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CN104364464B - 流控制装置和方法 - Google Patents

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CN104364464B
CN104364464B CN201380015832.4A CN201380015832A CN104364464B CN 104364464 B CN104364464 B CN 104364464B CN 201380015832 A CN201380015832 A CN 201380015832A CN 104364464 B CN104364464 B CN 104364464B
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Abstract

一种流体流控制装置，包括具有流体入口(7)和至少一个流体出口(8)的壳体。第一流体限流器(1)用作在壳体中的腔室(B)的流入端口，第二流体限流器(2)用作腔室(B)的流出端口。第一流体限流器和第二流体限流器构造成用于产生不同的流体流特征；并且，腔室(B)包括致动器件(5a‑l)，该致动器件对腔室中的流体压力变化(ΔP2)进行响应。第一流体限流器(1)和第二流体限流器(2)构造为，基于不同的流体特性而施加流体的相应的不同的流体流特征。在使用中，通过允许流体的至少一部分(f)流过第一流体限流器(1)，进入腔室(B)并经由第二流体限流器(2)离开腔室，可以用所发明的流体流控制装置来控制通过壳体的流体流(F)；并且利用当流体的特性变化时在腔室中出现的压力变化(ΔP2)，来操作阀装置。

Description

流控制装置和方法
技术领域
本发明涉及流入管道的流体的控制。更具体地，本发明涉及一种控制具有不同特性的流体流的装置和方法。本发明在控制来自地下碳氢化合物储层并且进入生产管柱(production string)的流体流方面是有用的。所发明的装置和方法对于生产流体是有用的，并且在流体喷射环境(context)中是有用的。
背景技术
用于从地下储层生产碳氢化合物的矿井可能在多个定向上延伸穿过储层。传统地，通过钻竖直矿井来接触储层。这是简单且直接的技术，但是，提供的每个矿井接触限制的储层。因此，为了每个矿井接触更多的储层，开发了钻水平矿井的技术和装置，即，在地表下方预定深度处，将矿井从竖直调节至水平。所谓的多水平井能够更好地接近矿井，并且对储层提供更大的接触。
从地下储层生产碳氢化合物的一个主要挑战是，增加回收出现在于储层中的石油的能力。今天，在关闭油田(field)之前，实际上只回收和生产了给定储层中的石油的一部分。因此，有很强的动机来开发新技术以增加产量和油回收。
为了增加来自储层的产量和回收率，有两个因素特别重要：
获得最大储层接触，以及
防止气体和/或水渗透/穿透(通常叫做“锥进(coning)”)的不利效果。
通常，通过钻许多水平的和/或多方向的(multi-lateral)矿井来实现储层接触。锥进的不利效果通常通过放在生产管柱壁中的所谓的入流控制装置(ICD)来减轻。典型地，水平矿井中的生产管柱包括沿着其全长以规则间隔设置的多个ICD。这些ICD用作从储层流出(通常经由生产管柱和矿井结构之间的环部(annulus))并进入生产管柱的油的流入端口，并且是具有固定流通面积的端口。所谓的自发ICD(AICD)包括一个或多个阀元件，并且当油流过该装置时该自发ICD通常是打开的，但是，当水和/或气体进入流(the flow)时并且在水和/或气体进入流的地方，阻塞所述流。典型地，用本领域中已知的环状封隔器，将生产管柱和外壳之间的环室分成多个区域。然后，将一个或多个ICD或AICD放在每个区域中。
许多ICD在本领域中都是已知的，US 5 435 393(Brekke等人)中描述了一个，该专利公开了一种生产管道，该生产管道具有下排放管。将排放管分成具有一个或多个入流限制装置的部分，该装置在所计算的沿着排放管的摩擦压力的损失、所计算的储层的产出轮廓以及所计算的气体或水的入流的基础上，控制油或气体从储层流入排放管的流动。
现有技术还包括US 7 857 050 B2(Zazovsky等人)，其公开了一种用于防止不想要的水或气体并具有流道(flow conduit)的设备，以及一种在流道附近限定弯曲流体路径的结构，在该结构处弯曲流体路径接收流体流。用该结构的至少第一和第二构件来限定该弯曲流体路径，并且，第一和第二构件可相对于彼此移动，以调节弯曲流体路径的横截面流通面积。可通过外力来调节该横截面面积，并由此调节压降。然而，外部控制和力是昂贵的，并且截面数量是有限的。
US 7 823 645 B2(Henriksen等人)公开了一种具有气体或水关闭特征的入流控制装置，该特征可从矿井表面机械地或液压地操作。该装置可能包括旁通特征，该旁通特征允许入流控制装置经由套筒的切换位置而关闭或旁通。入流控制装置可适应井眼条件的变化，例如化学组成、流体密度和温度。可能将该装置构造为，响应于气/油比，水/油比，流体密度和/或入流控制装置的工作温度的变化而控制流。然而，外部控制和力是昂贵的，并且区域数量是有限的。
自发ICD(AICD)代表上述传统ICD的一种改进，因为自发ICD是自控制的，即，不需要任何外部电源或控制。
