Создающая вращательное движение система регулируемого сопротивления потоку, содержащая боковой выпуск для текучей среды, а также способ использования такой системы в подземных формациях
Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена для регулирования потока текучей среды. Система содержит камеру, выполненную с возможностью придания вращательного движения протекающей через нее текучей среде, впуск для текучей среды, соединенный с камерой, канал, образованный в нижней внутренней поверхности и проходящий через боковую стенку камеры, и выпуск для текучей среды, соединенный с камерой в месте указанного канала. Причем камера имеет верхнюю внутреннюю поверхность, нижнюю внутреннюю поверхность и проходящую между ними боковую стенку. Причем выпуск выполнен с возможностью выпускания текучей среды через боковую стенку камеры по указанному каналу. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования сопротивления потоку. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 23 ил.
Область техники
В общем плане настоящее изобретение относится к системам и способам регулирования потока текучей среды, в частности, в подземных формациях, и более конкретно, к создающим вращательное движение системам регулируемого сопротивления потоку с выпуском текучей среды в боковой стенке, что позволяет соединять друг с другом системы регулируемого сопротивления потоку с их последовательным сообщением друг с другом.
Уровень техники
Часто может быть целесообразно регулировать поток текучих сред формации внутри буровой скважины, пронизывающей подземную формацию. Множество причин и целей может вызывать необходимость этого регулирования, в том числе, например, предотвращение образования в скважине водяного и/или газового конуса (с отжатием нефти от забоя), снижение до минимума воды и/или газа при добыче, снижение до минимума песка при добыче, максимальная добыча нефти, баланс добычи из различных подземных зон, выравнивание давления между различными подземными зонами и/или подобные причины и цели.
Подобным же образом может быть целесообразно регулировать поток инжектируемых текучих сред, таких как вода, пар или газ, в скважину, проходящую через подземную формацию. Регулирование потока инжектируемых текучих сред может быть особенно полезно, например, для управления распределением инжектируемой текучей среды в различных подземных зонах и/или для предотвращения ввода инжектируемой текучей среды в зоны текущей добычи.
Для удовлетворения указанных потребностей был разработан целый ряд систем сопротивления потоку различных типов. Многие из этих систем сопротивления потоку являются системами регулируемого сопротивления, которые могут ограничивать прохождение одних текучих сред в большей степени, чем других, на основе одного или нескольких различий физических свойств текучих сред. В качестве примера физических свойств текучей среды, которые могут определять интенсивность ее прохождения через систему регулируемого сопротивления, можно назвать вязкость, скорость и плотность. В зависимости от типа, состава и физических свойств текучей среды или смеси текучих сред, прохождение которой должно ограничиваться, системы регулируемого сопротивления потоку могут быть выполнены таким образом, что желаемая текучая среда может проходить в большем отношении к нежелательной текучей среде через направляющую потока, включающую в себя систему регулируемого сопротивления потоку.
Вращательное движение может быть особенно эффективным для регулируемого ограничения потока текучей среды в системе регулируемого сопротивления потоку. В системах регулируемого сопротивления потоку, способных создавать вращательное движение, смесь текучих сред чаще всего входит в камеру в системе регулируемого сопротивления потоку таким образом, что нежелательный компонент смеси текучих сред подвергается большему вращательному движению, чем желаемый компонент смеси. В результате нежелательный компонент проходит по более длинному пути потока, чем желаемый компонент, и время нахождения нежелательного компонента в системе регулируемого сопротивления потоку может быть увеличено. Чаще всего система регулируемого сопротивления потоку выполнена таким образом, что выходящая из системы текучая среда отводится через отверстие в дне камеры. Хотя такое исполнение выходного отверстия может быть особенно эффективным для создания вращательного движения текучей среды подобно водовороту, оно значительно усложняет последовательное соединение множества камер друг с другом.
Множество камер с донным выходным отверстием могут быть последовательно соединены для образования работоспособной системы регулируемого сопротивления потоку, но в итоге расположение камер может быть неэффективным в отношении использования пространства. Так например, на фиг. 1А-1С показаны несколько возможных схем расположения группы камер, имеющих донные выходные отверстия и последовательно соединенных друг с другом. Как показано на фиг. 1А и 1В, донное выходное отверстие 9 камеры 5 в системах 1 и 3 регулируемого сопротивления потоку обуславливает вертикальное расположение камер (фиг. 1А) или ступенчатое вертикальное расположение (фиг. 1В). В стесненных местах, например, в скважине, такое расположение может создавать проблемы в отношении использования имеющегося пространства. Как показано на фиг. 1C, по существу горизонтальное расположение камер с донным выходным отверстием в системе 4 регулируемого сопротивления потоку возможно, по крайней мере в принципе. Однако показанное на фиг. 1C по существу горизонтальное расположение камер может также оказаться проблематичным из-за того, что требует вертикального движения текучей среды при переходе между соседними камерами.
Раскрытие изобретения
В общем плане настоящее изобретение относится к системам и способам для регулирования потока текучей среды, в частности, в пределах подземной формации и, более конкретно, к создающим вращательное движение системам регулируемого сопротивления потоку с выпуском для текучей среды в боковой стенке, что позволяет соединять системы регулируемого сопротивления потоку с последовательным сообщением друг с другом.
В некоторых своих вариантах изобретение относится к системе регулируемого сопротивления потоку, содержащей: камеру, выполненную с возможностью придания вращательного движения протекающей через нее текучей среде; впуск для текучей среды, соединенный с камерой; и соединенный с камерой выпуск для текучей среды, который обеспечивает выход текучей среды по меньшей мере через боковую стенку камеры.
В других вариантах изобретения оно относится к системе регулируемого сопротивления потоку, содержащей: множество камер, последовательно сообщающихся друг с другом, причем каждая камера содержит соединенные с ней впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; при этом по меньшей мере некоторые из камер выполнены с возможностью придания вращательного движения протекающей через них текучей среде; и при этом выпуски для текучей среды по меньшей мере некоторых из камер выполнены с возможностью обеспечения выхода текучей среды по меньшей мере через боковую стенку камеры.
