СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В АВТОНОМНОМ КЛАПАНЕ (ВАРИАНТЫ)
FLUID FLOW CONTROL METHOD FOR SELF-CONTAINED VALVE (VERSIONS)

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Данная заявка претендует на приоритет предварительной заявки на патент с порядковым номером 61/473669, зарегистрированной 08 апреля 2011 года и во всех отношениях включенной в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] В целом изобретение относится к способам и устройствам управления автономным флюидным клапаном с использованием для управления потоком текучей среды «вязкостного переключателя» или отклоняющего механизма, в частности к применению таких механизмов для управления потоком текучей среды между подземным нефтегазоносным пластом и насосно-компрессорной колонной в стволе скважины.
Уровень техники
[0002] При заканчивании скважины, пересекающей нефтегазоносный подземный пласт, в скважину устанавливают насосно-компрессорные трубы (НКТ) и различное оборудование для создания условий безопасной и эффективной добычи текучих сред. Например, для предотвращения поступления твердых частиц из несцементированного или рыхлого подземного пласта, определенные оснастки заканчиваемой скважины включают в себя один или несколько песчаных экранов, располагаемых в необходимых продуктивных интервалах. В других оснастках заканчиваемых скважин с целью управления расходом добываемых текучих сред в НКТ обычной практикой является установка вместе с эксплуатационной колонной одного или нескольких регуляторов притока.
[0003] Продукция из любой секции НКТ часто может иметь много текучих компонентов, таких как природный газ, нефть и вода, причем пропорции компонентов в добываемой текучей среде меняются во времени. Поэтому при изменении пропорции текучих компонентов аналогично будут изменяться характеристики потока текучей среды. Например, когда добываемая текучая среда имеет пропорционально большее количество природного газа, вязкость текучей среды и плотность текучей среды будут меньше, чем у текучей среды, имеющей пропорционально большее количество нефти. Часто требуется снизить или предотвратить добычу одного компонента в пользу другого. Например, в нефтедобывающей скважине может ставиться задача снижения или предотвращения добычи природного газа с достижением максимальной добычи нефти. Хотя известно применение разнообразных инструментов управления потоком текучих сред в зависимости от желательности их добычи, возникла необходимость в системе управления потоком для управления притоком текучих сред, которая была бы надежна в разнообразных условиях потока. Кроме того, возникла необходимость в системе управления потоком, которая работала бы автономно, то есть в ответ на изменение внутрискважинных условий и без подачи сигналов оператором с поверхности. Кроме того, возникла необходимость в системе управления потоком, не имеющей движущихся механических частей, подверженных поломкам в плохих внутрискважинных условиях, включая поломки, являющиеся результатом эрозионного или засоряющего действия содержащегося в текучей среде песка. Аналогичные проблемы возникают и при нагнетании, когда поток текучих сред направлен внутрь пласта, а не из пласта наружу.
Раскрытие изобретения
[0004] Раскрыто устройство и способ автономного управления потоком текучей среды в трубчатом элементе в стволе скважины, проходящей через нефтегазоносный подземный пласт. В способе текучую среду через впускной канал подают в отклоняющий механизм. Поперек выпуска отклоняющего поток механизма устанавливается первое распределение потока текучей среды. В ответ на изменение во времени характеристики текучей среды поток текучей среды приобретает второе распределение потока поперек выпуска отклоняющего поток механизма. В ответ на это изменяется поток текучей среды через находящийся ниже по потоку узел вязкостного переключателя, что приводит к изменению схем потоков текучей среды в находящемся ниже по потоку вихревом узле. Поток текучей среды через вихревой узел «выбирает» текучую среду с предпочтительной характеристикой, например более или менее вязкую, плотную или имеющую большую или меньшую скорость, путем прохождения более или менее закрученного по спирали потока через вихревой узел.
[0005] Отклоняющий механизм может принимать различные формы осуществления. Отклоняющий механизм может включать в себя расширение канала текучей среды, предпочтительно от более узкого на верхнем по потоку конце до более широкого на нижнем по потоку конце. Альтернативно, отклоняющий механизм может включать в себя, по меньшей мере, один профильный элемент вдоль, по меньшей мере, одной стороны отклоняющего механизма. Профильные элементы могут быть пустотами, сформированными в стенке канала, или препятствиями, отходящими от стенки канала. Отклоняющий механизм может включать в себя флюидные диоды, флюидные Тесла-диоды, шиканы, резкий перепад поперечного сечения канала или искривленный участок канала.
[0006] Внутрискважинный трубчатый элемент может включать в себя множество систем управления потоком. Системы управления потоком могут использоваться в способах добычи и нагнетания. Системы управления потоком автономно выбирают для текучей среды с определенной характеристикой по мере изменения этой характеристики по времени.
