用于可调节地控制来自地下井的产出流体的流入的装置的制作方法

专利名称：用于可调节地控制来自地下井的产出流体的流入的装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及对来自穿过含烃地层的井的流体生产的控制，并且尤其涉及一 种在地下井寿命期限内可调节的、用于控制来自地下井的产出流体(production fluid)的 流入的装置。
背景技术：
在不对本发明的范围构成限制的前提下，本文将以从地层中产出流体为例描述本 发明的背景。在穿越含烃地层的井的完井期间，将产油管和各种装备安装在井中以便能够安全 和有效地产出地层流体。例如，为防止来自松散或疏松的地层的颗粒物的产生，某些完井包 括设置在期望的生产层段(production interval)附近的一个或多个防砂筛。在其它完井 中，为控制流体流入产油管的流速，一般做法是在管柱内安装一个或多个流体流动控制装置。近年来，已尝试在需要防砂的完井内使用流体流动控制装置。尽管通过使用这类 装置获得了一些效益，但许多这类装置的操作复杂并且可靠性低。另外，已发现在油井的寿 命期限内，当地层枯竭并且储层压力降低时，许多这类流体流动控制装置的流动控制特性 可能不再适合于实现期望的生产目标，尤其是在长的水平层段中更是如此。因此，需要一种流体流动控制装置来控制需防砂的完井中的地层流体的流入。还 需要这种流体流动控制装置在各种流动状态下可靠。此外，还需要能够在油井的整个寿命 期限内使用的流体流动控制装置。

发明内容
在此披露的本发明包括用于控制地层流体的流入的流体流动控制装置。本发明的 流体流动控制装置在各种流动条件下都是可靠的。另外，本发明的流体流动控制装置可在 油井的整个寿命期限内使用，并且可与过滤介质结合使用，被用作具有流动控制能力的防 砂筛。—方面，本发明涉及一种可设置在井筒内的防砂筛。该防砂筛包括具有至少一个 开口的基管，该开口允许流体在基管的外部与基管的内部流路之间流动。在基管的外部设 有过滤介质。可致动装置与至少一个开口可操作地关联。可致动装置可被操作以在初始阻 止流体经由至少一个开口流动，并且可被致动以允许流体经由至少一个开口流动。在一个 实施例中，可致动装置是对内部流路中的压力增大到预定值作出响应而被致动的压力致动 装置。例如，压力致动装置可为破裂片。另一方面，本发明涉及一种防砂筛，该防砂筛包括具有至少一个开口的基管，该开 口允许流体在基管的外部与基管的内部流路之间流动。在基管的外部设有过滤介质。限流 装置被设置在过滤介质与至少一个开口之间的流体流路中。可致动装置与至少一个开口可 操作地关联。在此实施例中，限流装置可操作以在从中流过的流体中产生压降。另外，可致动装置可被操作以在初始阻止流体经由至少一个开口流动，并且可被致动以允许流体经由 至少一个开口流动。又一方面，本发明涉及一种防砂筛，该防砂筛包括具有至少一个开口的基管，该开 口允许流体在该基管的外部与该基管的内部流路之间流动。在基管的外部设有过滤介质。 单向阀被设置在过滤介质与至少一个开口之间的流体流路中。可致动装置与至少一个开口 可操作地关联。在该实施例中，单向阀可被操作以允许流体沿下游方向从过滤介质流到至 少一个开口、且阻止流体沿上游方向从至少一个开口流到过滤介质。另外，可致动装置可被 操作以在初始阻止流体经由至少一个开口流动、且可被致动以允许流体经由至少一个开口 流动。另一方面，本发明涉及一种防砂筛，该防砂筛包括具有至少一个开口的基管，该开 口允许流体在基管的外部与基管的内部流路之间流动。在基管的外部设有过滤介质。限流 装置和单向阀被设置在过滤介质与至少一个开口之间的流体流路中。可致动装置与至少一 个开口可操作地关联。在此实施例中，限流装置可被操作为在从中流过的流体中产生压降， 单向阀可被操作以允许流体沿下游方向从过滤介质流到至少一个开口、且阻止流体沿上游 方向从至少一个开口流到过滤介质；可致动装置可被操作以在初始阻止流体经由至少一个 开口流动、且可被致动以允许流体经由至少一个开口流动。还是在此实施例中，限流装置可 被设置在单向阀的上游或下游，或者限流装置与单向阀可以是整合形成的。另一方面，本发明涉及一种用于控制来自地下井的产出流体的流入的流动控制装 置。该流动控制装置包括管状构件，该管状构件具有允许流体在该管状构件的外部与该管 状构件的内部流路之间流动的多个开口。该流动控制装置还包括可操作地设置在位于管状 构件外部的流体源与内部流路之间的流体流路中的多级限流区段。限流区段包括多个限 流装置，每个限流装置可被操作以产生压降，并且每个限流装置与开口之一关联而在流体 源与内部流路之间经由相应的开口形成多个流路。可致动装置与至少一些开口可操作地关 联。每个可致动装置在初始阻止流体经由相关的开口流动、且可被致动以允许流体经由相 关的开口流动，以依序地减小流体从流体源流到内部流路所经历的压降。在该流体流动控制装置的一个实施例中，至少一些限流装置包括可阻止流体从限 流区段流到流体源的单向阀。在另一实施例中，该流体流动控制装置包括在流体源与多级 限流区段之间设置于管状构件外部的过滤介质。又一方面，本发明涉及一种防砂筛，该防砂筛包括具有第一开口和第二开口的基 管，这些开口允许流体在基管的外部与基管的内部流路之间流动。在基管的外部设有过滤 介质和限流区段。限流区段包括第一限流装置和第二限流装置，第一限流装置和第二限流 装置分别在从中流过的流体中产生第一压降和第二压降。第一限流装置在过滤介质与内部 流路之间经由第一开口提供第一流路。第一和第二限流装置在过滤介质与内部流路之间经 由第二开口提供第二流路。可致动装置与第一开口可操作地关联。可致动装置可被操作以 在初始阻止流体经由第一开口流动，并且可被致动以允许流体经由第一开口流动。通过这 种方式，流经限流区段的流体可从第二流路转换到第一流路流动，由此减小与流经限流区 段的流体流动关联的压降。在防砂筛的一个实施例中，与第二开口可操作地关联的可致动装置在初始阻止流 体经由第二开口流动，并且可被致动以允许流体经由第二开口流动。附加地或可替代地，单向阀可与上述限流装置之一或与上述两个限流装置相关联，以阻止流体从限流区段流到过 滤介质。又一方面，本发明涉及一种防砂筛，该防砂筛包括具有第一开口、第二开口以及第 三开口的基管，这些开口允许流体在基管的外部与基管的内部流路之间流动。