Система управления потоком флюида в скважине, содержащая флюидный модуль с мостовой сетью для флюида, и способ применения такой системы
Группа изобретений относится к способам и системам управления потоком флюида в скважине. Система содержит флюидный модуль (150) с основным протоком (152), клапаном (162) и мостовой сетью. Клапан (162) имеет первое положение, при котором флюид может течь через основной проток (152), и второе положение, при котором течение флюида через основной проток (152) блокируется. Мостовая сеть имеет первый и второй ответвительные протоки (163, 164), каждый из которых имеет сообщающиеся с основным протоком (152) впуск (166, 168) и выпуск (170, 172) и каждый из которых включает в себя два гидравлических сопротивления (174, 176, 180, 182) с расположенным между ними терминалом (178, 184) отбора давления. При работе перепад давления между терминалами (178, 184) первого и второго ответвительных протоков (163, 164) смещает клапан (162) между первым и вторым положениями. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования потока флюида в скважине. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] В целом, настоящее изобретение относится к оборудованию, используемому в связи с работами, выполняемыми в подземных скважинах, и, в частности, к системе управления потоком флюида в скважине и способам применения такой системы, которые могут быть пригодными для управления выходящим потоком пластовых флюидов и выходящим потоком нагнетаемых флюидов с помощью флюидного модуля с мостовой сетью.
Уровень техники
[0002] Без ограничения объема настоящего изобретения описывается уровень в области техники, к которой оно относится, например, в части добычи флюида из нефтегазоносного подземного пласта.
[0003] В процессе заканчивания скважины, пересекающей нефтегазоносный подземный пласт, для обеспечения безопасной и эффективной добычи пластовых флюидов в скважину устанавливают насосно-компрессорную колонну труб и разнообразное оснащение для заканчивания. Например, для предотвращения добычи твердых частиц из несцементированного или рыхлого подземного пласта, определенные оснащения заканчиваемой скважины включают в себя один или несколько узлов песчаных фильтров, располагаемых вблизи необходимых продуктивных интервалов. В других оснащениях заканчивания скважин с целью управления расходом добываемых текучих сред в насосно-компрессорной колонне труб обычной практикой является установка вместе с эксплуатационной колонной одного или нескольких устройств управления потоком.
[0004] Предпринимались попытки использовать внутри оснащения, требующие борьбы с пескопроявлением заканчиваемых скважин устройств управления потоком. Например, в определенных узлах песчаных фильтров, после того, как добываемые флюиды пройдут через фильтрующий элемент, они направляются в управляющую потоком секцию. Управляющая потоком секция может включать в себя один или несколько управляющих потоком компонентов, таких как проточные трубы, сужения, лабиринты или аналогичные устройства. Обычно расход добычи через эти управляющие потоком фильтры перед их монтажом устанавливают на фиксированную величину, применяя определенное количество управляющих потоком компонентов определенной конструкции.
[0005] Однако было выяснено, что за счет изменений давления пласта и изменений состава пластового флюида в течение эксплуатации скважины может быть желательной регулировка характеристик управления потоком этих управляющих потоком секций. Кроме того, для определенных конфигураций заканчивания скважины, например, в длинных горизонтальных законченных участках, имеющих многочисленные продуктивные интервалы, может оказаться желательным независимое управление притоком добываемых флюидов в каждый из продуктивных интервалов. Кроме того, в некоторых вариантах заканчивания было бы желательно регулировать характеристики управления потоком управляющих потоком секций без обязательного проникновения в скважину.
[0006] Соответственно, возникла необходимость такого управляющего потоком фильтра, который был бы выполнен с возможностью управления потоком пластовых флюидов, входящим в эксплуатационное оснащение скважины, требующее борьбы с пескопроявлением. Также возникла необходимость в управляющих потоком фильтрах, способных работать с независимым управлением притоком добываемых флюидов из множества продуктивных интервалов. Кроме того, возникла необходимость в управляющих потоком фильтрах, выполненных с возможностью управления входящим потоком добываемых флюидов без обязательного проникновения в скважину в условиях изменения со временем состава флюидов, добываемых в определенные интервалы.
Раскрытие изобретения
[0007] Раскрываемое здесь изобретение содержит систему управления потоком флюида в скважине для управления добычей флюида в эксплуатационном оснащении скважины, нуждающемся в борьбе с пескопроявлением. Кроме того, система управления потоком флюида в скважине по настоящему изобретению пригодна для независимого управления притоком добываемых флюидов во множество продуктивных интервалов без обязательного проникновения в скважину в условиях изменения со временем состава флюидов, добываемых в определенные интервалы.
[0008] В одном аспекте настоящее изобретение относится к системе управления потоком флюида в скважине. Система управления потоком флюида в скважине включает в себя флюидный модуль, имеющий мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых включает в себя по меньшей мере одно гидравлическое сопротивление и терминал отбора давления. Перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для управления потоком флюида через флюидный модуль.
[0009] В одном варианте осуществления каждый из первого и второго ответвительных протоков включает в себя по меньшей мере два гидравлических сопротивления. В одном варианте осуществления терминалы отбора давления каждого ответвительного протока могут быть расположены между двумя гидравлическими сопротивлениями. Также в этом варианте осуществления два гидравлических сопротивления каждого ответвительного протока могут по разному реагировать на некоторое свойство флюида, например на вязкость флюида, на плотность флюида, состав флюида и т.п. В определенных вариантах осуществления каждый из первого и второго ответвительных протоков может иметь сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск. В таких вариантах осуществления отношение расходов основного протока и ответвительных протоков может находиться в диапазоне от 5 к 1 до 20 к 1.
