CN116457551A - 流动控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于在外部流体储层和构成生产管柱的一部分的基管(102)之间建立可控流体连通的流体流动控制装置(100)，以及一种生产管柱和一种使用该流体流动控制装置的方法。流体流动控制装置包括覆盖主壳体(8)的主流动路径入口(1)的顶部壳体(19)。来自外部流体储层的流体流流入顶部壳体，在该顶部壳体中引起流体流涡旋。
Description
技术领域
本发明涉及对流入管道的流体的控制。更具体地，本发明涉及一种流体流动控制装置，以及一种海底生产管柱和一种使用这种流体流动控制装置的方法。本发明在控制流体从地下油气(hydrocarbon，碳氢化合物)储层流入生产管柱的流动方面是有用的，并且在生产期间对多相流体的自主处理方面是特别有用的。
背景技术
用于从地下储层生产油气的井可以以多个取向延伸穿过储层。传统地，通过钻竖直井进入储层。这是简单且直接的技术，但是，该技术对每个井提供了有限的储层接触。因此，为了在每个井进入更多的储层，开发了钻水平井的技术和装置，即，在表面下方的预定深度处将井从竖直转向水平。所谓的多侧井提供了甚至更大程度的进入储层和与储层的接触。
从地下储层生产油气的主要挑战是增加开采存在于储层中的石油的能力。目前，在油田关闭之前，实际上给定储层中仅有一部分石油被开采和生产。因此，对于开发新技术以增加产量和石油开采存在强烈的动机。
为了增加产量和从储层的采收率，两个因素是特别重要的：
获得最大的储层接触，以及
防止天然气和/或水渗透/穿透的负面影响(通常称为“锥进(coning)”)。
通常通过钻多个水平井和/或多侧向井来实现储层接触。锥进的负面影响通常通过放置在生产管柱壁中的所谓的流入控制装置(ICD)来减轻。通常，水平井中的生产管柱包括大量沿着其整个长度以规则间隔布置的ICD。ICD用作从储层(通常经由生产管柱和井结构之间的环形空间)流入生产管柱的石油的流入端口，并且是具有固定流动面积的端口。
所谓的自主ICD(AICD)包括一个或多个阀元件，并且当石油流过该装置时通常是打开的，但是当水和/或天然气进入装置时以及在水和/或天然气进入装置的地方阻塞流动。生产管柱和外壳/储层之间的环形空间通常被环形封隔器分成多个区域，这在本领域中是已知的。然后在每个区域中放置一个或多个ICD或AICD。
许多ICD在本领域中是已知的。可在专利公开US 5 435 393(Brekke等人)、US 7857 050 B2(Zazovsky等人)、US 7 823 645 B2(Henriksen等人)、US 2008/0041580 A1(Freyer等人)、WO 2008/004875 A1(Aakre等人)、US 2011/0067878 A1(Aadnoy)、US 2008/0041582 A1(Saetre等人)、US 2011/0198097 A1(Moen)、US 2011/0308806 A9(Dykstra等人)、US 7 918 275B2(Baker Hughes Inc)、US 2009/0283275 A1(Baker Hughes Inc)和US7 819 196 B2(Norsk Hydro ASA)中找到ICD或AICD的相关实例。
上述专利公开具有一个或多个以下缺点：
-也由于石油而阻塞生产，这可能导致在井的寿命的初始阶段期间显著的生产损失(桶/天)。
-在其突破的时刻，不期望的相(天然气/水)既不被阻塞也不被关闭。
-不期望的相(天然气/水)在一定程度上被阻塞，尽管没有达到充满或接近充满的程度，但是在流入中停止。
-不表现出可逆性质，即，在石油再次开始流入井中的时刻，自动地重新打开由于不期望的相的进入而关闭的阀的能力。
-对控制打开/关闭的挑战。
-在期望的相的通过量(throughput)期间，在主流内的高流阻。
-不能以令人满意的方式管理苛刻的井条件(高压和高温、结垢等)。
在专利公开WO 2013/139601 A2和WO 2019/175078 A1(流入控制)中公开了现有技术的克服所有上述缺点的AICD，其内容通过引证结合于此。
两种现有技术的AICD都包括主流动路径和副流动路径，其中，副流动路径还包括两个分别用作腔室的流入端口和流出端口的流体流动限制器。这两个流动限制器配置为产生不同的流体流动特性。
对于WO 2013/139601 A2的现有技术的AICD，副流动路径布置成与主流动路径流体连通，而在WO 2019/175078A1的现有技术的AICD中，两个流动路径径向分离。
然而，在WO 2013/139601 A2和WO 2019/175078 A1中公开的AICD存在一些缺点。在多相流动期间，通常存在诸如天然气和水的不期望流体与诸如石油的期望流体的混合物。在没有任何附加措施的情况下，存在上述现有技术的AICD在这种多相流动期间的后期阶段关闭的风险，从而导致不期望流体的不期望的产生。
