用於工具位置反饋的對控制管線的壓力監測的製作方法

2023-06-21 18:42:46

專利名稱：用於工具位置反饋的對控制管線的壓力監測的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及井下工具的液壓控制，特別是涉及用於確定此 類液壓致動工具狀態的方法和裝置。
背景技術：
從井下生產油氣需要地下生產設備，以控制油氣流體流入生產油 管。典型的流控設備包括滑套閥組件或其它閥組件，其中，套在打開 位置和關閉位置之間運動，以選擇性地允許生產流體進入生產油管。 採用液壓控制管線或其它方法從地面控制閥組件。
在一種簡單的系統中，套閥可只在兩個位置或狀態之間運動完
全打開和完全關閉。更複雜的系統被提供，其中井穿過多個油氣層帶， 並且理想的是從這些層帶的一些或全部中生產。在這種情況下，理想 的是能測量和控制從每個層帶流出的流量。在這種情況下，經常想要 的是使用可以以離散增量或狀態打開的流控裝置，以允許從特定層帶 流出的流量可變。已知幾種"智能型"液壓裝置，其可以保有關於裝 置狀態的信息。此類裝置的實例包括市售的品牌HCM-A In-ForceTM 可變節流閥(Variable Choking Valve)和In-ForceTM單管線轉換器 (Single Line Switch )， 這兩種可以從Baker Oil Tools of Houston，Texas購買。這些裝置包括有由一對液壓管線致動的滑套，液 壓管線使滑套在平衡液壓腔內移動。"J形槽"棘齒布置是用來將滑套 定位在幾個離散位置，以允許可變量的流體流過該裝置。
因為這些裝置能夠在多個狀態或位置之間被控制，所以裝置位置 確定和監測很重要。目前，已經通過測量當裝置在一個位置和下一個 之間移動時控制管線中液壓流體的排量來完成位置確定。液壓流體排 量測量將提供工具已經移動到的特定狀態的指示，因為在每個移動時200580018002.2
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流體排量不同。但是在某些情況下，比如海底接頭盒(subsea pod) 的情況，測量流體量是不可能的。同時，由於各種原因導致有時流體 量測量技術不精確，這些原因包括會導致流體損失的液壓管線和連接 中洩漏或密封處洩漏，這樣造成位置確定不準確。此外，液壓控制管 線在壓力下(儲能效應)會膨脹，或由於井眼中的高溫而變形。在長 管線中，在這種膨脹/變形時的額外的儲量會比通常在不同移動之間流 體量的微小差異更大，並導致位置確定不精確。 本發明致力於解決上述現有技術的一些問題。

發明內容
在本發明的一個方面，用在井眼中以允許地層流體流入井眼的流 控裝置包括當設置在井眼中時適於移動的閥部件。流體管線供應壓送 的工作流體以移動閥部件，從而允許流體流入井眼。在井眼中且與流 體管線相連的傳感器提供閥部件的位置指示。
在另一方面，井下流控裝置包括在第一位置和第二位置之間可操 作的液壓致動的套閥，其中在第一位置，該閥處於第一流體流動狀態， 而在第二位置，該閥處於第二流體流動狀態。液壓控制管線可操作地 與套閥相連，以供應液壓流體來在不同狀態之間操作閥。與液壓控制 管線可操作地相連的井下壓力傳感器檢測管線中的流體壓力，以提供 套閥狀態的指示。
在另一方面， 一種確定流控工具在井眼中狀態的方法包括把流體 壓送到流控工具，以使該工具的流控部件移動到位。在井下檢測供應 流體的壓力。流控裝置的狀態通過檢測到的供應流體的壓力來確定。
在本發明的又一個方面， 一種確定流控工具在井眼中狀態的方法 包括在井下檢測與流控工具流體相通的液壓供應管路中的流體流量。 流控工具的狀態通過檢測到的流體流量來確定。


為了詳細地理解本發明，參考以下結合附圖對優選實施例的詳細
描述，其中相似元件用相似附圖標記表示。
圖l是示範井眼系統的示意圖，其中有多個油氣層帶和流體進入
點；
