流动控制装置和方法

申请号 CN201380019989.4 申请日 2013-02-20 公开(公告)号 CN104246122B 公开(公告)日 2017-10-20
申请人 唐德卡股份有限公司; 发明人 巴德·蒂尼恩; 哈弗·索特怀特;
摘要 公开了一种流动控制装置,其包括:流动路径;补偿腔室;以及调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面和暴露于补偿腔室的相对的第二表面;其中设置驱动装置以便移动所述调节器组合件以便改变流动路径。在一些 实施例 中,流动通过流动路径的 流体 建立跨过调节器组合件的第一表面变化的压 力 ,并且补偿腔室与第一表面的选择成建立补偿腔室压力的局部区域处于压力连通,所述补偿腔室压力作用于调节器组合件的第二表面以便使得调节器组合件在所需的方向上偏置。在一些实施例中,调节器组合件的所述第一表面限定轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将施加在所述第一表面上的压力变化最小化。
权利要求

1.一种流动控制装置,包括:
壳体,其限定流动路径且包括至少一个流动端口以允许在所述流动路径和所述壳体的外部位置之间的流体连通;
补偿腔室;
调节器组合件,其在相对的第一和第二方向上可移动以与所述至少一个流动端口配合以改变沿着所述流动路径的流动,其中所述调节器组合件限定暴露于所述流动路径内的流体流动的第一表面以使所述流体流动建立跨过所述第一表面变化的压,以及暴露于所述补偿腔室的相对的第二表面;以及
用于移动所述调节器组合件以便改变所述流动路径的驱动装置;
其中,所述补偿腔室与所述调节器组合件的第一表面的局部区域处于压力连通以建立补偿腔室压力,所述补偿腔室压力作用于调节器组合件的第二表面以便使得调节器组合件在第一和第二方向中的一个方向上偏置;以及
所述补偿腔室压力是所述局部区域的位置的函数。
2.根据权利要求1所述的装置,与同井筒相关联的流动一起使用。
3.根据权利要求1或2所述的装置,配置成在井筒内在井下位置处使用。
4.根据权利要求1或2所述的装置,其中调节器组合件可移动以便改变流动路径,从而在流动的流体内施加压力波动,以提供无线通信。
5.根据权利要求1或2所述的装置,其中调节器组合件在流动路径开放的方向上偏置。
6.根据权利要求1或2所述的装置,其中所述第一表面的局部区域的位置确定补偿腔室压力并影响通过第二表面施加到调节器组合件上的力的量级。
7.根据权利要求1或2所述的装置,其中补偿腔室压力与调节器组合件的第一表面的局部区域处的压力相关联。
8.根据权利要求1或2所述的装置,配置成对于通过流动路径的流体的所有流动状态形成偏置力。
9.根据权利要求1或2所述的装置,包括在补偿腔室和调节器组合件的第一表面的局部区域之间延伸的压力管道以便促进其间的压力连通。
10.根据权利要求9所述的装置,其中所述压力管道至少部分地设置成调节器组合件的一部分。
11.根据权利要求9所述的装置,其中所述压力管道限定在调节器组合件的第一表面内的端口,从而在端口的位置处作用于调节器组合件的第一表面的局部压力连通到补偿腔室。
12.根据权利要求1或2所述的装置,其中借助于流动通过流动路径的流体的流态来建立跨过调节器组合件的第一表面的压力变化。
13.根据权利要求1或2所述的装置,其中跨过调节器组合件的第一表面的压力变化通过改变在所述第一表面的区域中的流速来建立。
14.根据权利要求1或2所述的装置,包括至少部分地限定流动路径的壳体。
15.根据权利要求14所述的装置,其中所述壳体限定用于适应通过所述流动路径的流体的至少一个流动端口。
16.根据权利要求15所述的装置,其中至少一个流动端口限定在壳体的壁内或通过壳体的壁,和/或至少一个流动端口提供在所述壳体的外部和内部位置之间的流体连通,和/或至少一个流动端口允许流动路径和地下区域之间的连通。
17.根据权利要求15所述的装置,其中至少一个流动端口限定用于允许流体流入到流动路径内的流体流入端口和/或至少一个流动端口限定用于允许流体从流动路径流出的流体流出端口。
18.根据权利要求15所述的装置,其中调节器组合件与至少一个流动端口配合以便改变通过流动路径的流体。
19.根据权利要求15所述的装置,其中经由至少一个流动端口进入所述壳体的流体建立流态,其产生跨过调节器组合件的第一表面 的可变压力。
20.根据权利要求15所述的装置,包括至少两个流动端口,其在使用中限定对应的流体流,其碰撞以便生成低流速和高压力的区域。
21.根据权利要求15所述的装置,其中至少一个流动端口限定有助于产生通过流动路径的所需流态的几何形状。
22.根据权利要求15所述的装置,其中至少一个流动端口相对于壳体的中心轴线倾斜地对准。
23.根据权利要求15所述的装置,其中至少一个流动端口限定补偿调节器组合件的第一表面的几何形状的几何形状。
24.根据权利要求14所述的装置,其中壳体包括或限定至少一个旁通流动端口。
25.根据权利要求1或2所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定几何形状以便有助于产生跨过所述表面的所需流态和压力分布。