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点并获得进一步的优点。
发明内容
在主权利要求中阐述了本发明并对其进行了表征，而从属权利要求描述了本发明的其他特征。
在本发明的一个方面中，提供了一种流体流动控制装置，其适于在外部流体储层和构成生产管柱的一部分的基管之间建立流体流F的可控流体连通。
流体流动控制装置包括主流动路径、可移动阀元件、顶部壳体和副流动路径。主流动路径和可移动阀元件布置在主壳体的内部。
主流动路径包括主流动路径入口和主流动路径出口，主流动路径入口配置为在操作期间将主流体流F0引导到主壳体中，优选地轴向地或接近轴向地，主流动路径出口配置为在操作期间将主流体流F0从主壳体引导到基管中。
副流动路径包括副流动路径入口，其配置为引导副流体流f通过副流动路径。副流动路径在操作期间建立流体流入口(优选地主流体流入口)与基管之间的流体连通，并且包括第一流体流动限制器，该第一流体流动限制器配置为产生从第一流体流动限制器上游的压力p1到第一流体流动限制器下游的压力p2的压降。副流动路径还包括第二流体流动限制器和腔室B。第二流体流动限制器布置在第一流体流动限制器的下游，并且配置为产生从第二流体流动限制器上游的压力p2到第二流体流动限制器下游的压力p3的压降。腔室B布置在流体流动限制器之间，在第一流体流动限制器下游和第二流体流动限制器上游。应注意，第二流体流动限制器也可以用作孔口形式的控制装置的副流动路径出口。在此情况下，压力p3是操作期间在基管中的压力。或者，第二流体流动限制器和副流动路径出口可以是主壳体内的分开的结构。
主壳体内部的可移动阀元件配置为当暴露于来自腔室B内的超过阈值压力的压力时关闭用于流体流F的主流动路径，或者至少显著地阻塞流体流F。
顶部壳体至少覆盖主壳体的主流动路径入口，并且包括允许流体流F(主流体流F0+副流体流f)从外部流体储层流动并且至少部分地进入主流动路径入口的流体流入口，上述副流动路径入口，以及在流体流入口和主流动路径入口之间引起流体流F的涡旋/旋转的涡旋导引器。
涡旋导引器可以优选地在主流动路径入口周围和/或上游引起流体流F的涡旋/旋转。
应注意，“盖”在这里应当被解释为布置在主壳体上方或主壳体上的顶部壳体，其中，顶部壳体的径向截面区域至少延伸主流动路径入口的径向截面区域。此外，顶部壳体和主壳体的这种特定构造必须允许流体流F进入主流动路径入口和副流动路径入口。
更优选地，涡旋导引器配置为使得涡旋的旋转轴线在主流动路径入口中居中并且沿着阀元件的运动方向定向。进入主流动路径入口的流体流F的部分被减少到F-f。
涡旋导引器可以布置在流体流入口和主流体流入口之间。
副流体流入口可以布置在主流体流入口的轴向高度上方的轴向高度处。轴向方向和径向方向在本文中分别定义为垂直于和平行于基管的纵向方向的方向。
如果流体流F包括两个或更多个具有不同流体密度的相(例如天然气和石油)的混合物，则由于向心力，在流体流入口和主/副流动路径入口之间引起的涡旋迫使较低密度相(例如天然气)与较高密度相(例如石油)分离。通过相对于主壳体适当设计顶部壳体，这包括定位和确定流体流入口、主流动路径入口和副流动路径入口的尺寸，可能确保所分离的较低密度相流体(例如天然气)的较大部分，例如全部或几乎全部，被引导到副流动路径入口中，并且进一步通过流动限制器。
对于天然气/石油混合物，上述构造因此有利于低密度相流体(即，天然气)而不是高密度相流体(即，石油)进入副流动路径。这导致在这种多相渗透的早期阶段在腔室B中的较高的压力增加，这再次导致主流体流的期望的早期关闭或阻塞。从而最小化低密度相流体(天然气)的产生。
对于石油/水流，上述构造再次有利于低密度相流体(即，石油)而不是高密度相流体(即，水)进入副流动路径。但是与天然气/石油混合物的情况相反，石油/水流在多相渗透的早期阶段在腔室B中导致较低的压力，这再次导致主流体流的期望的后期关闭或阻塞，从而允许主流体路径保持打开以用于在较高含水量下产生石油/水混合物。
因此，如果水携带石油，则主流动路径保持打开更长，并且如果水不携带石油或携带很少的石油，则主流动路径开始堵塞。
在含有大量水的储层中，任何残余石油都不能有效地与水分离。密度差太低。因此，由于相对低的浮力和相对高的总阻力，在储层中朝向生产井流动的水通常携带油滴。
对于密度差显著高于水/石油混合物的天然气/石油流，情况并非如此。因此浮力更高，并且阻力相应地低。当天然气和石油流到基管时，石油的主驱动机制是重力。在天然气穿透进入基管的过程中，通常形成气锥(gas cone)。当气流停止时，重力将迫使石油流过此气锥并进入基管。
因此，与水/石油流相反，当天然气被堵塞或停止时，石油独立于天然气速率流动。
