ВЫПУСКНОЙ УЗЕЛ С УСТРОЙСТВОМ НАПРАВЛЕНИЯ ФЛЮИДА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И БЛОКИРОВКИ ВИХРЕВОГО ПОТОКА ФЛЮИДА
VENT ASSEMBLY WITH FLUID GUIDING DEVICE FOR FORMATION AND BLOCKING OF VORTEX FLOW OF FLUID

Область техники, к которой относится изобретение
Выпускной узел содержит по меньшей мере одно устройство направления флюида, обеспечивающее завихрение потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в одном направлении и препятствующее завихрению потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в другом направлении. В другом варианте осуществления изобретения выпускной узел имеет несколько входов для флюида. Согласно другому варианту осуществления изобретения выпускной узел используется в регуляторе потока флюида. В другом варианте осуществления изобретения регулятор потока флюида используется в подземном пласте.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту осуществления изобретения, выпускной узел содержит первый вход для флюида; первый выход для флюида; и по меньшей мере одно устройство направления флюида, причем флюид поступает в выпускной узел в одном направлении, в другом направлении или в обоих указанных направлениях, а по меньшей мере одно устройство направления флюида обеспечивает завихрение потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в одном направлении и препятствует завихрению потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в другом направлении.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, регулятор потока флюида содержит переключатель потока флюида и выпускной узел, содержащий (1) первый вход для флюида; (2) первый выход для флюида; и (3) по меньшей мере одно устройство направления флюида, причем переключатель потока флюида пропускает поток флюида в выпускной узел в одном направлении, в другом направлении или в обоих указанных направлениях, а по меньшей мере одно устройство направления флюида обеспечивает завихрение потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в одном направлении и препятствует завихрению потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в другом направлении.
Краткое описание графических материалов
Признаки и преимущества конкретных вариантов осуществления изобретения поясняются прилагающимися чертежами, которые никоим образом не подразумевают ограничения вариантов осуществления изобретения.
Фиг.1 показывает регулятор потока флюида с выпускным узлом, согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 показывает регулятор потока флюида с выпускным узлом, согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.3A-3C показывают выпускной узел, согласно одному варианту осуществления изобретения, и поток флюида в выпускном узле.
Фиг.4A-4C показывают выпускной узел, согласно другому варианту осуществления изобретения, и поток флюида в выпускном узле.
Фиг.5A-5C показывают выпускной узел для использования в регуляторе потока флюида, приведенном на фиг.2, и поток флюида в выпускном узле.
Фиг.6 показывает форму устройств направления флюида и элементов направления потока, согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 показывает форму устройств направления флюида и элементов направления потока, согласно другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.8 показывает графики зависимости давления от расхода потока флюида, поступающего в выпускной узел и перемещающегося в нем в двух разных направлениях.
Фиг.9 показывает скважинную систему, содержащую по меньшей мере один из регуляторов потока флюида, изображенных на фиг.1 и 2.
Осуществление изобретения
В данном документе каждое из слов «содержит», «имеет», «включает», с учетом их парадигм, имеет широкое, неограничивающее значение, которое не исключает дополнительные элементы или этапы.
Следует понимать, что используемые в данном документе порядковые числительные «первый», «второй», «третий» и т.д. (с учетом их парадигм) употребляются произвольно и только лишь для выражения различия между несколькими проточными каналами, входами и т.п. в зависимости от обстоятельств и не обозначают определенную ориентацию или последовательность. Кроме того, следует понимать, что употребление слова «первый» не означает обязательного присутствия по тексту слова «второй», употребление слова «второй» не означает обязательного присутствия по тексту слова «третий» и т.д.
В данном документе слово «флюид» обозначает вещество, которое при температуре 22°C и давлении в одну атмосферу - «атм.» (ок. 0,1 мегапаскаля - «МПа») характеризуется текучестью и способностью принимать форму, обуславливаемую поверхностью контейнера, в котором содержится данное вещество. Флюид может представлять собой жидкость или газ. Гомогенный флюид характеризуется только одной фазой вещества, в то время как гетерогенный флюид характеризуется несколькими различными фазами вещества. Примером гетерогенного флюида является коллоид. К коллоидам могут относиться следующие дисперсные системы: суспензия, представляющая собой систему с твердой дисперсной фазой нерастворенных мельчайших частиц, распределенных в жидкой среде; эмульсия, представляющая собой систему с жидкой дисперсной фазой несмешивающихся микроскопических капель, распределенных в жидкой среде; пена, представляющая собой систему с газовой дисперсной фазой в жидкой среде; туман, представляющий собой систему с жидкой дисперсной фазой несмешивающихся микроскопических капель, распределенных в газовой среде. Под словом «вязкость» в данном документе понимается свойство флюида оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой, сопровождающееся рассеянием энергии. В данном документе слово «вязкость» включает следующее (но не ограничивается таковым): кинематическая вязкость, сдвиговое сопротивление, предел текучести, поверхностное натяжение, вязкопластичность и тиксотропность.
Нефтеуглеводороды и газообразные углеводороды залегают в некоторых подземных пластах. Подземный пласт, содержащий нефть или газ, также называют нефтегазоносным пластом. Нефтегазоносный пласт может находиться под землей на материковой или морской части континента. Нефтегазоносные пласты обычно залегают на глубине от нескольких сотен метров (неглубокие залежи) до нескольких тысяч метров (сверхглубокие залежи). Для добычи нефти и газа в нефтеносном пласте или в непосредственной близости от него пробуривается скважина.
