适用于感测水的流入控制装置和使用方法 【技术领域】
本发明大体上涉及用于用于选择性控制流入井筒中的开采管柱的流体流的系统和方法。
背景技术
比如石油和天然气之类的碳氢化合物是使用钻入到地下岩层中的井筒从地下岩层中获取的。这些井一般是通过以下方式完成的，即沿着井筒长度布置套管并在每个这样的开采区附近的套管上打孔以将地岩层流体(比如碳氢化合物)抽入到井筒中。有时通过在开采区之间安装封隔器来将这些开采区彼此隔开。每个开采区的进入井筒中的流体被抽入通到地面的管道中。沿着开采区具有基本均匀的排出是理想的。不均匀的排出可能导致不希望有的情形，例如侵害性的气锥或水锥。在开采井的情况下，例如，气锥可以导致气体流入井筒，这样会显著降低石油产量。同样，水锥可以导致水流入石油产出流中，这减少了生产出的石油的量和并降低了质量。因此，横跨开采区需要提供均匀的排出或者需要提供有选择地隔离或减少开采区中所经历的不希望有的水和/或气体的流入的能力。
本发明致力于现有技术的这些以及其他需要。
【发明内容】
在一些方面，本发明提供用于对流入井筒中井筒管路的流体流进行控制的装置和相关的系统。在一个实施例中，一种装置可以包括与开采控制装置相关的流动路径，所述流动路径将所述流体从地岩层输送至所述井筒管路的流动腔。至少一个沿着所述流动路径的流入控制元件包括通过与水相互作用而调节至少一部分所述流动路径的流动横截面积的介质。所述流体可以流经所述介质和/或流经所述介质的内部空间容积。在一个实施例中，所述流入控制元件可以包括容纳所述介质的腔。在另一实施例中，所述至少一个流入控制元件可以包括沟槽，在限定所述沟槽的表面区域的至少一部分上定位有所述介质。所述沟槽可以具有在所述介质与水相互作用之前的第一流动横截面积以及在所述介质与水相互作用之后的第二流动横截面积。在实施例中，所述介质可以构造成与再生流体相互作用。此外，在实施例中，所述介质可以是无机固体——包括但不限于蛭石、云母、铝矽酸盐、膨润土及其混合物。在实施例中，所述介质可以是遇水可膨胀的聚合物——包括但不限于改性聚苯乙烯。此外所述介质可以是离子交换树脂珠。
在另一些方面，本发明提供一种用于对流入井筒中井筒管路的流体流进行控制的方法。所述方法可以包括：将所述流体从地岩层经过流动路径输送至所述井筒的流动腔；以及使用与水相互作用的介质调节至少一部分所述流动路径的流动横截面积。在实施例中，所述方法可以包括使得所述流体流经所述介质。所述流动可以在所述介质与水相互作用之前流经第一流动横截面积以及在所述介质与水相互作用之后流经第二流动横截面积。在实施例中，所述方法可以包括对所述介质进行标定，以在所述介质与水相互作用之后允许预先确定量的流量流经所述介质。
应该理解的是，已经相当宽泛地总结了本发明的较重要特征，以便可以更好地理解本发明的详细说明，以及便于理解对现有技术的贡献。当然，还具有附加的技术特征，这些特征在下文中将加以说明并且将形成所附权利要求的主题。
【附图说明】
通过结合附图而参考下面的详细说明，本领域的普通技术人员将容易理解并更清楚本发明的这些优点和其它方面，在所述附图中，相似的标号在所有的附图中表示相似或类似的元件，在所述附图中：
图1是示例的多区域井筒和带有根据本发明一实施例的流入控制系统的开采组件的示意图；
图2是带有根据本发明一实施例的流入控制系统的示例性裸眼开采组件的示意图；
图3是根据本发明一实施例的示例性流入控制装置的示意性剖视图；
图4是本发明的流入控制元件的第一示例性实施例的示意性剖视图；
图4A是图4的局部，示出填充有颗粒型介质的流入控制元件的实施例的腔；
图5是本发明的流入控制元件的第二示例性实施例的示意性剖视图；以及
图6A和6B是本发明的流入控制元件的第三示例性实施例的示意性剖视图。
【具体实施方式】