至少由于这个原因，确保主流动路径入口在水/石油流中保持打开较长的时间是有利的。
在典型的情况下，液体被抛向顶部壳体内的轴向壁，并且进一步进入主流动路径入口，而天然气渗出到副流动路径入口中。
在替代构造中，副流动路径入口可以位于主流动路径入口的下游。在此情况下，将所有流体流F引导到主流动路径入口中，在此之后将流体流F根据相而分成副流动路径或进一步通过主流动路径。
在本发明的示例性构造中，顶部壳体还包括布置成与副流动路径入口流体连通的副流动路径的至少一部分。
在另一示例性构造中，副流动路径入口可以位于顶部壳体的面向主流动路径入口的部分中。
在又一示例性构造中，副流动路径入口可以配置为使得副流体流f(构成流体流F的小部分)在操作期间沿着与主流体流F0(构成流体流F的大部分)的方向相反的方向流入副流动路径入口。
在本发明的又一示例性构造中，涡旋导引器包括多个流体流偏转器，这些流体流偏转器相互间隔开以形成至少一个涡旋导引通道，该涡旋导引通道相对于流体流动控制装置的径向方向具有偏转角(α)，从而设定流体流F的涡旋方向。在此构造中，径向方向被限定为与主流体流进入主流动路径入口时的平均方向垂直的方向。也参见前面关于基管的描述。这些多个流体流偏转器中的每一个可以具有楔形形状，其两个锥形侧面(其优选地包括轴向定向的壁)定向在涡旋的方向上，即其顶点远离流体流入口。
在本发明的又一示例性构造中，顶部壳体被分成第一径向部分和第二径向部分，其中，第一径向部分包括流体流入口和涡旋导引器，并且第二径向部分包括副流动路径入口和与副流动路径入口流体连通的副流动路径的至少一部分。在此构造中，第二径向部分可以进一步覆盖主流动路径入口的至少一部分，更优选地覆盖整个主流动路径入口。此外，第二径向部分可以相对于第一径向部分轴向更厚，并且副流动路径的至少一部分可以在径向方向上定向在等于或高于流体流入口的相对于入口的中心点测量的轴向高度的轴向高度处。应注意，顶部壳体在本文定义为如上所述的主壳体。第一径向部分和第二径向部分之间的径向边界可以进一步包括轴向壁，该轴向壁相对于流体流动控制装置的径向方向具有偏转角α，从而设定流体流F的涡旋方向。如对于上述其他构造描述的，径向方向被限定为垂直于主流体流在进入主流动路径入口时的平均方向的方向。
在本发明的又一示例性构造中，副流动路径的长度的大部分(即大于50％)延伸到主壳体的外部。
在第二方面中，本发明涉及一种用于运输油气的生产管柱。生产管柱包括基管、布置在基管的外壁处的具有至少一个封壳输入开口的封壳，以及如上所述的流体流动控制装置。流体流动控制装置布置在封壳内的基管的壁的通孔中，使得在封壳和基管的内部之间获得可控制的流体连通。封壳配置为提供覆盖封壳的至少一个封壳输入开口和流体流动控制装置的流体流入口的输入腔室。
在第三方面中，本发明涉及一种使用如上所述的流体流动控制装置基于流体性质的变化来控制流体流动F的方法。
当流体流动控制装置处于打开位置时，该方法包括以下步骤：
-将流体流F引导到流体流入口中，
-引导流体流通过布置在流体流入口和主流动路径入口之间的涡旋导引器，以在主流动路径入口周围产生流体流F的涡旋，
-在流体流F正在涡旋的同时，引导构成流体流F的大部分的主流体流F0通过流体控制装置壳体内的主流动路径入口；以及
-引导副流体流f通过副流动路径，副流体流f构成流体流F的小部分。
可以通过使副流动路径入口的进入开口小于主流动路径入口的进入开口，来实现通过主流动路径入口的流体流的大部分和通过副流动路径的流体的小部分。
附图说明
参考所附的截面简图和附图，从作为非限制性实例给出的实施方式的以下描述中，本发明的这些和其他特征将变得清楚，其中：
图1示出了发明背后的原理；
图2示出了腔室内部(即，在流体流动限制器之间)的压力变化与流体粘度变化之间的相关性；
图3A和图3B示意性地示出了发明的两个不同的实施方式，其中图3A具有单个流体流输出，图3B具有两个流体流输出；一个用于主流体流F0，另一个用于副流体流f；
图4示出了安装在生产管柱中的根据本发明的流动控制装置；
图5示出了本发明的流动控制装置，示出了用作流体流动限制器的盘管的长度相对于流动控制装置的主壳体的尺寸；
图6更详细地示出了图5的流动控制装置的主壳体；
图7以分解图示出了本发明的流动控制装置；
图8A和图8B以两个不同的透视图示出了本发明的流动控制装置的剖切截面；
图9A和图9B示出了本发明的流动控制装置的顶部壳体，其中图9A示出了顶部壳体分离的流动控制装置，图9B示出了沿着穿过顶部壳体的径向平面截取的流动控制装置的横截面；
图10示出了本发明的流动控制装置的横截面，其中指示了在操作期间涉及的方向流动、压力、力和影响区域。
具体实施方式
图1示出了流体F、f如何在第一压力p1下通过主流体流入口1流入管道2，进一步通过第一流体流动限制器3并进入腔室B，在腔室B处，流体达到第二压力p2，然后在第三压力p3下通过流体流动出口5离开管道2之前流过第二流体流动限制器4。当流体流速和流体性质(例如粘度、密度)保持恒定时，压力p1、p2、p3)也是恒定的，并且p1＞p2＞p3。
