CN110195578A - 小套管井的分层注水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小套管井的分层注水系统，小套管内腔插接有注水管柱，注水管柱的上端通过变径与管柱大直径段相连接，注水管柱上与油层相应的位置分别设有智能配水器，相邻配水器之间分别设有封隔器；各配水器均受控于地面控制系统，地面控制系统中来水支管上安装有来水手动开关阀，来水手动开关阀的上游安装有阀前压力变送器，下游安装有智能调水阀，智能调水阀的下游连接有注水手动开关阀，注水手动开关阀的出口连接注水管，智能调水阀出口安装有阀后压力变送器，两压力变送器和智能调水阀的信号线均与地面控制器相连接。注水管上连接有旁路排水管，旁路排水管的入口设有电动泄压阀。该控制系统可以实现地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

Description

小套管井的分层注水系统

技术领域

本发明涉及石油天然气领域的分层注水井，尤其涉及一种小套管井的分层注水系统，属于分层注水技术领域。

背景技术

分层注水是通过封隔器的封隔和配水器的水嘴控制来实施注水，使高中低渗地层都发挥注水作用，从而实现调整油田层间矛盾提高注水波及系数的一项工艺措施。

封隔器通过水力、机械或自封的作用，使得扩张胶筒鼓胀密封油套环空，把上、下油层分隔开来。随着油田开发年限的增加，套管变形、套损井越来越多，通常采用套管悬挂修复后恢复生产，如此在原破损的大套管中放入新的小套管形成小直径井眼，小套管通过顶部的悬挂器悬挂在大套管中，小套管外径尺寸主要是φ102mm及φ95mm两种，初期这类小井眼注水通常采用笼统注水方式，不能进行分层注水；长期注水后部分小井眼井层间矛盾突出急需分注，以改善水驱效果，适用于95mm小套管井分注的小直径封隔器尚无相关研究。

目前常用的配水器为无缆智能配水器，其地面装置与井下装置采用的通信方式主要有：下放通信短节通信或单向压力波通信，下放通信短节通信方式因其后期的维护成本较大，已逐渐被压力波通信代替。而单向压力波通信只能由地面向井下发送波码指令，井下智能配水器接收指令开关水嘴或改变配注，但是单向压力波通信无法在地面获得井下每层实时流量、地层压力等数据。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种小套管井的分层注水系统，能够封隔小套管注水井的套管环形空间，注水作业时可以实现地面控制系统与井下配水器的双向压力波通信。

为解决以上技术问题，本发明的一种小套管井的分层注水系统，小套管的上端通过套管悬挂器悬挂在大套管的内壁，所述小套管的内腔插接有注水管柱，所述注水管柱的上端伸出小套管的上方且通过变径接头与管柱大直径段相连接，所述管柱大直径段通过水力锚固定在大套管的内腔，所述注水管柱上与油层相应的位置分别设有智能配水器，相邻智能配水器之间分别设有封隔器，顶层智能配水器的上方设有扶正器，底层油层的智能配水器下方依次连接有单向阀、筛管和丝堵；各智能配水器均受控于地面控制系统，所述地面控制系统包括来水干管和注水管，所述来水干管连接有来水支管，所述来水支管上通过法兰安装有来水手动开关阀，所述来水手动开关阀的上游安装有阀前压力变送器，所述来水手动开关阀的下游通过法兰安装有智能调水阀，所述智能调水阀设有流量传感器，所述智能调水阀的下游通过法兰连接有注水手动开关阀，所述注水手动开关阀的出口连接所述注水管，所述智能调水阀出口与所述注水手动开关阀入口之间的管道上安装有阀后压力变送器，所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线均与地面控制器相连接；所述注水管上连接有旁路排水管，所述旁路排水管的入口设有电动泄压阀。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：打开来水手动开关阀和注水手动开关阀后，水流沿来水干管和来水支管进入智能调水阀，经智能调水阀调节后进入注水管，阀前压力变送器可以检测智能调水阀上游的压力并传输给地面控制器，阀后压力变送器可以检测智能调水阀下游的压力并传输给地面控制器，地面控制器发送控制信号来调节智能调节阀的开关，从而控制注水流量。当智能调水阀从全闭切换至全开时，地面压力与流量同时增大，形成压力与流量编码的高；当智能调水阀从全开切换至全闭时，地面压力与流量同时减小，形成压力与流量编码的低，如此形成压力波，下行压力波发送给井下智能配水器，达到对注水量的调控。井下智能配水器通过开关水嘴或改变水嘴开度形成压力波，上行压力波被阀后压力变送器采集并发送给地面控制器，地面控制器解析出上行压力波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向压力波通信。在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，可以打开电动泄压阀进行快速泄压，以此达到低压力脉冲的编码。