在基管的外 部设有过滤介质和限流区段。限流区段包括第一限流装置、第二限流装置以及第三限流装 置，第一限流装置、第二限流装置以及第三限流装置分别在从中流过的流体中产生第一压 降、第二压降以及第三压降。第一限流装置在过滤介质与内部流路之间经由第一开口提供 第一流路。第一和第二限流装置在过滤介质与内部流路之间经由第二开口提供第二流路。 第一、第二以及第三限流装置在过滤介质与内部流路之间经由第三开口提供第三流路。第 一和第二可致动装置与第一和第二开口可操作地关联。第一和第二可致动装置可分别被操 作以在初始阻止流体经由第一和第二开口流动、且可分别被致动以允许流体经由第一和第 二开口流动。第二可致动装置可以是对内部流路中压力增大到第一预定值作出响应而被致 动的压力致动装置。第一可致动装置也可以是对内部流路中压力增大到更大的第二预定值 作出响应而被致动的压力致动装置。通过这种方式，流经限流区段的流体可从第三流路转 换到第二流路并随后转换到第一流路流动，从而依序地减小与流经限流区段的流体流动关 联的压降。在一个实施例中，每个限流装置还具有与其关联的单向阀，该单向阀阻止流体从 限流区段流到过滤介质。还是在此实施例中，基管可包括第四开口，第四开口允许流体在 基管的外部与基管的内部流道之间流动，并形成绕过第一、第二以及第三限流装置的第四 流路。在这种配置(configuration)下，可致动装置与第四开口可操作地关联，从而可被操 作以在初始阻止流体经由第四开口流动，并且可被致动以允许流体经由第四开口而绕过第 一、第二以及第三限流装置流动。在另一方面，本发明涉及一种包括大体为管状的外壳和设置在外壳内的球定位圈 的单向阀。球定位圈具有限定内部流道的大体管状的构件。环形凸缘从管状构件沿径向向 外延伸，并具有纵向延伸贯穿该环形凸缘的多个通道。环形固定凸缘从管状构件沿径向向 外延伸。多个纵向延伸的轨道相对于管状构件的外表面被设置并在环形凸缘与环形固定凸 缘之间延伸。多个球被设置在由外壳、管状构件的外表面、环形凸缘及环形固定凸缘所限定 的环形区域内。每个球与上述轨道之一对应，使这些球得以被允许在轨道内进行纵向运动， 但这些球被阻止在相应的轨道外的环形区域内进行周向运动。在一种配置中，球远离通道，以允许流体沿第一方向流经单向阀。在另一构造中， 球的位置相对于通道，以阻止流体沿第二方向经由单向阀流动。在一个实施例中，每个轨道沿轨道的纵向长度具有大体均勻的周向宽度。在另一 实施例中，每个轨道在环形固定凸缘附近的周向宽度比该轨道在环形凸缘附近的周向宽度 更大。


为了更全面地理解本发明的特征和优点，现请参照结合附图对本发明的详细说 明，其中，不同附图中的相应的附图标记表示相应的部件，并且附图中图1为运用根据本发明的多个流体流动控制装置的井系统的示意图2为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图3为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图4为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图5为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图6为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图7为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图； 图8为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图9为根据本发明的流体流动控制装置的四分之一剖面的局部侧视图；图IOA至图IOE为在根据本发明的流体流动控制装置中使用的限流装置的不同的 实施例的剖视图；图IlA至图IlF为在根据本发明的流体流动控制装置中使用的单向阀的不同的实 施例的剖视图；图12A至图12C为可在根据本发明的流体流动控制装置中使用的环形单向阀的一 个实施例的视图，该环形单向阀具有从中穿过的多个流路；以及图13A至图13C为可在根据本发明的流体流动控制装置中使用的环形单向阀的另 一实施例的视图，该环形单向阀具有从中穿过的多个流路。
具体实施例方式尽管在下文中详细阐述了本发明的多个实施例的构造和运用，但应认识到，本发 明提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可体现在各种各样的具体环境下实施。在 此所述具体实施例仅说明构造和运用本发明的具体方式，而非限制本发明的范围。首先参照图1，其中示出了包括实施本发明原理的多个流体流动控制装置的井系 统，该井系统被示意性地示出并概括地以附图标记10表示。在图示的实施例中，井筒12延 伸穿过各种地层结构(earth strata)。井筒12具有大体上竖直的区段14，区段14的上部 安装有套管柱16。井筒12还具有大体水平的区段18，区段18延伸穿过含烃地层20。如图 所示，井筒12的大体水平的区段18为裸井。管柱22设于井筒12内并从地表延伸。管柱22形成一条管道，用于使地层流体从 地层20流动到地表。设在管柱22内的是封闭组件24和多个流体流动控制装置26。通过使 用本发明的流体流动控制装置26，能够对流速和产出流体的成分进行控制。例如，通过阻塞 (choking)来自整个生产层段的产出，可从整个层段获得更为均勻的产出曲线(production profile) 0特别地，如果允许从地层20产出而不进行井下阻塞，则大部分进入管柱22中 的产品来自地层20的靠近井的跟部(heel)的部分，而极少来自地层20的靠进井的趾部 (toe)的部分。随着来自地层20的靠近跟部的部分的所期望获得的流体枯竭，这种情况可 导致水过早侵入。通过在本发明的每个流体流动控制装置26中结合一个或多个限流装置，可获得 沿大体水平的区段18的整个长度更为均勻的产出曲线。另外，在每个流体流动控制装置26 内有一个以上串联的限流装置的实施例中，由于可随着时间的推移来调节与流体流动控制 装置26关联的压降，所以可在油井的寿命期限内维持均勻的产出曲线。在图示的实施例中，每个流体流动控制装置26不仅提供了流体流动控制能力，还提供了防砂能力。