在图1中，第一流体流动限制器3是盘管，第二流体流动限制器4是孔口。盘管可以具有任何截面形状，例如圆形、矩形、三角形等。
通常，由于具有长度L和均匀直径D的圆柱形管中的粘滞效应而引起的压力损失与长度L成比例，并且可由达西-魏斯巴赫方程表征，该方程表示为：
其中：ρ＝流体流速的密度(kg/m3)
DL＝管的水力直径(对于圆形截面的管，这等于管的内径(m))；
<v>＝平均流速，通过实验测量为每单位截面润湿面积的体积流速Q(m/s)；
fD＝达西摩擦系数(也称为流动系数λ)；
L＝圆柱形管的长度(m)。
因此，根据达西-魏斯巴赫方程(方程1)，大的比值L/D对应于当流体F、f流过管道2时的大的压降ΔP(在图2中，从p1到p2)。
在层流区中，方程1可以被改写为
因此，在层流条件或接近层流条件下，可以看出盘管上的压力变化ΔP与流体粘度μ以及比值L/D4比成比例。
在雷诺数RE小于4000的情况下实现层流。由于对于直径为D的管中的流体流动，RE＝<v>·D·ρ/μ，所以可以通过调节例如直径D和/或流速<v>来确保这种层流。从方程2可以清楚地看出，如果ΔP是常数，则Q(体积流速)将随着管道长度L的增加而减小，并且结果还是速度<v>减小。因此，具有足够管长L的盘管将形成层流或接近层流。
流过孔口的流体的流动特性可以表示为：
其中：ΔP＝孔口上的流体压差(典型单位：Pa)
Korifice＝孔口特定系数(无量纲)
ρ＝流体密度(每单位体积的质量单位)
v＝流体速度(每单位时间的长度单位)
因此，当流过孔口4时，流体经历由方程3描述的压降ΔP(从p2到p3)。孔口4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以及与流体速度的平方成比例。
因此，参考图1，如果流体的性质(粘度或密度)改变，则腔室B中(即盘管3和孔口4之间)的流体压力p2将改变。这在图2中以图形方式示出。p2的第一(低)值由具有高流体粘度μhigh的流体流形成，并且p2的第二(高)值由具有低流体粘度μlow的流体流形成。当流体性质改变(例如粘度降低)时出现的p2的值之间的差，即ΔP2，可以用于做功，例如致动致动器6(例如在致动表面上施加压力)，这进而可以移动用作阀元件9的活塞9，可能经由液压和/或电气和/或机械传动装置10(见图3)。
通常，本发明利用当受到不同性质的流体(例如石油和水)的作用时在两个不同的流动限制器之间发生的压力变化ΔP2。这些性质可以是例如粘度、密度或两者。
图3A和图3B是示出了上述原理的两种构造的示意图。图3A示出了基本形式(即，其中省略了密封件、垫圈和本领域已知的其他所需或推荐的辅助部件)的流动控制装置100的第一构造。流体流F经由两个流体路径2、7进入主壳体8；具有主流动路径入口1的主流动路径(主管道)2和具有副流动路径入口11的副流动路径(副管道)7。流体流F的大部分F0(即大于50％)，在下文中称为主流体流，流过主管道2和初始打开的阀元件9。流体流F的较小部分f，例如主流体流F0的5％，也称为副流体流f，在其进入主导管2并经由流体流出口5离开此导管2之前，流过副导管7，该副导管包括长度为L且直径为D的盘绕细管形式的第一流体流动限制器3和孔口形式的第二流体流动限制器4。
当流体流F的粘度μ改变时，位于副管道7中的两个流动限制器3、4之间的腔室B中的第二压力p2也改变。例如，如果石油的流被水或天然气代替，则粘度降低并且第二压力p2增加，如上文参考图1和图2所解释的。
此外，图3A示意性地示出了布置在腔室B内或联接到腔室B的致动器6。致动器6经由传动装置10(例如经由液压连杆、机械连杆和/或信号线缆)连接到活塞/阀元件9。致动器6可以是使得能够致动活塞/阀元件9的任何形式，例如阀活塞9的表面暴露于由导引压力ΔP2产生的力，例如可移动盘9的表面在一侧面向腔室B并且在相对侧面向主流动路径入口。
当流体粘度μ如上所述改变时，p2的值的差(ΔP2，见图1)将致动力施加在致动器6上，这进而操作活塞/阀元件9(例如通过关闭/堵塞主流动路径入口1)。因此，管道2、7和流体流动限制器3、4可以配置和定尺寸为使得(当要防止穿透时)当流体F的粘度μ下降到预定水平以下时，活塞/阀元件9自动地关闭流体F的流动。作为一个实例，在油田应用中，此流动控制装置100防止不希望的水和/或天然气流入生产管柱101(见图4)。
图3B示意性地示出了流动控制装置100的第二构造。第二构造与第一构造相同，除了副流动路径7不与主流动路径2流体连通以外。而是二者经由单独的流动路径进入和离开壳体8。主流体流F0从主流动路径入口1进入主流动路径2并且通过主流动路径出口5离开，而副流体流f从入口11进入副流动路径7并且通过单独的副流动路径出口12离开。然而，操作原理与第一构造相同，即，在至少部分地布置在副流动路径7内的两个流体流动限制器3、4之间产生压差ΔP2，并且使用由此引起的压差ΔP2产生的力来借助于活塞/阀元件9关闭流过主流动路径2的主流体流F0。