26.根据权利要求25所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定几何形状,其用于将跨过所述第一表面的压力变化最小化。
27.根据权利要求25所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定几何形状,其沿着所述流动路径的方向转移流体流。
28.根据权利要求25所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定锥形轮廓。
29.根据权利要求25所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定抛物线的锥形轮廓。
30.根据权利要求1或2所述的装置,配置成安装到井筒内的现有设备中。
31.根据权利要求1或2所述的装置,配置成作为井筒完井的一部分安装于井筒内。
32.根据权利要求2所述的装置,其中与井筒相关联的流动为生产流动或注入流动。
33.根据权利要求5所述的装置,其中流动路径全开。
34.根据权利要求7所述的装置,其中补偿腔室压力基本上等于 调节器组合件的第一表面的局部区域处的压力。
35.根据权利要求16所述的装置,其中地下区域为生产区域或注入区域。
36.根据权利要求27所述的装置,其中沿着所述流动路径方向的流体流被逐渐转移。
37.一种控制流量的方法,包括:
提供流动控制装置,其中所述流动控制装置包括;
壳体,其限定流动路径且包括至少一个流动端口以允许在所述流动路径和所述壳体的外部位置之间的流体连通;
补偿腔室;
调节器组合件,其在相对的第一和第二方向上可移动以与所述至少一个流动端口配合以改变沿着所述流动路径的流动,其中所述调节器组合件限定暴露于所述流动路径内的流体流动的第一表面以使所述流体流动建立跨过所述第一表面变化的压力,以及暴露于所述补偿腔室的相对的第二表面;以及
驱动装置,其用于移动所述调节器组合件以便改变所述流动路径;
所述方法进一步包括:
允许流体流动通过流动路径,以使所述流体流动建立跨过调节器组合件的第一表面变化的压力;以及
将压力从所述调节器组合件的所述第一表面的局部区域连通到补偿腔室以便建立补偿腔室压力,补偿腔室压力是所述局部区域的位置的函数且其作用于调节器组合件的所述第二表面以便将调节器组合件在第一和第二方向中的一个方向上偏置。
38.一种流动控制装置,包括:
壳体,其限定流动路径且包括至少一个流动端口以允许在所述流动路径和所述壳体的外部位置之间的流体连通且彼此压力连通的流动路径和补偿腔室;
调节器组合件,其在相对的第一和第二方向上可移动以与所述至少一个流动端口配合以改变沿着所述流动路径的流动,其中所述调节器组合件限定暴露于所述流动路径内的流体流动的第一表面以使所 述流体流动建立跨过所述第一表面变化的压力,以及暴露于所述补偿腔室的相对的第二表面;以及
驱动装置,用于移动所述调节器组合件以便改变所述流动路径;
其中所述补偿腔室与所述调节器组合件的所述第一表面的局部区域压力连通以建立补偿腔室压力,其作用于调节器组合件的所述第二表面以便将所述调节器组合件在第一和第二方向中的一个方向上偏置;以及
其中所述第一表面限定轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将施加在所述第一表面上的压力变化最小化。
39.根据权利要求38所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定几何形状,用于沿着所述流动路径的方向转移流体流。
40.根据权利要求38或39所述的装置,其中调节器组合件的第一表面限定锥形轮廓。
41.根据权利要求38或39所述的装置,其中第一表面限定抛物线的锥形轮廓。
42.根据权利要求38或39所述的装置,其中所述补偿腔室经由设置于所述调节器组合件的第一表面上的端口与流动路径压力连通。
43.根据权利要求39所述的装置,其中沿着所述流动路径方向的流体流被逐渐转移。
44.一种控制流量的方法,包括:
提供流动控制装置,其中所述流动控制装置包括;
壳体,其限定流动路径且包括至少一个流动端口以允许在所述流动路径和所述壳体的外部位置之间的流体连通;
补偿腔室;
调节器组合件,其在相对的第一和第二方向上可移动以与所述至少一个流动端口配合以改变沿着所述流动路径的流动,其中所述调节器组合件限定暴露于所述流动路径内的流体流动的第一表面以使所述流体流动建立跨过所述第一表面变化的压力,以及暴露于所述补偿腔室的相对的第二表面;以及
驱动装置,其用于移动所述调节器组合件以便改变所述流动路径;
所述方法进一步包括:在所述流动路径和补偿腔室之间建立压力连通;
由所述驱动装置使得调节器组合件移动以便改变流动路径;以及
使得流体通过流动路径,从而所述第一表面的轮廓将施加在所述表面上的压力变化最小化。
45.一种流动控制装置,包括:
壳体,其限定流动路径且包括至少一个流动端口以允许在所述流动路径和所述壳体的外部位置之间的流体连通;
补偿腔室;
调节器组合件,其在相对的第一和第二方向上可移动以与所述至少一个流动端口配合以改变沿着所述流动路径的流动,其中所述调节器组合件限定暴露于流动路径内的流体流动的第一表面以使所述流体流动建立跨过所述第一表面变化的压力,以及暴露于所述补偿腔室的相对的第二表面;以及
