基于流体特性以由此可变地阻止地下井中的流动的流路控 制 技术领域 本公开文本总体涉及与地下井结合使用的装备以及与地下井结合执行的操作， 并 且在下面描述的一个实施例中更特别地提供基于流体特性的流路控制， 以由此可变地阻止 地下井中的流动。
背景技术 在烃产出井中， 能够调节流体从地层到井筒的流动在多数情况下是有益的。这种 调节可用于多种目的， 包括水锥或气锥、 使沙产量最小化、 使水和 / 或气体产量最小化、 使 油和 / 或气体产量最大化、 平衡区域之间的产量等。
在喷射式井中， 通常期望将水、 蒸汽、 气体等均匀地注入到多个区域中， 以使烃稳 定地移动而通过地层， 而不会使注入的流体过早突破到达生产井筒。 因此， 调节流体从井筒 到地层的流动的能力还可以有益于喷射式井。
因此， 应当理解的是， 在上文提到的情况下期望可变地限制井中流体流动的技术 领域的进步， 并且这种进步也将有益于其它各种情况。
发明内容 在下面的公开文本中， 提供一种可变流动阻力系统， 所述可变流动阻力系统使得 调节井中流体流动的技术得以提高。下文描述了这样一个实施例 ： 如果流体组合物具有非 期望特性的阈值水平 ( 或大于该阈值水平 )， 则使得流体组合物沿着阻力更大的流路流动。 下文描述了如下另外一个实施例 ： 随着流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率减 小， 流过系统的阻力增大。
在一个方案中， 本公开文本提供了一种用于可变地阻止地下井中的流体组合物的 流动的系统。所述系统可以包括流道以及与所述流道交叉的一组一个或多个分流道。以此 方式， 从流道转向一组分流道的流体组合物的比例基于 a) 流体组合物的粘度、 b) 流道中流 体组合物的速率两者中的至少一者而变化。
在另一个方案中， 说明了一种用于可变地阻止地下井中的流体组合物的流动的系 统。所述系统可以包括流路选择装置， 所述流路选择装置基于流体组合物中的期望流体与 非期望流体的比率来选择流体的大部分从装置中流过多个流路中的哪一个。
在又一个方案中， 可变地阻止流体组合物的流动的系统可以包括流动室。流体组 合物的大部分沿着基于流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率而变化的方向进入 所述流动室。
在另一个方案中， 本公开文本提供一种用于可变地阻止地下井中流体组合物的流 动的系统。所述系统可以包括流动室， 并且流体组合物的大部分可以沿着基于流体组合物 的速率而变化的方向进入所述流动室。
在再一个方案中， 用于地下井的可变流动阻力系统可以包括流动室， 所述流动室
具有出口以及至少第一入口和第二入口。 经由所述第二入口进入所述流动室的流体组合物 可以阻碍经由所述第一入口进入流动室的流体组合物的流动， 由此通过流动室的流体组合 物的流动阻力可以随着通过第一入口和第二入口的流动的比率而变化。
对于本领域普通技术人员而言， 在仔细考虑下面的代表性实施例的详细说明和附 图时， 这些和其它特征、 优点和益处会变得显而易见， 在各个图中使用相同的附图标记表示 相似的部件。 附图说明
图 1 为可以实施本公开文本的原理的井系统的示意性局部剖视图。
图 2 为可以用于图 1 的井系统中井筛和可变流动阻力系统的放大比例的示意性剖 视图。
图 3 为沿着图 2 的线 3-3 截取的可变流动阻力系统的一个构造的示意性 “展开” 平 面图。
图 4 为可变流动阻力系统的另一个构造的示意性平面图。
图 5 为图 4 的可变流动阻力系统的一部分的放大比例的示意性平面图。
图 6 为可变流动阻力系统的又一个构造的示意性平面图。 图 7A 和 7B 为可变流动阻力系统的再一个构造的示意性平面图。 图 8A 和 8B 为可变流动阻力系统的另一个构造的示意性平面图。具体实施方式
图 1 中代表性地示出的是可以实施本公开文本的原理的井系统 10。如图 1 中所 示， 井筒 12 具有从套管 16 向下延伸的大致垂直的无套管分段 14 以及贯穿地层 20 的大致 水平的无套管分段 18。
井下管柱 22( 诸如生产用管式带 ) 安装在井筒 12 中。在井下管柱 22 中相互连接 的是多个井筛 24、 可变流动阻力系统 25 和封隔器 26。
封隔器 26 将在井下管柱 22 和井筒分段 18 之间径向形成的环空 (annulus)28 密 封。以此方式， 流体 30 可以经由环空 28 的处于相邻对封隔器 26 之间的隔离部分而从地层 20 的多个间隔或区域中产出。
位于各相邻对封隔器 26、 井筛 24 和可变流动阻力系统 25 之间的是相互连接的井 下管柱 22。井筛 24 过滤从环空 28 流入井下管柱 22 中的流体 30。可变流动阻力系统 25 基于流体的某些特性来可变地限制流体 30 流入井下管柱 22。
在这点上， 应当注意的是， 井系统 10 在图中示出并且在这里描述为仅为本公开文 本的原理可以应用的各种井系统的一个实施例。应当清楚地理解的是， 本公开文本的原理 不限于在图中描绘或者在这里描述的井系统 10 或其部件的所有细节或任一细节。
例如， 不一定将本公开文本的原理限制为井筒 12 包括大致垂直的井筒分段 14 或 者大致水平的井筒分段 18。流体 30 不一定仅从地层 20 产出， 因为在其它的实施例中流体 可以注入到地层中， 流体可以既注入到地层中又可以从地层中产出， 等等。
井筛 24 和可变流动阻力系统 25 中的每一个不一定位于各相邻对封隔器 26 之间。 单个可变流动阻力系统 25 不一定与单个井筛 24 结合使用。 可以使用这些部件的任何数量、布置和 / 或组合。
任一可变流动阻力系统 25 不一定与井筛 24 一起使用。例如， 在注入操作中， 注入 的流体可以流过可变流动阻力系统 25， 而不会也流过井筛 24。
井筛 24、 可变流动阻力系统 25、 封隔器 26 或井下管柱 22 的任何其它部件不一定 位于井筒 12 的无套管分段 14、 18 中。与本公开文本的原理一致的是， 井筒 12 的任何分段 可以为有套管的或无套管的， 并且井下管柱 22 的任何部分可以位于井筒的无套管分段或 有套管分段中。
