Устройство регулирования потока для существенного уменьшения потока флюида, когда его характеристика находится в заданном диапазоне
Группа изобретений относится к устройству для регулирования потока текучей среды - флюида, поступающего из пласта в эксплуатационную колонну скважины с ограничением притока нежелательного флюида типа воды или газа. Технический результат - повышение надежности регулирования потока флюида. Устройство содержит зону прохода потока, на которой обеспечено существенное повышение падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживание постоянной величины падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне. При этом зона прохода потока включает секции. Каждая из этих секций содержит впускное и выпускное отверстия. Между этими отверстиями образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие. Проход потока обеспечен по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока. При этом может быть предусмотрена возможность изменения числа Рейнольдса в необходимых диапазонах. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом относится к устройствам и способам регулирования потока текучей среды (флюида), поступающей из пласта в эксплуатационную колонну скважины.
Уровень техники
Углеводороды, такие как нефть и газ, добывают из подземных месторождений с использованием скважин, пробуренных в продуктивный пласт. В некоторых случаях скважины заканчивают путем установки обсадной колонны по длине скважины и перфорирования обсадных труб, прилегающих к каждой эксплуатационной зоне (зоне, содержащей углеводороды), случаях скважина может эксплуатироваться без обсадных труб (необсаженная скважина). Для регулирования потока флюидов в скважину в ней устанавливают одно или несколько устройств регулирования притока. Эти устройства регулирования потока и эксплуатационные зоны обычно отделяют друг от друга путем установки между ними пакеров. Флюид из каждой эксплуатационной зоны поступает в скважину и затем в лифтовую колонну, которая проходит до самой поверхности. Желательно, чтобы вдоль эксплуатационной зоны обеспечивался примерно равномерный поток флюида. Неравномерное поступление может приводить к возникновению нежелательных состояний, таких как газовый или водяной конус. Например, в случае нефтяной скважины газовый конус может приводить к поступлению газа в скважину, в результате чего может произойти значительное снижение добычи нефти. Аналогично, водяной конус может приводить к поступлению воды в поток добываемой нефти, в результате чего снижается объем добываемой нефти и ее качество.
Для извлечения флюидов из эксплуатационных зон в них часто бурят наклонные или горизонтальные скважины. Вдоль такой скважины на некотором расстоянии друг от друга устанавливают несколько устройств регулирования притока для извлечения пластового флюида или для закачивания флюида в пласт. Флюиды в пластах часто представляют собой слой нефти, слой воды ниже нефти и слой газа над нефтью. Горизонтальные эксплуатационные скважины обычно располагаются выше слоя воды. Границы между слоями нефти, воды и газа могут изменяться по всей длине горизонтальной скважины. Кроме того, некоторые характеристики пласта, такие как пористость и проницаемость, также могут изменяться по длине скважины. Поэтому флюид между пластом и скважиной может протекать через устройства регулирования притока неравномерно. Для эксплуатационных скважин необходимо иметь сравнительно равномерный поток добываемого флюида в скважину, а также необходимо подавлять поток воды и газа, проходящий через каждое устройство регулирования притока. Для регулирования потока флюида из пласта в скважину используются активные регулирующие устройства. Такие устройства достаточно дороги и содержат движущиеся части, которые требуют технического обслуживания и могут быть недостаточно надежными в течение всего срока эксплуатации скважины. Поэтому существует потребность в пассивных устройствах регулирования притока, которые способны ограничивать поток воды и газа в скважину.
В настоящем изобретении предлагаются пассивные устройства регулирования притока (УРП), которые могут ограничивать поток флюидов с заданными вязкостями и плотностями и поддерживать примерно постоянный поток флюидов, имеющих требуемые вязкости и плотности.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается устройство регулирования потока для управления потоком флюида между пластом и скважиной, содержащее зону прохода потока, на которой обеспечивается существенное повышение падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживание постоянной величины падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции (ступени), каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока (лабиринт), имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
В частных вариантах осуществления выбранной характеристикой является вязкость и первый диапазон включает вязкости, величины которых менее примерно 10 сП, а второй диапазон включает вязкости, величины которых превышают примерно 10 сП; или выбранной характеристикой является плотность и первый диапазон включает плотности, величины которых превышают примерно 8,33 фунт/галлон, а второй диапазон включает плотности, величины которых менее примерно 8,33 фунт/галлон.
Извилистый путь обеспечивает падение давления на зоне прохода потока, причем падение давления на одном извилистом пути изменяется в соответствии с изменением величины выбранной характеристики флюида, которая находится в первом диапазоне; или извилистый путь включает остроконечный изгиб, и падение давления возле остроконечного изгиба изменяется в соответствии с изменением величины выбранной характеристики флюида, которая находится в первом диапазоне.
Зона прохода потока характеризуется смещением h между впускным и выпускным отверстиями, размером d выпускного отверстия и размером х между впускным и выпускным отверстиями в продольном направлении, причем величина h в 4-6 раза больше величины d; или величина h/x больше величины d/h.
Зона прохода потока может содержать z-образный проход для потока флюида или s-образный проход для потока флюида, или проход для потока флюида, содержащий круговую часть и остроконечный изгиб.
В настоящем изобретении также предлагается устройство регулирования потока для управления потоком флюида между пластом и скважиной, содержащее зону прохода потока, обеспечивающую увеличение коэффициента эффективности, по существу, экспоненциально, когда число Рейнольдса флюида изменяется в первом диапазоне, и оставление его, по существу, постоянным, когда число Рейнольдса флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован один извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
В частных вариантах осуществления первый диапазон соответствует флюиду, содержащему в основном воду или газ, а второй диапазон соответствует флюиду, содержащему в основном добываемую нефть.
Каждая секция вносит вклад в увеличение коэффициента эффективности, когда число Рейнольдса изменяется в первом диапазоне.
Извилистый путь вызывает турбулентности в потоке флюида в зависимости от содержания воды или газа во флюиде, и эти турбулентности изменяют эффективную площадь поперечного сечения для прохождения флюида возле выпускного отверстия.
В настоящем изобретении также предлагается устройство для использования в скважине, содержащее:
устройство регулирования содержания песка, предназначенное для снижения содержания твердых частиц в пластовом флюиде, проходящем через устройство регулирования содержания песка; и
устройство регулирования потока, предназначенное для приема пластового флюида из устройства регулирования содержания песка, причем устройство регулирования потока включает зону прохода потока, обеспечивающую существенное повышение величины выбранного параметра, относящегося к зоне прохода потока, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддержание, по существу, постоянной величины выбранного параметра, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
В частных вариантах осуществления выбранный параметр является вязкостью флюида или плотностью флюида, или коэффициентом эффективности для флюида.