驱动装置,其用于移动调节器组合件以便改变流动路径;
其中所述补偿腔室与所述调节器组合件的所述第一表面的局部区域压力连通以建立补偿腔室压力,其作用于调节器组合件的所述第二表面以便将所述调节器组合件在第一和第二方向中的一个方向上偏置;以及
其中所述第一表面限定抛物线的锥形轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将施加在所述第一表面上的压力变化最小化。

说明书全文

流动控制装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及流动控制装置和方法,具体地但非排他性地涉及用于在流体(诸如流体)内施加压波动用于无线通信的流动控制装置和方法。

背景技术

[0002] 为了优化采收,石油工业依赖于从井和储层收集数据。这些数据形成对于针对油田开发和运营的几乎每一个决定的基础,包括将新井定位到何处、维修计划和分配/控制生产。
[0003] 考虑到对该数据的需求,许多井的应用借助于永久安装的井下仪器(诸如压力和温度监测装置)来完成。由于通常恶劣的井筒环境,永久的仪器具有有限的寿命,预期会出现故障。这种故障会导致从储层获得有限的信息以及有限的控制可能性。这都会对储层的理解和建模具有严重的影响并降低储层的采收率。
[0004] 此外,已知的设备通常需要电力供应和从井口向下到井下监测和/或控制系统的生产管的长度的连通线,所述线通常使用定制的夹具固定到生产管。将电缆装配到管道是一项耗时的活动,其延长了安装时间。在设备(诸如传统的井下压力和温度传感器)的安装和使用过程中,电缆、夹具、丝绳、穿透器、连接器等会暴露于井流体并且成为自然的故障节点。如果损坏发生,最坏的情况就是必须对管的整个长度进行检修以便更换受到损坏的电缆。如果受到损坏的设备可被修复,则必须进行良好的维修操作。
[0005] 其它钻孔装置,诸如多相位流量计、砂探测器、、节流器、循环装置等也可作为永久井筒完井的一部分安装,并且这是具有如上所述应用的类似问题的情况。
[0006] 根据井况,永久安装设备的寿命预期会在从几个月到几年的范围内,且如上所述永久设备会出现故障,在大多数情况下唯一的补救办法就是重新完井,这意味着更换生产管和相关系统。此操作带来较高的险和成本,因此通常是非常不希望的。
[0007] 改进井下监测和/或控制系统在本领域内是希望的,以便在永久监测系统中出现故障或损害的情况下使用,从而允许从井重新获得/维持连续性数据流。除了这种改进方案之外,还有一项被认可的希望是使得井下监测和/或控制系统易于安装、检修和维护,以便在恶劣的井况下提供长期的监测和/或控制功能。
[0008] WO 2006/041308描述了适于在井内无线数据传输和井下数据采集的一种系统,且无线井下控制系统使得能够在与生产烃类相关的井内进行井下生产和/或注入区域的远程无线流动控制。具体而言,限制阀元件在管道流体内的操作可用于在油井或天然气井中发送无线电报,即通过经由使流体流动而传递压力脉冲来实现无线信号的传送。

发明内容

[0009] 根据本发明的第一方面,提供一种流动控制装置,包括:
[0010] 流动路径;
[0011] 补偿腔室;
[0012] 调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面和暴露于补偿腔室的相对的第二表面;以及
[0013] 用于移动所述调节器组合件以便改变流动路径的驱动装置;
[0014] 其中,在使用中,通过流动路径流动的流体建立跨过调节器组合件的第一表面变化的压力,并且补偿腔室与第一表面的选择成建立补偿腔室压力的局部区域处于压力连通,所述补偿腔室压力作用于调节器组合件的第二表面以便使得调节器组合件在所需的方向上偏置。
[0015] 本发明可允许利用流动的流体来实现调节器组合件的所希望的偏置。将调节器组合件偏置例如可允许在驱动装置发生故障的情况下进行适当的操作或动作。此外,将调节器组合件在所需的方向上偏置可有助于将驱动装置的动力需求最小化。例如,当调节器组合件将要通过驱动组合件在偏置方向上移动时可能需要最小的动力需求。
[0016] 通过认识到下述可实现本发明的效果,即在使用过程中跨过调节器组合件的第一表面的压力发生变化,从而在第一表面上适当地选择希望的局部区域,压力从所述局部区域连通到补偿腔室。以这种方式,作为在调节器组合件的第一表面上的局部区域位置的函数可来确定补偿腔室压力。
[0017] 流动控制装置可配置成与同井筒相关联的流动一起使用,诸如生产流,注入流等。流动控制装置可配置成在井筒内使用,例如在井下位置处。流动控制装置可限定井下流动控制装置。
[0018] 调节器组合件可移动以便改变通过或沿着流动路径的流动。调节器组合件可移动以便改变在全开和全闭位置之间的流动路径。调节器组合件可移动以便改变在全开和全闭位置中间的流动路径。调节器组合件可移动以便改变流动路径从而在流动的流体内施加压力波动。这种压力波动可用于在井筒内无线通信,例如在WO 2006/041308中所述那样,其公开内容通过引用并入本文。
