例中，该流动控制装置可以包括流入区域、流通区域和流出区域，其中，流通区域构造成当流体的粘度或密度处于第一范围时，显著增大压降，当流体的粘度或密度处于第二范围时，保持基本恒定的压降。在另一个实施例中，所述流通区域可以包括结构流区域、流入开口和流出开口，其中，对所述结构流区域、结构流区域中的流体流动路径、流体流动路径的弯曲度以及流出开口的尺寸进行选择，使得具有在第一范围内的雷诺数(“Re”) 的流体的压力损失系数(“K”)的值显著高于具有在第二范围内的雷诺数的流体。在另一个方面，本申请提供了一种制造在井眼中使用的用于控制流体从地层流入井眼的流动控制装置的方法。在一个实施例中，该方法可以包括限定流体流入所述流动控制装置的流量；选择所述流动控制装置的流通区域的几何形状，对于所限定的流量，所选择的几何形状足以使得具有在第一范围内的粘度或密度的流体穿过所述流通区域的压降显著高于具有在第二范围内的粘度或密度的流体；和形成具有所选择的几何形状的流动控制装置。在又一个方面，本发明在此提供了一种计算机可读介质，该可读介质可允许处理器进入，且其上嵌入有用于执行包含在计算机程序中的指令的计算机程序，该计算机程序包括(a)存取用于流动控制装置的流量的指令；(b)存取用于流动控制装置的形成在一管状元件上的流通区域的第一几何形状的指令，该流通区域包括入口、出口以及位于入口和出口之间的弯曲路径，所述弯曲路径构造成在入口和出口之间的流体流动中诱导足以减少出口的有效流动区域的湍流，以对于所限定的流量，使得具有在第一范围内的粘度或密度的流体的穿过出口的压降显著高于具有在第二范围内的粘度或密度的流体；对应于多个流体粘度或流体密度，基于第一几何形状，计算穿过出口的压降的指令；(C)确定所计算的压降是否可接受的指令；(d)当所计算的压降不可接受时，选择不同的几何形状，利用该不同的几何形状，重复(b)和(C)，直到压降可接受的指令；和(e)存储压降可接受时的几何形状。本发明更重要特征的例子概述得相当宽泛，以便可以更好地理解下述的详细说明书以及可以领悟对本领域做出的贡献。当然，本发明还具有附加特征，这将在下文描述，其形成了附加于此的权利要求的主题。
参照下列详细说明书，并结合附图，本领域普通技术人员将更容易领悟和更好地理解本发明的有点和其他方面，其中贯穿附图中所示的几个视图中，同样的参考标记通常表示同样或类似的元件，以及其中图I是示例性多区井眼的示意性正视图，其具有安装在其中的开采管柱，该开采管柱包括若干沿着开采管柱长度放置在选定部位的流入控制装置；图2是对于某种市场上可得到的流动控制装置的与流体粘度有关的压降以及对于用于控制水流过的流动控制装置的所希望的压降的曲线图；图3是对于用于控制水流过的流动控制装置的雷诺数和压力损失系数之间的所希望的关系的曲线图；图4是流动控制装置的立体图，所述流动控制装置包括颗粒过滤装置和依照本发明一个实施例的被动流动控制装置；
图5显示了依照本发明的一个实施例制成的流动控制装置的示例性结构流模式或流动通道；图6是对于诸如图5所示的多级流动通道的水流速的模拟结果流动图；图7是对于诸如图5所示的多级流动通道的粘度为189cP的油流速的模拟结果流动图；图8显示了对于示例性节流装置、螺旋装置、混合装置的压降相对于粘度的实验室测试结果以及对于用于控制水流过的流动控制装置的所希望的压降；
图9显示了根据本发明的一个实施例制成的流动控制装置的立体图10显示了对于图9所示的流动控制装置的示例性通道的流体流动路径；
图11显示了可以在依照本发明的一个实施例制成的流动控制装置中使用的流动
通道；图12显示了可以在依照本发明的另一个实施例制成的流动控制装置中使用的另一个流动通道；图13显示了可以在依照本发明的又一个实施例制成的流入控制装置中使用的又一个流动通道；和图14显示了可以在依照本发明的再一个实施例制成的流入控制装置中使用的再一个流动通道。
