井下的井系統的製作方法

2023-09-20 05:04:25 2

本發明涉及一種用於從井下儲層生產含烴流體的井下的井系統。進一步地，本發明涉及一種用於調節根據本發明的井下的井系統中流體的入流的調節方法。

背景技術：

當從儲層的不同生產區域生產含烴流體時，例如在生產區域生產過多的水的情況下或者在一個區域中的壓力遠低於另一區域中的壓力的情況下，對流體的入流進行調節。這樣的調節主要通過將工具浸入井中來執行，並且當該工具對著待被調節的入流閥時，該工具接合該閥並且打開或關閉該閥。調節入流的另一種方式是使金屬套管的外側上具有控制管線，從而可從地面調節所述閥。

通過將工具浸入井中對閥進行調節耗費時間，而通過控制管線或流動管線調節所述閥會危害井的安全，因為所述管線將延伸經過井口處的主要屏障，從而導致洩漏和因此井噴的潛在風險。因此，已試圖設計例如具有對水起反應的可脹大的元件的自動閥，或者在流體的含水量過高時利用渦流原理降低流體的壓力的閥。然而，這些自動閥中沒有一個是充分可靠的，因為它們不總能按預期地起作用，並且一些閥的調節是不可逆的。

技術實現要素：

本發明的一個目的是完全或部分地克服現有技術中的上述缺點和不足。更特別地，一個目的是提供一種能夠在不使用控制管線或單獨工具的情況下被可逆地調節的改進的入流閥組件。

從下面的描述中將變得顯而易見的上述目的以及眾多的其它目的、優點和特徵由根據本發明的方案來實現，即通過用於從井下儲層生產含烴流體的井下的井系統來實現，該井下的井系統包括：

-具有內側的井管結構；

-用於在所述井管結構的外側隔離出環空的第一環狀屏障和第二環狀屏障，每個環狀屏障包括：

-適於安裝為所述井管結構的一部分的管狀部件，所述管狀部件具有外表面；

-可膨脹金屬套筒，該可膨脹金屬套筒圍繞該管狀部件並具有面向該管狀部件的套筒內表面和面向井孔的壁部的套筒外表面，所述可膨脹的套筒的每個端部均與該管狀部件連接；以及

-在該可膨脹金屬套筒的套筒內表面與該管狀部件之間的環形空間，

該第一環狀屏障和第二環狀屏障適於在膨脹時隔離出生產區域；以及

-入流閥組件，該入流閥組件對著該生產區域布置在該第一環狀屏障和第二環狀屏障之間，用於通過調節與該入流閥組件中的通道相關的關閉件而經由該通道提供所述生產區域與所述井管結構的所述內側之間的流體連通，

其中，所述入流閥組件包括傳感器單元，該傳感器單元包括：

-適於測量流體的至少一種性質的傳感器；

-用於至少為所述傳感器供電的供電裝置；以及

-用於基於所述傳感器的測量值而致動所述關閉件的調節的控制單元。

該管狀部件可以是管狀金屬部件。

此外，該井管結構可以是井管金屬結構。

並且，該井管金屬結構可以布置在該井孔中，該井管金屬結構具有面向所述井孔的壁部的外表面。

此外，該井下的井系統可以是包括一個井管金屬結構的單套管式完井。

此外，該井管金屬結構可具有基本上不受限制的內徑。所述內徑可以受限少於10％。

該井管金屬結構可包括對著所述生產區域的至少一個生產開口，以提供在該環空與該井管金屬結構的該內側之間的流體連通，並且該入流閥組件可流體地控制流體經由該生產開口的流動。

進一步地，所述第一環狀屏障和所述第二環狀屏障可構造成能膨脹以流體地隔離出所述生產區域。

通過提供具有傳感器、供電裝置以及控制單元的傳感器單元，無需從地面接線或者無需用於向傳感器供電的其它機構。還試圖在一些已知系統中使用套管來傳導電力，但測試顯示，所述傳感器之後會發生故障並且從該傳感器單元通信數據是不可能的。