Скважина может являться нефтяной, газовой, водяной или нагнетательной (но не ограничивается таковыми видами). Скважину, используемую для добычи нефти или газа, обычно называют добывающей. В данном документе подразумевается, что скважина имеет один или несколько стволов. Ствол может иметь вертикальную, наклонную и горизонтальную части, а также может быть прямым, изогнутым или разветвленным. При строительстве скважины или при проведении мероприятий по повышению ее дебита флюид может нагнетаться в добывающую скважину. В данном документе под словосочетанием «ствол скважины» (с учетом парадигм слов) подразумевается один или несколько стволов скважины. Ствол скважины может содержать вертикальные, наклонные и горизонтальные части, а также может быть прямым, искривленным или разветвленным. В данном документе словосочетание «ствол скважины» (с учетом парадигм слов) может относиться к любой обсаженной части ствола скважины, любой необсаженной частям ствола скважины, а также к части ствола скважины с открытым забоем. Область с подземным материалом и породами подземного пласта, окружающими ствол скважины, представляет собой прискважинную зону. В данном документе слово «скважина» (с учетом парадигмы слова) также включает прискважинную зону. Прискважинная зона обычно охватывает область в радиусе около 30 м от ствола скважины. В данном документе словосочетание «в скважину» (с учетом парадигмы слова) обозначает «в любую часть скважины», в том числе «в ствол скважины» и «в прискважинную зону через ствол скважины» (с учетом парадигм слов).
Часть ствола скважины может быть обсаженной или необсаженной. В необсаженную часть ствола скважины может быть спущена трубчатая колонна, через которую флюиды могут подаваться в удаленную часть скважины или могут извлекаться из удаленной части скважины. Обсаженная часть ствола скважины характеризуется обсадкой, которая может подразумевать спуск обсадной колонны в данную часть ствола скважины. В стволе скважины может иметься кольцевое пространство, которое может представлять собой следующее (но не ограничивается таковым): пространство между стенкой необсаженного ствола скважины и наружной поверхностью трубчатой колонны; пространство между стенкой ствола скважины и наружной поверхностью обсадной колонны; и пространство между внутренней поверхностью обсадной колонны и наружной поверхностью трубчатой колонны в обсаженном стволе скважины.
Ствол скважины может тянуться на несколько сотен или тысяч метров в подземном пласте. Подземный пласт может иметь несколько зон с разной проницаемостью, которая характеризует способность пород пласта пропускать флюиды. Например, зона с высокой проницаемостью оказывает меньшее сопротивление флюиду при его фильтрации сквозь подземный пласт, в результате чего флюид перемещается быстрее, нежели в зоне с низкой проницаемостью, которая оказывает большее сопротивление флюиду при его фильтрации сквозь подземный пласт. Одним из примеров зоны подземного пласта с высокой проницаемостью является трещина.
В процессе добычи углеводородов вместе с желательным флюидом обычно извлекается и нежелательный. Например, при добыче нефти или газа (желательные флюиды) может также извлекаться вода (нежелательный флюид). В некоторых случаях при добыче нефти, в качестве желательного флюида, может извлекаться нежелательный флюид в виде газа. В иных случаях желательным флюидом может являться газ, а нежелательными - нефть и вода. Наиболее продуктивная добыча флюидов характеризуется извлечением наименьшего количества нежелательных флюидов.
При применении различных методов интенсификации добычи углеводородов может использоваться нагнетательная скважина для заводнения месторождения, при котором в нефтегазоносный пласт закачивается вода для вытеснения нефти или газа, которые не удалось извлечь методами на естественном режиме обработки пласта. Вода, поданная через нагнетательную скважину, физически выносит некоторое количество оставшихся в нефтегазоносном пласте углеводородов через добывающую скважину. При использовании методов интенсификации добычи углеводородов в скважину может нагнетаться пар, углекислый газ, кислоты и прочие флюиды.
Проблема извлечения нежелательных флюидов при использовании методов интенсификации добычи углеводородов может усугубляться разным расходом потока флюида, поступающего из подземного пласта в ствол скважины, в различных зонах. Разница в величинах расхода потока флюида в зонах подземного пласта может быть нежелательной. При применении нагнетательной скважины к потенциальным трудностям интенсификации добычи углеводородов может добавляться проблема низкой эффективности вторичных и третичных методов добычи углеводородов вследствие переменной проницаемости подземного слоя и различных величин расхода потока флюида, поступающего из нагнетательной скважины в подземный пласт. Для решения некоторых проблем такого рода может применяться регулятор потока флюида.
Регулятор потока флюида может использоваться для контролируемого ограничения потока флюида. Регулятор потока флюида также может обеспечивать подачу в требуемую зону флюида, характеризующегося относительно постоянным расходом потока. Регулятор потока флюида также может обеспечивать передачу флюида, характеризующегося относительно постоянным расходом потока, между несколькими зонами. Например, регулятор может быть установлен в стволе скважины на определенном участке конкретной зоны для регулирования потока флюида в этой зоне. Для конкретной зоны может использоваться один или несколько регуляторов потока флюида. Кроме того, при регулировании потока флюида между несколькими зонами в конкретных местах ствола скважины для той или иной зоны могут устанавливаться несколько регуляторов.