作为本发明的改进，所述地面控制器中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和数据远传接口，所述数据采集单元的信号接收端分别与所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线相连，所述数据采集单元的压力流量信号输出端与所述信号处理单元的压力流量信号接收端相连，所述信号处理单元与所述地面控制芯片双向通讯连接，所述地面控制芯片与所述数据远传接口双向通讯连接，所述数据远传接口与上位机无线连接，所述信号处理单元的控制信号输出端与所述智能调水阀的信号线连接；所述信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，所述信号处理单元设有24V输出端，所述24V输出端与所述电动泄压阀的电源线相连。地面控制芯片还通过数据远传接口及无线设备将流量、压力等实时数据发送至上位机，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。编码时，地面控制器内的数据远传接口接收到上位机的指令，当指令为读取井下数据时，发送控制信号来调节智能调节阀的开关，通过智能调节阀的开关形成压力与流量的高、低变化，实现压力波通信的发码功能。井下智能配水器接收到地面信号后，返回压力波码给地面，地面对返回波码进行解析。收码时，通过读取阀后压力变送器的压力数据与读取智能调节阀上的流量数据，当高于某一阈值时为高脉冲，低于某一阈值时为低脉冲，以此完成压力波通信的收码过程，根据约定协议内容对所接受波码进行解析得到井下数据，完成地面与井下的双向通信功能。触摸屏可以进行数据的现场显示；在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，信号处理单元输出24V给电动泄压阀，使其打开进行快速泄压，以此达到低压力脉冲的编码。

作为本发明的进一步改进，所述阀后压力变送器安装在所述智能调水阀的出口横管上，所述地面控制器的背面安装有竖向支架，所述竖向支架上固定有卡箍，所述卡箍抱在所述智能调水阀的出口竖管上。通过竖向支架与卡箍可以实现地面控制器的就地安装，且可以调整位置。

作为本发明的进一步改进，所述智能配水器包括共轴线的配水上接头、外护管、配水中心管和配水下接头，所述配水上接头的下端外周旋接在所述外护管的上端口中，所述配水下接头的上部外周旋接在所述外护管的下端口中，所述配水中心管的下端口压在所述配水下接头的顶部，所述配水下接头的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴，所述水嘴的外端口覆盖有防返吐罩；所述配水下接头中安装有水嘴控制机构，所述配水中心管的上部与所述配水上接头之间设有内护管，所述内护管的内径与配水中心管的内径相等，所述内护管的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；所述配水上接头的下端压在上内护管凸圈的外台阶上，下内护管凸圈的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座，各上密封座的内缘分别压在所述配水中心管的上端口；所述配水中心管与所述外护管之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，各安装柱的上端分别固定在相应上密封座上。配水上接头的作用是连接外护管和内护管，并为连接上方的油管管柱提供标准接口；外护管的作用是隔绝油管外压力和流体，并为仪器提供承压力和油管上下拉力，保护仪器安全；配水中心管为油管内压力和流体，并为下层流体和其他测井仪器提供通道；配水下接头连接外护管和配水中心管，并为水嘴提供流体流道入口和出口，并连接水嘴，同时连接验封检测短节并为其提供取压口，还为连接下方的油管管柱提供标准接口。井下控制单元沿内护管和外护管之间的空腔布置，结构紧凑，通过水嘴控制机构精确调节水嘴的开度，从而调节注水方量。防返吐罩不影响注水，并且可以防止井下岩屑进入水嘴。当水嘴从全闭切换至全开时，注水压力与流量同时增大，形成压力与流量编码的高；当水嘴从全开切换至全闭时，注水压力与流量同时减小，形成压力与流量编码的低，如此形成井下压力波，井下压力波向上返回，被地面控制系统的阀后压力变送器采集并发送给地面控制器，地面控制器解析出井下压力波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

