气阀和具有该气阀的生产尾管.pdf

一种用于采油和采气的生产尾管(12)的阀(30)，该阀布置成在发生气窜时自动关闭流入到所述生产尾管(12)中的流体流，所述阀(30)包括阀座(32)，该阀座具有至少一个中心入流通道(34)和通向阀(30)外的一个或者多个出流通道(36、38)。所述阀(30)构造成具有等于生产尾管(12)的外周形状的曲率，并且置于所述生产尾管(12)的外侧，在所述阀(30)中的流体流的流路上布置有具有相同曲率的矩形关闭盘(40)，其用于在所述关闭盘的表面(40a)上产生相对于所述阀座(32)的高速流，其中所述关闭盘(40)适于根据通过的流体速度产生的压差来密封在所述阀座(32)上。本发明还包括具有阀的生产尾管。

1、  一种与采油和采气有关的生产尾管(12)的阀(30)，该阀布置成在发生气窜时自动关闭流入到所述生产尾管(12)中的流体流，所述阀(30)包括阀座(32)，该阀座具有至少一个中心入流通道(34)和通向所述阀(30)外部的一个或者多个出流通道(36、38)，其特征在于，所述阀(30)构造成具有等于所述生产尾管(12)的外周形状的曲率，并且置于所述生产尾管(12)的外侧，在所述阀(30)中的所述流体流的流动路径上布置有具有相同曲率的矩形关闭盘(40)，以在该关闭盘的表面(40a)上产生相对于所述阀座(32)的高速流体流，其中所述关闭盘(40)适于根据由通过的所述流体流的粘性所产生的压差而密封在所述阀座(32)上。

2、  根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述关闭盘(40)布置在所述阀(30)中的矩形腔室(42)内，并且所述至少一个中心入流通道(34)是沿所述腔室的长度的至少一半布置的槽口。

3、  根据权利要求2所述的阀，其特征在于，所述中心入流通道(34)的槽口在底部通过侧壁成形为开放的矩形形状(34a)，然后该侧壁形成为漏斗形状(34b)，并且所述出流通道(36、38)设计成矩形形状且布置在所述中心入流通道的两侧。

4、  根据权利要求2或3所述的阀，其特征在于，所述阀(30)包括中空形状的下阀部分(44)，该下阀部分具有向内伸出的顶部翻边部分(46、48)，其中所述关闭盘(40)位于所述中空形状的下阀部分内，并且上阀部分(50)包括所述阀座(32)和入流通道(34)，该上阀部分定位于所述中空形状的下阀部分的上面，所述出流通道(36、38)位于所述上阀部分(50)和下阀部分(44)之间。

5、  根据权利要求4所述的阀，其特征在于，所述阀(30)布置在独立的阀壳(28)内，或者由所述生产尾管(12)构成所述阀壳的底并由壳体(18)构成所述阀壳的顶。

6、  根据权利要求2至5中任一项所述的阀，其特征在于，所述阀(30)是动态阀，该动态阀布置成具有适于多态流体流的特性，并独立于来自地面的外部控制。

7、  一种采油和采气的生产尾管(30)，该生产尾管包括至少一个环绕的滤沙管(14)和至少一个相邻的入流装置(10)，该入流装置布置成控制和引导进入到所述生产尾管中的流体流，其特征在于，所述入流装置(10)包括多个腔室(20、22、24)，在该多个腔室之间具有流道(20a、22a、22b)，其中，前腔室(20)布置成从所述滤沙管(14)接收流体流，中间阀腔室(22)布置成从所述前腔室(20)接收所述流体流，并在发生气窜时自动关闭气体进入到所述生产尾管(12)中，所述中间阀腔室(22)包括根据权利要求1至6中的一项或多项所述的多个阀(30)，后腔室(24)布置成从所述中间阀腔室(22)接收所述流体流并控制和引导该流体流进入到所述生产尾管(12)中。

8、  根据权利要求7所述的生产尾管，其特征在于，所述中间阀腔室(22)包括固定在所述生产尾管上的多个支撑环(19)，所述多个阀(30)在所述支撑环(19)之间彼此间隔地布置在所述生产尾管(12)的外周上，并且固定在环绕的壳体(18)的内部。