圖2是根據本發明包括有流體壓力傳感器系統的示範滑套閥組件 的側截面示意圖3A示出根據本發明一個實施例的J形槽棘齒和凸耳的布置； 圖3B示出根據本發明一個實施例的替代的J形槽棘齒和凸耳的
布置；
圖4是流體壓力對時間的曲線圖5是根據本發明 一 個實施例的地面監測和控制系統的框圖。
具體實施例方式
圖1示出示範的生產井10，其穿過地表12進入多個油氣層帶， 比如層帶14、 16。井10下有套管18，套管18貼近每個層帶14、 16 處穿有射孔20，以為層帶14、 16中的油氣流體提供進入井10的流動 點。要注意到，儘管圖示了一個井眼，但實踐中可以有多個多邊井眼， 每個井眼穿過一個或多個層帶，比如層帶14、 16。此外，儘管只示出 兩個層帶，但本領域技術人員將理解可以有更多這樣的層帶。
生產油管管柱22從井口 24設置到井10中，並且其包括分別貼近 層帶14、 16的流控裝置26、 28。封隔器30隔開井10中的流控裝置 26、 28。在一個實施例中，每個流控裝置26、 28是滑套型流控裝置， 能夠有兩個以上的可操作位置，也稱為打開/關閉狀態。適用於本應用 的流控裝置的例子包括市售的品牌HCM-A In-ForceTM可變節流閥和 In-ForceTM單管線轉換器，這兩種可以從Baker Oil Tools of Houston, Texas購買。
監測和控制站32位於井口 24處，用於對流控裝置26、 28操作性 控制。總體以34表示的液壓控制管線從監測和控制站32向下延伸到 流控裝置26、 28。監測和控制站32是本領域已知的類型，用於控制 液壓井下流控裝置，且以下將參考圖5更詳細描述。
圖2示出單個示範流控裝置26及其與示範壓力傳感器位置檢測系 統的互連。為了便於說明，流控裝置26是以簡化示意形式示出。實踐 中，流控裝置26可以是由Baker Oil Tools of Houston,Texas銷售的 HCM-AIn-ForceTM可變節流閥品牌的流控裝置。流控裝置26包括滑 套組件接頭36，其具有管形外套38，該滑套組件接頭36中限定了流 體腔40。流體孔42設置在流體腔40下面的外套38中。滑套44被保 持在外套38中，並包括穿過其徑向設置的多個流體口 46。密封43a 和43b設置在外套38中，分別位於流體孔42之上和之下。當滑套44 軸向位移以使活塞50靠近流體腔40底部時，流體口 46在下密封43b 的下面，從而沒有流體流入外套38的眼48中。根據滑套44在外套 38和密封43a、 43b中的軸向位置，滑套44的流體口 46能夠選擇地 與外套38中的流體孔42對齊，以當流體口 46與流體孔42以可變的 量重疊時允許可變量的流體流入外套38的眼48中。滑套44還包括增 大的外活塞部分50,其位於流體腔40中並將流體腔40分成上腔52 和下腔54。在活塞50外徑上的密封(未示出)液壓地隔開上腔52和 下腔54。活塞50對於腔52和54的每一個所露的活塞面積基本上相 等，以至於腔52和54中相等的壓力對活塞50產生基本上相等且相反 的力，從而活塞50被認為是"平衡的"。為了移動活塞50，將較高的 壓力導入一個腔，且流體被允許從另一個腔在較低的壓力排出，這樣 就在活塞50上產生了不平衡的力，從而使活塞50在想要的方向上移 動。
液壓控制管線34a和34b被可操作地固定到外套38上，以使流體 流入和流出每個流體接收腔52、 54。如本領域技術人員可理解的，通 過液壓流體傳送進入和離開流體接收腔52、 54，滑套44可以在外套 38中軸向移動。例如，如果想要相對於外套38向下移動滑套44,則 液壓流體被泵送通過控制管線34a並只進入上流體接收腔52。此流體 在活塞50的上表面上施加壓力，從而迫使滑套44向下。當滑套44 向下移動時，液壓流體從下流體接收腔54通過控制管線34b向井10 的地表排出。反之，如果想要相對於外套38向上移動滑套44，則液