Предложенный выпускной узел содержит по меньшей мере одно устройство направления флюида, обеспечивающее завихрение потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в одном направлении и препятствующее завихрению потока флюида в указанном узле при поступлении флюида в другом направлении. Согласно варианту осуществления изобретения, выпускной узел используется в регуляторе потока флюида.
Выпускной узел 200 может использоваться не только в регуляторе потока флюида. Регулятор потока флюида является всего лишь одним из множества устройств, в которых может использоваться предложенный выпускной узел. Сфера применения предложенного выпускного узла не ограничивается нефтепромысловой отраслью промышленности и охватывает также трубопроводное производство, химическое и нефтеперерабатывающее оборудование, производство пищевых продуктов и автомобилестроение.
Согласно одному варианту осуществления изобретения выпускной узел содержит следующее: первый вход для флюида; первый выход для флюида; и по меньшей мере одно устройство направления флюида. Согласно другому варианту осуществления изобретения, выпускной узел далее содержит второй вход для флюида.
Флюид может представлять собой гомогенную или гетерогенную среду.
На фиг.1 показана схема регулятора 25 потока флюида, согласно одному варианту осуществления изобретения. На фиг.2 показана схема регулятора 25 потока флюида, согласно другому варианту осуществления изобретения. Регулятор 25 потока флюида может содержать первый проточный канал 101, переключатель 300 потока флюида и выпускной узел 200. Выпускной узел 200 более подробно описан ниже. Как показано на фиг.1, регулятор 25 потока флюида далее может иметь второй проточный канал 102. Регулятор 25 потока флюида также может иметь место 110 разветвления, в котором первый проточный канал 101 может разделяться на второй и третий проточные каналы 102 и 103. На чертежах показано, что второй и третий проточные каналы 102 и 103 соединяются с первым проточным каналом 101, однако следует понимать, что второй и третий проточные каналы могут соединяться не с первым проточным каналом, а с другими каналами. Ответвляясь, второй и третий проточные каналы 102 и 103 могут располагаться в основном параллельно друг другу до места соединения с выпускным узлом 200. Такое расположение второго и третьего проточных каналов 102 и 103 может способствовать завихрению потока флюида в кольцеобразной области (не обозначена) в двух противоположных направлениях. Все проточные каналы могут иметь любую форму, в том числе трубчатую, прямоугольную, пирамидальную или извилистую. Хотя первый проточный канал 101 показан в единственном экземпляре, он (и любой другой проточный канал) может состоять из нескольких функционально соединенных в параллель каналов.
Как показано на фиг.1, первый проточный канал 101 может разделяться на второй и третий проточные каналы 102 и 103 в месте 110 разветвления, при этом угол между вторым проточным каналом 102 и первым проточным каналом 101 составляет 180°. В другом примере угол между вторым проточным каналом 102 и первым проточным каналом 101 может отличаться от 180° (например, может составлять 45°). Третий проточный канал 103 также может ответвляться от первого проточного канала 101 под различными углами. Предпочтительно, что если угол между вторым проточным каналом 102 и первым проточным каналом 101 составляет 180°, угол между третьим проточным каналом 103 и первым проточным каналом 101 отличается от 180°. В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй и третий проточные каналы 102 и 103 соединяются с выпускным узлом 200 по касательной к наружной стенке выпускного узла 200.
1
2
Регулятор 25 потока флюида содержит переключатель 300 потока флюида. Флюид может поступать в регулятор потока флюида и перемещаться по первому проточному каналу 101 к переключателю 300 потока флюида. Согласно одному варианту осуществления изобретения, как показано на фиг.1, переключатель 300 потока флюида может перенаправлять флюид по меньшей мере во второй проточный канал 102, в третий проточный канал 103 и в оба этих канала. Согласно другому варианту осуществления изобретения, переключатель 300 потока флюида направляет большую часть флюида во второй или в третий проточные каналы 102 или 103. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, как показано на фиг.2, переключатель 300 потока флюида может направлять флюид в выпускной узел 200, чтобы флюид протекал в направлении d, d и в обоих этих направлениях. Переключатель 300 потока флюида может представлять собой переключатель любого вида, который может перенаправлять флюид из одного проточного канала в несколько различных проточных каналов или пускать флюид в выпускной узел 200 в нескольких разных направлениях. Примеры соответствующих переключателей потока флюида охватывают (но не ограничиваются таковыми) мембранный переключатель, механический переключатель, электромеханический переключатель, лопастной переключатель, струйный переключатель, бистабильный усилитель и пропорциональный усилитель.
1
2
Переключатель 300 потока флюида может перенаправлять флюид в несколько разных проточных каналов или пускать флюид в нескольких разных направлениях. В некоторых вариантах осуществления изобретения переключатель 300 потока флюида направляет флюид на основе одного или нескольких физических свойств флюида. В других вариантах осуществления изобретения переключатель 300 потока флюида направляет флюид на основе входного воздействия от внешнего источника. Например, для направления флюида оператор может подавать на переключатель 300 потока флюида соответствующий управляющий сигнал. Характеристики флюида могут включать (но не ограничиваются таковыми) расход потока флюида в первом проточном канале 101, вязкость флюида и плотность флюида. Например, переключатель 300 потока флюида может направлять увеличивающееся количество флюида во второй проточный канал 102 при увеличении расхода потока флюида в первом проточном канале 101, и может направлять увеличивающееся количество флюида в третий проточный канал 103 при уменьшении расхода потока флюида в первом проточном канале 101. В ином варианте переключатель 300 потока флюида может направлять увеличивающееся количество флюида во второй проточный канал 102 при уменьшении вязкости флюида, и может направлять увеличивающееся количество флюида в третий проточный канал 103 при увеличении вязкости флюида. В ином варианте переключатель 300 потока флюида может пускать увеличивающееся количество флюида в выпускной узел 200 в направлении d при увеличении расхода потока флюида в первом проточном канале 101, и может пускать увеличивающееся количество флюида в направлении d при уменьшении расхода потока флюида в первом проточном канале 101.