[0010] В одном варианте осуществления, флюидный модуль может содержать клапан, имеющий первое и второе положения. Клапан выполнен с возможностью в первом положении пропускать поток флюида через основной проток, а во втором положении - не пропускать поток флюида через основной проток. В этом варианте осуществления перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для смещения клапана между первым и вторым положениями. В некоторых вариантах осуществления, флюидный модуль может иметь режим нагнетания, в котором создаваемый вытекающим нагнетаемым флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и режим добычи, в котором создаваемый втекающим добываемым флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока.
[0011] В других вариантах осуществления, флюидный модуль может иметь первый режим добычи, в котором создаваемый втекающим желательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и второй режим добычи, в котором создаваемый втекающим нежелательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока. В любом из этих осуществлений гидравлические сопротивления выбирают из группы, состоящей из сужений, вихревых камер, проточных труб, селекторов флюида и матричных камер.
[0012] В другом аспекте, настоящее изобретение относится к управляющему потоком фильтру. Управляющий потоком фильтр включает в себя базовую трубу с внутренним проходным отверстием, неперфорированную трубную секцию и перфорированную трубную секцию. Вокруг базовой трубы расположен фильтрующий элемент. Вокруг базовой трубы расположен кожух, задающий собой проток для флюида между фильтрующим элементом и внутренним проходным отверстием. Внутри протока расположен по меньшей мере один флюидный модуль. Флюидный модуль имеет мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых имеет по меньшей мере одно гидравлическое сопротивление и терминал отбора давления, и при этом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для управления потоком флюида через флюидный модуль.
[0013] В еще одном варианте осуществления, изобретение относится к системе управления потоком флюида в скважине. Система управления потоком флюида в скважине включает в себя флюидный модуль, имеющий основной проток, клапан и мостовую сеть. Клапан имеет первое положение, при котором флюид может течь через основной проток, и второе положение, при котором течение флюида через основной проток закрыто. Мостовая сеть имеет первый и второй ответвительные протоки, каждый из которых имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск и каждый из которых включает в себя два гидравлических сопротивления с расположенным между ними терминалом отбора давления. Перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для смещения клапана между первым и вторым положениями.
[0014] В еще одном варианте осуществления, изобретение относится к способу управления потоком флюида в скважине. Способ включает в себя размещение в заданном месте в скважине системы управления потоком флюида, содержащей флюидный модуль, имеющий основной проток, клапан и мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск и каждый из которых включает в себя два гидравлических сопротивления с расположенным между ними терминалом отбора давления; добычу желательного флюида через флюидный модуль; генерирование первого перепада давления между терминалами отбора давления первого и второго протоков, смещающего клапан к первому положению, при котором флюид может течь через основной проток; добычу нежелательного флюида через флюидный модуль; генерирование второго перепада давления между терминалами отбора давления первого и второго протоков, смещающего клапан из первого положения во второе положение, при котором течение флюида через основной проток закрыто.
[0015] Способ также может включать в себя смещение клапана к первому положению в ответ на добычу пластового флюида, содержащего по меньшей мере заданное количество желательного флюида, смещение клапана из первого положения во второе положение в ответ на добычу пластового флюида, содержащего по меньшей мере заданное количество нежелательного флюида, или же подачу на поверхность сигнала, указывающего на то, что клапан сместился из первого положения во второе положение.
Краткое описание чертежей
[0016] Для более полного понимания отличительных особенностей и преимуществ настоящего изобретения далее мы ссылаемся на подробное описание изобретения совместно с сопроводительными чертежами, на которых каждый из номеров позиций относится к соответствующей детали и на которых:
[0017] На фиг. 1 схематически показана система скважины, в которой используют некоторое количество управляющих потоком фильтров в соответствии с осуществлением настоящего изобретения;
[0018] На фиг. 2А-2Б показаны виды четвертей последовательных продольных разрезов системы управления потоком флюида в скважине, реализованной в виде управляющего потоком фильтра в соответствии с осуществлением настоящего изобретения;
[0019] На фиг. 3 показан вид сверху управляющей потоком секции управляющего потоком фильтра со снятым верхним кожухом в соответствии с осуществлением настоящего изобретения;
[0020] На фиг. 4А-4Б в первой и второй рабочих конфигурациях схематически показан флюидный модуль по настоящему изобретению в соответствии с одном осуществлением настоящего изобретения;
[0021] На фиг. 5А-5Б в первой и второй рабочих конфигурациях схематически показан флюидный модуль по настоящему изобретению в соответствии с другим осуществлением настоящего изобретения;
[0022] На фиг. 6А-6Б в первой и второй рабочих конфигурациях схематически показан флюидный модуль по настоящему изобретению в соответствии с еще одним осуществлением настоящего изобретения;
[0023] На фиг. 7А-7Е схематически показаны гидравлические сопротивления для использования во флюидном модуле в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
[0024] Несмотря на то что ниже подробно рассматриваются реализация и применение различных вариантов осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение предлагает многочисленные применимые оригинальные концепции, которые могут быть осуществлены в разнообразных конкретных контекстах. Обсуждаемые в настоящем документе частные варианты осуществления являются только иллюстрацией частных путей реализации и применения изобретения и не определяют границы его объема.
[0025] На фиг. 1 схематически изображена скважинная система, в целом обозначенная позиционным номером 10, включающая в себя некоторое количество систем управления потоком, расположенных в управляющих потоком фильтрах, осуществляющих принципы настоящего изобретения. В иллюстрируемом варианте осуществления ствол 12 скважины проходит сквозь различные подземные слои. Ствол 12 имеет по существу вертикальную секцию 14, верхняя часть которой имеет зацементированную в стволе обсадную колонну 16. Ствол 12 также имеет по существу горизонтальную секцию 18, проходящую сквозь нефтегазоносный подземный пласт 20. Как показано, по существу горизонтальная секция 18 ствола 12 не обсажена.