具体实施例方式本发明涉及用于控制地层流体在井中流动的设备和方法。本发明提供了某些附图并描述了所述设备和方法的某些实施例，这些应当视为对在此所述的原理的举例说明，并非旨在将本发明限制于所示和所描述的实施例。首先参见图1，图中显示了示例性的流体开采系统100，其包括穿过地壳112钻入一对开采区或储层114、116的井眼110，期望从所述开采区或储层开采烃。所示的井眼110 衬有具有若干穿孔118的套管，所述穿孔穿入并延伸到地层开采区114、116中，这样开采的流体可以从开采区114、116流入井眼110中。所示的示例性井眼110包括竖直区段I IOa和基本上水平区段110b。井眼110包括开采管柱(或开采组件)120，所述开采管柱包括从井眼110的地面126处的井头124向下延伸的管道(也被称为中心管)122。开采管柱120沿其长度限定一内部轴向孔128。一环空130限定在开采管柱120与井眼套管之间。开采管柱120具有一偏斜的、基本上水平的部分132，该基本上水平的部分沿着井眼110的偏斜支路IlOb延伸。开采装置134位于沿开采管柱120的选定部位处。任选地，各开采装置134 在井眼110内由成对的封隔器装置136隔离。虽然沿着水平部分132仅仅显示了两个开采装置134，但是，实际上，沿着水平部分132可以布置大量这样的开采装置。各个开采装置134的特征在于开采控制装置(或流动控制装置)138，其用于控制从开采区流入开采管柱120中的一种或更多种流体的一个或更多个方面。在此所使用的术语 “流体”包括液体、气体、烃类、多相流体、两种或更多种流体的混合物、水、和从地表注入的流体(诸如水)。另外，涉及到水的内容，应当解释为还包括水基流体；例如盐水或咸水。依照本发明的实施例，流动控制装置138可具有若干个提供有选择地操作和控制由此通过的流体流动的可替换构造特征。
地下地层一般包含水或盐水以及油和气。水可能存在于含油区下面，气可能存在于含油区上面。水平井眼，例如区段110b，通常钻入开采区(例如开采区116)中，并可以延伸超过5000英尺的长度。一旦井眼已经开采一段时间，就会有水流入流动控制装置138中。 水流入的量和时间可能随着开采区的长度不同而变化。所希望的是，当采出流体中存在选定量的水时，流动控制装置能够限制流体流动。在一方面，通过限制含有水的采出流体的流动，流动控制装置能够在开采区的开采寿命内开采更多的油。图2显示了对于不同粘度的流体的某些类型的流入控制装置的压降状况的曲线200。沿着竖直轴线显示的是穿过装置的压降“Λρ”，沿着水平轴线显示的是流体粘度 “ μ ”。纯水的粘度为lcP，地下地层中存在的大多数油的粘度在10cP-200cP之间。曲线202 描绘了对应节流型流入控制装置的压降，其中，大部分压降发生在节流口处，压降为节流口直径的函数。穿过节流型流入控制装置的总压降大体上是穿过流入控制装置中含有的全部节流口的压降之和。可见，随着流体粘度增加，压降急剧增大。尤其是，大多数油的压降大于水的压降。曲线204对应于螺旋型流入控制装置，其中，采出流体沿着管状元件周围的较长的螺旋路径流动。曲线204显示出水的压降大于粘度高达约60cP的流体的压降。水的压降和粘度高达约20cP的流体的压降都是下降的，粘度大于约20cP时流体的压降开始上升。曲线204表明，水存在一定堵塞，粘度超过20cP的油也存在一定堵塞。曲线206对应于一种混合结构，其包括由弯曲流动路径分开的节流口。这样的一种流入控制装置描述在 2009年4月2日提交的、受让给本申请的受让人的美国专利申请序列号No. 12/417346中， 该申请整体在此引入作为参考。曲线206表明穿过该装置的压降的变化大于穿过螺旋型装置的压降的变化，进一步还表明，压降持续下降，直到流体粘度达到约60cP。这表明，该装置提供了水堵塞，而且，与螺旋型装置相比，某些类型的油堵塞较小。与节流装置和螺旋装置相比，对应于曲线206的装置倾向于更好地防止水流入井眼。曲线202、204和206所示的数据是从实验室测试结果获得的。仍然参照图2，所希望的是，提供这样的流动控制装置，即对于低粘度流体，例如粘度低于约6cP或IOcP的流体，这种流动控制装置能够增大压降，而对于粘度在超过约6cP 或IOcP的范围内的流体，这种流动控制装置大体上保持压降恒定。随着粘度在这样的范围内的降低，压降可呈指数增加。曲线208显示了流体流过流动控制装置的更希望的压降状况，其中，对于粘度在第一范围内的流体，例如粘度低于约10cP，压降显著地较大，而对于粘度在第二范围的流体，例如约6cP或IOcP之上，压降大体上保持恒定。图3显示了流动控制装置的所希望性能的曲线图300，其表示为雷诺数“Re”和压力损失系数“K”之间的关系。沿竖直轴线显示的是Re，沿水平轴线显示的是K。雷诺数Re 是无量纲的，是惯性力和粘性力之比。流体的Re可表示为Re=惯性力/粘性力Re= ( P · V · dv/dx) / μ · d2v/dx2Re= P VD/ μ这里，ρ是流体密度；V是流动体积；v是流体速度；D是流动区域的尺寸，例如开口的直径；μ是流体的粘度。与诸如油这样的高粘度流体相比，诸如水这样的低粘度流体的雷诺数较高。所以，Re也可以表示为Re=f (密度，粘度，流体速度和表面尺寸)