На фиг.3A показан выпускной узел 200, согласно одному варианту осуществления изобретения. На фиг.4A показан выпускной узел 200, согласно другому варианту осуществления изобретения. На фиг.5A показан выпускной узел 200, согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Выпускной узел 200 может содержать первый вход 201 для флюида, второй вход 202 для флюида, первый выход 210 для флюида и по меньшей мере одно устройство 221 направления флюида. Выпускной узел 200 может содержать только один вход для флюида, а также может содержать несколько входов для флюида. Выпускной узел 200 также может содержать несколько выходов 210 для флюида. Согласно другому варианту осуществления изобретения, выпускной узел содержит по меньшей мере два устройства 221 направления флюида.
1
2
1
2
1
2
При направлении флюида во второй проточный канал 102 флюид может поступать в выпускной узел 200 через первый вход 201 для флюида. При направлении флюида в третий проточный канал 103 флюид может поступать в выпускной узел 200 через второй вход 202 для флюида. Предпочтительно, что флюид поступает в выпускной узел 200 по касательной к окружности первого выхода 210 для флюида. Согласно варианту осуществления изобретения, при поступлении флюида в выпускной узел 200 через первый вход 201 для флюида флюид циркулирует в выпускном узле 200 в одном направлении, а при поступлении флюида в выпускной узел 200 через второй вход 202 для флюида флюид циркулирует в выпускном узле 200 в другом направлении. Например, как показано на фиг.3A и 4A, при поступлении флюида через первый вход 201 для флюида флюид циркулирует в выпускном узле 200 в направлении d, а при поступлении флюида через второй вход 202 для флюида флюид циркулирует в выпускном узле 200 в направлении d. Например, как показано на фиг.5A, флюид может поступать в выпускной узел 200 через первый вход 201 и может циркулировать в выпускном узле 200 в направлении d и/или в направлении d. Согласно этим вариантам осуществления изобретения, одним направлением является d, а другим направлением - d.
Как показано на чертежах, выпускной узел 200 может содержать по меньшей мере одно устройство 221 направления флюида, причем между внутренней стенкой выпускного узла 200 и стенкой устройства 221 направления флюида имеется наружное пространство. Согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере одна стенка устройства 221 направления флюида контактирует с внутренней стенкой выпускного узла 200, и при этом наружное пространство отсутствует. Предпочтительно, что между одной или несколькими стенками устройства 221 направления флюида и первым выходом 210 для флюида имеется внутреннее пространство.
1
2
1
2
Одно или несколько устройств 221 направления флюида могут обеспечивать завихрение потока флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200. Одно или несколько устройств 221 направления флюида также могут препятствовать завихрению флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200. Согласно варианту осуществления изобретения, одно или несколько устройств 221 направления флюида обеспечивают завихрение потока флюида в выпускном узле 200 при поступлении флюида через первый вход 201 для флюида или в направлении d; и препятствуют завихрению флюида в выпускном узле 200 при поступлении флюида через второй вход 202 для флюида или в направлении d. Согласно другому варианту осуществления изобретения, размеры и форма одного или нескольких устройств 221 направления флюида выбираются таким образом, чтобы одно или несколько устройств 221 направления флюида обеспечивали завихрение потока флюида в выпускном узле 200 при поступлении флюида через первый вход 201 для флюида или в направлении d; и препятствовали завихрению флюида в выпускном узле 200 при поступлении флюида через второй вход 202 для флюида или в направлении d.
1
1
1
2
Предпочтительная форма устройства 221 направления флюида для формирования и блокировки вихревого потока флюида в выпускном узле 200 показана на фиг.3A, 4A и 5A. Может использоваться несколько устройств 221 направления флюида. При использовании по меньшей мере двух устройств 221 направления флюида они могут иметь разные размеры и разную форму. Предпочтительно, что выпускной узел может содержать по меньшей мере два устройства 221 направления флюида, имеющих преимущественно одинаковые размеры и форму, как показано на фиг.3A, 4A, 5A, 6 и 7. Устройство 221 направления флюида может иметь любую форму, обеспечивающую завихрение и препятствующую завихрению потока флюида. Следует понимать, что в данном документе описаны и приведены на чертежах не все возможные формы устройства направления флюида, обеспечивающие формирование и блокировку вихревого потока флюида. Кроме того, в отдельно взятом выпускном узле 200 могут использоваться устройства 221 направления флюида нескольких форм. Устройство 221 направления флюида может иметь по меньшей мере две стенки. Устройство 221 направления флюида также может иметь по меньшей мере три стенки. Предпочтительно, что по меньшей мере одна из таких стенок обеспечивает завихрение потока флюида в выпускном узле 200. Еще более предпочтительно, что две такие стенки способствуют завихрению потока флюида. Например, если эти стенки имеют прямую форму, первая стенка может находиться под углом 90° ко второй стенке. Если по меньшей мере одна из этих стенок изогнута, первая стенка может находиться под углом меньше 90° ко второй стенке, причем угол между этими стенками измеряется на расстоянии до 25,4 мм от места соединения первой стенки со второй. Этот вариант показан на фиг.3A и 4A, где угол 1 (θ) меньше 90°. Предпочтительно, что первая стенка расположена под углом (θ) от 5 до 45° ко второй стенке. По меньшей мере одна из стенок для формирования вихревого потока флюида может проходить по касательной к отверстию выхода 210 для флюида (имеющему радиусы r и r). Стенки устройства 221 направления флюида могут соединяться друг с другом различными способами. Например, стенки могут иметь прямые или скругленные углы.