[0026] Внутри ствола 12 расположена и проходит с поверхности насосно-компрессорная колонна 22. Насосно-компрессорная колонна 22 обеспечивает канал для прохождения пластовых флюидов из пласта 20 наверх к поверхности и для прохождения нагнетаемых флюидов от поверхности к пласту 20. На своем нижнем конце насосно-компрессорная колонна 22 присоединена к колонне заканчивания, которая была установлена в стволе 12 и разделяет интервал заканчивания на различные продуктивные интервалы, граничащие с пластом 20. Колонна заканчивания содержит некоторое количество управляющих потоком фильтров 24, каждый из которых расположен между парой кольцевых барьеров, изображенных в виде пакеров 26, обеспечивающих флюидное уплотнение между колонной заканчивания и стволом 12 скважины, разграничивая тем самым продуктивные интервалы. В иллюстрируемом варианте осуществления управляющие потоком фильтры 24 выполняют функцию отсеивания твердых частиц из потока добываемого флюида. Каждых из управляющих потоком фильтров 24 также имеет управляющую потоком секцию, выполненную с возможностью управления проходящим через нее потоком.
[0027] Например, управляющие потоком секции могут быть выполнены с возможностью управления потоком добываемого флюида на продуктивном этапе эксплуатации скважины. Дополнительно или альтернативно, управляющие потоком секции могут быть выполнены с возможностью управления потоком подаваемого флюида на этапе обработки скважины. Как более подробно описывается далее по тексту, управляющие потоком секции предпочтительно управляют притоком добываемых флюидов в каждый продуктивный интервал в течение срока службы скважины без необходимости проникновения в скважину, что необходимо ввиду изменения со временем состава флюидов, добываемых в конкретные интервалы, и при этом преследуется цель достижения максимальной добычи желательного флюида, такого как нефть, и снижения до минимума добычи нежелательного флюида, такого как вода или газ.
[0028] Хотя на фиг. 1 управляющие потоком фильтры по настоящему изобретению и изображены в обстановке с необсаженным стволом, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение столь же применимо и в обсаженных скважинах. Аналогичным образом, хотя на фиг. 1 в каждом продуктивном интервале расположено по одному управляющему потоком фильтру, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что без отступления от принципов настоящего изобретения в пределах продуктивного интервала может быть расположено любое количество управляющих потоком фильтров. Кроме того, хотя на фиг. 1 управляющие потоком фильтры по настоящему изобретению показаны в горизонтальной секции ствола скважины, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение одинаково хорошо подходит для использования в скважинах с другими конфигурациями по направлению, что включает в себя вертикальные скважины, отклоненные скважины, искривленные скважины, разветвленные скважины и т.п. Следовательно, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что термины обозначения направления, такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз», «вверх по скважине», «вниз по скважине» и т.п., использованы в связи с примерами осуществления изобретения в том виде, как они изображены на чертежах, причем направление «вверх» направлено к верху соответствующего чертежа, а направление «вниз» направлено к низу соответствующего чертежа, направление «вверх по скважине» направлено к поверхности скважины, а направление «вниз по скважине» направлено к забою скважины. Кроме того, несмотря на то, что на фиг. 1 управляющие потоком компоненты, связанные с управляющими потоком фильтрами, показаны находящимися в колонне труб, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что управляющие потоком компоненты по настоящему изобретению необязательно должны быть связаны с управляющим потоком фильтром или размещены в качестве части колонны труб. Например, один или несколько управляющих потоком компонентов могут быть размещены или вставлены с возможностью удаления в центр колонны труб или в боковые карманы колонны труб.
[0029] На фиг. 2А-2Б показаны последовательные осевые сечения управляющего потоком фильтра по настоящему изобретению, который показан репрезентативно и в целом обозначен позиционным номером 100. Управляющий потоком фильтр 100 надлежащим образом может быть соединен с другими аналогичными управляющими потоком фильтрами, добычными пакерами, соединительными муфтами, насосно-компрессорными колоннами труб или другим скважинным оборудованием и инструментом, образуя колонну заканчивания, описанную выше. Управляющий потоком фильтр 100 включает в себя базовую трубу 102, имеющую неперфорированную трубчатую секцию 100 и перфорированную секцию 106, имеющую некоторое количество добычных отверстий 108. Вокруг верхней по скважине части неперфорированной трубчатой секции 104 расположен просеивающий элемент или фильтрующий элемент 112, например проволочная обмотка, плетеная проволочная сетка, фильтрующий элемент с предварительной набивкой и т.п., имеющий или не имеющий вокруг себя наружного кожуха и предназначенный для того, чтобы пропускать через себя флюиды и не пропускать через себя твердые частицы заданной крупности. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение необязательно должно иметь связанного с собой фильтрующего элемента, то есть точная конструкция фильтрующего элемента не является критичной для настоящего изобретения.
