具体实施方式
应该认识到，在不背离本发明的原理的情况下，在此描述的本发明的各种实施例可以各种取向(如倾斜、颠倒、水平、竖直等)和各种构造应用。实施例仅作为有效应用本发明原理的实例描述，本发明不局限于这些实施例的任何具体的细节。
在本发明的代表性实施例的以下描述中，使用了诸如“上方”、“下方”、“上”、“下”等方向性术语以方便参照附图。
图1中有代表性地示出了具体实施本发明原理的井系统10。管柱12(例如生产管柱)安装在具有大体水平段的井筒14中。多个井筛组件16在管柱12中互联并设于井筒14的水平段中。
井筒14在图1中示为水平段中的裸井筒或裸井。如果需要诸如沿井筒14使不同的区域或井段相互隔离，则可在筛组件16的多个筛组件之间使用封隔器。
注意依照本发明的原理，不必将筛组件设于水平的井筒部中、使井筒为裸井筒、在筛组件之间使用封隔器、或具有井筒系统10的任何其它的细节。井系统10只是对于本文描述的创造性概念的许多不同的应用中的一个实例。
现在另外参照图2，图2有代表性地示出了其中一个井筛组件16的尺寸放大的示意性局部剖视图。该筛组件16是在下面以可替换的构造描述的筛组件的多个同不实例的其中之一。
在该实例中，筛组件16包括过滤部20和流动控制部22。过滤部20用于过滤通常从筛组件16外部流到筛组件16内部的流体24中的砂砾和/或其它碎屑。
在生产作业期间，流体24通常从筛组件16外部的井筒14经由过滤部20和流动控制部22流到筛组件16，并随后流入作为管柱12的一部分纵向延伸穿过筛组件的内流道26内。随后流体24可经由管柱12产出到地表。
然而，流体24不一定始终经由过滤部20和/或流动控制部22向内流动。例如，在完井操作时，流体24可沿相反的方向流动。下面描述一些筛组件的实例，这些筛组件的作用是防止流体24的这种反方向流动，从而防止流体流入井筒周围的地层内的损失或对地层造成损害。
而且，流体24不一定首先流经过滤部20并随后流经流动控制部22。例如，如果需要电话，流体控制部22可位于过滤部20的上游。
过滤部20示于图2中，呈被称作“丝绕式”的型式，因为它由螺旋状地围绕基管28紧密缠绕的丝制成，其中丝环之间的间距选择为防止砂砾等穿过丝环之间。如果需要的话，可使用其它类型的过滤部(例如，烧结式、网式、预填充式、可膨胀式、开槽式、穿孔式的过滤部等)。
流动控制部22执行多种功能。流动控制部22为诸如用于限制流经其中流体的ICD，以均衡流体沿井段的产出。此外，流动控制部22起到防止因流体从流道26到井筒14的逆流引起的流体损失的作用。
下面以筛组件16的各种不同的构造描述了流动控制装置30的多种不同的构造。应该认识到，在不背离本发明的原理的情况下，可在本文描述的任一筛组件中使用本文描述的任一流动控制装置30。
限流器40连接在流动控制装置30的上游，使得流体24在流经流动控制装置并流入流道26之前流经限流器。如果需要的话，可使用这些构件的不同的设置。例如，可将限流器40连接在流动控制装置30的下游。
在图2的实例中，限流器40为孔或喷嘴，但如果需要的话可使用其它类型的限流器。例如，可使用环形通路、螺旋管或其它类型的限流器。限流器40可处在不同的位置，例如，位于基管28中的允许流体24进入流道26内的开口42可为限流孔。
如上所述，优选利用限流器40来均衡沿井段的产出。对于沿井段的每个筛组件16，流经限流器40的阻力可彼此不同。
尽管仅一组流动控制装置30和限流器40作为流动控制部22的一部分示于图2中，但是应该认识到，依据本发明的原理，流动控制部可包括任意数目的流动控制装置和任意数目的限流器。
在这种构造中，流动控制装置30包括：止回阀，呈杆50的形式，可往复运动地容置在大体管状的壳体52内；以及座部54，形成于隔壁56中，在生产作业期间流体24流经座部54。
在筛组件16的这种构造中，流动控制装置30防止流体流入井筒周围的地层的损失。如图2所示，流体24流入过滤部20内，随后经由流动控制部22流入流道26，以产出到地表。
然而，如果流动方向将要颠倒(诸如在完井操作期间等)，则因流经杆与壳体52之间的很小的环形通路58的流体对杆50的曳力，将使得杆移动而与座部54接合，由此防止流体由流道26逆流到筛组件16的外部。