穿过流动面积A的压降Dp可以表示为Dp=K · ( P /A2) · V2，这里，A是流动面积。压力损失系数K是雷诺数Re的函数(K=f (Re))。本发明人已经确定，K也是流过流动控制装置的流体的流动路径的几何形状的函数，并且尤其是流动控制装置内的流动路径的弯曲度(tortuosity)的函数，所以，在流体流动中诱导的湍流会影响不同粘度的流体的压降，正如后面更详细描述的那样。压力损失系数K可以表示为K=f (Re，开口尺寸，弯曲度)。曲线图300表明流动控制装置对于雷诺数大于水的雷诺数301的流体呈现高的压力损失系数K的值(曲线段302所示)是所希望的。曲线图300还表明对于雷诺数小于水的雷诺数301的情况，具有相对固定的压力损失系数K (如曲线段306所示)是所希望的。 通过流入控制装置的流体的整体状况取决于流体的流变能力。流变能力是若干参数的函数，这些参数包括但不限于流动面积、弯曲度、摩擦、流体速度、流体粘度和流体密度。在许多方面，可以计算或假定流变能力参数，以提供防止水流动的流动控制装置。在此，本发明利用上述的流体流变学原理及其他因素，来提供防止粘度或密度在一个范围内的流体的流动而允许粘度或密度在另一个范围内的流体的基本上恒定的流动的流动控制装置。示例性流动控制装置和制造该装置的方法参照图4-14进行描述。现在参考图4，图中显示了用于控制流体从储层流入开采管柱内的开采装置400 的一个实施例。所示的该装置400包括用于减少流体中夹带的颗粒数量和尺寸的颗粒控制装置或过滤装置410以及控制地层流体455进入井眼的总排放流量的流入控制装置450。 在一个实施例中，过滤装置410可以包括放置在管道402周围的罩412、放置在罩412和管道402之间的过滤介质414、以及布置在过滤介质414和管状元件418之间的流动路径416。 地层流体流入罩412中，所述罩具有允许地层流体流入过滤装置410的穿孔图案。罩412隔离过滤装置410的部件，防止这些部件直接暴露给含有固体颗粒的地层流体和高速流体。 另外，罩412防止大的固体颗粒流动进入过滤介质414。过滤介质414过滤较小的固体颗粒，并允许地层流体流入流体流动路径416中，进而流入流动控制装置450。下文描述了示例性的流动控制装置。图5显示了依照本发明的一个实施例制成的流动控制装置500的示例性结构流模式。在一个方面，流动控制装置500可以包括流入区域510、流出区域520和流通区域530。 流通区域530可以进一步包括一个或更多个级，例如级530a、530b、530c等等。在流动控制装置500的流动构型中，地层流体501进入流入区域510，然后经由端口或开口 532a进入第一级530a，并从端口 532b排出而进入第二级530b中。流体从第二级530b经由端口 532c 排出进入下一级530c，然后经由端口 532d进入流出区域520。在许多方面，第一级530a可具有宽度或轴向流动距离xl以及高度或径向距离yl。 第一级530a的进入端口 532a和排出端口 532b之间的偏置量或偏差由hi表不。同样,后面的级530b和530c的轴向流动距离、径向距离和排出端口分别用x2、h2和d3以及x3、h3 和d4表示。通过这些级的流体路径由Fpl、Fp2和Fp3表示。显著的第一压降Dpl出现于端口 532a。然后流体501沿着弯曲路径Fpi流动，并通过端口 532b排出。第二压降Λρ2 出现于端口 532b。同样，后面的压降出现于端口 532c以及端口 532d。在一实施例中，大部分压降出现于端口。穿过所述流动控制装置500的压降近似为各级的压降即ΛΡ1、ΛΡ2和Λ p3之和。如前所述，对于给定的流体类型(粘度、密度等等)和流量，压降取决于流动面积、 流动路径的弯曲度等等。在一个方面，流动控制装置500中的各级可以具有相同的结构尺寸。在另一个方面，可以选择所述径向距离、端口偏置量和端口尺寸，以提供所希望的弯曲度，使得压降成为流体粘度或密度的函数。在其他方面，这些级的尺寸也可以是不同的。已经确定，依照图5所示的那些方面制成的流动控制装置对于粘度较低、例如小于IOcP的流体可以提供较高的压降，而对于粘度在IOcP之上的范围的流体可以提供基本恒定的压降。 一般来说，穿过一端口、例如端口 532b的压降是偏置量(h)、轴向距离(X)和端口尺寸(d)的函数。在一个方面，其关系可以为x/h>d/h。在另一个方面，尺寸h可以是d的4-6倍。