2
3
1
1
1
Предпочтительно, что одна из стенок устройства 221 направления флюида препятствует циркуляции флюида в выпускном узле 200. Например, если стенки прямые, третья стенка может находиться под углом от 60 до 90° к первой стенке. Третья стенка также может находиться под углом от 60 до 90° ко второй стенке. Предпочтительно, что третья стенка находится под углом 90° к первой и ко второй стенкам. Если по меньшей мере одна из стенок изогнута, третья стенка может находиться под углом от 60 до 90° к первой стенке и ко второй стенке, причем угол между этими стенками измеряется на расстоянии до 25,4 мм от места соединения третьей стенки с первой и со второй стенками. Этот вариант осуществления изобретения показан на фиг.3А и 4А, где угол 2 (θ) меньше 90° и угол 3 (θ) меньше 90°. Стенка для блокировки вихревого потока флюида может проходить по линии I радиуса (r) окружности первого выхода 210 для флюида или проходить параллельно линии I этого радиуса. Стенка для блокировки вихревого потока флюида также может проходить параллельно касательной к окружности первого выхода 210 для флюида, она может быть изогнутой и может иметь любую конфигурацию, обеспечивающую завихрение потока флюида в узле 200.
Если выпускной узел содержит несколько устройств 221 направления флюида, то предпочтительно, что по меньшей мере одна стенка, способствующая завихрению потока флюида, первого устройства 221 направления флюида находится напротив по меньшей мере одной другой стенки, препятствующей завихрению потока флюида, второго устройства 221 направления флюида. Аналогично, по меньшей мере одна стенка, препятствующая завихрению потока флюида, первого устройства 221 направления флюида находится напротив по меньшей мере одной другой стенки, способствующей завихрению потока флюида, второго устройства 221 направления флюида. Как показано на фиг.6, каждая стенка, способствующая завихрению потока флюида, находится напротив по меньшей мере одной другой стенки, препятствующей завихрению потока флюида.
1
3
2
4
Предпочтительно, что между первым и вторым устройствами 221 направления флюида имеется по меньшей мере одно отверстие. Еще более предпочтительно, что между первым и вторым устройствами 221 направления флюида имеются по меньшей мере два отверстия. В другом варианте осуществления изобретения между тремя и более устройствами 221 направления флюида имеется не менее трех отверстий. Каждое из этих отверстий может располагаться в разнообразных положениях относительно первого входа 201 для флюида или относительно первого и второго входов 201 и 202 для флюида. На фиг.3А и 4А показаны два разных варианта возможного расположения указанных отверстий относительно первого и второго входов 201 и 202 для флюида. Как показано на фиг.3A и 4A отверстие 1 (O) расположено дальше от второго входа 202 для флюида, чем отверстие 3 (О), а отверстие 2 (O) расположено ближе к первому входу 201 для флюида, чем отверстие 4 (O). Каждое из двух указанных отверстий (отверстий 1 и 2 или отверстий 3 и 4) может находиться в разной степени близости к первому и второму входам 201 и 202 для флюида или в разной степени удаления от них. Два указанных отверстия могут располагаться фактически напротив друг друга. Кроме того, возможно множество вариантов взаимного расположения двух указанных отверстий. Предпочтительно, что два указанных отверстия также могут располагаться по меньшей мере с частичным сдвигом относительно друг друга.
Выпускной узел 200 далее может содержать по меньшей мере один элемент 231 направления потока. Выпускной узел 200 может содержать несколько элементов 231 направления потока. Между устройством 221 направления флюида и первым выходом 210 для флюида может находиться множество элементов 231 направления потока, расположенных по окружности (не показано на чертежах). Согласно одному варианту осуществления изобретения, один или несколько элементов 231 направления потока способствуют поддержанию циркуляции вихревого потока флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200 и способствуют поддержанию протекания невихревого потока флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200. Согласно другому варианту осуществления изобретения, один или несколько элементов 231 направления потока имеют форму, которая способствует поддержанию циркуляции вихревого потока флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200 и способствует поддержанию протекания невихревого потока флюида во внутреннем пространстве выпускного узла 200. Форма одного или нескольких элементов 231 направления потока может фактически совпадать с формой устройства 221 направления флюида, или может отличаться от формы устройства 221 направления флюида. На фиг.3A, 4A и 5A показан элемент 231 направления потока, имеющий форму, отличающуюся от формы устройства 221 направления флюида. На фиг.6 показан элемент 231 направления потока, имеющий форму, фактически совпадающую с формой устройства 221 направления флюида. На фиг.7 показана форма элемента 231 направления потока, согласно другому варианту осуществления изобретения.
