用于在采油时在注入器中通过阀或流动控制装置自调节 ( 自主调节 ) 流体的流动的方法 技术领域 本发明涉及一种用于将流体注入到油和 / 或气储集层或生成层中的方法。
更具体地， 本发明涉及一种在采油时在注入器中使用自主阀或流动控制装置的方 法， 所述阀或流动控制装置在专利申请 No.20063181 和国际申请 No.PCT/NO2007/000204 中 进 行 了 描 述， 所 述 专 利 申 请 No.20063181 在 公 开 前 撤 回， 所 述 国 际 申 请 No.PCT/ NO2007/000204 要求 NO 20063181 的优先权并且在本申请的申请日尚未公开。
背景技术 从 美 国 专 利 公 报 No.4,821,801、 4,858,691、 4,577,691 和 英 国 专 利 公 报 No.2169018 中已知用于从长的、 水平的和竖直的井中采油和采气的装置。这些已知的装置 包括穿孔的排管， 所述排管具有例如过滤器， 用于控制管周围的沙。已知的用于采油和 / 或 采气的装置在高渗透性地质生成层中的明显缺陷在于， 由于管中的流动摩擦， 使得排管中 的压力在上游方向上呈指数增大。因为储集层和排管之间的压差在上游将减小， 结果从储 集层流入到排管的油和 / 或气的量将相应地减少。因此， 通过这种方法产出的油和 / 或气 的总量会较低。对于薄油区和高渗透性地质生成层来说， 还有锥进的高风险， 即， 水或气不 期望地流入到下游排管中， 在下游油从储集层流到管的速度是最大的。
从 “World Oil” vol.212， N.11(11/91) 第 73-80 页已知通过一个或多个诸如滑动 套筒或节流装置的流入限制装置将排管分成多个节段。然而， 该参考文献主要涉及通过流 入控制来限制上部孔区域的流入速率， 从而避免或减少水和 / 或气的锥进。
WO-A-9208875 描述了一种包括多个生产节段的水平生产管， 所述多个生产节段通 过内部直径大于生产节段的混合室相连。生产节段包括外部带有槽口的衬垫， 所述衬垫可 被视为执行过滤作用。然而， 节段直径不同导致产生湍流并妨碍油井维修工具的行进。
当从地质生产层中抽取油和或气时， 不同质的流体， 即油、 气、 水 ( 和沙 ) 产出量和 混合比不同， 取决于层的性质或质量。 上述的已知设备中没有一个能够在油、 气或水之间加 以区分并基于它们的相对组成和 / 或质量来控制油、 气或水的流入。
通过 NO 20063181 和 PCT/NO2007/000204 中描述的自主阀提供了一种流入控制装 置， 其是自调节的或自主的并且能够容易地装配在生产管的壁中， 从而使得能够使用油井 维修工具。该装置设计成在油和 / 或气和 / 或水之间加以区分， 并且能够基于这些流体所 需的流动控制来控制油或气的流动或流入。
NO 20063181 和 PCT/NO2007/000204 中所公开的装置是耐用的， 可经受大的作用 无需能量供给， 可耐受出砂， 可靠但又简单且非常便宜。 力和高温， 防止抽吸出现 ( 压差 )，
关于现有的技术， 储集层中的注入井被用来提高油的采收率 (IOR 和 / 或 EOR)。 可 使用注入器来注入例如水、 蒸汽、 烃气和 / 或二氧化碳。注入井可具有不同的定向和长度。 在很多情况下注入的流体应该在油储集层中均匀地分布。在这些情形下使用长的注入井， 并且将注入流体注入到沿着井的不同节段中。
即便是将流体注入到沿着井的不同节段中， 注入仍将是不均匀的 ( 见图 10)。 这主 要由于储集层不均匀而导致， 不均匀的储集层可包括例如高渗透区域和低渗透区域、 裂缝 或短接 (short-cut)。所有流体流动的本性是流体将流到阻力最小的地方。这个事实使得 注入往往很不均匀。这导致对注入的流体利用不足并且 IOR/EOR 效果差。 发明内容