Краткое описание чертежей
[0007] Для более полного понимания отличительных признаков и преимуществ настоящего изобретения далее изобретение раскрывается подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые детали на различных чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций, причем:
[0008] на фиг.1 схематически показана система скважины, включающая в себя некоторое количество автономных систем управления потоком, реализующих принципы настоящего изобретения;
[0009] на фиг.2 показан вид сбоку в разрезе экранирующей системы и осуществление системы управления потоком по изобретению;
[0010] на фиг.3 схематически показана автономная система 60 предшествующего уровня техники для управления потоком, типа «управляющей струи»;
[0011] на фиг.4А-В для сравнения показаны блок-схемы работы узла автономного клапана типа «управляющей струи» и представляемого настоящим документом узла автономного клапана типа «вязкостного переключателя»;
[0012] на фиг.5 схематически показан предпочтительный вариант осуществления автономного клапана типа «вязкостного переключателя» в соответствии с аспектом настоящего изобретения;
[0013] на фиг.6А-В графически представлено протекание относительно более вязкой текучей среды через приведенный в качестве примера узел;
[0014] на фиг.7А-В графически представлено протекание относительно менее вязкой текучей среды через приведенный в качестве примера узел;
[0015] на фиг.8 схематически представлен альтернативный вариант осуществления изобретения с отклоняющим механизмом, использующим профильные элементы стенки;
[0016] на фиг.9 схематически представлен альтернативный вариант осуществления изобретения со отклоняющим элементом, включающим в себя профильные элементы и ступенчатый профиль формы канала;
[0017] на фиг.10 схематически представлен альтернативный вариант осуществления изобретения с имеющими форму флюидных диодов вырезами в качестве профильных элементов в отклоняющем механизме;
[0018] на фиг.11 схематически представлен альтернативный вариант осуществления изобретения с Тесла-диодами вдоль первой стороны канала текучей среды;
[0019] на фиг.12 схематически представлен альтернативный вариант осуществления изобретения с шиканой 214, как называется секция канала 141 отклоняющего механизма, имеющая множество извилин 216, создаваемых препятствиями 218 и 220 потоку, расположенными вдоль сторон канала.
Специалистам должно быть понятно, что термины, обозначающие направление, такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз» и т.п., используются в отношении примеров осуществления в том виде, в котором последние изображены на чертежах, то есть направление вверх направлено к верху соответствующего чертежа, а направление вниз направлено к низу соответствующего чертежа. В иных случаях, когда термин используется для указания определенной ориентации, спецификация это указывает или проясняет. Термины «вверх по скважине», «вниз по скважине», «внутри скважины», «снаружи скважины» используются для указания относительного месторасположения или направления относительно поверхности, а термин «вниз по потоку» («нижний по потоку») означает относительное положение или движение еще дальше от поверхности по стволу скважины, вне зависимости от того, каким именно - горизонтальным, наклонным или вертикальным - является ствол. Термины «вверх по потоку» и «вниз по потоку» («верхний по потоку», «нижний по потоку») используются для указания относительного положения или движения текучей среды относительно направления потока текучей среды.
Осуществление изобретения
[0020] Несмотря на то что ниже подробно рассматриваются реализация и применение различных вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисту будет понятно, что настоящее изобретение предлагает применимые оригинальные идеи, которые могут быть осуществлены в разнообразных конкретных контекстах. Обсуждаемые в настоящем документе частные варианты осуществления являются иллюстрацией частных путей реализации и применения изобретения и не ограничивают объем настоящего изобретения.
[00201] На фиг.1 схематически изображена скважинная система, в целом обозначенная номером 10, включающая в себя некоторое количество автономных систем управления потоком, в которых осуществлены принципы настоящего изобретения. Ствол 12 скважины проходит сквозь разные подземные слои. Ствол 12 имеет существенно вертикальную секцию 14, верхняя часть которой имеет установленную в ней обсадную колонну 16. Ствол 12 также имеет существенно отклоненную секцию 18, показанную горизонтальной, проходящей сквозь нефтегазоносный подземный пласт 20. Как показано, существенно горизонтальная секция 18 ствола 12 представляет собой необсаженный ствол. Хотя в настоящем документе показана горизонтальная секция ствола с необсаженным стволом, изобретение будет работать в имеющем любую ориентацию необсаженном и обсаженном стволе. Изобретение будет также работать одинаково хорошо и с нагнетательными системами, что будет рассмотрено ниже.
[0022] Внутри ствола 12 расположена и проходит с поверхности насосно-компрессорная колонна 22. Насосно-компрессорная колонна обеспечивает канал для прохождения текучих сред от пласта 20 наверх к поверхности. Внутри насосно-компрессорной колонны 22 в различных продуктивных интервалах, граничащих с пластом 20, расположено некоторое количество автономных систем 25 управления потоком, а также некоторое количество секций 24 насосно-компрессорных труб (НКТ). На каждом из концов секции 24 насосно-компрессорных труб имеется пакер 26, обеспечивающий флюидное уплотнение между насосно-компрессорной колонной 22 и стенкой ствола 12 скважины. Расстоянием между парой соседних пакеров 26 задается продуктивный интервал.