[0030] Вниз по скважине от фильтрующего элемента 112 находится стыковочный кожух 114 фильтра, образующий кольцевое пространство 116 с базовой трубой 102. К нижнему по скважине концу стыковочного кожуха 114 фильтра с возможностью фиксации прикреплен управляющий потоком кожух 118. На его нижнем по скважине конце управляющий потоком кожух 118 с возможностью фиксации присоединен к несущему узлу 120, который с возможностью фиксации присоединен к базовой трубе 102. Разнообразные присоединения компонентов управляющего потоком фильтра 100 могут быть выполнены любым подходящим способом, в том числе сваркой, резьбовым скреплением и т.п., а также при помощи крепежа, такого как штифты, установочные винты и т.п. Между несущим узлом 120 и управляющим потоком кожухом 118 имеется некоторое количество флюидных модулей 122, только один из которых виден на фиг. 2Б. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, флюидные модули распределены по окружности вокруг базовой трубы 102 с шагом сто двадцать градусов, то есть имеется три флюидных модуля 122. Хотя и была описана конкретная конфигурация флюидных модулей 122, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может быть использовано другое количество и другое расположение флюидных модулей 122. Например, можно использовать большее или меньшее количество управляющих потоком компонентов, распределенных по окружности с равными или неравными промежутками. Дополнительно или альтернативно, флюидные модули 122 могут быть распределены вдоль базовой трубы 102.
[0031] Согласно нижеследующему подробному описанию, флюидные модули могут быть выполнены с возможностью управления потоком флюида, текущего через них в любом направлении. Например, на этапе добычи из скважины флюид через управляющий потоком фильтр 100 течет из пласта в насосно-компрессорную колонну труб. Добытый флюид после фильтрации фильтрующим элементом 112, если такой присутствует, течет в кольцевое пространство 116. Затем флюид поступает в кольцевую зону 130 между базовой трубой 102 и управляющим потоком кожухом 118, перед тем как попасть в управляющую потоком секцию, как подробнее описывается далее по тексту. Затем флюид входит в один или более впусков флюидных модулей 122, в которых с потоком выполняется нужная операция, зависящая от состава добытого флюида. Например, если был добыт желательный флюид, то открывается путь потоку через флюидные модули 122. Если же был добыт нежелательный флюид, то путь потоку через флюидные модули 122 закрывается или существенно ограничивается. В случае добычи желательного флюида он выпускается через проем 108 во внутреннее проходное отверстие 132 базовой трубы 102 для подачи на поверхность.
[0032] Другой пример - на этапе обработки скважины с поверхности внутрь скважины во внутреннее проходное отверстие 132 базовой трубы 102 может быть закачан обрабатывающий флюид. Так как обычно бывает желательным нагнетать обрабатывающий флюид с расходом, намного превышающим ожидаемый расход добычи, настоящее изобретение позволяет без вмешательства открыть нагнетательные протоки, которые впоследствии также без вмешательства закроются при начале добычи. В данном случае обрабатывающий флюид поступает во флюидные модули 122 через проемы 108, где выполняется требуемая операция с потоком и открывание нагнетательных протоков. Флюид затем проходит в кольцевую зону 130 между базовой трубой 102 и управляющим потоком кожухом 118 перед тем, как зайти в кольцевое пространство 116 и пройти через фильтрующий элемент 112 для закачивания в окружающий пласт. После того как начинается добыча, и флюид поступает во флюидные модули 122 из кольцевой области 130, начинается требуемая операция с потоком и нагнетательные протоки закрываются. В определенных вариантах осуществления флюидные модули 122 могут применяться для обхода фильтрующего элемента 112 полностью в течение нагнетательных работ.
[0033] На фиг. 3 репрезентативно показана управляющая потоком секция управляющего потоком фильтра 100. В показанной секции несущий узел 120 с возможностью фиксации прикреплен к базовой трубе 102. Несущий узел 120 выполнен с возможностью принимать и нести три флюидных модуля 122. Показанные флюидные модули 122 могут быть сформированы из любого количества деталей и могут содержать многообразие гидравлических сопротивлений потоку флюида, как более подробно описано далее по тексту. Несущий узел 120 расположен вокруг базовой трубы 102 таким образом, что выпускаемый из флюидных модулей 122 в процессе добычи флюид будет выравниваться с проемами 108 (смотри фиг. 2Б) базовой трубы 102 по окружности и продольно. Несущий узел 120 содержит некоторое количество каналов для направления потока флюида между флюидными модулями 122 и кольцевой областью 130. В частности, несущий узел 120 содержит некоторое количество продольных каналов 134 и некоторое количество окружных каналов 136. Продольные каналы 134 и окружные каналы 136 в совокупности обеспечивают проток для потока флюида между проемами 138 флюидных модулей 122 и кольцевой областью 130.
[0034] На фиг. 4А-4Б показано схематическое представление флюидного модуля по настоящему изобретению, в целом обозначенного позиционным номером 150 и находящегося в своем открытом и закрытом положениях соответственно. Флюидный модуль 150 содержит основной флюидный проток 152, имеющий впуск 154 и выпуск 156. Основной флюидный проток 152 обеспечивает основной путь для прохождения флюида через флюидный модуль 150. В показанном варианте осуществления внутри основного пути 152 потока расположены два гидравлических сопротивления 158, 160 потоку флюида. Гидравлические сопротивления 158, 160 потоку флюида могут иметь любой подходящий тип, который описывается ниже, и используются для создания желательного падения давления во флюиде, проходящем через основной проток 152, обеспечивающего надлежащее функционирование флюидного модуля 150.
[0035] Клапан 162 расположен относительно основного протока 152 таким образом, что клапан 162 имеет первое положение, при котором флюид может течь через основной проток 152, что лучше всего видно на фиг. 4А, и второе положение, при котором путь потоку через основной проток 152 перекрывается, что лучше всего видно на фиг. 4Б. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, клапан 162 является управляемым давлением челночным клапаном. Несмотря на то что клапан 162 показан как челночный клапан, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что во флюидном модуле по настоящему изобретению альтернативно могут быть использованы другие типы управляемых давлением клапанов, среди которых можно назвать скользящую муфту, шаровой клапан, тарельчатые клапаны и т.п. Кроме того, несмотря на то что клапан 162 показан имеющим два положения - открытое и закрытое, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что клапаны, работающие во флюидном модуле по настоящему изобретению, альтернативно могут иметь два открытых положения с разными уровнями запирания флюида, или более двух положений, например открытое положение, одно или несколько запирающих положений и закрытое положение.