自发ICD的实例包括US 2008/0041580 A1(Freyer等人)和WO 2008/004875 A1(Aakre等人)。虽然前者描述了一种具有多个阻流件(其密度小于油的密度)的自发限流器，但后者公开了一种具有可移动圆盘的自发流控制装置，该圆盘设计为相对于入口孔移动，从而通过利用伯努利效应和在圆盘上产生的驻点压力(stagnation pressure)来减小或增加流通面积。
US 2011/0067878 A1(Aadnoy)描述了一种流控制器，其具有限流器，以及连接至阀体的压力控制致动器，该阀体与阀孔配合。在封闭侧上，致动器与位于阀孔和限流器上游的流体连通。在打开侧上，致动器与位于限流器下游和阀孔上游的流体连通。致动器设置有活塞，该活塞通过至少一个类似隔膜的密封件(特别是具有弹簧常数的隔膜)而与矿井流体隔离。
US 2008/0041582 A1(Saetre等人)描述了一种流控制设备，其具有定位在管道外部和其通道之间的流体路径中的限流器。限流器具有活动室和旁通室，并且，在旁通室内设置旁通管道。旁通管道具有恒定的有效流通面积，以允许生产流体从旁通室进入通道。将阻流件设置在活动室内并且与管道的出口配合，以基于生产流体的组成成分而自发地改变允许生产流体从活动室进入通道的有效流通面积。
US 2011/0198097 A1(Moen)公开了一种阀组件，其用于调节水平井眼中的流体流。壳体耦接至生产管道，并且具有通过流体通道与形成于井眼附近的内环室流体连通的腔室。将活塞和偏压件设置在腔室内，在那里偏压件将活塞偏压至第一位置中。流体路径限定在壳体内，并且与生产管道和内环室连通。该流体路径可包括设置于其中的一个或多个喷嘴，并且，可将活塞构造为，在第一位置和第二位置之间移动，第一位置允许流体流过流体路径到达生产管道，第二位置防止流体流至生产管道。该位置由压降决定。
US 2011/0308806 A9(Dykstra等人)描述了一种用于控制定位在贯穿地下结构的井眼中的管道中的流体流的设备。将流控制系统放在与主管道流体连通的地方。流控制系统具有流比率控制系统和与路径相关的阻力系统。流比率控制系统具有第一和第二通道，生产流体流入通道，在通道中流过通道的流体的比例与流体流的特性相关。与路径相关的阻力系统包括涡流室，该涡流室具有第一入口和第二入口及出口，与路径相关的阻力系统的第一入口与流比率控制系统的第一通道流体连通，并且第二入口与流比率控制系统的第二通道流体连通。将第一入口定位为这样将流体引入涡流室，使得流体主要切向地流入涡流室，并将第二入口定位为这样引导流体，使得流体主要径向地流入涡流室。基于其相关特性，将油井中的不想要的流体，例如天然气或水，主要切向地引入涡流室，从而当不想要的流体作为生产流体的组分而存在时，限制流体流。
所有上述的AICD实例的一个共同优点是，与传统ICD中的喷嘴相比，AICD实例均有助于沿着矿井路径更均匀地流入。目的是，尽可能多地延迟气体和/或水穿透。然而，其均具有这样的缺点：油也会阻止生产。结果是，与传统ICD相比，矿井周围的提取(回收)程度整体增加，但是，在矿井使用寿命的初始阶段中，具有大量的生产损失(桶/天)。
此外，例如在US 2011/0067878和US 2011/0198097 A1中公开的解决方案在不想要的相穿透时将不会针对不想要的相(气体/水)阻止或关闭。
US 2008/0041580 A1，WO 2008/004875 A1，US 2008/0041582 A1和US 2011/0308806 A9均提到了具有在一定程度上阻止不想要的相的自发能力的ICD特征，尽管不扩展至完全(或接近完全)中断入流。另外，公开文献US 2008/0041580 A1和US 2008/0041582A1将不会表现出任何可逆的特性，即，自发地在油再次开始流入矿井时重新打开已经由于有不想要的相进入而导致关闭的阀的能力。
具有自发地关闭或几乎关闭这种不想要的相的能力的AICD在本领域也是已知的。
在公开文献US 7 918 275 B2中找到一个实例，其描述了一种具有流控制件的设备，该流控制件选择性地将端口与和井眼管道的流孔连通的开口对准。流控制件可能具有打开位置和关闭位置，其中，在这两个位置中，该端口分别与开口对准和不对准。流控制件响应于流动流体所施加的拖曳力的变化，而在打开位置和关闭位置之间移动。偏压元件迫使流控制件到达打开位置或关闭位置。该设备可能包括容纳流控制件的壳体。流控制件和壳体可限定流动空间，该流动空间产生导致拖曳力的库艾特流(Couette flow)。流动空间可能包括亲水材料和/或可水膨胀的材料。
然而，US 7 918 275 B2中公开的解决方案的一个主要问题是，阀在安装时处于关闭位置中，在此过程中流体速度和摩擦是零。因此，将没有驱动开口的力。如果解决了此问题，那么无论如何都将难以基于流摩擦力而控制阀的打开/关闭，因为与阀机构的摩擦力相比，流摩擦力通常较小。另外，任何基于拖曳力/摩擦力的可逆特性的功能看起来都是有疑问的。
文献公开的解决方案的另一实例是在公开文献US 2009/0283275 A1中找到的可自发关闭的AICD，该文献描述了一种用于控制流入井眼管道的流体流的设备。该设备包括与生产控制装置相关联的主流体路径，沿着主流体路径设置的选择性地阻塞主流体路径的阻塞件，以及沿着主流体路径设置的反应介质，其中该反应介质可通过与所选择的流体相互作用来改变贯穿主流体路径的至少一部分上的压力差。该反应介质可能是可水膨胀的材料，或可油膨胀的材料。
