液控换层注水装置及换层注水管柱和施工方法与流程

本发明涉及油田分层注水井换层注水的设备和方法，特别是液控换层注水装置及换层注水管柱和施工方法，可实现分层注水井的液控换层注水，达到耦合换层注采的地质要求。

背景技术：

油层层间存在层间差异，随着注水开发的进行，在高渗透层，由于吸水能力强，水线前缘很快向油井突进，造成油井过早水淹。同时油层内部存在层内差异，由于油层内部的非均质性，注入水必然沿阻力小的高渗透带突进，造成油井水淹。这两种差异都会造成油井水淹，降低采收率。针对这种水淹注采井网，提出了耦合注采的理论，既相应油层只注不采，补充地层能量，地层孔隙中剩余油和地层水会重新分布，而后该油层只采不注，模仿边底水油藏依靠天然能力开采，达到水线均匀推进的目的。同时为了解决层间矛盾的问题，及油水井停井时造成开井率降低、水井注水管线结垢、油井开井时易躺井的问题，提出了换层耦合注采，对油水井进行分层注采，使其中一套层系只注不采，另一套层系只采不注，含水上升后对这两套层系的注采轮换，依此循环往复。

而目前在换层注水管柱中连接安装的是常规的测调配水器，必须下入测调工具才能进行换层。目前换层注水大多采用的装置为空心式可调节配水器，主要由定压开关筒和配水芯子构成，配水芯子上有水嘴，水嘴的开与关可通过配水芯子内部的可旋转筒调节，调节方法为：通过电缆下入可旋转机械臂与可旋转筒契合并进行转动调节水嘴的开与关，既完成了配水器的开与关。采油生产单位没有能力对空心式可调节配水器进行开关调节，需要与测调队伍配合施工，测调车辆下入可旋转机械臂对上下两个配水器分别进行开启与关闭。这样会造成造成换层注水不及时，测调施工繁琐，生产成本高，占井时间长等问题。

目前还有通过电控的方式进行开关换层的设备，但该装置存在成本极高，寿命短，不适应油田高温高压的油层环境。

针对目前换层耦合注采工艺技术的需求及目前的换层注水工艺现状，急需研制一种不下入测调设备，采油生产单位只需要简单的操作就能实现换层注水的装置和技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供液控换层注水装置及换层注水管柱和施工方法，改变目前换层注水井需要下入配套测调设备进行换层注水的现状，简化施工工艺，缩短占井时间，降低生产成本。

本发明的技术方案是：

液控换层注水装置包括定压开关和定压滑套，定压开关的下部设有注水孔，定压滑套套装在定压开关的下部，在定压开关与定压滑套之间装有弹簧。定压开关的下部通过连接套与轨道筒螺纹连接，轨道筒的内部装有可转动水嘴和液压活塞，可转动水嘴的上部设有注水孔，液压活塞的底部设有反洗井连通孔和定压单流阀，轨道弹簧安装在可转动水嘴与连接套之间，可转动水嘴能够与液压活塞啮合，液压活塞能够沿着轨道筒内壁的换向轨道上下移动，使定压开关上面的注水孔与可转动水嘴上面的注水孔重合或上下错位。

安装了液控换层注水装置的换层注水管柱包括封隔器、底部单流阀和底丝堵，封隔器连接于两个油层之间，二个液控换层注水装置连接于封隔器的上方和下方，连接在换层注水管柱中的液控换层注水装置一个是开启状态、另一个是关闭状态。

安装了液控换层注水装置的换层注水管柱的施工方法，是：

a、在地面将液控换层注水装置设置为一个开、另一个关的状态，随换层注水管柱下入井内；

b、两个液控换层注水装置下入到油层位置后开始注水，然后用电磁流量计下入到位于上方的液控换层注水装置的定位台阶上面进行测试，根据吸水情况，确定出两个液控换层注水装置的实际状态；

c、根据目前两个液控换层注水装置的开关状态以及下步两个液控换层注水装置需求的开关状态，确定是否需要反洗井进行两个液控换层注水装置的开关切换；若不需要开关切换直接注水，若需要开始反洗井。