В настоящем изобретении также предлагается эксплуатационная система скважины, содержащая:
лифтовую колонну в скважине;
устройство регулирования содержания песка, расположенное снаружи колонны и предназначенное для снижения содержания твердых частиц в пластовом флюиде, поступающем в колонну; и
устройство регулирования потока, предназначенное для приема пластового флюида из устройства регулирования содержания песка, причем устройство регулирования потока включает зону прохода потока, обеспечивающую существенное повышение величины выбранного параметра зоны прохода потока, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживание, по существу, постоянной величины выбранного параметра, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
Способ получения устройства регулирования потока для использования в скважине для регулирования потока флюида из пласта в скважину может включать шаги, на которых определяют расход флюида для устройства регулирования притока; выбирают геометрические характеристики зоны прохода устройства регулирования потока, достаточные для обеспечения падения давления на зоне прохода, которое существенно выше для флюидов, имеющих вязкости или плотности, величины которых находятся в первом диапазоне, по сравнению с флюидами, имеющими вязкости или плотности, величины которых находятся во втором диапазоне, для заданного расхода; и формируют устройство регулирования потока, имеющее выбранные геометрические характеристики.
В изобретении может использоваться машиночитаемый носитель, к которому может иметь доступ процессор для выполнения команд программы, которая записана на машиночитаемом носителе и может содержать: а) команды считывания расхода для устройства регулирования потока флюида; б) команды считывания первых геометрических характеристик для зоны прохода устройства регулирования притока, сформированного на трубчатом элементе, причем зона прохода содержит впускное отверстие, выпускное отверстие и извилистый лабиринт между входным и выходным отверстиями, сконфигурированный для создания турбулентности потока флюида между впускным и выпускным отверстиями, достаточной для уменьшения эффективной площади поперечного сечения выпускного отверстия, в результате чего обеспечивается падение давления на выпускном отверстии, которое существенно выше для флюидов, имеющих вязкости или плотности, величины которых находятся в первом диапазоне, по сравнению с флюидами, имеющими вязкости или плотности, величины которых находятся во втором диапазоне, для заданного расхода; в) команды расчета падений давления на выпускном отверстии в соответствии с первыми геометрическими характеристиками для множества вязкостей или плотностей флюидов; г) команды определения приемлемости падений давлений, полученных в результате расчетов; д) команды выбора других геометрических характеристик, если расчетные падения давления неприемлемы; и е) команды повторения стадий б) и в) с использованием других геометрических характеристик, пока расчетные падения давления не станут приемлемыми; и ж) команды записи геометрических характеристик, для которых получены приемлемые падения давления.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и аспекты настоящего изобретения будут также понятны специалистам из нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, на которых одинаковые или сходные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями, и на которых показано:
на фиг. 1 - схематический вид вертикальной проекции многозонной скважины, в которой установлена эксплуатационная колонна, содержащая несколько УРП, размещенных в заданных местах по ее длине;
на фиг. 2 - график зависимости падения давления от вязкости флюида для некоторых типов известных устройств регулирования потока, а также необходимого падения давления для устройства регулирования потока проходящей через него воды;
на фиг. 3 - график требуемой зависимости между числом Рейнольдса и коэффициентом падения давления для устройства регулирования потока проходящей через него воды;
на фиг. 4 - вид изометрической проекции устройства регулирования потока, включающего устройство фильтрации зернистого материала и пассивного устройства регулирования потока по одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг. 5 - схема конструкции прохода для потока или канал для потока в устройстве регулирования потока по одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг. 6 - схема потока, представляющая собой результаты моделирования скорости потока воды для многосекционного (многоступенчатого) канала для потока, показанного на фиг. 5;
на фиг. 7 - схема потока, представляющая собой результаты моделирования скорости потока нефти с вязкостью 189 сП для многосекционного канала для потока, показанного на фиг. 5;
на фиг. 8 - график падения давления в зависимости от вязкости для дроссельного устройства, спирального устройства, комбинированного устройства (результаты получены в лабораторных испытаниях), а также график необходимого падения давления для устройства регулирования потока проходящей через него воды;
на фиг. 9 - вид в перспективе устройства регулирования потока по одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг. 10 - виды проходов для потока флюида в каналах устройства регулирования потока, показанного на фиг. 9;
фиг. 11 - вид канала для потока, который может использоваться в устройстве регулирования потока по одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 12 - вид другого канала для потока, который может использоваться в устройстве регулирования потока по другому варианту осуществления изобретения;
фиг. 13 - вид еще одного канала для потока, который может использоваться в устройстве регулирования притока еще по одному варианту осуществления изобретения;
фиг. 14 - вид еще одного канала для потока, который может использоваться в устройстве регулирования притока еще по одному варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к устройствам и способам управления потоком пластовых флюидов в скважине. В нижеприведенном описании рассматриваются некоторые варианты устройства и способов по настоящему изобретению, которые иллюстрируются на прилагаемых чертежах и представляют собой примеры осуществления изобретения, причем объем изобретения не ограничивается этими примерами.
На фиг. 1 представлена схема системы 100 добычи флюидов, которая содержит скважину 110, пробуренную в толще пород 112 и проходящую через две эксплуатационные зоны или месторождения 114, 116, из которых предполагается добывать углеводороды. Как показано на фиг. 1, скважина 110 имеет обсадную колонну с множеством перфораций 118, которые открывают проход в эксплуатационные зоны 114, 116 пластов, чтобы добываемые флюиды могли поступать из этих зон 114, 116 в скважину 110. В представленном примере Скважина 110 имеет вертикальную секцию/участок 110а и, по существу, горизонтальную секцию/участок 110b. В скважине 110 установлена эксплуатационная колонна (сборка) 120, которая содержит насосно-компрессорную (лифтовую) колонну 122, проходящую вниз от устья 124 скважины на поверхности 126 скважины 110. В эксплуатационной колонне 120 по всей ее длине сформирован внутренний продольный канал 128. Между эксплуатационной колонной 120 и обсадной колонной скважины имеется кольцевое (затрубное) пространство 130. Эксплуатационная колонна 120 имеет наклонную, примерно горизонтальную, часть 132, проходящую вдоль наклонной секции 110b скважины 110. В выбранных местах по длине эксплуатационной колонны 120 расположены эксплуатационные узлы 134. Каждый эксплуатационный узел 134 при необходимости может быть изолирован внутри скважины 110 с помощью двух пакеров 136. Хотя на фиг. 1 показаны только два эксплуатационных узла 134, установленных вдоль горизонтальной части 132, фактически может использоваться большее количество таких эксплуатационных узлов, установленных последовательно.
Каждый эксплуатационный узел 134 снабжен устройством 138 регулирования дебита (или устройством регулирования потока), которое используется для управления одной или несколькими характеристиками потока одного или нескольких флюидов в эксплуатационную колонну 120. Под термином "флюид/текучая среда" ("флюиды") в настоящем описании понимаются жидкости, газы, углеводороды, многофазные текучие среды, смеси нескольких таких флюидов, вода и флюиды, закачиваемые с поверхности, такие как вода. Кроме того, указание "вода" охватывает также и жидкости на основе воды, например, соляной раствор или морскую воду. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения устройство 138 регулирования потока может иметь различные конструктивные особенности, обеспечивающие необходимое выборочное управление протекающим через него потоком флюида.