图4示出了根据本发明的安装到生产管柱101中的完整的流动控制装置100的截面图。
除了流动控制装置100之外，生产管柱101还包括：基管102，流动控制装置100安装在该基管中；滤砂管103，围绕基管102以便防止诸如砂粒或碎屑的大固体颗粒进入基管102；外套筒110，将滤砂管103的一个轴向端固定到基管102；第一内套筒104，配置为将滤砂管103的另一个轴向端固定到基管102上并建立从定向成穿过或位于滤砂管103下方的滤砂管流体通道到流动控制装置100的主流体路径入口1和副流体路径入口11的内套筒流体通道105。
生产管柱101还包括第二内套筒107和端盖108，第二内套筒在流动控制装置100的相对于第一内套筒104的相对径向侧处布置在基管102上，端盖从生产管柱101的外部密封或接近密封所安装的流动控制装置100，从而产生由第一内套筒104和第二内套筒107、端盖108以及基管102建立的封闭的输入腔室109。
在操作中，流体通过滤砂管103流入滤砂管流体通道，进一步沿着内套筒流体通道105，经由内套筒开口111流入封闭的输入腔室109，并且最终通过流动控制装置100流入基管102。
如从图4中显而易见的，在典型的生产管柱101中可用于流动控制装置100的空间较小。认为有利的是，流动控制装置100的主壳体8具有技术上可行的尽可能小的轴向厚度tAICD(即，在安装时垂直于基管102的轴向/纵向方向的厚度)，以避免或最小化从基管102的外壁突出和/或进入基管102的内部。
特别地，应当避免突出到基管102中，因为这会干扰在生产管柱101的整个操作寿命期间可能需要/推荐的基管102内的测量和/或维护和/或修理工作。这种操作通常涉及将各种设备插入到基管102中。
如上所述，为了确保第一流体流动限制器3上的大压差，比值L/D4应该较大。此外，通过产生雷诺数小于4000，优选地小于2500的流可以获得层流。这可通过使构成第一流体流动限制器3的管道的长度L足够大来实现。
图5示出了一种构造，其中流动控制装置100包括用作层流的盘管，该层流产生布置在副管道7内的第一流体流动限制器3。为了确保流过副管道7的副流体流f的层流flam，并且在大压差p1-p2的情况下，将盘管3制成显著长于主壳体8的轴向厚度tAICD。
第一流体流动限制器3可以分成位于主壳体8内的内部部分3a、位于主壳体8外并与内部部分3a流体连通的外部笔直部分3b，以及位于主壳体8外并与外部笔直部分3b流体连通的外部盘绕部分3c。外部盘绕部分3c优选地围绕基管102盘绕多次，以使在基管102的纵向方向上所需的空间使用最小化，从而使本发明的流动控制装置100与现有生产线101的尺寸干涉最小化。同时，可以实现期望的大压差和层流。
管道的长度L与主壳体8的轴向厚度tAICD之间的比值优选地高于50，更优选地高于100，甚至更优选地高于200，甚至更优选地高于300。在典型的安装中，管道的长度L是5米，并且轴向厚度tAICD是14毫米。
图6示出了流动控制装置100的截面，其仅包括位于主壳体8内或附近的部分。如图4中例示的，在操作中布置在基管102的壁内的主壳体8显示了经由流体流入口20与封闭腔室109流体连通的主入口1和副入口11，以及与生产管柱101的基管102的内部流体连通的流体流动出口5、12。
在图5至图9中以可轴向移动的活塞/盘9的形式示出的阀元件9，布置在主壳体8内。阀元件9放置在带齿的主流体流衬套18内，后者为活塞9提供侧向支撑(见图7)，同时允许不受限制的轴向活塞运动。侧向支撑意味着活塞9在径向方向上(即，在安装点平行于基管102的纵向轴线)没有运动或运动可能性很小。
此外，活塞/阀元件/可移动盘9的背离主流动路径入口1和副流动路径入口11的表面处于图6所示的构造中，接触在其外圆周处固定到主壳体8的相邻内壁的弹性构件10。弹性构件10将引起的压力传递到活塞9，并且确保流动控制装置100在任何流体流F之前处于初始预定位置，例如处于完全打开位置或完全关闭位置。弹性构件10(例如隔膜)可以由半柔性材料制成，例如弹性体。
特别参考图7，并且结合图6，可以看到，布置在主流体流衬套18的外周处的衬套齿18a既用作活塞9下方(即，靠近基管102的内侧)的弹性构件10与活塞9上方(即，靠近基管102的外侧)的形成主流动路径入口1的入口衬套16之间的轴向垫片。此外，衬套18包括齿18a之间的对应数量的通道开口18b，以允许主流体流F0径向地流动通过。
