CN108240207A - 自平衡的分层注水配水器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自平衡的分层注水配水器及方法，该自平衡的分层注水配水器包括：本体，其具有上层注水通道和下层注水通道，本体的上端设有注水口，上层注水通道的入水端和下层注水通道的入水端分别与注水口相连通；本体下端设有与下层注水通道的出水端连通的下层排水口；本体的中部设有上层排水口，上层注水通道的出水端与上层排水口相连通；本体内设有自平衡通道，上层注水通道和下层注水通道分别与自平衡通道相连通；滑塞，其能密封滑动地设于自平衡通道中。本发明的自平衡的分层注水配水器及方法，能实现当上下油层的压差改变时，保持上层排水口和下层排水口注入的流量比与原注入比例一致。

Description

自平衡的分层注水配水器及方法

技术领域

本发明有关于一种分层注水配水器及方法，尤其有关于一种油田生产技术领域中的自平衡的分层注水配水器及方法。

背景技术

注水是指在油田开发过程中，通过专门的注水井将水注入油藏，保持或恢复油层压力，使油藏具有较强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率的一种开发方法。分层注水是国内油田常用的一种重要的开发方式，分层注水是指在注水井中下入封隔器，把差异较大的油层分开，再用配水器进行分层配水，使高渗透率油层注水量减少，中低渗透率油层注水量增加，从而使各类油层都能发挥作用。当两个油层的地质条件发生改变，吸水率变化后，传统的配水器需要进行更换水嘴或调节水嘴操作才能保证两个油层注水比例不变，目前市场上还没有一种能通过自动调节实现两油层注水量比例不变的配水器。

因此，有必要提供一种能通过自动调节实现上下两油层注水量比例的配水器及注水配水方法，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自平衡的分层注水配水器，其能够自动使上油层和下油层的注水量保持设定的比例不变。

本发明的另一个目的在于提供一种自平衡的分层注水配水方法，该方法能够自动使上油层和下油层的注水量保持设定的比例不变。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种自平衡的分层注水配水器，包括：本体，其具有上层注水通道和下层注水通道，所述本体的上端设有注水口，所述上层注水通道的入水端和所述下层注水通道的入水端分别与所述注水口相连通；所述本体的下端设有下层排水口，所述下层注水通道的出水端与所述下层排水口相连通；所述本体的中部设有上层排水口，所述上层注水通道的出水端与所述上层排水口相连通；所述本体内设有自平衡通道，所述上层注水通道和所述下层注水通道分别与所述自平衡通道相连通；滑塞，其能密封滑动地设于所述自平衡通道中。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述上层注水通道的入水端或所述下层注水通道的入水端能拆卸地连接有水嘴。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述上层注水通道和所述下层注水通道间隔且相平行地设置在所述本体内。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述自平衡通道位于所述上层排水口的上方。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述自平衡的分层注水配水器位于井下套管内，所述套管上设有与上油层相对的上注入口以及与下油层相对的下注入口，所述套管内设有注水管柱，所述注水管柱上设有上封隔器和下封隔器，所述上注入口位于所述上封隔器与所述下封隔器之间，所述下注入口位于所述下封隔器的下方，所述本体设置在所述注水管柱上，所述本体的上层排水口与所述上注入口连通，所述本体的下层排水口与所述下注入口连通。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述注水管柱包括上注水管柱和下注水管柱，所述上封隔器设置在所述上注水管柱上，所述下封隔器设置在所述下注水管柱上，所述本体连接在所述上注水管柱和所述下注水管柱之间。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述滑塞与所述自平衡通道之间设有聚四氟乙烯密封圈。

如上所述的自平衡的分层注水配水器，其中，所述上层注水通道内的压力通过所述滑塞能调整至等于所述下层注水通道内的压力。

一种自平衡的分层注水配水方法，其中，所述自平衡的分层注水配水方法采用如权利要求1至8中任一项所述的自平衡的分层注水配水器，包括如下步骤：

步骤S1：分别向所述上层注水通道内和所述下层注水通道内注入等压水流；

步骤S2：根据所述本体的上层排水口和下层排水口的压力，所述滑塞在所述自平衡通道内密封滑动，以使自所述上层注水通道的出水端和所述下层注水通道的出水端流出的水流量保持不变。