[0023] В показанном примере осуществления каждая из секций 24 НКТ включает в себя устройство для борьбы с песком. Песчаные экраны или фильтрующие среды для борьбы с песком, связанные с секциями 24 НКТ, предназначены для того, чтобы пропускать через себя текучие среды и не пропускать твердые частицы достаточного размера. Хотя изобретение и не обязательно имеет связанный с ним песчаный экран, но даже в случае использования такого экрана вместе с системами управления потоком текучей среды, конструкция такого экрана не является критичной для настоящего изобретения.
[0024] Путем применения систем 25 управления потоком по настоящему изобретению в одном или нескольких продуктивных интервалах можно обеспечить некоторую степень управления объемом и составом добываемых текучих сред. Например, если в процессе добычи нефти какой-либо нежелательный компонент текущей среды, такой как вода, пар, диоксид углерода или природный газ, попадет в один из продуктивных интервалов, то находящаяся в этом интервале система управления потоком автономно ограничит или будет препятствовать добыче текучей среды из данного интервала.
[0025] Используемым в настоящем документе термином «природный газ» обозначается смесь углеводородов (и различных количеств не являющихся углеводородами веществ), находящаяся в газообразном состоянии при комнатных температуре и давлении. Этот термин не означает, что природный газ находится в газообразном состоянии внутри скважины там, где находятся системы по изобретению. Наоборот, следует понимать, что система управления потоком должна применяться в местах, где давление и температура таковы, что природный газ по большей части будет находиться в сжиженном состоянии, притом что могут присутствовать и другие компоненты, некоторые из которых могут находиться в газообразном состоянии. Идея изобретения будет работать с жидкостями или газами или в присутствии как одних, так и других.
[0026] Притекающая в секцию 24 НКТ текучая среда обычно содержит более одного текучего компонента. Типовыми компонентами являются природный газ, нефть, вода, пар или двуокись углерода. Пар и диоксид углерода обычно используются в качестве нагнетательных текучих сред для приведения углеводородов в движение в направлении трубчатых элементов НКТ, в то время как природный газ, нефть и вода обычно залегают в самом пласте. Пропорция этих компонентов в текучей среде, втекающей в каждую секцию 24 НКТ будет варьироваться по времени и в зависимости от условий внутри пласта и ствола скважины. Аналогичным образом, состав текучей среды, притекающей в разнообразные секции НКТ по длине всей насосно-компрессорной колонны, может значительно изменяться от секции к секции. Система управления потоком предназначена для снижения или ограничения добычи из какого-либо конкретного интервала в случае, если он имеет повышенную пропорцию нежелательного компонента.
[0027] Соответственно, когда продуктивный интервал, соответствующий одной конкретной из систем управления потоком, выдает увеличенную пропорцию нежелательного текучего компонента, система управления потоком в этом интервале ограничит или создаст препятствие добычному потоку из этого интервала. Таким образом, остальные продуктивные интервалы, выдающие более высокую пропорцию желательного текучего компонента, в данном случае - нефти, повысят свой вклад в продукцию скважины, поступающую в насосно-компрессорную колонну 22. В частности, расход из пласта 20 в насосно-компрессорную колонну 22 будет меньшим, когда текучей среде приходится протекать через систему управления потоком (вместо того чтобы просто притекать в насосно-компрессорную колонну). Другими словами можно сказать, что система управления потоком ограничивает поток текучей среды.
[0028] Хотя на фиг.1 показано по одной системе ограничения потока в каждом продуктивном интервале, следует понимать, в рамках идей настоящего изобретения в продуктивном интервале можно разместить любое количество систем по настоящему изобретению. Аналогичным образом, системы управления потоком по настоящему изобретению не должны быть обязательно связаны с каждым продуктивным интервалом. Они могут присутствовать только в некоторых из продуктивных интервалов в стволе скважины или могут находиться в канале НКТ для обслуживания нескольких продуктивных интервалов.
[0029] На фиг.2 сбоку в разрезе показана фильтрующая система 28 и осуществление системы 25 управления потоком по изобретению. Трубчатый элемент НКТ задает собой внутреннее кольцевое пространство или канал 32 фильтра. Текучая среда притекает из пласта 20 в секцию 24 НКТ через фильтрующую систему 28. Особенности фильтрующей системы подробно здесь не разъясняются. Профильтрованная фильтрующей системой 28 текучая среда втекает во внутренний канал 32 секции 24 НКТ. В контексте данного применения внутренний канал 32 секции 24 НКТ может быть кольцевым пространством, как показано, центральным цилиндрическим пространством или иметь другую конструкцию.
[0030] Порт 42 обеспечивает сообщение по текучей среде от кольцевого пространства 32 фильтра до системы управления потоком, имеющей канал 44 для текучей среды, переключающий узел 46 и автономный узел 50 переменного сопротивления потоку, например вихревой узел. Если узел переменного сопротивления потоку является приведенным в качестве примера вихревым узлом, то он включает в себя вихревую камеру 52, сообщающуюся по текучей среде с выпускным каналом 38. Выпускной канал 38 направляет текучую среду в канал 36 в трубчатом элементе для подачи продукции вверх по стволу скважины, в предпочтительном варианте осуществления. В данном варианте осуществления канал 36 ограничивается стенкой 31 трубчатого элемента.