因此，在相对于非反应介质的想要的相(诸如油)穿透的过程中，US 2009/0283275A1将对安装在主流体路径中的油反应材料产生更高的流阻。使水/气体停止且不停止油的反应材料对于发明人来说是未知的。该公开文献没有和本发明一样使用第二先导流(pilotflow)来克服主流的任何阻碍。
公开文献US 7 819 196 B2也描述了一种流控制器，其具有限流器以及与阀本体连接的压力控制致动器，接着，该致动器与阀开孔配合。用渗透池(osmotic cell)来操作致动器，将渗透池放在流体流中，由此通过利用渗透池中的溶液和相对于渗透池在外部的流体流/储层之间的渗透压力差，来实现驱动阀的致动器的必要运动。已经表明，此概念根据其原理而起作用，在对不想要的相关闭的同时表现出高初始油产量。然而，该解决方案取决于将以令人满意的方式控制恶劣的矿井条件(高压和高温，污垢，等等)的隔膜。这样的隔膜在本领域中当前还是未知的。
本发明的目的是，克服现有技术的缺点并获得其他优点。
发明内容
在主权利要求中阐述了本发明并表现出其特征，同时从属权利要求描述了本发明的其他特征。
因此，提供了一种流体流控制装置，其包括具有一个流体入口以及至少一个流体出口的壳体，其中，第一流体限流器用作流至壳体中的腔室的流入端口，并且第二流体限流器用作从腔室流出的流出端口，并且其中，将第一流体限流器和第二流体限流器构造为用于产生不同的流体流特征；并且，该腔室包括对腔室中的流体压力变化进行响应的致动器件。
在一个实施方式中，流体流控制装置包括阀装置，该阀装置布置于流体入口和该至少一个流体出口之间，并可操作地连接至致动器件。
将第一流体限流器和第二流体限流器构造为用于基于不同的流体特性而施加其相应的不同的流体流特征。
在一个实施方式中，将第一流体限流器构造为在流过限流器的流体上施加基本上层状的(laminar)流动特征，并将第二流体限流器构造为在流过限流器的流体上施加基本上湍流的(turbulent)流动特征。在一个实施方式中，将第一流体限流器构造为基于流体粘度而施加流动特征，并将第二流体限流器构造为基于流体密度而施加流动特征。
第一流体限流器可以是多孔元件，第二流体限流器可以是孔口。
第一流体限流器有利地用作流入腔室的唯一流入端口，第二流体限流器有利地用作从腔室流出的流出端口。
在一个实施方式中，壳体包括主流体路径和辅助流体路径，并且将流体限流器和腔室布置在辅助流体路径中。在一个实施方式中，将阀装置布置为用于关闭主流体路径。
第一流体限流器可以是阀装置的一部分，和/或第二流体限流器可以是阀装置的一部分。
在一个实施方式中，阀装置包括能移动的本体，该能移动的本体经由柔性波纹管连接至壳体。在另一实施方式中，阀装置包括能移动的活塞，该能移动的活塞布置为在壳体内滑动运动。
在一个实施方式中，流体流控制装置包括限流器元件，该限流器元件构造为当使阀装置朝着关闭位置移动时逐渐阻止流体从孔口流出。
还提供了一种基于在流体特性上的变化来控制通过壳体的流体流的方法，其中：
-允许流体的至少一部分流过第一流体限流器进入腔室，并经由第二流体限流器离开腔室；
-利用当流体的特性变化时在腔室中出现的压力变化，来操作阀装置，从而控制通过壳体的流体流。
在该方法的一个实施方式中，流体的所述特性包括粘度。在该方法的另一实施方式中，流体的所述特性包括密度。在一个实施方式中，该方法包括，由第一流体限流器产生的基本上层状的流，以及由第二流体限流器产生基本上湍流的流。
本发明利用当流体特性(例如粘度)变化时在两个限流器之间出现的在压力上的变化。此在压力上的变化用来移动本体和/或致动阀。
虽然已经描述了本发明的限流器是多孔元件和孔口的实施方式，但是本发明同样可应用其他限流器，例如长管道和/或管道中的突然的几何形状变化。
本发明的流控制装置以优于已知的ICD和AICD的方式，阻止不想要的流体(例如水，气体，蒸汽和CO2)进入想要的流体(例如油)的生产流。本发明的流控制装置是稳健的，且完全自发的。当流体的特性(例如粘度)变化时，阀装置改变位置是可逆的。也就是说，例如，在当粘度减小(即，暴露于水或气体)时流控制装置关闭，当粘度增加(即，暴露于油)时该流控制装置再次打开。
在由于有效地关闭不想要的流体相(例如水和/或气体)，在防止阻止初始产油(当前值)并增加生产程度方面，具有明显的经济效益。在来自矿井的生产和回收方面估计的增长，将至少是10％，该估计的增长将是储层和流体特性的函数。与由于增加的油产量产生的潜在收益相比，本发明的阀的生产成本接近于无关紧要的。
附图说明
参考所附的截面草图和附图，从作为非限制性实例的这些实施方式的以下描述中，本发明的这些和其他特征将是显而易见的，在附图中：
图1a示出了本发明背后的原理以及基本形式的本发明的流控制装置；
图1b示出了腔室内的(即，限流器之间的)压力的变化和流体粘度的变化之间的相互关系；
图2是本发明的流控制装置的原理草图；
图3是示出了根据本发明的流控制装置的第二实施方式的原理草图；
图4示出了根据本发明的流控制装置的第三实施方式；
图5示出了根据本发明的流控制装置的第四实施方式；
图6示出了根据本发明的流控制装置的第五实施方式；
图7示出了根据本发明的流控制装置的第六实施方式；
图8示出了根据本发明的流控制装置的第七实施方式；
图9示出了根据本发明的流控制装置的第八实施方式；
图10示出了根据本发明的流控制装置的第九实施方式；
图11示出了根据本发明的流控制装置的第十实施方式；
图12示出了根据本发明的流控制装置的第十实施方式；
图13a和图13b分别是示出了本发明的流控制装置的实施方式中的油和水的关闭力和打开力的图，本发明的流控制装置构造为自发地阻止水进入油的流；