本发明的显著使用效果是：本发明装置中的可转动水嘴、轨道筒、轨道弹簧和液压活塞构成了一个换层开关机构，如同反向安装的按压式中性笔或圆珠笔的按压机构，通过反洗井的方式可推动液压活塞沿换向轨道上下滑动，带动可转动水嘴上下移动与转动，使可转动水嘴上面的注水孔与定压开关上的注水孔重合或上下错位，达到开启或关闭液控换层注水装置换层的目的。由于换层注水管柱中连接了两个液控换层注水装置，下井时一个为开、另一个为关，只要反洗井一次、停井后就能实现分层注水井的换层目的，达到耦合换层注采的要求。本发明中液压活塞中的密封限位环的上部圆环面和连接套的下部圆环面在轨道筒的内腔中形成一个密封腔室。处于该密封腔室中由可转动水嘴、轨道块和液压活塞构成的换层开关机构，不受井筒压力和井内水质的影响。相对于目前大多数井下工具的轨道机构都不是密封的，与井下液体直接接触，长时间使用后会锈蚀结垢，工作可靠性降低，缩短使用寿命而言，本发明保证了液控换层注水装置的换层开关机构开与关切换工作的可靠性和经久耐用性。

本发明不用下入测调设备，通过反洗井的方式进行换层注水，其操作简单，采油生产单位可自主进行换层操作，成本低廉，工作方式可靠，减少了专业作业设备和人员的使用，显著降低了生产成本，同时还缩短了占井时间，消除了占井周期长带来的种种弊端，具有显著的使用效果并能产生很好的经济效益。

附图说明

图1是液控换层注水装置关闭状态的结构示意图。

图2是可转动水嘴的结构示意图。

图3是液压活塞的结构示意图。

图4是轨道筒的结构示意图。

图5轨道筒中轨道块的结构示意图。

图6是安装了液控换层注水装置的换层注水管柱的结构示意图。

图7是可转动水嘴关闭状态的换层开关机构展开示意图。

图8是可转动水嘴由关闭状态运动至上死点时换层开关机构展开示意图。

图9是可转动水嘴沿换向齿下行时换层开关机构展开示意图。

图10是可转动水嘴开启状态的换层开关机构展开示意图。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明，并非限制本发明的保护范围。以下所述仅为本发明的较佳实施例，其他运用本发明的等效变化，均应属于本发明的保护范围。

参见图1到图5，液控换层注水装置包括定压开关1和定压滑套2，定压开关1的下部设有注水孔，定压滑套2套装在定压开关1的下部，在定压开关1与定压滑套2之间装有弹簧。定压开关1的下部通过连接套3与轨道筒5螺纹连接，轨道筒5的内部装有可转动水嘴4和液压活塞7，可转动水嘴4的上部设有注水孔，液压活塞7的底部设有反洗井连通孔9和定压单流阀，轨道弹簧6安装在可转动水嘴4与连接套3之间，可转动水嘴4能够与液压活塞7啮合，液压活塞7能够沿着轨道筒5内壁的换向轨道上下移动和周向转动，使定压开关1上面的注水孔与可转动水嘴4上面的注水孔重合或上下错位，也就是开启或关闭，本发明装置中的可转动水嘴4、轨道筒5、轨道弹簧6和液压活塞7构成了一个换层开关机构，实现换层注水的目的。

所述液压活塞7的上端面设有换向齿7.1，该换向齿7.1是等腰三角形、在换向齿7.1的底部外圆正下方设有换向滑块7.2，该换向滑块7.2与换向齿7.1的齿数相等，换向滑块7.2的宽度是换向齿7.1的底边宽度的一半；液压活塞7中部设置有密封限位环7.3，该密封限位环7.3与轨道筒5内壁贴合，确保液压活塞7能在轨道筒5内滑动。密封限位环7.3的上部圆环面和连接套3的下部圆环面在轨道筒5的内腔中形成一个密封腔室。

所述换向轨道设在轨道筒5内壁中部的台阶中，在其内壁中部台阶设有顶部是楔形的轨道块5.1，每个轨道块5.1均包括长台阶一5.1.1、短台阶5.1.2和长台阶二5.1.3，两个轨道块5.1之间的空隙是空台阶，轨道块5.1的长台阶一5.1.1、短台阶5.1.2和长台阶二5.1.3以及空台阶形成长、短、长、空的轨道台阶，轨道块5.1的个数是换向滑块7.2个数的一半，长、短、长、空的4个轨道台阶的宽度相等，同时每个轨道台阶的宽度与换向滑块7.2的宽度相符；长台阶一5.1.1和长台阶二5.1.3在轨道筒5中形成的内径相等，长台阶一5.1.1和长台阶二5.1.3等高、且在轨道筒5中形成的内径小于换向滑块7.2形成的外径、大于换向齿7.1形成的外径；短台阶5.1.2在轨道筒5中形成的内径大于换向滑块7.2形成的外径，使液压活塞7上的每一个换向滑块7.2都契合在每个轨道块5.1的短台阶5.1.2和空台阶中。既每一个换向滑块7.2在这种制约下只能沿着每一个轨道块5.1中的短台阶5.1.2和空台阶作垂直方向的运动，每个换向滑块7.2所对应的换向齿7.1也只能在每一个短台阶5.1.2和每一个空台阶中的垂直方向上运动，每个换向齿7.1的齿尖均位于短台阶5.1.2和空台阶的位置内，每个换向齿7.1的两个齿根角两侧的齿体均位于长台阶一5.1.1和长台阶二5.1.3的位置内，见图7和图8。液压活塞7垂直方向的运动还存在上死点和下死点，上死点为密封限位环7.3的上端圆环面运动至轨道筒5内壁中部台阶的下部圆环面5.2，下死点为换向滑块7.2的下部圆环面运动至轨道块5.1的下端端部。