並且，該傳感器可布置在該井管結構的外側或者布置在井管結構中。

該傳感器可以是流量傳感器、壓力傳感器、電容傳感器、電阻率傳感器、聲傳感器、溫度傳感器或應變儀。

此外，所述性質可以是壓力、密度、電容、電阻率、流量、含水量或溫度。

此外，所述傳感器可適於測量井管結構外側的流體的性質。

該井管金屬結構的外側可以在該井管金屬結構與在其中布置該井管金屬結構的井孔之間。

此外，該傳感器可面向該井孔。

並且，該傳感器可適於測量該井管結構的內側的流體的性質。

所述傳感器可適於測量內側的壓力或環空中的壓力。進一步地，所述傳感器單元可包括三通閥，該三通閥具有與所述環空流體連通的第一埠、與所述井管結構的所述內側流體連通的第二埠，和與所述傳感器流體連接的第三埠，從而使所述傳感器與所述環空或所述內側流體連通，以分別測量所述環空中的流體的性質和所述內側中的流體的性質。

此外，該三通閥可適於在將所述第一埠與所述第三埠流體連接的第一位置和將所述第二埠與所述第三埠流體連接的第二位置之間轉換。

所述傳感器單元可以是插設在所述井管結構的鄰接所述入流閥組件的開口中的插入裝置。

並且，所述傳感器可適於測量所述井管結構的內側的壓力，並且所述系統還可包括適於測量所述環空中的壓力的第二傳感器。

此外，所述第二傳感器可適於測量位於所述井管結構的外側並通過所述第一環狀屏障和第二環狀屏障隔離出的所述環空中的壓力。

此外，所述傳感器可適於測量所述井管結構的內側的溫度，並且所述系統還可包括適於測量所述井管結構的外側的溫度的第二傳感器。

此外，所述關閉件可以是滑動套筒。

進一步地，所述入流閥組件可包括具有關閉件的閥。

此外，所述閥可以是節流閥、電磁閥、螺線管閥或止回閥如球形止回閥、盤式止回閥、擺動式止回閥等。

此外，所述傳感器可布置用於測量所述通道的上遊、測量所述通道中或測量所述通道的下遊。

此外，所述入流閥組件可包括多個傳感器。

所述入流閥組件可具有一個布置用於測量所述通道的上遊的傳感器和一個布置用於測量所述通道的下遊的傳感器。

此外，所述控制單元可包括用於將所述測量值與預選定性質範圍進行比較的處理器。

並且，所述入流閥組件可包括多個通道。

上述井下的井系統還可包括多個入流閥組件。

進一步地，可在所述環形空間中布置用於測量所述環形空間中的流體的壓力的第二傳感器，所述控制單元適於在測得的環形空間中的壓力低於所述生產區域中的流體的壓力時打開所述通道。

所述傳感器單元可包括通信模塊。

此外，所述傳感器單元可包括無線射頻識別(RFID)標籤。

此外，所述系統還可包括用於從所述傳感器單元加載數據的井下工具。

該井下工具的通信模塊和該傳感器單元可通過天線、感應、電磁輻射或遙測技術通信。

並且，所述傳感器單元可包括天線。

此外，所述傳感器單元可包括適用於為所述傳感器單元的供電裝置再充電的換能器。

進一步地，所述再充電可藉助無線電射頻、聲和/或電磁輻射實現。

該系統還可包括資料庫，從而所述數據可存儲在該資料庫中，藉此所述數據可被訪問並用於跟蹤不同環空和區域中的井/儲層的發展，並且所述數據可與自井中的含烴流體的實際生產相比較，從而所述數據可用於優化該井或其它井的生產。

