采用重力驱动浮子和阀的流体流量控制系统的制作方法

采用重力驱动浮子和阀的流体流量控制系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年4月22日提交的标题为“fluid flow control system employing gravity driven floats and a valve”的美国申请序列号17/237,257的优先权，所述申请与本技术共同转让，并通过援引以其全文并入本文。


背景技术：

3.在碳氢化合物生产井中，调节地层流体从地下地层进入穿透地下地层的井筒的流量可能是有益的。多种原因或目的可能需要这样的调节，包括例如防止水和/或气体锥进、使水和/或气体产生最小化、使出砂最小化、使油生产最大化、平衡各种地下区域的生产以及均衡各种地下区域之间的压力等。
4.许多装置和阀可用于调节地层流体的流量。这些装置中的一些装置对于不同类型的地层流体可能是无区别的，并且可以简单地充当用于调节进入诸如生产管柱的井筒管的内部的“看门人”。这种看门人装置可以是简单的开/关阀，或者它们可以被计量以在连续的流速范围内调节流体流量。用于调节地层流体的流量的其他类型的装置可以实现不同类型的地层流体之间的至少某种程度的区别。此类装置可包括例如管状限流器、喷嘴型限流器、自主流入控制装置、非自主流入控制装置、端口、曲折路径和它们的组合。


技术实现要素：

5.现在结合附图参考以下描述，在附图中：
6.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例设计、制造和操作的井系统的示意图；
7.图2示出了根据本公开的一个实施例设计、制造和操作的密度控制阀的非常基本的构造；
8.图3示出了采用较大的密度依赖性浮子(至少与较小的出口相比)的密度控制阀的一个实施例；
9.图4示出了根据本公开的替代性的实施例设计、制造和操作的密度控制阀；
10.图5a至图5d示出了在生产油井的井寿命的不同阶段的图4的密度控制阀；
11.图6a示出了完井管柱的一个实施例，其可以包括类似于本文讨论的密度控制阀中的一个或多个的密度控制阀；
12.图6b示出了密度控制阀的壳体和密度依赖性浮子在完井管柱的横截面中的典型放置；
13.图6c示出了密度控制阀在垂直井或斜井中的典型放置；
14.图7示出了可用于协助解决本文讨论的定向问题的密度控制系统的一个实施例；
15.图8示出了装置的展开视图(360
°
)，该装置包括围绕中心管外部的周边等距分布的四个定向依赖性流入控制设备。
16.图9示出了根据本公开的一个或多个实施例设计、制造和操作的流体流量控制系统；
17.图10a至图10d示出了在生产油井的井寿命的不同阶段的密度控制阀的替代性的实施例；
18.图11示出了根据本公开的一个或多个替代性的实施例设计、制造和操作的流体流量控制系统；以及
19.图12a至图12d示出了在生产油井的井寿命的不同阶段的密度控制阀的替代性的实施例。
具体实施方式
20.在随后的附图和描述中，在整个说明书和附图中，相似的部件通常分别用相同的附图标记进行标记。所绘制的附图不一定是按比例。为了清楚和简明起见，本公开的某些特征可能以按比例夸大或以略微示意性的形式示出，并且可能未示出某些元件的一些细节。本公开可以以不同形式的实施例来实施。
21.详细描述并在附图中示出了具体实施例，应当理解，本公开被认为是本公开的原理的范例，并且不旨在将本公开限制于本文所展示和描述的内容。应充分认识到，本文所讨论的实施例的不同教导可以被单独采用或以任何合适的组合采用以产生期望的结果。
22.除非另有说明，否则术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或描述元件之间相互作用的任何其它相似术语的使用并不意味着将相互作用限制为元件之间的直接相互作用并且还可以包含所描述的元件之间的间接相互作用。除非另有说明，否则使用术语“向上”、“上部”、“朝上”、“井上”、“上游”或其它类似术语应被解释为通常远离井的底部、终端而不管井筒定向；同样地，术语“向下”、“下部”、“朝下”、“井下”或其它相似术语的使用应被解释为通常朝向井的底部、终端，而不管井筒定向。上述术语中的任何一个或多个术语的使用不应被解释为表示沿着完全垂直的轴的位置。除非另有说明，否则术语“地下地层”的使用应被解释为涵盖暴露的土地下面的区域和被诸如海洋或淡水水域覆盖的土地下面的区域两者。
23.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例设计、制造和操作的井系统100的示意图。井系统100可包括井筒105，其包括大致垂直的无套管部分110，其可转变为延伸穿过地下地层120的大致水平的无套管部分115。在一些实例中，垂直部分110可从其中胶结有套管柱125的井筒105的一部分向下延伸。管状管柱，诸如油管130(例如生产油管)可以安装在井筒105中或以其他方式延伸到其中。
24.在所示实施例中，一个或多个生产封隔器135、油井筛管140和流体流量控制系统145可沿着油管130互连。在大多数系统中，存在沿着油管130互连的至少两组生产封隔器135、油井筛管140和流体流量控制系统145。生产封隔器135可被构造成密封限定在油管130与井筒105的壁之间的环空150。结果，在一些实施例中，经由邻近成对的生产封隔器135之间的环空150的隔离部分，流体可以从周围地下地层120的多个层段中产生。油井筛管140可被构造成过滤从环空150流入油管130的流体。