В следующих вариантах осуществления изобретение относится к способу, содержащему следующие этапы: установку скважинной трубы в незаконченной скважине; причем скважинная труба содержит по меньшей мере одну систему регулируемого сопротивления потоку, сообщающуюся с внутренней полостью скважинной трубы, при этом каждая система регулируемого сопротивления потоку содержит: множество камер, последовательно сообщающихся друг с другом, причем каждая камера содержит соединенные с ней впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды; при этом по меньшей мере некоторые из камер выполнены с возможностью придания вращательного движения протекающей через них текучей среде; и при этом выпуски для текучей среды по меньшей мере некоторых из камер выполнены с возможностью обеспечения выхода текучей среды по меньшей мере через боковую стенку камеры.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалисту данной области техники из ознакомления с последующим описанием предпочтительных вариантов изобретения.
Краткий перечень чертежей
Последующие графические материалы включены в описание для иллюстрации некоторых аспектов настоящего изобретения, но их не следует рассматривать в качестве ограничительных или предпочтительных примеров осуществления. Описываемое решение может подвергаться значительной модификации и эквивалентным заменам как по выполнению, так и по функции, как это должно быть понятно специалисту данной области техники на основе данного описания.
Фиг. 1А-1С изображают на виде сбоку несколько возможных схем расположения множества камер с выпуском в дне, последовательно соединенных друг с другом.
Фиг. 2 изображает на виде с частичным разрезом ствол скважины, в котором могут использоваться системы регулируемого сопротивления потоку.
фиг. 3А схематично изображает на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую одну камеру с каналом, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку камеры.
Фиг. 3В схематично изображает на виде сверху в разрезе систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую одну камеру с каналом, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку камеры.
Фиг. 3С и 3D схематично изображают на виде сверху в разрезе систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую множество камер, последовательно соединенных друг с другом.
Фиг. 3Е схематично изображает на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую одну камеру с выпуском конической формы для текучей среды, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку.
Фиг. 4А и 4В схематично изображает на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую одну камеру либо с одним отверстием (фиг. 4А), либо с множеством отверстий (фиг. 4В) в боковой стенке.
Фиг. 5А-5С схематично изображают на виде сверху в разрезе системы регулируемого сопротивления потоку, содержащие множество камер, последовательно соединенных друг с другом посредством выпусков для текучей среды в боковых стенках камер.
Фиг. 5А-5С схематично изображают на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую камеру с множеством выпусков для текучей среды.
Фиг. 6А и 6В схематично изображают на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую камеру с множеством выпусков для текучей среды.
Фиг. 6С схематично изображает на виде сверху в разрезе систему регулируемого сопротивления потоку, в которой камера по фиг. 6А использована для образования разветвленной схемы расположения множества последовательно соединенных камер.
Фиг. 7А и 7В схематично изображают на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку в иллюстративном примере выполнения, в котором вращательное движение текучей среды происходит по меньшей мере частично параллельно направлению потока текучей среды.
Фиг. 8А схематично изображает на виде сверху в разрезе систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую камеру с направляющей основного потока и направляющей ответвления потока во впуске для текучей среды.
Фиг. 8В и 8С схематично изображают на виде сверху в разрезе систему регулируемого сопротивления потоку, в которой последовательно соединены друг с другом множество камер, имеющих впуск для текучей среды с направляющей основного потока и направляющей ответвления потока.
Фиг. 9 схематично изображает на виде сбоку систему регулируемого сопротивления потоку, содержащую множество выпусков и впусков для текучей среды, соединяющих друг с другом камеры системы
Осуществление изобретения
В общем плане настоящее изобретение относится к системам и способам регулирования потока текучей среды, в частности, в подземных формациях, и более конкретно, к создающим вращательное движение системам регулируемого сопротивления потоку с выпуском текучей среды в боковой стенке, что позволяет соединять друг с другом системы регулируемого сопротивления потоку с их последовательным сообщением друг с другом.
Как обсуждалось выше, системы регулируемого сопротивления потоку, которые создают вращательное движение внутри текучей среды, в типовом случае могут содержать выходное отверстие для текучей среды на дне камеры, в которых расположение выходного отверстия одновременно способствует закручивающему вращательному движению текучей среды и выпуску текучей среды под действием гравитации. Однако это расположение выпускного отверстия может создавать проблемы последовательных соединений между камерами, если требуется более высокая степень регулирования потока текучей среды, чем может обеспечивать одиночная камера.
Представленные здесь варианты изобретения устраняют указанные недостатки уровня техники. В частности, в данном описании раскрыты системы регулируемого сопротивления потоку с камерами, не имеющими выпускного отверстия для текучей среды через дно камеры. Согласно данным вариантам осуществления, вместо этого камеры имеют выпуск для текучей среды в боковой стенке камеры. Основное преимущество камер состоит в том, что они могут быть эффективно последовательно соединены друг с другом в систему регулируемого сопротивления потоку (например, по существу с горизонтальным расположением) без необходимости лишнего вертикального движения текучей среды при переходе между соседними камерами. По существу горизонтальное расположение камер может быть особенно эффективным в аспекте использования пространства, так что они могут легко использоваться в ограниченных зонах, таких как буровая скважина, проходящая в подземную формацию. Кроме того, возможность последовательного соединения множества камер в систему регулируемого сопротивления потоку позволяет получать более широкий диапазон регулирования, чем при использовании всего одной камеры.
