用于调节流体在井中流动的装置和方法 本发明涉及调节装置的相互独立控制的装置和方法，以控制流体在油气储藏区和井之间的流动，井从起始区延伸到油气储藏区，其中在油气储藏区中的井中设置有各调节装置，而每个调节装置包括带有一调节件的流量控制器，其可在用于流体流动的各调节位置之间运动，带有致动件的液压致动器，其连接到调节件上用于致动流量控制器，以及用于控制在致动器和液压管道之间的液压流体流动的控制阀，液压管道从井的起始区延伸到油气储藏区。
在从油气储藏区开采油气的过程中，井从起始区钻孔，起始区可以是海床或者地表，直到储藏区。井衬有套管以阻止管道毁坏。套管在储存区穿孔，从而使油气流入井中。在套管内部，设有管路以将油气输送进入起始区。
液压储藏区位于孤立的矿穴中，该矿穴可以具有大的水平面积。在用这种储藏区的情况下，井从表面垂直向下钻孔，然后井水平地伸进储藏区。
套管内部的油气流动使朝向井端的压力变得较高。由于压力差可以导致水和气体穿透进入低压区，产生流量问题以及降低自井的开采量，故该压力差是不期望的。
为了控制沿着井的长度流入井中，并使井在一些区域能够封闭，采用带有流量开口的滑动套筒或者旋转套筒，其可以用调节件关闭，调节件在井的纵向推动或者绕井地纵轴旋转。
套筒形成套管/管路的一体的零件。套筒通过电动或液力马达驱动，并且从并的起始区通过电缆和/或带有流体静压力的蛇管(coil tubing)操纵。套筒必须在朝向开启和关闭位置均能受到控制，并且因此，当使用直接液压控制时，每个套筒必须有两个卷制管路。套筒的数量可以较大，10或者更多，并且因此每个套筒的直接液压控制需要大量的卷制管路。因此通常的方法是使用电液系统，其中使套筒调节件运动的能量由液压方法施加，并且液压系统的控制由电动机械阀执行。
井具有2000米的深度，以及3000米的水平长度，带有的后果是输送电缆和卷制管路的长度是惊人的。因此，由于安装成本和运行问题的原因，希望限制电缆和卷制管路的数量。
井中下部的压力可以是200到300巴，而温度可以是90℃到180℃之间。在该环境中，调节装置，特别是电动机械部件，在短期使用后常常出现故障。不能控制进入井的入流量的经济后果是巨大的，并因而希望有用于控制油气流量的装置，该装置是较简化的并比现有装置更可靠，并且避免在储藏区中的电动机械部件是尤其理想的。
当水或气体注入油气储藏区中时，一些区域中的水或气体可能直接流向开采井，并因而在注入井的情况下，也希望能够关闭或者控制从井到储藏区的具体区域的流动。
US-A-4945995中描述了用于至少两个装置的相互独立地液压控制的方法和装置，包括在井的开采区提供流量调节装置。该方法和装置的一个目的是减少控制所需的液压互连管道的数量。这可以通过组合的电液方案实现。WO-98/09055描述了方法和装置，其用于置于井下部的装置的选择地控制。该控制包括电动和液压信号连接。
本发明的目的是提供一种用于各调节装置的相互独立地控制的装置和方法，其用于控制流体在油气储藏区和井之间的流动，井从起始区延伸到油气储藏区，该装置和方法比公知的装置和方法简单，并且其中用在储藏区中的部件是坚固和可靠的。另一个目的是卷制管道和/或电缆的数量小于公知的装置和方法中的数量。另一个目的在说明书的具体部分是显而易见的。
根据本发明，其目的可以用在绪论中提到的特征为权利要求中所陈述的特点的那种装置和方法达到的。
在本发明中，能量信号和控制信号均只通过液压管道传送到调节装置。电缆和电动机械部件完全避免，由此达到对流体流量的更简化、更坚固和更可靠的控制。
与现有技术采用的卷制管路/电缆的数量相比，用本发明，可以采用较少的液压管道用于同样数量调节装置的独立控制，由此达到控制的简化。这将在说明书的具体部分进一步阐明。
现在通过参考附图及与具体实施例的说明相结合详细解释本发明，其中：
图1说明了用于海上油气开采的井。
图2说明了用于控制进入井的流入量的旋转套筒。
图3说明了沿着图1剖面线Ⅲ-Ⅲ取得的贯穿本发明管路的剖面图。