与流体流动装置26关联的防砂筛构件或过滤介质被设计为允许流体从 中流过，但阻止大尺寸的颗粒物从中流过。对本发明而言，与流体流动控制装置26关联的 筛构件的精确设计并不是关键性的，只要其被设计为适于地层流体的特性以及要执行的任 何处理操作即可。例如，防砂筛可采用不穿孔的基管，有一根丝缠绕在沿该基管的周向设置 的多个肋周围，由此在基管与绕丝之间提供空隙(stand off)。可替代地，可使用可渗透流 体而限制颗粒的金属材料作为过滤介质，上述金属材料例如为多层丝网筛，上述多层丝网 筛被烧结在一起从而构成可渗透流体的可渗透流体的丝网筛管。如图所示，可围绕过滤介 质的外部设置外护罩，该外护罩有多个从中穿过的穿孔。尽管图1示出了设于裸井环境中的本发明的流体流动控制装置，但本领域技术人 员应理解，本发明的流体流动控制装置同样适用于有衬套的井。而且，尽管图1示出了一系 列流体流动控制装置，但本领域技术人员应理解，本发明的流体流动控制装置同样适用于 利用设在多个相邻的流体流动控制装置或流体流动控制装置组之间的封隔器(packer)或 其它封闭装置分成多个层段的井。另外，尽管图1示出本发明的流体流动控制装置位于井筒的水平区段中，但是本 领域技术人员应理解，本发明的流体流动控制装置同样适用于倾斜的或竖直的井筒。因此， 本领域技术人员应理解，诸如“上”、“下”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”等方向性措辞是 与图中所示的说明性实施例相关联地使用的，向上的方向朝向相应的附图的顶端，向下的 方向朝向相应的附图的底端。此外，尽管图1示出本发明的流体流动控制装置是包括防砂 筛构件的，但本领域技术人员应理解，本发明的流体流动控制装置同样适用于不需要防砂 的完井。下面参照图2，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记100表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置100可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 100包括防砂筛区段102和限流区段104。防砂筛区段102包括被设计为允许流体从中流过 但阻止大尺寸的颗粒物从中流过的、适合的防砂筛构件或过滤介质，例如，绕丝筛、编织丝 网筛等。在图示实施例中，围绕过滤介质的外部设置有具有多个穿孔108的保护外壳106。限流区段104与防砂筛区段102串联设置，使得产出流体在进入限流区段104之 前必须流经防砂筛区段102。限流区段104包括外壳110。外壳110与基管118限定环形 室112。基管118包括开口 120，该开口允许流体在基管118的外部与基管118内的内部流 路122之间流动。开口 120内设有可致动装置124。在操作中，流体流动控制装置100在可致动装置124处于其未致动配置的状态下 被安装在井内，在该配置下，流体不能流过流体流动控制装置100。在特定实施例中，可致 动装置124可以是对内部流路122中的压力增大到预定值作出响应而被致动的压力致动装 置。例如，可致动装置124可为供一次性使用的破裂片或爆裂片。在这种情况下，破裂片的 薄膜被设置为在固定的压力下破坏，因此当薄膜暴露于该压力下时，经由该破裂片的通道 就打开。使用这种破裂片能够一次性地打开通道但不能再封闭该通道。然而，本领域技术 人员应注意，也可选择性地使用其它类型的可致动装置124，这类装置包括但不限于阀、滑 动套筒、可移动的塞等。另外，可使用其它的致动该装置或经由基管形成连通的方法，这包 括但不限于液压控制系统、电力致动器、冲压工具等。一旦可致动装置124被致动，流体就能够经由开口 120流动，并由此能够流经流体流动控制装置100。因此，通过将可致动装置 124致动，可使流体流动控制装置100从不可流动配置被操作到可流动配置。下面参照图3，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记200表示的根据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置200可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 200包括防砂筛区段202和限流区段204。防砂筛区段202包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示实施例中，围绕该过滤介质的外部设有具有多个穿孔208的保护外壳206。限流区段204与防砂筛区段202串联设置，使得产出流体在进入限流区段204之 前必须流经防砂筛区段202。限流区段204包括外壳210。外壳210与基管218限定环形 室212。基管218包括开口 220，该开口允许流体在基管218的外部与基管218内的内部流 路222之间流动。开口 220内设有可致动装置224。限流装置226还设有环形室212。限 流装置226包括流道228，流道228使从中流过的流体产生压降。在操作中，流体流动控制装置200在可致动装置224处于其未致动配置的状态下 被安装在井内。在此配置下，流体不能流过流体流动控制装置200。一旦可致动装置224被 致动，流体就能够经由开口 220流动，并由此能够流经流体流动控制装置200。在此实施例 中，从防砂筛区段202经由开口 220流到内部流路222的流体必须流经限流装置226的流道 228。流道228被设置为使从中流过的流体产生期望的压降，由此还可控制处于特定的储层 压力下的流速。如上所述，当一串流体流动控制装置200从井的跟部延伸到趾部时，在所有 这些流体流动控制装置200中产生的适当的压降将有助于沿层段的长度使产出曲线均衡。尽管限流装置226被图示具有管状流道228，但本领域技术人员应认识到，也可选 择性地使用其它类型的限流装置。例如，除管状流道(最好参看图10C)以外，可使用其它 适合的限流装置，包括孔板(最好参看图10A)、喷嘴(最好参看10B)、盘绕管(最好参看图 10D)、螺旋通道(最好参看10E)等。