25.在一个或多个实施例中，一个或多个流体流量控制系统145中的每一个可包括阀，该阀具有可操作以接收来自地下地层120的流体的流体入口(例如，产液入口)、可操作以接收来自密度控制阀的控制流体的控制入口和可操作以将流体从地下地层120传送至油管130的流体出口(例如，产液出口)。在至少一个实施例中，密度控制阀基于流过其中的流体
的密度向阀提供控制信号。在至少一个实施例中，阀基于接收到或未接收到控制信号而将流体从地下地层120传送至油管130。例如，如果密度控制阀感测到泥浆或油，它将指示和/或允许阀传送流体。相反，如果密度控制阀感测到气体或水，它将指示和/或允许阀防止流体从地下地层120传送至油管130。下面详细讨论阀、密度控制阀和它们组合的细节。
26.图2示出了根据本公开的一个实施例设计、制造和操作的密度控制阀200的非常基本的构造。在至少一个实施例中，密度控制阀200包括壳体210，该壳体设置有入口220和出口225，其在一个实施例中，该出口布置在壳体210的底部部分中。在某些实施例中，壳体210具有长方形形式。
27.密度依赖性浮子230(其在一个实施例中是球)可布置在壳体210内。密度依赖性浮子230具有适应于待控制的相关流体的密度的密度。待控制的流体可以是但不限于钻井泥浆、油、气体和水。
28.密度依赖性浮子230的尺寸和形式适应于在邻接出口225时能够基本上对其进行阻挡。再次，在某些实施例中，密度依赖性浮子230是位于出口225内的球。在其他实施例中，密度依赖性浮子230远大于出口225。例如，密度依赖性浮子230的横截面积(例如，接近出口225的密度依赖性浮子230的面积)可以比出口225的面积大至少50％。在又一实施例中，密度依赖性浮子230的横截面积可以比出口225的面积大至少200％，并且在某些其他实施例中大至少500％、大1000％或者甚至更大。与出口225相比，密度依赖性浮子230的增大的尺寸有助于确保密度依赖性浮子230的任何浮力克服出口225处的任何吸入压力。简要地转向图3，示出了采用较大的密度依赖性浮子330(至少与较小的出口325相比)的密度控制阀300的一个实施例。
29.返回到图2，在至少一个实施例中，壳体210进一步设置有用于允许流体连续泄漏出壳体210的泄漏路径240，即使在出口225被密度依赖性浮子230阻挡的情况下。在图2中，泄漏路径240旨在示出在壳体210中的一个或多个孔。因此，在进入密度控制阀200的流体流入改变的情况下，壳体210内的第一流体可以被第二流体置换。当研究图5c时将理解泄漏路径240的重要性，其中设备阻挡通过密度控制阀200的气体的流动。在中间壳体210”中没有泄漏路径240的情况下，如果流体的流入发生改变，则在壳体210”中截留的任何气体都不能被另一种更高密度的流体置换。因此，壳体210”内的密度依赖性浮子230”仍会阻挡出口225，并且从而仍阻挡通过密度控制阀200的流体流量。
30.图2中的密度控制阀200进一步设置有入口导管250和出口导管260。入口导管250通常与油管(例如图1的油管130)外部的环空空间直接连通。环空空间与地下地层(例如，图1的地下地层120)流体接触，并且来自地下地层的流量可以或不可以在进入入口导管250之前，通过例如筛管过滤。出口导管260与油管(例如，图1的油管130)流体连通。
31.转向图4，示出了根据本公开的替代性的实施例设计、制造和操作的密度控制阀400。密度控制阀400在许多方面类似于图2的密度控制阀200。因此，相似的附图标记已用于指示类似的(如果不相同的话)特征。与密度控制阀200相比，密度控制阀400包括串联布置的多个(例如，在所示实施例中为三个)壳体210、入口220、出口225和密度依赖性浮子230。在图4中，从左到右，分别地，多个壳体210将用附图标记210'、210”、210”'表示，多个入口220将用附图标记220'、220”、220”'表示，多个出口225将用附图标记225'、225”、225”'表示，并且密度依赖性浮子230将用附图标记230'、230”、230”'表示。
32.在图4中，密度依赖性浮子230'具有示出了提供不平坦表面的一系列脊和谷的网格状表面图案。不平坦表面的目的是提供泄漏路径，当密度依赖性浮子230'邻接出口225'时，该泄漏路径允许出口225'的周边与密度依赖性浮子之间流体的小量泄漏或渗漏。注意，左壳体210'中的泄漏路径由密度依赖性浮子230'的不平坦表面提供。相反，壳体210”、210”'分别包括泄漏路径240”、240”'。作为密度依赖性浮子230'的不平坦表面的替代或补充，泄漏路径可借助于出口225”、225”'来提供，其具有与具有基本上光滑的表面的密度依赖性浮子230”、230”'的表面不一致的周边。
33.壳体210'设置有入口220'，其与密度控制阀400的入口导管250流体连通。壳体210'进一步设置有分别布置在底部部分和顶部部分的底部出口225'和顶部出口225'。底部出口225'经由旁路通道470与出口导管260流体连通。顶部出口225'与壳体210”的入口220”流体连通。
34.壳体210”设置有底部出口225”，其与壳体210”'的入口220”'流体连通。壳体210”'设置有顶部出口225
”′
，其与密度控制阀400的出口导管260流体连通。
35.如图4所示，密度控制阀400设置有外壳480和隔室元件485、490。外壳480和隔室元件485、490被构造成提供密度控制阀400内部和外部的期望的流量连通。
36.需要强调的是，图4所示的构造仅是密度控制阀400的构造的一个实例，并且壳体210'、210”、210”'和/或密度依赖性浮子230'、230”、230”'的不同的布置、顺序，或者密度控制阀400的其他构造变化可以由本公开提供。
