用于流动控制装置的功能化表面

申请号 CN201180075786.8 申请日 2011-12-21 公开(公告)号 CN104011324A 公开(公告)日 2014-08-27
申请人 哈利伯顿能源服务公司; 发明人 M·L·夫瑞普; 迈克尔·T·佩尔蒂埃; 詹森·D·戴克斯特拉;
摘要 可包括壁的内部区域上的功能化表面的流动控制装置。功能化表面可包括能够影响在壁的流路中流动的 流体 的亲 水 和/或疏水材料,以有助于由该流动控制装置进行流体选择。即使当多种流体的不同的油水混合物的 密度 和 粘度 相同时,利用功能化表面,这些流体也可在流动控制装置中被切换。
权利要求

1.一种能够被设置于井眼中的组件,所述组件包括:
材料,位于壁的内部区域的第一部分上;以及
亲水材料,位于所述壁的内部区域的第二部分上。
2.根据权利要求1所述的组件,其中,所述壁适于被设置在流路中处于流动控制装置的切换机构之前。
3.根据权利要求2所述的组件,其中,所述疏水材料或所述亲水材料中的至少其中之一适于基于流过所述流路的流体的至少一个特性,来增加所述壁的内部区域的一部分的表面粗糙度。
4.根据权利要求2所述的组件,其中,所述疏水材料或所述亲水材料中的至少其中之一适于在流体通过所述流路流到所述切换机构期间,引起流过所述流路的流体振荡,以引起流体的压差增加。
5.根据权利要求4所述的组件,其中,所述疏水材料或所述亲水材料中的至少其中之一适于通过改变流过所述流路的流体的速度分布,来引起流过所述流路的流体振荡。
6.根据权利要求2所述的组件,其中,所述切换机构适于被设置在涡流组件与所述壁的内部区域的所述第一部分和所述第二部分之间,所述切换机构包括多个通道,所述多个通道提供通向所述涡流组件的多个单独流路。
7.根据权利要求1所述的组件,其中,以下至少其中之一:
位于所述壁的内部区域的所述第一部分上的第一材料被构造为,响应于在井眼中被施加到所述第一材料的刺激而变成所述疏水材料;或
位于所述壁的内部区域的所述第二部分上的第二材料被构造为,响应于在井眼中被施加到所述第二材料的所述刺激而变成所述亲水材料。
8.根据权利要求7所述的组件,其中,所述刺激包括以下其中之一:
光;
电能;或
化学品。
9.根据权利要求1所述的组件,其中,所述第一部分和所述第二部分在所述壁的内部区域呈图案形式。
10.根据权利要求1所述的组件,其中,所述第一部分位于所述壁的内部区域的与所述第二部分相对的一侧。
11.一种适于被设置在井眼中的流动控制装置,所述流动控制装置包括:
壁的内部区域,包括位于所述壁的内部区域上具有亲水材料的部分;以及切换机构,在所述流动控制装置的流路中处于所述部分之后。
12.根据权利要求11所述的流动控制装置,其中,所述壁的内部区域还包括第二部分,所述第二部分上具有疏水材料。
13.根据权利要求12所述的流动控制装置,其中,所述部分和所述第二部分在所述壁的内部区域上呈图案形式。
14.根据权利要求12所述的流动控制装置,其中,所述部分处于所述壁的内部区域的与所述第二部分相对的一侧。
15.根据权利要求11所述的流动控制装置,其中,所述亲水材料适于响应于具有比其它类型的流体更高浓度的水的流体,增加所述壁的内部区域的一部分的表面粗糙度。
16.根据权利要求15所述的流动控制装置,其中,所述壁的内部区域的表面粗糙度增加的所述部分被构造为,改变具有比其它类型的流体更高浓度的水的流体的速度分布;
其中,所述切换机构被构造为,利用流体的速度分布的改变,来引起所述流体被选择。
17.根据权利要求11所述的流动控制装置,其中,所述亲水材料包括响应于在所述井眼中被施加到所述材料的刺激而变成所述亲水材料的材料,其中,所述刺激包括以下其中之一:
光源
电能;或
化学品。
18.一种适于被设置在井眼中的流动控制装置,所述流动控制装置包括:
壁的内部区域,包括其上具有疏水材料的部分;以及
切换机构,在所述流动控制装置的流路中位于所述部分之后。
19.根据权利要求18所述的流动控制装置,其中,所述壁的内部区域还包括第二部分,所述第二部分上具有亲水材料。
20.根据权利要求18所述的流动控制装置,其中,所述疏水材料适于响应于具有比其它类型的流体更高浓度的类物质的流体,增加所述壁的内部区域的一部分的表面粗糙度。