[0036] Флюидный модуль 150 включает в себя мостовую сеть, имеющую два ответвительных протока 163, 164 флюида. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, ответвительный проток 163 имеет впуск 166 из основного протока 152. Аналогичным образом, ответвительный проток 164 имеет впуск 168 из основного протока 152. Ответвительный проток 163 имеет выпуск 170 в основной проток 152. Аналогичным образом, ответвительный проток 164 имеет выпуск 172 в основной проток 152. Как показано, ответвительные протоки 163, 164 сообщаются по текучей среде с основным протоком 152, но специалисты поймут, что ответвительные протоки 163, 164 альтернативно могут быть отведены вдоль иного протока, чем основной проток 152 или могут быть отведены напрямую к одному или нескольким впускам или выпускам флюидного модуля 150. В любой из таких конфигураций ответвительные протоки 163, 164 будут считаться имеющими сообщающиеся с основным протоком впуски и выпуски флюида при том условии, что ответвительные протоки 163, 164 и основной проток 152 напрямую или опосредованно имеют общие источники давления, например давления скважины или давления колонны труб, или же иным образом сообщаются по текучей среде. Следует отметить, что расход флюида через основной проток 152 обычно намного превышает расход через ответвительные протоки 163, 164. Например, отношение расходов основного протока 152 и ответвительных протоков 163, 164 может составлять 5 к 1, может составлять 20 к 1, а предпочтительно составляет 10 к 1.
[0037] Ответвительный проток 163 имеет два гидравлических сопротивления 174 и 176, расположенных последовательно с находящимся между ними терминалом 178 отбора давления. Аналогичным образом, ответвительный проток 164 имеет два гидравлических сопротивления 180 и 182, расположенных последовательно с находящимся между ними терминалом 184 отбора давления. Давление от терминала 178 отбора давления направляется к клапану 162 по протоку 186. Давление от терминала 184 отбора давления направляется к клапану 162 по протоку 188. Таким образом, если давление на терминале 184 отбора давления будет выше давления на терминале 178 отбора давления, то клапан 162 сместится в открытое положение, что лучше всего видно на фиг. 4А. И наоборот, если давление на терминале 178 отбора давления превысит давление на терминале 184 отбора давления, то клапан 162 сместится в закрытое положение, что лучше всего видно на фиг. 4Б.
[0038] Перепад давления между терминалами 178, 184 отбора давления создается за счет разниц сопротивления потоку и связанных с ними падений давления в различных гидравлических сопротивлениях 174, 176, 180, 182. Как показано, мостовая сеть может быть описана двумя параллельными ответвлениями, каждое из которых имеет по два последовательных гидравлических сопротивления с терминалом отбора давления между ними. Такая конфигурация моделирует общеизвестную схему моста Уитстона. В такой конфигурации гидравлические сопротивления 174, 176, 180, 182 могут быть подобраны таким образом, чтобы поток желательного флюида, например нефти, через флюидный модуль 150 порождал бы между терминалами 178, 184 отбора давления перепад давления, смещающий клапан 162 в открытое положение, и чтобы поток нежелательного флюида, например воды или газа, через флюидный модуль 150 порождал бы между терминалами 178, 184 отбора давления перепад давления, смещающий клапан 162 в закрытое положение.
[0039] Например, гидравлические сопротивления 174, 176, 180, 182 можно подобрать таким образом, чтобы их сопротивление потоку изменялось или зависело от некоторого свойства текущего через них флюида, например от вязкости флюида, плотности флюида, состава флюида, скорости флюида, давления флюида и т.п. В рассмотренном выше примере, когда желательным флюидом является нефть, а нежелательным - вода или газ, гидравлические сопротивления 174, 182 могут быть сужениями, изображенными на фиг. 7А, а гидравлические сопротивления 176, 178 могут быть вихревыми камерами, изображенными на фиг. 7Б. В такой конфигурации, когда желательный флюид, то есть нефть, течет через ответвительный проток 163, он испытывает больший перепад давления в гидравлическом сопротивлении 174 - сужении, чем в гидравлическом сопротивлении 176 - вихревой камере. Аналогичным образом, когда желательный флюид течет через ответвительный проток 164, он испытывает меньший перепад давления в гидравлическом сопротивлении 180 - вихревой камере, чем в гидравлическом сопротивлении 182 - сужении. Так как впуски и выпуски флюида сообщаются, суммарный перепад давления на каждом ответвительном протоке 163, 164 должен быть одинаковым, а давление на терминалах 178, 184 отбора давления должно быть разным. В этом случае давление на терминале 178 отбора давления меньше давления на терминале 184 отбора давления, что смещает клапан 162 в открытое положение, показанное на фиг. 4А.
[0040] Кроме того, в данной конфигурации, когда нежелательный флюид, то есть вода или газ, течет через ответвительный проток 163, он испытывает меньший перепад давления в гидравлическом сопротивлении 174 - сужении, чем в гидравлическом сопротивлении 176 - вихревой камере. Аналогичным образом, когда нежелательный флюид течет через ответвительный проток 164, он испытывает больший перепад давления в гидравлическом сопротивлении 180 - вихревой камере, чем в гидравлическом сопротивлении 182 - сужении. Так как впуски и выпуски флюида сообщаются, суммарный перепад давления на каждом ответвительном потоке 163, 164 должен быть одинаковым, а давление на терминалах 178, 184 должно быть разным. В этом случае давление на терминале 178 отбора давления больше давления на терминале 184 отбора давления, что смещает клапан 162 в закрытое положение, показанное на фиг. 4Б.