因此， 应当清楚地理解， 本公开文本描述了如何构造和使用某些实施例， 但是本公 开文本的原理不限于那些实施例的任何细节。而是， 利用从本公开文本获得的知识那些原 理可以应用于其它各种实施例。
本领域技术人员应当领悟的是， 能够调节流体 30 从例如地层 20 的各个区域到井 下管柱 22 的流动将是有益的， 用以防止地层中的水锥 32 或气锥 34。井中流动调节的其它 用途包括但不限于 ： 平衡来自多个区域的产量 ( 或进入多个区域的注入量 )， 使非期望流体 的产量或注入量最小化， 使期望流体的产量或注入量最大化， 等等。
下文更加全面地说明的可变流动阻力系统 25 的实施例可以通过如下措施来提供 这些益处 ： 如果流体速率增加而超过选定级别， 则增大流动的阻力 ( 例如， 以便因此平衡区 域之间的流动， 防止水锥或气锥， 等等 ) ； 如果流体粘度下降到选定级别以下或流体密度增 大到选定级别以上， 则增大流动的阻力 ( 例如， 以便因此限制产油井中诸如水或气体的非 期望流体的流动 ) ； 和 / 或如果流体粘度或密度增大到选定级别以上， 则增大流动的阻力 ( 例如， 以便因此使蒸汽喷射井中水的注入量最小化 )。 流体是否为期望流体或非期望流体取决于所进行的产出或注入操作的用途。例 如， 如果期望从井中产出油而不产出水或气体， 那么油为期望流体， 水和气体为非期望流 体。如果期望从井中产出气体而不产生水或油， 则气体为期望流体， 而水和油为非期望流 体。 如果期望将蒸汽注入地层中而不注入水， 那么在流体组合物中蒸汽为期望流体， 而水为 非期望流体。
应注意的是， 在井底温度和压力下， 烃气实际上可以完全或部分地处于液相。因 此， 应当理解的是， 当在这里使用术语 “气体” 时， 超临界相、 液相和 / 或气相包括在该术语 的范围之内。
现在另外参考图 2， 其代表性地示出了可变流动阻力系统 25 中的一个以及井筛 24 中的一个的一部分的放大比例的剖视图。在这个实施例中， 流体组合物 36( 可以包括一种 或多种流体， 诸如油和水、 液态水和蒸汽、 油和气体、 气体和水、 油、 水、 和气体等 ) 流入井筛 24 中， 因此被过滤， 然后流入可变流动阻力系统 25 的入口 38。
流体组合物可以包括一种或多种非期望或期望的流体。 蒸汽和水均可以组合在流 体组合物中。作为另一个实施例， 油、 水和 / 或气体可以组合在流体组合物中。
基于流体组合物的一种或多种特性 ( 诸如密度、 粘度、 速率等 ) 来阻止流体组合物 36 通过可变流动阻力系统 25 的流动。然后， 流体组合物 36 经由出口 40 从可变流动阻力系 统 25 排出到井下管柱 22 的内部。
在其它的实施例中， 井筛 24 可以不与可变流动阻力系统 25 结合使用 ( 例如， 在注 入操作中 )， 流体组合物 36 可以沿相反的方向流过井系统 10 的各个构件 ( 例如， 在注入操
作中 )， 单个可变流动阻力系统可以与多个井筛结合使用， 多个可变流动阻力系统可以与一 个或多个井筛一起使用， 流体组合物可以来自于或排出到井的除了环空或井下管柱之外的 区域中， 流体组合物可以在流过井筛之前流过可变流动阻力系统， 任何其它部件可以与井 筛和 / 或可变流动阻力系统的上游或下游相互连接， 等等。因此， 可以理解的是， 本公开文 本的原理根本不限于图 2 中描述以及这里说明的实施例的细节。
尽管图 2 中描绘的井筛 24 是本领域技术任一公知类型的绕线式井筛， 在其它的实 施例中可以使用任何其它类型的井筛或井筛的组合 ( 诸如烧结的、 展开的、 预先包装的、 线 网等 )。 还可以按照需要使用附加部件 ( 诸如屏板、 分流管、 线、 仪器、 传感器、 流入控制装置 等 )。
在图 2 中以简化的形式描绘了可变流动阻力系统 25， 但是在优选实施例中， 系统 可以包括用于执行各种功能的各种通道和装置， 如下面更加全面描述的那样。 另外， 系统 25 优选地至少部分地围绕井下管柱 22 沿周向延伸， 或者系统可以形成在相互连接成为井下 管柱的部分的管状结构件的壁中。
在其它的实施例中， 系统 25 可以不围绕井下管柱沿周向延伸或者形成在管状结 构件的壁中。例如， 系统 25 可以形成在平整结构中， 等等。系统 25 可以在附接至井下管柱 22 的单独壳体中， 或者系统 25 可以取向为使得出口 40 的轴线与井下管柱的轴线平行。系 统 25 可以位于测井带上或者附接至形状不是管状的装置。与本公开文本的原理一致的是， 可以使用系统 25 的任何取向或构造。 现在另外参考图 3， 其代表性地示出了系统 25 的一个实施例的更加详细的剖视 图。系统 25 在图 3 中描绘为好似系统 25 从其周向延伸构造 “展开” 成大致平面构造。
如上所述， 流体组合物 36 经由入口 38 进入系统 25， 并且经由出口 40 退出系统。 流体组合物 36 流过系统 25 的阻力基于流体组合物的一种或多种特性而变化。图 3 中描绘 的系统 25 与通过上述引用并入本文的序列号为 12/700685 的现有申请的图 23 中所示的系 统在很多方面是相似的。
在图 3 的实施例中， 流体组合物 36 最初流入多个流道 42、 44、 46、 48。流道 42、 44、 46、 48 将流体组合物 36 引导到两个流路选择装置 50、 52。装置 50 选择来自流道 44、 46、 48、 的大部分流将进入两个流路 54、 56 中的哪一个， 并且另一个装置 52 选择来自流道 42、 44、 46、 48 的大部分流将进入两个流路 58、 60 中的哪一个。
流道 44 构造为更加限制具有较高粘度的流体的流动。将通过流道 44 逐渐地限制 升高粘度的流体的流动。
如这里所使用的， 术语 “粘度” 用于包含牛顿流变行为和非牛顿流变行为二者。相 关流变特性包括动粘度、 屈服强度、 粘塑性、 表面张力、 可湿性等。例如， 期望流体可以具有 期望范围的动粘度、 屈服强度、 粘塑性、 表面张力、 可湿性等。
流道 44 可以具有相对小的流动区域， 流道可以要求流过其中的流体沿迂曲路径 行进， 表面粗糙度或流动阻碍结构可以用于为较高粘度流体的流动提供增大的阻力， 等等。 然而， 相对低粘度流体能够以对这种流动而言相对低的阻力流过流道 44。