Подземные пласты обычно содержат воду или соляной раствор вместе с нефтью и газом. Вода может находиться ниже нефтеносной зоны, а газ может находиться выше этой зоны. Горизонтальную скважину, такую как секция 110b, обычно бурят через эксплуатационную зону, такую как эксплуатационная зона 116, причем она может иметь длину, превышающую 5000 футов. Когда начинается эксплуатация скважины, в некоторые из устройств 138 регулирования потока поступает вода. Количество поступающей воды и характер его изменения во времени может изменяться по длине эксплуатационной зоны. Необходимо, чтобы устройства регулирования потока ограничивали поток флюидов, когда содержание воды в добываемом флюиде превышает заданную величину. За счет ограничения потока добываемого флюида, содержащего воду, устройство регулирования потока обеспечивает добычу большего количества нефти за весь период эксплуатации скважины.
На фиг. 2 приведены графики зависимости падения давления для флюидов, имеющих разные вязкости, в некоторых типах УРП. Падение Δр давления на устройстве откладывается по вертикальной оси, а вязкость µ флюида откладывается по горизонтальной оси. Вязкость чистой воды равна 1 сП, а вязкость большинства сортов нефти в подземных пластах находится в диапазоне от 10 сП до 200 сП. График 202 относится к падению давления для УРП дроссельного типа, в которых основная часть падения давления происходит на дроссельном отверстии и зависит от его диаметра. Общее падение давления на УРП дроссельного типа обычно представляет собой сумму падений давлений на всех дроссельных отверстиях, имеющихся в УРП. Можно видеть, что падение давления резко возрастает при увеличении вязкости флюида. В частности падение давления для большей части сортов нефти больше, чем падение давления для воды. График 204 относится к УРП спирального типа, в которых добываемый флюид протекает по сравнительно длинному спиральному проходу вокруг трубчатого элемента. График 204 показывает, что падение давления для воды превышает падение давления для флюидов с вязкостью примерно до 60 сП. Падение давления для воды и для флюидов с вязкостью примерно до 20 сП уменьшается и начинает расти для флюидов с вязкостью, превышающей 20 сП. График 204 показывает, что увеличивается сопротивление для прохождения воды и нефти с вязкостью, превышающей 20 сП. График 206 относится к комбинированной конструкции, которая содержит дроссельные отверстия, разделенные извилистыми проходами. Одно такое устройство описывается в заявке US 12/417,346, поданной 2 апреля 2009 г., права на которую переданы правопреемнику по настоящей заявке, и полное содержание которой вводится здесь ссылкой. График 206 показывает, что изменение падения давления на таких устройствах больше, чем на устройствах спирального типа, и что падение давления продолжает уменьшаться для флюидов с вязкостью примерно до 60 сП. Таким образом, такие устройства создают затруднения для прохождения воды и лучше пропускают некоторые сорта нефти по сравнению с устройствами спирального типа. Устройства, работающие в соответствии с графиком 206, лучше препятствуют прохождению воды в скважину по сравнению с устройствами дроссельного и спирального типов. Данные, отраженные на графиках 202, 204 и 206, получены в результате лабораторных испытаний.
Рассмотрение графиков фиг. 2 приводит к выводу о необходимости устройств регулирования потока, которые будут увеличивать падение давления для флюидов с низкой вязкостью, например, для флюидов с вязкостью меньше чем примерно 6 сП или 10 сП, и примерно постоянное падение давления для флюидов с вязкостью, превышающей примерно 6 сП или 10 сП. Падение давления может увеличиваться по экспоненциальному закону при уменьшении вязкости в указанных диапазонах. График 208 показывает более предпочтительное изменение падения давления при прохождении потока флюида через устройство регулирования потока, причем падение давления существенно выше для флюидов с вязкостями, величины которых находятся в первом диапазоне, например, ниже примерно 10 сП, и примерно постоянно для флюидов с вязкостями, величины которых находятся во втором диапазоне, например, выше примерно 6 сП или 10 сП.
На фиг. 3 приведен график 300 предпочтительной эффективности устройства регулирования потока, выраженной зависимостью между числом Рейнольдса (Re) и коэффициентом (К) падения давления. Число Re откладывается по вертикальной оси, и коэффициент К откладывается по горизонтальной оси. Число Re не имеет размерности и является отношением сил инерции и сил внутреннего трения (вязкости). Выражение для числа Re для флюидов может иметь следующий вид:
Re=Силы инерции/Сила вязкости
Re=(ρ·V·dv/dx)/µ ·d2v/dx2
Re=ρ·V·D/µ, где
ρ - плотность флюида, V - расход, v - скорость флюида, D - размер поперечного сечения потока, такой как, например, диаметр отверстия, и µ - вязкость флюида. Число Рейнольдса для флюидов с низкой вязкостью, таких как, например, вода, имеет сравнительно большую величину по сравнению с флюидами, имеющими высокую вязкость, такими как, например, нефть. Поэтому выражение для числа Re может быть также записано в следующем виде:
Re=f (плотность, вязкость, скорость флюида и размер(ы) поверхности)
Падение Δр давления на площади А сечения потока может быть записано как:
где А - площадь сечения потока. Коэффициент К падения давления является функцией числа Рейнольдса (К=f (Re)). Авторами изобретения было найдено, что коэффициент К зависит также от геометрических характеристик прохода для потока флюида в устройстве регулирования потока и в особенности от извилистости прохода внутри устройства, и что поэтому создание турбулентности в потоке флюида влияет на падение давления флюидов, имеющих разные вязкости, как это описано ниже более подробно. Выражение для коэффициента К падения давления может быть записано как:
К=f (Re, размер отверстия, извилистость).
Как показано на графике 300, предпочтительным является устройство регулирования потока, которое имеет большую величину коэффициента К падения давления для флюидов с числом Рейнольдса, превышающим число Рейнольдса для воды 301, как показано на участке 302 графика. Также график 300 показывает, что предпочтительное устройство регулирования потока имеет сравнительно постоянный коэффициент К падения давления для чисел Рейнольдса, не превышающих число Рейнольдса для воды 301, как показано на участке 306 графика. Общее поведение потока флюида, проходящего через УРП, зависит от реологических свойств флюида. Реологические свойства определяются несколькими параметрами, включая, например, площадь сечения потока, извилистость проходов, трение, скорость потока, вязкость флюида и его плотность. Вообще говоря, реологические характеристики могут быть рассчитаны или заданы для получения устройств регулирования потока, которые будут препятствовать прохождению потока воды. В настоящем изобретении используются реологические характеристики флюида и другие вышеуказанные факторы для обеспечения устройств регулирования потока, которые препятствуют прохождению потока флюидов с вязкостью или плотностью, находящейся в одном диапазоне, и обеспечивают практически постоянный поток флюидов с вязкостью или плотностью, находящейся в другом диапазоне. Варианты устройств регулирования потока и способов изготовления таких устройств описаны со ссылками на фиг. 4-14.