[0031] Способы и устройства по настоящему изобретению предназначены для управления потоком текучей среды по изменениям характеристик текучей среды по времени. К таким характеристикам относятся вязкость, скорость, расход и плотность. Эти характеристики более подробно рассматриваются в материалах, на которые ссылается настоящий документ. Используемый в настоящем документе термин «вязкость» обозначает любое из реологических свойств, включая в себя кинематическую вязкость, предел текучести, вязкопластичность, поверхностное натяжение, смачиваемость и т.п. Характеристика потока текучей среды меняется по времени, так как по времени изменяются пропорциональные количества текучих компонентов, например нефти и природного газа, в добываемой текучей среде. Когда текучая среда содержит сравнительно высокую пропорцию природного газа, например, то плотность и вязкость текучей среды будут меньше, чем у нефти. Поведение текучих сред зависит от характеристик потока текучей среды. Кроме того, определенные конфигурации канала будут ограничивать поток или обеспечивать большее сопротивление потоку, в зависимости от характеристик потока текучей среды.
[0032] На фиг.3 схематично представлена автономная система 60 управления потоком предшествующего уровня техники типа «управляющей струи». Управляющая струйная система 60 включает в себя узел 70 флюидного селектора, струйный переключатель 90 и узел переменного сопротивления потоку, здесь - вихревой узел 100. Узел 70 флюидного селектора имеет первичный канал 72 для текучей среды и управляющий струйный узел 74. Показан примерный вариант осуществления; системы уровня техники полноценно рассматриваются в материалах, на которые ссылается настоящий документ. Пример системы будет рассмотрен с целью сравнения.
[0033] Узел 70 флюидного селектора имеет первичный флюидный канал 72 и управляющий струйный узел 74. Управляющий струйный узел 74 имеет одиночный струйный управляющий канал 76. В других вариантах осуществления могут использоваться дополнительные управляющие струйные устройства. Текучая среда F входит в узел 70 флюидного селектора через первичный канал 72 и течет по направлению к струйному переключателю 90. Часть потока текучей среды отделяется от первичного канала 72 в струйный управляющий узел 74. Струйный управляющий узел 74 включает в себя струйный управляющий канал 76, имеющий по меньшей мере один впуск 77, обеспечивающий сообщение по текучей среде с первичным каналом 72, а также выпуск 78, обеспечивающий сообщение по текучей среде со струйным переключающим узлом 90. При необходимости можно предусмотреть форсунку 71, создающую «струю» текучей среды на выходе, но такая форсунка не является обязательной. Выпуск 78 соединен со струйным переключающим узлом 90 и направляет текучую среду (или передает гидростатическое давление) в струйный переключающий узел. Управляющий струйный выпуск 78 и находящаяся ниже по потоку часть 79 управляющего струйного канала 72 в продольном направлении перекрывают нижнюю часть 92 струйного переключающего узла 90, как показано.
[0034] Приведенный в качестве примера струйный управляющий узел также содержит некоторое количество показанных впусков 77. Предпочтительно, впуски включают в себя элементы 80 управления потоком, например показанные камеры 82, предназначенные для управления объемом текучей среды F, заходящей в струйный управляющий узел из первичного канала в зависимости от характеристики текучей среды. То есть флюидный селекторный узел 70 «выбирает» текучую среду с предпочтительной характеристикой. В показанном варианте осуществления, текучая среда с относительно более высокой вязкостью, например нефть, относительно свободно протекает через впуски 77 и управляющий канал 76. Поэтому текучая среда, выходящая из нижней по потоку части 79 управляющего струйного канала 72 через форсунку 78, «толкает» текучую среду, вытекающую из первичного канала после ее входа в струйный переключающий узел 90 в устье 94. Управляющая струя эффективно направляет поток текучей среды по направлению к выбранной стороне переключающего узла. В этом случае, если необходимо добывать нефть, то управляющая струя направляет поток текучей среды через струйный переключающий узел 90 по «рабочей» стороне. То есть текучая среда направляется через переключатель по направлению к «рабочему» каналу 96 переключателя, а этот канал, в свою очередь, направляет текучую среду в вихревой узел для создания относительно прямого потока по направлению к вихревому выпуску 102, что показано сплошной стрелкой.
[0035] Относительно менее вязкая текучая среда, такая как вода или природный газ, будет вести себя по-другому. Через впуски 77 и управляющие элементы 80 в управляющий струйный узел 74 будет заходить относительно меньший объем текучей среды. Управляющие элементы 80 предназначены для создания падения давления, через управляющий струйный канал 76, выпуск 78 и форсунку 71 сообщаемого в устье 94 вязкостного переключателя. Падение давления «вытягивает» поток текучей среды из первичного канала 72 при вхождении его в устье 94 вязкостного переключателя. Тогда текучая среда направляется в обратном направлении от нефти, по направлению к «нерабочему» каналу 98 переключателя и в вихревой узел 100. В вихревом узле менее вязкая текучая среда направляется в вихревую камеру 104 по каналу 98 переключателя для создания относительно тангенциального закрученного по спирали потока, показанного пунктирной стрелкой.