流路选择装置 50 的控制通道 64 接收流过流道 44 的流体。在控制通道 64 的端部 处的控制口 66 具有减小的流动区域， 以由此提高退出控制通道中的流体的速率。
流道 48 构造为对流过其中的流体的粘度具有相对不灵敏的流动阻力， 但是流道
48 可能渐强地阻止较高速率或较高密度的流体的流动。可以通过流道 48 渐强地阻止升高 的粘度流体的流动， 但是达不到通过流道 44 阻止这种流体的流动那么大的程度。
在图 3 中描绘的实施例中， 流过流道 48 的流体在排出到流路选择装置 50 的控制 通道 68 中之前必须流过 “涡流” 室 62。由于在这个实施例中室 62 具有带有中心出口的圆 筒形状， 并且流体组合物 36 围绕所述室螺旋式行进， 在靠近出口时速率升高， 由于压力差 从入口驱进到出口， 所述室称为 “涡流” 室。在其它的实施例中， 可以使用一个或多个节流 管、 流量计、 喷嘴等。
控制通道 68 在控制口 70 处终止。控制口 70 具有减小的流动区域， 以便于增大退 出控制通道 68 中的流体的速率。
应当理解的是， 随着流体组合物 36 的粘度升高， 较大比例的流体组合物将流过流 道 48、 控制通道 68 和控制口 70( 由于流道 44 比流道 48 和涡流室 62 更加阻止较高粘度流 体的流动 )。相反地， 随着流体组合物 36 的粘度下降， 较大比例的流体组合物将流过流道 44、 控制通道 64 和控制口 66。
流过流道 46 的流体也流过涡流室 72， 并且排出到中心通道 74 中， 涡流室 72 可以 与涡流室 62 类似 ( 但是在优选的实施例中涡流室 72 对流过其中的流动提供比涡流室 62 较小的阻力 )。涡流室 72 用于 “阻力匹配” 以达到通过流道 44、 46、 48 的流动的期望平衡。
注意的是， 需要适当地选择系统 25 的各个部件的尺寸和其它特性， 从而获得期望 的结果。在图 3 的实施例中， 流路选择装置 50 的一个期望结果是 ： 当流体组合物具有足够 高的期望流体与非期望流体的比率时， 流过流道 44、 46、 48 的流体组合物 36 的大部分的流 动被引导到流路 54。
在这个实施例中， 期望流体为油， 油具有比水或气体高的粘度， 因此当流体组合物 36 中的足够高比例为油时， 进入流路选择装置 50 的流体组合物 36 的大部分 ( 或者至少较 大的比例 ) 将被引导为流入流路 54 中， 而不是流入流路 56。由于退出控制口 70 的流体比 退出另一个控制口 66 的流体具有较大的比率、 较高的速率和 / 或较大的动量， 因此影响从 通道 64、 68、 74 流过来的流体更多地朝向流路 54 流动， 因此获得这个结果。
如果流体组合物 36 的粘度不足够高 ( 并且因此期望流体与非期望流体的比率在 选定级别以下 )， 则进入流路选择装置 50 的流体组合物的大部分 ( 或者至少较大比例 ) 将 被引导而流入流路 56 中， 而不是流入流路 54 中。这是由于如下原因 ： 退出控制口 66 的流 体比退出另一个控制口 70 的流体具有较大的比率、 较高的速率和 / 或较大的动量， 因此影 响从通道 64、 68、 74 流过来的流体更加朝向流路 56 流动。
应当理解的是， 通过适当地构造流道 44、 46、 48， 控制通道 64、 68， 控制口 66、 70， 涡 流室 62、 72 等， 可以将流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率设定为各种不同的 级别， 装置 50 按所述比率为来自装置的流体的大部分的流动选择流路 54 或 56。
流路 54、 56 将流体引导到另一个流路选择装置 52 的相应的控制通道 76、 78。 控制 通道 76、 78 在相应的控制口 80、 82 处终止。中心通道 75 接收来自流道 42 的流体。
流路选择装置 52 与流路选择装置 50 运行的相似之处在于 ： 经由通道 75、 76、 78 流 入装置 52 中的流体的大部分被引导以朝向流路 58、 60 中的一个， 并且流路选择取决于从控 制口 80、 82 排出的流体的比率。如果与流过控制口 82 的流体相比流体以较大的比率、 速率 和 / 或动量流过控制口 80， 那么流体组合物 36 的大部分 ( 或至少较大比例 ) 将被引导以流过流路 60。 如果与流过控制口 80 的流体相比流体以较大的比率、 速率和 / 或动量流过控制 口 82， 那么流体组合物 36 的大部分 ( 或至少较大比例 ) 将被引导以流过流路 58。
尽管在图 3 中的系统 25 的实施例中描述了两个流路选择装置 50、 52， 应当理解的 是， 与本公开文本的原理一致的是， 可以使用任何数量 ( 包括一个 ) 的流路选择装置。图 3 中所示的装置 50、 52 为本领域技术人员所公知的类型的喷射式流率放大器， 但是与本公开 文本的原理一致的是， 可以使用其它类型的流路选择装置 ( 例如， 压力型流率放大器、 双稳 型流体开关、 比例型流率放大器等 )。
流过流路 58 的流体经由入口 86 进入流动室 84， 所述入口 86 将流体引导为使流体 大致切向地进入该室 ( 例如， 室 84 的形状类似于圆筒， 并且入口 86 与圆筒的圆周成切向地 对准 )。结果， 流体将围绕室 84 螺旋式行进， 直到流体最终经由出口 40 退出， 如图 3 中的箭 头 90 示意性地表示。
流过流路 60 的流体经由入口 88 进入流动室 84， 所述入口 88 将流体引导为使流体 更加直接地朝向出口 40 流动 ( 例如沿径向， 如图 3 中箭头 92 示意性地表示 )。易于理解的 是， 与当流体较不直接地朝向出口流动时相比， 当流体更加直接地朝向出口 40 流动时， 以 相同的流率消耗少得多的能量。 因此， 当流体组合物 36 更加直接地朝向出口 40 流动时， 经受更小的流动阻力， 相 反地， 当流体组合物较不直接地朝向出口流动时， 经受更大的流动阻力。因此， 当流体组合 物 36 的大部分从入口 88 流入室 84 中并且通过流路 60 时， 从出口 40 的上游运行经受更小 的流动阻力。