壓流體被泵送通過控制管線34b進入下流體接收腔54，以在活塞50 的下面施加壓力。當滑套44向上移動時，液壓流體從上流體接收腔 52通過控制管線34a排出。
在一個實施例中，見圖3A， J形槽棘齒組件接頭56被固定到滑 套閥外套38的上端。棘齒組件接頭56用於給滑套組件接頭36中的滑 套44提供多個預定的軸向位置或狀態，從而根據流體口 46與流體孔 42的軸向重疊量提供預定的控流量。棘齒組件接頭56包括一對外套 部件58、 60，它們彼此鄰靠並可相對於彼此旋轉運動。凸耳套62被 保持在接頭56中，並具有向外伸出的上下凸耳64、 66。凸耳64、 66 接合刻在外套部件58、 60內表面上的凸耳通道。這些通道示於圖3A 中，圖3A以"展開"的方式表示外套部件58、 60的內表面。上外套 部件58具有刻出的曲折通道68，上凸耳64置於其中。下外套部件60 的特徵在於刻出的凸耳運動區域70，其具有一系列下凸耳止動肩 72a-72e，它們被布置成階梯形式。階梯式肩72a-72e關係到流體口 46 與流體孔42的軸向重疊量。下凸耳通道74位於止動肩72e附近。此 外，下外套部件60具有上凸耳止動肩76。上凸耳通道78限定在上外 套部件58中，並且當上下外套部件58、 60適當地旋轉對齊時，上凸 耳通道78與凸耳進入通道80對齊，這樣上凸耳64可以在兩個外套部 件58、 60之間移動。
如上所述滑套44通過活塞50運動而進行的軸向移動使得鄰靠的 凸耳套62在棘齒組件接頭56中軸向移動。當這種移動發生時，上凸 耳64順序地在凸耳位置64a、 64b、 64c、 64d、 64e、 64f、 64g、 64h、 64i和64j中移動。最後，上凸耳64移動到其最後的凸耳位置64k， 該凸耳位置64k相當於滑套組件接頭36的完全關閉位置或狀態。此外， 下凸耳66順序地移動通過凸耳位置66a-66k。當凸耳66位於上肩76 附近時，流體口 46與流體孔42對齊，以提供完全打開的流動狀態。 可以看出，下凸耳66鄰靠到每個下肩72a， 72e上將導致凸耳套62 相對於外套部件58、 60的軸向位置逐漸降低。通過改變流體孔42與 流體口 46的軸向重疊量(見圖2)，這些不同的軸向位置導致滑套44
的不同流控位置或狀態。如圖3A所示，隨著下凸耳66從位置66a到 66i的移動，流動開口變得越來越小，並最終在位置66k關閉。當凸 耳64和66分別處於位置64k和66k時，滑套44向下移動，以使流 體口 46在密封43b下面，從而沒有流動。通過適當地選擇連續狀態之 間的階變，就需要預定量的流體來使滑套在連續狀態之間移動。在一 個實施例中，移動量以及因此所需的流體量被選擇，以使在每個連續 狀態之間的移動差異是獨特地不同。通過這樣選擇，每個移動所需的 流體量是獨特的，且然後通過將滑套移動到某個位置所需的流體量能 夠識別滑套的定位。
圖3B示出了另一個實施例，其中J形槽布置被定向成使得隨著 系統被操作，流動開口逐漸增大。在"展開"視圖中示出在外套160 和158內側上的該J形槽布置。如圖3B所示，上凸耳164移動通過 位置164a-164m,而下凸耳166移動通過位置166a-166m。下肩176 作為下凸耳166的止動件。上肩172a-g呈階梯式進展，這關係到由滑 套44中流體口 46與流體孑L 42的對齊所導致的流動開口量。但是,與 圖3A對比，當凸耳166靠在肩176上時，沒有直接的流動路徑通過 流體口46和流體孔42，但流體口不在密封43b下面。因此，由於滑 套44和外套38之間的間隙導致有一部分流體洩漏到眼48中，名義上 被稱作擴散位置。如圖3A所示，肩172a-g的位置可以被選擇，以通 過在連續位置之間移動滑套44所需的流體量來提供滑套44位置的獨 特指示。為了採用圖3B的布置來關閉滑套44，凸耳164和166被向 下移動通過通道178和179,直到流體口 46在密封43b下面(見圖2)。 要注意，在本發明的範圍內可以採用其它凸耳和棘齒布置方式。