Описываемая здесь система регулируемого сопротивления потоку дает также преимущества в отношении легкости изготовления. Обычно считается, что описываемые камеры обеспечивают более низкую вращательную скорость (например, меньшее вращательное движение) текучей среды, чем сравнимые камеры с выпускным отверстием, проходящим через дно. Несмотря на то, что камера, создающая меньшее вращательное движение текучей среды, имеет меньшую эксплуатационную эффективность, возможность соединения множества последовательных камер может преодолевать недостаток более низкого ограничения потока, которое обеспечивается единственной камерой в данных примерах выполнения. Однако с производственной точки зрения более низкие вращательные скорости в камерах могут приводить к меньшей механической нагрузке на камеру, что позволяет создавать системы регулируемого сопротивления потоку с использованием материалов меньшей механической прочности. Так например, в некоторых примерах выполнения описываемые здесь камеры могут быть изготовлены способом литья или формования полимеров, полимерных композиционных материалов, керамики или металлов. Зачастую материалы меньшей механической прочности могут быть значительно дешевле материалов более высокого качества, которые необходимы для изготовления систем регулируемого сопротивления потоку с более высокими вращательными скоростями. Возможность использования материалов низкой стоимости в системах регулируемого сопротивления потоку может в итоге приводить к меньшим затратам на изготовление.
В некоторых примерах выполнения описываемые системы регулируемого сопротивления потоку могут содержать камеру, предназначенную для того, чтобы создавать вращательное движение протекающей через нее текучей среды, при этом впуск для текучей среды подсоединен к камере, а выпуск для текучей среды, позволяет текучей среде выходить по меньшей мере через одну боковую стенку камеры.
В некоторых примерах выполнения множество камер могут быть последовательно соединены друг с другом с образованием системы регулируемого сопротивления потоку. В некоторых примерах выполнения описываемые здесь системы регулируемого сопротивления потоку могут содержать множество камер, которые последовательно сообщаются друг с другом, при этом каждая камера имеет подсоединенные к ней впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды и по меньшей мере некоторые из камер выполнены способными создавать вращательное движение проходящей через них текучей среды, а выпуски для текучей среды по меньшей мере некоторых камер выполнены для выпуска текучей среды по меньшей мере через одну боковую стенку камеры.
В некоторых примерах выполнения, относящихся к случаю когда множество камер последовательно соединены в систему регулируемого сопротивления потоку, все камеры могут быть одинаковыми, при этом в других примерах выполнения по меньшей мере некоторые из камер могут быть различными. В некоторых примерах выполнения все камеры могут иметь выпуск, позволяющий текучей среде выходить через боковую стенку камеры. В других примерах выполнения камеры с выпуском для текучей среды через боковую стенку камеры могут использоваться в комбинации с камерами, которые имеют выпуск для текучей среды через дно камеры. Выбор конкретной комбинации камер может диктоваться эксплуатационной необходимостью, очевидной для специалиста данной области техники.
В настоящей заявке термин «камера» относится к замкнутому пространству, имеющему по меньшей мере один впуск и по меньшей мере один выпуск. Использование термина «камера» на накладывает ограничений в отношении формы и/или размеров камеры, если нет специальных иных указаний.
В настоящей заявке термин «канал» относится к удлиненному проходу, через который может течь текучая среда и который открыт по меньшей мере до некоторой степени вдоль своей длины. В различных примерах выполнения закрытая часть канала может быть полусферической или наполовину полусферической (то есть трубчатой, имеющей только одну отдельную поверхность) или желобчатой (то есть имеющей две или большее число отдельных поверхностей). Кроме того, канал может иметь форму или размеры, изменяющиеся по его длине.
В настоящей заявке термин «степень кривизны» относится по меньшей мере к некоторому отклонению от плоскости, в особенности в отношении формы поверхности.
Если специально не указано иное, использование термина «степень кривизны» не следует толковать как указание какой-либо конкретной степени или формы кривизны.
В настоящей заявке термин «боковая стенка» относится к любой поверхности камеры, проходящей от верхней наружной поверхности к нижней наружной поверхности камеры. Термин «наружный» относится к наружной поверхности камеры, не находящейся в контакте с проходящей через камеру текучей средой.
В настоящей заявке термин «вращательное движение» относится к движению вокруг оси.
В различных примерах выполнения настоящего изобретения системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться в буровой скважине, проходящей через подземную формацию. На фиг. 2 схематично показан на виде с частичным разрезом ствол скважины, в котором могут использоваться системы регулируемого сопротивления потоку. Как показано на фиг. 2, скважина 10 содержит ствол 12 скважины, который имеет по существу необсаженный вертикальный участок 14, проходящий от обсаженного участка 16, и по существу горизонтальный необсаженный участок 18, проходящий через подземную формацию 20. Скважинная труба 22 проходит через ствол 12 скважины, при этом скважинная труба 22 может быть любым трубопроводом для текучей среды, обеспечивающим транспортирование текучих сред в ствол 12 и из него. В некоторых примерах выполнения скважинная труба 22 может представлять собой колонну труб в качестве эксплуатационной колонны труб.
Как показано также на фиг. 2, со скважинной трубой 22 может быть соединено множество скважинных фильтров 24, каждый из которых сообщается с системой 25 регулируемого сопротивления потоку. Кольцевой зазор 28, образованный между скважинной трубой 22 и внутренней поверхностью необсаженного горизонтального участка 18, может быть уплотнен пакерами 26. Пакеры 26 могут обеспечивать зональную изоляцию различных подземных зон, пронизываемых скважинной трубой 22, что позволяет получать текучие среды 30 из некоторых или всех зон подземной формации 30 или вводить текучие среды 30 в некоторые или во все зоны. Скважинные фильтры 24 могут фильтровать текучие среды 30 при их движении внутрь скважинной трубы 22. Каждая система 25 регулируемого сопротивления потоку может регулировать доступ текучих сред 30 внутрь скважинной трубы 22 и/или ограничивать поток некоторых типов текучих сред 30 на основе их определенных характеристик или физических свойств.
Следует отметить, что описываемые здесь системы регулируемого сопротивления потоку не ограничиваются выполнением, показанным на фиг. 2, которая носит иллюстративный характер. Так например, не является ограничительным тип ствола скважины, в котором могут использоваться системы регулируемого сопротивления потоку, а ствол 12 не обязательно должен содержать необсаженный вертикальный участок 14 или необсаженный горизонтальный участок 18. Кроме того, любой участок ствола 12 может быть обсаженным или необсаженным, а скважинная труба 22 может быть размещена в любом участке, обсаженном или необсаженном.
