用于從井筒的等溫段獲取井下能量的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在與烴的生產(chǎn)有關(guān)的井筒(wellbore)中的操作。更具體而言，本發(fā)明涉及一種通過(guò)控制井筒內(nèi)的流體流動(dòng)(例如，采出液進(jìn)入井筒的流入)來(lái)在井筒內(nèi)產(chǎn)生電力的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常將需要電力的儀器和工具定位在烴生產(chǎn)井內(nèi)的井下位置。例如，電驅(qū)動(dòng)傳感器被用于監(jiān)測(cè)溫度、壓力、流速和其它井下條件。部署在井下位置的其他電驅(qū)動(dòng)工具被主動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)各種目的。例如，井下閥門(mén)被經(jīng)常地打開(kāi)和關(guān)閉，以在儲(chǔ)層的開(kāi)采壽命(常常是20年以上)內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)層性能的長(zhǎng)期管理。導(dǎo)電線纜被部署成將這些井下工具與設(shè)置在地面位置(surface posit1n)的電源相連接。這些線纜昂貴且容易在井筒的惡劣環(huán)境中失效。
[0003]在工業(yè)上需要可以被安裝在井筒內(nèi)的井下位置來(lái)長(zhǎng)時(shí)間向傳感器、閥門(mén)或其它井筒儀器提供電力的系統(tǒng)。此外，還需要可以對(duì)從井筒開(kāi)采流體進(jìn)行管理的系統(tǒng)，該井筒常常延伸穿過(guò)具有不同特性(例如，壓力、孔隙度和含水量)的分采區(qū)。如果管理不當(dāng)，則這些特性的變化可能導(dǎo)致不理想的開(kāi)采模式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明描述了用于在井下環(huán)境中提供電力的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法采用渦流管，渦流管可操作地響應(yīng)于流體穿過(guò)渦流管的流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生溫差。渦流管包括溫度相對(duì)較高的第一出口和溫度相對(duì)較低的第二出口，第一出口和第二出口與溫差發(fā)電機(jī)可操作地聯(lián)接。渦流管可操作地在井筒的其它大致等溫段中產(chǎn)生溫差。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于在形成于地下地層中的井筒內(nèi)產(chǎn)生電力的發(fā)電系統(tǒng)包括:加壓流體源;溫差發(fā)電機(jī)，其可操作地響應(yīng)于被施加的溫差而產(chǎn)生電壓；以及渦流管，其與溫差發(fā)電機(jī)可操作地聯(lián)接，以對(duì)溫差發(fā)電機(jī)施加溫差。渦流管包括:細(xì)長(zhǎng)中空體;入口，其與加壓流體源流體連通;第一出口，其與細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠外區(qū)域(radially outerreg1n)熱連通；以及第二出口，其與細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠?jī)?nèi)區(qū)域(radial Iy innerreg1n)熱連通。第一出口與溫差發(fā)電機(jī)的高溫輸入部可操作地相關(guān)聯(lián)，并且第二出口與溫差發(fā)電機(jī)的低溫輸入部可操作地相關(guān)聯(lián)。
[0006]在一些實(shí)施例中，渦流管的入口可操作地與地下地層流體連通，并且加壓流體源是地下地層的開(kāi)采區(qū)內(nèi)的采出液。在一些實(shí)施例中，渦流管的第一出口和第二出口與生產(chǎn)油管可操作地流體連通，使得限定在地下地層與生產(chǎn)油管之間的流動(dòng)路徑延伸經(jīng)過(guò)渦流管。
[0007]在一些實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)還包括與溫差發(fā)電機(jī)電連通(electricalcommunicat1n)的電驅(qū)動(dòng)井下工具，其中，電驅(qū)動(dòng)井下工具可操作為選擇性地接收由溫差發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力。在一些實(shí)施例中，電驅(qū)動(dòng)井下工具是流入控制閥，流入控制閥構(gòu)造為用于調(diào)節(jié)流體在穿過(guò)地下地層的生產(chǎn)油管的內(nèi)部與外部之間的流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)還包括電聯(lián)接在溫差發(fā)電機(jī)與電驅(qū)動(dòng)井下工具之間的蓄電裝置。
[0008]在一些實(shí)施例中，禍流管構(gòu)造為逆轉(zhuǎn)流動(dòng)式禍流管(counter-flow vortextube)，第一出口和第二出口設(shè)置在該逆轉(zhuǎn)流動(dòng)式渦流管的細(xì)長(zhǎng)中空體的縱向相反兩側(cè)上。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于在延伸穿過(guò)地下地層的井筒內(nèi)獲取能量的發(fā)電系統(tǒng)包括:溫差發(fā)電機(jī)，其可操作地響應(yīng)于被施加的溫差而產(chǎn)生電壓；以及渦流管，其與溫差發(fā)電機(jī)可操作地聯(lián)接，以對(duì)溫差發(fā)電機(jī)施加溫差。渦流管包括:細(xì)長(zhǎng)中空體;入口，其可操作地與地下地層流體連通，并且可操作地沿著細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠外區(qū)域產(chǎn)生采出液的旋流(swirling flow);第一出口，其設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠外區(qū)域，并且可操作地排出采出液的旋流的第一部分;限流器(restrictor)，其可操作地將采出液的旋流的第二部分從細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠外區(qū)域改向到細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠?jī)?nèi)區(qū)域；以及第二出口，其設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)中空體的徑向靠?jī)?nèi)區(qū)域，并且可操作地排出采出液的旋流的第二部分。第一出口與溫差發(fā)電機(jī)的高溫輸入部可操作地聯(lián)接，并且第二出口與溫差發(fā)電機(jī)的低溫輸入部可操作地聯(lián)接。