如上所述的自平衡的分层注水配水方法，其中，还包括：

步骤S3：调整所述上层注水通道的入水端的横截面积或所述下层注水通道的入水端的横截面积，以调整所述等压水流分别自所述上层注水通道的出水端和自所述下层注水通道的出水端流出的水流量。

本发明的自平衡的分层注水配水器及方法的特点及优点是：

本发明的自平衡的分层注水配水器，在本体中的上层注水通道和下层注水通道之间设置自平衡通道，在自平衡通道中设置滑塞，通过上述结构，实现上层排水口和下层排水口流量的自动调节。当上下层油层的压差改变时，上层排水口和下层排水口的流量比例始终等于上层注水通道的入水端和下层注水通道的入水端的横截面积之比，从而保持上层排水口和下层排水口注入的流量比与原注入比例一致。

本发明的自平衡的分层注水配水方法，采用自平衡的分层注水配水器，能实现上层排水口和下层排水口流量的自动调节，当上下层油层的压差改变时，上层排水口和下层排水口的流量比例始终等于上层注水通道的入水端和下层注水通道的入水端的横截面积之比，从而保持上层排水口和下层排水口注入的流量比与原注入比例一致。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的自平衡的分层注水配水器的结构示意图；

图2为本发明的自平衡的分层注水配水器安装于套管中的结构示意图；

图3为本发明的自平衡的分层注水配水器的水流通路的结构示意图。

附图标号说明：1、本体；10、上层注水通道的入水端；101、上层注水通道；11、注水口；110、上螺纹段；12、下层注水通道的入水端；120、下层注水通道；13、水嘴；14、滑塞；141、聚四氟乙烯密封圈；15、自平衡通道；16、上层排水口；17、下层排水口；170、下螺纹段；18、下层注水通道的出水端；19、上层注水通道的出水端；2、上注水管柱；3、上封隔器；4、套管；41、上注入口；42、下注入口；5、下封隔器；6、下注水管柱；7、注水管柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1所示，本发明提供一种自平衡的分层注水配水器，包括：本体1，其具有上层注水通道101和下层注水通道120，所述本体1的上端设有注水口11，所述上层注水通道的入水端10和所述下层注水通道的入水端12分别与所述注水口11相连通；所述本体1的下端设有下层排水口17，所述下层注水通道的出水端18与所述下层排水口17相连通；所述本体1的中部设有上层排水口16，所述上层注水通道的出水端19与所述上层排水口16相连通；所述本体1内设有自平衡通道15，所述上层注水通道101和所述下层注水通道120分别与所述自平衡通道15相连通；滑塞14，其能密封滑动地设于所述自平衡通道15中。本发明的自平衡的分层注水配水器，在本体1中的上层注水通道101和下层注水通道120之间设置自平衡通道15，在自平衡通道15中设置滑塞14，通过上述结构，当上下油层的压差改变时，上层排水口16和下层排水口17的流量比例始终等于上层注水通道的入水端10和下层注水通道的入水端12的横截面积之比，实现了上层排水口16和下层排水口17流量的自动调节，从而保持了上层排水口16和下层排水口17注入各自油层的流量比与原注入各自油层的流量比的比例一致。

