具有对局部井状态动态响应的向下钻进流体流动控制系统和方法 |
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| 申请号 | CN201180072462.9 | 申请日 | 2011-08-29 | 公开(公告)号 | CN103688013A | 公开(公告)日 | 2014-03-26 |
| 申请人 | 哈里伯顿能源服务公司; | 发明人 | J·C·加诺; L·W·霍尔德曼; M·L·夫瑞普; J·D·戴克斯特拉; | ||||
| 摘要 | 一种向下钻进 流体 流动控制系统具有对局部井状态的动态响应。该系统包括可操作地 定位 在井筒内的管式 钻柱 。环形屏障定位在管式钻柱和井筒之间，以隔离第一和第二区域。流体流动控制装置定位在每个区域内。运行与第一区域的流体流动控制装置可操作地相连的流动管，以在第一区域内的流体流动控制装置和第二区域之间建立起连通，从而第一区域和第二区域之间的压差可操作来致动第一区域的流体流动控制装置从第一运行构造转变到第二运行构造。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种向下钻进流体流动控制方法，该方法包括： |
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| 说明书全文 | 具有对局部井状态动态响应的向下钻进流体流动控制系统和方法 技术领域背景技术[0003] 在完成横向于具有碳氢化合物的地下地层的井的过程中，生产管和各种完井设备安装在井中，以便进行安全和有效的地层流体生产。例如，为了控制生产流体的流入，普遍的做法是在管式钻柱内安装一个或多个流动控制装置。该流动控制装置可包括一个或多个流动控制部件，诸如是流动管、喷嘴、迷宫式密封件等。一般地，在安装之前，流过这些流动控制装置的生产流量根据流动控制部件的数量和设计予以固定。 [0004] 然而，业已发现，由于地层压力和地层流体成分随井的寿命而发生变化，因此可希望调整流动控制装置的流动控制特征。此外，对于某些完井，诸如是具有许多生产间隔的长而水平的完井，可要求独立地控制流入各个生产间隔内的生产流体的流入流。此外，在某些完井中，希望调整流动控制装置的流动控制特征而无需对井进行干预。 [0005] 因此，需要有改进的流动控制系统，其可进行操作来控制地层流体的流入。还需要如此的流动控制系统，其可进行操作独立地控制来自多个生产间隔的生产流体的流入，并当地层压力或流体成分随时间变化时，可进行操作来控制生产流体的流入而无需对井进行干预。 发明内容[0006] 这里披露的本发明包括向下钻进流体流动控制系统和方法，该系统和方法具有对局部井状态作动态响应以控制地层流体流入和注入流体流出。此外，当地层压力或流入特定间隔内生产流体成分随时间变化时，可操作本发明的向下钻进流体流动控制系统和方法，以独立地控制生产流体流入多个生产间隔，无需对井实施干预。 [0007] 在一个方面，本发明涉及向下钻进流体流动控制系统。该向下钻进流体流动控制系统包括可操作而定位在井筒内的管式钻柱。环形屏障定位在管式钻柱和井筒之间，以隔离第一和第二区域。流体流动控制装置定位在每个区域内。运行与第一区域的流体流动控制装置可操作地相连的流动管，以在第一区域内的流体流动控制装置和第二区域之间建立起连通，从而第一区域和第二区域之间的压差可操作来致动第一区域的流体流动控制装置从第一运行构造转变到第二运行构造。 [0008] 在一个实施例中，第一运行构造处于打开位置，而第二运行构造处于关闭位置。在另一实施例中，第一运行构造处于关闭位置，而第二运行构造处于打开位置。在另一实施例中，第一运行构造处于打开位置，而第二运行构造处于限制位置。在某些实施例中，流动管延伸通过至少一个环形屏障。在某些实施例中，可操作地与第二区域的流体流动控制装置相连的流动管延伸通过至少一个环形屏障，以在第二区域内的流体流动控制装置和第一区域之间建立起连通，从而第一区域和第二区域之间的压差可操作来致动第二区域的流体流动控制装置从第一运行构造转变到第二运行构造。 [0009] 在另一个方面，本发明涉及向下钻进流体流动控制方法。