9、  根据权利要求8所述的生产尾管，其特征在于，所述支撑环(19)包括固定到所述生产尾管上且被全密封的两个完整的环，并且该支撑环(19)布置成能够引导所述流体流并固定所述阀(30)，所述阀位于所述支撑环之间。

10、  根据权利要求9所述的生产尾管，其特征在于，所述流体流通过第一个所述支撑环中的通道进入，然后通过第二个所述支撑环中的通道流向所述后腔室(24)。

11、  根据权利要求7所述的生产尾管，其特征在于，所述前腔室包括酸性封堵塞(50)，该酸性封堵塞布置成在全部可获得的油都被采出之后能够解堵以进行采气。

12、  根据权利要求7所述的生产尾管，其特征在于，所述前腔室具有单向阀(52)，该单向阀布置成能够打开以对地层进行压井作业。

13、  根据权利要求7所述的生产尾管，其特征在于，所述后腔室布置成引导所述流体流通过压井过滤器进入到所述生产尾管中。

14、  根据权利要求7所述的生产尾管，其特征在于，所述生产尾管配备有自主控制式水关闭阀。

气阀和具有该气阀的生产尾管
技术领域
本发明涉及一种用于采油和采气的生产尾管的阀，该阀制造为用于在发生气窜时自动切断流入所述生产尾管中的流体流，所述阀包括阀座，该阀座具有至少一个中心入流通道和从通向阀外的一个或者多个出流通道。本发明还涉及一种包括阀的生产尾管。
背景技术
当石油公司完成一口包括多个分支的井时，其希望在采气之前先采油。通常薄的油区位于水顶之上、气顶之下。因为希望尽可能多地采油，然后再采气，所以不希望发生气窜(从上面)和水窜(从下面)。迄今为止，气窜会产生驱油现象并且一般要将多分支井的分支关闭(这可以通过分支控制阀实现)。这通常会失去整个分支中的油(除了在采气时可能会随气一起流出的一些油)。
完井管柱包括多个生产尾管，每根生产尾管长12米，并且彼此拧接在一起。在生产尾管上固定有滤沙管以防止沙进入油/生产设备中。在生产尾管的不同的位置上布置有膨胀封隔器以相对于地层形成密封。其目的是将生产尾管分成多个区段，每个区段可以看作是独立的生产环境，即防止多态流体的液体和气体从一个区段进入到另一个区段，除非通过生产尾管该液体和气体才能从一个区段进入到另一个区段。
在生产尾管的全部区段最终受到气窜影响之前，通过保持生产尾管的还没有受到气窜影响的任一区段的生产不中断，可以使得每口井的采油量多出100％(一倍)。
本发明的阀仅精确地关闭发生气窜的部位(即各个12米的生产尾管接头处)，从而在气体在生产尾管外部流动的情形下，能够在生产尾管的其他部分上、至少在可能会受到气窜影响的其它区段上继续保持生产。所述关闭基本上自动发生(即自主控制)，即本发明的阀不需要从地面上进行控制。此外，还可以采用技术手段将该阀因气窜而关闭的信息传至地面。
在该领域内，现有技术包括滤沙管、ICD(入流控制器)和压井过滤器。油通过压井过滤器进入生产尾管。ICD是一种用于使得生产尾管上的压力均布的压力吸收器，以免在生产尾管的一个部分空采，而在其他部分则产生极高的压差。这种吸收或者调整还有利于避免对滤沙管造成破坏，且能防止地层坍塌到生产尾管上。如果需要，现有的ICD可以作为一种保护装置，但是本发明的阀具有更好的ICD性能(分布压力的性能)，因为其是比现有的ICD功率更强的压力吸收器/压力均衡器。
其他方案存在喷嘴可能会被堵塞或者腐蚀、在生产尾管内产生障碍以及可能会产生密封泄漏等问题，这些问题将导致多态流体不可控制，从而削弱了引入这些阀的真正目的。