当与退出控制口 82 的流体相比流体以较大的比率、 速率和 / 或动量退出控制口 80 时， 流体组合物 36 的大部分流过流路 60。当从通道 64、 68、 74 流过来的流体的大部分流过 流路 54 时， 更多的流体退出控制口 80。
当与退出控制口 66 的流体相比流体以较大的比率、 速率和 / 或动量退出控制口 70 时， 从通道 64、 68、 74 流过来的流体的大部分流过流路 54。当流体组合物 36 的粘度在选定 级别以上时， 更多的流体退出控制口 70。
因此， 当流体组合物 36 具有升高的粘度时 ( 流体组合物中的期望流体与非期望流 体的较大比率 )， 通过系统 25 的流动受到较小的阻力。当流体组合物 36 具有降低的粘度 时， 通过系统 25 的流动受到较大的阻力。
当流体组合物 36 较不直接地朝向出口 40 流动时 ( 例如， 如箭头 90 所示 )， 流动经 受更大的阻力。因此， 当流体组合物 36 的大部分从入口 86 流入室 84 中并且通过流路 58 时， 流动经受更大的阻力。
当与退出控制口 80 的流体相比流体以较大的比率、 速率和 / 或动量退出控制口 82 时， 流体组合物 36 的大部分流过流路 58。当从通道 64、 68、 74 流过来的流体的大部分流过 流路 56 而不是流过流路 54 时， 更多的流体退出控制口 82。
当与退出控制口 70 的流体相比流体以较大的比率、 速率和 / 或动量退出控制口 66 时， 从通道 64、 68、 74 流过来的流体的大部分流过流路 56。当流体组合物 36 的粘度在选定 级别以下时， 更多的流体退出控制口 66。
如上所述， 系统 25 构造为 ： 当流体组合物 36 具有升高的粘度时， 提供更小的流动 阻力， 并且当流体组合物具有降低的粘度时， 提供更大的流动阻力。 当期望流动更多的较高
粘度流体并且流动更少的较低粘度流体时这是有益的 ( 例如， 以便于产出更多的油以及更 少的水或气体 )。
如果期望流动更多的较低粘度流体并且流动更少的较高粘度流体 ( 例如， 以便于 提供更多的气体以及更少的水， 或者喷出更多的蒸汽以及更少的水 )， 那么可以为此目的容 易地重新构造系统 25。例如， 入口 86、 88 可以方便地反向布置， 以使流过流路 58 的流体被 引导到入口 88 并且流过流路 60 的流体被引导到入口 86。
现在另外参考图 4， 其代表性地示出了可变流动阻力系统 25 的另一个构造。图 4 中的构造在一些方面与图 3 中的构造相似， 但是稍微的区别在于 ： 涡流室 62、 72 不用于流道 46、 48， 并且在图 4 的构造中不使用将入口 38 连接至流路选择装置 52 的单独流道 42。而 是， 流道 48 将入口 38 连接至装置 52 的中心通道 75。
一系列分隔开的分流道 94a-94c 与流道 48 交叉并且提供流道和控制通道 68 之间 的流体连通。室 96a-96c 设置在分流道 94a-94c 与流道 48 之间的各个交叉处。
随着流体组合物的粘度升高或者随着流体组合物的速率下降， 流过流道 48 的流 体组合物 36 的较大比例将转向到分流道 94a-94c。因此， 随着流体组合物的粘度升高或者 随着流道 48 中的流体组合物的速率下降， 流体将以较大的比率、 速度和 / 或动量流过装置 50 的控制口 70( 与流过控制口 66 的流体的比率、 速率和 / 或动量相比 )。 优选地， 图 4 中的系统 25 适当地构造为使得通过控制口 66、 70 的流率与流体组合 物 36 中的期望流体的比例具有线性关系或单调关系 (monotonic relationship)。 例如， 如 果期望流体为油， 那么通过控制口 70 的流率与通过控制口 66 的流率可以随着流体组合物 36 中的油的百分比变化。
室 96a-96c 不是严格必需的， 而是设置为用以增强粘度对流体转向到分流道 94a-94c 中的效果。 室 96a-96c 可以被视为 “涡流” 室， 因为室 96a-96c 提供了使流体组合物 36 可以对其自身起作用的容量， 从而在流体的粘度升高时促进了流体的转向。室 96a-96c 可以使用各种不同的形状、 容量、 表面处理、 表面地形等， 以便进一步增强粘度对流体转向 到分流道 94a-94c 中的效果。
尽管图 4 中描述了三个分流道 94a-94c， 与本公开文本的原理一致的是， 可以使用 任何数量 ( 包括一个 ) 的分流道。如图 4 中所描绘的， 分流道 94a-94c 在流道 48 的一侧线 性间隔开， 但是与本公开文本的原理一致的是， 在其它的实施例中， 分流道 94a-94c 可以径 向地、 螺旋地或以其它方式间隔开， 并且分流道 94a-94c 可以在流道 48 的任一侧或任意多 侧。
从图 5 中更加清楚地看到， 流道 48 优选地在分流道 94a-94c 和流道之间的交叉处 中的每一处宽度增加 ( 并且因此， 流动区域增加 )。因此， 流道 48 的宽度 w2 大于流道的宽 度 w1， 宽度 w3 大于宽度 w2， 并且宽度 w4 大于宽度 w3。宽度的每一增加优选地在流道 48 的 与分流道 94a-94c 中的各个交叉的一侧。
流道 48 的宽度在与分流道 94a-94c 的每个交叉处增加， 从而通过流道补偿流体组 合物 36 流动的扩散。优选地， 在流体组合物 36 经过每个交叉时， 保持流体组合物 36 的喷 射式流动。 以此方式， 较高速率和较低粘度的流体受到较小的影响而转向到分流道 94a-94c 中。
分流道 94a-94c 与流道 48 的交叉处可以均匀地间隔开 ( 如图 4 和图 5 中所描绘
的 ) 或者不均匀地间隔开。分流道 94a-94c 的间隔优选地选择为在流体组合物 36 经过各 交叉处时通过流道 48 保持流体组合物 36 的喷射式流动， 如上所述。
在图 4 和图 5 的构造中， 期望流体与非期望流体相比具有较高的粘度， 因此系 统 25 的各个部件 ( 例如， 流道 44、 48， 控制通道 64、 68， 控制口 66、 70， 分流道 94a-94c， 室 96a-96c， 等 ) 适当地构造为使得 ： 当流体组合物 36 具有足够高的粘度时， 装置 50 将流过流 道 44、 46、 48 的大部分 ( 或者至少较大的比例的 ) 流体引导到流路 54 中。如果流体组合物 36 的粘度不足够高， 则装置 50 将大部分 ( 或者至少较大的比例的 ) 流体引导到流路 56 中。