该方法包括隔离第一和第二区域，每个区域具有定位在其中的流体流动控制装置，建立起第二区域内流体流动控制装置和第一区域之间的连通，使流体流过第一区域的流体流动控制装置，在第一区域和第二区域之间产生压差，并响应于压差来致动第二区域的流体流动控制装置从第一运行构造转变到第二运行构造。 [0010] 该方法还可包括在管式钻柱和井筒之间安装环形屏障，使流动管延伸通过至少一个环形屏障，将流体从管式钻柱的内部通过第一区域注入到地层，执行第一区域的酸激励，执行地层中的破裂操作，改变流体粘度或致动第二区域的流体流动控制装置从关闭位置转变到打开位置。 [0011] 在另一方面，本发明涉及向下钻进流体流动控制方法。该方法包括隔离井筒内的第一和第二区域，每个区域具有定位在其中的流体流动控制装置，建立起第一区域内流体流动控制装置和第二区域之间的连通，使流体流过第一区域和第二区域的流体流动控制装置，在第一区域和第二区域之间产生压差，并响应于压差来致动第一区域的流体流动控制装置从第一运行构造转变到第二运行构造。 [0012] 该方法还可包括在管式钻柱和井筒之间安装环形屏障，使流动管延伸通过至少一个环形屏障，将流体从地层通过第一区域和第二区域生产入管式钻柱内部，在第一区域内从生产要求的流体过渡到生产不希望的流体，增大生产出的流体通过第一区域的流量，改变通过第一区域产出的流体粘度，致动第一区域的流体流动控制装置从打开位置转变到限制位置，或致动第一区域的流体流动控制装置从打开位置转变到关闭位置。 [0013] 在另一方面，本发明涉及向下钻进流体流动控制方法。该方法包括隔离井筒内的第一和第二区域，每个区域具有定位在其中的流体流动控制装置，建立起第一区域内流体流动控制装置和第二区域之间的连通，建立起第二区域内流体流动控制装置和第一区域之间的连通，将流体从管式钻柱通过第一区域的流体流动控制装置注入到地层，在第一区域和第二区域之间产生压差，并响应于压差来打开第二区域的流体流动控制装置并关闭第一区域的流体流动控制装置。附图说明 [0014] 为了更完整地理解本发明的特征和优点，现参照本发明的详细描述并连同附图，附图中，不同图中的对应附图标记表示对应的零件，附图中： [0015] 图1是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于处理操作的第一阶段过程中； [0016] 图2是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于处理操作的第二阶段过程中； [0017] 图3是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于处理操作的第三阶段过程中； [0018] 图4是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于处理操作的最后阶段过程中； [0019] 图5是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于生产操作的过程中；以及 [0020] 图6是根据本发明一实施例的运行流体流动控制系统的井系统的示意图，该系统处于生产操作的以后阶段过程中。 具体实施方式[0021] 尽管下面详细讨论本发明各种实施例的制作和使用，但应该认识到本发明提供许多适用的发明理念，它们可实施在许多特殊的情形中。这里讨论的特殊实施例仅是说明制作和使用本发明的特殊方式，并不界限本发明的范围。 [0022] 首先参照图1，图中示出包括实施本发明原理的向下钻进流体流动控制系统的井系统，其示意地显示并总的用附图标记10表示。在所示的实施例中，井筒12延伸通过各种地层。井筒12具有基本上垂直的部分14，其上部具有注水泥于其中的套管钻柱16。井筒12还具有基本上水平的部分18，其延伸通过含有碳氢化合物的地下地层20。如图所示，井筒12的基本上水平的部分18是裸眼井。 [0023] 定位在井筒12内并从地面延伸的是管式钻柱22。该管式钻柱22对地层流体提供导管，使其从地层20移动到地面上，以及该导管用于注入流体，使其从地面移动到地层20。在其下端，管式钻柱22偶联到完井钻柱24，其已经安装在井筒12内并将完井的间隔划分为各种生产间隔。标示为区域1、区域2、区域3、…区域N－1和区域N。