此外，該井下工具可包括地面讀出模塊。

所述井下工具可包括適於遠程致動所述傳感器單元的致動機構。

並且，所述井下工具可包括驅動單元，如井下牽引器。

此外，所述入流閥組件可包括存儲模塊，如CPU、存儲器或記錄單元。

此外，所述供電裝置可以是能再充電的。

此外，所述入流閥組件可包括用於提供動力的渦輪機或推進器。

並且，所述入流閥組件可包括由渦輪機或推進器驅動的發電機。

進一步地，所述傳感器可適於以預定間隔測量所述性質或者連續地測量所述性質。

上述井下的井系統還可包括用於隔離出多個生產區域的多個第一環狀屏障和第二環狀屏障。

此外，入流閥組件可對著每個生產區域布置，用於調節來自所述生產區域的流體的流動。

本發明還涉及用於調節上述井下的井系統中的流體的入流的入流調節方法，包括以下步驟：

-通過所述傳感器測量所述流體的性質；

-確定測量值是在預選定性質範圍之內還是之外；以及

-在所述測量值在所述範圍之外時致動對所述關閉件的調節。

附圖說明

下面將參考後附的示意圖更詳細地描述本發明及其許多優點，所述示意圖出於示例目的僅示出了一些非限制性的實施例，其中：

圖1示出了井下的井系統的截面圖；

圖2示出了入流閥組件的截面圖；

圖3示出了另一入流閥組件的截面圖；

圖4示出了又一入流閥組件的截面圖；

圖5示出了另一井下的井系統的截面圖；

圖6示出了又一入流閥組件的截面圖；

圖7示出了具有一個對井管結構的內側和外側進行測量的傳感器的另一入流閥組件的截面圖；

圖8示出了具有呈插入裝置形式的傳感器單元的又一入流閥組件的截面圖；

圖9示出了具有兩個傳感器的又一入流閥組件的截面圖；以及

圖10示出了另一井下的井系統的截面圖。

所有的附圖是高度示意性的，未必按比例繪製，並且它們僅示出了闡明本發明所必需的那些部件，省略或僅暗示了其它部件。

具體實施方式

圖1示出了用於從井下儲層2中生產含烴流體的井下的井系統1。該井下的井系統1包括具有用於將井筒流體引導至地面的具有內側30的井管結構3。該井下的井系統1包括第一環狀屏障4、4A和第二環狀屏障4、4B，以在所述環狀屏障膨脹時在井管結構外側隔離出環空41以形成生產區域101。每個環狀屏障包括適於藉助螺紋51(在圖2中示出)安裝為井管結構的一部分的管狀部件5、圍繞該管狀部件的可膨脹金屬套筒7和在該可膨脹金屬套筒的套筒內表面與所述管狀部件之間的環形空間12。該可膨脹金屬套筒7具有面向所述管狀部件的套筒內表面8和面向井孔11的壁部10的套筒外表面9，該可膨脹金屬套筒的每個端部均與該管狀部件連接，這在該可膨脹金屬套筒膨脹時提供隔離屏障。井下的井系統1還包括入流閥組件14，該入流閥組件安裝為該井管結構的一部分並對著生產區域布置在該第一環狀屏障和第二環狀屏障之間，用於通過調節與入流閥組件中的通道15相關的關閉件16(在圖2中示出)來經由該通道15提供該生產區域與該井管結構的內側之間的流體連通。

圖2中示出的入流閥組件14包括傳感器單元40，該傳感器單元40具有適於測量流體的至少一種性質的傳感器17。該傳感器由供電裝置18供電，並且該入流閥還包括控制單元19，該控制單元用於基於該傳感器的測量值致動對關閉件16的調節，從而打開、阻塞或關閉通道15並藉此控制流體從生產區域101至井管結構3的內側30的通路。

該傳感器17是用於測量流體性質如壓力、密度、電容、電阻率、流量、含水量或溫度的流量傳感器、壓力傳感器、電容傳感器、電阻率傳感器、聲傳感器或溫度傳感器。通過在入流閥組件中設置傳感器，在例如該生產區域生產太多水的情況下，該入流閥組件可自身關閉或阻塞，而無需來自地面的控制信號。該供電裝置可以是可通過向井中插入工具而再充電的小型電池。

在圖2中，關閉件16是通過控制單元19滑動和控制的閥滑杆16A。在圖3中，關閉件16是能在入流閥組件14的管狀部件25的凹槽24中滑動的滑動套筒16B。因此，該入流閥組件可包括閥20，該閥具有呈緊靠著閥座26閉合的錐體16C(如在圖4中所示)形式的關閉件16。在多個其它實施例中，該閥可以是節流閥、電磁閥、螺線管閥或止回閥如球形止回閥、盤式止回閥、擺動式止回閥等。