如果流体的大部分已经被引导到流路 54 中 ( 即， 如果流体组合物 36 具有足够高 的粘度 )， 则装置 52 将引导流体组合物的大部分以使流体组合物流入流路 60 中。因此， 流 体组合物 36 的相当大部分将经由入口 88 流入室 84 中， 并且将沿行相对直的、 更小阻力的 路径到达出口 40。
如果流体的大部分已经由装置 50 引导到流路 56 中 ( 即， 如果流体组合物 36 具有 相对低的粘度 )， 则装置 52 将引导大部分的流体组合物以使流体组合物流入流路 58 中。 因 此， 相当大部分的流体组合物 36 将经由入口 86 流入室 84 中， 并且将沿行相对迂回的、 更大 阻力的路径到达出口 40。 因此， 应当理解的是， 图 4 和图 5 中的系统 25 增大了相对低粘度流体组合物的流 动阻力， 并且降低了相对高粘度流体组合物的流动阻力。可以通过适当地构造系统的各个 部件来确定通过系统 25 的流动阻力增大或减小到某些级别以上或以下的粘度的级别。
类似地， 如果流过流道 48 的流体具有相对低的速率， 则比例较大的流体将从流道 转向到分流道 94a-94c， 使得流过控制口 70 的流体与流过控制口 66 的流体的比率较大。 结 果， 大部分 ( 或者至少较大比例 ) 的流体组合物将通过入口 88 流入室 84 中， 并且流体组合 物将沿行相对直接的、 较小阻力的路径到达出口 40。
相反地， 如果流过流道 48 的流体具有相对高的速率， 比例较小的流体将从流道转 向到分流道 94a-94c， 使得流过控制口 70 的流体与流过控制口 66 的流体的比率减小。 结果 大部分 ( 或者至少较大比例 ) 的流体组合物 36 将通过入口 86 流入室 84 中， 并且流体组合 物将沿行相对迂回的、 较大阻力的路径到达出口 40。
因此， 应当理解的是， 图 4 和图 5 中的系统 25 增大了相对高速率流体组合物的流 动阻力并且减小了相对低速率流体组合物的流动阻力。 可以通过适当地构造系统的各个部 件来确定通过系统 25 的流动阻力增大或减小到某些级别以上或以下的速率的级别。
在系统 25 的一个优选实施例中， 系统阻止相对低粘度流体 ( 诸如其中具有高比例 的气体的流体组合物 36) 的流动， 无论流体组合物的速率如何 ( 在最小阈值速率以上 )。 然 而， 仅当流体组合物的速率在选定级别以上时， 系统阻止相对高粘度流体 ( 诸如其中具有 高比例的油的流体组合物 36) 的流动。再有， 可以通过适当地构造系统的各个部件来确定 系统 25 的这些特性。
现在另外参考图 6， 其代表性地示出了系统 25 的另一个构造。图 6 中的构造在很 多方面与图 4 和图 5 中的构造相似， 但是稍微的区别在于 ： 来自流道 44、 48 二者的流体传 送到装置 52 的中心通道 75， 并且一系列间隔开的分流道 98a-98c 与流道 44 交叉， 使得室 100a-100c 处于交叉处。与本公开文本的原理一致的是， 可以使用任何数量 ( 包括一个 )、 间隔、 尺寸、 构造等的分流道 98a-98c 和室 100a-100c。
与上述分流道 94a-94c 和室 96a-96c 相似， 分流道 98a-98c 和室 100a-100c 起作 用以便随着流体组合物 36 的粘度升高或者随着流道中流体组合物的速率下降将来自流道 44 的较大比例的流体转向 ( 到装置 52 的中心通道 75)。因此， 随着流体组合物 36 的粘度 升高或者随着流道 44 中流体组合物的速率下降， 较小比例的流体被传递到控制口 66。
由于随着流体组合物 36 的粘度升高或者随着流道 48 中流体组合物的速率下降， 更多的流体被传递到控制口 70( 与上面结合图 4 和图 5 的构造所说明的 )， 因此与图 4 和图 5 中的构想相比， 在图 6 的构造中当流体组合物 36 的粘度升高时或者当流体组合物的速率 下降时流过控制口 70 的流体与流过控制口 66 的流体的比率实质上增大很多。
相反地， 与图 4 和图 5 中的构造相比， 在图 6 的构造中当流体组合物 36 的粘度下 降或者当流体组合物的速率升高时， 流过控制口 70 的流体与流过控制口 66 的流体的比率 实质上减小很多。因此， 与图 4 和图 5 中的系统相比， 图 6 中的系统 25 更易于响应流体组 合物 36 的粘度或速率的变化。
图 6 的构造中的另一个区别在于， 室 96a-96c 和室 100a-100c 的容量沿着各自的 流道 48、 44 沿下游方向逐级地减小。因此， 室 96b 具有比室 96a 小的容量， 并且室 96c 具有 比室 96b 小的容量。类似地， 室 100b 具有比室 100a 小的容量， 并且室 100c 具有比室 100b 小的容量。
室 96a-96c 和 100a-100c 的容量的变化可以有助于补偿通过相应的流道 48、 44 的 流体组合物 36 的流率、 速率等的变化。例如， 在分流道 94a-94c 和流道 48 之间的各个连续 交叉处， 通过流道 48 的流体的速率将降低， 并且各个室 96a-96c 的容量相应地减小。类似 地， 在分流道 98a-98c 和流道 44 之间的各个连续交叉处， 通过流道 44 的流体的速率将降 低， 并且各个室 100a-100c 的容量相应地减小。
图 4- 图 6 的构造优于图 3 的构造的一个优点是， 图 4- 图 6 的构造中的所有流道、 流路、 控制通道、 分流道等优选地在单一平面中 ( 从图中可看出 )。当然， 当系统 25 围绕管 状结构件或者在管状结构件中沿周向延伸时， 通道、 流路等优选地在管状结构件中或者管 状结构件上处于相同的径向距离。这使得系统 25 的构造较容易且较廉价。
现在另外参考图 7A 和 7B， 其代表地示出了可变流动阻力系统 25 的另一个构造。 由于图 7A 和 7B 中的系统 25 不包括流路选择装置 50、 52， 与图 3- 图 5 中的系统相比， 图 7A 和 7B 中的系统 25 至少部分地较不复杂得多。