37.转向图5a至图5d，示出了在生产油井的井寿命的不同阶段的图4的密度控制阀400。请注意在图5a至图5d中，图4所示的不平坦表面密度依赖性浮子230'被具有与密度依赖性浮子230”、230”'类似的表面的密度依赖性浮子530'替代，并且壳体210'设置有泄漏路径540'。
38.流体流入和流出密度控制阀400的方向由实线箭头指示，或者由虚线箭头指示缺乏流量。在图5a至图5d中，密度依赖性浮子530'的密度高于油、水和气体的密度，但低于泥浆的密度。泥浆可以例如是钻井泥浆或建井泥浆。密度依赖性浮子230”的密度高于气体的密度，但低于泥浆、油和水的密度。密度依赖性浮子230”'的密度高于气体和油的密度，但低于泥浆和水的密度。出于本讨论的目的，水的特定比重可以在0.95与1.05之间，并且泥浆的特定比重可以在1.06与2之间。在至少一个实施例中，水可具有在1与1.04之间的特定比重，并且泥浆可具有在1.06与1.10之间的特定比重。在至少一个其他实施例中，水可具有1.02的特定比重并且泥浆可具有1.06的特定比重。
39.在图5a中，泥浆将流过密度控制阀400，从入口导管250到出口导管260。在图5b中，油将流过密度控制阀400，从入口导管250到出口导管260。在图5c和5d中，气体和水将分别基本上被限制流过密度控制阀400。气体和水通过密度控制阀400的唯一通道是经由泄漏路径540'、240”、240”'。这种非常有限的流量由入口导管250和出口导管260中的小箭头指示。
40.前述的原因可以解释如下。在进入密度控制阀400的入口导管250之后，流体流量进入左壳体210'，该左壳体被设计成将建井流体通过旁路通道470直接旁通至出口导管260。由于密度依赖性浮子230'的密度高于地层水(第二最稠密流体)并且低于建井流体(最稠密流体)，稠密建井流体在井启动/清理之前存在于密度控制阀400中的所有空间中。这意味着密度依赖性浮子530'、230”、230”'最初将由于它们关于稠密建井流体的浮力，分别定
位在壳体210'、210”、210”'的顶部部分。
41.在初始井启动/清理期间，井将因此开始使建造流体流过入口导管250和旁路通道470，流到出口导管260，如图5a所示。同时，将有少量流量通过泄漏路径540'、240”、240”'和外壳480。
42.最初，流量将基本上包括建井流体。一段时间后，建井流体将被清除，并且储层流体将开始流出。在图5a至图5d所示的构造中，密度控制阀400被设计成允许油通过，并且限制来自储层的气体和水。假设在清理建井流体之后产生的储层流体是油，则密度依赖性浮子530'的密度使得其将在储层流体中失去浮力。
43.然而，由于壳体210'的顶部出口225
′
中的吸力，密度依赖性浮子530'将保持其位置。泄漏路径540'、240”、240”'和外壳480将有助于随后的壳体210”、210”'中的总流体置换。
44.基本上所有的建井流体被油置换之后，密度依赖性浮子230”将由于其密度在气体与油的密度之间而保持其在壳体210”的顶部的位置。由于其密度高于油的密度并且低于水的密度，密度依赖性浮子230”'将下沉到壳体210”'的底部的位置。
45.由于壳体210'的顶部出口225
′
中的吸力，密度依赖性浮子530'将保持其位置，如上所述。这意味着无论是壳体210”还是壳体210”'都不从壳体210'的出口被供给流体。因此，流体经由旁路通道470流过密度控制阀400。这种流量模式将持续直到井首次停产为止，通常是在所谓的井清理令人满意时作为启动程序的一部分。
46.在第一次计划生产停工后的井的重新启动后，密度依赖性浮子530'、230”、230”'将找到它们对于当前储层流体的正确位置，如图5b所示。
47.假设油从储层流出，由于其密度在水与建井流体的密度之间，密度依赖性浮子530'将下沉并且阻挡底部出口225'。然后，流量将被迫传送通过顶部出口225
′
并且传送进入壳体210”。在那里，密度依赖性浮子230”将由于其密度在油与气体的密度之间而有浮力，并且流体将不受限制地流过壳体210”并且流出出口225”，经由隔室元件485进入壳体210”'。在壳体210”'中，密度依赖性浮子230”'由于其密度高于油的密度并且低于水的密度，将定位在壳体210”'的底部，并且流体将不受限制地通过壳体210”'并且经由隔室元件490传送至出口导管260。
48.在井寿命的后期，如果气体锥进或任何其他现象通过密度控制阀400在来自储层的流体流中引入游离气体，则密度依赖性浮子230”将失去其浮力并且落下以阻挡通过壳体210”的出口225”的主流量路径，如图5c所示。
49.如果气体-油接触随后拉回并且密度控制阀400周围的地层被重新填充为油，则密度控制阀400中的旧流体(气体)将由通过泄漏路径540'、240”、240”'的连续泄漏流量被置换为新流体(油)。在没有泄漏路径540'、240”、240”'或任何其他泄漏装置的情况下，启动密度依赖性浮子530'、230”、230”'的高密度或低密度流体可能将不会被置换并且重新开放将被禁用。因此，泄漏路径540'、240”、240”'将防止流体被“截留在”密度控制阀400内，并且密度控制阀400对于这种情况也将是自主的。
50.泄漏路径540'、240”、240”'以这样的方式定位或布置在壳体210'、210”、210”'中，使得当新的流体围绕密度控制阀400的入口导管250时基本上不存在任何类型的流体被截留在其中的区域。
51.如果水通过水锥进或其他现象引入，则密度依赖性浮子230”'将由于其密度低于水的密度而变得有浮力并且上升以阻挡通过壳体210”'的顶部出口225
”′
