РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПОТОКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПОДЗЕМНОЙ СКВАЖИНЕ
FLOW RESTRICTION CONTROL SYSTEM FOR USE IN SUBSURFACE WELL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к способам и оборудованию, применяемым в технологических процессах, связанных с эксплуатацией подземной скважины, и согласно описанному ниже варианту в частности к регулируемому ограничителю потока.
Уровень техники
Важнейшей задачей при добыче углеводородов скважинным способом является эффективное регулирование потока флюидов, поступающих из геологического пласта в ствол скважины. При эффективном регулировании может быть решен ряд задач, в том числе предотвращение образования водяного и газового конусов, минимизация выноса песка, минимизация выноса воды и/или газа, предельное повышение эффективности добычи нефти, эффективное распределение продуктивных зон и т.п.
Таким образом, понятно, что с учетом вышеизложенного для решения задачи эффективного регулируемого ограничения потока флюида в скважине желательно предложить изобретение, характеризующееся усовершенствованным уровнем техники, причем данное усовершенствование также может быть полезным при других обстоятельствах.
Раскрытие изобретения
Ниже приведено описание предложенной системы регулирования сопротивления потоку, характеризующейся усовершенствованным уровнем техники в сфере регулируемого ограничения потока флюида в скважине. Ниже описан один вариант, в котором имеется проточная камера, содержащая конструкцию, обеспечивающую повышение сопротивления потоку, протекающему через эту камеру, при увеличении отношения доли нежелательного флюида к доле желательного флюида в многокомпонентном флюиде.
Один аспект настоящего изобретения, обеспечивающий усовершенствование существующего уровня техники, состоит в создании системы регулирования сопротивления потоку для использования в подземной скважине. Данная система может включать проточную камеру, через которую протекает многокомпонентный флюид. Данная камера содержит по меньшей мере один вход, выход и по меньшей мере одну конструкцию, расположенную по спирали относительно выхода. Данная конструкция способствует закручиванию потока многокомпонентного флюида по спирали вокруг выхода.
Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, что система регулирования сопротивления потоку для использования в подземной скважине может включать проточную камеру, имеющую выход, по меньшей мере одну конструкцию, способствующую закручиванию потока многокомпонентного флюида по спирали вокруг выхода, и по меньшей мере еще одну конструкцию, препятствующую перенаправлению потока многокомпонентного флюида на радиальную траекторию, проходящую к данному выходу.
Эти и другие признаки, преимущества и эффекты, понятные специалисту, следуют из подробного описания нижеприведенных вариантов осуществления изобретения и соответствующих чертежей, в которых одинаковые элементы на различных чертежах имеют одни и те же позиционные обозначения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает схематическое изображение частичного поперечного разреза скважинной системы, которая может быть построена на основе принципов настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает увеличенное изображение поперечного разреза части скважинной системы.
Фиг.3A и 3B показывают увеличенные изображения поперечных разрезов системы регулирования сопротивления потоку, сделанных по линии 3-3, приведенной на фиг.2, причем на фиг.3A показана система, через которую протекает поток с относительно большой скоростью и низкой плотностью, а на фиг.3B показана система, через которую протекает поток с относительно малой скоростью и высокой плотностью.
Фиг.4 показывает поперечный разрез другой конфигурации системы регулирования сопротивления потоку.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан пример скважинной системы 10, построенной на основе принципов настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, ствол 12 скважины имеет в основном вертикальную необсаженную часть 14, проходящую вниз от обсадной трубы 16, а также в основном горизонтальную необсаженную часть 18, проходящую через геологический пласт 20.
В стволе 12 скважины устанавливается трубчатая колонна 22 (типа насосно-компрессорной колонны). В трубчатой колонне 22 во взаимном соединении находится множество фильтров 24, систем 25 регулирования сопротивления потоку и пакеров 26.
Пакеры 26 герметизируют кольцевое пространство 28, образованное в радиальном направлении между трубчатой колонной 22 и секцией 18 ствола скважины. При этом флюиды 30 могут поступать из множества интервалов или зон пласта 20 через изолированные между соседними пакерами 26 части кольцевого пространства 28.
Расположенные между каждыми двумя соседними пакерами 26 скважинный фильтр 24 и система 25 регулирования сопротивления потоку находятся во взаимном соединении с трубчатой колонной 22. В скважинном фильтре 24 происходит фильтрация флюидов 30, поступающих в трубчатую колонну 22 из кольцевого пространства 28. Система 25 регулирования сопротивления потоку оказывает ограничительное регулирующее воздействие на поток флюидов 30, поступающих в трубчатую колонну 22, в зависимости от определенных характеристик флюидов.