На фиг. 4 показан один из вариантов конструкции эксплуатационного узла 400, обеспечивающего регулирование потока флюидов из месторождения в эксплуатационную колонну. Эксплуатационный узел 400 содержит устройство 410 регулирования содержания зернистого материала (или фильтрующее устройство), обеспечивающее снижение количества и размеров твердых частиц, захваченных флюидами, и устройство 450 регулирования притока флюида, которое управляет общей интенсивностью отбора пластового флюида 455 в скважину. В одном из вариантов фильтрующее устройство 419 может содержать кожух 412, охватывающий насосно-компрессорную трубу (НКТ) 402, фильтрующий материал 414, размещенный между кожухом 412 и НКТ 402, и проход 416, расположенный между фильтрующим материалом 414 и трубчатой секцией 418. Пластовый флюид протекает в кожух 412, снабженный перфорационными отверстиями, через которые пластовый флюид может поступать в фильтрующее устройство 410. Кожух 412 отделяет компоненты фильтрующего устройства 410 от непосредственного воздействия пластового флюида, содержащего твердые частицы, и от флюидов, имеющих сравнительно высокие скорости. Кроме того, кожух 412 предотвращает поступление в фильтрующий материал 414 потока твердых частиц, имеющих большие размеры. Фильтрующий материал 414 отфильтровывает твердые частицы, имеющие сравнительно небольшие размеры, затем пластовый флюид поступает в проход 416 потока флюида и далее в устройство 450 регулирования потока. Ниже рассмотрены примеры устройств регулирования потока.
На фиг. 5 приведена схема конструкции прохода для потока в устройстве 500 регулирования потока по одному из вариантов осуществления изобретения. Устройство 500 регулирования потока может иметь входную зону 510, выходную зону 520 и зону 530 прохода для потока. Зона 530 прохода для потока может содержать одну или несколько секций (ступеней), таких как секции 530а, 530b, 530с и т.д. В конфигурации устройства 500 регулирования потока пластовый флюид 501 поступает во входную зону 510, затем в первую секцию 530а через отверстие 532а и выходит из отверстия 532b во вторую секцию 530b. Затем из второй секции 530b флюид выходит в следующую секцию 530с через отверстие 532с и далее в выходную зону 520 через отверстие 532d.
В одном из вариантов первая секция 530а может иметь ширину или размер x1 в продольном направлении и высоту или размер y1 в радиальном направлении. Смещение выходного отверстия 532b относительно входного отверстия 532а секции 530а указано обозначением h1. Аналогично, размеры в продольном направлении, размеры в радиальном направлении и смещения выходных отверстий секций 530b и 530с указаны обозначениями х2, у2, h2 и х3, у3, h3, соответственно. Пути потока через эти секции указаны обозначениями Fp1, Fp2 и Fp3. На отверстии 532а происходит первое существенное падение Δр1 давления. Затем флюид 501 протекает по извилистому пути Fp1 и выходит через отверстие 532b. Второе падение Δр2 давления происходит на отверстии 532b. Соответствующие падения давления имеют место на отверстиях 532с и 532d. В одном из вариантов основная часть падений давления происходит на отверстиях. Падение давления на устройстве 500 будет примерно равно сумме падений давления на каждой из секций, а именно, Δр1, Δр2 и Δр3. Как уже указывалось, для определенного типа флюида (вязкость, плотность и т.п.) и его расхода падение давления зависит от площади сечения потока, извилистости прохода для потока и т.п. В одном из вариантов все секции устройства 500 регулирования потока могут иметь одинаковые размеры. В другом варианте размер в радиальном направлении, смещение отверстий и их размеры могут выбираться для обеспечения требуемой извилистости прохода, так чтобы падение давления зависело от вязкости или плотности флюида. Еще в одном варианте размеры секций могут быть разными. Было найдено, что устройство регулирования потока, выполненное в соответствии с конфигурацией, показанной на фиг. 5, может обеспечивать более высокое падение давления для флюидов, имеющих сравнительно низкую вязкость, например, менее 10 сП, и примерно постоянное падение давления для флюидов с вязкостью, превышающей 10 сП. В общем случае падение давления на отверстии, таком как отверстие 532b зависит от смещения h, размера х в продольном направлении и размера d отверстия. В одном из вариантов для устройства 500 регулирования потока может выполняться соотношение x/h>d/h. В другом варианте величина h может быть в 4-6 больше величины d.
На фиг. 6 приведена схема 600 потока, иллюстрирующая результаты моделирования, в котором определялась скорость потока воды для многосекционного (630а-630g) устройства регулирования потока, показанного на фиг. 5, причем линии тока воды на схеме имеют разный цвет в зависимости от скорости (фут/сек). Скорость флюида увеличивается, по мере того как флюид 601 протекает из одной секции в другую. Замкнутые контуры, такие как контуры 640а и 640b в секции 630а, указывают, что флюид имеет сравнительно низкую скорость, и можно считать, что он практически не протекает через секцию 630а. Флюид 601 протекает по извилистому пути 750а потока в первой секции 630а, который содержит продольную составляющую 650а и радиальную составляющую 650b. Смещение отверстий равно h. Затем флюид 601 выходит из отверстия 660b. Извилистость пути 650 потока и соответствующее падение давления на отверстии 660b может регулироваться изменением таких параметров, как размер в продольном направлении, размер в радиальном направлении, смещения отверстий и их размеры. Соответственно, в одном из вариантов может быть разработано устройство регулирования потока, которое обеспечивает ограничение потока флюида, содержащего воду, путем выбора соответствующих величин размера в продольном направлении, размера в радиальном направлении, смещений отверстий и их размеров для обеспечения существенного падения давления на устройстве регулирования потока.
На фиг. 7 приведена схема 700, иллюстрирующая результаты моделирования, в котором определялась скорость потока нефти с вязкостью 189 сП для многосекционного (630а-630g) устройства регулирования потока, показанного на фиг. 6, причем линии тока нефти на схеме имеют разный цвет в зависимости от скорости (фут/сек). Скорость флюида увеличивается, по мере того как флюид 701 протекает из одной секции в другую. Замкнутые контуры, такие как контуры 740а и 740b в секции 630а, указывают, что флюид имеет сравнительно низкую скорость, и можно считать, что он практически не протекает через секцию 630а. Следует отметить, что эти замкнутые контуры имеют меньшую интенсивность по сравнению с контурами 640а и 640b для воды. Флюид 701 протекает по извилистому пути 750а потока в первой секции 630а, который содержит первую, по существу, продольную составляющую 650а и вторую, по существу, радиальную составляющую 650b. Радиальная составляющая 650b примерно равна величине смещения h. Затем флюид 701 выходит из отверстия 660b. Извилистость пути 750а потока и соответствующее падение давления на отверстии 660b может регулироваться изменением таких параметров, как размер в продольном направлении, смещения отверстий и их размеры. Более высокая турбулентность приводит к более высокому падению давления на отверстиях устройств, как это показано на фиг. 7.