的主流量，并且因此通过密度控制阀400。这在图5d中示出。
52.转向图6a，示出了完井管柱600的一个实施例，其可包括类似于上述密度控制阀中的一个或多个的密度控制阀605。在所示的实施例中，密度控制阀605定位在中心管680与滤网690之间。密度控制阀605可以形成所谓的管架的一部分，该管架具有大约12米的典型长度。然而，密度控制阀605也可以布置在具有仅40至50厘米的典型长度的单独的管单元中。这样的单元可以被构造成插入在两个连续的管架之间。
53.图6b示出了密度控制阀605的壳体610和密度依赖性浮子630在完井管柱600的横截面中的典型放置。图6b中所示的放置关于重力矢量g被精确地放置，但是围绕中心管620轴线旋转达一定角度是可接受的。由于密度控制阀605是定向依赖性的，因此在井的水平或接近水平部分中需要密度控制阀605围绕中心管680轴线的合适的定向。在井的垂直或倾斜部分中，可能不需要围绕中心管680轴线的定向。密度控制阀605在垂直井或斜井中的典型放置大体上在图6c中示出。
54.确保密度控制阀605(或如图4所示的密度控制阀400)在水平部分中的正确定向可以在运行完井时，使用适当的工具来处理。确保正确定向的一种已知方式是通过允许每个完井部分的特定部分(例如，安装设备处)自由旋转。进一步针对该实施例，可以使用特定设计的绳索工具来在井启动之前将每个部分定位并且锁定到其正确的定向。通过绳索工具强制定向的替代性的方案是设计具有大断面的设备，从而允许设备在初始井启动之前自动旋转到正确的定向。为了将设备锁定在其正确位置，可以将碳氢化合物膨胀包装安装在旋转部分上以膨胀并且与地层壁锁定位置。
55.转向图7，示出了可用于协助解决上述定向问题的密度控制系统700的一个实施例。密度控制系统700在许多方面类似于上面关于图4讨论的密度控制阀400。因此，相似的附图标记已用于指示类似的(如果不相同的话)特征。与图4相反，密度控制系统700包括定向依赖性流入控制设备705。例如，在图7中，密度控制阀400的入口导管250与定向依赖性流入控制设备705的出口760流体连通。定向依赖性流入控制设备705的目的是控制从在斜井或水平井中的管的外部到内部的流体流量。定向依赖性流入控制设备705在下文中也将被表示为自主定向解译设备。定向依赖性流入控制设备705是如上所述的强制定向和自定向的替代性的方案。
56.图7中的定向依赖性流入控制设备705包括：第一定向壳体710'，其具有纵向轴线并且设置有第一定向入口720'和第一定向出口725'；第二定向壳体710”，其具有纵向轴线和第二定向入口720”以及第二定向出口725”。定向出口725'、725”分别布置在壳体710'、710”的端部部分中。根据本发明的第一方面，第一定向出口725'与第二定向入口720”流体连通，并且第二定向出口725”布置成与密度控制阀400的入口导管250流体连通。
57.阻挡构件730'、730”分别布置在壳体710'、710”中的每一个壳体内。阻挡构件730'、730”被构造为允许阻挡定向出口725'、725”，以切断通过定向依赖性流入控制设备705的流体流量。阻挡构件730'、730”的密度高于井的使用寿命期间具有潜在最高密度的井流体的密度，或者低于井的使用寿命期间具有最低密度的井流体的密度。钢是用作高密度阻挡构件的合适材料的实例。
58.第一定向壳体710'和第二定向壳体710”相互远离地布置在管中或管的周边处，使得第一定向壳体710'的倾斜的角度与第二定向壳体710”的倾斜的角度不同。因此，通过定向依赖性流入控制设备705的流量可能被在第一定向壳体710'中的阻挡构件730'阻挡，或者被在第二定向壳体710”中的阻挡构件730”阻挡。
59.当围绕中心管轴线旋转超过预定角度时，阻挡构件730'将邻接并且阻挡第一定向壳体710'的定向出口725'，并且因此防止流体流量通过定向依赖性流入控制设备705并且进入随后的密度控制阀400。
60.当围绕中心管轴线旋转低于预定角度时，阻挡构件730'将定位在定向壳体710'的下部部分中。然后流体可以通过第一定向壳体710'的出口流出。然而，因为定向依赖性流入控制设备705旋转到预定角度以下，所以阻挡构件730”将邻接并且阻挡第二定向壳体710”的定向出口725”，并且因此防止流体流量通过定向依赖性流入控制设备705并且进入随后的密度控制阀400。
61.当定向依赖性流入控制设备705以预定角度布置时，其可以是角度的跨度，阻挡构件730'和730”两者将定位成远离定向出口725'、725”并且流体可以流过定向依赖性流入控制设备705并且进入密度控制阀400。
62.通过例如彼此独立地并且例如围绕中心管的周边等距地布置多个定向依赖性流入控制设备705，定向依赖性流入控制设备705中的至少一个应当处于期望的预定角度内，并且因此使流体流量能够通过定向依赖性流入控制设备705并且确保根据本公开的第一方面的密度控制阀400的正确功能。在至少一个实施例中，这在没有不需要的流体绕过密度依赖性浮子230'、230”、230”'的风险的情况下发生。以不利的角度定位的中心管的周边周围的密度控制阀400将被定向依赖性流入控制设备705禁用。
63.图8示出了装置的展开视图(360
°
)，该装置包括围绕中心管(未示出)外部的周边等距分布的四个定向依赖性流入控制设备705。在图8中，参考指示x和x'彼此连接，以及参考指示y和y'彼此连接。
64.四个定向依赖性流入控制设备705中的每一个与对应的密度控制阀400(例如，如图7中实例所公开的)流体连通以形成密度控制阀系统800。四个定向依赖性流入控制设备705中的每一个的定向由g向量来指示，其中指示+应被理解为处于进入附图的方向，向下的箭头为处于垂直向下的方向，
