关于致动器的方法和设备 【技术领域】
本发明涉及一种与致动器有关的方法和设备，特别是一种用于与排出管一起使用以产出在石油和/或天然气储层中的石油和/或天然气的压力致动器。
背景技术
上述类型的排出管通常被分为多个部分，这些部分具有一个或者多个控制排出管流入量的限流设备。
美国专利说明书US4821801，US4858691和US4577691及英国专利说明书GB2169018描述了在长的水平井和垂直井内抽出石油或天然气的已有设备。这些已有设备包括例如带有过滤器的穿孔排出管，该过滤器用于控制管子周围的沙子。这些在高渗透性地质构造中与石油和/或天然气生产有关的已有设备的主要缺点是，因为管内的流动摩擦，排出管内的压力在上游方向成指数性增加。由此，由于储层和排出管之间在上游的压力差降低，从储层到排出管的石油和/或天然气的流量也将相应地减少。因此，在这样的解决方案下，整体石油和/或天然气产量将很低。对于稀薄的石油带和高渗透性的地质构造，具有成锥形(coning)的高风险，即不希望的水或者气体在下游流进排出管，在下游从储层到排出管的石油流速是最大的。为了避免这种锥形，因此必须进一步降低产量。
生产量比上述已有技术解决方案稍微高的方案是通过使用插入管(Stinger)方法实现的，该方案在挪威专利申请no.902544中论述。它由两个排出管组成，其中外面的管被穿孔，里面的管(插入管)没有被穿孔，该管延伸进入外管至需要的位置。插入管方法的压力分布及其产量在一定程度上比其它的已有技术方法要好。然而，在具有高渗透性的稀薄石油带中，使用这种方法，不希望的水或气体也会产生锥形，由此导致产量降低。
《世界石油》第212卷，第11期(11/91)，23-78页，描述了使用一个或者多个采用可更换套管或者节流设备形式的流入限制设备，将排出管分为几个部分的方法。然而，该出版物主要涉及限制从油带上游流进管内的流入控制以防止水和气体的锥形。
WO-A-9208875公开了一种水平生产套管，包括多个生产层，每一层被连接到内径比生产层的内径大的混合腔室。所述生产层包括外部穿孔管，该管可被看作过滤器。然而，具有不同直径的各个部分的顺序是不适宜的，因为它们沿着所述套管产生了流动紊流，并且阻止了通常借助井底牵引机(tractor)或者“绕性油管”系统被引进的器材的使用。
钻水平井的技术上溯到1920年就已经公知了，但是今天依旧将许多技术看作先锋技术。在最近的二十年内，为了以安全、高效的方式钻水平井，一直开展研发工作。该技术的现有状况是钻井安全性高，成本大约比竖直井的高50％，但是水平井根据储层的特性，会产出3至4倍的量。
已经论证，比如在这样的地质构造，即油带稀薄、渗透性高和不希望的水或气体经常发生锥形的地质构造中开发石油，水平井是财务前提。在将来，对于小型和(按照财务术语)边界油田或气田的开采，预计水平井将更加适当。
申请人的自有EP专利no.0588421描述了一种除上述解决方案中已知的外改进排出管内压力分布的方法，其通过引入限制储层和排出管的外侧环面之间的压力差的限制手段，并由此平衡就在排出管外面沿着井内的压力分布。这是通过给每一个管路部分布置流入限制设备实现的，它们的入口被连接至地质构造和排出管之间的环面，或者被连接至过滤器和排出管之间的环面，而出口被连接至排出管的流动隔间(flow compartment)。该解决方案包括具有固定设置(固定通流量)的流入限制设备，这是不利的。
由于钻井技术的发展，对于储层排出技术的要求也增加了。目前的已有排出技术对于储层的可控排出没有令人满意的解决方案，该已有技术总是适用于来自储层的现有的水流。
【发明内容】
本发明提出具有如下控制的解决方案，其中根据流入的水量自动调整排出管的每一个部分或者区域的流入量，保持水的产出为最低水平。
如权利要求1所详细说明的，按照本发明的方法，其特征在于，为了致动器的操作，使用放置在流体流中的渗透单元，由此，通过利用单元内的溶液与单元外部流体流或储层之间的渗透压力差，获得致动器驱动或者调节阀或者流入控制设备的必需的力和运动。
如权利要求4所详细说明的，与按照本发明的致动器设备有关的独立权利要求，其特征还在于，致动器包括用于放置在流体流中的渗透单元，由此，通过利用单元内的溶液与单元外部流体流或者流体储层之间的渗透压力差，获得致动器驱动或者调节阀或者流入控制设备的必需的力和运动。
从属权利要求2-3和5-9指出了本发明的优选特征。
【附图说明】
参照附图在下面更详细地介绍本发明，其中：
