本發(fā)明涉及石油天然氣采油工藝的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種分層注水工藝管柱及其方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的分層注水工藝，水分配器是在井下工作的，因此需要進行井下測調(diào)。井下測調(diào)作業(yè)工序復(fù)雜，而且在井下測調(diào)容易發(fā)生事故，不能確保各層的有效注入量，并不方便計量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種分層注水工藝管柱及其方法，各注水層能單獨注水，避免了不同注水層之間的層間干擾，注水機構(gòu)位于地面上，可以在地面上方便地調(diào)節(jié)各注水層的注水量，不需要繁雜的井下測調(diào)作業(yè)。

本發(fā)明提出一種分層注水工藝管柱，所述分層注水工藝管柱包括：

中心管，其下放到井內(nèi)的套管中；

坐封閥，包括卸壓閥座和閥球；所述卸壓閥座通過銷釘固定在所述中心管的底部，在所述卸壓閥座上沿所述中心管的軸向設(shè)置貫通孔，所述閥球能落坐在所述卸壓閥座上并封堵所述貫通孔；

至少三個封隔器，均置于所述套管內(nèi)且間隔套裝在所述中心管外，所述封隔器能坐封在所述套管的內(nèi)腔中，并在相鄰的所述封隔器之間形成對應(yīng)的注水層；

注水管，沿所述中心管的軸向設(shè)置在所述中心管與所述套管之間，所述注水管的數(shù)量與所述注水層的數(shù)量相同，各所述注水管的下開口分別連通對應(yīng)的所述注水層；

位于地面上的注水機構(gòu)，所述注水機構(gòu)包括連接到外界水源的地面管路，所述地面管路的數(shù)量與所述封隔器的數(shù)量相同；所述中心管的上開口與其中一根所述地面管路的出水口連接，各所述注水管的上開口分別與其余的各所述地面管路的出水口一一對應(yīng)連接。

進一步地，在井口處設(shè)置密封井口，所述密封井口上沿所述中心管的軸向設(shè)置第一通道，所述第一通道的數(shù)量與所述注水層的數(shù)量相同；

各所述第一通道的上開口與各所述地面管路的出水口通過連接卡套一一對應(yīng)連接。

更進一步地，各所述封隔器上沿所述中心管的軸向設(shè)置與各所述第一通道位置對應(yīng)的第二通道；

各所述注水管分別包括從上到下依次設(shè)置的至少兩個注水管分段，各所述注水管中最下方的所述注水管分段的下開口分別連通對應(yīng)的所述注水層；各所述第一通道的下開口與對應(yīng)的所述第二通道的上開口分別通過所述注水管分段連通，上下相鄰且位置對應(yīng)的各所述第二通道分別通過所述注水管分段連通。

進一步地，各所述注水管平行于所述中心管，且固定連接到所述中心管的外壁上。

進一步地，各所述地面管路上分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器和流量傳感器。

進一步地，所述注水機構(gòu)還包括柱塞泵和水分配器，所述柱塞泵和所述水分配器均位于地面上；

所述柱塞泵與所述外界水源連接并為水加壓，并將經(jīng)加壓的水輸送到所述水分配器；所述水分配器具有一個入口和至少三個出口，所述水分配器的入口與所述柱塞泵連接，各所述水分配器的出口分別與各所述地面管路的入水口一一對應(yīng)連接。

作為一種可實施的方式，所述注水管的管壁的厚度為1毫米～2毫米。

作為一種可實施的方式，所述注水管的外徑大于或等于13毫米，且小于或等于25毫米。

作為一種可實施的方式，所述中心管的外徑大于或等于22毫米，且小于或等于50毫米。

本發(fā)明還提出一種分層注水工藝方法，采用上述的分層注水工藝管柱，所述分層注水工藝方法包括如下步驟：

步驟S10，將中心管下放到套管內(nèi)，投入閥球，使所述閥球落坐在卸壓閥座上并封堵貫通孔；

步驟S20，通過與所述中心管連接的地面管路向所述中心管內(nèi)打壓，使各封隔器在所述套管內(nèi)坐封，在相鄰的所述封隔器之間形成對應(yīng)的注水層；