图6是对于诸如图5所示的多级(630a_630g)流动控制装置的水流速的模拟结果流动图600,其中流迹线根据速度大小(英尺/每秒(ft/sec))着色。流体的速度随着流体 601从一级进入下一级而增加。环(例如级632a中的环640a和640b)表示流体具有较低的速度，因而被认为基本上不流过级630a。流体601沿着第一级632a中的弯曲流动路径650a 流动，该流动路径包括轴向路径650a和径向路径650b。端口之间的偏置量或偏差为“h”。 然后流体601排出端口 660b。流体路径650的弯曲度和端口 660b处的相应压降可以通过轴向距离、径向距离、偏置量和端口尺寸的组合进行控制。因此，在一实施例中，流动控制装置可以设计成通过选择相应的轴向距离、径向距离、偏置量和端口尺寸，限制含水流体的流动，以使穿过流动控制装置的压降明显。图7是对于诸如图6所示的多级(630a_630g)流动控制装置，粘度为189cP的油流速的模拟结果流动图700，其中流迹线根据速度大小(英尺/每秒(ft/sec))着色。流体的速度随着流体701从一级进入下一级而增加。环(例如级630a中的环740a和740b)表示流体具有较低的速度，因而被认为基本上不流过所述级630a。应该注意，与对于水的环 640a和640b相比，这些速度环不是那么剧烈。流体701沿着第一级630a中的弯曲流动路径750a流动，该流动路径包括基本上轴向的第一路径650a和基本上径向的第二路径650b。 所述基本上径向的第二路径650b基本上等于偏置距离“h”。然后流体701排出端口 660b。 流体路径650的弯曲度和端口 660b处的相应压降可以通过选择轴向距离、径向距离、偏置量和端口尺寸的组合进行控制。强湍流趋向于形成穿过装置端口的高压降，例如图7所示。图8显示了对于节流型装置、螺旋装置、混合装置及诸如图6和7所示的装置的相对于水的压降的示例性比较表800。相对于水的百分比压降变化沿着竖直轴线描绘，流体粘度沿着水平轴线描绘。曲线802对应于节流型流动控制装置，曲线804对应于螺旋装置， 曲线806对应于混合装置，曲线808对应于如图6和7所示类型的流动控制装置。应注意 依照图6和7所述的原理制成的流动控制装置，对于低粘度流体，例如粘度范围由附图标记 810a所示的流体(达到约10cP)，呈现较高的百分比压降变化，而对于粘度范围由附图标记 810b所示的流体(从约IOcP到180cP)，呈现基本恒定的压降。图9显示了依照在此所述的原理制成的被动流动控制装置900的实施例的立体图。所示的流动控制装置900包括在管状元件902周围形成的若干结构流部分920a、920b、 920c和920d，每个这样的部分限定流动通道或流动路径。各部分可以构造成产生预定压降，以控制采出流体从地层到井眼管道的流量。为了提供穿过这样的部分的选定或规定的压降，可以堵塞这些流动路径或部分中的一个或更多个(不与另一部分液压连通)。通过关闭为选定流动部分而设置的端口 938，可以控制通过特定部分的流体流动。穿过装置900的总压降是各有效部分产生的压降之和。结构流部分920a-920d也可以被称为流动通道。为简化描述装置900，参照通道920a描述通过各个通道的流动控制。所示的通道920a包括流入区域910和流出区域912。地层流体进入通道920a至流入区域910中，经由流出区域 912从通道排出。通道920a通过引导流动流体穿过流通区域930产生压降，该流通区域可以包括一个或更多个流动级或管路，例如级932a、932b、932c和932d。各结构流部分可以包括任何所希望数量的级。而且，在许多方面，装置中的各通道可以包括不同数量的级。在另一个方面，各通道或级可以构造成在流入区域和流出区域之间提供独立的流动路径。如前所述，通道920a-920d的一些或全部能够彼此大体上液压隔离。也就是说，穿过通道和装置 900的流动被认为是并联而不是串联。因而，穿过一个通道的流动可以被部分或完全堵塞， 而基本上不会影响穿过另一个通道的流动。应当明白，术语“并联”用于功能角度，而不是建议一特定结构或物理构造。仍然参照图9，还显示了流动控制装置900的更多细节，该流动控制装置通过输送流入流体经过多个通道920a-920d中的一个或更多个而形成压降。通道920a_920d中的每个可以沿着基管或芯轴902的壁形成，并包括构造成以预定方式控制流动的结构特征。虽然不是必要的，但通道920a-920d可以以并行的方式对齐，并沿着芯轴902的长轴纵向布置。