[0019] 调节器组合件可移动以便改变流动路径,从而给流体提供节流,例如以便控制生产/注入压力和速率。流动控制装置可配置成流入或流出控制装置。
[0020] 调节器组合件可在流动路径开放、例如全开的方向上偏置。在这种布置中,例如在驱动装置发生故障的情况下,流动路径可以打开配置操作并保持在打开配置下。这在出现这种故障的情况下可允许流动路径保持可操作,例如在井筒应用中上述具有显著的优势。
[0021] 在一个替代性的实施例中,调节器组合件可在流动路径被关闭的方向上偏置。
[0022] 跨过所述第一表面变化的压力将产生通过所述第一表面作用于调节器组合件上的力,以及补偿腔室压力将产生通过所述第二表面作用于调节器组合件上的力,其中,这些力的量级不同以便建立将调节器组合件在所需方向上偏置的偏置力。所述第一表面的局部区域的位置可确定补偿腔室压力从而影响通过所述第二表面施加到调节器组合件上的力的量级。
[0023] 在稳态流动状态下,压力上的恒定变化可在调节器组合件的所述第一表面上形成。从而,在稳态状态下,恒定力可通过所述第一表面在调节器组合件上产生。
[0024] 补偿腔室压力可与调节器组合件的第一表面的局部区域处的压力相关联,例如基本上等于调节器组合件的第一表面的局部区域处的压力。在稳态流动状态期间,补偿腔室压力可基本上恒定,因此可通过所述第二表面产生基本上恒定的力。
[0025] 流动控制装置可配置成对于通过流动路径的流体的所有流动状态而言建立偏置力。因此,在使用中,调节器组合件可在所需的方向上连续偏置。
[0026] 该装置可包括在补偿腔室和调节器组合件的第一表面的局部区域之间延伸的压力管道以便促进其间的压力连通。压力管道可至少部分地设置成调节器组合件的一部分。压力管道可限定在调节器组合件的第一表面内的端口,这样在端口的位置处作用于调节器组合件的第一表面的局部压力连通到补偿腔室。压力管道可允许在流动路径和补偿腔室之间的流体连通。在这种布置中,补偿腔室可暴露于流动通过流动路径的流体,在其它实施例中,补偿腔室与所述流动路径可与彼此流体地隔离。在这种布置中,利用压力传递装置诸如波纹管结构、活塞组合件等来实现压力连通。
[0027] 借助于流动通过流动路径的流体的流态可建立跨过调节器组合件的第一表面的压力变化。例如,流态可包括较低速度的区域,从而具有较高的压力,以及包括较高速度的区域,从而具有较低的压力。可通过流体碰撞到流动控制装置的表面上、不同股流体的碰撞等形成较低速度的区域。
[0028] 在使用过程中,流动通过流动路径的流体可在相对于调节器组合件的第一表面的外侧区域的中心区域上形成更大的压力。在期望更大的补偿腔室压力的这种布置中,与补偿腔室压力连通的第一表面的局部区域可朝向第一表面的中心定位。备选地,在期望更低的补偿腔室压力的情况下,与补偿腔室压力连通的第一表面的局部区域可朝向所述第一表面的外侧区域定位。
[0029] 在一个替代性的实施例中,流动通过流动路径的流体可在相对于调节器组合件的第一表面的中心区域的外侧区域上形成更大的压力。
[0030] 流动控制装置可包括至少部分地限定流动路径的壳体。壳体可至少部分地由管状构件限定。壳体可配置成例如经由一个或多个管路悬挂器、封隔器等安装到井筒内。
[0031] 壳体可包括或限定用于适应通过所述流动路径的流体的至少一个流动端口。可设置多个流动端口。流动端口可沿着壳体的长度轴向分布。流动端口可围绕壳体周向分布。至少一个流动端口可限定在壳体的壁内或通过壳体的壁。至少一个流动端口可提供在所述壳体的外部和内部位置之间的流体连通。至少一个流动端口可允许流动路径和地下区域(诸如生产区域、注入区域等)之间的连通。
[0032] 至少一个流动端口可限定用于允许流体流入到流动路径内的流体流入端口。这种布置可具有在井筒生产流体操作中的应用。至少一个流动端口可限定用于允许流体从流动路径流出的流体流出端口。这种布置可具有在井筒流体注入操作中的应用。
[0033] 至少一个流动端口可形成流动路径的一部分。
[0034] 调节器组合件可与至少一个流动端口配合以便改变通过流动路径的流体。例如,调节器组合件配置成选择性地阻断或部分地阻断至少一个流动端口。
[0035] 经由至少一个流动端口进入壳体的流体可建立流态,其形成跨过调节器组合件的第一表面的可变压力。例如,来自至少两个流动端口、例如径向相对的流动端口的流体会碰撞以便生成低流速和高压力的区域。
[0036] 至少一个流动端口可限定有助于形成通过流动路径的所需流态的几何形状。例如,虽然需要跨过调节器组合件的第一表面的可变压力,但是至少一个流动端口可限定几何形状,以便消除跨过所述第一表面的压力上的非常大的变化。至少一个流动端口可限定几何形状以有助于将流动路径内的流动的停滞最小化。至少一个流动端口可相对于壳体的中心轴线倾斜地对准。
[0037] 至少一个流动端口可限定几何形状,其补偿调节器组合件的第一表面的几何形状。例如,至少一个流动端口可限定度,所述角度对应于第一表面的轮廓的角度。该布置可促进在流动路径内产生或控制所需的流态。
[0038] 壳体可包括或限定至少一个旁通流动端口。旁通流动端口可配置成在任何时候开放。旁通流动端口可不受到调节器组合件的影响。例如在调节器组件发生故障的情况下,旁通流动端口可允许流体旁路通过流动路径,以便适应大的流率等。