[0010]在一些實(shí)施例中，渦流管設(shè)置在下述環(huán)形區(qū)域內(nèi):該環(huán)形區(qū)域限定在地下地層與延伸穿過(guò)地下地層的生產(chǎn)油管之間。在一些實(shí)施例中，該環(huán)形區(qū)域限定在圍繞生產(chǎn)油管延伸且與地下地層的環(huán)壁接合的兩個(gè)縱向隔開(kāi)的隔離部件之間。在一些實(shí)施例中，在渦流管的入口與限定在生產(chǎn)油管中的孔之間存在約300psi的壓差，并且孔與渦流管的第一出口和第二出口流體連通。在一些實(shí)施例中，在限定在生產(chǎn)油管中的孔處設(shè)置有流入控制閥，孔與渦流管的第一出口和第二出口流體連通，并且流入控制閥與溫差發(fā)電機(jī)電聯(lián)接，以接收來(lái)自溫差發(fā)電機(jī)的電力。
[0011]在一些實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)還包括分別與渦流管的第一出口和第二出口熱連通的第一熱電偶和第二熱電偶，其中，渦流管的第一出口和第二出口分別經(jīng)由第一熱電偶和第二熱電偶與溫差發(fā)電機(jī)的高溫輸入部和低溫輸入部可操作地聯(lián)接。在一些實(shí)施例中，限流器能夠相對(duì)于細(xì)長(zhǎng)中空體移動(dòng)，從而能夠調(diào)節(jié)限定了渦流管的第一出口的環(huán)形孔的尺寸。在一些實(shí)施例中，渦流管的入口與被限定為貫穿下述套管的穿孔流體連通:該套管?chē)@生產(chǎn)油管而設(shè)置。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于在延伸穿過(guò)地下地層的井筒內(nèi)產(chǎn)生電力的方法包括:(i)從地下地層開(kāi)采出采出液，并使采出液進(jìn)入到井筒中；(ii)使采出液通過(guò)渦流管，以在渦流管的第一出口與第二出口之間產(chǎn)生溫差；以及(iii)將溫差轉(zhuǎn)化為電壓。
[0013]在一些實(shí)施例中，該方法還包括將電力從溫差發(fā)電機(jī)傳送到井下工具，該溫差發(fā)電機(jī)與渦流管可操作地聯(lián)接，用以將溫差轉(zhuǎn)化為電壓。在一些實(shí)施例中，該方法還包括操作井下工具，以選擇性地使采出液通過(guò)限定在延伸穿過(guò)地下地層的生產(chǎn)油管中的孔。
【附圖說(shuō)明】
[0014]為了實(shí)現(xiàn)以及能夠具體理解本發(fā)明的上述特征、方案和優(yōu)點(diǎn)以及變得顯然的其他特征、方案和優(yōu)點(diǎn)，下面參考在附圖中圖示說(shuō)明的本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)上文簡(jiǎn)要概述的本發(fā)明做更具體的描述，附圖構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。然而，值得注意的是，附圖僅圖示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，因此，不應(yīng)視為是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可容許有其他同等有效的實(shí)施例。
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的延伸穿過(guò)多個(gè)開(kāi)采區(qū)且內(nèi)部具有發(fā)電系統(tǒng)的井筒的示意性剖視圖。
[0016]圖2是圖1的發(fā)電系統(tǒng)的放大示意性剖視圖，其中示出了延伸穿過(guò)安裝在生產(chǎn)油管外部的渦流管的流體流動(dòng)路徑。
[0017]圖3是用于在本發(fā)明可選實(shí)施例中使用的渦流管的示意性剖視圖。
[0018]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的操作過(guò)程的示例性實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在圖1中以側(cè)剖視圖示出的是井筒100的一個(gè)示例性實(shí)施例，井筒100延伸穿過(guò)限定在地下地層104中的三個(gè)開(kāi)采區(qū)102a、102b和102c。開(kāi)采區(qū)102a、102b和102c包含通過(guò)井筒100開(kāi)采的石油或其他含流體的烴。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，盡管井筒100在本文中被描述為用于從地下地層104抽提流體，但在其他實(shí)施例(未示出)中，例如，在為進(jìn)行烴類(lèi)抽提而執(zhí)行的壓裂操作中，井筒100配置為允許將流體注入到地下地層104中。
[0020]井筒100包括基本豎直部108以及與開(kāi)采區(qū)102a、102b和102c相交的基本水平部106。在其他實(shí)施例(未示出)中，井筒100的取向是基本上完全豎直的或偏斜但未達(dá)到水平的。在圖1所示的示例性實(shí)施例中，側(cè)分支110a、110b和IlOc從基本水平部106延伸到相應(yīng)開(kāi)采區(qū)102a、102b、102c中，并且有助于從開(kāi)采區(qū)102a、102b、102c中收集含流體的烴。在其他實(shí)施例(未示出)中，沒(méi)有設(shè)置側(cè)分