如图7中最佳地示出的，活塞9包括接触弹性构件10的下盘9a和居中地布置在下盘9a上的上盘9b。下盘9a的外径向直径等于或接近等于带齿的主流体流衬套18的内径。上盘9b布置/形成在下盘9a的中心，并且具有小于下盘9a的径向直径的径向直径，例如等于或略大于主流动路径入口1的最小内径和/或等于或小于下盘9a的直径的一半。然而，应注意，活塞9的顶面不限于盘的几何形状。可以设想允许打开/关闭主流动路径入口1的活塞9的任何几何形状。
活塞9的上部的稍微更大的直径的一个实例可以是比主流动路径入口1的最小内径大不到10％的直径。
在图6中，所示的主流动路径入口1形成在单独的入口衬套16中。入口衬套16包括具有光滑内壁的漏斗形入口，从而确保在操作期间的最小湍流。在本文中，光滑内壁表示没有尖锐边缘和/或尖锐突起的壁。
为了将活塞/阀元件9、主流体流衬套18和弹性构件10锁定在主壳体8内，锁定环14布置在活塞9上方，其中心围绕入口衬套16。锁定机构通过具有锁定突起/齿的上部14a实现，该锁定突起/齿插入到主壳体8的内部开口内的对应导管中和/或与对应突起啮合。锁定环14的下部14b与主壳体8的内径形成紧密配合。此外，密封装置15(例如O形环)径向地布置在下部14b和主壳体8之间，以避免其之间的流体泄漏。然而，这种锁定环14可以以除了锁定突起14a之外的其他方式固定到主壳体8。例如可以设想具有外螺纹和/或保持环的构造。
应注意，在另一示例性构造中，入口衬套16和锁定环14可以制成一个实心部分。然而，上述具有两个单独部分14、16的构造具有的优点是，可以为入口衬套16选择硬质材料(例如烧结碳化钨)，以防止由于高速和/或流动方向的突然变化而引起的主流动路径入口1附近的腐蚀。
参考图5至图8，流动控制装置100还包括顶部壳体19，其布置在主壳体8上，使得具有主流动路径入口1的入口衬套16被覆盖。顶部壳体19设计成使得在顶部壳体19和主壳体8之间形成入口容积部，其中，在与主流动路径入口1相同的径向位置处，主流动路径入口1位于该容积部的下侧处，并且副流动路径入口11位于该容积部的上侧处。
在图5至图8中看到的顶部壳体19的构造可以被分成两个部分19a、19c；
-第一部分19a，包括用于允许流体流F进入入口容积部的流体流入口20和涡旋导引装置19b，以及
-第二较厚部分19c，包括盘管3的内部部分3的至少一段长度。
顶部壳体19可以通过螺钉19d固定到锁定环14。
如在图6和图7中最佳看到的，盘管3的内部部分3a部分地在顶部壳体19的第二部分19c内延伸，并且部分地在主壳体8内延伸。
涡旋导引装置19b配置为当流体流F进入入口容积部时引起流体流F上的涡旋运动。这可以通过如从图9B的截面图的上方看到的楔形结构19B来实现。形成楔形结构19B的多个楔形件设定了相对于从主流动路径入口1的中心轴线的径向取向具有共同偏转角α的偏转通道。因此，偏转角α的值设置了涡旋半径，其再次影响通过流体流入口20进入的多相流体流F中的各个相的分离度。
涡旋导引器19b可以是从如图9B所示的盘中挤压出的楔形结构。或者，其可以构成固定到顶部壳体19的单独部分。还可以设想配置为具有用户可调节的偏转角α的涡旋导引器19b。
如在图8中最佳地看到的，锁定环14通过O形环15与主壳体8密封，该O形环沿着锁定环14的下部的外圆周延伸，即在带有锁定突起的锁定环14的部分的下方延伸。
包括顶部壳体19内的副流动路径入口11的内部段3a的长度与主壳体8内的内部段3a对准，从而产生期望的流体连通。此外，如果与外部笔直部分3b流体连通，则内部段3a从主壳体8的开口被设定。因此，副流体流f可以穿过顶部壳体19和主壳体8两者并进入位于主壳体8外部的外部笔直部分3b。进一步穿过外部盘绕部分3c并且经由主壳体8内的一个或多个返回通道3d回到主壳体8中。返回通道3d引导(现在)层流副流体流flam经由位于活塞9和弹性构件10下方的腔室B，进一步穿过孔口形式的第二流体流动限制器4，并且通过出口衬套17内的副流动路径出口12离开。孔口4布置在固定成与副流动路径出口12流体连通的出口衬套17内。孔口4可以是可调节的，从而使得能够调节副流体流(ftur)的湍流程度。如上解释的，由于通过孔口4的流动，副流体流f的流体特性从层状flam变化到管状ftur。
为了将流动控制装置100固定到基管102上，主壳体8显示出多个通孔23，该多个通孔配置为接收固定装置，例如螺钉或螺栓(未示出)。
在使用中，流体流F(例如，来自地下储层的石油)被引导穿过流体流入口20进入顶部壳体19，该顶部壳体包围入口容积部，该入口容积部在其下侧覆盖具有主流动路径入口1的入口衬套16，并且在其上侧覆盖副流动路径入口11。当进入入口容积部时，流体流F被进一步分成通过主流动路径入口1进入主流动路径/主管道2的主流体流F0和通过副流动路径入口11进入副流动路径7的较小的副流体流f。主流体流F0在其通过主流动路径出口5离开主壳体8并进入基管102之前沿循主管道2。