图14是示出了在本发明的流控制装置的实施方式中的作为压力的函数的关闭力和打开力的图，本发明的流控制装置构造为在预定压力差下自发地阻止流体流。
具体实施方式
图1a示出了流体F在第一压力p1下如何通过第一限流器1流入管道3a并进入腔室B，在该腔室处流体达到第二压力p2，然后，在流体以第三压力p3下离开管道3a之前，流过第二流体限流器2。当流体流速和流体特性(例如粘度，密度)恒定时，压力(p1、p2、p3)是恒定的，并且，p1＞p2＞p3。
在图1a中，第一限流器1是多孔元件，并且第二限流器2是孔口。
通常，可以用达氏定律(即，层流)来描述通过多孔介质的流动特性，其表达为：
(等式1)
其中：Q＝流体流速(单位是体积每单位时间)
kperm＝多孔介质的相对渗透性(典型的单位：达西(Darcy))
A＝多孔介质的横截面面积
μ＝流体的粘度(典型的单位：厘泊；国际单位制(SI)单位：Pa*S)
ΔP＝可渗透介质上的流体压力差(典型的单位：Pa)，以及
ΔL＝平行于流体流延伸的多孔介质的长度。
因此，当流过多孔元件1时，流体根据达氏定律(Darcy’s Law)(等式1)将经历压降ΔP(在图1a中，从p1到p2)，从其可以推断出，多孔元件上的压力变化(ΔP)与流体粘度(μ)和流体流速(Q)成正比。
可以将流过孔口或另一限流器的流体(即，湍流的流)的流动特征表达为：
(等式2)
其中：ΔP＝孔口上的流体压力差(典型的单位：Pa)
Korifice＝孔口特定系数(无量纲(dimensionless，无尺寸的))
ρ＝流体密度(单位是质量每单位体积)
ν＝流体速度(单位是长度每单位时间)
因此，当流过孔口2时，流体经历压降(ΔP)(从p2到p3)，该压降可以用等式2描述。孔口上的流体压力的变化几乎与粘度无关，但是与密度和孔口系数成正比，并与流体速度的平方成正比。
因此，参考图1a，如果流体的特性(粘度或密度)变化，那么腔室B中(在多孔元件1和孔口2之间)的流体压力p2将变化。这在图1b中用图表示出，示出了高的流体粘度(μ高)下的第一(低的)值和低的流体粘度(μ低)下的第二(高的)值。可以用当粘度变化(例如减小)时出现的对于p2的值之间的此差异(ΔP2)来做功，例如，驱动致动器5，接着，这可以移动活塞/本体和/或阀(未在图1a中示出)。
虽然在下文中参考流过多孔元件和孔口的流体来说明本发明，并利用粘度的变化，但应理解的是，本发明可应用流体限流器的任何组合，其中，第一个提供湍流(完全是或基本上是)，另一个提供层流(完全是或基本上是)，或者反过来。
通常，本发明利用当经受不同特性的流体(例如，油和水)时，在两个不同的限流器之间出现的压力变化(ΔP2)。这些特性可以是粘度，如上所述，但也可以是密度，如从等式2中显而易见的。将这两个限流器构造为在流体上施加不同的流动特征。在上述实例中，第一限流器1产生基本上层状的流动，并且第二限流器2产生基本上湍流的流动。
图2是上述原理的一个应用的示意图，示出了基本形式(即，密封件，垫圈和其他本领域中已知的所需辅助零件未示出)的本发明的流控制装置的一个实施方式。流体流(F)进入壳体3b，该壳体具有主流体路径(管道)18b和辅助流体路径(管道)19b。流体(F)的大部分(F0)流过主管道18b和阀4b(初始时是打开的)，而流体(F)的小部分(f)在其重新进入主管道18b并离开管道18b之前，经由多孔件(产生层流)形式的第一限流器1并经由孔口形式的第二限流器2，流过辅助管道19b。当流体(F)流的粘度(μ)改变时，位于辅助管道19b(由两个限流器限定)中的腔室B中的压力p2也改变，如上所述。例如，如果用水代替油流F，那么粘度减小且压力p2增加(如以上参考图1a和图1b所说明的)。
此外，图2(示意性地)示出，将致动器5b布置在腔室B中。将致动器5b经由传动装置6(例如，液压连接装置，机械连接装置或信号线缆)连接至阀4b。当流体粘度(μ)如上所述地变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)在致动器5b上施加驱动力，该驱动力操作(例如，关闭)阀4b。因此，可以将管道和限流器的结构和尺寸构造为，使得当流体(F)的粘度(μ)降至低于预定水平时(当防止穿透时)阀4b自发地关闭。因此，在油田应用中，此装置防止不想要的水和/或气体流入生产管柱。
图3中示意性地示出了本发明的流控制装置的另一实施方式。将壳体3c布置在流体储层R和生产管道S的内部之间的流体路径中。壳体3c包括与流体储层R流体连通的入口7和与生产管道S流体连通的出口8。在壳体3c的内部，是能移动的本体或活塞(在下文中也总体称为本体)形式的阀件4c。用波纹管9c将本体4c支撑在壳体3c中，该波纹管包括结构件和弹性件，例如，螺旋弹簧(未示出)。本体4b进一步包括多孔件形式的第一限流器1。本体4c和波纹管9c在壳体3c内限定腔室B，而孔口的形式的第二限流器2提供腔室B的流体出口。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3c。在壳体3c内，流体F的大部分F0在通过出口8离开壳体3c并进入生产管道S之前，沿着主管道18c流动。流体F的剩余部分f流过多孔件1，在该剩余部分其通过孔口2离开腔室B并流入生产管道S之前，进入由腔室B限定的辅助管道19c。如果水和/或气体进入流F，导致整体粘度μ下降，那么对于p2产生的值的差(ΔP2，见图1b)用来对本体表面5c施加压力。作用于本体表面5c上的此压力变化，产生用来抵靠入口7关闭本体4c的原动力，从而防止流体进入壳体3c。