Необходимо отметить, что приведенная на чертежах и описанная в данном документе скважинная система 10 является всего лишь частным примером из множества скважинных систем, в которых могут быть применены принципы настоящего изобретения. Следует четко понимать, что принципы настоящего изобретения ни в коей мере не ограничиваются какими-либо особенностями скважинной системы 10 или ее элементами, приведенными на чертежах или описанными в настоящем документе.
Например, в рамках принципов данного изобретения ствол 12 скважины может не иметь в основном вертикальной части 14 или в основном горизонтальной части 18, а флюиды 30 не только могут извлекаться из пласта 20, но и в других вариантах могут нагнетаться в пласт, а также могут как нагнетаться в пласт, так и извлекаться из пласта и т.д.
Любой скважинный фильтр 24 и любая система 25 регулирования сопротивления потоку могут не располагаться между каждыми двумя соседними пакерами 26. Каждая отдельно взятая система 25 регулирования сопротивления потоку может не соединяться с отдельно взятым скважинным фильтром 24. Может использоваться любое количество, любая конфигурация и/или любое сочетание этих элементов.
Любая система 25 регулирования сопротивления потоку может не использоваться со скважинным фильтром 24. Например, при нагнетании флюида он может протекать через систему 25 регулирования сопротивления потоку, но при этом может не протекать через скважинный фильтр 24.
Необсаженные части 14, 18 ствола 12 скважины могут не содержать скважинные фильтры 24, системы 25 регулирования сопротивления потоку, пакеры 26 и любые другие элементы трубчатой колонны 22. Согласно принципам настоящего изобретения любая часть ствола 12 скважины может быть обсадной или необсаженной и любая часть трубчатой колонны 22 может располагаться в обсадной или необсаженной части ствола скважины.
Таким образом, следует четко понимать, что данное изобретение описывает создание и применение конкретных вариантов осуществления изобретения, но принципы настоящего изобретения не ограничиваются какими-либо особенностями этих вариантов. Напротив, принципы данного изобретения могут воплощаться во множестве других вариантов, построенных на основе информации, содержащейся в настоящем изобретении.
Специалистам понятно, что полезный эффект состоит в возможности регулирования потока флюидов 30, поступающих в трубчатую колонну 22 из каждой зоны пласта 20, например, для предотвращения образования в пласте водяного конуса 32 или газового конуса 34. Настоящий способ регулирования потока в скважине может использоваться для следующих целей (но не ограничивается таковыми): эффективное распределение зон для извлечения (или нагнетания) флюидов, минимизация выноса или нагнетания нежелательных флюидов, предельное повышение эффективности добычи или нагнетания желательных флюидов и т.п.
Варианты систем 25 регулирования сопротивления потоку, подробно описанные ниже, могут обеспечивать наличие этих полезных эффектов путем увеличения сопротивления потоку при превышении определенного уровня скорости флюидов (например, для распределения потока между зонами, для предотвращения образования водяных или газовых конусов и т.д.) или путем увеличения сопротивления потоку при падении вязкости или плотности флюидов ниже определенного уровня (например, для ограничения в нефтяной скважине потока нежелательного флюида, такого как вода или газ).
Желательность или нежелательность флюида обуславливается целью производимой операции по извлечению или нагнетанию флюида. Например, если из скважины предполагается извлекать нефть, а не воду или газ, следовательно, нефть является желательным флюидом, а вода и газ - нежелательными флюидами. Если из скважины предполагается извлекать газ, а не воду или нефть, следовательно, газ является желательным флюидом, а вода и нефть - нежелательными флюидами. Если в пласт предполагается нагнетать пар, а не воду, следовательно, пар является желательным флюидом, а вода - нежелательным флюидом.
Необходимо отметить, что при определенных уровнях температуры и давления в скважине газообразные углеводороды могут фактически находиться в полностью или частично жидкой фазе. Таким образом, следует понимать, что при использовании в данном документе слов «газ» и «газообразный» (с учетом их парадигм) в эти понятия входят сверхкритическая, жидкая и/или газообразная фазы вещества.
В варианте осуществления изобретения со ссылкой на фиг.2, на которой показано увеличенное изображение поперечного разреза одной из систем 25 регулирования сопротивления потоку и части одного из скважинных фильтров 24, многокомпонентный флюид 36 (который может включать один или несколько флюидов, таких как нефть и вода, жидкая вода и парообразная вода, нефть и газ, газ и вода, нефть, вода и газ и т.п.) поступает в скважинный фильтр 24, где проходит фильтрацию, и затем поступает на вход 38 системы 25 регулирования сопротивления потоку.