以下参照图4，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记300表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置300可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 300包括防砂筛区段302和限流区段304。防砂筛区段302包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示的实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔308的外护罩306。限流区段304与防砂筛区段302串联设置，使得产出流体在进入限流区段304之 前必须流经防砂筛区段302。限流区段304包括外壳310。外壳310与基管318限定环形 室312。基管318包括开口 320，该开口允许流体在基管318的外部与基管318内的内部流 路322之间流动。开口 320内设有可致动装置324。环形室312设有单向阀。单向阀326 防止了当内部流路322内的压力超过地层的压力时(例如当用压力来致动可致动装置324 时)流体流入地层的损失。在操作中，流体流动控制装置300在可致动装置324处于其未致动配置的状态下 被安装在井内。在此配置下，流体不能流过流体流动控制装置300。一旦可致动装置324被 致动，流体就能够经由开口 320流动。在此实施例中，通过单向阀326来阻止流体从内部流 路322流到地层，这样就防止了当利用压力来致动位于该流体流动控制装置或其它流体流 动控制装置中的类似的可致动装置时的流体损失。当致动压力被释放时，流体能够从地层经由单向阀326流到内部流路322。本领域技术人员应理解，在本发明的流体流动控制装置的限流区段中，可适当地 使用各种不同的单向阀配置。例如，可使用弹簧偏压的环形套筒(最好参看图11A)、弹簧偏 压的球和球座(最好参看图11B)、枢转门(最好参看11C)、弹簧偏压的提动阀和阀座(最 好参看图11D)、可径向弯曲的弹性构件(最好参看 11E)、设于环形道槽(race)中的多个浮 球和沿周向隔开的球座(最好参看图11F)等。另外，本领域技术人员应理解，也可将单向 阀与可致动装置串联地设置在基管内。下面参照图5，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记400表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置400可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 400包括防砂筛段402和限流段404。防砂筛区段402包括适合的防砂筛构件或过滤介质。 在图示实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔408的外护罩406。限流区段404与防砂筛区段402串联设置，使得产出流体在进入限流区段404之 前必须流经防砂筛区段402。限流区段404包括外壳410。外壳410与基管418限定环形 室412。基管418包括开口 420，该开口允许流体在基管418的外部与基管418内的内部流 路422之间流动。开口 420内设有可致动装置424。环形室412设有限流装置426。限流 装置426包括流道428，流道428使从中流过的流体产生压降。单向阀430在环形室412内 设置在限流装置426的下游。单向阀430防止了当内部流路422内的压力超过地层的压力 时(例如当利用压力来致动可致动装置424和其它类似的装置时)流体流入地层的损失。在操作中，流体流动控制装置400在可致动装置424处于其未致动配置的状态下 被安装在井内。在此配置下，流体不能流过流体流动控制装置400。一旦可致动装置424被 致动，流体就能够经由开口 420流动。在此实施例中，单向阀430防止了流体从流路422流 到地层的损失。流体产品能够从地层经由开口 420流到内部流路422。这种流体流动必须 流经限流装置426的流道428，流道428被设置为使从中流过的流体产生期望的压降，由此 还可控制特定的储层压力下流过该流道的流速。如上所述，当一串流体流动控制装置400 从井的跟部延伸到趾部时，在所有这些流体流动控制装置400中产生的适当的压降将有助 于沿层段的长度使产出曲线均衡。下面参照图6，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记500表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置500可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 500包括防砂筛区段502和限流区段504。防砂筛区段502包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔508的外护罩506。限流区段504与防砂筛区段502串联设置，使得产出流体在进入限流区段504之 前必须流经防砂筛区段502。限流区段504包括外壳510。外壳510与基管518限定环形 室512。基管518包括开口 520，该开口允许流体在基管518的外部与基管518内的内部流 路522之间流动。开口 520内设有可致动装置524。环形室512设有限流装置526。限流 装置526包括流道528，流道528使从中流过的流体产生压降。单向阀530被设置在环形 室512内的限流装置526的上游。单向阀530防止了当内部流路522内的压力超过地层的 压力时(例如当利用压力来致动可致动装置524和其它类似的装置时)流体流入地层的损失。在操作中，流体流动控制装置500在可致动装置524处于其未致动配置的状态下被安装在井内。在此配置下，流体不能流过流体流动控制装置500。一旦可致动装置524 被致动，流体就能够经由开口 520流动。在此实施例中，通过单向阀530来防止流体从流路 522流到地层的损失。流体产品可从地层经由开口 520流到内部流路522。这种流体流动 必须流经限流装置526的流道528，流道528被设置为使从中流过的流体产生期望的压降， 由此还可控制在特定的储层压力下流过该流道的流速。