作为本发明的进一步改进，第一、二、三安装柱的下端分别固定在所述配水下接头上，第一安装柱的下端安装有可接收地面控制器压力波信号的验封检测短节，第二安装柱的中段安装有控制所述水嘴控制机构动作时间和方向的电机驱动机构，电机驱动机构受控于所述井下控制单元，所述井下控制单元的信号输入端与所述验封检测短节的信号输出端电连接。四根安装柱将验封检测短节和电机驱动机构分别安装在环状空间的不同相位上，可以减小配水器的整体外形尺寸，并且可以采用较大内径的配水中心管，以便于测试仪器的通行。验封检测短节的压力传感器接收下行的压力波信号并传输给井下控制单元，同时验封检测短节还测得管内实际压力和管外实际压力，结合相关算法来对封隔器的情况进行验封，将管内外的压力实际数据也反馈给井下控制单元。井下控制单元接收验封检测短节的信号，存储各个单元算法数据和控制程序，计算水嘴的流量数据；通过电机驱动机构控制水嘴控制机构的动作时间和方向，从而调节水嘴出水口的开度值大小，进而来精确调节本层的注水方量，同时通过开启、闭合水嘴出水口形成井下压力波向地面控制系统发送。验封检测短节与井下控制单元之间的信号电缆沿第一安装柱的内腔穿行，下内护管凸圈和上密封座上设有轴向孔供信号电缆通过。该配水器一次施工即可长时间满足验封、注水和压力降落等功能测试。

作为本发明的进一步改进，第四安装柱上安装有向井下控制单元、电机驱动机构和验封检测短节提供电源的集成供电单元，所述集成供电单元的外周设有供电单元外护壳，所述上密封座的外缘压在所述供电单元外护壳的上端口，所述供电单元外护壳的下端口与所述配水中心管的外壁之间设有下密封座，所述第四安装柱的下端固定在所述下密封座上。集成供电单元为各个运动机构和电子元器件提供电力保障，自带集成供电单元可以使该配水器长时间在井下工作，并利用压力波进行地面和井下双向传输。上密封座与下密封座确保供电单元外护壳上下端口的密封。