而且， 图 7A 和 7B 中的流动室 84 稍微的区别在于， 通向该室的两个入口 116、 110 经由两个流道 110、 112 被供给流体组合物 36 的流动， 两个流道 110、 112 引导流体组合物以 使流体组合物围绕出口 40 沿着相反的方向流动。如图 7A 和 7B 中描绘的， 经由入口 116 进 入室 84 的流体被引导为围绕出口 40 沿顺时针方向流动， 并且经由入口 110 进入室的流体 被引导为围绕出口沿逆时针方向流动。
在图 7A 中， 在如下情形中描述了系统 25 ： 升高速率和 / 或降低粘度的流体组合物 36 使得流体组合物的大部分经由入口 116 流入室 84 中。因此， 流体组合物 36 在室 84 中围 绕出口 40 螺旋式行进， 并且通过系统 25 的流动阻力增大。降低的粘度可以是由于流体组 合物 36 中的期望流体与非期望流体的相对低的比率。
在图 7A 中， 由于流道 114 连接至在涡流室 104a-104c 处从流道 112 分流的分流道 102a-102c， 相对少的流体组合物 36 经由入口 110 流入室 84 中。在相对高速率和 / 或低粘度下， 流体组合物 36 趋向于流动而经过涡流室 104a-104c， 而没有相当大量的流体组合物 流过涡流室和分流道 102a-102c 到达流道 114。
在图 7B 中， 流体组合物 36 的速率已经下降和 / 或流体组合物的粘度已经升高， 结 果， 较大比例的流体组合物从流道 112 流入分流道 102a-102c 并且经由流道 114 到达入口 110。由于从两个入口 116、 110 进入室 84 的流是沿着相反的方向， 这些流彼此阻碍， 从而干 扰室中的涡流 90。
如图 7B 中所示， 流体组合物 36 围绕出口 40 较少螺旋式地流动并且更加直接地到 达出口， 从而减小了通过系统 25 的流动阻力。因此， 当流体组合物 36 的速率下降时、 当流 体组合物的粘度升高时、 或者当流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率增大时， 通 过系统 25 的流动阻力减小。
现在另外参考图 8A 和 8B， 其代表性地示出可变流动阻力系统 25 的另一个构造。 图 8A 和 8B 中的系统 25 在很多方面与图 7A 和 7B 的系统相似， 但是至少在如下方面不同 ： 在图 8A 和 8B 的构造中不一定使用分流道 102a-102c 和涡流室 104a-104c。而是， 流道 114 本身将流道 112 分流。
另一个区别是， 在图 8A 和 8B 的构造中， 循环流动引导结构件 106 用于室 84 中。 当 流体组合物不围绕出口循环流动时， 结构件 106 起作用以保持流体组合物 36 围绕出口 40 的循环流动或者至少阻碍流体组合物朝向出口的向内流动。结构件 106 中的开口 108 容许 流体组合物 36 最终向内流动到出口 40。
结构件 106 为怎样能够改变系统 25 的构造以产生期望流动阻力的实施例 ( 例如， 当流体组合物 36 具有预定粘度、 速率、 密度、 流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的 比率等 )。流道 114 从流道 112 分流的方式的又一个实施例是， 怎样能够改变系统 25 的构 造以产生期望的流动阻力。
在图 8A 中， 在如下的情形下描绘了系统 25 ： 提高速率和 / 或降低粘度的流体组合 物 36 使得流体组合物的大部分经由入口 116 流入室 84 中。因此， 流体组合物 36 在室 84 中围绕出口 40 螺旋式行进， 并且通过系统 25 的流动阻力增大。降低的粘度可以是由于流 体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的相对低的比率引起的。
在图 8A 中， 由于流道 114 以流体组合物的大部分保留在流道 112 中的方式从流道 112 分流， 相对少的流体组合物 36 经由入口 110 流入室 84 中。在相对高速率和 / 或低粘度 下， 流体组合物 36 趋向于流动而经过流道 114。
在图 8B 中， 流体组合物 36 的速率已经下降和 / 或流体组合物的粘度已经升高， 结 果， 较大比例的流体组合物从流道 112 流过来并且经由流道 114 到达入口 110。 流体组合物 36 的粘度升高可以是由于流体组合物中的期望流体与非期望流体的比率增大引起的。
由于从两个入口 116、 110 进入室 84 的流方向相反 ( 或者至少通过入口 110 的流体 组合物的流与通过入口 116 的流相对 )， 这些流彼此阻碍， 从而干扰室中的涡流 90。因此， 流体组合物 36 更加直接地流到出口 40， 并且通过系统 25 的流动阻力的减小。
注意的是， 上面说明的系统 25 的任一构造的任一特征可以包括在系统的其它构 造的任一构造中， 因此， 应当理解的是， 这些特征对于系统的任一特定构造不是排他性的。 系统 25 可以用于任何类型的井系统 ( 例如， 不仅是井系统 10)， 并且用于在各种井操作中实 现各种目的， 包括但不限于注入、 激励、 完成、 生产、 顺应性、 井筒操作等等。现在， 可以全面地理解， 上述公开文本为控制井中流体流动的技术提供了实质的 进步。可以基于流过可变流动阻力系统的流体组合物的各种特性 ( 例如， 粘度、 密度、 速率 等 ) 来可变地阻止流体流动。
特别地， 上述公开文本为本技术领域提供了用于可变地阻止地下井中流体组合物 36 的流动的系统 25。系统 25 可以包括第一流道 48、 112 以及与第一流道 48、 112 交叉的第 一组一个或多个分流道 94a-94c、 100、 102a-102c。以此方式， 从第一流道 48、 112 转向第一 组分流道 94a-94c、 100、 102a-102c 的流体组合物 36 的比例基于 a) 流体组合物 36 的粘度 以及 (b) 第一流道 48、 98 中流体组合物 36 的速率两者中的至少一者而变化。