[0039] 调节器组合件的第一表面可限定几何形状以便有助于建立跨过上述表面的希望流态和压力分布。例如,虽然需要跨过调节组合件的第一表面的可变压力,但是所述第一表面可限定几何形状,其用于消除跨过所述第一表面的压力上的非常大的变化。所述第一表面可限定几何形状以便沿着所述流动路径的方向转移(例如逐渐转移)流体流。例如,所述第一表面可限定几何形状,其沿着所述流动路径的方向转移(例如经由至少一个流动端口)流入的流体。所述第一表面可限定几何形状,其逐渐改变流体的流动方向以便与所述流动路径对准。这种几何形状可将流体停滞最小化。所述第一表面可限定锥形或截头锥形的轮廓。第一表面可限定抛物线的锥形轮廓。第一表面可限定部分球形表面,诸如半球形表面。
[0040] 调节器组合件可安装到壳体内。调节器组合件可在壳体内轴向移动以便改变流动路径。补偿腔室可定位于或限定于所述壳体内。驱动装置可定位于所述壳体内。
[0041] 调节器组合件可将流动路径和补偿腔室分离。流动控制装置可包括密封装置,其配置成提供调节器组合件和所述壳体之间的密封。密封装置可提供流动路径和补偿腔室之间的密封。可跨过密封组合件施加作用于调节器组合件的相应第一和第二表面的压力。密封组合件可在调节器组合件的两侧上限定等同的密封区域。备选地,可设置不同的密封区域,这可导致生成偏置。
[0042] 驱动装置可包括流体驱动装置,诸如活塞装置。驱动装置可包括机械驱动装置,诸如达驱动装置。驱动装置可起到抵制调节器组合件上偏置的功能,例如以将偏置组合件在偏置的反方向上移动。
[0043] 流动控制装置可配置成安装到井筒内的现有设备中。流动控制装置可配置成在井筒内改装。流动控制装置可配置成作为井筒完井的一部分安装于井筒内。流动控制装置可配置成利用一个或多个封隔器、悬挂器等安装于井筒内。
[0044] 调节器组合件可包括单个元件,其中所述单个元件的一侧限定第一表面,相对侧限定第二表面。调节器组合件可包括多个元件。
[0045] 根据本发明的第二方面,提供一种控制流量的方法,包括:
[0046] 在流动控制装置内限定流动路径和补偿腔室;
[0047] 提供调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面以及暴露于补偿腔室的相对的第二表面,其中所述调节器组合件由驱动装置可移动以便改变流动路径;
[0048] 使得流体通过流动路径,以便建立跨过调节器组合件的第一表面变化的压力;以及
[0049] 将压力从所述第一表面的局部区域连通到补偿腔室以便建立补偿腔室压力,其作用于调节器组合件的所述第二表面以便将调节器组合件在所需的方向上偏置。
[0050] 流动控制装置可根据第一方面配置。在这种配置中,在第一方面中使用的特征和相关联的方法可适用于第二方面。
[0051] 根据本发明的第三方面,提供一种无线通信组合件,包括:
[0052] 流动路径;
[0053] 补偿腔室;
[0054] 调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面和暴露于补偿腔室的相对的第二表面;以及
[0055] 驱动装置,用于移动所述调节器组合件以便改变流动路径,以在流体内施加压力波动,其中所述压力波动编码有数据;
[0056] 其中,在使用过程中,流动通过流动路径的流体建立跨过调节器组合件的第一表面变化的压力,并且补偿腔室与第一表面的选择成建立补偿腔室压力的局部区域处于压力连通,所述压力作用于调节器组合件的第二表面以便使得调节器组合件在所需的方向上偏置。
[0057] 根据本发明的第四方面,提供一种流动控制装置,包括:
[0058] 流动路径和补偿腔室;
[0059] 将流动路径从补偿腔室分离的调节器组合件;以及
[0060] 驱动装置,其用于使得阀元件移动以便改变流动路径;
[0061] 其中在使用过程中,流动通过流动路径的流体建立较高压力的第一区域和较低压力的第二区域,并且补偿腔室与所述第一和第二区域之一压力连通以便建立跨过调节器组合件的所需力差。
[0062] 根据本发明的第五方面,提供一种流动控制装置,包括:
[0063] 彼此压力连通的流动路径和补偿腔室;
[0064] 调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面和暴露于补偿腔室的相对的第二表面;以及
[0065] 驱动装置,其用于移动调节器组合件以便改变流动路径;
[0066] 其中所述第一表面限定轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将在所述第一表面上施加的压力最小化。
[0067] 相应地,可将压力变化的任何影响最小化,否则压力变化会在调节器组合件上形成不利的偏置。因此这可允许在压力从流动路径放出或渗出以与补偿腔室连通的位置变得不那么重要。例如,在压力被放出的该位置可基于其它因素建立,诸如制备简便性等。
[0068] 此外,将任何不利的偏置最小化可便于驱动装置的低动力运行。