说明书全文

用于流动控制装置的功能化表面

技术领域

[0001] 本发明通常涉及在表面上具有功能化材料的流动控制装置,该表面被构造为影响地下地层中的钻孔内的流体流动,更具体地(虽然并非排他性地)涉及可影响流体流动的流动控制装置中的亲和/或疏水材料。

背景技术

[0002] 多种装置可被安装在贯穿含地层的井中。某些装置控制地层和管路之间的流体的流速,管路例如为生产管或注入管。这类装置的一示例是自主,自主阀可选择流体或以其它方式控制各种流体进入管路的流速。
[0003] 自主阀可基于流体的相对粘度在期望流体和非期望流体之间进行选择。例如,具有较高的非期望流体(例如水和天然气)浓度的流体可具有特定的粘度,自主阀响应于该粘度沿一个方向引导该非期望流体,以限制该非期望流体进入管路的流速。自主阀可包括切换机构;该切换机构例如位于流量比率控制装置中,且可包括能够基于粘度选择流体的涡流组件。流量比率控制组件可包括两个通道。每个通道可包括细管,这些细管被构造成基于流体的粘度来限制流体的流动。例如,第一通道中的一个管可比第二通道中的第二个管细,并且被构造成与具有不同的相对粘度的流体相比,对具有特定的相对粘度的流体限制更多。第二管则可对流体提供相对恒定的阻,而与流体的粘度无关。
[0004] 经由第一通道(例如处于涡流组件的切向上的通道)进入涡流组件的流体,可被引起在该涡流组件中旋转,且被限制离开该涡流组件中的出口开口。经由第二通道(例如处于涡流组件的径向上的通道)进入涡流组件的流体则可被允许通过出口开口离开而没有任何限制或没有许多限制。
[0005] 尽管这种自主阀对满足井下的期望流体选择很有效,但仍希望有能够更大程度地有助于流体切换的装置。

发明内容

[0006] 本发明的某些方案和实施例涉及至少一种位于壁的内部区域上的材料。这种材料可有助于例如将流过流路的流体引导到流动控制装置的切换机构。
[0007] 一个方案涉及一种能够被设置于井眼中的组件。该组件包括疏水材料和亲水材料。疏水材料位于壁的内部区域的第一部分上。亲水材料位于该壁的内部区域的第二部分上。
[0008] 另一方案涉及一种能够被设置于井眼中的流动控制装置。该流动控制装置包括壁的内部区域以及切换机构。该壁的内部区域包括在其上具有亲水材料的部分。切换机构在流动控制装置的流路中位于该部分之后。
[0009] 另一方案涉及一直能够被设置于井眼中的流动控制装置。该流动控制装置包括壁的内部区域以及切换机构。该壁的内部区域包括在其上具有疏水材料的部分。切换机构在该流动控制装置的流路中位于该部分之后。
[0010] 所述这些示例性的方案不限制或限定本发明,而是提供示例以帮助理解该申请所公开的发明概念。在回顾整个申请之后,本发明的其它方案、优点以及特征将变得明显。附图说明
[0011] 图1为根据本发明的一实施例的具有可包括功能化表面的流动控制装置的井系统的示意图。
[0012] 图2为根据本发明的一实施例的筛和具有包括亲水或疏水材料的功能化表面的流动控制装置的侧面剖视图。
[0013] 图3为根据本发明的一实施例的包括亲水材料和疏水材料的流动控制装置和具有较大浓度的第一类型流体的流体流动的剖面顶视图。
[0014] 图4示出根据本发明的一实施例的图3的具有较大浓度的第二类型流体的流体流动的流动控制装置。
[0015] 图5为根据本发明的一实施例的在壁上具有疏水材料或亲水材料的壁的侧面剖视图。
[0016] 图6为根据本发明的一实施例的在壁上具有成图案的疏水材料和亲水材料的壁的侧面剖视图。
[0017] 图7为根据本发明的一实施例的壁上具有材料的流动控制装置的剖面顶视图,该材料能够响应于被施加在材料上的刺激。