●
为处于离开附图的方向，并且向上的箭头为处于垂直向上的方向。
65.图8所示的实施例中的密度控制阀系统800假设放置在正在产油的部分的油井中。为了有助于图8的理解，定向依赖性流入控制设备705中的每一个的每对阻挡构件730'、730”由不类似的阴影线指示。然而，应当理解，所有八个阻挡构件730'、730”可以是相同的，并且不类似的阴影线仅用于识别四个定向依赖性流入控制设备705中的每一个内的成对的阻挡构件730'、730”。
66.如图8所示，四个定向依赖性流入控制设备705中的仅一个具有以下定向，其中阻挡构件730'、730”都具有位于它们各自的壳体710'、710”的底部部分中的位置，并且因此允许流体流量通定向依赖性流入控制设备705并且进入随后的密度控制阀400。流量由箭头805指示。注意，对通过其中的流体流量开放的密度控制阀400对应于图5b中所示的设备。
67.对于其他三个定向依赖性流入控制设备705，阻挡构件730'、730”中的至少一个阻
挡相应的壳体710'、710”的定向出口725'、725”，并且因此防止流体流量通过定向依赖性流入控制设备705并且进入随后的密度控制阀400。
68.如上所述，图8所示的四个定向依赖性流入控制设备705中的每一个中的阻挡构件730'、730”通常具有钢的密度，并且不管它们周围的流体的类型如何，都将会找到它们正确的位置。
69.如果使用较低密度阻挡构件730'、730”(例如，具有比钢的密度低的密度)代替图中所示的较高密度阻挡构件730'、730”，则本领域技术人员将可以理解，来自710'、710”的出口必须布置在定向依赖性流入控制设备705的相反的部分中，使得当阻挡构件730'、730”“漂浮”时，每个710'、710”的出口被阻挡。
70.为了确保定向依赖性流入控制设备705的可靠操作，壳体710'、710”可以设置有基本上平坦的部分或底板。如果在壳体710'、710”中不使用平坦的部分或底板，则这些壳体710'、710”的放置应考虑完井管柱在安装期间正常地旋转。如果使用低密度阻挡构件730'、730”(未示出)，则平坦的部分应当布置在壳体710'、710”的顶部部分或“顶板”中。
71.上面的讨论是使用根据本公开的密度控制阀400和密度控制阀系统700、800的一种方式的实例。然而，密度控制阀400和密度控制阀系统700、800可针对特定目的而定制。
72.密度控制阀400和密度控制阀系统700、800可以被优化用于所谓的气体发生器，以便仅区别气体/冷凝物发生器中的水。这可以通过简单地移除流量控制装置或密度依赖性浮子230'，或者通过移除整个壳体210'来实现，使得密度控制阀400仅包括两个壳体210”、210”'而不是如图4所示的三个壳体210'、210”、210”'。相同的构造可用于未饱和的产油井，其中在井的使用寿命内不期望气体。类似地，图4中的设备可被设计成通过移除流量控制装置或密度依赖性浮子230”，或者通过移除整个壳体210”来仅区别气体。
73.本公开新近认识到密度控制阀，诸如上面公开的密度控制阀，当用作主控制阀时可能会出现问题。具体而言，当用作主控制阀时，密度控制阀依靠密度依赖性浮子来控制从环空到油管的主流量。然而，这样做时，来自水位下降的吸入压力可能太高以致不允许浮力控制密度依赖性浮子，并且因此使得密度控制阀不能实现它们的预期目的。本公开已经认识到，可以通过使密度控制阀仅控制一小部分的流量，并且然后使用该小部分为阀提供控制来解决前述问题，该阀用于控制从环空到油管的主流量。由于穿过密度依赖性浮子的压降在流速较低时较小，它们不会遇到吸入压力问题，并且因此用作主阀的控制阀工作良好。
74.图9示出了根据本公开的一个或多个实施例设计、制造和操作的流体流量控制系统900。在至少一个实施例中，流体流量控制系统900包括可操作以接收流体910(例如，来自环空905的产液)的流量调节器915。至少在图9的实施例中，流量调节器915将流体910的第一流体流量部分925(例如，第一较大部分)发送到阀930，并且将流体910的第二流体流量部分955(例如，第二较小部分)发送到密度控制阀960。
75.阀930(在一些实施例中可以是先导阀)可包括：可操作以接收第一流体流量部分925的流体入口935、可操作以接收来自密度控制阀960的出口导管964的控制流体965的控制入口940和可操作以选择性地将第一流体流量部分925传送至油管970的流体出口945。在该实施例中，阀930因此被构造成基于从密度控制阀960的出口导管964接收的控制流体965来打开或关闭流体出口945。
76.密度控制阀960在形式和功能上可类似于上面公开的任何密度控制阀，并且因此
经由入口导管962接收第二流体流量部分955，并且经由出口导管964选择性地将控制流体965输出到阀930。在某些实施例中，密度控制阀960与定向依赖性流入控制设备联接，如上面图7和图8相关的文本中所公开的。此外，密度控制阀960和定向依赖性流入控制设备可以布置为密度控制阀系统，如上面图8相关的文本中所公开的。因此，密度控制阀系统不仅能够基于流体910所体现的流体的类型(例如，泥浆、油、气体、水)选择性地将控制流体965发送到阀930，而且还可以考虑密度控制阀960的任何定向问题。