由于杆50与座部54之间密封接合，所以，只要流道26中的压力大于筛组件16外部的压力，流动控制装置30将保持关闭。为了开始生产，可相对于筛组件16外部的压力降低流道26中的压力(例如通过使重量较轻的流体循环至管柱12内、操作泵等)，以由此通过使杆50移动远离座部54来打开流动控制装置30。
杆50和壳体52还起到限流器的作用，因为当流体24流经杆与壳体之间的环形通路58时将产生压降。该压降是流体24的流速、环形面积、密度以及粘度的函数。类似地，从管柱12到储层的流体损失将产生经由环形通路58的压降，由此使杆50移动至与座部54接合。因此，在生产流动期间经由环形通路58的压降将保持杆50远离座部54，并起到ICD的作用；而在逆流情况下该压降将使得杆与座部接合，并防止发生流体损失。
现在另外参照图3，图3有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。筛组件16包括流动控制部22，流动控制部22用作ICD并且还防止因流体24逆流引起的流体损失。该ICD具有两个限流装置——限流器40以及杆50与壳体52之间的环形通路58。
图3的筛组件在许多方面与图2的筛组件相似：流动控制装置30包括杆50、壳体52以及用于防止至井筒14周围的地层的逆流和流体损失的座部54。然而，图3的筛组件16还包括旁通流路60，如果需要流体绕过流动控制部22，或者至少使在过滤部20与流道26之间流动的阻力减小，就可打开旁通流路60。
如果需要打开旁通流路60，可相对于筛组件16外部的压力使流道26中的压力增大(例如通过从远程位置将增大的压力施加至管柱12的内部等)，以使杆50移动至与座部54接合(由于经由环形通路的压降)并使爆破片62破裂。因此，流路60和爆破片62包括流动阻止装置59，流动阻止装置59用于响应从远程位置施加的预定刺激而减小流体24的流动阻力。
将认识到，在爆破片62已经破裂而使旁通流路60打开之后，过滤部20与流道16之间的流动阻力与流经限流器40以及杆50与壳体52之间的环形通路58的阻力相比将大幅减小。因此，图3的筛组件16不仅防止流体损失(例如，在完井作业期间等)，还能够在需要时增大经由过滤部20的流动。
现在另外参照图4，图4有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。筛组件16包括用作ICD并且还防止流体24逆流的流动控制部22。该ICD具有两个限流装置——限流器40以及杆50与壳体52之间的环形通路58。
在筛组件16的这个实施例中，除在过滤部20与流道26之间提供流体连通的至少一个另一限流器40(图4中未示出)以外，还使用流动控制装置30。例如，如图3所示，隔壁56中可设有一个或多个限流器40。
通过打开初始分别被一个或多个插塞66阻塞的一个或多个旁通流路64，图4中示出的流动控制装置30可在需要时减小流体24的流动阻力。这种结果是通过相对于筛组件16外部的压力使流道26中的压力增大，从而使得杆50朝向邻近限流器40的座部54移动来实现的(见图3)。
一旦杆50与邻近限流器40的座部54接合，插塞66两端的压差就将使得该插塞离开流路64。杆50上的密封表面70随后将与座部54接合以封闭旁通流路64，因而包含在流动控制部22中的其它任何流动控制装置30可类似地动作以打开附加的旁通流路。流路64和插塞66包括流动阻止装置63，流动阻止装置63用于响应从远程位置施加的预定刺激而减小流体24的流动阻力。
因此，当流道26中的压力增大时，与限流器40相关的那些杆50将移动至与邻近限流器40的座部54接合，从而可将压差施加到插塞66的两端。随着每个插塞66离开它们各自的流路64，相关的杆50将移动至与其座部接合以封闭流路。该过程将沿管柱12在每个筛组件16中发生。
通过相对于筛组件16外部的压力使流道26中的压力减小从而使杆50远离座部54移动并使流体24可流经旁通流道64，就可重新开始生产。应该认识到，通过打开流动控制部22中的一个或多个旁通流路64，可大幅减小流体24流经流动控制部22的流动阻力。