具体地，在本实施方式中，如图1所示，本体1大体为圆柱筒形，本体1的上端设有注水口11，注水口11的内环壁上设有上螺纹段110；本体1的下端设有下层排水口17，下层排水口17的内环壁设有下螺纹段170。注水口11的下端面上设有上层注水通道的入水端10和下层注水通道的入水端12。本体1的外环壁上设有上层排水口16，上层排水口16与上层注水通道的入水端10通过上层注水通道101相连通，下层排水口17的顶部设有下层注水通道的出水端18，下层注水通道的出水端18与下层注水通道的入水端12通过下层注水通道120相连通。在上层注水通道101和下层注水通道120之间设有自平衡通道15，自平衡通道15位于上层排水口16的上方，自平衡通道15中设有滑塞14，滑塞14能密封滑动地设于自平衡通道15中，其中，滑塞14与自平衡通道15之间设有聚四氟乙烯密封圈141，通过聚四氟乙烯密封圈141实现滑塞14与自平衡通道15间的滑动密封。上层注水通道101和下层注水通道120间隔且相平行地设置在本体1内。

进一步地，上层注水通道的入水端10或下层注水通道的入水端12能拆卸地连接有水嘴13，在本实施例中，水嘴13能拆卸地连接在上层注水通道的入水端10，水嘴13具有供水流通过的通孔，当需要调整上油层和下油层的注水比例时，可直接更换具有不同直径通孔的水嘴13，更换完毕后，新的水嘴13的通孔和下层注水通道的入水端12的横截面积的比值，就等于上层排水口16和下层排水口17的流量比值。这样就可以通过更换水嘴13，实现改变上油层和下油层的注水量。在另一实施例中，水嘴13还可以拆卸地安装于下层注水通道的入水端12处，也能达到上述的技术效果，在此不再赘述。

更进一步地，如图2所示，自平衡的分层注水配水器位于井下套管4内，套管4上设有与上油层相对的上注入口41以及与下油层相对的下注入口42，套管4内设有注水管柱7，注水管柱7上设有上封隔器3和下封隔器5，上封隔器3和下封隔器5能封隔在套管4内壁，从而密封注水管柱7和套管4的环形空间，防止注入水在上下油层之间泄露。上注入口41位于上封隔器3与下封隔器5之间，下注入口42位于下封隔器5的下方，该自平衡的分层注水配水器的本体1设置在注水管柱7上，本体1的上层排水口16与上注入口41连通，本体1的下层排水口17与下注入口42连通。具体地，注水管柱7包括上注水管柱2和下注水管柱6，上封隔器3设置在上注水管柱2上，下封隔器5设置在下注水管柱6上，本体1连接在上注水管柱2和下注水管柱6之间。根据上述设置，从注水管柱7输送来的水量定比例地被分别送到上油层和下油层，由于滑塞14能在自平衡通道15中密封滑动，当上下两个油层的地质条件发生变化，吸水率改变后，传统的配水器需要重新更换水嘴或调节水嘴才可以保持上下两个油层的注水比例不变，而本发明的自平衡分层注水配水器，当上下两个油层的地质条件发生变化时，通过上层注水通道101和下层注水通道120内的水流压力的改变，使滑塞14在自平衡通道15中密封滑动，从而可以自动调节上层注水通道101和下层注水通道120内的水流压力，以使注入上油层和下油层的注水量保持与原来注入的注水量比例(也即上下两个油层的地质条件未变化时，自上层排水口16和下层排水口17分别注入的流量比)不变的目的。

本发明的自平衡的分层注水配水器的工作方式：

从上注水管柱2注入的等压水流进入注水口11，分别进入上层注水通道101和下层注水通道120中，上层注水通道101中的等压水流通过上层排水口16和上注入口41进入上油层，下层注水通道120中的等压水流通过下层排水口17和下注入口42进入下油层；