根据本发明的方法其特征在于， 流体经由沿注入器设置的多个自主阀或自主流动 控制装置流入到储集层或生成层中， 所述阀在高于给定压差时具有基本上恒定的流通体 积， 以便自主地调节所述流体的流动， 从而确保从所述注入器到所述储集层或生成层的体 积流速沿注入器长度基本上恒定。
从属权利要求 2 限定了本发明的优选实施方式。 附图说明
下面通过示例并参考附图进一步描述本发明， 附图中 ： 图 1 显示了具有根据 PCT/NO2007/000204 或本发明的控制装置的生产管的示意图； 图 2a) 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的控制装置的放大的截面图 ； 图 2b) 显示 了相同装置的俯视图 ；
图 3 显示了与固定流入装置相比较的通过根据本发明的控制装置的流量 - 压差的 曲线图 ；
图 4 显示了图 2 所示的装置， 但是具有不同压力区域的指示， 其影响针对不同应用 的装置的设计 ；
图 5 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的控制装置的另一实施方式的原理图 ；
图 6 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的控制装置的第三实施方式的原理图 ；
图 7 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的控制装置的第四实施方式的原理图 ；
图 8 显示了 PCT/NO2007/000204 的第五实施方式的原理图， 其中控制装置是流动 配置的整体式部件 ；
图 9 显示了带有裂缝且使用常规技术的储集层中的典型注入剖面 ；
图 10 显示了带有裂缝且使用根据本发明的方法的储集层中的典型注入剖面。
具体实施方式
如上所述， 图 1 显示了一段生产管 1， 其中提供了根据 PCT/NO2007/000204 的控制 装置 2 的原型。控制装置 2 优选呈圆形且相对扁平的形状， 并且可设有外螺纹 3( 见图 2)， 以便螺纹连接到管或注入器中具有相应内螺纹的圆孔中。通过控制其厚度， 装置 2 可适于 管或注入器的厚度并且装配于管或注入器的外圆周和内圆周内。
图 2a) 和 2b) 以放大的比例显示了 PCT/NO2007/000204 的在先控制装置 2。该装 置包括 ： 第一圆盘形形状的壳体本体 4， 其具有外圆筒形部分 5 和内圆筒形部分 6 并且具有 中央孔或孔口 10 ； 第二圆盘形形状的保持部本体 7， 其具有外圆筒形部分 8 ； 以及优选扁平 圆盘形或可自由移动的本体 9， 其设置在形成于第一圆盘形形状的壳体本体 4 和第二圆盘形形状的保持部本体 7 之间的开口空间 14 中。 本体 9 可针对特殊的应用和调节而不采用扁 平的形状， 并且呈部分锥形或半圆形的形状 ( 例如朝向孔口 10)。如从图中可见， 第二圆盘 形形状的保持部本体 7 的圆筒形部分 8 装配于第一圆盘形形状的壳体本体 4 的外圆筒形部 分 5 内并沿与所述外圆筒形部分 5 相对的方向突出， 由此形成如箭头 11 所示的流动路径， 其中， 流体经中央孔或孔口 ( 入口 )10 进入控制装置， 然后朝圆盘 9 流动， 并且在流过形成 于圆筒形部分 8 和圆筒形部分 6 之间的环形开口 12 之间沿圆盘 9 径向地流动， 然后再经形 成于圆筒形部分 8 和圆筒形部分 5 之间的环形开口 13 流出。圆盘形形状的壳体本体 4 和 圆盘形形状的保持部本体 7 在连接区域 15( 如图 2b 中所示 ) 处通过螺纹连接、 焊接或其它 方式 ( 未在图中进一步示出 ) 而彼此附连。