本发明涉及用于控制碳氢化合物开采井的开采的装置和方法。本发明容易有不同形式的实施例。对在附图中示出的、且将在文中详细说明的本发明的特定实施例的理解是，本说明书应被看做是本发明原理的示例，而非意在将本发明限制为文中所示出和所说明的内容。进一步地，尽管实施例可能描述为具有一个或多个特征或者两个或多个特征的组合，此特征或特征组合不应该理解为是必须的——除非有明确的声明。
在本发明的一个实施例中，水向油井的井筒管路的流入是受控的——至少部分地使用流入控制元件，所述流入控制元件含有能够与从地岩层产出的流体中的水相互作用的介质。与水相互作用的介质可以是任何可以用于停止或减轻流体流经填充所述介质的腔的物质。这些机制包括但不限于膨胀，其中所述介质在有水存在时膨胀，由此阻止水或带水的流体流经所述腔。
首先参见图1，其中示出了示例性的井筒10，其已经通过钻透土层12进入一对地岩层14，16，希望从该对地岩层中开采碳氢化合物。井筒10装入金属套管，这一点为现有技术所公知，多个孔18穿透并伸入地岩层14，16以便于产出流体可以从地岩层14，16流入井筒10。井筒10具有拐弯的或者基本是水平的节段19。井筒10具有后期开采组件，总体以20表示，该后期开采组件通过从井筒10的地面26处的井口装置24向下延伸的管柱22设置在井筒中。该开采组件20沿着其长度限定有内部轴向流动腔28。在该开采组件20与井筒套管之间限定有环空30。该开采组件20具有拐弯的、基本上是水平的部分32，该水平的部分32沿着井筒10的拐弯节段19延伸。沿着开采组件20在选好的位置上设置有开采嘴34。可选而非必须地，各开采嘴34在井筒10内由成对的封隔器装置36隔离。尽管图1中仅示出了两个开采嘴34，但是实际上沿着水平的部分32可以具有大量的连续布置的这样的开采嘴。
每个开采嘴34具有开采控制装置38，开采控制装置38用于控制流入开采组件20中的一种或多种流体的流动的一个或多个方面。这里所用到的术语“流体”包括液体、气体、碳氢化合物、多相流体、多种流体中的两种混合物、水、盐水、诸如钻孔泥浆之类的工程流体、从地面注入的诸如水之类的流体、以及自然产生诸如石油和天然气之类的流体。附加地，所述的“水”应该理解为还包括基于水的流体，例如盐溶液或盐水。根据本发明的实施方式，开采控制装置38可以具有多种可替换使用的结构，这些结构均可确保对从其流过的流体进行选择性地操作，确保从其流过的流体是受控的流体流。
图2图示出了一种可以使用本发明的开采装置的示例性的裸眼井筒装置11。裸眼井筒11的结构和操作在大多数方面与先前描述过的井筒10类似。但是，井筒装置11具有没有装入套管的井筒，其直接通向地岩层14，16。因此产出的流体直接从地岩层14，16流入限定在开采组件21与井筒11的壁之间的环空30中。此实施例不存在所述穿孔，可以使用裸眼封隔器36来分隔开采控制装置38。开采控制装置的特性是使得流体流从地岩层16直接通向最近的开采装置34，由此产生平衡的流动。在一些情况下，封隔器可以从裸眼完井中省去。
现参见图3，其中示出了开采控制装置100的一个实施方式，其用于控制从油藏沿着开采管柱(例如图1的管柱22)流入管104的流动腔102的流体的流动。该流动控制可以是地岩层流体的一个或多个特征或参数的函数，这些特征或参数包括水的含量、流体速度、气体含量等等。此外，控制装置100可以沿着开采井的一段分布，以在多个位置提供流体控制。这对于例如在希望在水平井的“后端”具有比水平井的“前端”更大的流速的情况下均衡石油的产出流量是有利的。通过适当地构造所述开采控制装置100，例如通过压力均衡化或者通过限制气体或水的流入，井筒拥有者可以增加含油油藏将会有效排尽的可能性。下面要讨论示例性的开采控制装置。