1
1
1
1
1
На фиг.3B, 4B и 5B показаны некоторые варианты осуществления изобретения, в которых поток флюида циркулирует в выпускном узле 200 при поступлении в него по меньшей мере некоторого количества флюида в направлении d. Как было сказано выше, флюид может направляться во второй проточный канал 102 посредством переключателя 300 потока флюида, поступать в выпускной узел 200 через первый вход 201 для флюида и протекать в направлении d. Как было сказано выше, флюид может поступать в выпускной узел 200 через первый вход 201 для флюида и протекать в направлении d. Согласно варианту осуществления изобретения, при увеличении интенсивности протекания флюида в направлении d происходит более интенсивное завихрение потока флюида в выпускном узле 200. Соответственно, флюид циркулирует в выпускном узле 200 в одном направлении (обозначенном как d), и по меньшей мере некоторая часть флюида может контактировать с одной или несколькими стенками устройства 221 направления флюида, способствующими завихрению потока флюида в выпускном узле 200. При использовании нескольких устройств 221 направления флюида некоторое количество флюида может циркулировать в наружном пространстве вокруг первого устройства 221 направления флюида, и по меньшей мере часть этого флюида может контактировать с одной стенкой второго устройства 221 направления флюида, способствующей завихрению потока флюида в узле 200. Флюид, контактирующий с одной или несколькими стенками, способствующими завихрению потока флюида, может попадать в пространство между этими стенками и первым выходом 210 для флюида. Флюид также может циркулировать вокруг первого выхода 210 для флюида во внутреннем пространстве. При необходимости выпускной узел также может содержать один или несколько элементов 231 направления потока. Элемент 231 направления потока может находиться во внутреннем пространстве. Таким образом, флюид, попадающий во внутреннее пространство, может контактировать с одной или несколькими стенками элемента 231 направления потока. Элемент 231 направления потока может способствовать поддержанию циркуляции вихревого потока флюида вокруг первого выхода 210 для флюида. Устройство 221 направления флюида и элемент 231 направления потока могут увеличивать интенсивность завихрения потока флюида в выпускном узле 200 и/или вокруг первого выхода 210 для флюида.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, при увеличении интенсивности завихрения потока флюида в выпускном узле 200 сопротивление потоку флюида, протекающему через выход 210 для флюида, возрастает. Согласно другому варианту осуществления изобретения, при увеличении интенсивности завихрения потока флюида вокруг первого выхода 210 для флюида сопротивление потоку флюида, протекающему через выход 210 для флюида, возрастает.
2
2
2
2
2
На фиг.3C, 4C и 5C показаны некоторые варианты осуществления изобретения, в которых поток флюида циркулирует в выпускном узле 200 при поступлении в него по меньшей мере некоторого количества флюида в направлении d. Как было сказано выше, флюид может перенаправляться в третий проточный канал 103 посредством переключателя 300 потока флюида, поступать в выпускной узел 200 через второй вход 202 для флюида и протекать в направлении d. Как было сказано выше, флюид может поступать в выпускной узел 200 через первый вход 201 для флюида и протекать в направлении d. Согласно варианту осуществления изобретения, при увеличении интенсивности протекания флюида в направлении d происходит более интенсивное завихрение потока флюида в выпускном узле 200. Соответственно, флюид циркулирует в выпускном узле 200 в другом направлении (обозначенном как d), и по меньшей мере некоторая часть флюида может контактировать с одной или несколькими стенками устройства 221 направления флюида, препятствующими завихрению потока флюида в выпускном узле 200. При использовании нескольких устройств 221 направления флюида некоторое количество флюида может циркулировать в наружном пространстве вокруг первого устройства 221 направления флюида, и по меньшей мере часть этого флюида может контактировать с другой стенкой второго устройства 221 направления флюида, препятствующей завихрению потока флюида в узле 200. Флюид, контактирующий с одной или несколькими стенками, препятствующими завихрению потока флюида, может попадать во внутреннее пространство между этими стенками и первым выходом 210 для флюида. В предпочтительном варианте осуществления изобретения во внутреннем пространстве уменьшается интенсивность завихрения потока флюида вокруг первого выхода 210 для флюида. Предпочтительно, что флюид поступает во внутреннее пространство фактически радиально относительно первого выхода 210 для флюида. Выпускной узел может содержать один или несколько элементов 231 направления потока. Элемент 231 направления потока может находиться во внутреннем пространстве. Таким образом, флюид, попадающий в пространство, может контактировать с одной или несколькими стенками элемента 231 направления потока. Элемент 231 направления потока может способствовать протеканию невихревого потока флюида вокруг первого выхода 210 для флюида. Устройство 221 направления флюида и элемент 231 направления потока могут уменьшать интенсивность завихрения потока флюида в выпускном узле 200 и/или вокруг первого выхода 210 для флюида.
2
1
Согласно одному варианту осуществления изобретения, при уменьшении интенсивности завихрения потока флюида в выпускном узле 200 сопротивление потоку флюида, протекающему через выход 210 для флюида, падает. Согласно другому варианту осуществления изобретения, при уменьшении интенсивности завихрения потока флюида вокруг первого выхода 210 для флюида сопротивление потоку флюида, протекающему через выход 210 для флюида, падает. Соответственно, флюид, поступающий в выпускной узел 200 в направлении d (по сравнению с флюидом, поступающим в направлении d), может характеризоваться уменьшением завихрения потока флюида в указанном узле; меньшим сопротивлением потоку флюида в указанном узле; и меньшим изменением расхода потока флюида на первом выходе 210 для флюида по сравнению с расходом потока флюида, поступающего в регулятор 25 потока флюида.