所述可转动水嘴4的下部外圆设有换向键4.1，该换向键4.1的下部是直角三角形、下部尖端角度是换向齿7.1等腰三角形顶角的一半，换向键4.1下部的直角三角形的斜边长度与换向齿7.1等腰三角形的等腰边长度相等，换向键4.1的个数也是换向齿7.1齿数的一半，换向键4.1的下部直角三角形的斜边形成的面与换向齿7.1上端等腰三角形的等腰边形成的面贴合，换向齿7.1形成的内腔与可转动水嘴4下部直筒筒体形成的外壁相符，可转动水嘴4下部直筒筒体能够插入液压活塞7上部的直筒筒体内；换向键4.1形成的外径大于换向滑块7.2在轨道筒5中形成的外径、也大于短台阶5.1.2在轨道筒5中形成的内径、又小于空台阶在轨道筒5中形成的内径，换向键4.1的宽度与换向滑块7.2的宽度相符。

在液控换层注水装置处于关闭状态时，见图7，每个换向键4.1都在每个空台阶内，每一个换向键4.1下部直角三角形斜边的中点至下部顶点形成的斜面都在轨道弹簧6的弹力下压实在换向齿7.1的等腰斜边中点至上端顶点形成的面上，换向键4.1的侧壁都压实在长台阶一5.1.1的侧壁上，保证在正常注水的情况下可转动水嘴4静止不动。

反洗井时液体推动液压活塞7，液压活塞7上的换向齿7.1推动换向键4.1一起克服轨道弹簧6的弹力向上运动。当运动到换向齿7.1的上死点时，见图8，换向齿7.1已将换向键4.1推出长台阶一5.1.1的范围。

由于没有长台阶一5.1.1侧壁的支撑，在轨道弹簧6弹力的作用下，换向键4.1会沿着换向齿7.1的等腰斜边的斜面向斜下方滑动，直到换向键4.1的下部直角三角形的顶点滑至两个换向齿7.1之间的底角顶点。由于换向齿7.1的两个齿根角在齿体两侧形成的两个面位于长台阶一5.1.1和长台阶二5.1.3的范围内，此时换向键4.1的下部斜边的中点至底部顶点形成的侧面已经位于长台阶一5.1.1的正上部，见图9。

停止反洗井，液压活塞7没有液力的支持，在轨道弹簧6的弹力下，换向键4.1与换向齿7.1同时向下运动。由于换向键4.1的下部斜边的中点至底部顶点形成的侧面已经位于长台阶一5.1.1的正上部。且同时换向键4.1形成的外径要比长台阶一5.1.1和长台阶二5.1.3以及短台阶5.1.2在轨道筒5中形成的内径都要大，换向键4.1只能沿着长台阶一5.1.1和短台阶5.1.2顶部的斜面向下运动，直至换向键4.1的侧壁运动并压实在长台阶二5.1.3的侧壁上固定不动。此时液控换层注水装置处于开启状态，见图10。

所述液压活塞7底部直筒筒体的外径与轨道筒5的底部内腔的内径相符且小于轨道筒5中部台阶下方内腔的内径，定压单流阀设置在液压活塞7的底部、能够随液压活塞7在轨道筒5的底部内腔和中部台阶下方的内腔中移动；反洗井连通孔9上方的液压活塞7的内腔中设有定位台阶8，该定位台阶8形成的内圆小于电磁流量计的外圆；反洗井连通孔9设在密封限位环7.3与定压单流阀之间的液压活塞7的管体中，密封限位环7.3形成的外圆与轨道筒5中部台阶下方的内腔相符。