各个通道可具有与井眼管状流动钻孔402 (图4)流体连通的一端132以及与分离所述流动控制装置120和地层的环形空间或环空流体连通的第二端134 (图3)。通常，通道 920a-920d可以彼此分开，例如在它们相应的流入区域和流出区域之间的区域中彼此分开。 在实施例中，通道920a可以布置成曲径或迷宫结构，该结构形成用于流体流过的弯曲或迂回的流动路径。在一个实施例中，通道922a的各级932a-932d可以分别包括腔942a-942d。 开口 944a-944d以串联方式液压地连接腔942a_942d。在通道920a的示例性构造中，地层流体进入流入区域910，经由端口或开口 944a排出至第一腔942a中。然后流体沿着弯曲路径952a行进，经由端口 944b排出至第二腔942b内，诸如此类。每个端口 944a_944d呈现穿过该端口的一定压降，该压降是该端口每个侧面上的腔的构造、与之相联的端口之间的偏置量以及各个端口的尺寸的函数。上述的分级式构造以及各级内的结构确定了各个特定腔中的流体流动的曲率和摩擦，正如在此所述的。特定通道中的不同级可以构造成提供不同的压降。基于在此所述的原理、方法及其他实施例，这些腔可以构造成任何所希望的构造。图10显示了流动控制装置900的四个示例性通道920a_920d的流体流动路径。为便于说明，流动控制装置900以虚线显示，并且与图9的管状描绘相比，为了更好地描绘通道920a-d，以平面的形式“展开”流动控制装置900。这些通道920a-920d中的每一个在环空或地层与管状钻孔402 (图4)之间提供分开的、独立的流动路径，如流动路径1020a-1020d 所示。而且，在所示的实施例中，每个通道920a-920d对于流动的流体提供不同的压降。通道920a构造成对流体流动提供最小量的阻力，从而提供较小的压降。管路920d构造成对流体流动提供最大的阻力，从而提供较大的压降。管路920b和920c提供的压降范围在管路920a和920d提供的那些之间。但是，应当明白，在其他实施例中，管路中的两个或更多个可以提供相同的压降，或者所有管路可提供相同的压降。如前所述，来自任何通道的流体流动可以或者部分堵塞，或者完全堵塞。因而，通过有选择地堵塞通道920a-920d中的一个或更多个，可以调节穿过流动控制装置900的流体流动。当然，可用压降的变更量随通道数量而变化，根据需要，可以是一个或更多个。因而，在实施例中，流动控制装置900可以提供与穿过一个通道的流动相关的压降，或者提供与穿过两个或更多个通道的流动相关的复合压降。这样的装置可以在现场构造，可以沿井眼放置不同构造的装置。另外，在实施例中，通道920a_920d的表面中的一些或全部可以构造成对流动具有特定的摩擦阻力。在有些实施例中，可以利用纹理、粗糙表面或其他这样的表面特征来增大摩擦。作为选择，通过使用抛光或光滑表面，可以减小摩擦。在实施例中，表面可以涂覆增大或减小表面摩擦的材料。此外，基于流动材料(例如水或油)的性质，可以构造涂层来改变摩擦。例如，所述表面可以涂敷亲水材料，这种亲水材料吸水以增大对水流动的摩擦阻力，或者可以涂敷疏水材料，这种疏水材料斥水以减少对水流动的摩擦阻力。图11显示了示例性通道或流动通道1100，其可以在依照本发明的一个实施例制成的流动控制装置中使用。这种流动控制装置可以包括一个或更多个这样的流动通道或通道组合。为了说明目的，所示的通道1100包括级1102a-1102d，每个级分别包括腔或流动区域1104a-1104d和相应的流出端口或管路1106a_1106d。图11所示的流体流动状况是水流过通道1100的模拟结果。地层流体1101经由管路1106a进入第一腔1104a，并经由管路 1106b排出至腔1104b内。第一腔1102a中的流体路径1120a由腔1102a的笔直区段1122a 以及管路1106a和1106b之间的偏置量hi限定。压降出现于管路1106b的开口处。后面的腔中的流动路径由类似的结构参数限定。这些级的物理构造可以设计成对于粘度或密度在第一范围内的流体(例如含水流体)，提供显著高的压降，而对于在第二范围内的流体(例如所包含的大都是油的流体)，提供基本上恒定的压降。模拟结果表明，对于给定质量流量 (体积)的水，穿过级1102a-1102c的压降Λ P大约为在直管区段中流动的水的压降的4. 88 倍。通过选择腔和管路参数，可以改变压降的量。区域1130a-1130d分别显示了不会明显影响穿过它们的相应级的压降的区域。