用于控制井下流量控制装置的方法和系统 |
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| 申请号 | CN200780012860.5 | 申请日 | 2007-02-12 | 公开(公告)号 | CN101421485B | 公开(公告)日 | 2013-05-29 |
| 申请人 | 贝克休斯公司; | 发明人 | G·P·瓦尚; | ||||
| 摘要 | 一种用于控制井筒中流量的系统，其使用位于井筒中的井下 位置 的井下流量控制装置。流量控制装置具有可移动元件，用于控制井下 流体 的流量。响应于所施加的压 力 脉冲，该可移动元件以有限的增量从一个位置移动到另一位置。在一个 实施例 中，液压源产生发送至流量控制装置的压力脉冲，其中，井下所接收的压力脉冲的最大压力足以克服与可移动元件相关的静 摩擦力 ，并且其中，井下所接收压力脉冲的最小压力不足以克服与可移动元件相关的动摩擦力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用位于井筒中的流量控制装置控制井筒中流体流量的系统，包括： |
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| 说明书全文 | 用于控制井下流量控制装置的方法和系统技术领域[0001] 本发明一般地涉及油气开采井(oil and gas production well)的控制。更具体地，其涉及井开采流量控制装置中的可移动元件的控制。 背景技术[0002] 对油气开采井的控制构成了目前石油工业的焦点，这部分是由于除了与环境相关的风险和安全问题以外还牵涉到庞大的经济开支。考虑到工业界普遍认识到有多个分支的井(例如，多分支井)将会日益重要和常见，开采井控制已经变得特别重要并且更加复杂。这样的多分支井包括分立的开采区域，其在公共的或者分立的开采管道中产生流体。不论哪种情况，都需要控制区域开采、隔离特殊区域，以及另外监视特定井中每个区域。通常，例如滑动套筒阀(sliding sleevevalve)、井下安全阀和井下阻流门(downhole chokes)等的流量控制装置被用来控制开采管道和套管环面(casing annulus)之间的流量。这样的装置被用于区域性隔离、选择性开采、流量关断、多层合采和瞬态测试。 [0003] 希望利用可变流量控制装置来操作井下流量控制装置。可变控制允许阀门在阻塞(choking)模式下工作，这在尝试混合在不同的储藏装置(reservior)压力下操作的多开采区域时是所希望的。这种阻塞防止在井下开采区域之间通过井筒(wellbore)的交叉流动。 [0004] 就例如滑动套筒阀的液压推动的流量控制装置而言，阀门随时间经历多种变化。例如，由于暴露在高温下，液压流体老化并呈现出润滑性的减少。污垢和其他沉淀将出现在阀的内部。此外，密封会随时间劣化和磨损。为了使阀门更有效地用作阻流门，需要相当精细的控制能力等级。流量控制装置中的可移动元件的精确定位的一个困难是由液压管线(line)的流体存储能力引起的。另一个困难由这样的事实引起：使可移动元件开始运动需要的压力不同于维持运动需要的压力，这是由静和动摩擦系数之间的差异引起的，即静系数要大于动系数。当通过液压管线连续施加压力时，管线的弹性性质允许一些膨胀，在效果上，其使得管线成为流体积累器。管线越长，该效果越大。在操作中，这些效果的组合能够引起可移动元件定位中的实质上的过冲。例如，如果液压管线压力增加至克服了静摩擦，套筒就开始移动。通常地，已知量的流体被抽入系统，从而使元件移动已知的距离。然而，由于液压管线的流体存储效果，以及继续运动所需要的力较低，元件持续运动，超过所希望的位置。这会导致不希望的流量限制。 [0005] 本发明通过提供在基本上减少过冲影响的同时克服静摩擦的系统和方法，而克服了前述现有技术的缺点。并且，相比于现有技术的其它优点对本领域的技术人员将是明显的。 发明内容[0006] 在一个方面，本发明提供了一种用于控制井下流量控制装置的系统，其包括在井中的井下位置处的流量控制装置，其中，流量控制装置具有用于控制井下地层流量的可移动元件。可移动元件具有与之相关的液压密封。