[0069] 所述第一表面可限定几何形状以便沿着所述流动路径的方向转移(例如逐渐转移)流体流。例如,所述第一表面可限定几何形状,其沿着所述流动路径的方向转移(例如经由至少一个流动端口)流入的流体。所述第一表面可限定几何形状,其逐渐改变流体的流动方向以便变成与所述流动路径对准。这种几何形状可将流体停滞最小化。所述第一表面可限定锥形或截头锥形的轮廓。第一表面可限定抛物线的锥形轮廓。第一表面可限定部分球形表面,诸如半球形表面。
[0070] 补偿腔室可经由设置于调节器组合件的第一表面上的端口与流动路径压力连通。
[0071] 与第一和其它方面相关联的特征可应用于根据第五方面的装置。
[0072] 根据本发明的第六方面,提供一种控制流动的方法,包括:
[0073] 在流动控制装置内限定流动路径和补偿腔室以及在所述流动路径和补偿腔室之间建立压力连通;
[0074] 提供调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面和暴露于补偿腔室的第二表面,其中所述第一表面限定轮廓;
[0075] 由驱动装置使得调节器组合件移动以便改变流动路径;以及
[0076] 使得流体通过流动路径,这样所述第一表面的轮廓将施加在所述表面上的压力变化最小化。
[0077] 根据本发明的第七方面,提供一种流动控制装置,其包括:
[0078] 流动路径;
[0079] 调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面;以及
[0080] 驱动装置,其用于移动调节器组合件以便改变流动路径;
[0081] 其中所述第一表面限定轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将施加在所述第一表面上的压力变化最小化。
[0082] 根据本发明的第八方面,提供一种控制流动的方法,其包括:
[0083] 在流动控制装置内限定流动路径;
[0084] 提供调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面,其中由驱动装置使得调节器组合件可移动以便改变流动路径;
[0085] 使得流体通过流动路径;
[0086] 其中所述第一表面限定轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将在所述第一表面上施加的压力变化最小化。
[0087] 根据本发明的第九方面,提供一种流动控制装置,其包括:
[0088] 流动路径;
[0089] 调节器组合件,其限定暴露于流动路径的第一表面;以及
[0090] 驱动装置,其用于移动调节器组合件以便改变流动路径;
[0091] 其中所述第一表面限定抛物线的锥形轮廓,其配置成借助于流动通过流动路径的流体的作用而将在所述第一表面上施加的压力变化最小化。
[0092] 流动控制装置可包括补偿腔室,其与流动路径压力连通,例如在调节器组合件的第一表面的区域处。调节器组合件可限定暴露于补偿腔室的第二表面。
[0093] 上面已经限定了各种不同的方面。但应当理解的是一个方面的各种特征可以与任何其它方面独立或任何合适组合的方式应用。附图说明
[0094] 现在将参照附图仅仅通过示例的方式对本发明的这些和其它方面进行描述,其中:
[0095] 图1是示出井筒布置的示意图,其包括根据本发明实施例的用于在井筒内无线通信的装置;
[0096] 图2是示出变型的井筒布置的示意图,其也包括根据本发明实施例的用于在井筒内无线通信的装置;
[0097] 图3示出流动控制装置的示例性实施例,其用于在井筒内无线通信;
[0098] 图4提供根据本发明实施例的在调节器组合件的区域内的流动控制装置的放大视图;
[0099] 图5提供根据本发明另一个实施例的在调节器组合件的区域内的流动控制装置的放大视图;
[0100] 图6提供根据本发明再一个实施例的在调节器组合件的区域内的流动控制装置的放大视图;以及
[0101] 图7提供根据本发明又一个实施例的在调节器组合件的区域内的流动控制装置的放大视图。

具体实施方式

[0102] 本发明的各方面与实施例涉及用于控制井筒内流动的流动控制装置和方法。这种流动控制的一个示例性应用是提供井筒内的无线通信。这种示例性应用在图1中示出。
[0103] 图1示出井筒101,其便于经由一组射孔102从地下储层103制备烃类,诸如石油和/或天然气。在地球表面上的某些地方,井筒101端接于井口104内,井口包括适当的阀和监测系统以便根据相关程序和法律法规控制和操作井。在井口104的下游,所产生的烃类流动通过流体管线105到达生产设施,诸如分离器和罐设施(未示出)。
[0104] 油田或天然气田通常包括许多井,其大多数/全部做成相同的处理设施。由于井会具有不均匀的压力,例如由于穿透储层103的不同区段或不同储层单元,因此,需要在表面上进行调节以确保来自每个井的产物以相同的压力到达制造设施。为了针对这一点,大多数流体管线105装配有节流阀107以便调节压力。此外,大多数流体管线105和/或井口104装配有压力传感器106以便监测井口压力。
[0105] 在井筒101的储层端部,示出根据本发明各方面的流动控制装置或系统108。装置108用于控制流动,以便通过井流体施加压力信号112,从而在地面和井下位置之间提供无线通信。