具体实施方式

[0018] 某些方案和实施例涉及壁的内部区域的功能化表面。使用该表面的一部分上的至少一种疏水材料或亲水材料,该表面可被功能化。功能化表面可有助于引导流体流动通过流路,例如到达流动控制装置的切换机构。例如,即使当多种流体的不同的油水混合物的密度和粘度相同时,也可利用功能化表面,使流体可在组件中被切换。
[0019] 疏水材料可为排斥含有高浓度水的流体的材料。亲水材料可为可与含有高浓度水的流体结合的材料,由此可产生该材料吸引含有高浓度水的流体的效果。在某些实施例中,疏水材料可吸引含有高浓度油或其它烃类物质的流体,亲水材料可排斥含有高浓度油或其它烃类物质的流体。
[0020] 亲水材料的示例包括化合物,例如氧化硅、尼龙以及平滑的疏水材料的示例包括具有酒精的尼龙、变形 (textured )、硅油、金属表面(该金属表面可为不同于金属氧化物的金属表面)、以及变形金属表面(textured metal surface)。在某些实施例中,疏水材料可通过将极性化合物或沥青质(asphaltenes)嵌入组件的内壁中的结构基质(structural matrix)来产生。例如,那些包括硫、石墨以及炭的表面可变为疏水材料。
[0021] 在某些实施例中,壁可包括位于壁的一侧的亲水材料和位于该壁的相对侧的疏水材料。含有较高浓度的水的流体可由于这些材料而流过一流路。至少一种材料的存在可改变流体的速度分布。例如,流体可被吸引到包括亲水材料的那一侧,使得流体以较高速度在壁的相对侧上流动。在流路中处于该材料之后的切换机构可利用速度分布的变化,将更多流体从流动控制装置中的一个通道引导到另一通道。
[0022] 在其它实施例中,疏水材料和亲水材料可在壁的内部区域上被图案化,例如被设置成疏水材料和亲水材料的相邻部分彼此交替。根据流体的特性,图案化材料可影响流经该图案化材料的流体的速度分布,或以其它方式影响流经该图案化材料的流体流动。该特性可包括流体流动中的水或其它类型流体的相对浓度。
[0023] 根据某些实施例的材料可被设置在壁上的能够对刺激有反应的内部区域中,当该材料在井眼中要永久性地或临时性地改变为疏水材料和/或亲水材料时提供这种刺激。例如,某些材料可被设置于井眼内的壁中,当暴露于某种频率颜色的光时,该材料可在一定时长改变为亲水材料。材料可响应于其它刺激,例如电能电压、以及被引入流路内的化学品。可反应于刺激从而变为亲水材料的材料的示例包括功能化螺吡喃(spiropyrans ferro)流体和功能化醌。可反应于刺激从而变为疏水材料的材料的示例包括偶氮苯和功能化偶氮苯(巯基终止)。可反应于刺激从而变为亲水材料和/或疏水材料的其它材料的示例包括自组装单分子层(self-assembled monolayer)、形状记忆聚合物、轮烷、索烃、DNA单分子层、以及肽单分子层(peptide monolayer)。
[0024] 这些说明性的示例用于向读者介绍此处所讨论的总体主题,而不是旨在限制所公开的本发明的范围。下面的部分参照附图说明多个附加的实施例和示例,其中,类似的附图标记表示类似的元件,方向性说明用于说明示例性的实施例,但这种说明不应被用来限制本发明。
[0025] 图1示出根据本发明的某些实施例的具有腔的井系统100,该腔具有流动控制装置,该流动控制装置包括位于壁的内部区域中的疏水材料和/或亲水材料。井系统100包括钻孔,该钻孔是延伸穿过各地球地层的井眼102。井眼102具有基本竖直段104和基本水平段106。基本竖直段104和基本水平段106可包括套管柱108,套管柱108在基本竖直段104的上部以水泥固结。基本水平段106延伸穿过含烃地层110。
[0026] 管柱112从地面延伸到井眼102内。管柱112可设有用于地层流体从基本水平段106行进到地面的管道。与地层110相邻的各生产层段中的流动控制装置114和生产管段
116被设置于管柱112中。
[0027] 在每个生产管段116的每侧设有封隔器118,封隔器118可在管柱112和井眼102的壁之间提供流体密封。每对相邻的封隔器118可限定一个生产层段。
[0028] 每个生产管段116可设有控沙能力。与生产管段116关联的控沙筛元件或过滤介质可允许流体流过该元件或过滤介质,但防止足够尺寸的颗粒物流过该元件或过滤介质。在某些实施例中,可设有控沙筛,控沙筛包括非穿孔的基管,有绕丝围绕在肋形件上,这些肋形件被周缘式地设置在该基管周围。防护性外罩可被设置成围绕过滤介质的外部,防护性外罩包括穿孔。