在一个实施例中，开采控制装置100包括颗粒控制装置110以及流入控制装置120，颗粒控制装置110用于减少流体中所夹带的颗粒的量和尺寸，流入控制装置120控制地岩层的总流出速率。流入控制装置120包括位于地岩层和井筒管路之间的一个或多个流动路径，所述流动路径能够构造成控制诸如流速、压力等的一个或多个流动特征。颗粒控制装置110能够包括诸如沙滤网和相关砾石过滤层的已知装置。在实施例中，流入控制装置120利用一个或多个流动沟槽，所述流动沟槽控制通过一个或多个流动孔口进入流动腔102的流体的流入速率和/或类型。在实施例中，控制装置120可以包括一个或多个流入控制元件130，流入控制元件130包括与流入流体中的一种或多种选定流体相互作用的介质200，以部分地或完全地阻断流体流入流动腔102中。在一个方面，可以考虑对介质200与流体的相互作用进行标定。“标定”的含义是指：以预先确定的方式或者基于预定的条件或一组条件，对与介质200的与水或其他流体相互作用的性能相关的一个或多个特征进行有意地调节或调整。
尽管流入控制元件130和介质200示出为处在颗粒控制装置110的下游，但是应该理解的是，流入控制元件130和介质可以沿着地岩层和流动腔102之间的流动路径处在任何位置。例如，流入控制元件130可以集成到颗粒控制装置110和/或诸如沟槽124的任何流动管道中，沟槽124可以用于在开采控制装置100上产生压降。下面说明图示的实施例。
再参见图4，示出本发明的流入控制元件130的第一实施例实施例，其中，流入控制元件130使用与流体相互作用的介质以控制流经流入控制装置120(图3)的流体流。流入控制元件130包括流动路径204。流动路径204中的第一和第二滤网202a和202b限定腔206。介质200处在腔206中。介质200可以基本上完全填充腔206，使得沿着流动路径204的流动的流体经过介质200。
在此实施例中，当来自地岩层的流体经过介质200时，只要地岩层流体包含的水量相对少，压力就不会出现实质性的变化。如果水进入地岩层流体中，则介质200与地岩层流体相互作用，以部分地或完全地阻断地岩层流体的流动。
在图4A中(图4A对应于图4的位于虚线圆之中的部分)，示出本发明的替代实施例。在此实施例中，介质200a是颗粒(诸如离子交换树脂珠的填充体)，并且腔206(图4)是固定容积的空间。所述珠可以形成为具有很少渗透性或没有渗透性的球。当水流经腔206(图4)时，离子交换树脂通过吸收水而尺寸增大。因为树脂是相对不可渗透的，所以离子交换树脂的膨胀使得流动横截面积减小。从而，可以减少或停止流经腔206(图4)的流动。
图5示出本发明的流入控制元件130的第二示例性实施例。与图4中一样，流入控制元件130包括流动路径204，在流动路径204中，滤网202a和202b限定容纳介质200的腔206。在此实施例中，还具有位于容纳介质200的腔206和通向流入控制元件130的入口之间的阀300。如图所示，阀300是止回阀，但是在其他实施例中，所述阀可以是任何类型的阀，只要其能够在至少一个方向上限制流动路径204中的流体流动即可。还存在馈给线路302，馈给线路302用于将再生的流体馈送至阀和腔206之间的空间。
在图4和图5所示的示例性实施例中，滤网202a和202b用于限定包括介质200的腔206。如果介质200是微丸或粉末形式的，那么滤网是合理的选择，因为它将把滤网或粉末保持在位，并且仍然允许所开采的流体经过流动路径204并通过介质200。然而，本发明并非一定要使用滤网。可以使用本领域的普通技术人员已知的任何可用方法将介质200保持在腔206中。例如，当介质200是固体聚合物时，可以用夹或保持环将其引导到位。即使在介质200是颗粒时，可以使用包括隔膜、过滤件、狭缝滤网、多孔封装等的其他方法。
现在参见图6A和图6B，图中示出流动路径310，流动路径310包括可以基于与流动路径310中流动的流体的相互作用而膨胀或收缩的材料320。例如，流动路径310可以具有：用于主要是油的流体的第一流动横截面积322，以及用于主要是水的流体的第二流动横截面积324。这样，对于只要是水的流体可以造成较大的压差和较低的流速。流动路径310可以位于颗粒控制装置110(图3)中，沿着沟槽124(图3)，或者沿着开采控制装置100(图3)。材料320可以是前面说明的或下文说明的任何材料。在实施例中，材料320可以形成为流动路径310的表面312上的涂层，或者位于流动路径310中的嵌件。现有技术中已知的其它构造也可以用于将材料320固定或沉积至流动路径310中。此外，应该理解的是，矩形横截面的流动路径仅仅是示例性的，也可以采用其它形状(例如圆形)。而且，材料320可以位于限定流动路径310的所有表面区域上或者位于所述表面区域的一部分上。在其它实施例中，材料310可以构造成完全密封流动路径310。