圖4為表示由壓力傳感器82檢測到的流體壓力對時間的曲線圖。 該曲線圖直觀地表示移動滑套44過程中控制管線34a中的流體壓力。 隨著液壓壓力施加到上流體接收腔52，控制管線34a中的流體壓力將 開始上升，如圖中的第一段卯所示。流體壓力將繼續上升，直到抵抗 活塞運動的力(比如內部工具摩擦力)被克服。 一旦摩擦力被克服， 活塞50就開始移動，並且因此將流體從下腔54排出。此時，滑套44
向下移動，且在滑套移動過程中控制管線34a中的壓升停止並穩定在 基本恆定的壓力。當滑套44移動到其被棘齒接頭組件56限制的下一 個位置或狀態後，控制管線34a中的流體壓力將又開始上升，因為滑 套44將不進一步移動。圖4中的傾斜段94表示該階段。最終，當泵 壓達到泵的失速壓力或是達到供應管線中的洩壓值時，控制管線34a 中的流體壓力將穩定。
通過對圖3A、 3B中階梯式肩的適當選擇，與滑套運動相關聯的 穩定壓力(圖4的段92)對應的時間長度(x)與在流控裝置26工具 狀態之間的特定運動相關。例如，流控裝置26從下凸耳66位於66b 處的這樣一個位置移動到下凸耳66位於66c處的這樣一個位置所用的 時間將比如果流控裝置從下凸耳66位於66h的這樣一個位置然後移動 到66i的這樣一個位置所用的時間要少。因此，"x"的測量值將表示 工具26已移動到的狀態。在一個實施例中，"x"的長度對於工具26
每個特定的移動來說是不同的。
參照圖2和5,注意到傳感器82與流體控制管線34a是可操作地 相連，以檢測控制管線34a中的流體壓力大小。在一個實施例中，傳 感器82為壓力傳感器，其實際上設置在流控裝置26的外套38處或附 近，以使控制管線34a的流體儲能效應最小。替代地，傳感器82可以 是流量傳感器，用來直接地測量通過控制管線34a並進入或離開流控 裝置26中相應腔的流體量。數據線84從傳感器82向上延伸到監測和 控制站32。在一個實施例中，數據線84包括電導體和/或光導體。傳 感器82測得的讀數被通過數據線84傳輸到監測和控制站32。替代地， 傳感器82測得的讀數可以被無線地傳輸到地面，例如通過本領域公知 的聲學技術和/或電磁技術。儘管所示的一個傳感器僅僅是附連在控制 管線34a上，但可以理解多個傳感器可以被附連到控制管線34a、 34b 的任意一個上或是同時附連到它們上。
監測和控制站32功能性地包括用於驅動流控系統的液壓系統，和 用於驅動井下傳感器82並檢測、處理及顯示來自傳感器82的信號的 適當電子和計算設備。在一個實施例中，監測和控制站32採用來自傳感器82的信號來提供反饋控制，以控制液壓供應系統。監測和控制站 32包括控制泵202輸出的泵控制器201，其中泵202具有流體源203。 來自泵202的流體驅動井下工具26。此外，具有存儲器205的處理器 204與迴路206相連，以為傳感器82提供動力和提供與傳感器82的 接口 。來自傳感器82的信號被迴路206接收，然後傳輸到處理器204。 根據編程指令而動作的處理器204利用硬拷貝207、顯示器208和大 容量存儲器209來提供來自傳感器82的壓力對時間的記錄和/或存儲。 在一個實施例中，如前所述與滑套每個運動相關的時間長度(x)可以 被存儲在存儲器205中。將測得的時間長度(x)與存儲的特徵值比較， 從而基於該比較而確定滑套的位置。在另一個實施例中，每個運動的 壓力曲線被存儲在存儲器205中，並且將測得的曲線與存儲器中的曲 線比較，以確定滑套的位置。替代地，手動控制器200可以由操作者 控制，以操作液壓系統。
儘管本文所述的系統具有雙液壓控制管線和平衡活塞，但本領域 技術人員可以理解本系統意在涵蓋採用具有彈性回復能力的活塞的單 液壓管線系統。
本領域技術人員將理解，可以對本文所述的示範設計和實施例進 行許多改進和變化，並且本發明僅被所附權利要求和等同物限制。
權利要求
1. 一種用在井眼中以允許地層流體流入井眼的流控裝置，其包括:當設置在井眼中時適於移動的閥部件；壓送工作流體以使閥部件移動的流體管線，以允許流體流入井眼；和位於井眼中並與流體管線相連的傳感器，以提供關於閥部件位置的指示。