На фиг. 8 приведены сравнительные графики падения давления относительно воды в устройствах дроссельного, спирального и комбинированного типов, а также в устройстве, работа которого иллюстрируется на фиг. 6 и 7. Изменение падения давления в процентах относительно воды откладывается по вертикальной оси, и вязкость флюида откладывается по горизонтальной оси. График 802 относится к устройству регулирования потока дроссельного типа, график 804 относится к спиральному устройству, график 806 относится к комбинированному устройству, и график 808 относится к устройству регулирования потока, работа которого иллюстрируется на фиг. 6 и 7. Как можно видеть, устройство регулирования потока, выполненное в соответствии с принципами, описанными со ссылками на фиг. 6 и 7, характеризуется сравнительно высоким изменением падения давления в процентах для флюидов с низкой вязкостью, таких как флюиды с вязкостью в диапазоне, указанном 810а (примерно до 10 сП), и примерно постоянным падением давления для флюидов с вязкостью в диапазоне 810b (от примерно 10 сП до 180 сП).
На фиг. 9 приведен вид в перспективе одного из вариантов пассивного устройства 900 регулирования потока по настоящему изобретению. Как показано на фиг. 9, устройство 900 регулирования потока содержит конструктивные участки 920а, 920b, 920с и 920d для потока, сформированные вокруг трубчатого элемента 902, причем каждый участок формирует канал или проход для потока. Каждый участок может быть сконфигурирован для получения заданного падения давления с целью регулирования расхода добываемого флюида, который поступает из пласта в насосно-компрессорную колонну скважины. Один или нескольких таких проходов потока или участков могут быть закрыты (не сообщаются с другими участками) для обеспечения заданного падения давления на таких участках. Поток флюида через такой участок может регулироваться путем закрытия отверстий 938 для выбранного участка для потока. Общее падение давления на устройстве 900 представляет собой сумму падений давления, создаваемых каждым активным участком. Участки 920а-920d для потока могут также указываться как каналы потока. Для упрощения рассмотрения устройства 900, регулирование потока через каждый канал описывается со ссылками на канал 920а. Канал 920а содержит входную зону 910 и выходную зону 912. Пластовый флюид поступает во входную зону 910 канала 920а и выходит из канала через выходную зону 912. Канал 920а создает падение давления при прохождении флюида через проход 930 для потока, который может включать одну или несколько секций, таких как секции 932а, 932b, 932с и 932d. Каждый участок может содержать любое необходимое количество секций. В некоторых вариантах каналы устройства могут содержать разное количество секций. В других вариантах каждый канал или участок может быть сконфигурирован для обеспечения независимого прохода для потока между входной зоной и выходной зоной. Как уже указывалось, некоторые или все каналы 920а-920d могут быть гидравлически, по существу, изолированы друг от друга. То есть, поток через каналы и через устройство 900 может считаться составленным из параллельных потоков. Таким образом, поток через один из каналов может быть частично или полностью перекрыт без существенного влияния на поток, протекающий по другому каналу. Необходимо понимать, что термин "параллельный" используется, прежде всего, в функциональном смысле, а не в смысле определенной структуры или физической конфигурации.
На фиг. 9 показаны и другие детали устройства 900 регулирования потока, которое создает падение давления при прохождении поступающего флюида через один или несколько каналов 920а-920d. Каждый канал 920а-920d может быть сформирован вдоль стенки основной трубчатой части 902 и включает конструктивные признаки, обеспечивающие управление потоком заданным образом. Каналы 920а-920d могут проходить вдоль продольной оси трубчатой части 902 параллельно друг другу, хотя это и не обязательно. Каждый канал 920а-920d может иметь один конец 132, сообщающийся с проходом 402 в трубной колонне скважины (фиг. 4), и второй конец 134, который сообщается с затрубным пространством (фиг. 3), разделяющим устройство 120 регулирования потока и пласт. В общем случае каналы 920а-920d могут быть отделены друг от друга, например, на участке между их соответствующими входными и выходными зонами. В некоторых вариантах канал 920а может быть сформирован как лабиринт, который формирует извилистый проход для протекающего через него потока флюида. В одном из вариантов секции 932а-932d могут включать полости 942а-942d, соответственно. Отверстия 944а-944d последовательно соединяют полости 942а-942d для прохождения через них флюида. В одном из вариантов канала 920а пластовый флюид поступает во входную зону 910 и далее в первую полость 942а через отверстие 944а. Затем флюид проходит по извилистому пути 952а и выходит во вторую полость 942b через отверстие 944b и т.д. На каждом из отверстий 944а-944d происходит определенное падение давления, величина которого зависит от конфигурации полостей с каждой стороны отверстия, смещения отверстий между полостями и размеров каждого отверстия. Конфигурация секции определяет извилистость и величину трения потока флюида в каждой полости. Различные секции в одном канале могут иметь такие размеры и формы, чтобы обеспечивались разные падения давления. Полости могут иметь самые разные формы в соответствии с принципами, способами и другими вариантами, рассмотренными в настоящем описании.
На фиг. 10 показаны проходы для потока флюида для четырех каналов 920а-920d устройства 900 регулирования потока. Для наглядности устройство 900 регулирования потока показано шрихпунктирной линией и "развернуто" для лучшего показа каналов 920а-920d на плоскости, в отличие от изображения трубчатой конструкции на фиг. 9. Каждый из этих каналов 920а-920d обеспечивает отдельный и независимый проход для потока между затрубным пространством (фиг. 4) или пластом и каналом 402 в насосно-компрессорной колонне, как показано проходами 1020а-1020d для потока. Кроме того, в рассматриваемом варианте каждый из каналов 920а-920d обеспечивает разное падение давления для протекающего флюида. Канал 920а выполнен таким образом, что он обеспечивает наименьшее сопротивление потоку флюида, и поэтому падение давления на этом канале сравнительно небольшое. Канал 920d выполнен таким образом, что он обеспечивает наибольшее сопротивление потоку флюида, и поэтому падение давления на этом канале сравнительно большое. Каналы 920b и 920с обеспечивают падения давления, величины которых находятся между величинами падения давления на каналах 920а и 920d. Однако необходимо понимать, что в других вариантах два или более каналов, или же все каналы, могут обеспечивать одинаковые падения давления. Как уже указывалось, поток флюида из любого из каналов может быть перекрыт частично или полностью. Таким образом, поток флюида через устройство 900 регулирования потока может регулироваться путем выборочного закрытия одного или нескольких каналов 920а-920d. Число комбинаций для возможных падений давления варьируется путем изменения количества каналов (один или несколько, как это будет необходимо). Таким образом, в различных вариантах осуществления изобретения устройство 900 регулирования потока может обеспечивать падение давления, связанное с прохождением флюида через один канал, или суммарное падение давления, связанное с прохождением потока через несколько каналов. Такое устройство может быть сконфигурировано на месте его использования, и по-разному сконфигурированные устройства могут быть установлены в скважине.