77.在与本公开一致的至少一个实施例中，密度控制阀960包括一个或多个壳体、到壳体的一个或多个入口和出口、以及包含在壳体中的每一个壳体内的相关联的密度依赖性浮子。在至少一个实施例中，密度控制阀960可以类似于上面关于图5a至5d讨论的操作来操作。因此，当流体910是基于泥浆的时，密度控制阀960将发送信号(例如，控制流体965)到阀930，从而允许阀930将基于泥浆的流体910从环空905传送至油管970。类似地，当流体910是基于油的时，密度控制阀960将再次发送信号(例如，控制流体965)到阀930，从而允许阀930将基于油的流体910从环空905传送至油管970。然而，当流体910是基于水或基于气体的时，密度控制阀960将避免发送信号(例如控制流体965)到阀930，从而允许阀930阻止基于水或基于气体的流体910从环空905行进至油管970。
78.上面的段落已被描述为使得施加控制流体965打开阀930，并且不施加控制流体965关闭阀930。事实上，反之亦然。例如，流体流量控制系统900可存在使得施加控制流体965关闭阀930，并且不施加控制流体965打开阀930。
79.简要地转向图10a至图10d，示出了在生产油井的井寿命的不同阶段，密度控制阀1000的替代性的实施例。图10a至图10d的密度控制阀1000，在许多方面类似于图5a至图5d的密度控制阀400。因此，相似的附图标记被用来指示类似的特征。密度控制阀1000与密度控制阀400在很大程度上不同之处在于，密度控制阀1000不传送泥浆或油，但传送气体和水。因此，密度控制阀1000可以用在上面段落中讨论的情况中。在至少一个实施例中，密度控制阀1000通过移除壳体210'中的下部出口225'、在壳体210”中添加上部出口225”、和添加下部出口225”'以及从壳体210”'移除上部出口225”'来实现前述。这样做，如图10a至图10d所示，密度控制阀1000与密度控制阀400反向操作。
80.图11示出了根据本公开的一个或多个替代性的实施例设计、制造和操作的流体流量控制系统1100。流体流量控制系统1100在许多方面类似于流体流控制系统900。因此，相似的附图标记被用来说明类似的特征。与流体流量控制系统900相比，流体流量控制系统1100包括阀1130的替代性的实施例。阀1130仍包括：可操作以接收第一流体流量部分925的流体入口935、可操作以接收来自阀960的出口导管的控制流体的控制入口940、和流体出口945。然而，阀1130可操作以当没有接收到控制流体时，使流体910从环空905传送至油管970，并且当接收到控制流体时，防止流体910从环空905传送至油管970。本领域技术人员理解，密度控制阀960可能需要修改以适应阀1130的改变，包括潜在地改变壳体内的某些入口和出口，以及改变壳体中的每一个壳体内的密度依赖性浮子的密度，例如以适应这种改变。此外，密度控制阀960可能需要修改，使得其不区别泥浆和油，但是将泥浆和油视为一体。在至少一个实施例中，诸如所示的，密度控制阀960可以被构造成类似于关于上面的10a到10d所示的阀1000。
81.转向图12a至图12d，示出了在生产油井的井寿命的不同阶段的图11的流体流量控
制系统1100。在图12a中，泥浆将不会从入口导管962到出口导管964流过密度控制阀960，并且因此将不会关闭阀1130。在图12b中，油将再次不会从入口导管962到出口导管964流过密度控制阀960，并且因此将不会关闭阀1130。在图12c和图12d中，气体和水将分别从入口导管962到出口导管964流过密度控制阀960，并且因此将关闭阀1130。前述是使用密度控制阀960来实现的，其可以或可以不(例如，取决于其设计)发送控制信号到阀1130以打开或关闭。
82.本文所公开的各方面包含：
83.a.一种流体流量控制系统，该流体流量控制系统包括：1)阀，其具有可操作以接收流体的流体入口、可操作以接收控制流体的控制入口和可操作以将流体传送至油管的流体出口，阀被构造成基于控制流体打开或关闭流体出口；和2)密度控制阀，其具有可操作以接收流体的入口导管和联接到阀的控制入口的出口导管，密度控制阀可操作以将控制流体发送到阀以基于流体的密度打开或关闭流体出口。
84.b.井系统，该井系统包括：1)井筒；2)油管，其定位在井筒内，从而与井筒形成环空；3)流体流量控制系统，其至少部分地定位在环空内，流体流量控制系统包括：a)阀，其具有可操作以接收流体的流体入口、可操作以接收控制流体的控制入口和可操作以将流体传送至油管的流体出口，阀被构造成基于控制流体打开或关闭流体出口；和b)密度控制阀，其具有可操作以接收流体的入口导管和联接到阀的控制入口的出口导管，密度控制阀可操作以将控制流体发送到阀以基于流体的密度打开或关闭流体出口。
85.方面a和方面b可以具有以下组合的附加元素中的一个或多个：元素1：其中密度控制阀包括壳体，该壳体包括入口和出口，以及位于壳体内的密度依赖性浮子，密度依赖性浮子被构造成基于其中流体的密度暴露或关闭出口。元素2：其中壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中密度控制阀进一步包括第二壳体，第二壳体包括第二入口和第二出口。元素3：其中第一密度依赖性浮子具有高于气体但低于油和水的密度的密度，并且第二密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于水的密度的密度。元素4：其中壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中密度控制阀进一步包括：第二壳体，第二壳体包括第二入口和第二出口，以及位于第二壳体内的第二密度依赖性浮子；和第三壳体，第三壳体包括第三入口和第三出口，以及位于第三壳体内的第三密度依赖性浮子。