另外，这些腔的结构和构造限定了弯曲度和在流动流体中诱导的湍流，限定了这些腔之间各个端口的有效开口的减少。例如，引起大量湍流的腔由于端口内以及端口周围阻力明显，可能仅导致端口打开70%而允许流体流动。也可以有选择地控制这种状况，以产生穿过各级的所希望的压降。图12显示了可以在依照本发明的另一个实施例制成的流入控制装置中使用的流动通道1200。为了说明目的,所示的通道1200包括级1202a-1202d,每个级分别包括通过相应的管路1206a-1206d耦合的腔1204a_1204d。图12所示的流体流动状况是水流过通道1200的模拟结果。地层流体1201经由管路1206a进入第一腔1204a，并经由管路1206b 排出至腔1204b内。第一腔1204a中的流体路径1220a由腔1204a的弯曲区段1222a以及管路1106a和1106b之间的偏置量hi限定。压降出现于各个管路的流出端口处。后面的每级1202b-1202d中的流动路径由类似的物理参数限定。各级的物理或结构构造可以设计成对于粘度或密度在第一范围的流体(例如含水流体)，提供显著高的压降，而对于粘度或密度在第二范围的流体(例如大部分为油的流体)，提供基本上恒定的压降。模拟结果表明， 对于给定体积的水流动，穿过级1202b-1202c的压降Λρ大约为在直管区段中流动的同样体积的水的压降的5. 60倍。通过选择各级参数，可以改变压降的量。区域1230a-1230d对应于不会明显引起压降的区域。图13显示了可以在依照本发明的又一个实施例制成的流动控制装置中使用的另一个流动通道1300。所示的通道1300为Z形通道，其包括第一基本上笔直的区段1310、第一成角度或弯曲的区段1320、第二基本上笔直的区段1330、第二成角度或弯曲的区段1340 和第三基本上笔直的区段1350。图13所示的流动路径是水流过区段1300的模拟结果。在流动通道1300中，在流动中诱导的湍流减少了紧邻各弯曲部的有效流动面积。例如，区域 1360显示了可以忽略的流体流动区域或死区，其减少了沿着弯曲部1320的有效流动面积。 同样，相关的死区或非流动区域1362减少了紧邻弯曲部1340的有效流动面积，区域1364 减少了紧邻弯曲部1340的区段1350中的流动面积。模拟结果表明，对于特定实施例中的水的压降约为对于管区段中的水的压降的4. 11倍。图14显示了流动通道1400，其中地层流体1401从流入区域1402流入起伏状或弯曲路径1410中，所述路径1410包括第一弯曲部1420。在一个方面，周围的环增加了与弯曲部相切的惯性，这会增大穿过第二弯曲部1422的压降。然后流体在元件1430周围形成环， 并经由第二弯曲部1422排出。可以选择弯曲部1420和1422的角度1421和1423，以提供所选择的压降，使得对于粘度或密度在第一范围的流体(例如含水流体)的穿过通道1400的总压降显著较高，并且对于粘度或密度在第二范围的流体(例如大部分为油的流体)的压降基本上较低且恒定。一个或更多个弯曲部可以具有锐角(小于90度)。模拟结果表明，对于水，穿过特定构造的通道1400的压降可以为穿过直管区段的压降的4. 2-5. 02倍。在另一个方面，在此，本发明提供一种确定用于流入装置的一个或更多个流动通道的构造的方法，与对于粘度或密度在第二范围的流体的压降相比，该流入装置对于粘度或密度在第一范围的流体可以提供显著高的压降。对于特定应用，限定一组流体参数，这些参数可以包括流量或流入装置所需的总体积、流体的粘度范围和/或密度范围等等。然后可以选择或限定流入装置的一组初始参数，例如，这些参数可以包括下列中的一个或更多个级数、各级的表面面积、级几何形状、流动端口之间的偏置量、流体在各级中的轴向行进距离、流动路径的弯曲部角度、流动路径的弯曲度等等。利用计算机系统和模拟模型确定流过规定流入控制装置的压降与流体粘度相比对的状况。也可以执行该模拟来提供通过各级的压降、流体流动速度模式、沿着流体路径的有效流动面积的减少等等。可将对于所模拟的或所计算的不同范围粘度或密度的压降结果与所希望的压降进行比较。如果结果大于可接受值，则改变流动控制装置的一个或更多个初始参数，重复模拟工序。利用一个或更多个流入装置参数的新值，可以继续该迭代过程，直到获得满意的压降关系。作为选择，在各模拟运行结束时可确定雷诺数(Re)和摩擦系数(K)之间的关系，以确定流入装置构造，这种流入装置构造对于不需要的流体、例如水，能够提供高的压降，而对于其他某些流体、例如油， 能够提供相对恒定的压力或层流。