图4说明了液压管道和本发明所采用的调节装置之间的连接。
图5-9说明了可被本发明采用的液压控制阀的不同配置。
图10说明了根据本发明的优选液压控制阀。
图11说明了贯穿根据本发明的调节装置的纵向剖面图。
图12-13说明了沿着图11中的剖面线Ⅻ-Ⅻ取得的贯穿调节装置的剖视图以及液压管道和控制阀。
图1说明了用于海上油气开采的并51。井51从海床59钻到大致水平的油气储藏区50。在海床上，在起始区域中井经由井口52和立管63连接到位于海62中的飘浮平台53。井50衬有套管69，并且在井中插有用于从储藏区50输送油气的管路64。
如在说明书的概述部分中提到的，储藏区可以位于海床下2000米处，并且井的水平的油气开采部分具有3000米的长度。井在不同开采区开采不同量的油气，其中仅以附图标记60和61标识出两个。为了控制开采量，调节装置可以装设到开采区中。
图2说明了调节装置1，其插入开采区的管路64中用于控制进入井中的流入量。调节装置包括带有流孔68的旋转套筒67形式的流量控制器54和未在图2中示出的内部调节件。调节装置1还包括致动器56，其安置在致动器罩76中用于致动流量控制器54。此外调节装置包括未示出的控制阀，其用于控制流向致动器56的液流。图2应概括理解，并且应用到现有技术和本发明中。
图3示出了沿着图1剖面线Ⅲ-Ⅲ取得的贯穿本发明所采用的管路的剖面。液压管道，在此共有四个液压管道11-14，排列在管路64的外侧、位于套管17的内部。液压管道11-14从井的起始区，即井口52，延伸到储藏区。起始区还可以是海岸上的井口，或者液压管道可以被输送到平台或者开采船。
图4说明了本发明所采用的调节装置1-7和液压管道11-14之间的连接。调节装置以示意性的形式画出，并且如参考图2所描述，每个调节装置包括一流量控制器、一用于流量控制器的致动器以及用于控制液压流体在液压管道和致动器之间流动的控制阀。
各液压管道成对地与各个调节装置连接。可以看出，连接到调节装置上的两个液压管道的组合对于调节装置1-6来说是不同的，而调节装置7与调节装置5连接到相同的液压管道，即，液压管道11和13。
图5-9说明了可被本发明采用的液压控制阀的不同配置。本发明不局限于液压管道的具体数量，调节装置的具体数量或者控制阀的具体配置，并且为了容易理解图示，只有那些用于调节装置1的连接到液压管道11和14上的控制阀被提及。
图5说明了四个液压管道11-14、一个液压致动器56和位于液压管道和致动器之间的液压路径18、19上的两个控制阀20和21。致动器以示意性的形式画出，并包括静止部分70和可运动的致动件57，两者均为环形段的形式，并且安置在一环形空间中，该空间在外侧由未示出的环形致动器罩限定，在内侧由未示出的环形内壁限定，环形内壁形成管路壁的延伸部分。静止部分70和致动件57分别限定了带有相应液压口15和16的第一液压室71和第二液压室72。
控制阀20和21控制在致动器56和液压管道之间液压流体的流动，并且是这种类型的液压控制阀，其在分别于控制口30和31上分别存在及不存在至少一开启压力的情况下开启和关闭液压流体的流动。
所画出的控制阀是带有回位弹簧的压力控制的方向控制阀类型，回位弹簧在控制口上不存在压力时将阀移到关闭的位置，控制阀根据标准化规则示意性地画出。对于阀21，顶部方块(top square)65说明了贯穿阀的断开路径，示出了阀处于关闭位置。底部方块(bottom square)66说明了在两个方向均开启的路径，示出了阀处于开启位置。标记41标识了回位弹簧，即，在控制口31上不存在压力时，使阀移到其中间位置的弹簧，该中间位置对于这些阀意味着关闭的位置。根据标准化规则，画出了阀21在其中间位置连接到路径18。当至少一个开启压力施加到控制口31时，弹簧41被压缩，并且阀运动到开启位置。在图5-9中，各阀、控制口和回位弹簧分别用附图标记20-25、30-35和40-45标明，对相同的阀末位数字是相同的。