如上所述，当一串流体流动控制装 置500从井的跟部延伸到趾部时，在所有这些流体流动控制装置500中产生的适当的压降 将有助于沿层段的长度使产出曲线均衡。下面参照图7，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记600表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置600可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 600包括防砂筛区段602和限流区段604。防砂筛区段602包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔608的外护罩606。限流区段604与防砂筛区段602串联设置，使得产出流体在进入限流区段604之 前必须流经防砂筛区段602。限流区段604包括外壳610。外壳610与基管618限定环形 室612。基管618包括开口 620，该开口允许流体在基管618的外部与基管618内的内部流 路622之间流动。开口 620内设有可致动装置624。环形室612设有限流装置626。限流 装置626包括流道628，流道628使从中流过的流体产生压降。限流装置626还包括整合的 单向阀630。单向阀630防止了当内部流路622内的压力超过地层的压力时(例如当利用 压力来致动可致动装置624和其它类似的装置时)流体流入地层的损失。在操作中，流体流动控制装置600在可致动装置624处于其未致动配置的状态下 被安装在井内。在此配置下，流体不能流经流体流动控制装置600。一旦可致动装置624被 致动，流体就能够经由开口 620流动。在此实施例中，单向阀630防止了流体从流路622流 到地层的损失。流体产品能够从地层经由开口 620流到内部流路622。这种流体流动必须 流经限流装置626的流道628，流道628被设置为使从中流过的流体产生期望的压降，由此 还可控制特定储层压力下流过该流道的流速。如上所述，当一串流体流动控制装置600从 井的跟部延伸到趾部时，在所有这些流体流动控制装置600中产生的适当的压降将有助于 沿层段的长度使产出曲线均衡。下面参照图8，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记700表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置700可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具以形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 700包括防砂筛区段702和限流区段704。防砂筛区段702包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示的实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔708的外护罩706。限流区段704与防砂筛区段702串联设置，使得产出流体在进入限流区段704之 前必须流经防砂筛区段702。限流区段704包括外壳710。外壳710与基管718限定环形室 712。基管718包括开口 720和开口 722，这些开口允许流体在基管718的外部与基管718 内的内部流路724之间流动。开口 720内设有可致动装置726，而开口 722内设有可致动装 置728。环形室712设有限流装置730。限流装置730包括流道732，该流道使从中流过的流体产生压降。另外，环形室712设有限流装置734。限流装置734包括流道736，该流道 使从中流过的流体产生压降。在特定的操作中，流体流动控制装置700在可致动装置726和728处于其未致动 配置的状态下被安装在井内。在此配置下，流体不能流经流体流动控制装置700。随后，可 将井下的可致动装置726致动，以经由该可致动装置形成流体连通。或者，流体流动控制装 置700可在可致动装置726被移除或不可用的状态下被安装在井内。在任一种安装配置中， 一旦流体能够经由开口 720流动，从防砂筛区段702经由开口 720流到内部流路724的流 体就必须流经限流装置734和限流装置730。限流装置734和限流装置730均被设置为在 从中流过的流体中产生期望的压降，由此还可控制在特定的储层压力下经由这些限流装置 的流速。如上所述，当一串流体流动控制装置700从井的跟部延伸到趾部时，在所有这些流 体流动控制装置700中产生的适当的压降将有助于沿层段的长度使产出曲线均衡。随着储层变枯竭并且储层压力下降，可能不再期望由限流装置734与限流装置 730 一起产生压降。在此实施例中，能够调节与流体流动控制装置700关联的压降，以加强 从储层的最终回收。具体地，当期望减小经由流体流动控制装置700产生的压降时，可致动 井下的可致动装置728，以经由开口 722形成流体连通。在此配置下，从防砂筛区段702流 到内部流路724的流体此时将绕过限流装置730并避开与限流装置730关联的压降，而流 过限流装置734和开口 722。因此，通过形成绕过限流装置730的流体路径，此实施例能够 使从该流体路径流过的流体所经历的压降减小。下面参照图9，其中示出了被有代表性地示出、并概括地以附图标记800表示的根 据本发明的流体流动控制装置。流体流动控制装置800可适当地联结到其它类似的流体流 动控制装置、封闭组件、开采管或其它井下工具来形成如上所述的管柱。流体流动控制装置 800包括防砂筛区段802和限流区段804。防砂筛区段802包括适合的防砂筛构件或过滤 介质。在图示实施例中，围绕过滤介质的外部设有具有多个穿孔808的外护罩806。限流区段804与防砂筛区段802串联设置，使得产出流体在进入限流区段804之 前必须流经防砂筛区段802。限流区段804包括外壳810。外壳810与基管818限定环形 室812。基管818包括多个开口 820、822、824、826，这些开口允许流体在基管818的外部与 基管818内的内部流路828之间流动。开口 820、822、824、826各自内部分别设有可致动装 置830、832、834、836。