1
2
1
2
На фиг.8 приведены графики зависимости давления от расхода потока флюида, перемещающегося через выпускной узел 200. Две кривые показывают разницу в сопротивлении потоку флюида, протекающего через выпускной узел при поступлении в него флюида в двух разных направлениях. Сплошная линия соответствует флюиду, поступающему в выпускной узел 200 в направлении d, a пунктирная линия соответствует флюиду, поступающему в выпускной узел 200 в направлении d. Как показано на фиг.8, сопротивление потоку флюида, поступающего в направлении d, больше, нежели сопротивление потоку флюида, поступающего в направлении d.
Компоненты выпускного узла 200 могут быть изготовлены из различных материалов. Примеры подходящих материалов включают следующие (но не ограничиваются таковыми): металлы, например сталь, алюминий, титан и никель; сплавы; пластмассы; композиционные материалы, например армированные волокном пластики на основе фенольных смол; керамика, например карбид вольфрама; карбид бора; синтетический алмаз; керамика на основе оксида алюминия; эластомеры; и растворимые материалы.
Регулятор 25 потока флюида может использоваться в любой области, где требуется регулируемое ограничение или регулирование потока флюида. Согласно одному варианту осуществления изобретения, регулятор 25 потока флюида используется в подземном пласте. Согласно другому варианту осуществления изобретения, подземный пласт может являться частью нефтегазоносного пласта или может находиться в непосредственной близости от нефтегазоносного пласта.
На фиг.9 показан пример скважинной системы 10, которая может быть построена на основе принципов настоящего изобретения. Как показано на фиг.9, 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 подземный пласт 20.
В стволе 12 скважины устанавливается трубчатая колонна 22 (например, насосно-компрессорная колонна). В трубчатой колонне 22 во взаимном соединении находится множество фильтров 24, регуляторов 25 потока флюида и пакеров 26.
Пакеры 26 герметизируют кольцевое пространство 28, образованное в радиальном направлении между трубчатой колонной 22 и частью 18 ствола скважины. При этом флюид 30 может поступать из множества зон пласта 20 через изолированные между соседними пакерами 26 части кольцевого пространства 28.
Расположенные между каждыми двумя соседними пакерами 26 скважинный фильтр 24 и регулятор 25 потока флюида находятся во взаимном соединении в трубчатой колонне 22. В скважинном фильтре 24 происходит фильтрация флюида 30, поступающего в трубчатую колонну 22 из кольцевого пространства 28. Регулятор 25 потока флюида изменяет расход флюида 30, поступающего в трубчатую колонну 22, в зависимости от определенных характеристик флюида, например от расхода потока флюида, поступающего в регулятор 25 потока флюида, от вязкости флюида или от плотности флюида. В другом варианте осуществления изобретения скважинная система 10 устанавливается в нагнетательной скважине, а регулятор 25 потока флюида изменяет расход потока флюида 30, поступающего из трубчатой колонны 22 в пласт 20.
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. Кроме того, скважинная система 10 может содержать другие компоненты, не приведенные на чертежах. Например, для изоляции различных зон вместо пакеров 26 может использоваться цемент. Цемент также может использоваться вместе с пакерами.
В других вариантах ствол 12 скважины может иметь только в основном вертикальную часть 14 или только в основном горизонтальную часть 18. Флюид 30 может не только извлекаться из пласта 20, но и нагнетаться в пласт, а также может как нагнетаться в пласт, так и извлекаться из пласта. Указанная система может использоваться на любом этапе эксплуатации скважины, в том числе (но не ограничиваясь таковым) в процессе бурения скважины, исследования пласта, интенсификации работы скважины, проведения нагнетательных операций и добычи, а также вывода скважины из эксплуатации.
Скважинная система может не содержать пакер 26. Кроме того, любой скважинный фильтр 24 и любой регулятор 25 потока флюида могут не располагаться между каждыми двумя соседними пакерами 26. Каждый отдельно взятый регулятор 25 потока флюида может не соединяться с отдельно взятым скважинным фильтром 24. Может использоваться любое количество, любая конфигурация и/или любое сочетание этих элементов. Кроме того, регулятор 25 потока флюида может вообще не использоваться со скважинным фильтром 24. Например, в нагнетательных скважинах, при нагнетании флюида, последний может протекать через регулятор 25 потока флюида, но при этом может не протекать через скважинный фильтр 24. Может использоваться множество регуляторов 25 потока флюида, соединенных параллельно или последовательно.
Необсаженные части 14, 18 ствола 12 скважины могут не содержать скважинные фильтры 24, регуляторы 25 потока флюида, пакеры 26 и любые другие элементы трубчатой колонны 22. Любая часть ствола 12 скважины может быть обсаженной или необсаженной, и любая часть трубчатой колонны 22 может располагаться в обсаженной или необсаженной части ствола скважины, согласно принципам настоящего изобретения.