如果需要进一步减小流体24的流动阻力，可设置旁通流路60和爆破片62，如图3的实施例所示。
现在另外参照图5，图5有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。筛组件16包括用作ICD并还防止流体24逆流的流动控制部22。该ICD具有两个限流装置——限流器40以及杆50与壳体52之间的环形通路58。
除用爆破片72替代插塞66在初始阻止流体24流经旁通流路64以外，该实例以与图4的实施例相同的方式工作。爆破片72可因从流道26到筛组件16外部的压差增大而破裂。
除在过滤部20与流道26之间提供流体连通的至少一个另一限流器40(图5中未示出)以外，还使用流动控制装置30。例如，如图3所示，隔壁56中可设有一个或多个限流器40。
通过打开初始分别被一个或多个爆破片72阻塞的一个或多个旁通流路64，图5中示出的流动控制装置30可在需要时减小流体24的流动阻力。这种结果是通过相对于筛组件16外部的压力使流道26中的压力增大，从而使得杆50朝向邻近限流器40的座部54移动来实现的(见图3)。
一旦杆50与邻近限流器40的座部54接合，爆破片72两端的压差就将使得爆破片破裂并打开流路64。杆50上的密封表面70最后将与座部54接合以封闭旁通流路64，因而包含在流动控制部22中的其它任何流动控制装置30可类似地动作以打开附加的旁通流路。
因此，当流道26中的压力增大时，与限流器40相关的那些杆50将移动至与邻近限流器40的座部54接合，从而可将压差施加到爆破片72的两端。随着每个爆破片66破裂，相关的杆50就将移动至与其座部接合以封闭流路。该过程将沿管柱12在每个筛组件16中发生。
在爆破片72破裂或以其它方式被打开之后，密封表面70将与座部54接合，筛组件的其余动作与上面对图3的实施例描述的相同。因此，流路64和爆破片72包括流动阻止装置71，流动阻止装置71用于响应从远程位置施加的预定刺激而减小流体24的流动阻力。
现在另外参照图6，图6有代表性地示出了筛组件16的可替换的构造。图6的筛组件16包括流动控制部22，流动控制部22用作ICD并还减少非期望流体的产生。该ICD包括限流器40。
图6所示的限流器40为弯曲的管状结构，这种弯曲的管状结构迫使流体24在进入和流经限流器时改变方向。流体24的动量的这种反复变化增大了流经限流器40的阻力，而不需要使用更容易阻塞的狭窄的流路。
随着管路长度的增加和管中的弯曲次数的增多，经由限流器40的压降将增大。粘性流体(例如油)与水相比将更慢地流经管路。
图6所示的流动控制装置30为本领域技术人员已知的速度止回阀的类型，其包括阀芯44、偏置装置46以及座部48。偏置装置46沿远离座部48的方向将力施加于阀芯44。
图6的流动控制装置30响应于流体24的流量和流速，并由于流体的速度与它的密度有关，所以控制装置还响应于流体的密度。
随着流体24的速度增大，阀芯44上的拉力逐渐克服由偏置装置46施加的偏置力，阀芯朝向座部48更大程度地移动，由此使流经流动控制装置30的流动面积减小。当流体24的速度足够大时，阀芯44将与座部48接合，从而关闭流动控制装置30并防止流体24流经流动控制装置。
只要外部经由过滤部20施加到筛组件16的压力充分大于内流道26中的压力(如在通常的生产作业的情况下)，流动控制装置30将保持关闭。由此阻止从筛组件16中产出较大密度的流体(例如水)。
如果之后需要通过筛组件16重新开始生产，则可相对于筛组件外部的压力增大内流道26中的压力(例如，通过使位于筛组件下游的管柱12关闭以均衡压力，或通过将增大的压力施加到流道26等)。以这种方式，阀芯44可离开座部48移动，并且流动控制装置30将再次打开以允许流体24流动。这种筛组件16构造的特殊优点在于：在需要时，可以以这种方式“复位”筛组件16。
现在另外参照图7和图8，图7和图8有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。图7和图8的筛组件16包括用作ICD并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。