Также, не единственно возможным является случай, когда текучие среды 30 только добываются из подземной формации 20, поскольку в некоторых примерах осуществления текучие среды могут и инжектироваться в подземную формацию и добываться из нее. Кроме того, представленные на фиг. 2 различные элементы, подсоединенные к скважинной трубе 22, не являются обязательными, и каждый из них может не использоваться в каждой подземной зоне или не использоваться вообще. Однако в некоторых примерах осуществления различные элементы, подсоединенные к скважинной трубе 22, могут дублироваться в каждой подземной зоне. Далее, зональная изоляция с использованием пакеров 26 не является обязательной или же могут использоваться другие типы зональной изоляции, известные специалисту данной области техники.
В различных примерах изобретения, не ограничивающих объем его правовой охраны, системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться для предотвращения образования водяного и/или газового конуса от подземной формации 20. В некоторых примерах изобретения системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться для выравнивания давления и обеспечения баланса добычи между приствольным участком 13 и призабойной зоной 11 ствола 12 скважины. В других примерах осуществления системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться для сведения к минимуму добычи нежелательных текучих сред и к максимуму добычи желаемых текучих сред. Следует также понимать, что устройства регулирования потока в скважине могут использоваться для осуществления операций инжекции с получением указанных выше преимуществ.
Решение того, является ли текучая среда желаемой или нежелательной, обычно определяется характером проводимой подземной операции. Так например, если целью подземной операции является добыча нефти, а не природного газа или воды, нефть может считаться желаемой текучей средой, а природный газ и вода - нежелательными текучими средами. В других случаях желаемой текучей средой может быть природный газ, а вода может быть нежелательной текучей средой. Следует заметить, что при температурах и давлениях в глубине скважины природный газ может быть по меньшей мере частично сжиженным, а в данном контексте термин «природный газ» или просто «газ» относится к углеводородному газу (например, метану), который обычно находится в газовой фазе при атмосферном давлении и комнатной температуре.
В целом описываемые здесь системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться в любой подземной операции, когда существует необходимость регулировать поток текучих сред внутрь скважинной трубы или наружу из нее. Причины, по которым специалист может желать регулировать поток текучих сред, могут включать в себя, например, предотвращение или снижение до минимума образования водяного или газового конуса, предотвращение или снижение до минимума добычи воды и/или газа, предотвращение или снижение до минимума добычи песка, максимальную добычу нефти, улучшение баланса добычи из различных подземных зон, лучшее выравнивание давления между различными подземными зонами и другие подобные причины.
В частности, описываемые здесь системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться в различных вариантах изобретения во время операций по добыче и инжекции в подземной формации. В некоторых примерах осуществления способы использования описываемых систем регулируемого сопротивления потоку могут содержать этап установки скважинной трубы в необсаженном стволе скважины, причем скважинная труба содержит по меньшей мере одну систему регулируемого сопротивления потоку, которая сообщается со скважинной трубой. В таких примерах осуществления каждая система регулируемого сопротивления потоку может содержать множество камер, последовательно сообщающихся друг с другом, при этом каждая камера имеет соединенные с ней впуск и выпуск для текучей среды, при этом по меньшей мере некоторые из камер выполнены с возможностью придания вращательного движения протекающей через нее текучей среде, а выпуски для текучей среды по меньшей мере некоторых камер выполнены с возможностью обеспечения выхода текучей среды по меньшей мере через одну боковую стенку камеры.
В некоторых примерах осуществления способы могут дополнительно содержать обеспечение возможности для текучей среды формации протекать по меньшей мере через некоторые из систем регулируемого сопротивления потоку внутрь скважинной трубы. В некоторых примерах осуществления способы могут дополнительно содержать добычу текучей среды формации через скважинную трубу.
В некоторых примерах осуществления данные системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться в операциях инжекции. Так например, системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться для управления вводом в подземную формацию различных типов обрабатывающих текучих сред. В операциях инжекции инжектируемые текучие среды могут включать в себя, например, пар, сжиженный газ и воду. Системы регулируемого сопротивления потоку могут использоваться для компенсации изменения давления от приствольного до призабойного участка ствола скважины или для компенсации колебаний проницаемости в подземной формации.
В некоторых примерах изобретения скважина может содержать горизонтальный ствол. В других примерах скважина может содержать вертикальный ствол. В некоторых примерах изобретения ствол скважины может содержать множество участков с расположением по меньшей мере одной системы регулируемого сопротивления потоку на каждом участке.
Данные системы регулируемого сопротивления потоку могут содержать по меньшей мере одну камеру с выпуском для текучей среды, подсоединенным к боковой стенке камеры. В других отношениях компоновка систем регулируемого сопротивления потоку и конструкции их камер не имеют особых ограничений. Некоторые примеры выполнения систем регулируемого сопротивления потоку, удовлетворяющие указанным требованиям, описаны ниже более подробно со ссылками на чертежи. Следует понимать, что чертежи, на которых представлены системы регулируемого сопротивления потоку с выпусками для текучей среды в боковой стенке, носят иллюстративный, а не ограничивающий характер. В пределах компетенции среднего специалиста в данной области возможны другие примеры осуществления, другая ориентация, компоновка и комбинации особенностей, описанных ниже и представленных на чертежах.
В американской заявке №12/869836 на изобретение, поданной 27 августа 2010 г. тем же заявителем, которая включена в данное описание полностью посредством ссылки, описаны несколько примеров выполнения камер, которые способны создавать вращательное движение протекающей через них текучей среды. Описанные в этом документе камеры могут быть адаптированы к камерам, раскрытым в представленных ранее примерах настоящего изобретения, путем оснащения их выпуском для текучей среды в боковой стенке. В частности, в некоторых примерах настоящего изобретения камеры могут содержать различные конструкции, обеспечивающие влияние на поток, придающие вращательное движение протекающей через них текучей среде. В некоторых примерах изобретения влияющие на поток конструкции могут быть выполнены в виде лопастей или углублений на боковой стенке камеры или в ней. В камерах может использоваться любое число влияющих на поток конструкций для создания желаемой степени сопротивления потоку проходящей текучей среды.