环形室812设有限流装置838。限流装置838包括流道840和整合 的单向阀842，该流道使从中流过的流体产生压降，该单向阀防止了流体流入地层的损失。 另外，环形室812设有限流装置844。限流装置844包括流道846和整合的单向阀848，该 流道使从中流过的流体产生压降，该单向阀防止了流体流入地层的损失。而且，环形室812 设有限流装置850。限流装置850包括流道852和整合的单向阀854，该流道使从中流过的 流体产生压降，该单向阀防止了流体流入地层的损失。在特定的操作中，流体流动控制装置800在可致动装置830、832、834、836处于其 未致动配置的状态下被安装在井内。在此配置下，流体不能流过流体流动控制装置800。作 为选择，流体流动控制装置800可在可致动装置830被移除或不可用的状态下被安装在井 内。在任一种安装配置中，一旦流体能够经由开口 820流动，从防砂筛区段802经由开口 820流到内部流路828的流体就必须流经各个限流装置838、844、850。各个限流装置均被 设置为在从中流过的流体中产生期望的压降，并控制在特定的储层压力下经由这些限流装
13置的流速。如上所述，当一串流体流动控制装置800从井的跟部延伸到趾部时，在所有这些流体流动控制装置800中产生的适当的压降将有助于沿层段的长度使产出曲线均衡。随着储层变枯竭并且储层压力下降，可能不再期望由限流装置838、844、850产生 压降。在此实施例中，能够调节与流体流动控制装置800关联的压降。具体地，当期望减小 经由流体流动控制装置800产生的压降时，可致动井下的可致动装置832，以经由开口 822 形成流体连通。这种致动操作可通过使内部流路828中的压力升高到第一预定值来实现。 在此压力升高期间，通过单向阀842防止流体流入地层的损失。一旦经由开口 822形成连通，从防砂筛区段802流到内部流路828的流体此时即 绕过限流装置838并避开与限流装置838关联的压降而流过限流装置844、850和开口 822。 因此，此实施例能够通过形成绕过限流装置838的流体路径，而使流过该流体路径的流体 所经历的压降减小。随着储层进一步变枯竭，可能不再期望由限流装置844、850产生压降。在此实施 例中，能够再次调节与流体流动控制装置800关联的压降。具体地，当期望减小经由流体流 动控制装置800产生的压降时，可致动井下的可致动装置834，以经由开口 824形成流体连 通。这种致动操作可通过使内部流路828中的压力升高到第二预定值来实现。在此压力升 高期间，通过单向阀848防止流体流入地层的损失。一旦经由开口 824形成连通，从防砂筛区段802流到内部流路828的流体此时即 绕过限流装置838、844并避开与限流装置838、844关联的压降而流过限流装置850和开口 824。因此，此实施例能够通过形成绕过限流装置838、844的流体路径，而使流过该流体路 径的流体所经历的压降减小。随着储层更进一步变枯竭，可能不再期望由限流装置850产生压降。在此实施例 中，能够进一步调节与流体流动控制装置800关联的压降。具体地，当期望减小经由流体流 动控制装置800产生的压降时，可致动井下的可致动装置836，以经由开口 826形成流体连 通。这种致动操作可通过使内部流路828中的压力升高到比第二预定值更高的第三预定值 来实现。在此压力升高期间，通过单向阀854防止流体流入地层的损失。一旦经由开口 826形成连通，从防砂筛区段802流到内部流路828的流体此时即 绕过所有的限流装置并避开与所有的限流装置关联的压降而流经开口 826。因此，此实施例 能够通过形成连续绕过各限流装置的流体路径，而使流过该流体路径的流体所经历的压降 减小。现参照图12A至图12C，其中示出了环形单向阀的多个视图；该环形单向阀具有从 中穿过的多个流路，概括地以附图标记900表示。环形单向阀900可在上述的任一种流体 流动控制装置中，与上述的任一种单向阀(例如图IlA至图IlF所示的单向阀)结合使用 或作为替代件使用。环形单向阀900包括球定位圈902 (ball cage)，球定位圈902被设置 在外壳904(例如上述流体流动控制装置的外壳)内。球定位圈902包括大体为管状的构 件906，构件906与上述基管的其它部分一起限定一内部流道908。球定位圈902包括沿径 向向外延伸的环形凸缘910，凸缘910具有多个沿纵向延伸贯穿凸缘910的通道912。如图 所示，有8个通道912，但在不同的视图中仅能看到其中一些通道912。本领域技术人员应 理解，也可采用多于或少于8个的其它数目的通道。在管状构件906的外表面内形成有多个纵向延伸的槽914。每个槽914在周向上对应于一个通道912。球定位圈902包括沿径向向外延伸的环形固定凸缘916，固定凸缘 916中形成有多个槽口 918。每个槽口 918在周向上对应于一个槽914。对应的槽口 918和 槽914共同形成轨道920。在每个轨道920内设置有球922。当球定位圈902如图12A所 示地被设置在壳体904内时，每个球922都被保持在其相应的轨道920内，因此这些球在环 形区域924内被允许进行纵向运动、但被阻止越过相应的轨道920的宽度而在环形区域924 内进行周向运动。因此，在球922与通道912之间形成一一对应的关系。在操作中，球922响应于通道912与环形通道926之间的压差而在轨道920内移 动，环形通道926选择性地与内部流道908流体连通。例如，可以通过与上文就设置在基 管的开口内的可致动装置(例如基管318的开口 320内的可致动装置324)所描述的方式 相似的方式，来阻止环形通道926与内部流道908之间流体连通。同样，可通过致动上述可 致动装置来允许环形通道926与内部流道908之间流体连通。当环形通道926与内部流道 908呈流体连通并且内部流道908内的压力小于通道912内的压力时，由于球922远离通 道912，所以流体可从通道912的上游经由单向阀900流到内部流道908。当环形通道926 与内部流道908呈流体连通并且内部流道908中的压力大于通道912中的压力时，由于球 922位于通道912内，所以流体不能从内部流道908经由单向阀900流向通道912。