Кроме того, в некоторых вариантах некоторые или все поверхности каналов 920а-920d могут быть выполнены таким образом, чтобы они создавали для потока определенное фрикционное сопротивление. В некоторых вариантах трение может быть увеличено за счет использования текстур, шероховатостей или других особенностей поверхности. И наоборот, трение может быть снижено за счет использования полированных или гладких поверхностей. В других вариантах поверхности могут быть покрыты материалом, который увеличивает или снижает трение поверхности. Кроме того, может использоваться такое покрытие, которые изменяет величину трения в зависимости от характера протекающего материала, например, разное трение для воды и масла. Например, поверхность может быть покрыта гидрофильным материалом, поглощающим воду, для увеличения фрикционного сопротивления потоку воды, или гидрофобным материалом, отталкивающим воду, для снижения фрикционного сопротивления потоку воды.
На фиг. 11 показан вариант канала 1100 для потока, который может использоваться в устройстве регулирования притока по одному из вариантов осуществления изобретения. Такое устройство регулирования потока может содержать один или несколько таких каналов для потока или сочетание таких каналов. Для целей иллюстрации показано, что канал 1100 содержит секции 1102а-1102d, каждая из которых содержит полость или зону 1104а-1104d потока, соответственно, и соответствующее выходное отверстие или выходной проход 1106а-1106d. Схема потока флюида, показанная на фиг. 11, получена в результате моделирования протекания воды через канал 1100. Пластовый флюид 1101 поступает в первую полость 1104а через проход 1106а и выходит в полость 1104b через проход 1106b. Линия тока 1120а в первой полости 1102а формируется прямолинейной частью 1122а полости 1102а и смещением hi прохода 1106b относительно прохода 1106а. Падение давления происходит на отверстии прохода 1106b. Линии тока в следующих полостях формируются аналогичными физическими параметрами. Может быть разработана конфигурация секций, которая обеспечивает существенно более высокое падение давления для флюидов, вязкость или плотность которых находится в первом диапазоне, например, для флюидов, содержащих воду, и практически постоянное падение давления для флюидов, вязкость или плотность которых находится во втором диапазоне, например, для флюидов, содержащих, в основном, нефть. Результаты моделирования показывают, что для воды с заданным массовым (объемным) потоком, падение Δр давления на секциях 1102а-1102с примерно в 4,88 раза больше падения давления при протекании воды в прямолинейной трубчатой секции. Величина падения давления может изменяться за счет изменения параметров полости и прохода. Зоны 1130а-1130d, указанные на фиг. 11, - это зоны, которые не оказывает существенного действия на падение давления на их соответствующих секциях. Кроме того, структура и конфигурация полостей определяет извилистость сквозного прохода, и турбулентность, возникающая в протекающем флюиде, определяет уменьшение эффективной площади поперечного сечения каждого прохода между полостями. Например, полость, которая создает существенный уровень турбулентности, может приводить к сокращению эффективной площади поперечного сечения прохода до 70% за счет существенного увеличения сопротивления прохождению потока в проходе. Характер потока может также выборочно регулироваться для получения необходимого падения давления на каждой секции.
На фиг. 12 приведен вид канала 1200 потока, который может использоваться в устройстве регулирования притока по другому варианту осуществления изобретения. Для целей иллюстрации показано, что канал 1200 содержит секции 1202а-1202d, каждая из которых содержит полость 1204а-1204d, соответственно, соединенную с соответствующим проходом 1206а-1206d. Схема потока флюида, показанная на фиг. 12, получена в результате моделирования протекания воды через канал 1200. Пластовый флюид 1201 поступает в первую полость 1204а через проход 1206а и выходит в полость 1204b через проход 1206b. Линия тока 1220а в первой полости 1204а формируется криволинейной частью 1222а полости 1204а и смещением h1 прохода 1206b относительно прохода 1206а. Падение давления происходит на выходном отверстии каждого прохода. Линии тока в каждой из последующих секций 1202b-120d определяются одинаковыми физическими параметрами. Может быть разработана конфигурация каждой секции, которая обеспечивает существенно более высокое падение давления для флюидов, вязкость или плотность которых находится в первом диапазоне, например, для флюидов, содержащих воду, и практически постоянное падение давления для флюидов, вязкость или плотность которых находится во втором диапазоне, например, для флюидов, содержащих, в основном, нефть. Результаты моделирования показывают, что для воды с заданным объемным потоком, падение Δр давления на секциях 1202b-1102с примерно в 5,60 раза больше падения давления при протекании такого же объема воды в прямолинейной трубчатой секции. Величина падения давления может изменяться за счет изменения параметров каждой секции. Зоны 230а-1230d - это зоны, которые не оказывают существенного влияния на падения давления.
На фиг. 13 приведен вид другого канала 1300 потока, который может использоваться еще в одном варианте устройства регулирования потока по настоящему изобретению. Как можно видеть, канал 1300 имеет Z-образную форму, которая включает первую практически прямолинейную часть 1310, первую угловую или изогнутую часть 1320, вторую практически прямолинейную часть 1330, вторую угловую или изогнутую часть 1340 и третью практически прямолинейную часть 1350. Линии тока, показанные на фиг. 13, представляют собой результаты моделирования для потока воды через канал 1300. В канале 1300 потока турбулентности, возникающие в потоке, уменьшают эффективную площадь поперечного сечения возле каждого изгиба. Например, в зоне 1360 можно видеть относительно небольшой поток флюида, то есть, это "мертвая" зона, которая уменьшает эффективную площадь поперечного сечения для потока на изгибе 1320. Аналогичная зона 1362 уменьшает эффективную площадь поперечного сечения потока возле изгиба 1340, а зона 1364 уменьшает эффективную площадь поперечного сечения в части 1350 возле изгиба 1340. Результаты моделирования показывают, что падение давления для воды в одном из вариантов в 4,11 раза больше по сравнению с падением давления для потока воды в трубчатой секции.