Кроме того, в некоторых примерах изобретения конструкция камер может быть такой, что только текучие среды, обладающие определенными физическими свойствами, могут подвергаться желаемой степени вращательного движения в камере. Другими словами, в некоторых примерах выполнения конструкция камер позволяет использовать физические свойства текучей среды таким образом, что по меньшей мере одно физическое свойство определяет интенсивность прохождения текучей среды через камеру. В частности, текучие среды, имеющие определенные физические свойства (например, вязкость, скорость и/или плотность) могут подвергаться более интенсивному вращательному движению при прохождении через камеру, что увеличивает время их прохождения по отношению к текучим средам, не имеющим этого физического свойства. Так например, в некоторых примерах осуществления камера может быть выполнена усиливающей вращательное движение текучей среды при снижении вязкости. Соответственно, в этих примерах осуществления текучая среда, имеющая более высокую вязкость, (например, нефть) может подвергаться меньшему вращательному движению при прохождении через камеру, чем текучая среда более низкой вязкости (например, газ или вода), так что текучая среда высокой вязкости может иметь время прохождения по пути потока с меньшей степенью влияния на него, чем текучая среда низкой вязкости.
Для описываемых систем регулируемого сопротивления потоку пригодны различные типы выпусков в боковой стенке. В некоторых примерах выполнения выпуск для текучей среды может содержать канал внутри камеры, который отходит от верхней или нижней внутренней поверхности камеры и проходит по меньшей мере через одну боковую стенку камеры. Это означает, что канал может быть образован в верхней или в нижней внутренней поверхности камеры, но канал проходит через боковую стенку, а не через верх или дно камеры. В некоторых примерах выполнения выпуск для текучей среды может содержать выпуск конической формы, проходящий по меньшей мере через одну боковую стенку камеры. В некоторых примерах выполнения выпуск для текучей среды может содержать по меньшей мере одно отверстие в боковой стенке камеры. В других примерах выполнения выпуск для текучей среды может содержать по меньшей мере одну канавку или щель в боковой стенке камеры. Другие типы выпусков для текучей среды могут включать, например, криволинейные проходы, спиральные проходы, проходы с изменением направления и секционные направляющие проходы переменного диаметра. Возможны также комбинации выпусков для текучей среды различных типов.
На фиг. 3А схематично показана на виде сбоку система регулируемого сопротивления потоку, содержащая одну камеру с каналом, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку камеры. На фиг. 3В схематично показана на виде сверху в разрезе система регулируемого сопротивления потоку, содержащая одну камеру с каналом, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку камеры. Как показано на фиг. 3А и 3В, камера 50, имеющая боковую стенку 51, верхнюю внутреннюю поверхность 52 и нижнюю внутреннюю поверхность 53, содержит соединенные с ней впуск 54 и выпуск 55 для текучей среды. Камера 50 снабжена каналом 57, который выполнен в нижней внутренней поверхности 53 и образует направляющую для текучей среды, проходящую через боковую стенку 51 к выпуску 55 для текучей среды. В данном примере выполнения канал 57 и выпуск 55 для текучей среды не проходят через нижнюю наружную поверхность камеры 50.
На фиг. 3С и 3D схематично показана на виде сверху в разрезе система регулируемого сопротивления потоку, содержащая множество камер, последовательно соединенных друг с другом. На фиг. 3С впуск 54 для текучей среды и выпуск 55 для текучей среды выполнены таким образом, что множество камер 50 последовательно соединены друг с другом по существу в линию. На фиг. 3D впуск 54 для текучей среды и выпуск 55 для текучей среды выполнены таким образом, что множество камер 50 соединены друг с другом не в линию. Согласно данным примерам осуществления выпуск 55 для текучей среды одной камеры может быть соединен со впуском 54 для текучей среды следующей камеры для установления между ними последовательного соединения. В рамках изобретения может использоваться любая комбинация линейного и нелинейного расположения камер 50. Кроме того, не является ограничительным условием соединения выпуска 55 для текучей среды с каналом 57 именно таким образом, как это показано на фиг. 3А-3D. Другие пути для выхода текучей среды из камеры через ее боковую стенку подробно описаны ниже и могут использоваться в системах регулируемого сопротивления потоку, сравнимых с показанными на фиг. 3А-3D.
В некоторых альтернативных примерах осуществления канал 57 по фиг. 3А-3D может быть заменен выпуском конической формы для текучей среды, проходящим через боковую стенку камеры 50. На фиг. 3Е схематично показана на виде сбоку система регулируемого сопротивления потоку, содержащая одну камеру 50 с выпуском 58 конической формы для текучей среды, проходящим от нижней внутренней поверхности камеры через боковую стенку 51.
На фиг. 4А и 4В схематично показана на виде сбоку система регулируемого сопротивления потоку, содержащая одну камеру либо с одним отверстием (фиг. 4А), либо с множеством отверстий в боковой стенке. Как показано на фиг. 4А и 4В, камера 60 имеет соединенные с ней впуск 61 и выпуск 62 для текучей среды. Текучая среда может выходить из камеры 60 через боковую стенку 63 через отверстие (отверстия) 65 и проходит через выпуск 62 для текучей среды. Как показано на фиг. 4В, проходящая через каждое отверстие 65 текучая среда может вновь соединяться в единый поток текучей среды. В альтернативных примерах осуществления проходящая через каждое отверстие 65 текучая среда может оставаться отдельным потоком текучей среды (не показано), причем каждый поток может отдельно поступать в следующую камеру. Последовательное соединение камер друг с другом может быть выполнено таким же образом, как показано на фиг. 3С и 3D, так что расположение камер также может быть либо по существу линейным, либо нелинейным. Кроме того, понятно, что в любом из различных примеров осуществления отверстие (отверстия) 65 может быть заменено такими отверстиями как щели или канавки с достижением подобного результата.