图4示出了本发明的流控制装置的又一实施方式。壳体3d包括上部11d和下部12d。将两个部分11d，12d用具有密封件(例如，O形环)16b的螺纹连接20结合在一起。壳体3d具有入口7和径向布置的出口8。将构件4d布置为，在壳体3d内运动(在图中：上下运动)。O形环16a在能移动的构件和壳体内壁之间密封。因此，腔室B由能移动的构件4d和壳体3d的下部12d限定。能移动的构件4d(在此实施方式中：活塞)包括多孔件的形式的第一限流器1和孔口的形式的第二限流器2。
流控制装置的此实施方式进一步包括限流器元件32，该限流器元件在这里是面的形式的，当能移动的活塞4d朝着密封表面14移动时，用该面来逐渐阻止从孔口2流出。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3d。在壳体3d内，流体F的大部分F0在其通过出口8离开壳体3d之前，沿着主管道18d流动。流体F的部分f在其通过孔口2离开腔室之前，流过活塞4d中的多孔件1并进入腔室B，并与来自主管道的流混合。在控制装置的此实施方式中，当流体粘度μ变化时对于p2的值的差(ΔP2)，用来对活塞表面5d施加压力。作用于活塞表面5d的此压力变化，产生用来抵靠入口7关闭活塞4d的原动力。使密封表面14和15连接在一起，从而基本上防止流体进入壳体3d。
图5示出了本发明的流控制装置的另一实施方式。壳体3e包括上部11e和下部12e，其中，用具有密封件(例如，O形环)16b的螺纹连接20将上部11e和下部12e结合在一起。壳体3e具有入口7和径向布置的出口8。将构件4e布置为由支撑结构17引导而在壳体3e内运动(在图中：上下运动)。弹性波纹管9e在能移动的构件4e和下壳体12e之间延伸，从而与能移动的构件4e和壳体3e的下部12e一起形成腔室B。能移动的构件4e包括多孔件的形式的第一限流器1，下壳体12e包括孔口的形式的第二限流器2。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3e。在壳体3e内，流体F的大部分F0在其通过出口8离开壳体3e之前，沿着主管道18e流动。流体F的部分f在其通过孔口2离开腔室B之前，流过能移动的构件4e中的多孔件1并进入腔室B。在控制装置的此实施方式中，当流体粘度μ变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)用来在能移动的构件上对表面5e施加压力，从而用来抵靠入口7关闭能移动的构件4e。因此，将密封表面14，15连接在一起，致使基本上防止流体F进入壳体3e。
图6示出了本发明的流控制装置的另一实施方式。壳体3f包括上部11f和下部12f，将上部11f和下部12f结合在一起以形成主管道18f，该主管道沿着壳体3f的内壁从入口7延伸至径向地布置的出口8。例如，可以通过螺纹连接或焊接(未示出)来获得两个部分11f，12f的结合。将活塞形状的构件4f布置为通过由合适的支撑结构引导而在壳体3f内平移运动(在图中：上下运动)，从而形成腔室B，该腔室位于构件4f的下表面5f和下部12f的内壁之间。能移动的构件4f包括多孔件的形式的第一限流器1和孔口的形式的第二限流器2b，从而形成由腔室B限定的第二管道19f。第一限流器1和第二限流器2b均轴向地贯穿构件4f。孔口2b开口的尺寸有利地可以具有可变的径向宽度。同样地，下壳体12f可以包括孔口的形式的另一第二限流器2c。在又一实施方式中，可以将合适的过滤器22布置在一个或多个出口8处以防止任何杂质(例如颗粒)进入(从而阻止或限制)流。将能移动的构件4f和下壳体12f构造为形成限流器元件或限流器区域32a，此处是转角开口的形式，当腔室B中和限流器区域32a中的压力逐渐增加时，该转角开口用来逐渐阻止流从孔口2b，2c流出。所示的伸出部23的目的是，在具有比所需的相(例如油)低的粘度的流体相的流动过程中，避免完全关闭孔口2。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3f。在壳体3f内，流体F的大部分F0在其通过出口8离开壳体3f之前，沿着主管道18f流动。流体F的小部分f在其通过位于能移动的构件4f中的孔口2b和/或位于下部12f中的孔口2c离开腔室B之前，流过能移动的构件4f中的多孔件1并进入腔室B。而且，在图6所示的控制装置的实施方式中，当流体粘度μ变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)用来在能移动的构件4f上对下表面5f施加压力，并用来抵靠入口7关闭能移动的构件4f。因此，将分别在上部11f的内壁和能移动的构件4f的上表面上的密封表面14，15结合在一起，以基本上防止流体F进入壳体3f。由于该限流器区域的增强停滞效果，在具有低粘度的流体相进入的过程中，限流器区域32a有助于更有效地关闭主管道18f。