Специалистам понятно, что полезный эффект состоит в возможности регулирования потока флюида 30, поступающего в трубчатую колонну 22 из каждой зоны пласта 20, например для предотвращения образования в пласте водяного конуса 32 или газового конуса 34. Регулирование потока в скважине также 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.
Как показано на фиг.1 и 4, регулятор 25 потока флюида может располагаться в трубчатой колонне 22 таким образом, что флюид 30 поступает в него и перемещается по первому проточному каналу 101. Например, регулятор 25 может располагаться в добывающей скважине таким образом, что входное отверстие первого проточного канала 101 функционально обращено к пласту 20. Следовательно, при протекании от пласта 20 в трубчатую колонну 22 флюид 30 будет поступать на первый проточный вход 101. В другом случае регулятор 25 потока флюида, находящийся в нагнетательной скважине, может быть функционально обращен к трубчатой колонне 22. Следовательно, при протекании от трубчатой колонны 22 в пласт 20 флюид 30 будет поступать в первый проточный канал 101.
Преимущество применения регулятора 25 потока флюида в подземном пласте 20 состоит в том, что он позволяет регулировать поток флюида в конкретной зоне, а также регулировать потоки флюида между несколькими зонами. Другое преимущество состоит в том, что регулятор 25 потока флюида дает возможность решить задачу добычи гетерогенного флюида. Например, если желательным добываемым флюидом является нефть, выпускной узел 200 может иметь такую конструкцию, при которой при поступлении вместе с нефтью воды в регулятор 25 потока флюида выпускной узел 200 может уменьшить расход потока флюида на первом выходе 210 для флюида вследствие уменьшения вязкости флюида. Многофункциональность выпускного узла 200 позволяет решать специфические задачи, возникающие при разработке пласта.
Протекание флюида через регулятор 25 потока флюида может сопровождаться чередующимися увеличениями и уменьшениями сопротивления потоку флюида, что, соответственно, приводит к чередованию возрастания и падения противодавления. Данное противодавление может иметь полезный эффект ввиду того, что в скважинной системе 10 оно вызывает колебания давления, передаваемые от регулятора 25 потока флюида выше по потоку в кольцевое пространство 28 и в пласт 20, окружающий трубчатую колонну 22 и часть 18 ствола скважины.
Колебания давления, передаваемые в пласт 20, могут повысить эффективность добычи флюидов 30 из пласта ввиду того, что они позволяют уменьшить эффект нарушения проницаемости в приствольной части пласта, в результате чего может улучшиться подвижность флюидов 30 в пласте, что в свою очередь может улучшить поступление флюидов из пласта 20 в ствол 12 скважины и, следовательно, увеличить эффективность извлечения флюидов (например, текущий дебит скважины может обеспечиваться при меньшем перепаде давлений между пластом и стволом скважины или при текущем перепаде давлений между пластом и стволом скважины может обеспечиваться больший дебит скважины и т.п.).
Чередующиеся увеличения и уменьшения сопротивления потоку флюида, протекающего через регулятор 25 потока флюида, также могут вызывать колебания давления ниже по потоку от первого выхода 210 для флюида, которые могут иметь полезный эффект, например в случае использовании регулятора 25 потока флюида для нагнетания флюида 30 в пласт.
В этом случае нагнетаемый флюид может протекать через регулятор 25 потока флюида от входного отверстия первого проточного канала 101 к первому выходу 210 для флюида и далее в пласт, при этом в пласт могут передаваться колебания давления. Как и в случае извлечения флюидов, колебания давления, передаваемые в пласт, имеют полезный эффект при нагнетательных операциях, так как они способствуют улучшению подвижности нагнетаемых флюидов в пласте.
Возможны другие варианты использования колебаний давления, создаваемых регулятором 25 потока флюида, согласно принципам настоящего изобретения. В другом варианте колебания давления используются при гравийной набивке для уменьшения количества полостей и для уплотнения гравия в гравийном фильтре.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить достижение вышеизложенных целей и обладает присущими ему преимуществами. Некоторые вышеописанные варианты осуществления изобретения предназначены только для наглядности, при этом настоящее изобретение может быть модифицировано и осуществлено различными, но эквивалентными способами, понятными специалистам, что позволяет извлекать пользу из настоящего изобретения. Кроме того, в отношении изображенных в данном документе конструкций и чертежей не подразумевается наличие каких-либо ограничений, кроме указанных в нижеприведенной формуле. Таким образом, очевидно, что некоторые вышеописанные наглядные варианты осуществления изобретения могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации не противоречат сути и не выходят за рамки настоящего изобретения. При описании содержания и способов использовались слова «содержит», «имеет», «включает» (с учетом парадигм слов), при этом различные компоненты или этапы могут также характеризоваться словосочетаниями «состоит преимущественно из» или «состоит из» (с учетом парадигм слов). При использовании областей числовых значений с нижними пределами и верхними пределами особо отмечены любое число и любой диапазон численных значений, лежащие в указанных областях. В частности, каждый упомянутый в данном документе диапазон значений (выраженный словесными конструкциями типа «приблизительно от А до Б») следует понимать как выражающий каждое число и диапазон, лежащие в более широких границах значений. Кроме того, каждое слово, используемое в формуле изобретения, имеет свое прямое, основное значение, если автором патента явно не указано иное. При возникновении противоречий при использовании слова или термина в данном описании и в одном или нескольких патентах или в других документах, на которые дается ссылка в данном документе, следует использовать определения, согласующиеся с данным описанием.