[0036] Струйный переключающий узел 90 проходит от нижнего по потоку конца первичного канала 72 до впусков в вихревой узел 60 (и не включает в себя вихревой узел). Текучая среда заходит в струйный переключатель из первичного канала через порт 93, представляющий собой четкую границу между первичным каналом 72 и струйным переключающим узлом 90. В продольном направлении струйный переключатель перекрывается с нижней по потоку частью 79 управляющего струйного канала 76 вместе с выпуском 78 и форсункой 71. Текучая среда из первичного канала втекает в устье 94 струйного переключателя, где она дополняется и направляется текучей средой, заходящей в устье 94 из управляющего струйного канала 76. Текучая среда направляется к одному из выпускных каналов 96 или 98 флюидного переключателя в зависимости от характеристик, которыми обладает текучая среда в данный момент времени. «Рабочий» канал 96 направляет текучую среду в вихревой узел для создания относительно радиального потока по направлению к вихревому выпуску и относительно низкого падения давления на клапанном узле. «Нерабочий» канал 98 направляет текучую среду в вихревой узел для создания относительно закрученного по спирали потока, порождая, таким образом, относительно высокое падение давления на узле автономного клапана. Часто текучая среда будет течь через оба выпускных канала 96 и 98, как показано. Отметим, что струйный переключатель и вязкостный переключатель являются переключателями двух разных типов.
[0037] Вихревой узел 100 имеет впускные порты 106 и 108, соответствующие выпускным каналам 96 и 98 вязкостного переключателя. Поведение текучей среды внутри вихревой камеры 104 уже было описано выше. Текучая среда выходит через вихревой выпуск 102. По желанию могут использоваться необязательные лопасти или направляющие устройства 110.
[0038] Более полные описания и альтернативные конструкции узла автономного клапана, использующего управляющие струи, могут быть найдены в материалах, включенных в настоящий документ посредством ссылки. Например, в некоторых вариантах осуществления управляющий струйный узел разделяет поток в несколько управляющих каналов, причем распределение расхода по каналам зависит от характеристик потока, геометрической формы канала и т.д.
[0039] На фиг.4А-В показаны блок-схемы, сравнивающие узел автономного клапана типа «управляющей струи» уровня техники и узел автономного клапана типа «вязкостного переключателя», представленный в настоящем документе. Показанная на фиг.4А блок-схема работы автономного клапана типа «вязкостного переключателя» начинается с того, что на шаге 112 текучая среда F протекает через впускной канал, а затем на шаге 113 - через отклоняющий механизм, влияющий на нее тем, что отклоняет текучую среду в вязкостный переключатель в зависимости от изменяющейся по времени характеристики текучей среды. Затем на шаге 114 текучая среда втекает в вязкостный переключатель, где текучая среда принуждается направляться к выбранной стороне переключателя (например, «рабочей» или «нерабочей»). При этом не используют какие-либо управляющие струи.
[0040] На фиг.4В показана блок-схема работы стандартного автономного клапана. На шаге 115 текучая среда F протекает через впускной канал, а затем, на шаге 116 - во флюидный селекторный узел. Флюидный селекторный узел по изменяющимся во времени характеристикам текучей среды выбирает, будет ли осуществлена добыча текучей среды. На шагах 117а и 117b текучая среда протекает через, по меньшей мере, один струйный орган управления, а затем на шаге 118 попадает в струйный переключатель, например в двухпозиционный переключатель.
[0041] На фиг.5 схематично показан предпочтительный вариант осуществления автономного клапана типа вязкостного переключателя в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения. Автономный управляющий клапан 120 типа вязкостного переключателя имеет впускной канал 130, отклоняющий механизм 140, узел 160 вязкостного переключателя и узел переменного сопротивления потоку, здесь - вихревой узел 180.
[0042] Впускной канал 130 передает текучую среду от источника, например текучую среду пласта из кольцевого пространства фильтра и т.д., в отклоняющий механизм 140. Профили расхода и скорости текучей среды в канале по сути симметричны. Впускной канал проходит, как указано, и заканчивается отклоняющим механизмом. Впускной канал имеет верхний по потоку конец 132 и нижний по потоку конец 134.
[0043] Отклоняющий механизм 140 сообщается по текучей среде с впускным каналом 130 и с узлом 160 вязкостного переключателя. Как описано в настоящем документе, отклоняющий механизм 140 может принимать различные формы.