Многокомпонентный флюид может содержать один или несколько желательных или нежелательных флюидов. Многокомпонентный флюид может содержать воду и водяной пар. В другом варианте многокомпонентный флюид может содержать нефть, воду и/или газ.
Протекание многокомпонентного флюида 36 через систему 25 регулирования сопротивления потоку ограничивается в зависимости от одной или нескольких характеристик (таких, как вязкость, скорость и др.) многокомпонентного флюида. Затем многокомпонентный флюид 36 выводится из системы 25 регулирования сопротивления потоку внутрь трубчатой колонны 22 через выход 40.
В других вариантах совместно с системой 25 регулирования сопротивления потоку скважинный фильтр 24 может не использоваться (например, при нагнетательных операциях); многокомпонентный флюид 36 может протекать через различные элементы скважинной системы 10 в противоположном направлении (например, при нагнетательных операциях); совместно с множеством скважинных фильтров может использоваться единственная система регулирования сопротивления потоку; совместно с одним или несколькими скважинными фильтрами может использоваться несколько систем регулирования сопротивления потоку; многокомпонентный флюид может извлекаться не из кольцевого пространства или трубчатой колонны, а из других областей скважины и подаваться не в кольцевое пространство или трубчатую колонну, а в другие области скважины; многокомпонентный флюид может протекать через систему регулирования сопротивления потоку до попадания скважинный фильтр; со скважинным фильтром и/или с системой регулирования сопротивления потоку со стороны входа или выхода могут находиться во взаимном соединении прочие компоненты; и т.д. Таким образом, понятно, что принципы настоящего изобретения ни в коей степени не ограничиваются особенностями варианта, приведенного на фиг.2 и описанного в данном документе.
Несмотря на то, что скважинный фильтр 24, приведенный на фиг.2, известен специалистам и является фильтром с проволочной обмоткой, в других вариантах могут применяться фильтры иных типов и их сочетания (например, спеченный металлический фильтр, расширяемый фильтр, фильтр с набивкой, проволочная сетка и др.). Кроме того, при необходимости могут использоваться дополнительные компоненты (защитные кожухи, трубчатые перемычки, кабели, измерительные средства, датчики, регуляторы притока и т.д.).
На фиг.2 приведено упрощенное изображение системы 25 регулирования сопротивления потоку, при этом, как подробно описано ниже, в предпочтительном варианте осуществления изобретения система может содержать различные каналы и устройства для выполнения разных функций. Кроме того, предпочтительно, что система 25 по меньшей мере частично проходит в окружном направлении вокруг трубчатой колонны 22 или данная система может быть встроена в стенку трубчатой конструкции, являющейся частью трубчатой колонны и находящейся с ней во взаимном соединении.
В других вариантах система 25 может не проходить в окружном направлении вокруг трубчатой колонны или не быть встроенной в стенку трубчатой конструкции. Например, система 25 может быть сформирована в плоской конструкции и т.д. Система 25 может находиться в отдельной оболочке, прикрепленной к трубчатой колонне 22, или иметь такую ориентацию, при которой ось выхода 40 параллельна оси трубчатой колонны. Система 25 может находиться на каротажном кабеле или прикрепляться к устройству, имеющему не трубчатую форму. Принципы данного изобретения могут быть воплощены при любой возможной ориентации или конфигурации системы 25.
На фиг.3A и 3B также приведено подробное изображение разреза одного варианта системы 25, которая показана в двумерном виде на плоскости, но следует понимать, что система может проходить в окружном направлении и при необходимости располагаться, например, в боковой стенке трубчатой части.
На фиг.3A показана система 25 регулирования сопротивления потоку, в которой многокомпонентный флюид 36 протекает через проточную камеру 42 от входа 38 к выходу 40. Многокомпонентный флюид 36 на фиг.3A имеет относительно низкую вязкость и/или относительно большую скорость. Например, если желательным флюидом является нефть, а газ или вода являются нежелательными флюидами, то, как показано на фиг.3A, многокомпонентный флюид 36 имеет сравнительно высокое отношение доли нежелательного флюида к доле желательного флюида.
Необходимо отметить, что проточная камера 42 содержит приспособления 44, которые способствуют закручиванию потока многокомпонентного флюида 36 по спирали вокруг выхода 40. При этом многокомпонентный флюид 36 протекает к выходу 40 по траектории, близкой к окружности с постепенно уменьшающимся радиусом.