[0106] 装置108可用于监测和/或控制井。为了井下数据监测的目的,装置108使用一个或多个传感器,诸如压力传感器111。控制模110用于记录和处理数据。装置108包括节流器/流量调节器阀或组合件109,其用于智能地将压力变化112施加到流动的生产流体上,以便将所记录的数据传送到地面。在地面上,所述压力信号112由诸如压力传感器106的传感器接收,以及使用分析系统(未示出)来提取井下信息。
[0107] 图2示出了在很大程度上类似于图1所示的井筒,因此相同的部件具有相同的附图标记。然而,图2中所示布置的不同之处在于配置类似于井下装置108的流动控制装置或系统201在地面位置处设置(有效地替代或改变图1中的节流器107),且其用于接收从井下装置108传送的信号112以及将压力信号205传送到所述井下装置108。
[0108] 现在参照图3,其中示出流动控制装置或系统108的一个实施例,其可用于监测井下条件,诸如压力和温度数据,并通过将压力脉冲施加到在井内流动的流体上而将这些数据无线传送到地面。装置108以类似于WO 2006/041308中所述的方式起作用,其公开内容通过援引加入本文。
[0109] 包括节流器/流量调节器阀或组合件109的装置108包括壳体210,其通过封隔器装置212固定到井/生产管路101。封隔器装置212限制流体沿着管路101的流动216,导致流体流动通过形成于壳体210的壁内的流动端口218并进入到与地面流体连通的流动路径214内,流体可以是制备的流体也可以是注入的流体。调节器组合件或元件220安装在壳体210内且由驱动装置222致动以便移动,从而改变通过端口218的流体面积并进入到流动路径214内以基于无线信号产生压力,该无线信号然后经由流体传送到地面。
[0110] 调节器组合件220被密封抵靠所述壳体的内表面,并包括暴露于所述流动路径214的第一表面224和暴露于补偿腔室228的相对的第二表面226。如将在下面进一步详细描述的那样,在表面224,226、流动路径214内的压力和补偿腔室228之间所需的交互作用提供调节器组合件22在所需的方向上的偏置。在一些实施例中,调节器组合件在流动端口218完全打开的方向上偏置。因此,例如在驱动装置第222发生故障的情况下,这可有助于提供故障保护措施。
[0111] 补偿腔室228可设置成在使用过程中防止调节器组合件的液压定。此外,如将在下面详细描述的那样,补偿腔室228与流动路径214压力连通,这样跨过调节器组合件220的压力差通常被最小化。这可有助于将驱动装置222移动调节器组合件220所需的动力最小化。
[0112] 也安装在壳体内的驱动装置222包括电动马达230,其操作232以便使得流体位移进出活塞腔室234,以便将所做的功施加到通过轴238固定于调节器组合件220的驱动活塞236上。
[0113] 电池模块240和控制/电子模块242用于激励和控制装置108的操作。压力隔壁244用于保护电池模块240和控制/电子模块242,免受处理/井压力的影响。
[0114] 为了传送一个单个的压力脉冲(在该实施例中为负脉冲),使用马达230来操作泵232,以便将流体泵送到活塞腔室234内,从而导致驱动活塞236和调节器组合件220(经由轴
238)移动到图3中的右侧。这具有减少通过流动端口218的流体面积的作用,从而对流体节流并在装置108的下游产生压降。在已经施加所需的压力量级(压降)足够的时间段以便允许在地面处进行检测之后,马达230反向旋转以便将流体从活塞腔室234卸载。弹簧246导致调节器组合件220缩回以及生产返回到“正常”,即完全打开位置。
[0115] 在许多情况下,在油井和天然气井中存在的相对剧烈的流态会不利地影响装置的操作。例如,由于流动速率变化导致的为局部压力变化形式的流体影响会将不利的偏置力施加到调节器组合件220上。在某些情况下,由流体动态力(诸如喷射器作用)所产生的力可克服弹簧246的力以及导致故障。喷射器作用也可克服由作用于活塞236上的泵232所产生的力。
[0116] 此外,油井和天然气井会经受垢的形成,其会导致摩擦并带来用于操作装置108所需的更大的动力需求。
[0117] 如现在将在下文中详细描述的那样,本发明试图通过缓解或减轻不希望的偏置效果和/或允许更低动力操作来解决这种问题。
[0118] 现在参照图4,其中示出在节流器/流量调节器阀或组合件109的区域中的图3中所示的流动控制装置108的放大视图。本发明人已认识到由流体流动通过流动端口218并流入流动路径214内所创建的流态建立跨过调节器组合件220的第一表面变化的压力。具体而言,第一表面224的中央区域接收高于第一表面224周边区域的更高压力,如在叠加的压力曲线图250中所示那样。本发明人认为这种效果是来自相对的流动端口218的流体流在流动路径的中央区域内碰撞的结果,从而相对于周边区域导致中央区域流速低,进而导致更高压力。从而经由第一表面224施加到调节器组合件220上的力将是该可变压力的函数。