作为本发明的进一步改进，所述封隔器包括封隔器中心管，所述封隔器中心管的下部外周套装有扩张胶筒，所述扩张胶筒的下端封闭且扩张胶筒的内周壁与所述封隔器中心管的外壁之间设有间隙形成胶筒内腔；所述扩张胶筒的上端固定在胶筒上压帽的下端口中，所述胶筒上压帽中部的内台阶上支撑有弹簧，所述弹簧的上端压在反洗活塞的下端，所述反洗活塞的上端抵靠在反洗活塞座的下方，所述反洗活塞座的下部外周与所述胶筒上压帽的上端口相旋接；与反洗活塞座内壁对应的封隔器中心管上设有坐封进水孔；所述反洗活塞座的上部旋接有开关液缸，所述开关液缸的内腔设有开关活塞，所述开关活塞的下端设有开关活塞小直径段，所述开关活塞小直径段的下端插入反洗活塞座的内腔且与反洗活塞的上端内缘相对；所述开关活塞小直径段上设有与所述坐封进水孔相贯通的开关活塞通水槽；所述开关液缸的中段设有对开关活塞进行上限位的开关液缸内台阶，所述开关液缸内台阶的上方设有贯通开关液缸的反洗进水孔。大套管变形损坏后，在原破损的大套管中放入新的小套管形成小直径井眼，小套管通过顶部的悬挂器悬挂在大套管中。在小套管中采用专用封隔器将上下油层分隔开以后，即可进行分层注水。从封隔器中心管内向封隔器加压，液压经过封隔器中心管上的坐封进水孔进入反洗活塞座的内腔，推动反洗活塞压缩弹簧，液压进入扩张胶筒的内腔使其扩张密封油套管的环形空间，实现坐封。停注时，在弹簧的张力作用下，反洗活塞向上升起与反洗活塞座贴合，使扩张胶筒内腔的压力液被封闭，保证扩张胶筒处于坐封状态，即使管柱内外的压差消失，封隔器仍能保持密封状态，解决了常规封隔器在油管泄压即发生解封的问题。从封隔器中心管内向封隔器加压坐封时，同时开关活塞在内压作用下保持开关液缸向上的推力，使开关液缸不会相对于封隔器中心管产生轴向位移，这样保证封隔器不会因为注水时的蠕动使封隔器解封剪钉剪断而失效。开关活塞受到从坐封进水孔注入的液压时，向上滑动至开关液缸内台阶停止。当需要反洗井时，油套环空加压，液体经过开关液缸上的反洗进水孔进入开关液缸与封隔器中心管之间的环空内，液体推动开关活塞向下运动，开关活塞小直径段向下推开反洗活塞，扩张胶筒内的液体经过反洗活塞、封隔器中心管上的坐封进水孔，回到注水管柱，封隔器解封，可进行反洗井，同时平衡活塞保持平衡液缸向上的推力，抵消了大部分作用在扩张胶筒上向下的活塞力，减小了平衡液缸上方解封剪钉所受到的向下的剪切力，封隔器不会因为反洗井时扩张胶筒向下的活塞力使解封剪钉剪断而失效。重新注水时，封隔器中心管内的液体经过封隔器中心管上的坐封进水孔推动开关活塞上移，同时推动反洗活塞打开使封隔器坐封。

作为本发明的进一步改进，所述开关液缸的上端旋接有平衡液缸，所述平衡液缸的内腔设有平衡活塞，所述平衡液缸的中段设有对平衡活塞进行上限位的平衡液缸内台阶，所述平衡液缸的上端口抵靠在封隔器上接头的台阶下方，平衡液缸的上部圆周通过解封剪钉连接在封隔器上接头的下端外周，所述封隔器上接头的下端母螺纹旋接在所述封隔器中心管的上端，所述平衡活塞上方的封隔器中心管上设有封隔器中心管泄水孔。由于平衡液缸的上端口抵靠在封隔器上接头的台阶下方，平衡液缸受到向上的推力即可确保解封剪钉不被剪断。当需要解封及起管柱作业时，有两种解封方法：一种是反洗井解封，与上述反洗井作业原理相同；另一种是上提管柱解封，上提管柱时，封隔器在扩张胶筒与套管磨擦力作用下，平衡液缸保持静止不动，封隔器上接头和封隔器中心管上移，剪断解封剪钉，实现解封。

作为本发明的进一步改进，所述扩张胶筒的下端固定在胶筒下压帽中，所述胶筒下压帽的下端内壁通过下压帽O形圈与封隔器中心管外壁实现密封，所述胶筒下压帽下方的封隔器中心管设有封隔器中心管缩径段，所述封隔器中心管缩径段的下端旋接有封隔器下接头。解封剪钉被剪断后，封隔器中心管继续上移，胶筒下压帽内的下压帽O形圈向下越过封隔器中心管的下部台阶而失去密封作用，扩张胶筒的内腔泄压，内外压力平衡，实现解封，可顺利起出封隔器。