步驟S30，當(dāng)需要分層注水時，通過與注水管連接的地面管路向該注水管注水，使所述注水管對應(yīng)連接的所述注水層分別注水。

進一步地，當(dāng)需要反洗井時，在所述步驟S30之后還包括步驟S40，所述中心管卸壓，使各所述封隔器解封；向所述套管與所述中心管之間的環(huán)形空間內(nèi)注入洗井液，所述洗井液向上頂起所述閥球，所述洗井液經(jīng)所述貫通孔進入所述中心管，然后從所述中心管的上開口返出。

進一步地，當(dāng)需要起出所述分層注水工藝管柱時，在所述步驟S30之后還包括步驟S50，所述中心管卸壓，使各所述封隔器解封；提高所述中心管中的壓力，直至剪斷固定所述卸壓球座的銷釘，所述卸壓球座和所述閥球一起落入固定連接在所述中心管下端的篩管內(nèi)，并能隨所述中心管從所述套管中起出，所述中心管內(nèi)的液體瀉入所述井內(nèi)。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：本發(fā)明的分層注水工藝管柱中，每一個注水層利用一根對應(yīng)連接到地面管路的注水管進行單獨注水，有效避免了不同注水層之間的層間干擾。而且通過注水機構(gòu)在地面可方便的調(diào)節(jié)每一注水層的注水量，在地面進行調(diào)節(jié)注水量，省略了繁雜的井下測調(diào)作業(yè)，消除了測調(diào)作業(yè)中發(fā)生的井下事故，同時保證了各層有效的注入量，并能方便計量。

本發(fā)明通過中心管將所有封隔器打壓坐封后，分別對其中一根注水管打壓、保壓，向?qū)?yīng)的注水層注水打壓，然后在地面觀察其他注水管的壓力是否發(fā)生變化，尤其需要觀察相鄰的注水層的壓力，即可判斷該注水層使用的封隔器是否坐封，而不需要在井下進行驗封。如果該壓力上升，則說明該注水層所使用的封隔器未完全坐封；如果該壓力不變化，則完全坐封。依次向不同的注水層內(nèi)打壓，通過檢測與其相鄰的注水層所對應(yīng)的注水管中的壓力，即可檢驗所有的封隔器是否完成坐封，而不需要進行繁瑣的井下作業(yè)來驗封。

本發(fā)明的分層注水工藝方法，根據(jù)中心管的外徑尺寸，可以實現(xiàn)對五個或五個以上的注水層進行分層注水。只需下入一次管柱，步驟簡單，作業(yè)效率高。在中心管處打壓即可坐封所有的封隔器，實現(xiàn)對多個注水層的分層注水，并可在封隔器解封后進行反洗井工藝，還能方便快捷地起出管柱。

本發(fā)明的分層注水工藝管柱具有較好的防腐、防垢作用。由于地面管路和注水管均采用金屬連續(xù)管制成，具有較好的防腐性能。而且金屬材質(zhì)的地面管路和注水管本身不容易結(jié)垢，即使地面管路和注水管結(jié)垢，對注水量的影響相對較小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的分層注水工藝管柱的實施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的分層注水工藝管柱的實施例一的封隔器與注水管裝配關(guān)系的局部示意圖；

圖3為本發(fā)明的分層注水工藝管柱的實施例二的中心管底部的裝配關(guān)系的局部示意圖。

10-中心管；

20-坐封閥；22-卸壓閥座；24-閥球；

30-封隔器；40-注水管；

51-地面管路；52-變徑接頭；53-調(diào)節(jié)閥；

54-壓力傳感器；55-流量傳感器；

56-柱塞泵；57-水分配器；

60-連接卡套；70-注水管安裝保護套；80密封井口；

100-套管；200-注水層。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的技術(shù)特征和優(yōu)點進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部實施例。