流体流F的剩余部分(即副流体流f)流过副管道7，即流过副流动路径入口1、盘管3、腔室B、孔口4，并且最终经由副流动路径出口12进入基管102。
如果在石油生产期间，水和/或天然气进入流体流F，导致总粘度μ下降，则产生的P2的值的差(ΔP2，见图2)用于对活塞9的致动表面6和背离入口1、11、20的隔膜10施加压力。在图6中，致动表面6示出为硫化到橡胶(构成隔膜10)的钢插入板的一部分。这种特定的构造被认为有利于避免孔口4的堵塞。作用在致动表面6上的压力变化ΔP2产生原动力E2，其用于将活塞9的上部9b推向主流动路径入口1，从而防止(或者至少显著地限制)另外的主流体流F0进入主壳体8。隔膜10确保在活塞9上的主导弹性力或偏置力，其被引导远离主流动路径入口1。结果，当主流体流F0不存在或足够小而不能抵消弹性力时，活塞9相对于主流动路径入口1保持在打开位置。
应注意，对于所有上述构造，本发明不限于特定材料或特定几何形状。实际上，材料和/或几何形状的任何选择都是可能的，只要副管道7中的两个流体限制器3、4产生流体特性的变化，例如，限制器3、4中的一个产生主要为层流flam，而另一个限制器在操作期间产生主要为湍流ftur。而且，即使参考附图使用了诸如下方、径向和轴向的方向词语，也应理解，这些词语仅用于清楚，而不应当被解释为限制本发明的控制装置100的方向位置。
上述本发明的流动控制装置100的所有构造在其仅基于流体F的变化特性(例如粘度μ)而被激活(用于关闭或打开流体入口)的意义上是自主的。盘管3、孔口4、壳体8、顶部壳体19和内部布置的衬套18的内部尺寸可以设计成适合各种应用。
为了更好地说明本发明的自主流体流动控制装置100的动力学，图10示出了除了第一流体流动限制器3的外部盘绕部分3c之外的流动控制装置100的原理图。流动控制装置100配置用于阻止诸如天然气和水的低粘度流体进入诸如石油的高粘度流体的期望流动相。指示了由主流体流F0建立的各种力E1、E2、E3的方向，以及对应的压力p1、p2、p3和受影响的截面面积A1、A2、A3。为了使活塞9停止主流体流F0，作用在致动表面6上的力E2(＝p2*A2)最大程度地超过作用在活塞9的相对侧上的反向力的总和，即E1(＝p1*A1)+E3(＝p3*A3)。
应理解，流体流动限制器3、4可以不同地布置和配置。例如，如果该装置旨在用于天然气储层中并且期望防止诸如水的高粘度流体进入生产，则流体流动限制器3、4可以在流动路径中反向。
还应理解，本发明的流动控制装置100可以布置和配置为控制和防止其他流体的流入，例如CO2(其已经注入储层)和蒸汽(结合例如重油的所谓的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)注入)以及产气井中的水。
尽管已经参考来自地下储层的井产流体(例如石油、天然气、水)的控制描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明的装置及其方法可以用于目标是基于流中的各种流体的性质(例如粘度、密度)来控制流体流以防止不期望的流体进入流体流的任何应用。这种应用的实例是注入井、分离工艺和蒸汽阱。
附图标记：
Claims (13)
1.一种流体流动控制装置(100)，用于在外部流体储层(120-122)和生产管柱(101)的基管(102)之间建立流体流(F)的可控流体连通，包括：
-主流动路径(2)，布置在主壳体(8)内，所述主流动路径(2)包括主流动路径入口(1)和主流动路径出口(5)，所述主流动路径入口配置为在操作期间将构成所述流体流(F)的大部分的主流体流(F0)引导到所述主壳体(8)中，所述主流动路径出口配置为在操作期间将所述主流体流(F0)从所述主壳体(8)引导到所述基管(102)中，
-副流动路径(7)，配置为引导构成所述流体流(F)的剩余部分的副流体流(f)，所述副流动路径(7)包括第一流体流动限制器(3)、第二流体流动限制器(4)和腔室(B)，所述第一流体流动限制器配置为产生从所述第一流体流动限制器(3)上游的压力p1到所述第一流体流动限制器(3)下游的压力p2的压降，所述第二流体流动限制器布置在所述第一流体流动限制器(3)下游并且配置为产生从所述第二流体流动限制器(4)上游的压力p2到所述第二流体流动限制器(4)下游的压力p3的压降，所述腔室布置在所述第一流体流动限制器(3)下游和所述第二流体流动限制器(4)上游，以及
-可移动阀元件(9)，布置在所述主壳体(8)内并且配置为当暴露于来自所述腔室(B)内的超过阈值压力的压力时关闭用于流体流(F)的所述主流动路径(2)，
其特征在于，
所述流体流动控制装置(100)还包括：
-顶部壳体(19)，覆盖所述主壳体(8)的所述主流动路径入口(1)，所述顶部壳体(19)包括：
-流体流入口(20)，允许所述流体流(F)从所述外部流体储层(120-122)流动并且至少部分地流入所述主流动路径入口(1)，