本发明的阀使用的是在表面/障碍物(盘片)上高速流动的伯努利原理。伯努利原理正在被大量应用，该原理表明阀片/盘会因负压升高而被吸引压靠在阀座上。由于密封并不是绝对的，压力最终会泄露到盘的另一侧，从而会形成新的吸力，并重新建立密封。这意味着该技术方案将是动态的，将基于流过盘的流体和/或气体的组分而发生作用。粘度越低，就越能更强、更快地实现密封。实验表明，基本上所有的气体都可以通过使用伯努利原理的阀进行阻止。另外，这种阀对于水窜也具有积极的效果，因此可同时减少出水量。
本发明的阀的特点是，其设计相对比较扁平，从而能够设置在生产尾管的外部，并支持使用现有技术在生产尾管的外部导油，直到油可以通过纵向狭槽(即所谓的压井过滤器)进入到生产尾管的内部。
根据本发明的自主控制阀是动态的，其具备适用于多态流体流的特性，而不需要由地面进行控制。基于该特定的特性，任一个阀在暴露于气体时都将立即关闭。从而，气体必须选择其他路径，或者处在控制当中。通常，气体会向该隔离区段的同一区域中的另一个阀渗透，从而该另一个阀也会关闭。使用区域隔离(膨胀封隔器)可以防止气体流到该区段之外，从而能够通过仅暴露于油和/水的所有的阀进行采油。
该阀针对水的特性应当设置为限制水量多于油量。该特性可以设置为在希望水举升时使得更多的水可以通过，以便将油带到地面，而不需要进行人工举升。
当所有的油都被采出之后，在需要时可以打开每个尾管接头以便可以采气。这种打开可通过打开腔室中的阀而发生，该阀位于让油直接进入到生产尾管中的所述阀的前方。根据本发明的阀不会在生产尾管内产生障碍，从而环流可不受阻碍地流过，并可进行干预。
作为现有技术的例子，可参考下述文献：WO 2007/027617A2、US7,185,706B2、NO 305.376B1、WO 97/38248A1、WO 2006/015277A1、NO306.127B1、WO 00/63530A1和US 6,786,285B2。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够在生产尾管中发生气窜时关闭的自主控制阀。
上述目的通过独立权利要求1特征部分所限定的阀来实现，即所述阀构造成具有等于所述生产尾管的外周面形状的曲率，并且设置于所述生产尾管的外侧，在所述阀中的流体流的流路上布置有具有相同曲率的矩形关闭盘，该关闭盘用于在所述关闭盘的表面上产生相对于所述阀座的高速流，其中所述关闭盘适于根据流过的流体流粘性产生的压差而密封在所述阀座上。
可选择的设计通过从属权利要求2-6的特征进行限定。
所述关闭盘可以布置在所述阀的矩形腔室内，并且所述至少一个中心入流通道可以是占所述腔室的长度的至少一半的槽口。此外，所述中心入流通道的槽口的底部通过侧壁形成开放的矩形形状，通过该矩形，所述侧壁延伸为通道，所述出流通道可以设计成矩形形式且布置在所述中心入流通道的两侧。
所述阀优选包括中空形状的下阀部分，该下阀部分的顶部具有向内突出的翻边部分，其中所述关闭盘位于所述中空形状的腔室内，并且上阀部分包括所述阀座和入流通道，并定位于所述中空形状的下阀部分的上面，其中所述出流通道位于所述上阀部分和下阀部分之间。所述阀可以布置在独立的阀壳内，或者所述生产尾管可以构成所述阀壳的底部，而环绕的壳体则可以构成所述阀壳的顶部。
所述阀优选是动态阀，该动态阀设计成具有适于多态流体流的特性，并独立于来自地面的外部控制。
上述目的还通过如独立权利要求7所述的采油和采气的生产尾管来实现，该生产尾管包括至少一个环绕的滤沙管和一个相邻的环绕的入流装置，该入流装置布置成控制和引导流体流进入到所述生产尾管中，其中所述入流装置包括多个腔室，在所述腔室之间具有流道，前腔室布置成从所述滤沙管接收流体流，中间腔室布置成从所述前腔室接收流体流，并在发生气窜时自动关闭气体进入到所述生产尾管中，该阀的中间腔室包括多个上述的阀，后腔室布置成控制和引导流体流进入到所述生产尾管中。