当上下两个油层的地质条件发生变化，吸水率改变，存在两种情况：若上油层的压力大于下油层压力，则上层注水通道101中的压力大于下层注水通道120中的压力，滑塞14向右移动，此时，滑塞14会遮挡部分下层注水通道120，使下层注水通道120的水流量减小，最终滑塞14在自平衡通道15中的某个位置达到平衡状态；若上油层的压力小于下油层压力时，上层注水通道101中的压力小于下层注水通道120中的压力，滑塞14向左移动，此时滑塞14会遮挡部分上层注水通道101，使上层注水通道101的水流量减小，最终滑塞14在滑塞轨道15中的某个位置达到平衡状态。滑塞14平衡之后，上层排水口16和下层排水口17的流量比例始终等于上层注水通道的入水端10和下层注水通道的入水端12的横截面积之比，因上层注水通道的入水端10的横截面积和下层注水通道的入水端12的横截面积均未发生变化，因此自上层排水口16和下层排水口17注入各油层的流量也不会发生变化。上述结论在下述的证明一中得到了证明。

当需要调整上下油层的注水量比例时，可直接更换具有不同直径通孔的水嘴13，更换完毕后，新的水嘴13的通孔和下层注水通道的入水端12的横截面积的比值将发生变化，此时注入上油层和下油层的注水量的比值也会产生变化，从而达到了调整上下油层的注水量比例的目的。

本发明的自平衡的分层注水配水器，在本体1中的上层注水通道101和下层注水通道120之间设置自平衡通道15，在自平衡通道15中设置滑塞14，通过上述结构，当上下层油层的压差改变时，自动调节上层注水通道101和下层注水通道120内的水流压力，从而使自上层排水口16和下层排水口17注入各油层的流量比例保持与原来注入的注水量的比例一致的目的。

实施方式二

如图1至图3所示，本发明还提供一种自平衡的分层注水配水方法，该方法采用实施方式一中的自平衡的分层注水配水器，该自平衡的分层注水配水器的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述，该自平衡的分层注水配水方法包括如下步骤：

步骤S1：分别向所述上层注水通道101内和所述下层注水通道120内注入等压水流；

具体地，从上注水管柱2注入的等压水流进入注水口11，再分别进入上层注水通道101和下层注水通道120中，上层注水通道101中的等压水流通过上层排水口16和上注入口41进入上油层，下层注水通道120中的等压水流通过下层排水口17和下注入口42进入下油层。

步骤S2：根据所述本体1的上层排水口16和下层排水口17的压力，所述滑塞14在所述自平衡通道15内密封滑动，以使自所述上层注水通道的出水端19和所述下层注水通道的出水端18流出的水流量保持不变。

具体地，当上下两个油层的地质条件发生变化，吸水率改变，存在两种情况：若上油层的压力大于下油层压力：上层注水通道101中的压力大于下层注水通道120中的压力，滑塞14向右移动，此时，滑塞14会遮挡部分下层注水通道120，使下层注水通道120的水流量减小，最终滑塞14在自平衡通道15中的某个位置达到平衡状态；若上油层的压力小于下油层压力，上层注水通道101中的压力小于下层注水通道120中的压力，滑塞14向左移动，此时滑塞14会遮挡部分上层注水通道101，使上层注水通道101的水流量减小，最终滑塞14在滑塞轨道15中的某个位置达到平衡状态。滑塞14平衡之后，上层排水口16和下层排水口17的流量比例始终等于上层注水通道的入水端10和下层注水通道的入水端12的横截面积之比，因上层注水通道的入水端10的横截面积和下层注水通道的入水端12的横截面积均未发生变化，因此自上层排水口16和下层排水口17注入各油层的流量也不会发生变化，从而实现了自上层排水口16和下层排水口17注入各油层的流量比例保持与原来注入的注水量的比例一致的目的。上述结论在下述的证明一中得到了证明。

本发明的自平衡的分层注水配水方法，能实现上层排水口16和下层排水口17流量的自动调节，当上下油层的压差改变时，上层排水口16和下层排水口17的流量比例始终等于上层注水通道的入水端10和下层注水通道的入水端12的横截面积之比。

本发明的自平衡的分层注水配水方法，进一步还包括步骤S3：调整所述上层注水通道的入水端10的横截面积或下层注水通道的入水端12的横截面积，以调整所述等压水流分别自所述上层注水通道的出水端19和自所述下层注水通道的出水端18流出的水流量。