傳感器17可布置用於測量通道15的上遊(如圖2中所示)，或者布置用於測量通道內部(如在圖3中所示)或者布置用於測量通道的下遊(如在圖4中所示)。通過測量關閉件16的上遊和下遊(如在圖4中所示)，阻塞的結果可快速地被確定並且因此在需要時進一步調節該入流閥組件。為此目的以及為了將測量值與預選定性質範圍相比較，該控制單元包括處理器21，從而在測得的性質在該範圍之外的情況下，調節該入流閥組件。該入流閥組件可包括測量流體的不同性質的多個傳感器，從而一個測得的性質可通過另一個測量值證實。因此，例如在含水量增大的情況下，生產能力(capacity)測量能夠探測這樣的變化，並且如果還測到溫度下降，則因此可證實含水量增大。同樣，如果氣體含量增大(這可通過電容測量測得)，這可通過壓力測量證實。

為了跟隨儲層的發展，由入流閥組件執行的測量和調節可存儲在存儲模塊和用於將這些數據通信至例如浸在井中的工具的通信模塊23(如在圖7中所示)中，該存儲模塊例如為CPU、存儲器或記錄單元。

如在圖3中所示，該入流閥組件14包括多個通道，一些通道打開且其它的通道關閉。以這種方式，流體的體積流量可通過打開或關閉通道來調節。

在圖5中，井下的井系統1包括多個入流閥組件，並且在環狀屏障的環形空間12中布置有第二傳感器22，以便測量該環形空間中的流體的壓力。該入流閥組件中的最接近第二傳感器的控制單元適於在測得的環形空間中的壓力低於生產區域中的流體的壓力時打開該通道。這避免了生產區域中的壓力引起環狀屏障的可膨脹金屬套筒塌縮，並且通過使更多的流體進入井管結構3的內側30，流體可經環狀屏障的管狀部件上的膨脹開口28進入該環狀屏障的環形空間12中，因此平衡跨所述可膨脹金屬套筒的壓力。當膨脹環狀屏障時，井管結構的內側被加壓，並且使這種加壓流體經膨脹開口28進入環形空間以使可膨脹金屬套筒7膨脹。如果該入流閥組件沒有用於該通道的開口，則當該可膨脹金屬套筒外側的壓力增大時，該可膨脹金屬套筒的內側的壓力不會自動跟隨。

如在圖6中所示，該入流閥組件14包括在通道中的用於提供動力的推進器。以這種方式，延長了電池使用時間，因為渦輪機在通道打開時發電。該推進器使驅動傳動機構35的軸杆34旋轉，該傳動機構35又驅動發電機36，從而將旋轉動力轉化成為傳感器17和控制單元19供電的電力。

該傳感器適於連續地測量該性質或者以預定間隔測量該性質，例如一周一次。因此，入流閥組件14可包括如在圖6中所示的計時器37。

在圖7中，傳感器17適於測量井管結構內側和環空41中的流體性質，如壓力。傳感器單元40包括三通閥60，該三通閥具有與環空流體連通的第一埠61、與井管結構的內側流體連通的第二埠62，和與傳感器17流體連接的第三埠63，從而使傳感器與環空41或所述內側30流體連通，以便分別測量環空中的流體的性質和井管結構的內側的流體的性質。該三通閥適於在將第一埠與第三埠流體連接的第一位置和將第二埠與第三埠流體連接的第二位置之間轉換。

在圖8中，該傳感器單元是可插設在井管結構的鄰接入流閥組件14的開口64中的插入裝置。傳感器單元40包括三通閥60和流體通道，該流體通道根據閥的位置而在井管結構的內側與三通閥60之間提供流體連通或者在環空與三通閥60之間提供流體連通。控制單元19通過第二控制單元19A控制該關閉件16。

圖7和8的傳感器單元適於測量井管結構的內側或外側的壓力。在圖9中示出的另一實施例中，該系統還包括適於測量環空中的壓力或井管結構的內側的壓力的第二傳感器17B，從而該傳感器能夠通過一個傳感器測量內側的壓力並通過另一傳感器測量環空/生產區域中的壓力。

該傳感器單元還可適於測量井管結構內側的溫度，並且該系統還包括適於測量井管結構的外側的溫度的第二傳感器。

在圖7中，該傳感器單元包括無線射頻識別(RFID)標籤68。在圖8中，該傳感器單元包括用於與用以從傳感器單元加載數據的井下工具71的天線通信的天線66。因此，該井下工具的通信模塊和該傳感器單元通過天線、感應、電磁輻射或遙測技術通信。該傳感器單元40包括適於為傳感器單元的供電裝置再充電的換能器65。所述再充電可藉助無線電射頻、聲和/或電磁輻射實現。