可以根据流动速度模式，确定沿着流入装置中流体路径诱导的湍流的量、沿着端口或弯曲部的有效流动面积的减少，等等，并利用所确定的这些因素在各模拟运行之前选择流入装置的参数。在此描述的流动控制装置的示例性通道是在管中轴向设置的通道。但是，这样的通道及其他依照这里的教导制成的通道可以径向布置、螺旋布置或沿着任意其他角度布置。另外，这样的流动控制装置在单个装置中可以运用不同类型的通道。因而，在一个方面，在此，本发明提供了一种用于控制流体在储层和井眼之间流动的设备，在一个实施例中，该设备可以包括一流通区域，所述流通区域构造成当与该流通区域有关的选择参数处于第一范围时，显著增加该选择参数的值，当流体的选定性能处于第二范围时，保持选择参数的值基本恒定。
在另一个方面，流动控制装置可包括一流通区域，所述流通区域构造成，当流体的选定性能处于第一范围时，显著增大穿过流通区域的压降，当流体的选定性能处于第二范围时，基本上保持穿过流通区域的压降恒定。在另一个实施例中，流动控制装置可以包括流入区域、流通区域和流出区域，其中，所述流通区域构造成，当流体的粘度或密度处于第一范围时，显著增加压降，当流体的粘度或密度处于第二范围时，保持基本恒定的压降。在一个方面，所述第一范围可以包括粘度小于10cP，所述第二范围可以包括粘度超过10cP。作为选择，第一范围可以包括密度大于8. 33磅每加仑，第二范围包括密度小于8. 33磅每加仑。在一个方面，流通区域可以构造成在粘度或密度处于所述第一范围内的流体中诱导选择量的湍流，以对于穿过流通区域的给定流体流量，提供穿过流通区域的所希望的压降。在另一个方面，流动区域可包括一结构区域，所述结构区域构造成经由第一端口接收流体，并经由第二端口排出所接收的流体，第二端口具有尺寸“d”，该结构区域具有轴向距离“X”，第一端口和第二端口之间存在偏置量 “h”。在一个实施例中，h是d的4-6倍。在另一个实施例中,h/x大于d/h。在另一个实施例中，流通区域可以构造成包括弯曲路径。在另一个方面，本发明提供一种流动控制装置，其可以包括流通区域，所述流通区域包括结构流区域、流入开口和流出开口，其中，选择所述结构流区域、流入开口与流出开口之间的结构流区域中的流体流动路径、流体流动路径的弯曲度以及流出开口的尺寸， 使得与具有处于第二范围内的高Re的流体相比，对于具有处于第一范围内的低雷诺数 (“Re”)的流体的流体性能系数(“K”)的值显著较大。在另一个方面，提供了一种方法，其可包括限定用于流过所述流入控制装置的流体的流量；选择用于在管状元件上形成的流通区域的几何形状，该流通区域包括入口、出口和位于入口和出口之间的流动路径，所述流动路径构造成在入口和出口之间的流体流动中诱导足以减少出口的有效流动区域的湍流，以对于所限定的流量，使得具有在第一范围内的粘度或密度的流体的穿过出口的压降显著高于具有在第二范围内的粘度或密度的流体； 和形成具有所选择的几何形状的管状元件。在又一个方面，提供了一种计算机可读介质，其可允许处理器进入，用于执行嵌入到计算机可读介质中的程序的指令，该程序可以包括(a)存取用于流体流动控制装置的流量的指令；(b)存取用于流入控制装置的形成在一管状元件上的流通部分的第一几何形状的指令，流通部分包括入口、出口和位于入口和出口之间的弯曲路径，所述弯曲路径构造成在入口和出口之间的流体流动中诱导足以减少出口的有效流动区域的湍流，以对于所限定的流量，使得具有在第一范围内的粘度或密度的流体的穿过出口的压降显著高于具有在第二范围内的粘度或密度的流体；(C)对应于多个流体粘度或流体密度，基于第一几何形状，计算穿过出口的压降的指令；(d)将所计算的对应于所述第一范围和第二范围的压降与所希望的值进行比较的指令；(e)利用一个或更多个另外的几何形状，重复步骤c和d，直到所计算的压降在可接受的值之内的指令4P(e)存储具有满足所希望的值的压降的几何形状的指令。应当明白，图1-14旨在仅仅说明在此所述的原理和方法的教导，这些原理和方法可以应用于设计、构造和/或利用流入控制设备。此外，为便于说明和描述，上文的描述针对的是本发明的特定实施例。但是，对本领域技术人员来说显而易见的是，在没有背离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行许多修改和变化。
权利要求
1.一种用于控制流体在地层和井眼之间流动的流动控制装置，其包括流通区域，所述流通区域构造成当流体的选定性能处于第一范围时，显著增大穿过流通区域的压降，当流体的选定性能处于第二范围时，保持穿过流通区域的压降基本上恒定。