具体地，当需要调整上下油层的注水比例时，可直接在上层注水通道的入水端10或下层注水通道的入水端12设置具有不同直径通孔的水嘴13，通过改变上层注水通道的入水端10的横截面积和下层注水通道的入水端12的横截面积，从而改变上层注水通道的出水端19和下层注水通道的出水端18流出的水流量，也就达到了调整上油层和下油层的注水量的目的。

证明一

下面将证明上层排水口16和下层排水口17流量的比值等于水嘴13通孔和下层注水通道的入水端12的横截面积的比值。

如图3所示，对于从上注水管柱2流经AC区域和BD区域的两处水流，根据流体力学基本原理，孔口(图3中A或B的位置)处接一长度等于3～4倍管径的短管(即图3中AC或BD)，水流通过短管的出流视为管嘴出流。根据注水的工况，出流为淹没式出流。在一定时间下，此出流可视为恒定管嘴的淹没式出流。首先分析AC段管嘴出流，把水视为理想流体，对水的摩擦损失忽略不计，根据不可压缩的性质。根据伯努利方程，重力作用下不可压缩的理想流体作定常流动时，单位质量流体所具有的位置水头，压强水头，速度水头之和即总水头(或总机械能)为一常数，忽略重力势能，AC段出流列定常流体的伯努利方程简易版：

整理得：

在公式(1)和公式(2)中，ρ为流体密度，其单位为kg/m³；v_A为管嘴入口A的速度，其单位为m/s，P_A为A处的静压，其单位为Pa；v_c为管嘴出口C的速度，其单位为m/s，P_c为C处的静压，其单位为Pa。

BD段出流列定常流体的伯努利方程简易版：

整理得：

由于A、B处于同一界面，则

P_A＝P_B……(5)

由于滑塞14的调整作用，则

P_C＝P_D……(6)

对(2)(4)(5)(6)联立可得：

在公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中，管嘴入口B速度为v_B，其单位为m/s；P_A为A处静压，其单位为Pa；P_B为B处静压，其单位为Pa；P_C为C处静压，其单位为Pa；P_D为D处静压，其单位为Pa；v_A为管嘴入口A处的速度，其单位为m/s；v_B为管嘴入口B处的速度，其单位为m/s；v_C为管嘴出口C处的速度，其单位为m/s；v_D为管嘴出口D处的速度，其单位为m/s；ρ为流体密度，其单位为kg/m³。

设A、B、C、D四处的截面积分别为A_A(m²)、A_B(m²)、A_C(m²)、A_D(m²)，上方管内注入总流量为Q(m³/s)，根据流体连续性方程：

A_Av_A+A_Bv_B＝Q……(8)

A_Av_A＝A_Cv_C……(9)

A_Bv_B＝A_Dv_D……(10)

对公式(7)(8)(9)(10)联立可得：

在公式(11)中，n是只与各截面积有关的常数；v_A为管嘴入口A处的速度，其单位为m/s；v_B为管嘴入口B处的速度，其单位为m/s；v_C为管嘴出口C处的速度，其单位为m/s；v_D为管嘴出口D处的速度，其单位为m/s；

A处流量Q_A和B处流量Q_B的计算公式为：

Q_B＝Q-Q_A……(13)

在公式(12)和(13)中，A_A和A_B分别为A处和B处的截面积，单位为m²；Q为上注水管柱2内注入总流量，其单位是m³/s；v_A为管嘴入口A处流速，其单位为m/s；Q_A为水嘴13通孔A处的流量，Q_B为下层注水通道的入水端B处的流量，Q_A和Q_B的单位为m³/s。由此可知，Q_A和Q_B只与各截面面积和总流量有关，而上层排水口16处的流量等于水嘴13通孔处的流量，下层注水通道的出水端18处的流量等于下层注水通道的入水端12处的流量，所以，上层排水口16的流量和下层注水通道的出水端18的流量也只与水嘴13通孔和下层注水通道的入水端10的截面面积和总流量Q有关。