从第一流道 48、 112 转向第一组分流道 94a-94c、 100、 102a-102c 的流体组合物的 比例优选地响应于流体组合物 36 的粘度升高而增大。
从第一流道 48、 112 转向第一组分流道 94a-94c、 100、 102a-102c 的流体组合物 36 的比例优选地响应于第一流道 48、 112 中流体组合物 36 的速率降低而增大。
第一组分流道 94a-94c 可以将流体组合物 36 引导到流路选择装置 50 的第一控制 通道 68。流路选择装置 50 可以至少部分地基于转向到第一控制通道 68 的流体组合物 36 的比例来选择来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。 系统 25 可以包括第二流道 44 以及与第二流道 44 交叉的第二组一个或多个分流 道 98a-98c。在这种构造中， 从第二流道 44 转向到第二组分流道 98a-98c 的流体组合物 36 的比例优选地随着流体组合物 36 的粘度的升高而增大， 并且随着第二流道 44 中流体组合 物 36 的速率下降而增大。
第二流道 44 可以将流体组合物 36 引导到流路选择装置 50 的第二控制通道 64。 流路选择装置 50 可以基于通过第一控制通道 64 和第二控制通道 68 的流体组合物 36 的流 率的比率来选择来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。通过第一 控制通道 64 和第二控制通道 68 的流率的比率优选地相对于流体组合物 36 中的期望流体 与非期望流体的比率而变化。
第一组分流道 94a-94c、 100、 102a-102c 可以包括沿着第一流道 48、 112 分隔开 的多个分流道。室 96a-96c、 104a-104c 可以设置在第一流道 48、 112 和分流道 94a-94c、 102a-102c 之间的多个交叉处的每一处。
室 96a-96c、 104a-104c 中的每一个具有流体容量， 并且所述容量可以沿着流体组 合物 36 通过第一流道 48、 112 的流动方向减小。第一流道 48、 112 的流动区域可以在第一 流道 48、 112 和第一组分流道 94a-94c、 102a-102c 之间的多个交叉处的每一处增加。
而且， 上面还说明了一种用于可变地阻止地下井中流体组合物 36 的流动的系统 25， 系统 25 包括流路选择装置 50， 流路选择装置 50 基于流体组合物 36 中的期望流体与非 期望流体的比率来选择来自装置的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。
流路选择装置 50 可以包括第一控制口 70。通过第一控制口 70 的流体组合物 36 的流率影响来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路中的哪一个。通过第一控制口 70 的 流体组合物 36 的流率优选地基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变 化。
流路选择装置 50 还可以包括第二控制口 66。流路选择装置 50 可以基于 a) 通过 第一控制口 70 的流体组合物 36 的流率与 b) 通过第二控制口 66 的流体组合物 36 的流率
的比率来选择来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。通过第一控 制口 70 和第二控制口 66 的流率的比率优选地相对于流体组合物 36 中的期望流体与非期 望流体的比率而变化。
流体组合物 36 可以经由至少一个控制通道 68 流到第一控制口 70， 所述控制通道 68 连接至流体组合物 36 流过的流道 48。从流道 48 到控制通道 68 的流体组合物 36 的流 率可以基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。从流道 48 到控制通 道 68 的流体组合物 36 的流率可以基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率 而变化。当流体组合物 36 的粘度升高时从流道 48 流到控制通道 68 的流体组合物 36 的比 例可以增大， 和 / 或当流道 48 中流体组合物 36 的速率升高时从流道 48 流到控制通道 68 的流体组合物 36 的比例可以减小。
流路选择装置 50 可以包括第二控制口 66。通过第二控制口 66 的流体组合物 36 的流率影响来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。
流体组合物 36 经由流体组合物 36 流过的至少一个控制通道 64 流到第二控制口 66。控制通道 64 连接到至少一个流道 44， 并且从流道 44 到控制通道 64 的流体组合物 36 的流率可以基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。当流体组合物 36 的粘度升高时， 从流道 44 流到控制通道 64 的流体组合物 36 的比例可以减小， 和 / 或当 流道 44 中流体组合物 36 的速率升高时， 从流道 44 流到控制通道 64 的流体组合物 36 的比 例可以增大。 上述公开文本还为本技术领域提供了一种可变地阻止地下井中流体组合物 36 的 流动的系统 25， 系统 25 包括流动室 84。流体组合物 36 中的大部分沿着基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化的方向进入室 84 中。
流体组合物 36 可以响应于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率的增 大而更加直接地流过室 84 到达室 84 的出口 40。
流体组合物 36 中的大部分经由多个入口 86、 88 中的一个入口进入室 84 中。基于 流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率来选择流体组合物 36 的大部分进入的多 个入口 86、 88 中的所述一个入口。