На фиг. 14 показан канал 1400 потока, в который через входную зону 1402 поступает пластовый флюид 1401, протекающий по извилистому проходу 1410, содержащему первый изгиб 1420. При обтекании изгибов возникает дополнительная сила инерции, направленная тангенциально, которая может увеличивать падение давления на втором изгибе 1422. Затем флюид обтекает элемент 1430 и выходит через второй изгиб 1422. Углы 1421 и 1423 изгибов 1420 и 1422, соответственно, могут быть выбраны для обеспечения заданных падений давления, так чтобы полное падение давления на канале 1400 было существенно выше для флюидов, вязкости или плотности которых находятся в первом диапазоне, например, для флюидов, содержащих воду, и существенно более низкое и постоянное падение давления для флюидов, вязкости или плотности которых находятся во втором диапазоне, например для флюидов, содержащих в основном нефть. Один или несколько изгибов могут иметь острый угол (менее 90 градусов). Результаты моделирования показывают, что для воды падение давления на канале 1400, имеющем конкретную конфигурацию, может быть больше в 4,2-5,02 раза по сравнению с падением давления на прямолинейной трубчатой секции.
В настоящем изобретении также предлагается способ определения конфигурации одного или нескольких каналов потока для устройств регулирования притока, которые могут обеспечивать существенно более высокое падение давления для флюидов, величины вязкости или плотности которых находятся в первом диапазоне, по сравнению с падением давления для флюидов, величины вязкости или плотности которых находятся во втором диапазоне. Для конкретного применения определяют группу параметров флюида, которые могут включать расход или удельный объем для устройства регулирования притока, диапазоны вязкостей и/или плотностей флюидов и т.п. Затем для устройства регулирования притока может быть выбран или задан исходный набор параметров, которые могут включать один или несколько из следующих параметров: количество секций, площадь поверхности для каждой секции, форма и размеры секций, смещение между отверстиями для потока флюида, составляющая хода потока в продольном направлении, угол изгиба для линий тока, радиус кривизны линий тока и т.п. Для определения изменения падения давления в зависимости от вязкости флюида, протекающего через заданное устройство регулирования притока, используют вычислительную систему и соответствующую математическую модель для моделирования. Моделирование может осуществляться для определения падения давления на каждой секции, схем скорости потока флюида, снижения эффективной площади сечения потока вдоль линий тока и т.п. Затем может быть проведено сравнение результатов моделирования или расчета падений давления для разных диапазонов вязкостей или плотностей с требуемыми падениями давления. Если величина расхождений превышает допустимую величину, то изменяют один или несколько исходных параметров для устройства регулирования потока и повторяют процесс моделирования. Этот итеративный процесс может быть продолжен с использованием новых значений одного или нескольких параметров устройства регулирования притока, пока не будет получено приемлемый характер изменения падения давления. В другом варианте в конце каждого сеанса моделирования может определяться зависимость между числом Рейнольдса и коэффициентом (К) трения для определения конфигурации устройства регулирования притока, которое будет обеспечивать более высокое падение давления для нежелательных флюидов, таких как вода, сравнительно постоянное падение давления или ламинарный поток для некоторых других флюидов, таких как нефть. По схемам скорости потока может быть определен уровень турбулентности, возникающей вдоль линий тока в устройстве регулирования притока, снижение эффективной площади поперечного сечения потока на отверстиях или вдоль изгибов и т.п., и эта информация может быть использована для выбора параметров устройства перед каждым сеансом моделирования. В настоящем описании рассмотрены каналы устройств регулирования потока, проходящие в продольном направлении в трубчатых элементах. Однако такие и другие каналы, выполненные в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящем описании, могут проходить радиально, спирально или под любым другим углом. Кроме того, в таких устройствах регулирования потока могут использоваться разные типы каналов в одном устройстве.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается устройство регулирования потока флюида между пластом и скважиной, которое в одном из вариантов может включать зону прохода для потока, выполненного таким образом, что в нем существенно повышается величина заданного параметра, относящегося к проходу, когда величина некоторой выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживается постоянная величина заданного параметра, когда величина этой выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне.
В другом варианте устройство регулирования потока флюида может включать зону прохода для потока, выполненного таким образом, что на зоне прохода существенно повышается падение давления, когда величина некоторой выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживается постоянная величина падения давления на зоне прохода, когда величина этой выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне.
В другом варианте устройство регулирования потока флюида может включать входную зону, зону прохода и выходную зону, причем проход выполнен таким образом, что в нем существенно повышается падение давления, когда величина вязкости или плотности флюида находится в первом диапазоне, и поддерживается постоянная величина падения давления на сквозном проходе, когда величина вязкости или плотности флюида находится во втором диапазоне. В одном из вариантов первый диапазон может включать вязкости, не превышающие 10 сП, и второй диапазон может включать вязкости, превышающие 10 сП. В другом варианте первый вариант может включать плотности, превышающие 8,33 фунт/галлон, и второй диапазон может включать плотности, не превышающие 8,33 фунт/галлон. В одном из вариантов зона прохода для потока может быть сконфигурирована таким образом, чтобы в нем возникали заданные уровни турбулентности флюидов с вязкостями или плотностями, величины которых находятся в первом диапазоне, для обеспечения заданного падения давления на зоне прохода для заданного расхода флюида через проход. В другом варианте зона прохода может включать зону формирования потока, сконфигурированную таким образом, чтобы флюид поступал через первое отверстие и выходил через второе отверстие, имеющее размер d, причем зона формирования потока имеет размер х в продольном направлении, и первое и второе отверстие смещены относительно друг друга на величину h. В одном из вариантов величина h может быть в 4-6 раз больше величины d. В другом варианте h/x больше d/h. Еще в одном варианте зона прохода может быть сконфигурирована таким образом, чтобы она включала извилистый путь.
В настоящем изобретении предлагается устройство регулирования потока, которое может содержать: зону прохода, содержащую участок формирования потока, входное отверстие и выходное отверстие, причем участок формирования потока, проход для потока флюида на участке формирования потока между входным и выходным отверстиями, извилистость прохода для потока флюида и размер выходного отверстия выбирают таким образом, чтобы коэффициент (К) эффективности для потока флюида было существенно выше для флюидов с низким числом Рейнольдса (Re), находящимся в первом диапазоне, по сравнению с флюидами с высоким числом Re, находящимся во втором диапазоне.
В изобретении также предлагается способ, при выполнении которого: определяют расход флюида для прохода устройства регулирования притока; выбирают геометрические характеристики зоны прохода, сформированной на трубчатом элементе, которая имеет впускное отверстие, выпускное отверстие и проход для потока между входным и выходным отверстиями, сконфигурированный для создания турбулентности потока флюида между впускным и выпускным отверстиями, достаточной для уменьшения эффективной площади поперечного сечения выпускного отверстия, в результате чего обеспечивается падение давления на выпускном отверстии, которое существенно выше для флюидов, имеющих вязкости или плотности, величины которых находятся в первом диапазоне, по сравнению с флюидами, имеющими вязкости или плотности, величины которых находятся во втором диапазоне, для заданного расхода; и формируют трубчатый элемент, имеющий выбранные геометрические характеристики.