請參閱圖1至圖3所示，本發(fā)明提出一種分層注水工藝管柱，分層注水工藝管柱包括中心管10、坐封閥20、至少三個封隔器30、注水管40和注水機構(gòu)。

中心管10下放到套管100中，套管100置于井內(nèi)，套管100與中心管10之間形成環(huán)形空間；請參閱圖3所示，坐封閥20包括卸壓閥座22和閥球24；卸壓閥座22通過銷釘固定在中心管10的底部，在卸壓閥座22上沿中心管10的軸向設(shè)置貫通孔，閥球24能落坐在卸壓閥座22上并封堵貫通孔。封隔器30均置于套管100內(nèi),且封隔器30間隔套裝在中心管10外，封隔器30能坐封在套管100的內(nèi)腔中，并在相鄰的封隔器30之間形成對應(yīng)的注水層200。

如圖2所示，注水管40沿中心管10的軸向設(shè)置在中心管10與套管100之間，注水管40的數(shù)量與注水層200的數(shù)量相同，各注水管40的下開口分別連通對應(yīng)的注水層200。注水機構(gòu)位于地面上，注水機構(gòu)包括連接到外界水源的地面管路51，地面管路51的數(shù)量與封隔器30的數(shù)量相同，即為至少三根；中心管10的上開口與其中一根地面管路51的出水口連接，各注水管40的上開口分別與其余的各地面管路51的出水口一一對應(yīng)連接。

本發(fā)明的分層注水工藝管柱中，每一個注水層200利用一根注水管40進行單獨注水，有效避免了不同注水層200之間的層間干擾。而且本發(fā)明通過注水機構(gòu)在地面可方便的調(diào)節(jié)每一注水層200的注水量，在地面進行注水量的調(diào)節(jié)，與現(xiàn)有的分層注水工藝相比較，水分配器在井下工作相比較，本發(fā)明省略了繁雜的井下測調(diào)作業(yè)，消除了測調(diào)作業(yè)中發(fā)生的井下事故，同時保證了各層有效的注入量，并能方便計量。

通過中心管10將封隔器30打壓坐封后，分別對其中一根注水管40打壓、保壓，也就是向該注水管40對應(yīng)的注水層200注水打壓，然后在地面觀察其他注水管40的壓力是否發(fā)生變化，尤其需要觀察與該注水層200相鄰的注水層200所對應(yīng)的注水管40的壓力，通過其他注水管40的壓力是否上升即可判斷該注水管40對應(yīng)的注水層200使用的封隔器30是否坐封，而不需要在井下進行驗封。如果該壓力上升，則說明該注水層200所使用的封隔器30未完全坐封；如果該壓力不變化，則完全坐封。依次向不同的注水層200內(nèi)打壓，即可檢驗所有的封隔器30是否完成坐封，而不需要進行繁瑣的井下作業(yè)來驗封。

封隔器30的數(shù)量為至少三個，在相鄰的封隔器30之間形成至少兩個注水層200，封隔器30采用液壓坐封方式，類似常用的Y341封隔器，采用軸向壓縮式封隔原理。圖1所示的實施例一中，在中心管10中打壓，封隔器30的推力活塞在液壓力作用下，擠壓封隔器膠筒直至膠筒產(chǎn)生徑向變形，膠筒分隔并密封套管100與中心管10之間的環(huán)形空間，從而形成至少兩個注水層200。

如圖1所示的實施例一中，在套管100內(nèi)從上至下設(shè)置五個封隔器30，在相鄰的封隔器30之間從上至下形成四個注水層200，設(shè)置四根注水管40，各注水管40的下開口分別連通一個注水層200。相應(yīng)設(shè)置五根地面管路51，地面管路51分別與中心管10的上開口、四根注水管40的上開口一一對應(yīng)連接。