根据本发明，致动器56经由口15、16与液压路径中的至少两个相关的控制阀相串连地液流相关地配置在两个液压管道之间。图5说明了致动器56液流相关地与控制阀20、21串连地配置在两个液压管道11、14之间，因此说明了本发明所需的控制阀的最少数量。
根据本发明，在至少一个控制阀上的控制口应连接到液压管道之一上，并且在至少另一个控制阀上的控制口应连接到另一个液压管道上。根据本发明，在图5中，控制阀20上的控制口30经由液压路径18连接到液压管道11上，并且控制阀21上的控制口31经由液压路径19连接到液压管道14上。
当调节装置受到控制时，连接到用于调节装置的致动器的控制阀上的两个液压管道以液压流体加压到至少相关控制阀的开启压力。这通过将液压流体从井的起始区向下泵入液压管道而完成。参考图5，调节装置1通过使液压管道11和14加压到高于控制阀20和21的开启压力的压力进行控制，一般是75巴。由此，控制阀20和21开启，使液压流体在液压管道11和14与致动器56之间、于路径18和19中流动。
分别在致动器56中的第一液压室71和第二液压室72于是分别连接到液压管道11和14上。压力随后在液压管道11或者14的一个中增加，从而在口15、16之间，即，在第一液压室和第二液压室之间建立压力差。当压力差足够大到克服调节装置1中的内部摩擦时，致动件57运动。具有最高压力的液压管道中的压力可以是200巴，而具有最低压力的液压管道中的压力可以是控制阀的开启压力或者稍高。可见当在第一室71中有超压时，致动件57在方向R1运动，而当在第二室72中有超压时，致动件57在方向R2运动。致动件57连接到流动控制器中的调节件上，结果是在液压管道之间的压力差的形成使流量控制器在一个方向上致动，该方向取决于压力差方向。
图6说明了一种阀的配置，其中控制阀20或23与液流相关地(flow-relatedly)配置在致动器56的两侧。当液压管道加压时，此种阀配置与在图5中说明的阀配置以相同方式操作。然而，图6中的阀配置具有操作上的优点，因为当液压管道14未被加压时，可能存在于其中的气泡或者杂质由阀23阻止，因此防止气泡或者杂质运动进入致动器56。
图7说明了相应于图6的控制阀的配置，不同之处在于各控制口连接到相对的液压管道。与图6中的阀配置比较，图7中阀的配置具有如下优点：如果只有一个液压管道被加压时，致动器56中的液压室没有一个被加压。
在理想的液压操作条件下，带有完全受控的压力和不可压缩的、无气体的液压流体，图5-7中的阀配置将实现调节装置1的完全控制。然而，实际上，液压管道中的液压压力将会随时间而变化，且气体可能出现在管道中，从而产生可压缩的液压介质和在压力完全控制上的困难。通过将仅只一个液压管道加压到高于控制阀的开启压力的压力，采用这些阀配置可能会产生致动件的不期望的运动。
图8说明了一种阀的配置，其中在致动器56各侧分别液流相关地配置两个控制阀20、21和22、23，并且其中位于致动器相同侧的两个控制阀的控制口连接到不同的液压管道上，从而示出了控制口30和33连接到液压管道11上，而控制口31和32连接到液压管道14上。在这种阀的配置中，液压室71、72与液压管道的连接被断开，直到液压管道11和14两者均加压到高于控制阀的开启压力的压力，由此避免了上文提到的与图5-7中说明的阀配置相关的潜在问题。
图9说明了一种阀的配置，其中两个控制阀，液流相关地位于致动器的各侧并且其控制口具有连接到相同液压管道上，由分别具有共同控制口34和35的控制阀单元24或25构成。
从功能的观点来看，由于阀24可以理解成阀21和阀22的组合而阀25可以理解成阀20和阀23的组合，故图9中阀的配置与图8中阀的配置相同。