Предпочтительно, что приспособление препятствует перенаправлению потока многокомпонентного флюида 36 на радиальную траекторию, проходящую к выходу 40. Таким образом, хотя спиральный поток многокомпонентного флюида 36, закручиваемый приспособлениями 44, имеет круговую и радиальную составляющие, предпочтительно, что данные приспособления препятствуют увеличению радиальной составляющей этого потока.
В варианте, приведенном на фиг.3A, приспособления 44 отстоят друг от друга на некотором расстоянии в направлении потока многокомпонентного флюида 36. Предпочтительно, что расстояние между приспособлениями 44 постепенно уменьшается в направлении протекания потока многокомпонентного флюида 36.
На фиг.3A показано, что камера 42 содержит два входных канала 46, каждый из которых имеет несколько отстоящих друг от друга приспособлений 44. При этом понятно, что согласно принципам настоящего изобретения данная камера может иметь любое количество входных каналов 46 и приспособлений 44.
В камере 42 имеются дополнительные приспособления 48, препятствующие перенаправлению потока многокомпонентного флюида 36 на радиальную траекторию. Как показано на фиг.3A, приспособления 48 отстоят друга от друга в окружном и радиальном направлениях.
В конечном итоге многокомпонентный флюид 36 поступает на выход 40 через проходные пространства между приспособлениями 44, 48, при этом спиральная и круговая траектория движения потока многокомпонентного флюида 36 вокруг выхода характеризуется рассеянием энергии, благодаря чему потоку многокомпонентного флюида оказывается относительно большое сопротивление. При уменьшении вязкости многокомпонентного флюида 36 и/или при увеличении скорости многокомпонентного флюида 36 (например, вследствие понижения отношения доли желательного флюида к доле нежелательного флюида в многокомпонентном флюиде) данное сопротивление потоку возрастает. И наоборот, при увеличении вязкости многокомпонентного флюида 36 и/или при уменьшении скорости многокомпонентного флюида 36 (например, вследствие повышения отношения доли желательного флюида к доле нежелательного флюида в многокомпонентном флюиде) данное сопротивление потоку уменьшается.
На фиг.3B показана система 25 с такого рода повышенным отношением доли желательного флюида к доле нежелательного флюида в многокомпонентном флюиде 36. Многокомпонентный флюид 36, имеющий повышенную вязкость и/или пониженную скорость, с меньшим сопротивлением протекает через проходные пространства между приспособлениями 44, 48.
Таким образом, как показано в варианте на фиг.3B, многокомпонентный флюид 36 в большей степени протекает прямо к выходу 40, нежели в варианте, показанном на фиг.3A. Поток многокомпонентного флюида в варианте на фиг.3B также движется по спиральной траектории, но при этом он закручен по спирали в меньшей степени, нежели в случае варианта на фиг.3A. Таким образом, в варианте на фиг.3В рассеяние энергии и сопротивление потоку существенно меньше по сравнению с вариантом на фиг.3A.
На фиг.4 также приведено изображение другой конфигурации системы 25 регулирования сопротивления потоку. В этой конфигурации в камере 42 имеется большее количество входных каналов 46 по сравнению с конфигурацией, приведенной на фиг.3A и 3B, а также имеется два массива приспособлений 44, отстоящих друг от друга в радиальном направлении и способствующих закручиванию потока по спирали. Таким образом, понятно, что могут быть построены самые различные конфигурации систем регулирования сопротивления потоку без отклонения от сути настоящего изобретения.
Необходимо отметить, что входные каналы 46 постепенно сужаются в направлении движения потока многокомпонентного флюида 36. Данное сужение, обуславливающее уменьшение площади сечения потока, приводит к некоторому увеличению скорости многокомпонентного флюида 36.
Как и в случае конфигурации, приведенной на фиг.3A и 3B, при уменьшении вязкости многокомпонентного флюида 36 и/или увеличении скорости многокомпонентного флюида 36 сопротивление потоку, протекающему через изображенную на фиг.4 систему 25, возрастает. И наоборот, при увеличении вязкости многокомпонентного флюида 36 и/или уменьшении скорости многокомпонентного флюида 36 сопротивление потоку, протекающему через изображенную на фиг.4 систему 25, уменьшается.