完井钻柱24包括多个标识为FCD1、FCD2、FCD3、FCDN-1和FCDN的流动控制装置，其中，FCD1对应于区域 1，FCD2对应于区域2，以及依此类推。各个流动控制装置图示为定位在一对环形屏障26之间，环形屏障延伸在完井钻柱24和井筒12之间，由此隔离生产间隔。如这里所使用的，术语“环形屏障”可指本技术领域内技术人员熟知的任何合适的压力屏障，包括但不限于：生产封隔器、可充气封隔器、可膨胀封隔器等，以及还指诸如沙砾充填或其它井筒填料材料之类的材料，这些材料的运作在其间提供压差，由此隔离井筒内的各个区域。环形屏障可以提供也可不提供管式钻柱和井筒之间的完全密封。 [0024] 在所示实施例中，流动控制装置可用作多种功能。例如，流动控制装置的功能可起作过滤介质，诸如丝包裹网、编织丝网、预制滤网等，其周围带有或不带有定位的外罩，其设计成允许流体流过其中，但阻止预定规格的颗粒物质流过其中。此外，流动控制装置的功能可起作流入流的控制装置，在井生产的生产阶段期间调节生产流体流的流动，或者起作流出流的控制装置，在井生产的处理阶段期间控制注入流体流的流动，或是两者兼有。可使用流动控制装置内相同的或不同的部件来实现流入流和流出流的控制，这样，可实现理想的流量。例如，可要求具有比通过流动控制装置所要求的生产率高的注入率，在该情形中，可使用不同的注入阀和生产阀，或可使用比生产阀多的注入阀。正如下文中要详细解释的，当在系统内运行并根据本发明的方法时，流动控制装置还操作而动态地响应于局部井状态，以控制地层流体的流入流或通过井筒各个区域注入流体的流出流。应该指出的是，通过流动控制装置内相同的或不同的部件，可执行生产或注入操作过程中流入流或流出流控制的功能，以及动态地响应于井筒状态的功能。 [0025] 例如，可使用流体限制器来实现生产或注入操作过程中对流入流或流出流的控制，限制器诸如是喷嘴、流动管、迷宫式密封件或其它蜿蜒路径的流动限制器，以及涡流腔室或其它射流二极管、含有限制流体流动的填料材料、诸如珠子或流体选择器材料的基质腔，当与碳氢化合物、水或诸如PH、离子浓度等的激励物接触时这样的材料会膨胀。可使用各种阀来实现动态响应井筒状态的功能，各种阀诸如滑阀、柱塞阀、速度阀或类似的阀。替代地，可通过诸如扼流器或其它无限可变阀组件的同样部件，来执行生产或注入操作过程中对流入流或流出流的控制以及对井筒状态的动态响应。 [0026] 仍参照图1，每个流动控制装置与一个或多个相邻区域连通，例如，流体地连通，流体压力连通等。具体来说，FCD1可操作地与流动管28相连，提供通过一个环形屏障26与区域2的上游连通。如这里所使用的，术语“流动管”应指任何能够提供连通路径的介质，诸如是流体或压力连通的路径，介于流动控制装置和另一区域之间。例如，流动管可以是控制管线或处于管式钻柱和延伸通过一个或多个环形屏障的井筒之间环腔中的其它管子。替代地，流动管可以是围绕管式钻柱的同心管子，这些管子延伸通过和较佳地定位在一个或多个环形屏障内部。流动管可提供流动控制装置和另一区域之间的没有阻碍的连通路径，或流动管可包括阀门、活塞或其它流动控制器或压力操作装置。在所示的实施例中，FCD2可操作地与流动管30相连，提供通过一个环形屏障26的与区域1的下游连通。还有，FCD2可操作地与流动管32相连，提供通过一个环形屏障26的与区域3的上游连通。FCD3可操作地与流动管34相连，提供通过一个环形屏障26的与区域2的下游连通。还有，FCD3可操作地与流动管36相连，提供通过一个环形屏障26的上游连通。FCDN-1可操作地与流动管38相连，提供通过一个环形屏障26的下游连通。还有，FCDN-1可操作地与流动管40相连，提供通过一个环形屏障26的与区域N的上游连通。FCDN可操作地与流动管42相连，提供通过一个环形屏障26的与区域N-1的下游连通。即使图1示出了通过流动管与一个或多个相邻区域连通的各个流动控制装置，但本技术领域内技术人员要理解到，本发明的流动控制装置可替代地或附加地与一个或多个远处区域连通，这些远处区域不邻近于流动控制装置运行的区域。 [0027] 即使图1示出了处于裸眼井环境中的本发明的流动控制装置，但本技术领域内技术人员应理解到，本发明同样很好地适用于有套管的井中。