本发明利用柏努利 (Bernoulli) 效应， 其教示出静态压力、 动态压力和摩擦力之 和沿着流动线路是恒定的 ：
在圆盘 9 经受流体流动时， 如在本发明的情形下， 圆盘 9 上的压差可表述如下 ：例如为气体的流体由于粘度较低而将 “推迟转弯” 并且继续进一步沿着圆盘朝其 外端部 ( 由附图标记 14 指示 ) 流动。这样在位于圆盘 9 的端部处的区域 16 中产生较高的 滞止压力， 进而在圆盘上产生较高的压力。 能够在圆盘形形状的本体 4 和 7 之间的空间内自 由移动的圆盘 9 将向下移动， 从而使圆盘 9 和内圆筒形部分 6 之间的流动路径变窄。这样， 圆盘 9 基于流经的流体的粘度而向下或向上移动， 因此可利用该原理对通过该装置的流体 的流动进行控制 ( 闭合 / 打开 )。
此外， 通过具有固定的几何形状的传统的流入控制装置 (ICD) 的压降与动态压力 成比例 ：
其 中， 常 数 K 主 要 是 几 何 形 状 的 函 数 并 且 较 少 地 依 赖 于 雷 诺 数 (Reynolds number)。在根据本发明的控制装置中， 在压差增大时流动面积将减小， 使得当压降增大时 流过控制装置的流量不会或几乎不会增大。图 3 中显示了根据本发明的具有可动圆盘的控 制装置与具有固定的流通开口的控制装置之间的比较， 并且如从图中可见， 本发明的流通 体积在高于给定的压差时是恒定的。
这代表了本发明的主要优点， 因为其可用于确保对于整个水平井而言流过每个节 段的流量都相同， 这在固定流入控制装置中是不可能的。
在采油和采气时， 根据本发明的控制装置可具有两个不同的应用 ： 用其作为流入 控制装置以减少水的流入， 或者在气窜情况下减少气体的流入。 如上所述， 在设计根据本发 明的控制装置用于例如水或气的不同的应用时， 如图 4 所示的不同的面积和压力区域将影 响装置的效率和流通性能。参考图 4， 所述不同的面积 / 压力区域可划分成 ：
-A1、 P1 分别是流入面积和流入压力。由该压力所产生的作用力 (P1·A1) 将尽力打 开该控制装置 ( 使圆盘或本体 9 向上移动 )
-A2、 P2 是在速度最大因而代表动态压力源的区域中的面积和压力。动态压力所产
生的作用力将尽力关闭控制装置 ( 随着流速增大使圆盘或本体 9 向下移动 )
-A3、 P3 是在出口处的面积和压力。其应该与井压 ( 入口压力 ) 相同 ；
-A4、 P4 是可动圆盘或本体 9 后方的面积和压力 ( 滞止压力 )。在位置 16( 图 2) 处 的滞止压力在本体后面产生压力和作用力。其将尽力关闭控制装置 ( 使本体向下移动 )。
具有不同粘度的流体将基于这些区域的设计而在每一区域中提供不同的作用力。 为了优化控制装置的效率和流通性能， 针对不同的应用， 例如气 / 油或油 / 水的流动， 其面 积的设计将不同。因此， 对于各种应用， 需要考虑各种设计情况下的性质和物理条件 ( 粘 度、 温度、 压力等 ) 而仔细地平衡和优化设计这些面积。
图 5 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的控制装置的另一实施方式的原理图， 其设 计比图 2 所示的形式更简单。与图 2 所示的形式一样， 该控制装置 2 包括 ： 第一圆盘形形状 的壳体本体 4， 其具有外圆筒形部分 5 和中央孔或孔口 10 ； 第二圆盘形形状的保持部本体 17， 其附连于壳体本体 4 的部分 5 ； 以及优选扁平的圆盘 9， 其设置在形成于第一圆盘形形状 的壳体本体 4 和第二圆盘形形状的保持部本体 17 之间的开口空间 14 内。然而， 由于第二 圆盘形形状的保持部本体 17 向内开口 ( 通过一个孔或多个孔 23 等 ) 且现在只是将所述圆 盘保持在合适的位置， 而且由于圆筒形部分 5 具有不同的比图 2 中所示的流动路径要短流 动路径， 因此在圆盘 9 的背面并没有形成如上述的结合图 4 所说明的滞止压力 (P4)。