В изобретении также предлагается машиночитаемый носитель, к которому может иметь доступ процессор для выполнения команд программы, которая записана на машиночитаемом носителе и может содержать: а) команды считывания расхода для устройства регулирования потока флюида; б) команды считывания первых геометрических характеристик для зоны прохода устройства регулирования притока, сформированного на трубчатом элементе, причем зона прохода содержит впускное отверстие, выпускное отверстие и извилистый путь между входным и выходным отверстиями, сконфигурированный для создания турбулентности потока флюида между впускным и выпускным отверстиями, достаточной для уменьшения эффективной площади поперечного сечения выпускного отверстия, в результате чего обеспечивается падение давления на выпускном отверстии, которое существенно выше для флюидов, имеющих вязкости или плотности, величины которых находятся в первом диапазоне, по сравнению с флюидами, имеющими вязкости или плотности, величины которых находятся во втором диапазоне, для заданного расхода; в) команды расчета падений давления на выпускном отверстии в соответствии с первыми геометрическими характеристиками для множества вязкостей или плотностей флюидов; г) команды сравнения расчетных падений давления, соответствующих первому и второму диапазонам, с заданными величинами; и д) команды повторения стадий в) и г) с использованием одних или нескольких дополнительных геометрических характеристик, пока расчетные падения давления не будут находиться в допустимых пределах; и е) команды записи геометрических характеристик, для которых получены падения давления, соответствующие заданным величинам.
Следует понимать, что фиг. 1-14 предназначены лишь для иллюстрации принципов настоящего изобретения, которые могут быть применены к разработке, изготовлению и/или применению устройств регулирования притока. В вышеприведенном описании рассматриваются конкретные варианты осуществления настоящего изобретения для целей иллюстрации и пояснения его принципов. Однако специалистам будет ясно, что возможны многочисленные модификации и изменения вариантов осуществления изобретения, рассмотренных выше, без выхода за пределы его объема.
1. Устройство регулирования потока для управления потоком флюида между пластом и скважиной, содержащее зону прохода потока, на которой обеспечивается существенное повышение падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживание постоянной величины падения давления, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
2. Устройство регулирования потока по п. 1, в котором выбранной характеристикой является вязкость и первый диапазон включает вязкости, величины которых менее примерно 10 сП, а второй диапазон включает вязкости, величины которых превышают примерно 10 сП.
3. Устройство регулирования потока по п. 1, в котором выбранной характеристикой является плотность и первый диапазон включает плотности, величины которых превышают примерно 8,33 фунт/галлон, а второй диапазон включает плотности, величины которых менее примерно 8,33 фунт/галлон.
4. Устройство регулирования потока по п. 1, в котором извилистый путь обеспечивает падение давления на зоне прохода потока.
5. Устройство регулирования потока по п. 4, в котором падение давления на одном извилистом пути изменяется в соответствии с изменением величины выбранной характеристики флюида, которая находится в первом диапазоне.
6. Устройство регулирования потока по п. 4, в котором извилистый путь включает остроконечный изгиб, и падение давления возле остроконечного изгиба изменяется в соответствии с изменением величины выбранной характеристики флюида, которая находится в первом диапазоне.
7. Устройство регулирования потока по п. 1, в котором зона прохода потока характеризуется смещением h между впускным и выпускным отверстиями, размером d выпускного отверстия и размером х между впускным и выпускным отверстиями в продольном направлении.
8. Устройство регулирования потока по п. 7, в котором величина h в 4-6 раза больше величины d.
9. Устройство регулирования потока по п. 7, в котором величина h/x больше величины d/h.
10. Устройство регулирования потока по п. 1, в котором зона прохода потока содержит z-образный проход для потока флюида или s-образный проход для потока флюида, или проход для потока флюида, содержащий круговую часть и остроконечный изгиб.
11. Устройство регулирования потока для управления потоком флюида между пластом и скважиной, содержащее зону прохода потока, обеспечивающую увеличение коэффициента эффективности, по существу, экспоненциально, когда число Рейнольдса флюида изменяется в первом диапазоне, и оставление его, по существу, постоянным, когда число Рейнольдса флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован один извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
12. Устройство регулирования потока по п. 11, в котором первый диапазон соответствует флюиду, содержащему в основном воду или газ, а второй диапазон соответствует флюиду, содержащему в основном добываемую нефть.
13. Устройство регулирования потока по п. 11, каждая секция увеличивает коэффициент эффективности, когда число Рейнольдса изменяется в первом диапазоне.
14. Устройство регулирования потока по п. 11, в котором извилистый путь вызывает турбулентности в потоке флюида в зависимости от содержания воды или газа во флюиде, и эти турбулентности изменяют эффективную площадь поперечного сечения для прохождения флюида возле выпускного отверстия.
15. Устройство для использования в скважине, содержащее:
устройство регулирования содержания песка, предназначенное для снижения содержания твердых частиц в пластовом флюиде, проходящем через устройство регулирования содержания песка; и
устройство регулирования потока, предназначенное для приема пластового флюида из устройства регулирования содержания песка, причем устройство регулирования потока включает зону прохода потока, обеспечивающую существенное повышение величины выбранного параметра, относящегося к зоне прохода потока, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддержание, по существу, постоянной величины выбранного параметра, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
16. Устройство по п. 15, в котором выбранный параметр является вязкостью флюида или плотностью флюида, или коэффициентом эффективности для флюида.
17. Устройство по п. 15, в котором извилистый путь вызывает турбулентности в потоке флюида в зависимости от содержания воды или газа во флюиде, в результате чего изменяется эффективная площадь поперечного сечения прохода для флюида возле выпускного отверстия.
18. Эксплуатационная система скважины, содержащая:
лифтовую колонну в скважине;
устройство регулирования содержания песка, расположенное снаружи колонны и предназначенное для снижения содержания твердых частиц в пластовом флюиде, поступающем в колонну; и
устройство регулирования потока, предназначенное для приема пластового флюида из устройства регулирования содержания песка, причем устройство регулирования потока включает зону прохода потока, обеспечивающую существенное повышение величины выбранного параметра зоны прохода потока, когда величина выбранной характеристики флюида находится в первом диапазоне, и поддерживание, по существу, постоянной величины выбранного параметра, когда величина выбранной характеристики флюида находится во втором диапазоне, причем зона прохода потока включает секции, каждая из которых содержит впускное и выпускное отверстия, между которыми образован извилистый путь потока, имеющий продольную и радиальную составляющие, так что обеспечивается проход потока по извилистому пути каждой секции зоны прохода потока.
19. Система по п. 18, в которой выбранный параметр является вязкостью флюида или плотностью флюида, или коэффициентом эффективности для флюида.
20. Система по п. 18, в которой зона прохода потока включает извилистый путь, сконфигурированный таким образом, что он вызывает турбулентность в потоке флюида в зависимости от содержания воды или газа во флюиде, в результате чего изменяется эффективная площадь поперечного сечения для прохождения флюида через извилистый путь.