Следует понимать, что выбор по существу линейного или нелинейного расположения камер для многокамерной системы регулируемого сопротивления потоку определяется эксплуатационной необходимостью, и специалист средней квалификации в данной области вполне способен выбрать предпочтительную ориентацию для конкретного применения. Кроме того, следует понимать, что изображение определенного числа камер на чертежах не следует толковать как ограничительное. Согласно примерам осуществления любое число камер может быть последовательно соединено с образованием многокамерной системы регулируемого сопротивления потоку, содержащей, например, от двух примерно до двадцати камер в одних примерах осуществления или от двух до примерно десяти камер в других примерах или от двух до примерно пяти камер в следующих примерах осуществления. Разумеется, при желании в системе регулируемого сопротивления потоку может использоваться также одна камера.
В дополнение к примерам расположения множества камер по фиг. 3С и 3D возможны другие варианты расположения камер, когда текучая среда выходит через боковую стенку камеры. На фиг. 5А-5С схематично показаны на виде сверху в разрезе системы регулируемого сопротивления потоку, содержащие множество камер 70, последовательно соединенных друг с другом посредством выпусков 71 для текучей среды в боковых стенках камер. Некоторые из этих альтернативных схем расположения камер обеспечивают возможность особенно эффективного использования пространства (см., например, фиг. 5А и 5В). Здесь следует вновь подчеркнуть, что показанные на фиг. 5А-5С примеры расположения камер даны в качестве иллюстраций и не накладывают ограничений на объем притязаний, поскольку правовая охрана изобретения распространятся на любое расположение последовательно соединенных камер в системе регулируемого сопротивления потоку.
Как показано на фиг. 5А-5С, форма камер в этих системах регулируемого сопротивления потоку не имеет особых ограничений. Однако следует понимать, что камеры в этих и других представленных на чертежах вариантах не ограничены по форме, если иное не указано специально. В некоторых примерах осуществления по меньшей мере часть боковой стенки камеры может иметь по меньшей мере некоторую степень кривизны. В некоторых примерах осуществления степень кривизны может быть по существу равномерной по внутреннему периметру камеры. Другими словами, в этих примерах осуществления камера может быть по существу круглой. В других примерах осуществления степень кривизны может изменяться по внутреннему периметру. Так например, в некоторых примерах камера может быть примерно эллиптической. В примерах осуществления, в которых степень кривизны может изменяться, возможны значительно более сложные формы камер (например, см. фиг. 5В). В других примерах осуществления при желании может использоваться камера, в которой часть боковых стенок имеет степень кривизны, а часть боковых стенок является по существу плоской.
Хотя на фиг. 3А-3Е, 4А-4В и 5А-5С показаны некоторые конкретные примеры ориентации впуска и выпуска для текучей среды по отношению друг к другу, пространственное расположение этих элементов не следует рассматривать как ограничительное в каком-либо отношении. В некоторых примерах осуществления расположение впуска для текучей среды может быть таким, что вращательное движение текучей среды создается при ее входе в камеру. Так например, камера и впуск для текучей среды могут быть выполнены таким образом, что входящая в камеру текучая среда вводится вдоль криволинейной боковой стенки камеры, что может приводить текучую среду во вращательное движение внутри камеры. Кроме того, не имеется ограничений в отношении удаления впуска и выпуска для текучей среды друг от друга вдоль боковой стенки камеры. Обычно по меньшей мере некоторая степень удаления выдерживается между впуском и выпуском для текучей среды для того, чтобы нежелательная текучая среда не поступала в выпуск, не подвергнувшись вначале вращательному движению, однако это не является обязательным условием. И наконец, впуск и выпуск для текучей среды могут быть расположены на любой высоте относительно друг друга. В некоторых примерах осуществления впуск может быть расположен под выпуском. В других примерах осуществления впуск может быть расположен над выпуском. В следующих примерах осуществления впуск и выпуск для текучей среды могут быть расположены примерно на одной высоте над дном камеры.
В некоторых примерах осуществления может быть предусмотрен один впуск для текучей среды, соединенный с камерой (камерами) систем регулируемого сопротивления потоку. В других примерах осуществления может быть предусмотрено больше одного, то есть несколько впусков для текучей среды, соединенных с камерой (камерами) систем регулируемого сопротивления потоку.
В некоторых примерах осуществления может быть предусмотрен один выпуск для текучей среды, соединенный с камерой (камерами) систем регулируемого сопротивления потоку. В других примерах осуществления может быть предусмотрены больше одного, то есть несколько выпусков для текучей среды, соединенных с камерой (камерами) систем регулируемого сопротивления потоку. Другими словами, в некоторых примерах осуществления текучая среда может выходить из камеры (камер) в более чем одной точке. В некоторых примерах осуществления канал, проходящий от верхней или нижней внутренней поверхности камеры, может проходить через боковую стенку камеры (камер) в более чем одной точке. В некоторых примерах осуществления может быть предусмотрено множество отверстий или подобных выходов в боковой стенке камеры (камер). Наличие множества выпусков для текучей среды в камере (камерах) может обеспечивать возможность создания «разветвленной» схемы расположения камер в системе регулируемого сопротивления потоку.
На фиг. 6А и 6В схематично показана на виде сбоку система регулируемого сопротивления потоку, содержащая камеру с множеством выпусков для текучей среды. На фиг. 6А показана камера 80, в которой канал 81 разделяется и сообщается со множеством выпусков 82 для текучей среды, проходящих через боковую стенку 83 камеры. На фиг. 6В показана камера 85, в которой имеется множество отверстий 86, проходящих через боковую стенку 87 камеры. На фиг. 6С схематично показана на виде сверху в разрезе система регулируемого сопротивления потоку, в которой камера по фиг. 6А использована для образования разветвленной схемы расположения множества последовательно соединенных камер. Хотя на фиг. 6С показана только одна ветвь, отходящая от камеры 80, следует понимать, что при желании можно осуществить дальнейшее разветвление при замене любой камеры (камер) 50 камерой 80 или подобной камерой, имеющей множество выпусков для текучей среды. Далее, следует понимать, что любое число выпусков для текучей среды может отходить от боковой стенки камеры 80, и изображение трех выпусков на фиг. 6А-6С должно рассматриваться в качестве иллюстрации, а не ограничения.