还有，即使图1示出每个生产间隔内一个流动控制装置，但本技术领域内技术人员应理解到，任何数量的流动控制装置可配置在生产间隔内，而不会脱离本发明的原理。此外，即使图1示出了本发明流动控制系统位于井筒的水平部分内，但本技术领域内技术人员应理解到，本发明同样很好地适用于具有其它方向构造的井中，包括垂直井、偏转井、斜井、多侧向井等。因此，本技术领域内技术人员应理解到，诸如以上、以下、上、下、向上、向下、左、右、向上钻进、向下钻进等的方向性术语的使用，是相对于图中所示的说明性实施例来使用的，向上方向是朝向对应图中的顶部，而向下方向是朝向对应图中的底部，向上钻进（沿井身向上）方向是朝向井的地面，而向下钻进（沿井身向下）是朝向井的趾部。 [0028] 现将参照图1-4来描述对局部井状态有动态响应的向下钻进流体流动控制系统的操作。在图1中，图示为完井钻柱24的管式钻柱已经位于井筒12内。多个环形屏障26已经配置，它们隔离多个区域；即，区域1-区域N。各个区域包括流体流动控制装置FCD1-FCD-N，其通过流动管28-42与一个或多个其它区域流体地连通。图1示出处理操作的第一阶段，其中，FCD1处于打开位置中，而FCD2-FCDN全都处于关闭位置中，这样，用箭头示出的处理流体引导流出完井钻柱24外，通过FCD1和区域1流入地层20内。所示处理操作可以是酸处理、液压破裂操作或其它需要泵的操作，泵送流体向下通过管式钻柱流入生产区域或地层内。 [0029] 当处理流体通过区域1泵送到地层20内时，区域1内的压力P1将随局部井状态变化而改变。例如，在酸处理过程中，区域1内的压力P1起初处于高于储层压力的高压下，因为过滤块或其它井筒的损坏将对流入井筒地面处的地层内的处理流体流动造成阻力。当酸处理移去区域1内的过滤块时，压力P1将随流入地层内阻力的减小而减小。作为另一实例，在某些破裂操作中，区域1内压力P1起初处于高于储层压力的高压下，因为大量处理流体被泵送到地层内而形成和支持打开液压破裂。当破裂停止传播，或发生砂堵时，压力P1将增加。同样地，在其它的破裂操作中，区域1内的压力P1起初处于高于储层压力的高压下，因为大量处理流体被泵送到地层内而形成和支持打开液压破裂。例如，当处理流体的成分从高粘度凝胶变化到低粘度的流体时，压力P1将随着流入地层内流动阻力的减小而减小。在各个这些处理的情形中，压力P1随时间而改变，并具有预期的压力征兆。 [0030] 在所示的实施例中，由于通过流动管30经环形屏障26的流体连通，由区域2内的FCD2看到区域1内的这些压力变化。根据处理操作过程中的预期压力征兆，流体压力P1可发送到FCD2内活塞、滑动套筒或其它操作机构的合适侧。FCD2内活塞、滑动套筒或其它操作机构的另一侧可看到区域2的压力P2，其是最初储层的压力。P1和P2之间的压差因此提供能源来操作FCD2，从第一操作构造转变到第二操作构造。根据所执行的操作和将压力P1和P2发送到FCD2，此时，P1经历希望的压力增大或减小，压差形成在P1和P2之间，这样，在所示的实施例中，FCD2从关闭位置转变到打开位置，如图2清晰地所示。 [0031] 根据处理操作所要求的输出，一旦FCD2打开，FCD1可保持打开，或较佳地FCD1可关闭。在所示实施例中，由于通过流动管28经环形屏障26的流体连通，由区域1内的FCD1看到区域2内的压力P2。根据处理操作过程中的预期压力征兆，流体压力P2可发送到FCD1内操作机构的合适侧，FCD1的另一侧较佳地看到区域1的压力P1。P1和P2之间的压差因此提供能源来操作FCD1，从第一操作构造转变到第二操作构造，在此情形中，使FCD1从打开位置转换到关闭位置，如图2清晰地所示。较佳地，在关闭FCD1之前打开FCD2。这可使用时间延迟电路来实现，诸如计量流体来调节FCD1的关闭速度。一旦FCD1关闭，它可使用弹簧、夹头或其它锁定组件被机械地偏置或锁定在关闭位置中，或它可通过系统内的压力，诸如是管子压力，偏置到关闭位置。 [0032] 处理操作然后在区域2内继续，压力P2随时间而变化，预期的压力征兆依赖于正在执行的处理操作。由于通过流动管34经环形屏障26的流体连通，由区域3内的FCD3看到区域2内的压力变化。