在示例的运行模式中，材料320提供在非相互作用状态下的第一横截面积322，以及在与诸如水的流体相互作用时的第二横截面积324。这样，在实施例中，材料320不会膨胀或扩展成导致完全密封流动路径310使得流体不能流动。与之相反，流体仍然可以流经流动路径310，但以较低的流速流动。这在地岩层是动态的情况下是有利的。例如，在有些情况下，水可能消散并且流体会恢复到主要含有油。维持相对小且受控的流速可以允许材料320从膨胀状态复原，并且形成用于油流的较大横截面积322。
在本发明的至少一个实施例中，理想的是在介质200与水相互作用之后再生所述介质200，使得可以恢复来自地岩层的流动。在此种实施例中，阀300例如可以在地岩层的方向上阻断流体流动，允许以相对高的压力馈送再生流体通过介质200，以便使介质200再生。
本发明的一个实施例是用于使用流入控制元件来防止或减弱水流入井筒管路的流动的方法。在本发明的一个实施例中，当从地岩层产生的流体在碳氢化合物的含量方面相当高时，能够使用介质是被动式的流入控制元件。当从地岩层采油时，所产生的流体中水的浓度可能增大到影响从井中进一步开采流体的程度。当所产生流体中的水达到此种浓度时，介质可以与流体中的水相互作用，以通过流入控制元件减少开采流体的流速。
根据本发明的实施例，水与介质相互作用的一个可用机制是膨胀。膨胀对于本发明的目的是意指体积增加。如果流入控制元件具有有限的容积，并且介质膨胀至所开采的流体不能经过所述介质的程度，那么流动停止，从而阻止或减小水流入地面原油收集系统的流入通量。膨胀能够同时在颗粒和固体介质中出现。例如，一种可以使用的介质是遇水可膨胀的聚合物。此种聚合物可以是微丸或者甚至模制成适配于流入控制元件中的固体。在井下条件下稳定的、并且为本领域普通技术人员所公知的任何遇水可膨胀的聚合物能够用在本发明的方法中。
示例性的聚合物包括交联聚丙烯酸酯盐；丙烯酸酯-醋酸乙烯酯共聚物的皂化产物；交联聚乙烯醇的改性产物；部分中和的聚丙烯酸酯盐的交联产物；异丁烯-马来酸酐共聚物的交联产物；以及淀粉丙烯酸接枝聚合物。其他这类聚合物包括聚N-乙烯-2-吡咯烷酮；烷基乙烯醚/马来酸酐共聚物；烷基乙烯基醚/马来酸共聚物；乙烯-2-吡咯啉/乙烯烷基共聚物，其中烷基半族包含1到3个碳原子，乙烯醚/马来酸酐共聚物的低烷基，以及这些物质的交联聚合物和共聚物。改性聚苯乙烯和聚烯烃可以使用——其中聚合物被改性为包括能够导致改性聚合物在存在水时膨胀的功能基团。举例来说，以诸如磺酸基团的离子官能基团改性的聚苯乙烯能够用于本发明的实施例。一个此种改性聚苯乙烯称为离子交换树脂。
可以使用的自然产生聚合物或从天然材料衍生的聚合物包括：阿拉伯胶、黄蓍胶、阿拉伯半乳聚糖、刺槐豆胶(角豆胶)、瓜尔豆胶、柄屋胶、卡拉胶、果胶、琼脂、木瓜种子(即马麦罗)、大米淀粉、玉米、土豆或小麦、藻类胶体、和特兰特胶、诸如黄原胶的细菌衍生聚合物、葡聚糖、琥珀酰聚糖和普鲁兰、诸如胶原蛋白、酪蛋白、白蛋白、明胶的动物源性聚合物、诸如羧甲基淀粉和羟丙基甲基淀粉的淀粉衍生聚合物、纤维素聚合物——如甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、硝化纤维素、硫酸纤维素钠、羧甲基纤维素钠、结晶纤维素、纤维素粉、诸如海藻酸钠、海藻酸丙二醇的海藻酸衍生聚合物、诸如聚乙烯醇甲醚、聚乙烯吡咯烷酮的乙烯基聚合物。在本发明的一实施例中，介质是离子交换树脂珠。