密封被构造为使得所施加的压力脉冲的最大压力足以克服与密封相关的静摩擦力，并且其中，所施加的压力脉冲的最小压力不足以克服与密封相关的动摩擦力。 [0007] 在另一个方面，一种用于控制流量控制装置的方法，包括将压力脉冲从位于地面的液压源传输至在井下位置处的流量控制装置。控制压力脉冲的特性以将流量控制装置中的可移动元件渐增地移动到希望的位置。示例性的压力脉冲的受控特性包括脉冲幅值和脉冲持续时间。 [0008] 尽管前面的公开内容涉及本发明的优选实施例，但各种修改对本领域的技术人员将是明显的。希望在所附权利要求的范围之内的所有变化都将被公开内容所包含。然而，在不离开本发明范围和精神之内，对于上述实施例的许多修改和改变对本领域的技术人员将会是明显的。希望所附权利要求被解译为包含所有这样的修改和改变。附图说明 [0009] 为详细理解本发明，将下面的优选实施例的详细说明与附图结合在一起与作为参考，其中，同样的元件被赋以同样的参考标号，其中： [0010] 图1是根据本发明的一个实施例的开采井流量控制系统的示意图； [0011] 图2是示出了流量控制装置中的可移动元件由于静和动摩擦的效果而继续运动的图；以及， [0012] 图3是与克服静和动摩擦需要的压力相关的脉冲液压压力和流量控制装置中的可移动元件的相关运动的示意图。 具体实施方式[0014] 参考图1，井1包括两个示例区域，也就是区域A和区域B，其中所述区域被不可渗透的屏障分开。以已知的方式实现区域A和区域B中的每个。图1示出了使用支撑在井筒5中的油管柱(tubing string)10上的封隔器(packer)15和滑动套筒阀20实现区域A。封隔器15封闭了井筒和流量控制装置(例如滑动套筒阀20)之间的环面，从而限制地层流体仅通过打开的滑动套筒阀20流量。可供选择地，流量控制装置可以是任何具有至少一个用于控制流量的可移动元件(包括但不仅限于，井下阻流门和井下安全阀)的流量控制装置。 如在本技术领域中已知的，普通的滑动套筒阀采用带有槽(也被称为开口)的外壳，和带有槽的内部阀芯(spool)。通过内部阀芯相对于外壳的轴向运动，槽可对准和不对准。这样的装置已经可在商业上获得。油管柱10在地面连接至井口35。 [0015] 在一个实施例中，滑动套筒阀20从地面被两个液压控制管线，即打开管线25和关闭管线30控制，这两个液压控制管线操作滑动套筒20中的平衡双重作用液压活塞(未示出)。液压活塞推动可移动元件，例如内部阀芯22(也称为套筒)，来对准或不对准流道(flow slot)或开口，使地层流体流过滑动套筒阀20。可移动元件的多种结构在本技术领域内是已知的，并且没有在此处详细讨论。这样的装置可在商业上获得，例如来自德州休斯顿Baker Oil Tolls的HCM液压滑动套筒。在操作中，对管线25加压以打开滑动套筒阀20，而对管线30加压以关闭滑动套筒阀20。在对管线25或者30之一施压时，相对的管线被可控地由歧管阀(valve manifold)65引出到地面储藏装置45。管线25和30通过被处理器60控制的歧管阀65连接到泵40和返回储藏装置45。泵40从储藏装置45抽送液压流体并将其在压力下供应至管线41。压力传感器50监视泵释放管线(pump discharge line)41中的压力，并且将与检测到的压力相关的信号提供给处理器60。泵40的循环速率或速度由泵循环传感器55监视，该传感器将与泵循环数量相关的电信号发送给处理器60。来自传感器55和50的信号可以是任何合适类型的信号，包括但不仅限于光、电、气动和声学信号。通过此设计，对于每个泵循环，正移位泵释放可确定的流体容量。通过确定泵循环的数量，被抽取出的流体的容量能够被确定和追踪。通过处理器60的引导，歧管阀65进行工作，以将泵输出流量引导至适当的液压管线25或30，从而分别在打开或关闭方向移动阀 20的阀芯22。处理器60包含适当的接口电路和处理器，它们在编程的指令下工作，从而为压力传感器50和泵循环传感器55提供动力并从中接收输出信号；与歧管阀65形成接口并控制歧管阀65的致动和泵40的循环速率；并分析来自泵循环传感器55和压力传感器50， 70，71的信号，向泵40和歧管阀65发送命令以将滑动套筒阀20中的阀芯22的位置控制在打开位置和关闭位置之间。处理器提供如下所述的附加功能。 [0016] 在操作中，通常操作滑动套筒阀20将阀门开口设置于全开或者全关状态。然而，如前文所注意的，希望能够适当地致动此装置从而提供中间的流量状态，使其能够用于阻塞储藏装置流体的流量。理想地，能够操作泵提供已知容量的流体，这可将阀芯22移动可确定的距离。然而，当结合液压管线25和30的流体存储能力时，与流量控制装置中的可移动元件(例如阀芯22)相关的静和动摩擦效果可在阀芯22的定位中引起显著的过冲。这些效果可在图2中看出，图2示出了当流体被抽入来移动阀芯22时，阀芯22的运动103。泵压力沿曲线100提高。在一个实施例中，任何由泵40引起的脉动通过经供应管线的传输而衰减。压力被增大至压力101以克服滑动套筒阀20中的密封(未示出)的静摩擦力。在理想的液压系统中，一旦阀芯22开始移动，供应管线压力就减小到线102，并且附加流体能够以较低的压力供应，从而将阀芯22移动到希望位置108。然而，整个液压供应管线25、30被加压到更高的压力101，且供应管线25、30的膨胀导致在压力101下的明显的流体容量。压力沿线107逐渐减小而代替了处于水平102的流体压力，将阀芯22推到位置109，并超过所希望的位置108。 [0017] 参见图3，为减少过冲问题，在本发明的一个实施例中提供了压力脉冲203，该压力脉冲203将阀芯22步进地移动到希望位置。通过使用脉冲203，供应管线膨胀的影响显著减少。产生每个脉冲203使得脉冲峰值压力207超过克服阻止阀芯22运动的静摩擦力所需要的压力201，并且脉冲最小压力208小于克服阻止运动的动摩擦力所需要的压力202。在一个实施例中，压力脉冲203叠加在基础压力205上。阀芯22的运动206本质上是阶跃运动(stair step motion)以达到希望位置210。尽管已经讨论了阀芯22，但应当理解的是阀芯22只是一种说明性的可移动元件。其它可移动元件及其相关的静和动摩擦也同样能够以上述方式使用。 [0018] 如图1所示，在一个实施例中，可以是液压汽缸的压力源70被液压地耦接到管线41。液压系统72通过管线73致动活塞71，其以预定的方式移动活塞71，从而将脉冲203施加至管线41。这样的脉冲通过供应管线25、30向下发送，并引起阀芯22的渐增运动。液压系统72可以由处理器60控制，从而改变最大和最小脉冲压力和脉冲宽度W(也称为脉冲持续时间)，从而对阀芯22的渐增运动提供附加控制。可供选择的，泵40可以是具有产生脉冲203的足够能力的正移位泵。 [0019] 在一个实施例中，通过分别比较来自地面处的压力传感器50的信号和来自位于井下位置的、供应管线25和30上的压力传感器70和71的信号，来考虑柔性(compliant)供应管线25、30的效果。来自传感器70和71的信号沿信号线(未示出)发送至处理器60。这些信号的比较能够被用于确定将所发送的压力脉冲与接收到的脉冲相关联的传递函数F。传递函数F可以被编程至处理器60中，以控制所产生的压力脉冲的一个或多个特性，例如脉冲幅值和脉冲持续时间，使得接收到的压力脉冲具有选定的幅值和持续时间，从而将阀芯22精确定位到希望位置。如此处所使用的，脉冲幅值是最大压力脉冲207与最小压力208之间的差值。如此处所使用的，脉冲持续时间为压力脉冲能够实际上移动阀芯22的时间。 [0020] 在另一个实施例中，位置传感器73被设置在滑动套筒阀20中，以确定阀芯22在滑动套筒阀20之内的位置。这里，可以通过将所产生的脉冲与阀芯22的实际运动进行比较来确定传递函数F。位置传感器73可以是任何合适的位置感测技术，例如，在2002年11月7日提交的、转让给本发明的受让人的美国专利申请No.10/289,714中说明的位置感测系统，为了各种目的其全部内容并入本文作为参考。 [0021] 尽管在上面参考开采井来说明该系统和方法，但本领域技术人员将认识到，这里说明的系统和方法同样适用于注入井的流量控制。此外，本领域技术员将认识到，这里描述的系统和方法同样适用于陆地和海底井口位置。 [0022] 前述说明涉及用于说明和解释的本发明的特定实施例。但是，对于本领域技术人员，显然可以对上述实施例进行各种修改和变化。希望所附权利要求被解释为包含所有这样的修改和变化。 |
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