-涡旋导引器(19b)，在所述流体流入口(20)和所述主流动路径入口(1)之间引起所述流体流(F)的涡旋，
-副流动路径入口(11)，配置为将副流体流(f)引导到所述副流动路径(7)中。
2.根据权利要求1所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述顶部壳体(19)还包括：
-所述副流动路径(7)的至少一部分，该至少一部分布置成与所述副流动路径入口(11)流体连通。
3.根据权利要求1或2所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述副流动路径入口(11)进入所述顶部壳体(19)的面向所述主流动路径入口(1)的一部分中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述副流动路径入口(11)配置为使得所述副流体流(f)在操作期间以与所述主流体流(F0)的方向相反的方向流入所述副流动路径入口(11)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述涡旋导引器(19b)包括：
-多个流体流偏转器，相互间隔开以形成至少一个涡旋导引通道，所述至少一个涡旋导引通道相对于所述流体流动控制装置(100)的径向方向具有偏转角(α)，从而设定所述流体流(F)的涡旋的方向。
6.根据权利要求5所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述多个流体流偏转器中的每一个具有楔形形状，所述楔形形状的锥形侧中的两个在所述涡旋的方向上定向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述顶部壳体(19)被分成：
第一径向部分(19a)，包括：
所述流体流入口(20)，以及
所述涡旋导引器(19b)，以及
第二径向部分(19c)，包括：
所述副流动路径入口(11)，以及
与所述副流动路径入口(11)流体连通的所述副流动路径(7)的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述第二径向部分(19c)还包括所述主流动路径入口(1)的至少一部分。
9.根据权利要求7或8所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述第二径向部分(19c)相对于所述第一径向部分(19a)更厚，并且其中，所述副流动路径(7)的所述至少一部分在径向方向上以等于或高于所述流体流入口(20)的轴向高度的轴向高度定向。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述第一径向部分(19a)和所述第二径向部分(19c)之间的径向边界包括轴向壁，所述轴向壁具有相对于所述流体流动控制装置(100)的径向方向的偏转角(α)，从而设定所述流体流(F)的涡旋的方向。
11.根据前述权利要求中任一项所述的流体流动控制装置(100)，其中，所述副流动路径(7)的长度的大部分延伸到所述主壳体(8)的外部。
12.一种用于运输油气的生产管柱，其中，所述生产管柱包括：
-基管(102)，
-封壳(104、107、108)，布置在所述基管(102)的外壁处，具有至少一个封壳输入开口(111)，以及
-根据权利要求1至11中任一项所述的流体流动控制装置(100)，
其中，所述流体流动控制装置(100)布置在所述封壳(104、107、108)内的所述基管(102)的所述壁的通孔中，使得在所述封壳(104、107、108)和所述基管(102)的内部之间获得可控的流体连通，并且
其中，所述封壳(104、107、108)配置为提供覆盖所述封壳(104、107、108)的所述至少一个封壳输入开口(111)和所述流体流动控制装置(100)的所述流体流入口(20)的输入腔室(109)。
13.一种使用根据权利要求1至11中任一项所述的流体流动控制装置(100)基于流体性质的变化来控制流体流(F)的方法，所述方法包括以下步骤：
-将所述流体流(F)引导到所述流体流入口(20)中，
-引导所述流体流(F)通过布置在所述流体流入口(19)和所述主流动路径入口(1)之间的涡旋导引器(19b)，以在所述主流动路径入口(1)的周围产生所述流体流(F)的涡旋，
-在所述流体流(F)涡旋的同时，引导构成所述流体流(F)的大部分的所述主流体流(F0)通过所述流体控制装置壳体(8)内的所述主流动路径入口(1)；以及
-引导所述副流体流(f)通过所述副流动路径(7)，所述副流体流(f)构成所述流体流(F)的小部分。
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