[0041] Несмотря на то что установленными во флюидном модуле 150 были показаны конкретные гидравлические сопротивления 174, 176, 180, 182, необходимо ясное понимание того, что для достижения управления потоком флюида через флюидный модуль 150 могут быть использованы другие типы и сочетания флюидных резисторов. Когда желательным флюидом является нефть, а нежелательным - вода, гидравлические сопротивления 174, 182 могут включать в себя показанные на фиг. 7В гидравлические сопротивления в виде проточных труб или другие гидравлические сопротивления с извилистыми траекториями потока, а гидравлические сопротивления 176, 178 могут быть показанными на фиг.7Б вихревыми камерами или флюидными диодами с иными конфигурациями. В другом примере, если желательным флюидом является нефть, а нежелательным - газ, гидравлические сопротивления 174, 182 могут быть показанными на фиг. 7Г матричными камерами, в которых камера содержит шарики или другой оказывающий сопротивление заполняющий материал, а гидравлические сопротивления 176, 178 могут быть показанными на фиг. 7Б вихревыми камерами. В еще одном примере, если желательным флюидом является нефть или газ, а нежелательным флюидом - вода, гидравлические сопротивления 174, 182 могут быть показанными на фиг. 7Д селекторами флюида, включающими в себя материал, набухающий при соприкосновении с углеводородами, а гидравлические сопротивления 176, 178 могут быть показанными на 7Е селекторами флюида, включающими в себя материал, набухающий при соприкосновении с углеводородами. Альтернативно, гидравлические сопротивления по настоящему изобретению могут включать в себя материалы, способные набухать в ответ на другие инициирующие параметры, такие как pH, ионная концентрация и т.п.
[0042] Несмотря на то что на фиг. 4А-4Б показаны гидравлические сопротивления одного типа в каждом ответвительном протоке, но в обратном порядке, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны и входят в объем настоящего изобретения и другие конфигурации гидравлических сопротивлений, создающих требуемый перепад давления между терминалами отбора давления. Кроме того, несмотря на то что на фиг. 4А-4Б показаны два гидравлических сопротивления в каждом ответвительном протоке, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны и входят в объем настоящего изобретения и другие конфигурации с более чем двумя и с менее чем двумя гидравлическими сопротивлениями, создающими требуемый перепад давления между терминалами отбора давления.
[0043] На фиг. 5А-5Б схематически показан флюидный модуль по настоящему изобретению, в целом обозначенный позиционным номером 250 и находящийся в своем открытом и закрытом положениях соответственно. Флюидный модуль 250 содержит основной флюидный проток 252, имеющий впуск 254 и выпуск 256. Основной флюидный проток 252 предоставляет флюиду основной путь для прохождения через флюидный модуль 250. Клапан 262 расположен относительно основного протока 252 таким образом, что клапан 262 имеет первое положение, при котором флюид может течь через основной проток 252, что лучше всего видно на фиг. 5А, и второе положение, при котором путь потоку через основной проток 252 перекрывается, что лучше всего видно на фиг. 5Б. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, клапан 262 является управляемым давлением челночным клапаном, который смещается в открытое положение пружиной 264.
[0044] Флюидный модуль 250 включает в себя мостовую сеть, имеющую два ответвительных протока 266, 268 для флюида. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, ответвительный проток 266 имеет впуск 270 из основного протока 252. Аналогичным образом, ответвительный проток 268 имеет впуск 272 из основного протока 252. Ответвительный проток 266 имеет выпуск 274 в основной проток 252. Аналогичным образом, ответвительный проток 268 имеет выпуск 276 в основной проток 252. Ответвительный проток 266 имеет два гидравлических сопротивления 278, 280 потоку флюида, расположенные последовательно с находящимся между ними терминалом 282 отбора давления. Ответвительный проток 268 имеет терминал отбора давления 284. Давление от терминала 282 отбора давления направляется к клапану 262 через проток 286. Давление от терминала 284 отбора давления направляется к клапану 262 через проток 288. При этом если сумма силы пружины и силы давления, генерируемой с терминала 284 отбора давления, будет выше силы давления, генерируемой с терминала 282 отбора давления, то клапан 262 смещается в открытое положение, что лучше всего видно на фиг. 5А. И наоборот, если сила давления, генерируемая с терминала 282 отбора давления, будет выше суммы силы пружины и силы давления, генерируемой с терминала 284, то клапан 262 смещается в закрытое положение, что лучше всего видно на фиг. 5Б.
[0045] Перепад давления между терминалами 282, 284 отбора давления создается за счет разницы в сопротивлении потоку и связанного с ним падения давления в гидравлических сопротивлениях 278, 280. При такой конфигурации гидравлические сопротивления 278, 280 можно подобрать таким образом, чтобы поток желательного флюида, такого как нефть, через флюидный модуль 250 порождал перепад давления между терминалами 282, 284, который бы вместе с силой пружины смещал бы клапан 262 в открытое положение, показанное на фиг. 5А. Аналогичным образом, поток нежелательного флюида, такого как вода или газ, через флюидный модуль 250 порождает перепад давления между терминалами 28, 284 отбора давления, причем этого перепада достаточно, чтобы он пересилил силу пружины и сместил клапан 262 в закрытое положение, показанное на фиг.5Б.