[0044] Приведенный в качестве примера отклоняющий механизм 140 имеет впускной канал 141 отклоняющего механизма, проходящий, как показано, от нижнего по потоку конца впускного канала до верхнего по потоку конца вязкостного переключателя. В предпочтительном варианте осуществления, отклоняющий механизм 140 задан расширяющимся каналом 142, как показано. Расширяющийся канал 142 расширяется от области первого поперечного сечения (например, измеряемого по ширине и высоте прямоугольного поперечного сечения в случае, если впускной и расширяющийся каналы являются трубчатыми элементами прямоугольного сечения, или измеряемого по диаметру в случае, если впускной канал и расширяющиеся каналы существенно цилиндрические) на своем верхнем по потоку конце 144 до области большего второго поперечного сечения на своем нижнем по потоку конце 146. Рассмотрение ведется для каналов, имеющих прямоугольное поперечное сечение. Расширяющийся канал 142 отклоняющего механизма может быть представлен как имеющий две продольные «стороны» - первую сторону 148 и вторую сторону 150, задаваемые первой боковой стенкой 152 и второй боковой стенкой 154. Первая боковая стенка 152 проходит по существу одинаково с соответствующей первой боковой стенкой 136 впускного канала 130. Вторая боковая стенка 154, тем не менее, отклоняется от соответствующей второй боковой стенки 138 впускного канала, расширяя тем самым отклоняющий механизм от области его первого поперечного сечения до области его второго поперечного сечения. Стенки впускного канала существенно параллельны. В предпочтительном варианте осуществления, угол α расширения между первой и второй боковыми стенками 152 и 154 составляет приблизительно пять градусов.
[0045] Вязкостный переключатель 160 передает текучую среду от отклоняющего механизма к вихревому узлу. Вязкостный переключатель имеет верхний по потоку конец 162 и нижний по потоку конец 164. Вязкостный переключатель на своем нижнем по потоку конце задает собой «рабочий» и «нерабочий» выпускные каналы 166 и 168 соответственно. Выпускные каналы сообщаются по текучей среде с вихревым узлом 180. Как подразумевает его название, вязкостный переключатель направляет поток текучей среды по направлению к выбранному выпускному каналу. Вязкостный переключатель можно представить себе имеющим первую и вторую стороны 170 и 172 соответственно, которые соответствуют первой и второй сторонам отклоняющего механизма. Первая и вторая боковые стенки 174 и 176 отклоняются от первой и второй стенок отклоняющего механизма, создавая расширяющуюся в поперечном сечении область в переключающей камере 178. Углы β и δ отклонения являются, как показано, углами между стенкой вязкостного переключателя и нормалью к стенкам впускного канала (и первой боковой стенке отклоняющего механизма). Угол δ отклонения на второй стороне меньше угла β отклонения на первой стороне. Например, угол β отклонения может быть равными примерно 80 градусам, а угол δ отклонения может быть равным примерно 75 градусам.
[0046] Вихревой узел 180 имеет впускные порты 186 и 188, соответствующие выпускным каналам 166 и 168 вязкостного переключателя. Поведение текучей среды внутри вихревой камеры 184 уже было описано. Текучая среда выходит из вихревого выпуска 182. По желанию могут использоваться необязательные лопасти или направляющие устройства 190.
[0047] В процессе работы более вязкая жидкость, например нефть, «следует за расширением». Другими словами можно сказать, что более вязкая жидкость стремится «прилипнуть» к отклоняющейся (второй) стенке отклоняющего механизма, дополнительно к прилипанию к неотклоняющейся (первой) стенке. То есть профиль расхода потока текучей среды и/или скорости текучей среды по поперечному сечению нижнего по потоку конца 146 отклоняющего механизма является относительно симметричным от первой до второй стороны. Чем меньше угол δ отклонения на выходе отклоняющего механизма, тем больше вязкой жидкости следует по второй стенке вязкостного переключателя, то есть «прилипает» к ней. Таким образом, переключатель направляет текучую среду по направлению к выбранному выпуску переключателя.
[0048] Наоборот, менее вязкая текучая среда, например вода или природный газ, не стремится «следовать» по отклоняющейся стенке. Следовательно, на выпуске отклоняющего механизма распределение потока будет относительно менее симметричным. Распределение потока на сечении нижнего по потоку конца отклоняющего механизма смещено для направления потока текучей среды по направлению к первой стороне 170 вязкостного переключателя. В результате, поток текучей среды направляется по направлению к первой стороне вязкостного переключателя и к «нерабочему» выпускному каналу переключателя.
[0049] На фиг.6 графически представлено протекание относительно более вязкой текучей среды через приведенный в качестве примера узел. Сохранены номера позиций деталей, описанных ранее. Менее вязкая жидкость, например нефть, течет через впускной канал, попадая в отклоняющий механизм. Нефть следует по отклоняющейся стенке отклоняющего механизма, что приводит к относительно симметричному распределению потока на нижнем по потоку конце отклоняющего механизма. На местном виде в виде графика представлен профиль 196 скорости на нижнем по потоку конце. Кривая скорости в целом симметрична в свету отверстия. Аналогичные распределения наблюдаются и для расходов, массовых расходов и т.д.
[0050] Отметим разницу между струйным переключателем (см. фиг.3) и вязкостным переключателем по изобретению. Асимметричный угол выхода в узле струйного переключателя направляет в целом симметричный поток (текучей среды, поступающей в струйный переключатель) по направлению к выбранному выпуску. Отклоняющий механизм в вязкостном переключателе создает асимметричное распределение потока на выходе отклоняющего механизма (и на входе переключателя), и эта асимметрия направляет текучую среду по направлению к выбранному выпуску. (Обычно не вся текучая среда целиком потечет через один выпуск; следует понимать, что выпуск выбирается меньше чем всей протекающей текучей средой.)