在實施例一中，地面管路51的數(shù)量等于中心管10的數(shù)量與注水管40的數(shù)量之和；還可以使地面管路51的數(shù)量大于中心管10的數(shù)量與注水管40的數(shù)量之和，使用中根據(jù)需要形成的注水層200的數(shù)量，采用合適數(shù)量的注水管40，進而選擇開啟合適數(shù)量的地面管路51與注水管40連通，為對應(yīng)的注水層200注水。

較優(yōu)地，在中心管10的下端固定連接一篩管，篩管能接住從中心管10上脫落的卸壓閥座22和閥球24，從而能方便地起出整個分層注水工藝管柱。

進一步地，如圖1所示，在井口處設(shè)置密封井口80，密封井口80上沿中心管10的軸向設(shè)置第一通道，第一通道的數(shù)量與注水層200的數(shù)量相同；各第一通道的上開口與各地面管路51的出水口通過連接卡套60一一對應(yīng)連接。

更進一步地，各封隔器30上沿中心管10的軸向設(shè)置與各第一通道位置對應(yīng)的第二通道，各注水管40分別包括從上到下依次設(shè)置的至少兩個注水管分段，各注水管40中的注水管分段的數(shù)量互不相同，各注水管中最下方的注水管分段的下開口分別連通對應(yīng)的注水層200。各第一通道的下開口與對應(yīng)的第二通道的上開口分別通過注水管分段連接，上下相鄰且位置對應(yīng)的各第二通道分別通過注水管分段連接；未連接注水管分段的第二通道上設(shè)置用于封堵的堵頭。

也就是說，以圖1為例，第一通道的數(shù)量與第二通道的數(shù)量相同，且設(shè)置位置一一對應(yīng)。地面管路51中的流體經(jīng)第一通道和第二通道，以及連接在第一通道和第二通道之間的注水管分段分別進入對應(yīng)的注水層200。根據(jù)注水層200的不同深度，選擇不同數(shù)量的注水管分段進行銜接。

以位于最上層的注水層200為例，流體從上至下依次經(jīng)過地面管路51、密封井口80的第一通道、注水管分段、第一個封隔器30的第二通道和注水管分段進入注水層200。再以從上至下第二層的注水層200為例，流體從上到下依次經(jīng)過地面管路51、第一通道、注水管分段、第一個封隔器30的第二通道、注水管分段、第二個封隔器30的第二通道和注水管分段進入注水層200。

然后以從上至下第三層的注水層200為例，流體從上到下依次經(jīng)過地面管路51、第一通道、注水管分段、第一個封隔器30的第二通道、注水管分段、第二個封隔器30的第二通道、注水管分段、第三個封隔器30的第二通道和注水管分段進入注水層200。其余注水層200的流體注入順序與上述兩層注水層200類似，在此不再一一贅述。

較優(yōu)地，注水管分段由金屬連續(xù)管制成，金屬連續(xù)管優(yōu)選為不銹鋼材質(zhì)，具有較好的防腐性能。與現(xiàn)有技術(shù)中在井下使用的注水水嘴相比，由于注水水嘴的徑向尺寸小，一旦結(jié)垢對注水量的影響較大，而金屬材質(zhì)的注水管分段本身不容易結(jié)垢，即使注水管分段結(jié)垢，較大尺寸的注水管分段對注水量的影響相對較小。因此，本發(fā)明的分層注水工藝管柱具有較好的防腐、防垢作用。

較優(yōu)地，注水管分段與第一通道、第二通道之間分別通過連接卡套60連接。如圖3所示，左邊的注水管40示出了兩個注水管分段，上方的注水管分段與上方的封隔器的第二通道的上開口通過連接卡套60連接，下方的注水管分段的上開口與上方的封隔器的第二通道的下開口通過連接卡套60連接，下方的注水管分段的下開口與下方的封隔器的第二通道的上開口通過連接卡套60連接。