可选择的设计通过从属权利要求8-14的特征进行限定。
所述阀腔室可以包括固定在所述生产尾管上的多个支撑环，所述多个阀在所述支撑环之间彼此间隔地布置在所述生产尾管的外圆周上，并且安装在环绕的壳体的内部。所述支撑环可以包括安装到所述生产尾管上且被全密封的两个圆形环，并且布置成引导流体流以及固定所述阀，因为所述阀安装在所述支撑环之间。
流体应当优选地通过所述第一支撑环中的通道进入，然后通过第二支撑环中的通道流向所述后腔室。
所述前腔室还可以包括酸性封堵塞，该酸性封堵塞布置成在油都被采出之后能够被解堵以便采气，和/或可以包括单向阀，该单向阀允许对地层进行压井作业。所述后腔室可以布置成引导流体流通过压井过滤器进入到所述生产尾管中。
所述生产尾管可以配备有自主控制式水关闭阀。
附图说明
下面将借助附图更详细地描述本发明，附图中：
图1显示完井管柱的原理图；
图2显示根据本发明的生产尾管；
图3显示根据本发明的入流装置；
图4显示根据本发明的布置在生产尾管圆周上的多个阀；
图5显示根据本发明的阀的横截面；
图6显示根据本发明的阀的流动原理；
图7a和图7b显示分别从左侧和前侧观察的根据本发明的阀的上阀部分和下阀部分的横截面。
具体实施方式
图1显示在地层中用于采油的完井管柱，该完井管柱包括螺纹连接在一起的生产尾管12。在生产尾管12上安装有滤沙管14，以防止沙进入油中。在生产尾管的不同的位置上设置有膨胀封隔器15，以将生产尾管分为多个区段，从而每个区段都能够被看作是独立的生产环境，即不允许气体从一个区段进入到另一个区段，除非是通过生产尾管才能从一个区段进入到另一个区段。
在图2中，显示的生产尾管12带有根据本发明的入流控制装置10。滤沙管14邻近于入流控制装置10并环绕所述生产尾管布置。入流控制装置10可以包括ICD、气体关闭阀、压井过滤器(或狭槽割缝)、酸性封堵塞(acidplug)50和单向阀52，所述单向阀52打开以便对地层进行压井作业。
入流控制装置10能够设计成具有三个腔室20、22、24。每个腔室通过完全密封的部分隔离开，以使得多态流体流基本上仅能够通过装置10中的流道进行流动。流向是从前腔室20、到阀腔室22、再到后腔室24。流体从滤沙管14内侧进入前腔室，并流过滤沙管14与生产尾管12之间的环形空间。然后，流体通过第一支撑环19中的通道引导并进入到阀30本身内。之后，流体优选地在小的中间腔室26a、26b的一侧向外流出，然后通过第二支撑环中的通道流向后腔室24。在后腔室中，流体应当仅被引导到生产尾管12中，例如通过压井过滤器。如果需要，可以在压井过滤器前面安装标准的通道型ICD。
在前腔室20中可以放置酸性封堵塞50，允许在所有的油被采出之后进行采气。可以使用叶酸片(acid pill)通过与之反应来打开酸性封堵塞。如果由于分支或分支控制的限制而不能使用酸性封堵塞，则可以使用市场上可获得的单向阀52。可选择地，可以设计一种新型的封堵塞，其不会因生产尾管内的特定的反向压力被解堵。但目前还不存在已知的方案可解决此问题。此外，还必须能够对生产尾管的内部和地层进行压井作业。本发明的阀对上述两个问题均能够解决。该阀实际上允许流体在两个方向流动，并且在原理上并不需要单向阀。
流体从滤沙管的下面进入前腔室，并流入到滤沙管与生产尾管之间的环形空间内。然后流过第一支撑环并进入到阀本身中。
例如，支撑环/框架包括两个完整的环19，该环19固定在生产尾管12上并且被全密封(优选焊接到尾管上)。这些环将引导流体流，并固定阀。环应当优选由与生产尾管相同的材料制造(13％铬)。