图7和图8的实施例除包括抑制装置74以外，该实例在许多方面与图6的实施例相似。随着更多的流动控制装置响应流体24的速度变化，抑制装置74渐增地改变多个流动控制装置30的响应。
流动控制装置30包括图6的实施例的阀芯44、偏置装置46以及座部48，因而流动控制装置起到速度止回阀的作用，从而在流体的流量或流速增大时阻止流体24的流动。随着更多的流动控制装置关闭，抑制装置74渐增地抑制流动控制装置30关闭。
抑制装置74包括挠性的缆绳76，缆绳76穿过阀芯44的延伸部78。可在图8中看到，缆绳76延伸绕至每个延伸部78，并还穿过位于流动控制装置30之间的刚性柱体80。
当流体24流经流动控制装置30之中一个流动控制装置30的速度充分增大时，该流动控制装置将关闭(即阀芯44将与座部48接合)。因此，相应的延伸部78将与阀芯44一起移动，由此将增大的拉力施加到缆绳76。
传递到缆绳76的增大的力将阻止下一流动控制装置30关闭。然而，当流经该下一流动控制装置30的流体24的速度确实增大至足以克服缆绳76中的上述增大的力时，下一流动控制装置30也将关闭，并由此将进一步增大的拉力施加到缆绳76。
因此，将认识到，随着每个流动控制装置30关闭，抑制装置74渐增地抑制下一个流动控制装置关闭。可将偏置装置82(例如弹簧)互联于缆绳76中，以在缆绳76中提供初始的力并提供弹力。可方便地设计偏置装置82，用以调节渐增地抑制各连续的流动控制装置30关闭的数量。
设想如果流体24在流动控制部22中分层成为油层和水层，则具有从中流过的最大水量的流动控制装置30将首先关闭(由于水的粘度较小，所以流经该流动控制装置的水的流速较大)，由此将减小水经由筛组件16的产出，而仍允许油经由该筛组件产出。
当流体24流经流动控制装置的流速进一步增大时，后续的流动控制装置30将关闭。这有助于使一个或多个流动控制装置30保持打开，直到流体24包含大量的水为止；而在流体仅包含少量的水时，仍允许最初的几个流动控制装置关闭。
此实施例的一个有利的特征在于：抑制装置74以这种方式工作来阻止产出密度较高、粘度比例较低的流体24，而与流动控制装置22的特定方位角取向无关。因此，筛组件16不需要以任何特殊的方位安装，以实现上述的效果。
现在另外参照图9，图9有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。图9的筛组件16包括用作ICD并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。
除抑制装置74被设置在流动控制装置30的相对侧以外，此实例与图7和图8的实施例相似。因此，图9的实施例中的阀芯44通过延伸部78“推”缆绳76，而不是如同图7和图8的实施例那样“拉”缆绳。
现在另外参照图10和图11，图10和图11有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。图10和图11的筛组件16包括用作ICD并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。该ICD包括限流器40。
图10和图11的实施例除包括相对刚性的丝82而不包括缆绳76以外，筛组件16的该实例在许多方面与图7和图8的实施例相似。丝82延伸穿过流动控制装置30的每个延伸部78，而未使用柱体80。取而代之，丝82上形成有耳部84，耳部84与形成在隔壁56上的倾斜表面86接合。
丝82的耳部84与倾斜表面86之间的这种接合阻止阀芯44朝向它们各自的座部48移动。图11中示出了8个流动控制装置30，其中耳部84位于每一对相邻的流动控制装置之间，但应认识到，依据本发明的原理，可使用任意数目的这些构件。
现在另外参照图12，图12有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。图12的筛组件16包括用作ICD并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。该ICD包括限流器40以及位于杆32与壳体34之间的环形流路36。