图1表示分离两种溶液并表明本发明原理的隔膜单元的示意图，
图2表示解决方案的示意图，其中按照本发明的致动器连同排出管内的流入限制设备或者阀设备一起使用，用于从地表面以下的构造(井)中抽出石油或者天然气。
【具体实施方式】
本发明基于利用单元内渗透压差的原理，作为致动器的“驱动机构”或者驱动元件。更准确地说，本发明基于使用渗透单元来操作致动器。所述渗透单元被放置在流体流中，由此，通过利用单元内溶液和单元外流体流之间的渗透压力差，来获得致动器驱动或者调整比如阀或者流入控制设备所必需的力和运动。
按照本发明的单元的基本操作方法如图1所示进行说明，具有两个腔室2，4的“封闭”容器1，其中一个壁又半透膜3构成。半透膜3对置于一个腔室2内的溶液(优选地如水/盐溶液)来说是可渗透的，但是对于溶解介质(优选地盐介质)是不可渗透的。因此，水能够从单元的腔室2自由地移动，越过半透膜3到达在另一个腔室4的盐浓度较低的水或者水溶液。水越过半透膜的传输将引起跨过半透膜的压力差。这被称为渗透压力差。在每一个腔室内的粗线5，6表示腔室内的液面高度。
渗透压能够借助典型的热动力学等式进行限定，其中假设跨越半透膜存在平衡。假设等温条件下，当实现平衡时，溶液的化学势在半透膜的各侧相同。参照图1，对于腔室2，4内两个相(phase)的化学势分别这样给出：
μi,1=μi,1o+RTlnai,1+ViP1---(1)]]>
μi,2=μi,2o+RTlnai,2+ViP2---(2)]]>
其中R是通用气体常数，T是温度，V是摩尔体积，P是压力，a是溶液浓度。稀释相的溶液分子比浓缩相的分子具有更高(更负的)的化学势。该化学不平衡引起溶液分子(水)从浓度偏低的相流动到浓度偏高的相。这种流动持续到实现渗透平衡，和
μ1，1＝μ1，2 (3)
所有表达式中用于化学势(上述等式1和2)的参数可以进行改变，例如温度，浓度和压力。换句话说，对于水/盐溶液，水会迅速地移动到浓度偏高的一侧以稀释溶液，同时盐会迅速地试图在另一个方向移动以试图增加浓度。如果半透膜不是非常好的半透膜，只会发生盐的传输。通过组合等式(1)，(2)和(3)，我们得到下述等式：
RT(ln a1，2-lna1，1)＝(P1-P2)V1＝ΔπV1 (4)
水力压差(P1-P2)被称为渗透压力差Δπ＝π1-π2。如果在相2(在腔室4内ai，2＝1)中只使用纯溶液(水)，等式(4)，压力，变为：
π=-RTVilnai,1]]>
如上所述，图2表示解决方案的示意图，其中按照本发明的致动器10连同排出管8一起使用，用于从地表面以下的构造(井，没有画出)中抽出石油和天然气。在所示实施例中，致动器是排出管中的阀或者流入限制设备的整体构成部分。
如图2所示，致动器10由具有内部渗透单元9的壳体7构成。所述具有单元9的壳体7与孔11正相对地位于管内部并且被紧固到管8上。石油、天然气和/或水被设计为经过孔11从所述构造流进管8，经过单元9并经过壳体上的开口或者孔12，经过关闭板或者类似件13而进入管8。所述单元9又由中空体或者中空腔室构成，该中空体或者腔室的面向管8管壁的端侧由半透膜14构成，而其相对一侧的壁由柔性的非渗透隔膜15组成。关闭板13位于与孔12相对的位置，并被紧固到柔性隔膜15上。在空腔内部，单元9具有水/盐溶液，为了使溶液始终保持饱和，设有盐块16。
具有单元9的致动器如下工作。当只有石油和/或天然气流通过隔膜14时，具有关闭板13的柔性隔膜15将被压入，并且所述流体能够通过孔12和关闭板(打开)之间的区域。当水开始与石油/天然气一起流过隔膜时，水将逐渐穿过隔膜14进入所述腔室，导致所述腔室内的溶液的体积增加，并且具有板13的柔性隔膜15向外移动而逐渐关闭通过孔12的流动。如果有大量的水，例如在如上引言中提及的水成锥形的情况下，带有板的柔性隔膜将完全向外移动而彻底关闭通流。在这种情况下，按照本发明的致动器能够根据相应水量来部分或者完全地调节石油和/或天然气的流入量。
需指出，在附加的权利要求中限定的本发明不受上述所示实施例的限制。例如，代替柔性隔膜，可以使用动力缸/活塞设备，其中可以利用活塞移动所述关闭板。或者代替孔/板方案12，13，可以使用针/喷嘴方案，其中通过柔性隔膜或者活塞来移动所述针。
本发明也不限定在与上述石油和/或天然气的抽出有关的使用。它可以用在任何其中具有能够应用渗透原理的液体或者溶液的场合。
另外，与申请人的自有EP专利no.0588421所示的流入限制设备一起使用本发明会更有利。