[0051] На фиг.7 графически представлено протекание относительно менее вязкой текучей среды через приведенный в качестве примера узел. Сохранены номера позиций деталей, описанных ранее. Менее вязкая жидкость, например вода или природный газ, течет через впускной канал, попадая в отклоняющий механизм. Вода не может следовать по отклоняющейся стенке отклоняющего механизма (в отличие от более вязкой текучей среды), что приводит к относительно асимметричному или смещенному распределению потока на нижнем по потоку конце отклоняющего механизма. На местном виде в виде графика представлен профиль 198 скорости на нижнем по потоку конце. График скорости в целом асимметричен поперек отверстия.
[0052] Выше, в качестве определяющей характеристики текучей среды была выбрана вязкость, хотя могут быть выбраны и другие характеристики, такие как расход, скорость и т.д. Кроме того, конфигурация может быть предусмотрена для «выбора» относительно более или менее вязкой текучей среды путем замены местами сторон переключателя, создающих закручивающийся по спирали поток и т.д. Эти вариации в полной мере рассматриваются в материалах, включенных в настоящий документ посредством ссылки.
[0053] Могут быть использованы другие варианты осуществления с применением разнообразных отклоняющих механизмов для направления текучей среды к определенной стороне вязкостного переключателя или отвода от нее. Применение таких вариантов далее не будет рассматриваться подробно, если оно будет аналогичным вышеописанному. По возможности, применяется сквозная нумерация позиций деталей, и эти позиции могут не указываться.
[0054] На фиг.8 схематично изображено альтернативное осуществление изобретения, имеющее отклоняющий механизм, в котором применены профильные стеночные элементы. Впускной канал 130 направляет текучую среду в отклоняющий механизм 140. Вторая сторона 150 отклоняющего механизма имеет относительно гладкий профиль. Первая сторона 148 канала отклоняющего механизма имеет один или несколько профильных элементов 200 в первой боковой стенке 152 отклоняющего механизма. Здесь профильные элементы являются округлыми полостями, отходящими в поперечном направлении от канала отклоняющего механизма. При протекании текучей среды F вдоль по отклоняющему механизму профильные элементы 200 сдвигают осевую линию потока и изменяют распределение потока в отклоняющем механизме. (Распределения могут быть, а могут и не быть симметричными.) Аналогично тому, как происходит рефракция света, профили как бы добавляют сопротивление потоку и препятствуют потоку текучей среды. Эта рефракция текучей среды создает отклонение, используемое переключателем для управления направлением потока текучей среды. В результате, более вязкая текучая среда, такая как нефть, течет по направлению ко второй стороне 172 вязкостного переключателя, как указано сплошной стрелкой. Относительно менее вязкая текучая среда, такая как вода или природный газ, направляется в другом направлении к первой стороне 170 вязкостного переключателя, как показано пунктирной стрелкой.
[0055] Для специалистов будет очевидным, что могут быть использованы иные искривленные, линейные или криволинейные профильные элементы, такие как треугольные вырезы, пилообразные вырезы, флюидные Тесла-диоды, синусоидальные профили, скосы и т.д.
[0056] На фиг.9 представлена подробная схема альтернативного осуществления изобретения, имеющего отклоняющий элемент, включающий в себя профильные элементы и ступенчатую геометрическую форму поперечного сечения канала. Отклоняющий механизм 140 имеет некоторое количество профильных элементов 202, расположенных вдоль одной стороны канала 141 отклоняющего механизма. Профильные элементы 202 здесь являются имеющими различные размеры искривленными вырезами или полостями, отходящими в поперечном направлении от канала 141 отклоняющего механизма. Профильный элемент влияет на распределение текучей среды в канале.
[0057] Также показан отклоняющий механизм другого типа, представляющий собой ступень 204, или резкое изменение поперечного сечения канала. Канал 141 отклоняющего механизма имеет первое поперечное сечение 206 вдоль верхней по потоку части канала. В некоторой точке ниже по потоку поперечное сечение резко становится вторым поперечным сечением 208. Это резкое изменение изменяет распределение текучей среды на нижнем по потоку конце отклоняющего механизма. Изменения поперечного сечения могут применяться отдельно или в комбинации с дополнительными элементами (как показано) и могут располагаться до или после таких элементов. Кроме того, поперечное сечение может изменяться с большего на меньшее и может менять свою геометрическую форму, например, с круглой на квадратную и т.д.
[0058] Отклоняющий механизм принуждает текучую среду течь по направлению к одной стороне вязкостного переключателя, когда вязкость текучей среды выше, и к другой стороне вязкостного переключателя, когда вязкость текучей среды ниже.