因此， 当在上述流体流动控制装置的其中之一内使用单向阀900时，单向阀900通过选择性地允 许和阻止流体从中流过而提供可靠的流体控制，防止了流体从内部流道908流入地层的损 失，但允许来自地层的产品进入内部流道908。尽管轨道920被示出为由位于管状构件906的外表面内的槽914和位于环形固定 凸缘916中的槽口 918形成，但本领域技术人员应理解，轨道920也可采用其它的构造，这 些构造也被视为处于本发明的范围内。例如，可采用附连到管状构件906的外表面的沿径 向向外延伸的纵向轨道或其它结构来形成管状构件906的外表面上的轨道920，以防止相 应的球922越过轨道而在环形区域924内进行周向运动。现参照图13A至图13C，其中示出了环形单向阀的多个视图；该环形单向阀具有从 中穿过的多个流路，概括地以附图标记950表示。环形单向阀950可在上述的任一种流体 流动控制装置中，与上述的任一种单向阀(例如图11A至图11F所示的单向阀)结合使 用或作为替代件使用。环形单向阀950包括球定位圈952，该球定位圈952被设置在外壳 954 (例如上述流体流动控制装置的外壳)内。球定位圈952包括大体为管状的构件956， 构件956与上述基管的其它部分一起限定一内部流道958。球定位圈952包括沿径向向外 延伸的环形凸缘960，凸缘960具有多个纵向延伸贯穿凸缘960的通道962。如图所示，有8 个通道962，但在不同的视图中仅能看到其中一些通道962。本领域技术人员应理解，也可 以选择采用多于或少于8个的其它数目的通道。在管状构件956的外表面内形成有多个纵向延伸的槽964。每个槽964在周向上 对应于一个通道962。球定位圈952包括沿径向向外延伸的环形固定凸缘966，固定凸缘 966中形成有多个槽口 968。每个槽口 968在周向上对应于一个槽964。对应的槽口 968和 槽964共同形成轨道970。在每个轨道970内设置有球972。当球定位圈952如图13A所 示地被设置在壳体954内时，每个球972被保持在其相应的轨道970内，因此这些球在环形 区域974内被允许进行纵向运动、但在环形区域974内被阻止越过相应的轨道970的宽度 而进行周向运动。因此，在球972与通道962之间形成一一对应的关系。
在操作中，球972响应于通道962与环形通道976之间的压差而在轨道970内移 动，环形通道976选择性地与内部流道958流体连通。例如，可以通过与上文就设置在基 管的开口内的可致动装置(例如基管318的开口 320内的可致动装置324)所描述的方式 相似的方式，来阻止环形通道976与内部流道958之间流体连通。同样，可通过致动上述可 致动装置来允许环形通道976与内部流道958之间流体连通。当环形通道976与内部流道 958呈流体连通并且内部流道958中的压力小于通道962中的压力时，由于球972远离通 道962，所以流体可从通道962的上游经由单向阀950流到内部流道958。在此实施例中， 轨道970允许球972移动有限的周向距离，由此与上述的单向阀900相比，由于球972不再 处于流体所流经的直接流路中，因此减小了经由单向阀950达到的流动限制程度。同样，由 于允许球972在轨道970内进行这种有限的周向运动，使球972的磨损减少，而这种磨损可 能降低球972的封闭性能。当环形通道976与内部流道958呈流体连通，并且内部流道958 中的压力大于通道962中的压力时，由于球972位于通道962内，所以流体不能从内部流道 958经由单向阀950流向通道962。因此，当在上述的流体流动控制装置其中之一内使用单 向阀950时，单向阀950通过选择性地允许和阻止流体从中流过而提供可靠的流体控制，防 止了流体从内部流道958流入地层的损失，但允许来自地层的产品进入内部流道958。尽管轨道970被示出为由位于管状构件956的外表面 内的槽964和位于环形固定 凸缘966中的槽口 968形成，但本领域技术人员应理解，轨道970也可采用其它的构造，这 些构造也被视为处于本发明的范围内。例如，可采用附连到管状构件956的外表面的沿径 向向外延伸的纵向轨道或其它结构来形成管状构件956外表面上的轨道970，以防止相应 的球972越过轨道而在环形区域974内进行周向运动。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但这种描述不应被理解为具有限制性意 义。本领域技术人员参照以上描述，显然将预见到这些示例性实施例与本发明的其它实施 例的各种变型和组合。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这类变型或实施例。
权利要求
一种防砂筛，包括基管，其具有第一开口和第二开口，所述第一开口和第二开口允许流体在所述基管的外部与所述基管的内部流路之间流动；过滤介质，其设置在所述基管外部；限流区段，其设置在所述基管外部，所述限流区段包括第一限流装置和第二限流装置，所述第一限流装置和第二限流装置分别在从中流过的流体中产生第一压降和第二压降，所述第一限流装置在所述过滤介质与所述内部流路之间经由所述第一开口提供第一流路，所述第一和第二限流装置在所述过滤介质与所述内部流路之间经由所述第二开口提供第二流路；以及可致动装置，其与第一开口可操作地关联，所述可致动装置能够被操作以在初始阻止流体经由所述第一开口流动，并且能够被致动以允许流体经由所述第一开口流动，由此使流体从所述第二流路转换到所述第一流路流动。
2.如权利要求1所述的防砂筛，其中所述可致动装置还包括压力致动装置，所述压力 致动装置对所述内部流路中的压力增大到预定值作出响应而被致动。
3.如权利要求1所述的防砂筛，还包括与所述第二开口可操作地关联的可致动装置， 所述可致动装置能够被操作以在初始阻止流体经由所述第二开口流动，并且能够被致动以 允许流体经由所述第二开口流动。
4.如权利要求1所述的防砂筛，还包括单向阀，所述单向阀被设置在所述限流区段内， 用以阻止流体从所述限流区段流到所述过滤介质。
5.如权利要求1所述的防砂筛其中所述基管具有第三开口，所述第三开口允许流体在所述基管的外部与所述基管的 内部流路之间流动；其中所述限流区段包括第三限流装置，所述第三限流装置在从中流过的流体中产生第 三压降；其中所述第一、第二及第三限流装置在所述过滤介质与所述内部流路之间经由所述第 三开口提供第三流路；并且其中与所述第二开口可操作地关联的可致动装置能够被操作以在初始阻止流体经由 所述第二开口流动，并且能够被致动以允许流体经由所述第二开口流动，由此使流体从所 述第三流路转换到所述第二流路流动。