通过 这种没有滞止压力的解决方案， 使装置的构造厚度变小， 并且可耐受流体中包含更大量的 颗粒。 图 6 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的第三实施方式， 其设计与图 2 所示的示例 相同， 只是在圆盘的任一侧上设置有螺旋的或其它适合的弹簧装置形式的弹簧元件 18， 并 且该弹簧元件 18 使圆盘与保持部 7、 22、 凹部 21 或壳体 4 相连。
弹簧元件 18 用于平衡和控制圆盘 9 与入口 10、 或者更确切地圆盘 9 与入口 10 的 周围边缘或座 19 之间的流入面积。这样， 取决于弹簧常数进而弹簧的作用力， 圆盘 9 与边 缘 19 之间的开口将更大或更小， 并且在选定的适合弹簧常数下， 取决于在选定的设置控制 装置的位置处的流入条件和压力条件， 可获得通过所述装置的恒定质量流。
图 7 显示了根据 PCT/NO2007/000204 的第四实施方式， 其设计与上面图 6 中的示 例相同， 只是圆盘 9 在面对入口 10 的一侧上设置有例如双金属元件 20 的热响应装置。
在开采油和 / 或气时， 开采条件可能从只采出油或采出的大部分为油的情形快速 地改变为只采出气或采出的大部分为气 ( 气窜或气体锥进 ) 的情形。在例如从 100 巴降低 16 巴的压降的情况下， 将对应于大约 20℃的温降。如图 7 所示， 通过为圆盘 9 提供例如双 金属元件的热响应元件， 圆盘将通过该元件 20 向上弯曲或向上移动从而抵接保持部形状 的本体 7， 从而使圆盘和入口 10 之间的开口变窄或完全闭合所述入口。
图 1 和图 2 以及图 4-7 中所示的控制装置的上述示例都涉及到这样的解决方案 ： 其控制装置是单独的单元或装置， 并且结合例如与油和气的开采相关的生产管的壁这样的 流体流动的配置或者条件进行设置。然而， 如图 8 所示， 控制装置可以是流体流动配置的整 体式部件， 由此可动本体 9 可设置在凹部 21 中而不是设置在单独的壳体本体 4 中， 所述凹 部 21 面对例如如图 1 所示的管 1 的壁的孔口或孔 10 的出口。此外， 可动本体 9 可通过例 如向内突出的桩、 圆环 22 等保持装置在凹部中保持就位， 所述保持装置依靠螺纹连接、 焊 接等方式连接于凹部的外口。
图 9 和 10 显示了在具有裂缝 F 的储集层中分别使用传统的技术和根据本发明的 方法的典型注入剖面。 图 10 中沿注入器 24 的长度设置有多个自主阀或控制装置 2( 未在图 中示出 )， 使得如由几乎等长的箭头线所示流体注入基本均匀 (UIF)。相反地， 图 9 所示的 传统的注入技术导致流体注入不均匀 (NIF)， 特别是在注入流体能够走捷径的裂缝 F 处， 如 本说明书的前言部分也提及的那样。在图 9 和 10 中， 生产管 1 都相同， 并且生产管 1 和注 入器 24 中的流动方向分别由箭头 25 和 26 指示。在图 9 和 10 中， 都还显示出指示气 - 油 接触 (GOC) 和水 - 油接触 (WOC) 的两条线。
通过本发明， 由于体积流速恒定， 因此极大改善了储集层排出情况。 这使得储集层 产量明显增大。同时， 所需的注入流体量可显著地减少。这在例如注入蒸汽的沥青生产中 很重要。
此外， 由于阀的流动特性， 使得沿着井的不同节段的注入将是基本均匀的。 这通过 阀 2 特有的恒定的体积流速来确保， 即使对于其中压降会变化的不均匀的储集层也如此。
就用于注入的流体而言， 可使用 a.o. 水 (a.o.water)、 蒸汽、 烃气和 / 或二氧化碳， 还能够想到气体流体， 并且这些流体也在如由所附权利要求限定的本发明的范围内。