当注水情况发生变化，例如当上油层压力升高，注入困难时，上层注水通道101中压力升高，但不会高于总注水压力，迫使滑塞14向右侧移动，关闭部分D处出口(不会完全关闭)，直到两侧压力一致，反之亦然。

对一侧压力过大会不会完全关闭另一出口的证明：假设上层注水通道压力升高，迫使滑塞向右侧移动，完全关闭D出口，则应有：

P_C>P_D……(14)

在公式(14)中，P_C为管嘴出口C的静压，其单位为Pa；P_D为管嘴出口D的静压，其单位为Pa。

由于AC有水流流动，在AC流道有压力损失，则P_C<P_A，而BD流道完全封闭，在BD流道没有压力损失，则P_D＝P_B，因为P_A＝P_B，则得出：

P_C<P_D……(15)

在公式(14)中，P_C为C处的静压，其单位为Pa；P_D为D处的静压，其单位为Pa。

公式(15)与公式(14)不会同时发生，故完全关闭D口的情况不会发生。上油层压力过高不会导致滑塞14完全封闭下层注水通道120；而下油层压力过高也不会导致滑塞14完全封闭上层注水通道101。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种自平衡的分层注水配水器，其特征在于，包括：

本体，其具有上层注水通道和下层注水通道，所述本体的上端设有注水口，所述上层注水通道的入水端和所述下层注水通道的入水端分别与所述注水口相连通；所述本体的下端设有下层排水口，所述下层注水通道的出水端与所述下层排水口相连通；所述本体的中部设有上层排水口，所述上层注水通道的出水端与所述上层排水口相连通；所述本体内设有自平衡通道，所述上层注水通道和所述下层注水通道分别与所述自平衡通道相连通；

滑塞，其能密封滑动地设于所述自平衡通道中。

2.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述上层注水通道的入水端或所述下层注水通道的入水端能拆卸地连接有水嘴。

3.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述上层注水通道和所述下层注水通道间隔且相平行地设置在所述本体内。

4.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述自平衡通道位于所述上层排水口的上方。

5.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述自平衡的分层注水配水器位于井下套管内，所述套管上设有与上油层相对的上注入口以及与下油层相对的下注入口，所述套管内设有注水管柱，所述注水管柱上设有上封隔器和下封隔器，所述上注入口位于所述上封隔器与所述下封隔器之间，所述下注入口位于所述下封隔器的下方，所述本体设置在所述注水管柱上，所述本体的上层排水口与所述上注入口连通，所述本体的下层排水口与所述下注入口连通。

6.根据权利要求5所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述注水管柱包括上注水管柱和下注水管柱，所述上封隔器设置在所述上注水管柱上，所述下封隔器设置在所述下注水管柱上，所述本体连接在所述上注水管柱和所述下注水管柱之间。

7.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述滑塞与所述自平衡通道之间设有聚四氟乙烯密封圈。

8.根据权利要求1所述的自平衡的分层注水配水器，其特征在于，所述上层注水通道内的压力通过所述滑塞能调整至等于所述下层注水通道内的压力。

9.一种自平衡的分层注水配水方法，其特征在于，所述自平衡的分层注水配水方法采用如权利要求1至8中任一项所述的自平衡的分层注水配水器，所述自平衡的分层注水配水方法包括如下步骤：

步骤S1：分别向所述上层注水通道内和所述下层注水通道内注入等压水流；

步骤S2：根据所述本体的上层排水口和下层排水口的压力，所述滑塞在所述自平衡通道内密封滑动，以使自所述上层注水通道的出水端和所述下层注水通道的出水端流出的水流量保持不变。

10.根据权利要求9所述的自平衡的分层注水配水方法，其特征在于，还包括：

步骤S3：调整所述上层注水通道的入水端的横截面积或所述下层注水通道的入水端的横截面积，以调整所述等压水流分别自所述上层注水通道的出水端和自所述下层注水通道的出水端流出的水流量。