2. 如權利要求l所述的流控裝置，其特徵在於，閥部件適於移動 到多個位置。
3. 如權利要求l所述的流控裝置，其特徵在於，傳感器靠近閥部 件設置，且傳感器從由壓力傳感器和流量傳感器構成的組中選擇。
4. 如權利要求l所述的流控裝置，還包括控制器，用來接收來自 傳感器的信號並且基於接收的信號來確定閥部件的位置。
5. 如權利要求4所述的流控裝置，其特徵在於，控制器具有與閥 部件位置相關的相應壓力曲線。
6. 如權利要求2所述的流控裝置，其特徵在於，該流控裝置包括 第一流體腔和第二流體腔，它們適於響應壓送的流體供應而協同地工 作，以把閥部件移動到多個位置。
7. 如權利要求2所述的流控裝置，其特徵在於，所述多個位置相應於多個J形槽。
8. 如權利要求4所迷的流控裝置，其特徵在於，所述控制器通過將來自傳感器的信號與存儲在與該控制器相關聯的存儲器中的預定特 徵值比較來確定閥部件的位置。
9. 一種井下流控裝置，其包括液壓致動的套閥，其可以在第一位置和第二位置之間操作，其中， 在第一位置時閥處於第一流體流動狀態，而在第二位置時閥處於第二 流體流動狀態；與套閥可操作地相連的液壓控制管線，用於供應液壓流體以 在不同狀態之間操作套閥；以及與液壓控制管線可操作地相連的井下壓力傳感器，以檢測液 壓控制管線中的流體壓力，從而提供關於套閥狀態的指示。
10. 如權利要求1所述的流控裝置，其特徵在於，該壓力傳感器 靠近套閥設置。
11. 一種確定井眼中的流控工具狀態的方法，包括壓送流體到流控工具，以使流控工具的流控部件移動進入狀態；在井下檢測所供應流體的壓力；和通過檢測到的供應流體的壓力來檢測流控裝置的狀態。
12. 如權利要求ll所述的方法，還包括在地面提供控制器，用 於通過檢測到的流體壓力來確定流控工具的狀態。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括將關於流控部件移動的 壓力曲線存貯在控制器中。
14. 如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述流控部件適於 移動到多個狀態。
15. 如權利要求14所述的方法，還包括通過與所述多個狀態的 每一個相關的壓力曲線來檢測每一個狀態。
16. —種確定在井眼中流控工具狀態的方法，其包括在井下檢測與流控工具流體相通的液壓供應管路中的流體流量；和通過檢測到的流體流量來確定流控工具的狀態。
17. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述流體流量是用從由壓力傳感器和流量傳感器構成的組中選擇的傳感器來檢測。
18. 如權利要求16所述的方法，還包括在地面提供控制器，用 於通過在井下檢測到的流體流量來確定流控工具的狀態。
19. 如權利要求18所述的方法，還包括將關於流控部件移動的 壓力曲線存貯在控制器中。
20. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述狀態包括多個 狀態，它們具有與每個狀態相關的壓力曲線。
全文摘要
一種用在井眼中以允許地層流體流入井眼的流控裝置(26)，其包括當設置在井眼中時適於移動的閥部件(44)。流體管線(34A)壓送工作流體來移動閥部件(44)，以允許流體流入井眼。在井眼中與流體管線(34A)相連的傳感器(82)提供關於閥部件(44)位置的指示。一種確定井眼中的流控工具狀態的方法，其包括將流體壓送到流控工具，以使該流控工具的流控部件移動進入狀態。在井下檢測所供應流體的壓力。流控裝置的狀態通過檢測到的所供應流體的壓力來確定。
文檔編號E21B47/10GK101384793SQ200580018002
公開日2009年3月11日 申請日期2005年5月31日 優先權日2004年6月1日
發明者G·瓦尚 申請人:貝克休斯公司