筛组件16的此实例起到与图6的实施例大体相同的作用，但其表明，依据本发明的原理可通过不同的构造实现相似的功能。
图12的实施例包括杆32、壳体34以及偏置装置38，但在此实施例中，杆固定地附连到隔壁56，而壳体可往复运动地设于杆上。当流体24的流量或流速增大(例如由于流体的粘度减小)时，由于流体流经环形流路36产生的拉力随着壳体34朝向座部48移动而增大，对抗偏置装置38施加的偏置力。
最后，壳体34与座部48接合并阻止流体24流入流道26内。以这种方式，流路控制装置30起到速度止回阀的作用，从而随着流体24的速度增加最终使流经流动控制装置的流动面积减小到零。
现在另外参照图13，图13有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。图13的筛组件16包括用作ICD、防止管柱12中的流体损失并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。该ICD包括限流器40，限流器40可为管、孔、喷嘴或螺旋管。开口42也可用作限流器(如果如此设计)。
筛组件16的此实例在许多方面与上述的防止流体逆流流经筛组件的那些实施例(例如图2和图3的实施例)相似。然而，图13的实施例的流动控制装置30包括液压执行件88，液压执行件88用于选择性地打开和关闭阀92从而控制流体的流动并防止流体损失。执行件88包括活塞90，活塞90响应内腔室94、96之间的压差而移动。阀92包括封闭件98，封闭件98具有用于与座部102密封接合的多个密封表面100。
当腔室94中的压力充分大于腔室96中的压力时(由于经由限流器40的压降)，活塞90将沿拉拔封闭件98且使密封表面100离开座部102的方向移动，由此允许流体24流经流动控制部22。然而，如果腔室96中的压力充分大于腔室94中的压力时(如通常将在逆流状态下发生的情况)，活塞90将施加偏置力以使封闭件98和密封表面100移动至与座部102接合，并由此阻止流动。
流动控制装置30可被“复位”，以通过相对于筛组件16外部的压力减小流道26中的压力，由此增大从腔室94至腔室96的压差而再次允许流动。这将使得活塞90对封闭件98施加偏置力，并使封闭件离开座部102而移动，由此打开流动控制部22以允许流体24流入。
图13的实施例的流动控制部22还包括水阻拦装置104和气阻拦装置106。水阻拦装置104优选包括多个漂浮在水中的球体108，因而当经由流动控制装置22产出水时，球体就漂浮在水中并与开口42接合，从而封闭开口并由此阻止产出水。随着流体24包括较大比例的水，渐增地有更多的开口42被封闭。
气阻拦装置106优选包括密度小于油的多个球体110，因而当经由流动控制装置22产出气体时，球体就漂浮在油的表面并与开口42接合，以封闭开口并由此阻拦产出气体。随着流体24包含较大比例的气体，渐增地有更多的开口42被封闭。
水阻拦装置104和气阻拦装置106可与美国专利第7，185,706号、和2007年2月5日提交的美国专利申请序列号第11/671319号以及2006年8月21日提交的美国专利申请序列号第11/466022号所描述的任意装置相似。该专利以及这些申请的全文在此并入供参考。当然，依据本发明的原理，可使用其它类型的水阻拦装置和/或气阻拦装置。
现在另外参照图14，图14有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。该筛组件16包括用作ICD、防止管柱12中的流体损失并且还减少非期望流体的产生的流动控制部22。该ICD具有两个限流器40。
除执行件88和阀92的构造略有不同以外，筛组件16的此实例在许多方面与图13的实施例相似。在图14的实施例中，提供经由阀92的更大的流动面积，并且执行件88的活塞90具有更大的活塞面积差。另外，在阀92中仅使用一个密封表面100和座部102。