В соответствии с изобретением вращательное движение, создаваемое в проходящей через камеры текучей среде, может иметь любое направление относительно движения потока текучей среды. В некоторых примерах осуществления вращательное движение может быть по существу нормальным к направлению потока текучей среды. Другими словами, в камере по фиг. 3А или в другой описанной здесь камере вращательное движение может иметь место при движении текучей среды вдоль боковой стенки к выпуску для текучей среды. В некоторых примерах осуществления камера может быть выполнена такой, что вращательное движение происходит в направлении потока текучей среды, то есть по существу параллельно потоку. В некоторых примерах осуществления камера может быть выполнена такой, что вращательное движение текучей среды происходит по меньшей мере частично параллельно направлению потока текучей среды. В некоторых примерах осуществления вращательное движение может происходить с компонентой, которая по существу нормальна потоку текучей среды, и с компонентой, по существу параллельной потоку.
На фиг. 7А и 7В схематично показана на виде сбоку система регулируемого сопротивления потоку в иллюстративном примере выполнения, в котором вращательное движение текучей среды происходит по меньшей мере частично параллельно направлению потока текучей среды. Как показано на фиг. 7А и 7В, текучая среда входит в камеру 100 через впуск 101 для текучей среды и выходит через выпуск 102 для текучей среды. В области 103 текучая среда может либо вращаться по существу нормально к направлению движения текучей среды вперед, либо не совершать значительного вращения. По мере того, как текучая среда продвигается вперед и встречает лопасть 105, в текучей среде создается вращательное движение в области 104, где вращательное движение по меньшей мере частично параллельно направлению движения текучей среды вперед.
В некоторых примерах осуществления соединенные с камерами в соответствии с изобретением впуски для текучей среды могут содержать как направляющую основного потока, так и направляющую ответвления потока. В некоторых примерах осуществления направляющая ответвления потока может быть выполнена такой что входящая в направляющую ответвления потока текучая среда не подвергается вращательному движению или подвергается меньшему вращательному движению, чем текучая среда, входящая через направляющую основного потока. На фиг. 8А схематично показана на виде сверху в разрезе система регулируемого сопротивления потоку, содержащая камеру с направляющей основного потока и направляющей ответвления потока во впуске для текучей среды. Как показано на фиг. 8А, камера 90 содержит впуск 91 для текучей среды и канал 92, проходящий через боковую стенку 93 в выпуск 94 для текучей среды. Впуск 91 для текучей среды содержит направляющую 91' основного потока и направляющую 91" ответвления потока. Как понятно специалисту данной области техники, текучие среды низкой вязкости, такие как вода или газ, будут стремиться входить в направляющую 91' основного потока, поскольку они имеют более высокое отношение инерции движения к вязкости, чем более вязкие текучие среды (например, нефть), и не будут иметь тенденции к повороту в направляющую 91" ответвления потока. В противоположность этому более вязкие текучие среды вследствие более низкого отношения инерции движения к вязкости могут более вероятно поворачивать в направляющую 91" ответвления потока. Выход 95 направляющей 91" ответвления потока может быть расположен в камере 90 таким образом, что проходящая через него текучая среда высокой вязкости подвергается меньшему вращательному движению за счет того, что минует ту часть камеры 90, которая создает вращательное движение текучей среды, и/или за счет того, что выход 95 расположен в канале или вблизи канала 92, ведущего к выпуску 94 для текучей среды. В некоторых примерах осуществления выход 95 может полностью обходить камеру 90, так что проходящая через него текучая среда выходит непосредственно в выпуск 94 для текучей среды.
Подобно примерам изобретения, описанным выше, камеры, содержащие впуски с направляющими для основного потока и ответвления потока, также могут быть последовательно соединены друг с другом. На фиг. 8В схематично показана на виде сверху в разрезе система регулируемого сопротивления потоку, в которой последовательно соединены друг с другом множество камер, имеющих впуск для текучей среды с направляющей основного потока и направляющей ответвления потока. Как показано на фиг. 8В, выход 95 направляющей 91" ответвления потока выходит вблизи канала 92. На фиг. 8С показан пример осуществления, альтернативный примеру по фиг. 8В. Здесь выход 95 направляющей 91" ответвления потока выходит непосредственно в выпуск 94 для текучей среды, так что проходящая через него текучая среда не подвергается вращательному движению. На фиг. 8С направляющая 91" ответвления потока конструктивно соединена с выходом 95, что позволяет вообще обойти камеру 90. В обоих случаях направляющая 91' основного потока выходит в камеру 90, и текучая среда подвергается в ней вращательному движению.
Другой пример осуществления системы регулируемого сопротивления потоку, содержащей направляющую ответвления потока, показан на фиг. 9. На фиг. 9 схематично показана на виде сбоку система 110 регулируемого сопротивления потоку, содержащая множество впусков 111 для текучей среды и выпусков 112 для текучей среды, соединяющих друг с другом камеры 113, 114, 115 и 116. Текучие среды более низкой вязкости (сплошная линия), такие как вода и газ, могут входить в направляющую 118 основного потока и подвергаться вращательному движению в камере 114. Текучие среды более низкой вязкости могут последовательно миновать направляющие ответвления потока в камерах 114 и 115 и подвергаются дополнительному вращательному движению в этих камерах. В противоположность этому текучая среда более высокой вязкости (штриховая линия), такая как нефть, может входить в направляющую 118' ответвления потока. При входе текучей среды более высокой вязкости в камеру 114 она имеет меньшую возможность подвергнуться вращательному движению и может далее входить в направляющие ответвления потока в камерах 114 и 115. Соответственно, скорость передачи текучей среды более высокой вязкости может быть увеличена по отношению к текучей среде более низкой вязкости.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет решить указанные задачи и получить указанные и другие преимущества. Описанные конкретные примеры осуществления являются только иллюстративными, поскольку на основе настоящего изобретения могут быть получены различные модификации и эквивалентные решения, очевидные специалисту данной области техники. Далее, не предусмотрено ограничений в отношении показанных здесь конструктивных подробностей или схем, отличающихся от того, что заявлено в формуле изобретения. Соответственно, очевидно, что описанные выше иллюстративные примеры осуществления могут подвергаться изменениям, комбинациям и модификациям в пределах объема защиты и изобретательского замысла настоящего изобретения. Иллюстративно описанное изобретение может осуществляться при отсутствии любого элемента, который не указан специально и/или любого указанного необязательного элемента. В то время как совокупности и способы описаны в терминах «содержащий», «имеющий в своем составе» или «включающий в себя» различные компоненты или этапы, совокупности и способы могут также «по существу состоять из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все указанные выше числа и диапазоны могут изменяться до некоторой степени. Всякий раз, когда указан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой диапазон в рамках указанного диапазона указывается специально. В частности, каждый указанный диапазон величин (в виде «от примерно а до примерно b» или эквивалентно «от приблизительно а до b» или эквивалентно от приблизительно а-b») следует понимать как любое число и диапазон, охватываемый более широким диапазоном величин. Кроме того, термины в пунктах формулы изобретения имеют свое прямое, обычное значение, если заявителем ясно и недвусмысленно не определено иное. Кроме того, использование в пунктах формулы изобретения неопределенных артиклей единственного числа обозначает один элемент или больше одного элемента, к которому относится артикль. Если при использовании слова или термина возникает конфликт между данным описанием и одним или несколькими патентами или другими документами, которые могли быть включены в данное описание в качестве ссылки, следует принимать определения, действительные для данного описания.