2.如权利要求I所述的流动控制装置，其中，该选定性能为粘度，所述第一范围包括粘度小于约10cP，所述第二范围包括粘度在约IOcP之上。
3.如权利要求I所述的流动控制装置，其中，该选定性能为密度，所述第一范围包括密度大于约8. 33磅每加仑，所述第二范围包括密度小于约8. 33磅每加仑。
4.如权利要求I所述的流动控制装置，其中，所述流通区域包括限定穿过该流通区域的压降的弯曲路径。
5.如权利要求4所述的流动控制装置，其中，穿过所述弯曲路径的压降随流体在所述第一范围内的选定性能而变化。
6.如权利要求4所述的流动控制装置，其中，所述弯曲路径包括锐角弯曲部，以及其中，紧邻该锐角弯曲部的压降随流体在所述第一范围内的选定性能的值的改变而改变。
7.如权利要求I所述的流动控制装置，其中，该流通区域包括入口和出口之间的偏置量h ;所述出口所具有的尺寸“d” ；以及在所述入口和出口之间的轴向流动距离X。
8.如权利要求6所述的设备，其中，h是d的4-6倍。
9.如权利要求6所述的设备,其中，h/x大于d/h。
10.如权利要求I所述的流动控制装置，其中，该流通区域包括下列之一Z形流体流动路径；S形流体流动路径；以及包括圆形路径和锐角弯曲部的流体流动路径。
11.一种用于控制流体在地层和井眼之间流动的流动控制装置，其包括流通区域，该流通区域构造成当流体的雷诺数在第一范围内变动时，使得流体性能系数以指数律地显著增大，而当流体的雷诺数处于第二范围时，使得所述性能系数保持基本恒定。
12.如权利要求11所述的流动控制装置，其中，所述第一范围对应于大部分为水或气的流体，所述第二范围对应于大部分为原油的流体。
13.如权利要求11所述的流动控制装置，其中，所述流通区域包括多级，当雷诺数在所述第一范围变动时，各级引起流体性能系数的值的增大。
14.如权利要求11所述的流动控制装置，其中，所述流通区域包括位于用于接收流体的入口与用于排出所接收的流体的出口之间的弯曲路径，其中，所述弯曲路径基于流体中的水含量或气含量在流体中诱导湍流，所述湍流改变了紧邻出口的流体的行进有效面积。
15.一种供井眼使用的设备，其包括防砂装置，该防砂装置构造成控制地层流体中含有的固体颗粒流过防砂装置；和流动控制装置，该流动控制装置构造成接收来自防砂装置的地层流体，该流动控制装置包括流通区域，所述流通区域构造成当流体的选定性能处于第一范围内时，使得与该流通区域有关的选择参数显著增大，当流体的所述选定性能处于第二范围内时，使得所述选择参数的值基本保持恒定。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述选择参数为下列之一(i)流体的粘度； ( )流体的密度；和(iii)流体的性能系数。
17.如权利要求15所述的设备，其中，所述流通区域包括位于用于接收流体的入口与用于排出所接收的流体的出口之间的弯曲路径，其中，所述弯曲路径基于流体中的水含量或气含量在流体中诱导湍流，以引起紧邻所述出口的流体有效流动面积的改变。
18.一种开采井眼系统，其包括井眼中的中心管；中心管外面的防砂装置，该防砂装置构造成控制地层中含有的固体颗粒流入所述中心管；和流动控制装置，该流动控制装置构造成接收来自所述防砂装置的地层流体，该流动控制装置包括流通区域，所述流通区域构造成当流体的选定性能处于第一范围内时，使得该流通区域的选择参数的值显著增大，当流体的所述选定性能处于第二范围内时，使得所述选择参数的值基本保持恒定。
19.如权利要求18所述的设备，其中，选择参数为下列之一流体的(i)粘度；(ii )密度jP(iii)性能系数。
20.如权利要求18所述的设备，其中，所述流通区域包括弯曲路径，该弯曲路径基于流体中的水含量或气含量在流体中诱导湍流，该湍流改变了所述流体穿过所述弯曲路径行进的有效面积。
全文摘要
本申请提供了一种用于控制流体从储层流入井眼中的设备，在一个实施例中，该设备可以包括一流通区域，所述流通区域构造成当与该流通区域有关的选择参数处于第一范围时，显著增加该选择参数的值，当流体的选定性能处于第二范围时，所述选择参数保持为基本恒定的值。
文档编号E21B34/08GK102612589SQ201080051740
公开日2012年7月25日 申请日期2010年10月1日 优先权日2009年10月2日
发明者E·G·鲍恩, G·A·加西亚, L·A·加西亚, R·D·拉塞尔, S·巴内吉 申请人:贝克休斯公司