现在另外参照图15，图15有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。除执行件腔室96经由开口112直接暴露于内流道26中的压力以外，筛组件16的此实例在许多方面与图14的实施例相似。
腔室96形成在两个隔壁114、116之间，其中开口112使腔室与流道26之间直接连通。因此，与图13和图14的实施例相比，执行件88更直接地响应流道26与筛组件16的外部之间的压差。
现在另外参照图16，图16有代表性地示出了筛组件16的另一可替换的构造。除执行件腔室96未暴露于内流道26中的压力而暴露于延伸到远程位置的管线118中的压力以外，筛组件16的此实例在许多方面与图15的实施例相似。
因此，经由管线118传递的压力可用于通过改变腔室94、96之间的压差来调节阀92的操作。具体地，可通过将增大的压力施加到管线118来关闭阀92，由此使得执行件88移动活塞98并关闭阀92。可经由管线118施加减小的压力以将阀92打开。
管线118可为本领域技术人员已知的控制管线的类型，并且该管线可被设置在管柱12的内部、外部或侧壁内。管线118可延伸到地表或延伸到井中的另一远程位置，例如延伸到泵或控制模块。以这种方式，可远程操控流动控制装置30以控制流体24经由筛组件16的流动。
现在可全面地认识到，前面的详细描述提供了对现有技术的许多改进。例如，本说明书提供了一种井筛组件16，其包括用于过滤流体24的过滤部20以及响应流体的速度变化而改变流体24的流动阻力的流动控制装置30。
流动控制装置30可包括速度止回阀(例如图6和图12的实施例)。流动控制装置30可响应流体24的速度增大而使流动面积减小。
流动控制装置30可响应流体24的密度增大而使流动阻力增大(例如图7至图11的实施例)。流动控制装置30可响应流体24的速度增大而使流动阻力增大。
井筛组件16可包括在流动控制装置30的上游和/或下游处被互联的一个或多个限流器40。
井筛组件16可包括：多个流动控制装置30；以及抑制装置74，随着更多的流动控制装置响应流体24的速度变化，抑制装置74渐增地改变流体控制装置的响应。随着关闭的流动控制装置的数目增加，抑制装置74可渐增地抑制流动控制装置30关闭。
还提供了包括流动阻止装置59、63和/或71的井筛组件16的实施例，上述流动阻止装置响应从远程位置施加的预定刺激而减小流体24的流动阻力。上述刺激可包括压力改变。上述压力改变可包括从井筛组件16的内部到外部的压差的增大。
流动阻止装置59、63、71可包括响应刺激而打开的流路60、64。流路60、64可绕过限制流体24流动的限流器40。流动阻止装置59、63可包括插塞66，插塞66响应刺激进行移动而使流路64打开。流动阻止装置63、71可包括止回阀，该止回阀响应刺激而使流路64关闭，且该止回阀响应刺激的释放而使流路打开。
还提供了包括阀92的井筛组件16的实施例，阀92包括执行器88，执行器88具有响应压差进行移动从而选择性地允许和阻止流体24流经阀92的活塞90。井筛组件16还可包括限制流体24流动的限流器40。
压差可在分别处于限流器40的上游侧和下游侧的腔室94、96之间。压差可在内流道26与井筛组件16的内腔室94之间，内流道26纵向延伸穿过井筛组件16，内腔室94与过滤部20呈选择性流体连通。内腔室94可在限制流体24流动的限流器40的上游。压差可在延伸至远程位置的管线118与井筛组件16的与过滤部20呈选择性流体连通的内腔室94之间。
井筛组件16可包括水阻拦装置104，水阻拦装置104随着流体中水的比例增大而渐增地限制流体24的流动。井筛组件16可包括气阻拦装置106，气阻拦装置106随着流体中气体的比例增大而渐增地限制流体24的流动。井筛组件16可包括：任何的阻拦装置104、106，这些阻拦装置随着流体24中非期望部分增多而渐增地阻止该非期望部分的流动；以及限制流体24流动的限流器40。
当然，本领域技术人员在仔细思考本发明的有代表性的实施例的以上描述后，将很容易预见到，可对这些具体的实施例进行许多变型、添加、替换、删除以及其它修改。因此，将清楚地认识到，前面的详细描述仅是以说明和示例的方式给出的，本发明的原理和范围仅由所附权利要求及其等效方案限定。