В каждой из вышеописанных конфигураций приспособления 44 и/или 48 могут иметь вид лопаток или выемок на одной или нескольких стенках камеры 42. Если приспособления 44 и/или 48 имеют вид лопаток, они могут выступать наружу от стенки (стенок) камеры 42. Если приспособления 44 и/или 48 имеют вид выемок, они могут выступать внутрь от стенки (стенок) камеры 42. Функции перенаправления потока многокомпонентного флюида 36 на требуемую траекторию или функции препятствования изменению направления потока многокомпонентного флюида могут выполняться приспособлениями любого типа, в любом количестве, любой конфигурации, с любыми проходными пространствами между ними.
На данном этапе описания изобретения должно быть понятно, что настоящее изобретение характеризуется значительным усовершенствованием существующих регулируемых ограничителей потока в скважине. Предпочтительно, что вышеописанные варианты системы 25 регулирования сопротивления потоку работают автономно, автоматически и без применения подвижных частей, что обеспечивает надежность процесса регулирования потока между пластом 20 и внутренним пространством трубчатой колонны 22.
Один аспект вышеописанного изобретения состоит в создании системы 25 регулирования сопротивления потоку для использования в подземной скважине. Система 25 может включать проточную камеру 42, через которую протекает многокомпонентный флюид 36. Камера 42 содержит по меньшей мере один вход 38, выход 40 и по меньшей мере одно приспособление 44, расположенное по спирали относительно выхода 40, причем приспособление 44 способствует закручиванию потока многокомпонентного флюида 36 по спирали вокруг выхода 40.
Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, что вышеописанная система 25 регулирования сопротивления потоку включает проточную камеру 42, имеющую выход 40, по меньшей мере одно приспособление 44, способствующее закручиванию потока многокомпонентного флюида 36 по спирали вокруг выхода 40, и по меньшей мере еще одно приспособление 48, препятствующее перенаправлению потока многокомпонентного флюида 36 на радиальную траекторию, проходящую к выходу 40.
Предпочтительно, что многокомпонентный флюид 36 протекает через проточную камеру 42, расположенную в скважине.
Приспособление 48 оказывает возрастающее сопротивление перенаправлению потока многокомпонентного флюида на радиальную траекторию, проходящую к выходу 40, при наличии одного из следующих факторов: а) повышенная скорость многокомпонентного флюида 36, б) пониженная вязкость многокомпонентного флюида 36 и в) пониженное отношение доли желательного флюида к доле нежелательного флюида в многокомпонентном флюиде 36.
Приспособление 44 и/или 48 может содержать одну или несколько лопаток и выемок. Приспособление 44 и/или 48 может выступать по меньшей мере в одном из направлений - наружу или внутрь от стенки камеры 42.
Приспособление 44 и/или 48 может содержать множество отстоящих друг от друга частей. Проходное пространство между соседними приспособлениями 44 может уменьшаться в направлении спиральной траектории потока многокомпонентного флюида 36.
Предпочтительно, что при увеличении вязкости многокомпонентного флюида 36, при уменьшении скорости многокомпонентного флюида 36 и/или при увеличении отношения доли желательного флюида к доле нежелательного флюида в многокомпонентном флюиде 36 он протекает в большей степени прямо к выходу 40.
Следует понимать, что различные вышеописанные варианты могут характеризоваться разного рода пространственной ориентацией, в том числе наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.п., а также применяться в разных конфигурациях без отклонения от сути настоящего изобретения. Варианты осуществления изобретения, приведенные на чертежах, изображены и описаны только в качестве примеров практического применения принципов настоящего изобретения, которые не ограничиваются какими-либо конкретными особенностями данных вариантов осуществления изобретения.
В вышеизложенном описании вариантов осуществления изобретения слова, соответствующие указателям направления, такие как «над», «под», «верхний», «нижний» (с учетом их парадигм) и т.п., использованы для удобства иллюстрации информации, приведенной на соответствующих чертежах. В общем смысле слова «над», «верхний», «вверх» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление вдоль скважины к поверхности земли, а слова «под», «нижний», «вниз» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление вдоль скважины от поверхности земли.
Безусловно, на основе тщательного ознакомления с вышеприведенным описанием вариантов осуществления изобретения специалисту понятно, что отдельные компоненты данных конкретных вариантов осуществления изобретения могут быть модифицированы, дополнены, заменены, исключены, а также в данные конкретные варианты осуществления изобретения могут быть внесены другие изменения в рамках принципов настоящего изобретения. Соответственно, вышеприведенное описание используется в качестве примера и предназначено для более ясного понимания сути изобретения, причем суть и объем настоящего изобретения ограниваются исключительно признаками, указанными в формуле изобретения, и эквивалентными признаками.