作为本发明的进一步改进，所述反洗活塞的上端与所述反洗活塞座的下段通过斜锥面相互配合，且反洗活塞的斜锥面上嵌装有反洗活塞密封环；所述反洗活塞的上端内周嵌装有与所述开关活塞小直径段的下缘相对的反洗活塞压环，所述反洗活塞压环的中部外周设有台阶将所述反洗活塞密封环压住。斜锥面可以增大反洗活塞与反洗活塞座的配合面积，且具有自动对中的作用，在反洗活塞的斜锥面上嵌装反洗活塞密封环可提高密封性能。坐封时，开关活塞的下端通过反洗活塞压环推动反洗活塞下行，可降低反洗活塞的加工难度，延长其使用寿命，也便于反洗活塞密封环的安装和更换。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。

图1为本发明小套管井的分层注水系统的示意图。

图2为图1中封隔器的主视图。

图3为图2的整体放大图。

图4为图2的局部放大图。

图5为本发明中地面控制系统的立体图。

图6为图1中地面控制器的工作原理图。

图7为图1中井下智能配水器的主视图。

图8为图7去掉外护管后的左视图。

图中：A.水力锚；B.智能配水器；C.封隔器；D.扶正器；E.单向阀；F.筛管；G.丝堵；H.套管悬挂器；G1.来水干管；G2.来水支管；G3.注水管；G4.旁路排水管；P1.阀前压力变送器；P2.阀后压力变送器；V1.来水手动开关阀；V2.智能调水阀；V3.注水手动开关阀；V4.电动泄压阀；K1.地面控制器；K1a.竖向支架；K1b.卡箍。

1.封隔器上接头；2.解封剪钉；3.平衡液缸；4.平衡活塞；5.封隔器中心管；5a.坐封进水孔；5b.封隔器中心管泄水孔；5c.封隔器中心管缩径段；6.开关液缸；6a.反洗进水孔；7.开关活塞；7a.开关活塞小直径段；7b.开关活塞通水槽；8.反洗活塞座；9.反洗活塞密封环；10.反洗活塞压环；11.反洗活塞；12.弹簧；13.胶筒上压帽；14.扩张胶筒；15.胶筒下压帽；16.密封螺钉；17.下压帽O形圈；18.封隔器下接头。

19.水嘴；20.防返吐罩；21.配水上接头；22.外护管；23.配水中心管；24.内护管；24a.上内护管凸圈；24b.下内护管凸圈；25.上密封座；26.水嘴控制机构；27.电机驱动机构；28.验封检测短节；29.井下控制单元；30.集成供电单元；30a.供电单元外护壳；31.第一安装柱；32.第二安装柱；33.第三安装柱；34.第四安装柱；35.下密封座；36.配水下接头。

具体实施方式

如图1所示，本发明小套管井的分层注水系统，小套管的上端通过套管悬挂器H悬挂在大套管的内壁，小套管的内腔插接有注水管柱，注水管柱的上端伸出小套管的上方且通过变径接头与管柱大直径段相连接，管柱大直径段通过水力锚A固定在大套管的内腔，注水管柱上与油层相应的位置分别设有智能配水器B，各智能配水器B均受控于地面控制系统，相邻智能配水器之间分别设有封隔器C，顶层智能配水器的上方设有扶正器D，底层油层的智能配水器B下方依次连接有单向阀E、筛管F和丝堵G。在小套管中采用封隔器将上下油层分隔开以后，即可进行分层注水。

如图2至图4所示，封隔器C包括封隔器中心管5，封隔器中心管5的下部外周套装有扩张胶筒14，扩张胶筒14的下端封闭且扩张胶筒14的内周壁与封隔器中心管5的外壁之间设有间隙形成胶筒内腔；封隔器中心管5的下端旋接有封隔器下接头18。扩张胶筒14的上端固定在胶筒上压帽13的下端口中，胶筒上压帽13中部的内台阶上支撑有弹簧12，弹簧12的上端压在反洗活塞11的下端，反洗活塞11的上端抵靠在反洗活塞座8的下方，反洗活塞座8的下部外周与胶筒上压帽13的上端口相旋接；与反洗活塞座8内壁对应的封隔器中心管5上设有坐封进水孔5a。