参考图4，可见当液压管道11和14加压到高于控制阀的开启压力的压力时，液压管道之一在调节装置2、3、5、6和7中同时加压。采用图5或6中所示的阀的配置，对于均连接到液压管道14上的调节装置2和3而言，这将导致第二室72中的加压，然而来自第一室71的路径18关闭，并且在理想的操作条件下，如上所述，第二室72的加压不会导致致动件57的任何运动。然而，如上面曾经提到的，可能产生导致致动件运动的气泡或者其它因素，显而易见的是采用如图7中说明的阀的配置时该问题不太严重，并且采用如图8和9说明的阀配置时该问题实际上可以消除。
图10说明了阀配置的一实施例，其相当于在图9中示意性说明的阀配置，不同之处在于图9中的路径18、19顺延同一方向，而图10中的路径顺延相反方向，这对阀的功能无意义。图10中的唯一未在图9中示出的附图标记是94和95，其分别标明阀24和25中的滑阀(slide)。阀24、25是标准类型，因此省略对其功能的说明。可见阀24和25一起安装在一长的单元中。
图11说明贯穿根据本发明的调节装置的纵向剖面，呈插入管路64中的旋转套筒67的形式。各液压管道未示出。控制阀24和25设计成如图10所示的，并布置在致动罩76的壁之内。同时示出的是带有致动件57的致动器56，以及带有流孔68的流量控制器54和调节件55。致动件57牢固地连接到调节件55上，由此，作为施加的液压压力差的结果，通过其在致动器56中的转动而实现其直接旋转。
液压路径18和19未在图11中画出，它们呈槽道或者通道的形式，位于致动器罩和形成调节装置一部分且没有详细描述的的其它结构部件中。
图12说明了沿着图11中的剖面线Ⅻ-Ⅻ取得的贯穿致动器56的横剖面，以及相关的液压路径和控制阀的示意性说明。应参考图5-10以对图12有全面的理解。
从贯穿致动器56的剖面可见，致动件57和静止部分70分别限定第一室71和第二室72。当在口15和16之间有压力差时，致动件取决于压力差的方向而旋转。可见制动件57设置有内部旁通室(inner bypass chamber)85，该旁通室在端部区域被只允许流进内部旁通室85的单向阀86、87关闭。此外，致动件57具有通过旁通沟槽75连接到内部旁通室85的外部旁通室74。
在对图12详尽说明之前，应该参考图13，其说明了作为在口15和16之间施加的压力差的结果，在致动件57以R3方向运动到端部位置之后的致动器56，压力在口16处最高。可见在其端部位置致动件57关闭了第一室71和口15之间的通道，而同时开启在外部旁通室74和口15之间的通道。由此从第二室72，经由单向阀86、内部旁通室85、旁通沟槽75、外部旁通室74到口15的一个贯通通道被开启，并且由于位于第二室72中的液压流体比口15处具有较高的压力，故液压流体将流过贯通的通道。
通过适当确定液压系统和贯穿通道的尺寸，该流量将导致液压流体的压力下降和/或液压流体流速的增加。通过在致动过程中监控两个液压管道11、14中的压力和液压流体的流速，从而有可能检测到何时致动件57以及从而调节件55已经到达端部位置。
通过相对口16给口15施加超压，将阻止液压流体的通过，并且单向阀86将关闭。从图13可见，在口15处的超压不能使致动件57运动，并且与口15连接的端口15’因此配置成与静止部分70紧密接近。由此压力传递到口15’并且液压流体压靠致动件57端部，因此使其在与R3相反的方向运动。通过致动件远离端部位置的运动，口15和外部旁通室74之间的连接中断，因此关闭贯通的通道。
致动件的端部位置是多个可能的调节位置中的一个，并且应理解是可以为其它调节位置设置相应的贯穿通道。
致动器内部液压容积，即，第一室71和第二室72各自的总量，是已知的值。由此在致动过程中对两个液压管道11、14中的压力和在两个液压管道11、14之间的液压流体的流量的监控，这可以通过在井的起始区域进行的压力测量和容量测量实现，允许在一段时间后对致动件57并从而调节件55的调节位置进行计算。当各液压管道中的压力超过控制阀的开启压力时致动开始，并且因此在致动过程中液压流体的通过容量必须从该点及时进行测量。