反洗井时来自轨道筒5下方的液流推动液压活塞7和可转动水嘴4上行至上死点，此时液压活塞7底部直筒筒体脱离轨道筒5的底部内腔，反洗井水可进入到轨道筒5中部台阶下方的内腔中，从反洗井连通孔9进入到液压活塞7的内腔，从而继续上行至油管，再到其他工具内腔，最终到达井口油管闸门，既能形成一条反洗井通道又能保证液压活塞7与可转动水嘴4能上行至上死点。

所述液压活塞7底部的定压单流阀包括阀球10和支撑弹簧11，阀球10顶靠在液压活塞7内壁的阀座上面，使来自阀球10下方的液流不能通过并且在液流的推动下能够带动液压活塞7和可转动水嘴4向上移动，使可转动水嘴4上部的注水孔到达定压开关1的注水孔位置。

所述定压开关1的注水孔和可转动水嘴4的注水孔均是长条状孔并且注水孔与注水孔之间的间距与注水孔的横向长度相等；定压开关1的注水孔与可转动水嘴4注水孔的个数相等且都是偶数并且错位装配，轨道块5.1和换向键4.1的个数与定压开关1的注水孔以及可转动水嘴4注水孔的个数相等，换向齿7.1的个数是轨道块5.1和换向键4.1个数的一倍。

所述定压开关1的注水孔、可转动水嘴4的注水孔、轨道块5.1和换向键4.1的个数均是四个，换向齿7.1的个数是八个；轨道弹簧6的开关切换压强设定在0.04mpa－0.06mpa之间。

参见图6，安装了液控换层注水装置的换层注水管柱包括封隔器12、底部单流阀13和底丝堵，封隔器12连接于两个油层之间，二个液控换层注水装置连接于封隔器12的上方和下方，二个液控换层注水装置与封隔器12能够是直接连接，也能够通过油管短节连接，连接在换层注水管柱中的液控换层注水装置一个是开启状态、另一个是关闭状态。

换层注水管柱的施工方法，是：

a、在地面将液控换层注水装置设置为一个开、另一个关的状态，随换层注水管柱下入井内，下入过程中，位于换层注水管柱下部的液控换层注水装置的液压活塞7在套管液柱压力的作用下上行到上死点，套管中的液体通过反洗井连通孔9和油管进入封隔器12上方的液控换层注水装置中，上方液控换层注水装置中的液压活塞7在套管液柱压力的作用下上行到上死点，实现油管内外压差的平衡，换层注水管柱下入完成后，要保证上、下两个液控换层注水装置的开关切换动作同步。

b、两个液控换层注水装置下入到油层位置后开始注水，然后用电磁流量计下入到位于上方的液控换层注水装置的定位台阶8上面进行测试，根据吸水情况，确定出两个液控换层注水装置的实际状态；由于定压开关1和可转动水嘴7上面的注水孔都位于定位台阶8的上方，将电磁流量计下至位于换层注水管柱上方的液控换层注水装置的定位台阶8处，打开油管闸门开始正常注水，若电磁流量计有流量，说明位于下方的液控换层注水装置为开启，若电磁流量计无流量，则说明位于上方的液控换层注水装置为开启。

c、根据目前两个液控换层注水装置的开关状态以及下步两个液控换层注水装置需求的开关状态，确定是否需要反洗井进行两个液控换层注水装置的开关切换；若不需要开关切换直接注水，若需要开始反洗井。

由于定压开关1的注水孔、可转动水嘴4的注水孔、轨道块5.1和换向键4.1的个数均是四个，换向齿7.1的个数是八个，可转动水嘴4在换向轨道的长、短、长、空的轨道台阶中滑动一次，定压开关1的注水孔与可转动水嘴4的注水孔就能重合或错位，实现换层注水的目的。

反洗井一次，使得原本关闭的液控换层注水装置开启，同时另一个原本开启的液控换层注水装置关闭，即实现分层注水井的换层注水，每次需要换层注水时可通过反洗井进行，依此循环往复。

在正常注水时，注入水可沿油管进入到位于换层注水管柱上方的液控换层注水装置的内腔中，一部分注入水推开液压活塞7的定压单流阀的阀球10，使注入水能够进入换层注水管柱中下一个液控换层注水装置的内腔中，最终到达底部单流阀13而无法流动，另一部分水则从开启的液控换层注水装置的定压开关1的注水孔中进入地层。

上面叙述的实施例仅仅为典型实施例，但本发明不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和启示下做出修改。本文所公开的方案可能存在很多变更、组合和修改，且都在本发明的范围内，因此，保护范围不仅限于上文的说明。