該系統還包括資料庫(未示出)，從而該數據可存儲在該資料庫中，藉此該數據可被訪問並用於跟蹤不同環空和區域中的井/儲層的發展，並且該數據可與自井中的含烴流體的實際生產相比較，從而該數據可用於優化該井或其它井的生產。該入流閥組件的傳感器可測量環空和因此生產區域的不同的流體性質，並且如果這些數據存入資料庫，則這些數據連同從該井或其它井得到的其它數據可用於更精確地預測未來儲層發展。

為了能夠向地面發送數據，該井下工具包括發送第一井口數據組的地面讀出模塊，但僅是在測量變化的情況下。該井下工具可包括適於通過通信模塊或換能器遠程致動傳感器單元的致動機構。

該井下的井系統中的流體的入流的調節通過由傳感器測量流體的性質執行，以確定該測量值是在預選定性質範圍之內還是之外，並且，如果該測量值在範圍之外，則致動對該關閉件的調節。如果測量值在該範圍之內，則例如在通過計時器或控制單元控制的一定時間後進行新的測量。

該管狀部件可以是管狀金屬部件，並且該井管結構可以是井管金屬結構。如可在圖1、5和10中所示，該井管金屬結構布置在井孔中，並且該井管金屬結構具有面向井孔41的壁部10的外表面6。

此外，該井下的井系統是單套管式完井，這意味著該井管金屬結構僅包括一個井管金屬結構並因此沒有內生產套管。所述井管金屬結構具有基本上不受限制的內徑，這意味著該井管金屬結構的內徑受限少於10％並且因此該內徑的變化少於10％。

如圖所示，該井管金屬結構包括對著生產區域101的、為通道15的至少一個生產開口，以提供環空或井孔41與井管金屬結構的內側30之間的流體連通。該入流閥組件流體地控制流體經由生產開口15的流動。

該第一環狀屏障和該第二環狀屏障被構造成能膨脹以流體隔離出該生產區域。

通過具有帶傳感器、供電裝置以及控制單元的傳感器單元，無需從地面接線或者無需用於向傳感器供電的其它機構。還試圖在一些已知系統中向下走線至所述傳感器，但這樣所述閥不能特別地布置在井中的深處。其它方案使用套管來傳導電力，但測試顯示所述傳感器之後會故障並且從該傳感器單元通信數據是不可能的。

在根據本發明的井下的井系統中，該傳感器可布置在井管結構的外側或者布置在井管結構中。並且，該傳感器可適於測量井管結構的外側的流體的性質。

井管金屬結構的外側應當理解為在井管金屬結構與在其中布置該井管金屬結構的井孔之間。進一步地，所述傳感器可面向井孔的壁部並且可適於測量井管結構的內側的流體的性質。

在圖10中，入流閥組件14布置在井管金屬結構的外表面6上並且對著生產區域布置在第一環狀屏障與第二環狀屏障之間，以通過關於井管金屬結構中的通道15調節該關閉件而經由通道15提供生產區域與井管結構的內側之間的流體連通。

流體或井筒流體是指存在於油井或氣井井下的任何類型的流體，如天然氣、石油、油基泥漿、原油、水等。氣體是指存在於井、完井、或裸井中的任何類型的氣體組分，並且油是指任何類型的油組分，例如原油，含油流體等。氣體、油和水流體可因此均分別包括除氣體、油和/或水之外的其它元素或物質。

套管、生產套管或井管結構是指井下使用的與石油或天然氣生產有關的任何類型的管、管道、管結構、襯管、管柱等。

在該工具不是完全浸沒入套管中的情況下，井下牽引器可用來推動所述工具完全進入井中的位置。井下牽引器可具有帶輪子的可突伸的臂部，其中，輪子接觸套管的內表面，用於在套管內推進該牽引器和該工具前進。井下牽引器是能夠在井下推動或拉動工具的任何類型的驅動工具，例如Well

儘管上面已經結合本發明的優選實施例對本發明進行了描述，但在不背離如下面的權利要求所限定的本發明的情況下可想到的若干變型對本領域技術人員來說是顯而易見的。