[0046] На фиг. 6А-6Б схематически показан флюидный модуль по настоящему изобретению, в целом обозначенный позиционным номером 350 и находящийся в своем открытом и закрытом положениях соответственно. Флюидный модуль 350 содержит основной флюидный проток 352, имеющий пару впускных/выпускных портов 356, 356. Основной флюидный проток 352 предоставляет флюиду основной путь для прохождения через флюидный модуль 350. В показанном варианте осуществления, внутри основного протока 352 расположена пара гидравлических сопротивлений 358, 360 потоку флюида. Клапан 362 расположен относительно основного протока 352 таким образом, что клапан 362 имеет первое положение, при котором флюид может течь через основной проток 352, что лучше всего видно на фиг. 6А, и второе положение, при котором путь потоку через основной проток 352 перекрывается, что лучше всего видно на фиг. 6Б. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, клапан 362 является управляемым давлением челночным клапаном.
[0047] Флюидный модуль 350 включает в себя мостовую сеть, имеющую два ответвительных протока 366, 368 для флюида. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения, ответвительный проток 366 имеет пару впускных/выпускных портов 370, 374, сообщающихся с основным протоком 352. Аналогичным образом, ответвительный проток 368 имеет пару впускных/выпускных портов 372, 376, сообщающихся с основным протоком 352. Ответвительный проток 366 имеет гидравлическое сопротивление 378 и терминал 380 отбора давления. Ответвительный проток 368 имеет гидравлическое сопротивление 382 и терминал отбора давления 384. Давление от терминала 380 отбора давления направляется к клапану 362 по протоку 386. Давление от терминала 384 отбора давления направляется к клапану 362 по протоку 388. При этом если давление от терминала 384 отбора давления превысит давление от терминала 380 отбора давления, то клапан 362 сместится в открытое положение, что лучше всего видно на фиг. 6А. И наоборот, если давление от терминала 380 отбора давления превысит давление от терминала 384 отбора давления, то клапан 362 сместится в закрытое положение, что лучше всего видно на фиг. 6Б.
[0048] Перепад давления между терминалами 380, 384 отбора давления создается за счет сопротивления потоку и связанных с ним падений давления, создаваемых гидравлическими сопротивлениями 378, 382. При такой конфигурации нагнетание флюидов снаружи колонны труб в пласт через флюидный модуль 350 в направлении, указанном стрелками на фиг. 6А, создаст перепад давления между терминалами 380, 384 отбора давления, который сместит клапан в открытое положение. Однако в процессе добычи пластовый флюид, втекающий во внутренность колонны труб через флюидный модуль 350 в направлении, указанном стрелками на фиг. 6Б, породит перепад давления между терминалами 380, 384, который сместит клапан 362 в закрытое положение. Таким образом, расход флюидов через флюидный модуль 350 может стать значительно больше расхода пластового флюида в процессе добычи.
[0049] Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, применение комбинации различных гидравлических сопротивлений последовательно на двух раздельных ответвлениях параллельной мостовой сети при прохождении флюида позволяет создавать перепад давления между выбранными точками поперек мостовой сети. Затем этот перепад давления может быть использован в качестве приводной силы совершения действий внутри скважины, например, для смещения клапана, как это было описано выше.
[0050] Следует добавить, что несмотря на то, что флюидные модули по настоящему изобретению были описаны как устройства управления входящим потоком добываемого флюида и устройства управления выходящим потоком нагнетаемого флюида, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что флюидные модули по настоящему изобретению альтернативно могут работать в качестве исполнительных механизмов для других внутрискважинных инструментов, в которых сила, необходимая для приведения в действие других внутрискважинных инструментов, может быть значительной. В таких вариантах осуществления, поток флюида через ответвительные протоки флюидного модуля может использоваться для смещения клапана, изначально перекрывающего основной проток флюидного модуля. После того как основной флюидный проток будет открыт, поток флюида через основной флюидный проток может быть использован для выполнения работ на другом внутрискважинном инструменте.
[0051] В определенных установках, например в длинных горизонтальных законченных участках скважины с многочисленными продуктивными интервалами, может быть желательным при срабатывании определенного флюидного модуля по настоящему изобретению подавать на поверхности сигнал. Если флюидный модуль по настоящему изобретению смещается из открытой конфигурации в закрытую конфигурацию в результате изменения состава добываемого флюида, например, до этого содержавшего преимущественно нефть, а ставшего содержащим преимущественно воду, при срабатывании флюидного модуля также может подаваться сигнал на поверхность. В одном варианте осуществления, при срабатывании каждого из флюидных модулей может высвобождаться уникальное индикаторное вещество, которое добываемым флюидом будет вынесено на поверхность. Достигшее поверхности индикаторное вещество идентифицируют и относят к тому флюидному модулю, срабатывание которого вызвало высвобождение этого вещества, что позволит определить место прорыва воды.
[0052] Несмотря на то что настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, это раскрытие не предусматривает его истолкование в ограничивающем смысле. Специалистам в данной области техники при ознакомлении с данным раскрытием станут очевидными разнообразные модификации и комбинации иллюстративных и иных вариантов осуществления изобретения. Таким образом, подразумевается, что приведенная формула изобретения включает в себя любые таковые модификации или варианты осуществления.
1. Система управления потоком флюида в скважине, содержащая:
флюидный модуль, имеющий мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых включает в себя, по меньшей мере, одно гидравлическое сопротивление и терминал отбора давления;
в которой перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для управления потоком флюида через флюидный модуль.
2. Система управления потоком флюида по п. 1, в которой каждый из первого и второго ответвительных протоков включает в себя, по меньшей мере, два гидравлических сопротивления.
3. Система управления потоком флюида по п. 2, в которой терминал отбора давления каждого ответвительного протока расположен между двумя гидравлическими сопротивлениями.