元素5：其中第一密度依赖性浮子具有高于油、水和气体但低于钻井泥浆的密度的密度，第二密度依赖性浮子具有高于气体但低于泥浆、油和水的密度的密度，并且第三密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于泥浆和水的密度的密度。元素6：其中第一密度依赖性浮子位于入口导管与第二密度依赖性浮子之间，并且第三密度依赖性浮子位于第二密度依赖性浮子与出口导管之间。元素7：其中密度依赖性浮子邻近出口具有比出口的面积大至少200％的横截面积。元素8：其中密度控制阀形成密度控制阀系统的至少一部分，并且其中密度控制阀系统进一步包括定向依赖性流入控制设备。元素9：其中定向依赖性流入控制设备包括：第一定向壳体，其具有第一定向入口和出口，以及位于第一定向壳体内的第一阻挡构件；和第二定向壳体，其具有第二定向入口和出口，以及位于第二定向壳体内的第二阻挡构件。元素10：其中第一定向入口联接到流体，第一定向出口联接到第二定向入口，并且第二定向出口联接到密度控制阀的入口导管。元素11：其中第一阻挡构件和第二阻挡构件具有高于钻井泥浆、油、气
体和水的密度的密度。元素12：其中密度控制阀包括壳体，该壳体包括入口和出口，以及位于壳体内的密度依赖性浮子，密度依赖性浮子构造成基于其中流体的密度暴露或关闭出口。元素13：其中壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中密度控制阀进一步包括第二壳体，第二壳体包括第二入口和第二出口。元素14：其中第一密度依赖性浮子具有高于气体但低于油和水的密度的密度，并且第二密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于水的密度的密度。元素15：其中壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中密度控制阀进一步包括：第二壳体，第二壳体包括第二入口和第二出口，以及位于第二壳体内的第二密度依赖性浮子；和第三壳体，第三壳体包括第三入口和第三出口，以及位于第三壳体内的第三密度依赖性浮子。元素16：其中第一密度依赖性浮子具有高于油、水和气体但低于钻井泥浆的密度的密度，第二密度依赖性浮子具有高于气体但低于泥浆、油和水的密度的密度，并且第三密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于泥浆和水的密度的密度。元素17：其中第一密度依赖性浮子位于入口导管与第二密度依赖性浮子之间，并且第三密度依赖性浮子位于第二密度依赖性浮子与出口导管之间。元素18：其中密度依赖性浮子邻近出口具有比出口的面积大至少200％的横截面积。元素19：其中密度控制阀形成密度控制阀系统的至少一部分，并且其中密度控制阀系统进一步包括定向依赖性流入控制设备。元素20：其中定向依赖性流入控制设备包括：第一定向壳体，其具有第一定向入口和出口，以及位于第一定向壳体内的第一阻挡构件；和第二定向壳体，其具有第二定向入口和出口，以及位于第二定向壳体内的第二阻挡构件。元素21：其中第一定向入口联接到流体，第一定向出口联接到第二定向入口，并且第二定向出口联接到密度控制阀的入口导管。元素22：其中第一阻挡构件和第二阻挡构件具有高于钻井泥浆、油、气体和水的密度的密度。
86.本技术所涉及的领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例进行其它和另外的添加、删除、取代和修改。

技术特征：
1.一种流体流量控制系统，所述流体流量控制系统包括：阀，所述阀具有可操作以接收流体的流体入口、可操作以接收控制流体的控制入口和可操作以将所述流体传送至油管的流体出口，所述阀被构造成基于所述控制流体打开或关闭所述流体出口；和密度控制阀，所述密度控制阀具有可操作以接收所述流体的入口导管和联接到所述阀的所述控制入口的出口导管，所述密度控制阀可操作以将所述控制流体发送到所述阀以基于所述流体的密度打开或关闭所述流体出口。2.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，其中所述密度控制阀包括壳体，所述壳体包括入口和出口，以及位于所述壳体内的密度依赖性浮子，所述密度依赖性浮子被构造成基于其中所述流体的密度暴露或关闭所述出口。3.根据权利要求2所述的流体流量控制系统，其中所述壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且所述密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中所述密度控制阀进一步包括第二壳体，所述第二壳体包括第二入口和第二出口。4.根据权利要求3所述的流体流量控制系统，其中所述第一密度依赖性浮子具有高于气体但低于油和水的密度的密度，并且所述第二密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于水的密度的密度。5.根据权利要求2所述的流体流量控制系统，其中所述壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且所述密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中所述密度控制阀进一步包括：第二壳体，所述第二壳体包括第二入口和第二出口，以及位于所述第二壳体内的第二密度依赖性浮子；和第三壳体，所述第三壳体包括第三入口和第三出口，以及位于所述第三壳体内的第三密度依赖性浮子。6.根据权利要求5所述的流体流量控制系统，其中所述第一密度依赖性浮子具有高于油、水和气体但低于钻井泥浆的密度的密度，所述第二密度依赖性浮子具有高于气体但低于泥浆、油和水的密度的密度，并且所述第三密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于泥浆和水的密度的密度。