根据处理操作过程中的预期压力征兆，流体压力P2可发送到FCD3内操作机构的合适侧，另一侧较佳地可看到区域3的压力P3，其是最初储层的压力。P2和P3之间的压差因此提供能源来操作FCD3，从其关闭位置转变到打开位置，如图3清晰地所示。 [0033] 根据处理操作所要求的输出，一旦FCD3打开，FCD2可保持打开，或较佳地FCD2可关闭。在所示实施例中，由于通过流动管32经环形屏障26的流体连通，由区域2内的FCD2看到区域3内的压力P3。根据处理操作过程中的预期压力征兆，流体压力P3可发送到FCD2内操作机构的合适侧，另一侧较佳地看到区域2的压力P2。P2和P3之间的压差因此提供能源来操作FCD2，从其打开位置转变到关闭位置，如图3清晰地所示。较佳地，在关闭FCD2之前打开FCD3，而FCD2固定在关闭位置中。 [0034] 该过程可以步进的方式向上钻进地进行，以达到所要求的处理目标，直到井筒12的最后区域被处理为止，如图4清晰地所示，其中，FCDN打开以让处理流体如箭头所示地进入区域N，所有其它的流动控制装置都关闭。在处理操作完成之后，根据区域内顺序的压差变化，每个先前关闭的流动控制装置可运行至打开位置。例如，当产出流体进入到区域N时，压力PN下降到储层压力之下。由于通过流动管40经环形屏障26的流体连通，由区域N-1内的FCDN-1看到区域N内的该压力变化。流体压力PN可发送到FCDN-1内操作机构的合适侧，另一侧较佳地看到区域N-1的压力PN-1。PN和PN-1之间的压差可用作为能源来操作FCDN-1，从其关闭位置转变到打开位置。该过程可以步进的方式向下钻进地进行，直到所有区域打开而进行生产为止。 [0035] 现将参照图5-6来描述对局部井状态有动态响应的向下钻进流体流动控制系统的另一种操作。在图5中，图示为完井钻柱24的管式钻柱已经位于井筒12内。多个环形屏障26已经配置，它们隔离多个区域；即，区域1-区域N。各个区域包括流体流动控制装置FCD1-FCD-N，其通过流动管28-42与一个或多个其它区域流体地连通。图5示出生产操作，其中，每个流动控制装置处于打开位置中，使得由箭头所示的生产流体通过各个流动控制装置和各个区域流入完井钻柱24内。 [0036] 在生产操作过程中，FCD1-FCDN内的流入流控制部件将要调节和平衡通过各个区域的生产率。然而，在某些情形中，流入流控制部件可能不调节和平衡生产率，或由于流过某一区域流量的变化，或流入某一区域内生产流体成分的变化，可要求将一个或多个区域生产的流体关闭起来或高度限制其生产。例如，如果要求在井系统内生产的流体是油，且一个或多个区域开始生产诸如气体或水那样不希望的流体，则本发明的流体流动控制系统可动态地响应于该局部的井状态。由于油的粘度一般地高于气体或水的粘度，当油通过地层迁移到井筒时其所经受的压降大于水或气体经受的压降。这样，当水或气体生产到区域内时，该区域内的压力大于生产油的区域内的压力。同样地，如果流入某一区域的流量由于地层内裂沟而增大，则地层内该低阻力的区域可导致早期水或气体的生产。这样，当油从地层内高渗透性的区域生产到某一区域时，该区域内的压力大于通过地层正常渗透性区域生产油的区域内的压力。在各个这些生产情形中，可使用各种区域内的压差来控制生产。 [0037] 在所示的实施例中，如果流量或流体成分变化已经导致区域2内压力高于区域1或区域3，或高于两者，则由于通过流动管30、32经环形屏障26的流体连通，区域2内的FCD2可看见这些压差。流体压力P1或P3可发送到FCD2内活塞、滑动套筒或其它操作机构的合适侧，FCD2内活塞、滑动套筒或其它操作机构的另一侧看到区域2的压力P2。P1和P2或P3和P2之间的压差因此提供能源来操作FCD2，从第一操作构造转变到第二操作构造。例如，当压差达到预定水平时，可操作FCD2从其打开位置到扼流位置，或FCD2可操作而从其打开位置到关闭位置，如图6清楚地所示。较佳地，FCD2然后固定在关闭位置中。在全部的井筒系统中无干预地继续该过程，因为生产流体的流量或成分在各种区域内变化，压差提供能量来关闭要求的流动控制装置。应该指出的是，操作各种流动控制装置所需的压差在不同区域内可以不同，并可预先选择或预定。 |
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