1. Система регулируемого сопротивления потоку, содержащая:
камеру, выполненную с возможностью придания вращательного движения протекающей через нее текучей среде, причем эта камера имеет верхнюю внутреннюю поверхность, нижнюю внутреннюю поверхность и проходящую между ними боковую стенку;
впуск для текучей среды, соединенный с камерой;
канал, образованный в нижней внутренней поверхности и проходящий через боковую стенку камеры;
и выпуск для текучей среды, соединенный с камерой в месте указанного канала, причем этот выпуск выполнен с возможностью выпускания текучей среды через боковую стенку камеры по указанному каналу.
2. Система по п.1, в которой указанный канал выходит через боковую стенку камеры в более чем одной точке.
3. Система по п.1, в которой выпуск для текучей среды содержит, по меньшей мере, одно отверстие в боковой стенке камеры.
4. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, часть боковой стенки камеры выполнена изогнутой.
5. Система по п.1, в которой указанная камера выполнена таким образом, что вращательное движение происходит, по меньшей мере, частично в том же направлении, в каком движется поток текучей среды.
6. Система по п.1, в которой впуск для текучей среды содержит направляющую основного потока и направляющую ответвления потока;
при этом направляющая ответвления потока выполнена таким образом, что входящая в нее текучая среда не подвергается вращательному движению или подвергается менее интенсивному вращательному движению, чем текучая среда, входящая в направляющую основного потока.
7. Система по п.1, в которой камера выполнена с возможностью обеспечения усиливающегося вращательного движения текучей среды при снижении вязкости текучей среды.
8. Система регулируемого сопротивления потоку, содержащая:
множество камер, последовательно сообщающихся друг с другом, причем каждая камера содержит соединенные с ней впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды;
при этом, по меньшей мере, некоторые из камер выполнены с возможностью придания вращательного движения протекающей через них текучей среде;
причем выпуск для текучей среды, по меньшей мере, одной из камер соединен с этой камерой в месте канала, который образован в нижней внутренней поверхности камеры и проходит через боковую стенку камеры, и выполнен с возможностью выпускания текучей среды через боковую стенку камеры по указанному каналу.
9. Система по п.8, в которой, по меньшей мере, некоторые из камер выполнены таким образом, что вращательное движение происходит, по меньшей мере, частично в том же направлении, в каком движется поток текучей среды.
10. Система по п.8, в которой, по меньшей мере, некоторые из камер выполнены с возможностью обеспечения усиливающегося вращательного движения текучей среды при снижении вязкости текучей среды.
11. Система по п.8, в которой, по меньшей мере, некоторые из камер имеют, по меньшей мере, некоторую степень кривизны в, по меньшей мере, части соответствующей боковой стенки каждой камеры.
12. Система по п.8, в которой выпуск для текучей среды, по меньшей мере, некоторых из камер содержит, по меньшей мере, одно отверстие в соответствующей боковой стенке каждой камеры.
13. Система по п.8, в которой впуски для текучей среды, по меньшей мере, некоторых из камер содержат направляющую основного потока и направляющую ответвления потока;
при этом направляющая ответвления потока выполнена таким образом, что входящая в нее текучая среда не подвергается вращательному движению или подвергается менее интенсивному вращательному движению, чем текучая среда, входящая в направляющую основного потока.
14. Способ регулирования потока текучей среды, содержащий:
установку скважинной трубы в незаконченной скважине, причем скважинная труба содержит, по меньшей мере, одну систему регулируемого сопротивления потоку, сообщающуюся с внутренней полостью скважинной трубы, при этом указанная, по меньшей мере, одна система регулируемого сопротивления потоку содержит:
множество камер, последовательно сообщающихся друг с другом, причем каждая камера содержит соединенные с ней впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды;
при этом, по меньшей мере, некоторые из камер выполнены с возможностью придания вращательного движения протекающей через них текучей среде;
причем выпуск для текучей среды, по меньшей мере, одной из камер соединен с этой камерой в месте канала, который образован в нижней внутренней поверхности камеры и проходит через боковую стенку камеры, и выполнен с возможностью выпускания текучей среды через боковую стенку камеры по указанному каналу.
15. Способ по п.14, дополнительно содержащий:
обеспечение прохождения текучей среды формации через указанную, по меньшей мере, одну систему регулируемого сопротивления потоку во внутреннюю полость скважинной трубы;
и добычу текучей среды формации из скважинной трубы.
16. Способ по п.14, в котором незаконченная скважина содержит горизонтальный ствол скважины.
17. Способ по п.14, в котором незаконченная скважина пронизывает подземную формацию, содержащую множество участков;
при этом в пределах каждого участка имеется, по меньшей мере, одна система регулируемого сопротивления потоку.