与图5-10所说明的实施例相对比，在图12说明的实施例中，在致动器56和每个液压管道11、14之间，一自动控制的计量阀77流量相关地与各个控制阀24、25串连配置。计量阀77是以下类型，即，内部容积79通过入口78的加压而注入流入的流体，直到入口78被减压而入流停止。通过入口78的重复加压，计量阀77传送内部容积79的液体，这通过下述方法达到：
当在入口78有超压时，液压流体流进内部容积79，使活塞80压缩回位弹簧81。在旁通回路84中设置有旁通阀83，并通过影响入口78的相同的压力控制。旁通阀83是带有回位弹簧的压力控制方向控制阀这种类型，回位弹簧在控制口处不存在压力时将阀移到开启位置，因而当入口78加压时旁通阀83关闭旁通回路84。当活塞80向下推进到计量阀77的底部时，液压流体的流入停止。此时解除入口78的压力，这可以从井的起始区人工或者自动地进行，该减压使旁通阀83开启以使液压流体从活塞之上的内部容积79经由旁通回路84流到活塞之下的内部容积79’。回位弹簧81向上推动活塞80，导致液压流体的此种流动。同时单向阀82阻止液压流体从下游侧流入计量阀。通过入口78的重复加压，新的液压流体充满内部容积79，并且位于活塞下方的内部容积79’中的液压流体被从计量阀77强制排出。通过计数入口78的重复加压的次数，在内部容积79相关知识的基础上，可以比在井的起始区处的容积测量更加精确地计算液压流体的通过量，从而实现致动件57及从而调节件55调节位置的更加精确的确定。
为进一步说明本发明，应再次参考图4。如所提到的，连接到调节装置的两个液压管道的组合对调节装置1-6而言是不同的。通过对液压管道11和14加压，可获得调节装置1的独立控制。类似地，通过对液压管道的选定组合进行加压，可以获得调节装置1-6中任何一个的相互独立控制。调节装置7和调节装置5连接到相同的液压管道上，从而这两个调节装置具有共同的控制，并且形成调节装置组。在有大量调节装置的情况下，可以通过该方式将各调节装置进行分组而形成相互独立的调节装置组。
也可以通过对数个液压导管同时加压，有可能加压到不同压力等级，进行更复杂的控制，其结果是对于一个调节装置被加压到高压的管道代表了另一个调节装置的低压。
图4示出四个液压管道如何提供最大6个调节装置的独立控制的可能性。它还说明了采用3个液压管道可以彼此独立控制3个调节装置。同样，5个液压管道提供了10个独立调节装置的可能性，6个液压管道对应于15个独立调节装置，等等。如果液压管道的数量标为n并且独立调节装置的最大数量标为N，可见当n增加1时，N增加了n-1。还可见n=2是n的最小可能值，且在该情况下，N是1。因此，对于n个液压管道，N是一几何级数的总和，其中第一项是1，最高项是n-1，且项数是n-1。从数学理论可知，几何级数的总和是第一项和最高项的和乘以级数中的项数再除以2。因此结果是N=[(1+n-1)(n-1)]/2=n(n-1)/2。
根据现有技术，当独立控制多个调节装置时，在直接液压控制的情况下，对每个调节装置必须采用两个液压管道。在机电控制的情况下，液压管道的数量可以限制成两个，而对每个调节装置必须采用两个电缆。因此，采用N个调节装置的情况下，必须采用至少2N个电缆或者蛇管。此外，希望接收到来自储藏区的关于当调节件已处于具体的调节位置的反馈，这可以用电限位开关完成，导致电缆的数量进一步增加。当然，可以用复杂的电子设备传输信号，从而减少电缆的数量，但是这需要在储藏区区域中使用电子设备，由于储藏区中的压力以及尤其是温度，表明该方法在操作上是不可靠的。
因此，利用本发明，用于独立控制给定数量的调节装置所需的液压管道数量小于现有技术中所需的蛇管/电缆的数量。从N的计算公式可知，对于大量液压管道来说，本发明的这种优点要比少量液压管道的相对更大。为了得到一些实质上优点，本发明液压管道的数量应该是至少三个。
由上显而易见的是，本发明还用于控制流体从并到储藏区的流动，因此本发明还可以用在向储藏区注入水或气体的情况。