图7示出了本发明的流控制装置的另一实施方式。壳体3g组成整体部分，其中，将该壳体的内部构造为，形成沿着壳体3g的内壁从入口7延伸至一个或多个径向布置的出口8的主管道18g。布置于壳体3g内的可平移运动的构件4g由上部4gu和下部4gl组成，例如，通过螺纹连接(未示出)和密封件(例如，O形环)16g连接在一起。构件4g的上部4gu和下部4gl可以由合适的支撑结构(未示出)引导，并被构造为在壳体3g内方向相反地相对运动(在图中：上下运动)。因此，腔室B由装配的构件4g的内壁限定。构件4g(在此实施方式中：活塞)进一步包括多孔件的形式的第一限流器1和两个第二限流器2b，2c(例如，其分别是可变孔口和固定孔口的形式)，从而形成由腔室B限定的第二管道19g。可替代地，控制装置可以只具有一个可变类型2b或固定类型2c的孔口2，或两个相同类型的限流器2。而且，如图6所示的实施方式，可以在一个或多个出口8中布置过滤器22，以防止任何杂质(例如颗粒)进入(从而阻止或限制流)。所示的伸出部23的目的是，在具有比所需的相(例如油)低的粘度的流体相的流动过程中，避免完全关闭孔口2c。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3g。在壳体3g内，流体F的大部分F0在其通过出口8离开壳体3g之前，沿着主管道18g流动。流体F的部分f在其通过位于能移动的构件4g的上部4gu上的孔口2b和/或位于能移动的构件4g的下部4gl上的孔口2c离开腔室B之前，流过布置于能移动的构件4g中的多孔件1并进入腔室B。而且，在控制装置的此实施方式中，当流体粘度μ变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)用来在能移动的构件4g的内壁上对表面5g施加压力，从而用来抵靠入口7关闭上部4gu。因此，将密封表面14，15连接在一起，从而基本上防止流体F进入壳体3g。
图8示出了发明的流控制装置的另一实施方式。壳体3h组成一个部分，其中，将该壳体的内部构造为形成沿着壳体3h的内壁从切向入口7延伸至出口8的主管道18h。将构件4h(在此实例中，形成为活塞)经由合适的密封件16h布置至壳体3h的内部，从而在构件4h的上表面5h和壳体3h中的上内壁之间形成腔室B。构件4h可以是能移动的(在此实施方式中：上下运动的活塞)，或者可以包括波纹管(或任何其他能伸展的器件)，该波纹管至少部分地在由壳体3h的内壁设定的径向横截面上延伸。可替代地，构件4h可以是波纹管/能伸展的器件和更硬的材料的组合。此外，构件4h可选地进一步包括孔口的形式的一个或多个第二限流器2，该第二限流器位于例如构件4h的中心。此外，在壳体3h内从出口8延伸至腔室B的一个或多个管道24可选地具有布置于管道24中的多孔元件1。在出口8处引起的旋转产生高压区域，该高压区域在腔室B中产生高的压力，从而更有效地关闭。一个或多个第二限流器2和所述管道24的组合，组成使流体F的小部分f流过的辅助管道19h。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过切向入口7进入壳体3h。在壳体3h内，流体F在其通过出口8离开之前，沿着主管道18h流动，通过旋转产生高压区域。流体F的小部分f可以流入管道24，可选地流过任何多孔件1，进一步流入腔室B并通过构件4h中的孔口2流出。而且，在本发明的此实施方式中，当流体粘度μ变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)用来在构件4h上对上表面5h施加压力。将密封表面14，15连接在一起，从而基本上防止流体F进入壳体3h。可替代地，如果构件4h中没有第二限流器2，通过刚性运动或通过波纹管向下膨胀，或是其两者的组合，在停滞区域33中和腔室B中产生的驻点压力将仍有效地迫使构件4h向下运动，从而基本上防止流体F进入壳体3h。
图9示出了入流控制装置的另一实施方式，其中，壳体3i形成具有入口7和出口8的腔室B，其中该入口和出口分别组成孔口的形式的第一限流器1和具有插入的多孔材料的开口的形式的第二限流器2，从而生成由腔室B限定的第二管道19i。除了在出口8处引入多孔材料(该多孔材料在使用过程中在其下游侧产生主要层状的流)，以及在入口7处的孔口的结构在使用过程中在该孔口的下游侧产生主要湍流的流以外，该装置的结构与公开文献US2011/0067878 A1中公开的装置相似或相同，该专利结合于此以供参考。
在使用中，流体流F通过入口/孔口7，1进入壳体3i。如果流动流体的粘度足够高，例如油，那么包括活塞24和弹簧25(其两者由合适的密封件16i附接在第二腔室26内)的平移移动的构件/致动器4i处于打开位置中，即，已通过致动器4i提起使得能够阻挡出口8的阀件27。这是由于第二限流器在出口8处产生的高阻力，从而在腔室B内形成的相应的高压力(p2)的结果，这也会导致活塞24向上运动。同样地，具有足够低的粘度的流体(例如水或气体)将不会在腔室B中产生将活塞24保持在升高的位置中从而导致出口8关闭的足够的压力。将示出的在活塞24上方的上腔室28设定为，经由上管道29与壳体3i的外部流体连通，从而确保致动器4i的恒定的向下的力，该恒定的向下的力对应于主要的外部压力(pl)。
图10示出了如以上图9公开的一个替代实施方式，其中，替代地，将在使用过程中确保层流的多孔材料1布置在上管道29内，并引入从上腔室28延伸并进入位于出口8下游的输出区域31的通道/喷嘴30。在此实施方式中，辅助管道19j对应于通过上管道29和通道/喷嘴30的流。
在使用中，流体流F的小部分f通过上管道29和多孔材料1进入壳体3j，并进一步通过通道/喷嘴30进入输出区域31。同时，流体F的大部分F0通过入口7流入流体路径18j。因此，多孔材料1和通道/喷嘴30分别用作第一限流器1和第二限流器2，而上腔室28具有与图9中的腔室B相同的功能。如果具有足够高的粘度的流体(例如油)流入管道29，那么移动件/致动器4j处于打开位置中，因为反应材料1的高流阻会在上腔室28(B)中产生相应较低的压力，即，不足以迫使阀件24向下运动，从而导致出口8关闭。另一方面，如果具有足够低粘度的流体(例如水或气体)流入上管道29，那么多孔材料1的低阻力会在上腔室28中产生相应较高的压力，足以在致动器4j的表面5j上提供足够高的压力，以使阀件24向下运动，从而关闭出口8。