[0059] На фиг.9 также показано альтернативное осуществление выпускных каналов 166 и 168 вязкостного переключателя. Здесь несколько «рабочих» выпускных каналов 166 направляют текучую среду от вязкостного переключателя к вихревому узлу 180. Текучую среду направляют в вихревую камеру 184 существенно радиально, что имеет результатом более прямолинейный поток в вихревой выпуск 182 и, следовательно, меньшее падение давления на устройстве. «Нерабочий» выпускной канал 168 вязкостного переключателя направляет текучую среду в вихревую камеру 184 существенно тангенциально, что имеет результатом закрученный по спирали поток в камере и относительно большее падение давления на устройстве, чем то, которое было бы создано в ином случае.
[0060] На фиг.10 схематически изображено альтернативное осуществление изобретения, в котором в качестве профильных элементов в отклоняющем механизме используются вырезы, имеющие форму флюидного диода. Отклоняющий механизм 140 имеет один или несколько профильных элементов 210 с формой флюидного диода вдоль одной стенки, которые влияют на распределение потока в нижней части канала 141 отклоняющего механизма. Распределение потока, изменяющееся в ответ на изменения характеристик текучей среды, направляет текучую среду по направлению к выбранным сторонам вязкостного переключателя.
[0061] На фиг.11 схематически изображено альтернативное осуществление изобретения с Тесла-диодами 212 вдоль первой стороны 148 канала 141 текучей среды. Тесла-диоды влияют на распределение потока в отклоняющем механизме. Распределение потока изменяется в ответ на изменения характеристик текучей среды, при этом направляя текучую среду по направлению к выбранным сторонам вязкостного переключателя.
[0062] На фиг.12 схематически изображено альтернативное осуществление изобретения с шиканой 214, то есть с частью канала 141 отклоняющего механизма, имеющей некоторое количество извилин 216, созданных препятствиями 218 и 220 потоку, расположенными вдоль сторон канала. Шикана влияет на распределение потока в отклоняющем механизме. Распределение потока изменяется в ответ на изменения характеристик текучей среды, при этом направляя текучую среду по направлению к выбранным сторонам вязкостного переключателя. В показанном примере осуществления, препятствия 218 потоку вдоль противоположной стороны имеют полукруглую форму, а препятствия 220 потоку имеют существенно треугольную или скошенную форму. Элементы шиканы могут иметь другие формы, количества, размеры и месторасположения.
[0063] На фиг.13 схематически изображено альтернативное осуществление изобретения с каналом 141 отклоняющего механизма, имеющим искривленную секцию 222. Искривленная секция служит для ускорения текучей среды вдоль вогнутой стороны канала. Искривленная секция воздействует на распределение потока в отклоняющем механизме. Распределение потока изменяется в ответ на изменения характеристик текучей среды, при этом направляя текучую среду по направлению к выбранным сторонам вязкостного переключателя. Могут быть использованы другие искривленные секции, или можно использовать несколько искривленных секций.
[0064] Изобретение также может быть использовано с другими системами управления потоком, такими как регуляторы притока, скользящие муфты и другие устройства управления потоком, которые уже хорошо известны в отрасли. Система по изобретению может быть либо параллельной, либо последовательной этим другим системам управления потоком.
[0065] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на примеры осуществления, данное раскрытие не должно пониматься в ограничивающем смысле. При рассмотрении раскрытия специалистам будут очевидны различные модификации и комбинации примеров осуществления, а также другие варианты осуществления изобретения. Таким образом, приведенная формула изобретения должна охватывать любые из таких модификаций или осуществлений.
[0066] Кроме того, изобретение может быть использовано для выбора предпочтения более вязких сред или менее вязких сред. Например, в задачах добычи природного газа с ограничением добычи воды и т.д. Все из нижеперечисленных патентов и заявок на патенты США с приведенными номерами патентов или порядковыми номерами заявок во всех отношениях включены в настоящий документ посредством ссылки, в том числе для подтверждения заявленного предмета изобретения: (сначала указывается порядковый номер заявки на патент США) 12/700685, Способ и устройство для внутрискважинного автономного выбора текучей среды с помощью управляемой по траектории системы сопротивления; 12/750476, Узел встроенной трубчатой форсунки для внутрискважинного управления расходами текучих сред; 12/791993, Управление траекторией потока по характеристикам текучей среды с целью создания переменного сопротивления потоку в подземной скважине; 12/792095, Попеременное увеличение и уменьшение сопротивления потоку для передачи импульсов давления в подземной скважине; 12/792117, Система переменного сопротивления потоку для применения в подземной скважине; 12/792146, Система переменного сопротивления потоку с конструкцией, порождающей в ней циркуляцию с целью переменного препятствования потоку в подземной скважине; 12/879846, Последовательно скомпонованные переменные ограничители потока для применения в подземной скважине; 12/869836, Переменный ограничитель потока для применения в подземной скважине; 12/958625, Устройство для направления потока текучей среды с применением реле давления; 12/974212, Выходной узел с устройством направления потока для порождения и подавления вихревого потока текучей среды; и 12/966772, Способ и система внутрискважинного управления потоком, имеющие сопротивление потоку, зависящее от направления. Каждая из включенных в настоящий документ ссылок более подробно описывает способы и устройства автономного управления текучей средой.