7.根据权利要求6所述的流体流量控制系统，其中所述第一密度依赖性浮子位于所述入口导管与所述第二密度依赖性浮子之间，并且所述第三密度依赖性浮子位于所述第二密度依赖性浮子与所述出口导管之间。8.根据权利要求2所述的流体流量控制系统，其中所述密度依赖性浮子邻近所述出口具有比所述出口的面积大至少200％的横截面积。9.根据权利要求1所述的流体流量控制系统，其中所述密度控制阀形成密度控制阀系统的至少一部分，并且其中所述密度控制阀系统进一步包括定向依赖性流入控制设备。10.根据权利要求9所述的流体流量控制系统，其中所述定向依赖性流入控制设备包括：第一定向壳体，其具有第一定向入口和出口，以及位于所述第一定向壳体内的第一阻挡构件；和第二定向壳体，其具有第二定向入口和出口，以及位于所述第二定向壳体内的第二阻挡构件。11.根据权利要求10所述的流体流量控制系统，其中所述第一定向入口联接到所述流体，所述第一定向出口联接到所述第二定向入口，并且所述第二定向出口联接到所述密度控制阀的所述入口导管。
12.根据权利要求11所述的流体流量控制系统，其中所述第一阻挡构件和所述第二阻挡构件具有高于钻井泥浆、油、气体和水的密度的密度。13.一种井系统，所述井系统包括：井筒；油管，所述油管定位在所述井筒内，从而与所述井筒形成环空；和流体流量控制系统，所述流体流量控制系统至少部分地定位在所述环空内，所述流体流量控制系统包括；阀，所述阀具有可操作以接收流体的流体入口、可操作以接收控制流体的控制入口和可操作以将所述流体传送至所述油管的流体出口，所述阀被构造成基于所述控制流体打开或关闭所述流体出口；和密度控制阀，所述密度控制阀具有可操作以接收所述流体的入口导管和联接到所述阀的所述控制入口的出口导管，所述密度控制阀可操作以将所述控制流体发送到所述阀以基于所述流体的密度打开或关闭所述流体出口。14.根据权利要求13所述的井系统，其中所述密度控制阀包括壳体，所述壳体包括入口和出口，以及位于所述壳体内的密度依赖性浮子，所述密度依赖性浮子被构造成基于其中所述流体的密度暴露或关闭所述出口。15.根据权利要求14所述的井系统，其中所述壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且所述密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中所述密度控制阀进一步包括第二壳体，所述第二壳体包括第二入口和第二出口。16.根据权利要求15所述的井系统，其中所述第一密度依赖性浮子具有高于气体但低于油和水的密度的密度，并且所述第二密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于水的密度的密度。17.根据权利要求14所述的井系统，其中所述壳体是具有第一入口和第一出口的第一壳体，并且所述密度依赖性浮子是第一密度依赖性浮子，并且其中所述密度控制阀进一步包括：第二壳体，其包括第二入口和第二出口，以及位于所述第二壳体内的第二密度依赖性浮子；和第三壳体，其包括第三入口和第三出口，以及位于所述第三壳体内的第三密度依赖性浮子。18.根据权利要求17所述的井系统，其中所述第一密度依赖性浮子具有高于油、水和气体但低于钻井泥浆的密度的密度，所述第二密度依赖性浮子具有高于气体但低于泥浆、油和水的密度的密度，并且所述第三密度依赖性浮子具有高于气体和油但低于泥浆和水的密度的密度。19.根据权利要求18所述的井系统，其中所述第一密度依赖性浮子位于所述入口导管与所述第二密度依赖性浮子之间，并且所述第三密度依赖性浮子位于所述第二密度依赖性浮子与所述出口导管之间。20.根据权利要求14所述的井系统，其中所述密度依赖性浮子邻近所述出口具有比所述出口的面积大至少200％的横截面积。21.根据权利要求13所述的井系统，其中所述密度控制阀形成密度控制阀系统的至少一部分，并且其中所述密度控制阀系统进一步包括定向依赖性流入控制设备。22.根据权利要求21所述的井系统，其中所述定向依赖性流入控制设备包括：第一定向
壳体，其具有第一定向入口和出口，以及位于所述第一定向壳体内的第一阻挡构件；和第二定向壳体，其具有第二定向入口和第二定向出口，以及位于所述第二定向壳体内的第二阻挡构件。23.根据权利要求22所述的井系统，其中所述第一定向入口联接到所述流体，所述第一定向出口联接到所述第二定向入口，并且所述第二定向出口联接到所述密度控制阀的所述入口导管。24.根据权利要求23所述的井系统，其中所述第一阻挡构件和所述第二阻挡构件具有高于钻井泥浆、油、气体和水的密度的密度。

技术总结
本公开提供了一种流体流量控制系统和一种井系统。一方面，所述流体流量控制系统包括阀，所述阀具有可操作以接收流体的流体入口、可操作以接收控制流体的控制入口和可操作以将所述流体传送至所述油管的流体出口，所述阀被构造成基于所述控制流体打开或关闭所述流体出口。根据该方面的所述流体流量控制系统进一步包括密度控制阀，所述密度控制阀具有可操作以接收所述流体的入口导管和联接到所述阀的所述控制入口的出口导管，所述密度控制阀可操作以将所述控制流体发送到所述阀以基于所述流体的密度打开或关闭所述流体出口。述流体的密度打开或关闭所述流体出口。述流体的密度打开或关闭所述流体出口。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：哈利伯顿能源服务公司
技术研发日：2021.04.22
技术公布日：2023/10/5