与第二入口 86 相比， 第一入口 88 引导流体组合物 36 以使流体组合物更加直接地 朝向室 84 的出口 40 流动。与第二入口 86 相比， 第一入口 88 可以引导流体组合物 36 以使 流体组合物更加径向地相对于出口 40 流动。与第一入口 88 相比， 第二入口 86 可以引导流 体组合物 36 以使流体组合物围绕出口 40 更加螺旋式行进。
室 84 可以为大致圆筒形， 并且随着流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的 比率减小， 流体组合物 36 可以在室 84 内更加螺旋式地行进。
系统 25 优选地包括流路选择装置 50， 所述流路选择装置 50 基于流体组合物 36 中 的期望流体与非期望流体的比率来选择来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。
流路选择装置 50 包括第一控制口 70。通过第一控制口 70 的流体组合物 36 的流 率影响来自装置的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。通过第一控制口 70 的 流体组合物 36 的流率基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。
流路选择装置 50 还可以包括第二控制口 66。a) 通过第一控制口 70 的流体组合
物 36 的流率与 b) 通过第二控制口 66 的流体组合物 36 的流率的比率影响来自装置的流体 的大部分流过多个流路中的哪一个。通过第一控制口 70 和第二控制口 66 的流率的比率优 选地相对于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。
流体组合物 36 可以经由至少一个控制通道 68 流到第一控制口 70， 控制通道 68 连 接至流体组合物 36 流过的流道 48。从流道 48 到控制通道 68 的流体组合物 36 的流率可以 基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。
流路选择装置 50 可以包括第二控制口 66。通过第二控制口 66 的流体组合物 36 的流率影响来自装置 50 的流体的大部分流过多个流路 54、 56 中的哪一个。流体组合物 36 经由流体组合物 36 流过的至少一个控制通道 64 流到第二控制口 66。
控制通道 64 连接到至少一个流道 44。从流道 44 到控制通道 64 的流体组合物 36 的流率基于流体组合物 36 中的期望流体与非期望流体的比率而变化。
而且， 上面说明了用于可变地阻止地下井中流体组合物 36 的流动的系统 25， 系统 25 包括流动室 84。流体组合物 36 的大部分沿着基于流体组合物 36 的速率而变化的方向 进入室 84 中。
流体组合物 36 可以响应于速率的下降而更加直接地流过室 84 到达室 84 的出口 40。
流体组合物 36 的大部分可以经由多个入口 86、 88 中的一个进入室 84 中。基于速 率来选择多个入口 86、 88 中的所述一个。与多个入口中的第二个入口 86 相比， 多个入口中 的第一个入口 88 可以引导流体组合物 36 以使流体组合物更加直接地朝向室 84 的出口 40 流动。
与第二入口 86 相比， 第一入口 88 可以引导流体组合物 36 以使流体组合物更加径 向地相对于出口 40 流动。与第一入口 88 相比， 第二入口 86 可以引导流体组合物 36 以使 流体组合物围绕出口 40 更加螺旋式地行进。
室 84 可以为大致圆筒形， 并且在速率升高时流体组合物 36 可以在室 84 内更加螺 旋式地行进。
系统 25 还可以包括流路选择装置 52， 所述流路选择装置 52 基于流体组合物 36 的 速率来选择来自装置 52 的流体组合物 36 的大部分流过多个流路 58、 60 中的哪一个。
上述公开文本还说明了一种用于地下井的可变流动阻力系统 25， 可变流动阻力系 统 25 包括流动室 84， 流动室 84 具有出口 40 以及至少第一入口 116 和第二入口 110。经由 第二入口 110 进入流动室 84 的流体组合物 36 与经由第一入口 116 进入流动室 84 的流体 组合物 36 的流动相对， 由此通过流动室 84 的流体组合物 36 的流动阻力随着通过第一入口 116 和第二入口 110 的流率变化。
在通过第一入口 116 和第二入口 110 的流动变得更加均等时， 通过流动室 84 的流 体组合物 36 的流动阻力可以减小。随着流体组合物 36 的粘度升高、 随着流体组合物 36 的 速率下降、 随着流体组合物 36 的密度减小、 和 / 或随着流体组合物 36 中的期望流体与非期 望流体的比率增大， 通过第一入口 116 和第二入口 110 的流动可以变得更加均等。
随着通过第一入口 116 和第二入口 110 的流动变得较不均等， 通过流动室 84 的流 体组合物 36 的流动阻力可以增大。
流体组合物 36 可以经由与流动室 84 大致成切向取向的第一流道 112 流到第一入口 116。流体组合物 36 可以经由与流动室 84 大致成切向取向的第二流道 114 流到第二入 口 110， 并且第二流道 114 可以接收来自第一流道 112 的分流道的流体组合物 36。
应当理解的是， 上述各个实施例可以在各个取向上以及在各种构造中使用， 各个 取向诸如倾斜、 倒置、 水平、 垂直等， 而不偏离本公开文本的原理。 图中所示的实施方案仅被 描绘和说明为本公开文本的原理的有用应用的实施例， 本公开文本的原理不限于这些实施 方案中的任一特定细节。
当然， 在仔细考虑代表性实施方案的上述说明时， 本领域技术人员将易于领会到， 可以对这些特定的实施方案进行许多改进、 添加、 替代、 删除、 和其它的改变， 并且这些改变 在本公开文本的原理的范围之内。因此， 前述详细的描述应当清楚地理解为仅通过示例和 实施例的方式给出， 本发明的主旨和范围由所附的权利要求及其等同内容唯一地限定。