如圖3所示，右邊的注水管40示出了一個注水管分段，注水管分段與上方的封隔器的第二通道的上開口通過連接卡套60連接，上方的封隔器的第二通道的下開口與其所在的注水層連通，該第二通道下方對應(yīng)的第二通道的上開口使用堵頭進行封堵，避免注水層中注入的流體向下流出。

進一步地，各注水管40平行于中心管10，且固定連接到中心管10的外壁上。較優(yōu)地，注水管40通過注水管安裝保護套70固定在中心管10的外壁上，在注水管40上位于各注水層200之間的部分分別設(shè)置至少兩個注水管安裝保護套70，避免分層注水時水的沖擊引起注水管40移位。

在實施例一中，如圖1所示，各注水管40中最下方的注水管分段的下端超出與其連接的封隔器30的下端面，且各注水管40中最下方的注水管分段的最末端向外翹起，以便順暢地向?qū)?yīng)的注水層200注水，提高注水效率，也避免了水在注入過程中的沖擊力作用于位于其下方的封隔器30。

在實施例二中，如圖3所示，在各注水管40連通的注水層200中不設(shè)置注水管分段，(形成該注水層200的上方的封隔器30的)第二通道的下開口直接與注水層200連通，也就是說，流體最后通過第二通道注入注水層200。

進一步地，各地面管路51上分別設(shè)置調(diào)節(jié)閥53、壓力傳感器54和流量傳感器55。調(diào)節(jié)閥53通過接受控制信號改變流體流量，壓力傳感器54和流量傳感器55分別控制和測量地面管路51的壓力和流量。

進一步地，注水機構(gòu)還包括柱塞泵56和水分配器57，柱塞泵56和水分配器57均位于地面上。柱塞泵56與外界水源連接并為水加壓，并將經(jīng)加壓的水輸送到水分配器57；水分配器57具有一個入口和至少三個出口，水分配器57的入口與柱塞泵56連接，各水分配器57的出口分別與各地面管路51的入水口一一對應(yīng)連接。

較優(yōu)地，水分配器57的出口的數(shù)量大于或等于地面管路51的數(shù)量，如果水分配器57的出口的數(shù)量大于地面管路51的數(shù)量，使用時可以選擇部分水分配器57的出口與地面管路51連接，封堵多余的水分配器57的出口作為預(yù)留出口，當(dāng)增加注水層200的數(shù)量時，開啟預(yù)留出口。

水分配器57將水源分為多路高壓水，在水分配器57的出口與其連接的地面管路51的入水口之間設(shè)置變徑接頭52(即為轉(zhuǎn)換接頭)。柱塞泵56為高壓柱塞泵，水分配器57為高壓水分配器并輸出高壓注入水，地面管路51為高壓注水管路，變徑接頭52為高壓變徑接頭，這些零件的抗壓強度均能符合坐封、注水和反洗井等作業(yè)中的壓力要求。

較優(yōu)地，地面管路51由金屬連續(xù)管制成，金屬連續(xù)管優(yōu)選為不銹鋼材質(zhì)，其兩端(即地面管路51的入水口和地面管路51的出水口)均不設(shè)置螺紋。地面管路51的出水口與第一通道的上開口通過連接卡套60連接，地面管路51的入水口與水分配器57的出口通過連接卡套60連接。采用連接卡套60連接的方式，避免了在各地面管路51和各注水管分段上加工螺紋，方便了實際操作，提高了作業(yè)效率。

地面管路51優(yōu)選為不銹鋼材質(zhì)，具有較好的防腐性能。與現(xiàn)有技術(shù)中在井下使用的注水水嘴相比，由于注水水嘴的徑向尺寸小，一旦結(jié)垢對注水量的影響較大，而金屬材質(zhì)的地面管路51本身不容易結(jié)垢，即使地面管路51結(jié)垢，較大尺寸的地面管路51對注水量的影響相對較小。因此，本發(fā)明的分層注水工藝管柱具有較好的防腐、防垢作用。