[0029] 流动控制装置114可允许用于控制所产出的流体的量和成分。例如,流动控制装置114可自主地限制或阻止来自混入了非期望流体的生产层段的地层流体的产出,该非期望流体例如对于产油操作来说就是水或天然气)。“天然气”此处表示烃类物质(以及不同数量的非烃类物质)的混合物,该混合物在室温和室压下呈气相,而在井下环境中呈液相和/或气相。
[0030] 流入生产管段116的地层流体可包括多于一种类型的流体,例如天然气、油、水、蒸汽、以及二氧化。蒸汽以及二氧化碳可用作注入流体,用以使烃流体流向生产管段116。地层110中可发现天然气、油、以及水。流入生产管段116的多种流体的类型的比例可随时间而变化,且至少部分地基于地层和井眼102内的条件而变化。根据某些实施例,流动控制装置114可减少或限制来自具有较高比例的非期望流体的层段的产出。
[0031] 当生产层段产出较大比例的非期望流体时,该层段中的流动控制装置114可限制或阻止从该层段产出。产出较大比例的期望流体的其它生产层段可对进入管柱112的产出流有更多贡献。例如,流动控制装置114可包括壁中的疏水材料和/或亲水材料,这样能够有助于流动控制装置114基于流体的一个或多个特性该材料来选择流体。
[0032] 尽管图1示出流动控制装置114位于基本水平段106中,但根据本发明的多个实施例,流动控制装置114(以及生产管段116)也可额外地或替代性地位于基本竖直段104中。此外,任何数量的流动控制装置114(包括一个流动控制装置)可总体地用于井系统100中或用于每个生产层段中。在某些实施例中,流动控制装置114可被设置在较简单的井眼中,例如被设置在只具有一个基本竖直段的井眼中。流动控制装置114可被设置在裸眼环境下(例如图1所示),或被设置在套管井中。
[0033] 图2示出包括流动控制装置114和筛组件202的生产管段116的侧面剖视图。生产管限定出内部通道204,内部通道204可为环形空间。地层流体可从地层穿过筛组件202进入内部通道204,筛组件202能够过滤流体。地层流体可从内部通道穿过入口206进入流动控制装置114,入口206通向涡流组件210的流路208,该涡流组件包括切换机构211。流动控制装置114包括材料212,材料212位于流动控制装置114的壁的内部区域上。材料212可为疏水材料或亲水材料,这种疏水材料或亲水材料能够有助于切换机构211进行流体选择。
[0034] 图3-图4示出根据一个实施例的流动控制装置。流动控制装置包括壁302和切换机构304,切换机构304设有通向两个通道306、308的流路,该两个通道允许流体以径向度(通道306)或切向角度(通道308)流到涡流组件310。经由通道306流入涡流组件310的流体可被引导到涡流组件310中的出口开口312。经由通道308流入涡流组件310的流体可被引导进入围绕出口开口312的涡流区,并至少部分地且在至少一定的时间被限制流过出口开口312。
[0035] 尽管在图3-图4中示出的是涡流组件,但可使用任何流体选择机构。
[0036] 位于壁302的多个部分上的是亲水材料314和疏水材料316。亲水材料314和疏水材料316可覆盖壁302或嵌入壁302中。图3-图4示出处于壁302的与疏水材料316相对的部分上的亲水材料314,但其它构造也是可行的。例如,壁302上的亲水材料314也可位于与疏水材料316相同的那一侧。在其它实施例中,亲水材料314位于壁302的与疏水材料316相对的一侧,但不直接地与疏水材料316相对。在又一些其它实施例中,使用亲水材料314或疏水材料316中的一种材料,但不同时使用这两种材料。
[0037] 图3-图4以箭头示出流入由壁302、亲水材料314以及疏水材料316限定的流路的流体。在图3中,流体可具有高浓度的水。接近亲水材料314流动的流体的一部分可被吸引到亲水材料314,且在某些情况下可积聚在亲水材料314上。在亲水材料314上积聚的流体、或朝亲水材料314被吸引的流体可改变壁302的有效表面粗糙度,以引起在流路中流动的至少一部分流体的速度分布发生改变。切换机构304可利用速度的改变来选择流体,使流过通道306、308中的一个通道的流体多于流过另一个通道的流体。在某些实施例中,在流体流过到达切换机构的流路期间,速度分布的改变可引起流体振荡并引起流体压差增加。
[0038] 例如,如图3所示,流过与亲水材料314相比更靠近疏水材料316的流路的一部分流体,可以较高速度流动,因此与通道306相比,有较多流体流过通道308。尽管未在图3中示出,但某些流体可流过通道306,但这些流体的量少于通过通道308的流体量。