[0119] 如图4中所示,调节器组合件220限定压力管道252,其提供第一表面224的局部区域254和补偿腔室228之间的压力连通。相应地,补偿腔室228内的压力将基本上等于作用在所述第一表面224的局部区域254处的压力,因此该压力将基本上均匀地施加到调节器组合件220的第二表面226上。补偿腔室压力以及从而由该压力施加到调节器组合件220上的力因此可为局部区域254的位置的函数,压力从该局部区域254从第一表面224流出。因此该局部区域的位置的适当选择可允许将所需的偏置力施加到调节器组合件22上。在当前的实施例中,局部区域254选择成经由所述第二表面226施加到调节器组合件的力的最终量级低于经由所述第一表面224施加到调节器组合件220的力的最终量级。在这种布置中,净力将起到使得调节器组合件220在端口218打开的方向上偏置的作用。
[0120] 现在参照图5,其中示出根据本发明的替代性实施例的流动控制装置208的一部分。图5的流动控制装置208在大多数方面类似于图4中所示的装置108,因此相同的部件具有相同的附图标记,但是图5中的附图标记相比于图4中相应的附图标记增加100。相应地,装置208包括壳体310,其包括多个流动端口318,其允许流体进入壳体310和内部流动路径314。装置208包括调节器组合件320,其安装到壳体310内且可通过驱动装置(未示出)可移动以便与流动端口318交互作用以改变流动通过流动路径314的流体,例如将基于无线通信信号的压力施加到流体内。
[0121] 调节器组合件320包括第一表面324,其暴露于流体且其限定圆锥形的几何形状。设置在帽部分325上的这种几何形状有助于在进入流动路径314的流体内提供优选的流态。
具体而言,第一表面324的几何形状用于逐渐地偏转流入流体以便引导该流体沿着流动路径314的方向流动,从而最小化流速的减小,例如通过使来自相对流动端口318的流体流碰撞所导致的流速减小。最小化流速上的这种减小因此可允许获得更均匀的流速分布,其继而可将跨过第一表面324的较大压力变化最小化,如在叠加的压力曲线图350中所示。因此这可抵消或最小化由跨过第一表面的这种压力变化所导致的调节器组合件的任何不利偏置。
[0122] 调节器组合件320还限定暴露于补偿腔室328的第二表面326。补偿腔室328经由压力管道布置352与流动路径314压力连通,所述压力管道布置352在第一表面324上的位置354处开设端口。在一些实施例中,第一表面324的几何形状可足以抵消跨过所述表面324的可变压力的不利影响,这样端口位置354不是关键的。然而,在其它实施例中,装置208可利用任何剩余的压力变化的效果并适当地选择端口位置354以便实现调节器组合件320的所需的偏置作用。
[0123] 流动端口318相对于壳体310的中心轴线360倾斜地对准,这有助于在流动路径314内建立所需的流态。如图所示,流动端口318通常对应于第一表面324的几何形状或轮廓倾斜,进一步有助于产生所需的流态。
[0124] 调节器组合件320还包括过滤器362,其用于过滤经由管道352连通到补偿腔室328的流体。此外,动力密封件327设置于调节器组合件320和壳体310之间。密封件327设置成防止流体在调节器组合件320和壳体310之间泄漏。这种泄漏否则可导致流体从补偿腔室328流动通过过滤器362并进入到流动路径314内。但是,过滤器可被认为是代表对这种流体的限制,尤其是如果堵塞颗粒物的情况,这样可在补偿腔室328内产生背压,其会不利地使得调节器组合件320在关闭端口318的方向上偏置。
[0125] 图6中示出流动控制装置的再一个替代性实施例,在这种情况下通常由附图标记308标记。图6的装置308大致类似于图5中所示的装置,因此相同的部件具有相同的附图标记,但是图6中的附图标记相比于图5中相应的附图标记增加100。为本说明书的简便起见,将仅仅分别确定图5和图6的装置208、308之间的差异。在这种情况下,调节器组合件420的第一表面424限定抛物线的锥形轮廓,其用于将跨过所述表面424的压力变化最小化。中央定位的压力管道542延伸通过调节器组合件420,其便于与补偿腔室428压力连通。通过实验,本发明人已认识到由这种抛物线的锥形轮廓所导致的令人惊奇的有效结果。
[0126] 现在参照图7,其中示出根据本发明的又一个替代性实施例的流动控制装置408。图7的流动控制装置类似于图5中的装置208,因此相同的部件具有相同的附图标记,但是图
7中的附图标记相比于图5中相应的附图标记增加200。为本说明书的简便起见,将仅仅分别确定图5和图7的装置208、408之间的差异。也就是说,壳体510包括一个或多个附加的流动端口570(只示出一个),其可被限定为旁通流动端口。这些端口570不受到调节器组合件520的影响,因此保持开放,其在需要通过装置408的高流量的井内具有应用性。应该指出的是调节器组合件520被示为包括锥形第一表面524。然而,可以选择任何合适的几何形状,诸如图6中所示的抛物线锥形几何形状。
[0127] 应该理解的是在本文中所述的实施例仅仅是示例性的,以及在不脱离本发明范围的情况下可对其进行各种变型。例如,在一些实施例中,各种装置可配置成适于流体从相应流动路径流出,例如以便于流体注入。此外,该装置可配置成用于提供除了信号传输之外的流动控制,例如用作流入控制装置,生产/注入节流器等。该装置可在其它流动环境中使用,并且并不限于在井筒中使用。
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