可膨胀的介质还可以包括无机化合物。硅石可以制备成在水存在的情况下膨胀的硅胶。蛭石、云母和诸如铝矽酸盐和膨润土的某些粘土也能够形成为遇水膨胀的微丸和粉末。
另一组可用作所述介质的材料包括在遇到水时比遇到碳氢化合物时挤压地更加紧凑的物质。一个此种材料是具有高极性涂层的磨得很细的惰性材料。当装入到流入控制元件时，在井下条件下稳定的任何此种材料可以用于本发明的实施例。
如果油井包括本发明的装置，并且希望井在水进入时能够停止使用(诸如在油藏经受注水二次采油时)，那么流入控制装置可以在井下使用而无需与地面进行任何通讯。另一方面，如果所述装置打算长期用于相对干燥的原油将最终导致介质减小所产出流体的流量的场合，或者打算长期用于希望在此种流动停止之后重新开始所产出流体的流动的场合，那么有利的是再生或更换所述流入控制装置中的所述介质。
可以通过本领域普通技术人员已知任何已知方法来再生所述介质。一种用于再生所述介质的方法可以是将所述介质暴露于再生流体流。在一个此种实施例中，所述流体可以以足够的压力从地表向下泵送至所述管，以强制所述再生流体流经所述介质。在不希望强制所述再生流体流入地岩层的一个替代实施例中，可以使用诸如图5中的装置。在此实施例中，强制再生流体向井下流经馈送管302，并流入阀300和腔206之间的空间。如果所述阀是止回阀，则再生流体可以简单地以足以强制所述流体经过所述介质、进入所述管的压力被泵送至此空间内即可，其原因在于所述阀将防止流体回流至地岩层中。如果所述阀不是止回阀，那么需要在开启再生流体流之前关闭所述止回阀。
再生流体可以具有至少两个特性。第一个特性是再生流体对于水的亲和力应该比对所述介质的亲和力大。第二个特征是所述再生流体将不会导致所述介质劣化或基本不导致所述介质的劣化。正如有许多种化合物可以用作本发明的所述介质那样，有许多种液体能够用作所述再生流体。例如，如果所述介质是无机粉末或微丸，则甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、甲基乙基酮等可以用作某些油井中的再生流体。如果所述介质是对此种材料敏感的聚合物，或者需要较高沸点的再生流体，那么例如可以使用某些商用的聚醚醇。油井运行领域中的普通技术人员应该知道如何选择在井下条件下有效、且与所处理的介质兼容的再生流体。
现在参见图6A和6B，在其它变体中，流动路径320中的材料320可以构造成根据HPLC(高性能液相色谱法)而运行。材料320可以包括一种或多种化学品，这些化学品可以基于诸如偶极相互作用、离子相互作用或分子大小的因素而使流动流体的组成成分分离。例如，如同已知的那样，油分子的大小大于水分的大小。这样，材料320可以构造成是水可以渗透的，而对于油是相对不可渗透的。然后此种材料将保持水。在另一示例中，可以使用离子交换色谱法技术来将所述材料构造成基于分子的交换特性来分离所述流体。所述材料对所述分子的吸引和排斥可以用于选择性地控制流体中成分(例如油或水)的流动。
本发明的流入控制元件在经历诸如注水的二次采油的油田中会是特别有用的。一旦出现油井见水，则流入控制装置可以持续有效地阻断流体流，从而防止大量流入原油的水被回收。如果油井的操作者认为可以继续使用油井，则可以去除流入控制装置或者仅仅去除流入控制元件。例如，此种井可以用于连续地对地岩层注水。
应该理解的是，图1和图2仅仅是为了说明其中可以采用本发明教示的开采系统。例如，在一些开采系统中，井筒10、11可以仅仅利用套管或衬管来将开采流体输送至地表。本发明的教示可以应用于控制流经这些和其它井筒管路的流动。
为了清楚和简洁的目的，在上面的说明中省去了管路元件之间的大多数螺纹连接、诸如O形圈的弹性密封件、以及其它公知技术。此外，诸如“狭缝”、“通道”和“沟槽”的术语是以其最宽泛的含义而使用的，而并不限于任何特定的类型或构造。前面的说明为了说明和解释的目的涉及本发明的具体实施例。然而，本领域普通技术人员清楚的是，在不脱离本发明范围的情况下可以对上文所公开实施例进行许多修改和改变。