[0039] 在图4中,流体可具有较高浓度的油或其它类型的烃类物质。流体的接近疏水材料316流动的那一部分可被吸引到疏水材料316,并在某些情况下可积聚在疏水材料316上,而且改变壁302的有效表面粗糙度可引起在流路中流动的至少一部分流体的速度分布的改变。切换机构304可利用速度的改变,来选择使流过通道306、308中的一个通道的流体多于流过另一个通道的流体。例如(且如图4所示),流体中与疏水材料316相比更靠近亲水材料314流过流路的那部分流体可以较高速度流动,因此与通道308相比更多流体流过通道306。
[0040] 尽管图3-图4示出亲水材料314位于壁302的对应于径向通道306的一侧、而疏水材料316位于该壁的对应于切向通道308的一侧,但其它的和相反的构造也是可行的。
[0041] 图5示出壁402的一部分的剖面,该部分包括位于壁402的内部区域上的材料404。壁402的该内部区域可呈任何形状,包括矩形。材料404可为亲水材料、疏水材料、或能够响应于刺激变成疏水材料和/或亲水材料的材料。材料404的大小可被设定为影响流过壁402中的流路的流体的速度分布,以提供期望性能。在某些实施例中,材料404位于壁
402的内部区域的整个周缘部分上。
[0042] 材料404可被丝网印刷(screen-printed)或覆盖在壁402的内部区域上。在某些实施例中,材料404经由粘合剂或机械接合器粘接到壁402的内部区域。在其它实施例中,材料404可嵌入壁402中。例如,壁402的内部区域的一部分可被移除,而材料404可接合到壁402以代替被移除的部分。在壁402中嵌入材料404可避免材料404延伸至壁402中的流路内。
[0043] 在其它实施例中,材料可被包含在壁的内部区域中并呈图案形式。图6示出壁502的一部分的剖面,该部分包括呈图案形式的亲水材料504和疏水材料506。该图案可包括与疏水材料506相邻的亲水材料504。可使用比图6所示的图案更复杂的图案。例如,疏水材料和亲水材料可被交替式地设置成彼此相邻。
[0044] 图7示出根据另一实施例的流动控制装置。类似于图3-图4的实施例,流动控制装置包括壁602和切换机构604,切换机构604设有通向通道606、608的流路,该流路允许流体以径向角度(通道606)或以切向角度(通道608)流到涡流组件610。经由通道606流入涡流组件610的流体可被引导到涡流组件610中的出口开口612。经由通道608流入涡流组件610的流体可被引导到围绕出口开口612的涡流区内,至少部分地且在至少一定时间被限制流过出口开口612。
[0045] 流动控制装置包括位于壁602的内部区域的一部分上的材料614,壁602的内部区域的该部分材料处于切换机构604之前。材料614可为能够响应于刺激而变成亲水材料和/或疏水材料的材料。刺激源616被设置于壁602的与材料614相对的那一侧。控制线618与刺激源616接合。控制线618可提供与井眼的地面的通信,或控制线618可接合于另一组件,该另一组件能够向刺激源616提供控制信号
[0046] 图7中的刺激源616可为光源,光源能够以特定频率提供光,以引起材料614变成亲水材料或疏水材料。光源可经由控制线618来控制。光源可经由本地电源(例如电池或发电机)供电、或经由控制线618传送的电力供电。信号可被传送到光源,以引起该光源以选定频率(例如红或蓝)发光。响应于被暴露在光下,材料614可变成疏水材料或亲水材料(如可被构造的那样),且影响流过壁602的流路的流体。材料614可被构造为在暴露于光之后永久性地成为疏水材料或亲水材料,或直到光源将材料暴露于具有不同频率的光为止,在一定时间保持为疏水材料或亲水材料。
[0047] 在其它实施例中,光源被设置于壁602的与材料614相同的一侧。例如,光源可嵌入壁602中,但处在材料614后面。
[0048] 根据其它实施例,刺激源可提供不同于光的刺激。例如,刺激源可以可控地对材料提供包括电压或化学品的刺激。材料可被构造为,响应于特定的化学品或电能(例如特定的电压)变成疏水材料或亲水材料。
[0049] 根据某些实施例,刺激源也可测量会积聚在该刺激源上的流体。基于从流体所测量到的特性,刺激源可输出特定的刺激以引起材料变成疏水材料或亲水材料。
[0050] 本发明的上述实施例(包括示例性的实施例)的说明只用于示例和说明,并非旨在将本发明穷举或限制到所公开的具体形式。本发明的许多修改、改动以及用途将为本领域技术人员熟知,而不脱离本发明的范围。
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