作為一種可實施的方式，注水管40的管壁的厚度為1毫米～2毫米。

作為一種可實施的方式，注水管40的外徑大于或等于13毫米，且小于或等于25毫米。也就是說，注水管40采用較小尺寸。

作為一種可實施的方式，中心管10的外徑大于或等于22毫米，且小于或等于50毫米。

本發(fā)明還提出一種分層注水工藝方法，采用上述的分層注水工藝管柱，分層注水工藝方法包括如下步驟：

步驟S10，將中心管10下放到套管100內(nèi)，投入閥球24，使閥球24落坐在卸壓閥座22上并封堵貫通孔；此時，中心管10的內(nèi)腔與套管100的內(nèi)腔之間被閥球24分隔開；

步驟S20，通過與中心管10連接的地面管路51向中心管10內(nèi)打壓，使各封隔器30在套管100內(nèi)坐封，在相鄰的封隔器30之間形成對應(yīng)的注水層200；

步驟S30，當(dāng)需要分層注水時，通過與注水管40連接的地面管路51向該注水管40注水，使注水管40對應(yīng)連接的注水層200分別注水。

較優(yōu)地，由于封隔器30的坐封壓力小于注水壓力，通過水分配器57依次向地面管路51、注水管40注水的過程中，中心管10內(nèi)的壓力維持為注水壓力，可以保證封隔器30處于坐封狀態(tài)。此時閥球24坐封在卸壓閥座22上，坐封閥20處于關(guān)閉狀態(tài)，不允許注入的水從上向下進入套管100。

進一步地，當(dāng)需要反洗井時，在步驟S30之后還包括步驟S40，中心管10卸壓，使各封隔器30解封，此時各注水層200上下連通，即環(huán)形空間上下貫通；向套管100與中心管10之間的環(huán)形空間內(nèi)注入洗井液，洗井液向上頂起閥球24，洗井液經(jīng)貫通孔進入中心管10，然后從中心管10的上開口返出。坐封閥20的功能類似單向閥，只能使流體自下而上流通。

進一步地，當(dāng)需要起出分層注水工藝管柱時，在步驟S30之后還包括步驟S50，中心管10卸壓，使各封隔器30解封；提高中心管10中的壓力，直至剪斷固定卸壓球座22的銷釘，卸壓球座22和閥球24一起落入固定連接在中心管10下端的篩管內(nèi)，并能隨中心管10從套管100中起出，中心管10內(nèi)的液體瀉入井內(nèi)。

為使銷釘剪斷，中心管10內(nèi)的壓力要增加到較高的數(shù)值，此時的壓力值必須大于分層注水時的壓力值，壓力增大至足以使銷釘剪斷，并通過貫通孔落入篩管中，從而中心管10的內(nèi)腔與套管100的內(nèi)腔連通，方便起出管柱。

本發(fā)明的分層注水工藝方法，每一個注水層200利用一根注水管40進行單獨注水，有效避免了不同注水層200之間的層間干擾，有效避免了不同注水層200之間的層間干擾，采用金屬材質(zhì)的注水管40具有較好的防腐、防垢作用。另外，注水量的調(diào)節(jié)是在地面進行，因此省略了繁雜的井下測調(diào)作業(yè)，消除了井下測調(diào)作業(yè)中容易發(fā)生的井下事故，同時保證了各層的有效注入量，并能方便計量。

本發(fā)明的分層注水工藝方法，根據(jù)中心管10的外徑尺寸，可以實現(xiàn)對五個或五個以上的注水層200進行分層注水。本發(fā)明只需下入一次管柱，步驟簡單，作業(yè)效率高。在中心管10處打壓即可坐封所有的封隔器30，實現(xiàn)對多個注水層200的分層注水，并可在封隔器30解封后進行反洗井工藝，還能方便快捷地起出管柱。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍。特別指出，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。