4. Система управления потоком флюида по п. 2, в которой два гидравлических сопротивления каждого ответвительного протока по разному реагируют на вязкость флюида.
5. Система управления потоком флюида по п. 2, в которой два гидравлических сопротивления каждого ответвительного протока по разному реагируют на плотность флюида.
6. Система управления потоком флюида по п. 2, в которой каждый из первого и второго ответвительных протоков имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск.
7. Система управления потоком флюида по п. 6, в которой отношение расходов основного протока и ответвительных протоков находится в диапазоне от 5 к 1 до 20 к 1.
8. Система управления потоком флюида по п. 6, в которой отношение расходов основного протока и ответвительных протоков превышает 10 к 1.
9. Система управления потоком флюида по п. 6, в которой флюидный модуль также содержит имеющий первое и второе положения клапан, выполненный с возможностью в первом положении пропускать поток флюида через основной проток, а во втором положении - не пропускать поток флюида через основной проток, и при этом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для смещения клапана между первым и вторым положениями.
10. Система управления потоком флюида по п. 9, в которой флюидный модуль имеет режим нагнетания, в котором создаваемый вытекающим нагнетаемым флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и режим добычи, в котором создаваемый втекающим добываемым флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока.
11. Система управления потоком флюида по п. 9, в которой флюидный модуль имеет первый режим добычи, в котором создаваемый втекающим желательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и второй режим добычи, в котором создаваемый втекающим нежелательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока.
12. Система управления потоком флюида по п. 1, в которой гидравлические сопротивления выбирают из группы, состоящей из сужений, вихревых камер, проточных труб, селекторов флюида и матричных камер.
13. Управляющий потоком фильтр, содержащий:
базовую трубу с внутренним проходным отверстием;
фильтрующий элемент, расположенный вокруг базовой трубы;
кожух, расположенный вокруг базовой трубы и задающий собой проток для флюида между фильтрующим элементом и внутренним проходным отверстием;
по меньшей мере, один размещенный внутри протока флюидный модуль, имеющий мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых имеет, по меньшей мере, одно гидравлическое сопротивление и терминал отбора давления, и при этом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для управления потоком флюида через флюидный модуль.
14. Управляющий потоком фильтр флюида по п. 13, в котором гидравлические сопротивления выбирают из группы, состоящей из сужений, вихревых камер, проточных труб, селекторов флюида и матричных камер.
15. Управляющий потоком фильтр флюида по п. 13, в котором каждый из первого и второго ответвительных протоков имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск, причем каждый из первого и второго ответвительных протоков включает в себя, по меньшей мере, два гидравлических сопротивления, причем терминал отбора давления каждого из ответвительных протоков расположен между двумя гидравлическими сопротивлениями, и при этом флюидный модуль также содержит клапан, имеющий первое положение, при котором флюид может течь через основной проток, и второе положение, при котором течение флюида через основной проток закрыто.
16. Управляющий потоком фильтр флюида по п. 15, в котором флюидный модуль имеет первый режим добычи, в котором создаваемый втекающим желательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и второй режим добычи, в котором создаваемый втекающим нежелательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока.
17. Система управления потоком флюида в скважине, содержащая:
флюидный модуль, имеющий основной проток, клапан, имеющий первое положение, при котором флюид может течь через основной проток, и второе положение, при котором течение флюида через основной проток закрыто, и мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск и каждый из которых включает в себя два гидравлических сопротивления с расположенным между ними терминалом отбора давления;
в которой перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков предназначен для смещения клапана между первым и вторым положениями.
18. Система управления потоком флюида по п. 17, в которой два гидравлических сопротивления каждого ответвительного протока по разному реагируют на вязкость флюида.
19. Система управления потоком флюида по п. 17, в которой два гидравлических сопротивления каждого ответвительного протока по разному реагируют на плотность флюида.
20. Система управления потоком флюида по п. 17, в которой флюидный модуль имеет первый режим добычи, в котором создаваемый втекающим желательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для открывания основного протока, и второй режим добычи, в котором создаваемый втекающим нежелательным флюидом перепад давления между терминалами отбора давления первого и второго ответвительных протоков смещает клапан для закрывания основного протока.
21. Система управления потоком флюида по п. 17, в которой гидравлические сопротивления выбирают из группы, состоящей из сужений, вихревых камер, проточных труб, селекторов флюида и матричных камер.
22. Способ управления потоком флюида в скважине, содержащий:
размещение в заданном месте в скважине системы управления потоком флюида, содержащей флюидный модуль, имеющий основной проток, клапан и мостовую сеть с первым и вторым ответвительными протоками, каждый из которых имеет сообщающиеся с основным протоком впуск и выпуск и каждый из которых включает в себя два гидравлических сопротивления с расположенным между ними терминалом отбора давления;
добычу желательного флюида через флюидный модуль;
генерирование первого перепада давления между терминалами отбора давления первого и второго протоков, смещающего клапан к первому положению, при котором флюид может течь через основной проток;
добычу нежелательного флюида через флюидный модуль;
генерирование второго перепада давления между терминалами отбора давления первого и второго протоков, смещающего клапан из первого положения во второе положение, при котором течение флюида через основной проток закрыто.
23. Способ по п. 22, в котором добыча желательного флюида через флюидный модуль также предусматривает добычу пластового флюида, содержащего, по меньшей мере, заданное количество желательного флюида.
24. Способ по п. 22, в котором добыча нежелательного флюида через флюидный модуль также предусматривает добычу пластового флюида, содержащего, по меньшей мере, заданное количество нежелательного флюида.
25. Способ по п. 22, также содержащий подачу на поверхность сигнала, указывающего на то, что клапан сместился из первого положения во второе.