图11示出了本发明的流控制装置的另一实施方式，其中，将壳体3k构造为在该壳体的内部具有致动器室28。该装置进一步包括入口7、辅助入口组件7’、出口8和位于致动器室28内的移动件/致动器4k，致动器4k包括活塞24和弹簧25，该致动器通过合适的密封件16k连接至腔室28的内壁连接。将辅助入口组件7’布置在致动器4k的上游，以在该辅助入口组件内部形成压力室B，该压力室具有位于相反位置的具有多孔材料1的开口。此外，引入一个或多个通道/喷嘴30，该一个或多个通道/喷嘴从腔室B延伸，并完全贯穿或围绕致动器4k，从而形成由辅助入口组件7’和一个或多个通道/喷嘴30限定的辅助管道19k。除了在辅助入口组件7’处引入多孔材料1，从而在使用过程中主要形成流入压力室B的层流，并引入贯穿或围绕移动件/致动器4k的通道/喷嘴30，从而在使用过程中主要形成湍流以外，该装置的结构设计与公开文献US 2011/0198097 A1中公开的装置相似或相同，该专利结合于此以供参考。
在使用中，流体流F通过主入口7进入主管道18k。然后，将此流体流分成围绕腔室28流动的流体F的大部分F0和通过多孔材料1进入压力室B的小部分f。该小部分f进一步进入致动器室28，然后通过通道/喷嘴30，最后与流F的大部分F0一起通过出口8。因此，多孔材料1和通道/喷嘴30分别用作第一限流器1和第二限流器2，压力室B具有与图10中的腔室B相同的功能。如果具有足够高的粘度的流体(例如油)流入压力室B，那么移动件/致动器4k处于打开位置中，因为由多孔材料1导致的高流阻会在压力室B中产生相应的低的压力(p2)，即，不足以迫使活塞24偏向一侧从而导致出口8关闭。另一方面，如果具有足够低的粘度的流体(例如水或气体)流入压力室B，那么与高粘度流体相比由多孔材料1建立的低的阻力，以及在通道/喷嘴30处的相应的高的阻力，会在压力室B中产生足以使活塞24向侧面移动从而关闭出口8的相应的高的压力。
图12示出了本发明的流控制装置的另一实施方式。壳体3l包括上部11l(左斜线)和下部12l(右斜线)，将上部11l和下部12l通过螺纹连接20结合在一起。在图中示出了用于防止流体在上部11l和下部12l之间泄露的多种密封件16a-c(例如，O形环)。壳体3l具有入口7和径向布置的出口8，从而为流体F建立主管道18l。将构件4l布置为由支撑结构17引导而在壳体3l内运动(在图中：上下运动)。此外，将辅助管道19l布置为，从入口7开始，沿着壳体3l的内壁延伸，经由腔室B延伸至构件4l的下方，即，位于构件4l的与主管道18l相反的侧面，并且，最后在下部12l处与壳体3l的外部流体连通。多孔件的形式的第一限流器1位于上部11l中的入口7的附近，孔口的形式的第二限流器2位于下部12l中，第二限流器2与壳体3l的外部流体连通。因此，腔室B从第一限流器1的下游延伸至第二限流器2的上游。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的油)通过入口7进入壳体3l。在壳体3l内，流体F的大部分F0在其通过出口8离开壳体3l之前，沿着主管道18l流动。流体F的部分f流过多孔件1进入辅助管道19l，经由腔室B到构件4l的下方，并最终通过孔口2离开腔室B。在控制装置的此实施方式中，当流体粘度μ变化时，对于p2的值的差(ΔP2，见图1b)用来对能移动的构件上的表面5l施加压力，并用来抵靠入口7关闭能移动的构件4l。将密封表面14，15连接在一起，从而基本上防止流体F进入管道18l。
应当注意的是，对于以上所有实施方式，本发明不限于特定的材料(例如用于第一或第二限流器的多孔件)，或特定的几何形状(例如用于另一限流器的孔口)。实际上，任何材料和/或几何形状的选择都是可能的，只要使用过程中一个限流器主要产生层流而另一个限流器主要产生湍流。而且，即使参考附图使用诸如上、下、下方、上方、侧向等的方向词语，也应该理解，这些词语仅是为了清楚起见，不应将其解释为限制发明的控制装置的方向位置。
上述发明的流控制装置的所有实施方式都是自发的，因为其基于流体的变化的特性(例如，粘度μ)而运动(以关闭或打开流体入口)。可以将多孔件1、孔口2和壳体3a-k的内部尺寸设计成适合各种应用。
作为第一实例，参考图13a和13b，示出了作用于自发流控制装置中的能移动的活塞4b-l上的力(E)，该流控制装置构造为根据流控制装置上的压降(p1-p3)，使水停止进入所需的油流相。EO表示打开控制装置的力，而EC表示关闭该装置的力。可以看到，虽然当经受油时(EO＞EC)，打开流体控制装置(图13a)，但是当经受水时(EO＜EC)该流体控制装置几乎立即关闭(图13b)。
对于第二实例，参考图14，示出了作用于自发流控制装置中的能移动的活塞上的力(E)，将该流控制装置构造为，当压力差超过给定的极限时，停止任何流体流入。EO表示打开控制装置的力，而EC表示关闭该装置的力。可以看到，流体控制装置在大约8巴的压降(p1-p3)下关闭。
这些实例旨在示出本发明的入流控制装置的功能。应理解，可能以不同的方式布置和构造流体限流器1、2，例如，如果该装置的目的是用在气体储层中并且希望防止水进入生产，在流体路径中基本上反转。
应理解，还可以将发明的流控制装置布置和构造为，控制并防止其他流体(例如CO2(已将其注入储层)和蒸汽(例如与所谓的重油的蒸汽辅助重力排出(SAGD)一起注入))与水一起流入产生气体的矿井。