6.如权利要求5所述的防砂筛，还包括与所述第三开口可操作地关联的可致动装置， 所述可致动装置能够被操作以在初始阻止流体经由所述第三开口流动，并且能够被致动以 允许流体经由所述第三开口流动。
7.如权利要求5所述的防砂筛，其中每个所述限流装置还包括单向阀，所述单向阀阻 止流体从所述限流区段流到所述过滤介质。
8.如权利要求5所述的防砂筛其中所述基管具有第四开口，所述第四开口允许流体在所述基管的外部与所述基管的 内部流路之间流动，并提供绕过所述第一、第二以及第三限流装置的第四流路；并且其中与所述第四开口可操作地关联的可致动装置能够被操作以在初始阻止流体经由 所述第四开口流动，并且能够被致动以允许流体经由所述第四开口流动，由此绕过所述第一、第二以及第三限流装置。
9.一种用于控制来自地下井的产出流体的流入的流动控制装置，所述流动控制装置包括管状构件，其具有允许流体在所述管状构件的外部与所述管状构件的内部流路之间流 动的多个开口；多级限流区段，其可操作地设置在位于所述管状构件外部的流体源与所述内部流路之 间的流体流路中，所述限流区段包括多个限流装置，每个限流装置能够被操作以产生压降， 并且每个限流装置与所述开口之一关联而在所述流体源与所述内部流路之间经由相应的 开口形成多个流路；以及与所述开口中的至少一些开口可操作地关联的可致动装置，所述可致动装置在初始阻 止流体经由相关联的开口流动，并且能够被致动以允许流体经由所述相关联的开口流动， 以依序地减小流体从所述流体源流到所述内部流路所经历的压降。
10.如权利要求9所述的流动控制装置，其中所述可致动装置还包括多个压力致动装 置，所述压力致动装置对所述内部流路中的依序增大的预定的压力值作出响应而依序地被 致动。
11.如权利要求9所述的流动控制装置，其中至少一些所述限流装置还包括阻止流体 从所述限流区段流到所述流体源的单向阀。
12.如权利要求9所述的流动控制装置，还包括在所述流体源与所述多级限流区段之 间设置于所述管状构件外部的过滤介质。
13.—种可设置在井筒内的防砂筛，所述防砂筛包括基管，所述基管具有至少一个开口，所述至少一个开口允许流体在所述基管的外部与 所述基管的内部流路之间流动；过滤介质，其设置在所述基管的外部，所述过滤介质选择性地允许流体从中流过并阻 止预定尺寸的颗粒从中流过；以及与所述至少一个开口可操作地关联的压力致动装置，所述压力致动装置能够被操作为 在初始时阻止流体经由所述至少一个开口流动，并能够作为对在所述内部流路中压力增大 到预定值的响应而被致动以允许流体经由所述至少一个开口流动。
14.如权利要求13所述的防砂筛，其中所述压力致动装置还包括破裂片。
15.如权利要求13所述的防砂筛，还包括限流装置，所述限流装置被设置在位于所述 过滤介质与所述至少一个开口之间的流体流路中，所述限流装置能够被操作以在从中流过 的流体中产生压降。
16.如权利要求13所述的防砂筛，还包括单向阀，所述单向阀被设置在位于所述过滤 介质与所述至少一个开口之间的流体流路中，所述单向阀能够被操作以允许流体沿下游方 向从所述过滤介质流到所述至少一个开口、并阻止流体沿上游方向从所述至少一个开口流 到所述过滤介质。
17.如权利要求1所述的防砂筛，还包括限流装置和单向阀，所述限流装置和单向阀被 设置在位于所述过滤介质与所述至少一个开口之间的流体流路中，所述限流装置能够被操 作以在从中流过的流体中产生压降，所述单向阀能够被操作以允许流体沿下游方向从所述 过滤介质流到所述至少一个开口、并阻止流体沿上游方向从所述至少一个开口流到所述过滤介质。
18.如权利要求17所述的防砂筛，其中所述限流装置在所述单向阀的上游。
19.如权利要求17所述的防砂筛，其中所述限流装置在所述单向阀的下游。
20.如权利要求17所述的防砂筛，其中所述限流装置与所述单向阀是整合形成的。
21.一种单向阀，包括外壳，其大体为管状；以及球定位圈，其设置在所述外壳内，所述球定位圈包括大体管状构件，其限定一内部流道；环形凸缘，其从所述管状构件沿径向向外延伸，并具有纵向延伸贯穿该环形凸缘的多 个通道；环形固定凸缘，其从所述管状构件沿径向向外延伸；多个纵向延伸的轨道，其相对于所述管状构件的外表面被设置并在所述环形凸缘与所 述环形固定凸缘之间延伸；以及多个球，其被设置在由所述外壳、所述管状构件的外表面、所述环形凸缘以及所述环形 固定凸缘所限定的环形区域内，每个球与所述轨道之一对应，使所述球得以在所述轨道内 进行纵向运动、但被阻止在相应的轨道外的环形区域内进行周向运动。
22.如权利要求21所述的单向阀，其中所述球远离所述通道，以允许流体沿第一方向 经由所述单向阀流动。
23.如权利要求22所述的单向阀，其中所述球的位置相对于所述通道，以阻止流体沿 第二方向经由所述单向阀流动。
24.如权利要求21所述的单向阀，其中每个所述轨道沿所述轨道的纵向长度具有大体 均勻的周向宽度。
25.如权利要求21所述的单向阀，其中每个所述轨道在所述环形固定凸缘附近的周向 宽度比该轨道在所述环形凸缘附近的周向宽度更大。
全文摘要
一种流动控制装置(800)，包括管状构件(818)，其具有允许流体在管状构件(818)的外部与管状构件(818)的内部流路(828)之间流动的多个开口(820，822，824，826)；以及多级限流区段(804)，其可操作地设置在位于管状构件(818)外部的流体源与内部流路(828)之间的流体流路中。限流区段(804)包括多个限流装置(838，844，850)，每个限流装置可操作以产生压降。与开口(820，822，824，826)可操作地关联的可致动装置(830，832，834，836)可依序被致动，以允许流体流经相关的开口(820，822，824，826)，以依序地减小流体从流体源流到内部流路(828)所经历的压降。
文档编号E21B43/08GK101878348SQ200880118224
公开日2010年11月3日 申请日期2008年8月28日 优先权日2007年9月28日
发明者威廉·马克·理查兹, 让·马克·洛佩斯 申请人:哈利伯顿能源服务公司