阀30应当安装在框架内(即环19之间)，这里可以放置需要的多个阀(通常在1个至4个之间)。如果仅选择1个或者2个阀，生产尾管的竖直方向上的定位可能会出现问题，所以推荐使用3个或者更多个阀。腔室的顶和底分别由壳体18(通过螺纹拧接)和尾管本身构成。支撑环可以根据需要做成窄一点或者宽一点，以获得所需的强度和密封性。在环上应当构造出气密的螺纹(与壳体接合)，以避免使用聚合物。因为支撑环优选焊接到尾管上，所以尾管随后必须进行热处理，这就是为什么最好要避免使用聚合物的原因。流体通过第一支撑环进入，随后流过阀30，然后通过第二(即最后的)支撑环流出。流体被引导到一些小的中间腔室的一侧，然后通过第二支撑环中的通道进入到后腔室24中。
在后腔室24中，流体应当仅被引导到生产尾管12中，并可通过压井过滤器。如果不希望使用压井过滤器，流体还可以通过孔洞流入到生产尾管12内。
在图5中显示了用于生产尾管12的阀30(为了说明的目的显示为平直结构)，其在发生气窜时能够自动关闭流体流进入到生产尾管12中。优选地，阀30布置在生产尾管的外侧，且构造成具有等于生产尾管外周面的形状的曲率(如图4所示)。如图所示，阀30包括阀座32，该阀座具有至少一个中心入流通道34和一个或多个通向阀30外的出流通道36、38。在通过阀30的流动方向上，矩形的、基本上扁平的关闭盘40优选具有与生产尾管12的外周面一致的曲率，以能够相对于阀座32在盘40的表面40a上产生高速流体流。盘可以设计成不具有所述曲率，即不按照生产尾管的圆周面的曲率设计。根据流动介质的速度而升高的压差，按照伯努利原理使盘40由于升高的负压而被吸到阀座32上，从而关闭盘40将密封在阀座32上。
关闭盘40被置于阀30中的基本上为矩形的腔室42内，腔室42设计成比盘40略大。中心入流通道34在所示的实施例中是沿所述腔室的大部分长度(至少一半长度)布置的开放的槽口。槽口底部的壁设计成开放的矩形形状34a，而侧壁形成为漏斗形状34b。此外，阀的出流通道36、38优选为矩形形状，且设置于中心入流通道34的两侧。
阀30包括中空形状的下阀部分44，该下阀部分44具有向内突出的翻边部分46、48，以便将关闭盘40定位在中空形状的下阀部分44内。阀30还包括置于中空形状的下阀部分44的上面的上阀部分50，该上阀部分带有阀座32和入流通道34。因此，出流通道36、38置于上阀部分50和下阀部分44之间。阀30可以布置在独立的阀壳28内，或者生产尾管12可以构成阀壳的底，而壳体18则构成阀壳的顶。
根据本发明的生产尾管还可以配置有水关闭阀(未显示)。因为不知道何时会发生气窜、水窜或者两者都发生，因此覆盖这两个方面的一个或者多个阀将是理想的完整方案。如果能实现对这两方面的支持，则可以排除掉只基于一者的方案。因为不清楚生产尾管上何处会发生一者或另一者(气窜或水窜)，因此应当根据其是关闭气体还是关闭水来布置水关闭阀和气关闭阀(当然根据气体/水的距离以及尾管长度方向上的沙的渗透性可能会有所变化)。
因为这个原因，可以提供水关闭阀，其在暴露于水的一段时间后提供永久的关闭。阀关闭之前的时间可以通过设计锁定机构来控制，例如通过设计碳化钙形式的锁定机构来控制。
气关闭阀和水关闭阀的串联组合可同时解决水的关闭和气的关闭。水关闭阀可以置于具有ICD效果的气关闭阀的后面。
综上所述，这种串联组合可解决下述问题：
·自主控制式气关闭阀——在气窜时动态关闭
·先进的ICD效果——在生产尾管上均匀分配压差
·自主水关闭阀——在发生较长时间的水窜时永久关闭。