虽然已经参考来自地下储层的井产流体(例如油，气体，水)的控制，描述了本发明，但是，技术人员将理解，发明的装置和方法可用于任何这样的应用场合：目的是基于流中的多种流体的特性(例如，粘度、密度)来控制流体流，以防止不想要的流体进入流体流。这种应用场合的实例是注入井、分离过程以及蒸汽疏水阀(steam traps)。

Claims (13)

1.一种流体流控制装置，包括：
壳体(3a-l)以及
主流体路径(18a-l)，位于所述壳体(3a-l)内，所述主流体路径包括：
流体入口(7)，具有第一流体压力(p1)；以及至少一个流体出口(8)，具有第三流体压力(p3)；
其特征在于
至少一个辅助流体路径(19b-l)被布置为与所述主流体路径(18a-l)流体连通，
所述辅助流体路径(19b-l)包括
第一流体限流器(1)和第二流体限流器(2)，所述第一流体限流器和所述第二流体限流器分别用作腔室(B)的流入端口和所述腔室(B)的流出端口，所述第一流体限流器和所述第二流体限流器被构造成用于基于不同的流体特性来产生不同的流体流特性；
所述腔室(B)，具有第二流体压力(p2)，所述腔室进一步由致动器件(5a-l)限定，所述致动器件对所述腔室(B)中的限流器产生的流体压力变化(ΔP2)进行响应，该响应当流体特性变化时发生；
所述致动器件(5a-l)能操作地连接至布置在所述流体入口(7)与所述至少一个流体出口(8)之间并且在所述壳体(3a-l)内的至少一个阀装置(4a-l)，所述阀装置为能移动构件的形式，
所述阀装置(4a-l)能在所述主流体路径(18a-l)打开的打开位置与所述主流体路径(18a-l)关闭的关闭位置之间移动，
其中，所述阀装置(4a-l)由于所述第一流体压力(p1)被朝向所述打开位置偏压，并且由于产生的所述压力变化(ΔP2)被朝向所述关闭位置偏压。
2.根据权利要求1所述的流体流控制装置，其中，在使用过程中当流变化成具有比初始流体低的整体粘度的流体时，流体限流器(1，2)中的一个导致腔室(B)中的压力增加。
3.根据权利要求1或2所述的流体流控制装置，其中，所述至少一个辅助流体路径(19b-d，l)布置为至少部分地平行于所述主流体路径(18a-l)。
4.根据权利要求2所述的流体流控制装置，其中，所述第一流体限流器(1)被构造为在流过限流器的流体上施加基本上层状的流动特征，并且所述第二流体限流器(2)被构造为在流过限流器的流体上施加基本上湍流的流动特征。
5.根据权利要求2所述的流体流控制装置，其中，所述第一流体限流器(1)被构造为基于流体粘度施加流动特征，并且所述第二流体限流器(2)被构造为基于流体密度施加流动特征。
6.根据权利要求2所述的流体流控制装置，其中，两个流体限流器(1，2)中的一个至少部分地由这样的材料组成，所述材料在上游侧和下游侧之间产生与流体通过的过程中的整体流体粘度成正比的压力变化。
7.根据权利要求6所述的流体流控制装置，其中，两个流体限流器(1，2)中的另一个被构造为，确保上游侧和下游侧之间的压力变化与流体通过的过程中的流体密度成正比。
8.根据权利要求1所述的流体流控制装置，其中，所述阀装置(4d-l)包括能移动的活塞，所述能移动的活塞被布置为在所述壳体(3d-l)内滑动运动。
9.根据权利要求1所述的流体流控制装置，进一步包括限流器元件或限流器区域(32d，f)，所述限流器元件或限流器区域被构造成用于当所述阀装置(4d，f)朝着关闭位置移动时逐渐阻止流体从所述第二流体限流器(2)流出。
10.根据权利要求1所述的流体流控制装置，其中，所述阀装置(4c，e)包括能移动的本体，所述能移动的本体经由柔性波纹管(9c，e)连接至壳体(3c，e)的内壁。
11.一种基于流体特性的变化而控制通过壳体(3b-l)的流体流(F)的方法，其中，所述流体流(F)的大部分流(F0)沿着主流体路径(18a-l)流动，所述主流体路径从具有第一流体压力(p1)的流体入口(7)延伸到具有第三流体压力(p3)的至少一个流体出口(8)，其特征在于：
-允许所述流体(F)的小部分流(f)流入辅助流体路径(19b-l)，经由第一流体限流器(1)进入具有第二流体压力(p2)的腔室(B)，并进一步经由第二流体限流器(2)离开所述腔室(B)；
-在使用过程中，利用当流体的特性变化时在所述腔室中出现的由限流器产生的压力变化(ΔP2)来操作阀装置(4a-l)，所述阀装置关闭所述主流体路径(18a-l)内的流，所述阀装置为能移动构件的形式，
所述阀装置(4a-l)能在所述主流体路径(18a-l)打开的打开位置与所述主流体路径(18a-l)关闭的关闭位置之间移动，
其中，所述阀装置(4a-l)由于所述第一流体压力(p1)被朝向所述打开位置偏压，并且由于产生的所述压力变化(ΔP2)被朝向所述关闭位置偏压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在使用过程中当流从由主要所需的相组成的流体变成由主要不需要的相组成的流体时，所述第一流体限流器(1)导致所述限流器(1)上的压力差减小。
13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括，通过所述第一流体限流器(1)产生基本上层状的流，并且通过所述第二流体限流器(2)产生基本上湍流的流。
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