反洗活塞座8的上部旋接有开关液缸6，开关液缸6的内腔设有开关活塞7，开关活塞7的下端设有开关活塞小直径段7a，开关活塞小直径段7a的下端插入反洗活塞座8的内腔且与反洗活塞11的上端内缘相对；开关活塞小直径段7a上设有与坐封进水孔5a相贯通的开关活塞通水槽7b。开关液缸6的中段设有对开关活塞7进行上限位的开关液缸内台阶，开关液缸内台阶的上方设有贯通开关液缸6的反洗进水孔6a。

开关液缸6的上端旋接有平衡液缸3，平衡液缸3的内腔设有平衡活塞4，平衡液缸3的中段设有对平衡活塞4进行上限位的平衡液缸内台阶，平衡液缸3的上端口抵靠在封隔器上接头1的台阶下方，平衡液缸3的上部圆周通过解封剪钉2连接在封隔器上接头1的下端外周，封隔器上接头1的下端母螺纹旋接在封隔器中心管5的上端，平衡活塞4上方的封隔器中心管5上设有封隔器中心管泄水孔5b。扩张胶筒14的下端固定在胶筒下压帽15中，胶筒下压帽15的下端内壁通过下压帽O形圈17与封隔器中心管5外壁实现密封，胶筒下压帽15下方的封隔器中心管5设有封隔器中心管缩径段5c。

从封隔器中心管5内向封隔器加压，液压经过封隔器中心管5上的坐封进水孔5a进入反洗活塞座8的内腔，推动反洗活塞11压缩弹簧12，液压进入扩张胶筒14的内腔使其扩张密封油套管的环形空间，实现坐封。停注时，在弹簧12的张力作用下，反洗活塞11向上升起与反洗活塞座8贴合，使扩张胶筒14内腔的压力液被封闭，保证扩张胶筒14处于坐封状态，即使管柱内外的压差消失，封隔器仍能保持密封状态，解决了常规封隔器在油管泄压即发生解封的问题。从封隔器中心管5内向封隔器加压坐封时，同时开关活塞7在内压作用下保持开关液缸6向上的推力，使开关液缸6不会相对于封隔器中心管5产生轴向位移，这样保证封隔器不会因为注水时的蠕动使封隔器解封剪钉2剪断而失效。开关活塞7受到从坐封进水孔5a注入的液压时，向上滑动至开关液缸内台阶停止。

当需要反洗井时，油套环空加压，液体经过开关液缸6上的反洗进水孔6a进入开关液缸6与封隔器中心管5之间的环空内，液体推动开关活塞7向下运动，开关活塞小直径段7a向下推开反洗活塞11，扩张胶筒14内的液体经过反洗活塞11、封隔器中心管5上的坐封进水孔5a，回到注水管柱，封隔器解封，可进行反洗井，同时平衡活塞4保持平衡液缸3向上的推力，抵消了大部分作用在扩张胶筒14上向下的活塞力，减小了平衡液缸3上方解封剪钉2所受到的向下的剪切力，封隔器不会因为反洗井时扩张胶筒14向下的活塞力使解封剪钉2剪断而失效。重新注水时，封隔器中心管5内的液体经过封隔器中心管5上的坐封进水孔5a推动开关活塞7上移，同时推动反洗活塞11打开使封隔器重新坐封。

由于平衡液缸3的上端口抵靠在封隔器上接头1的台阶下方，平衡液缸3受到向上的推力即可确保解封剪钉2不被剪断。当需要解封及起管柱作业时，有两种解封方法：一种是反洗井解封，与上述反洗井作业原理相同；另一种是上提管柱解封，上提管柱时，封隔器在扩张胶筒14与套管磨擦力作用下，平衡液缸3保持静止不动，封隔器上接头1和封隔器中心管5上移，剪断解封剪钉2；封隔器中心管5继续上移，胶筒下压帽15内的下压帽O形圈17向下越过封隔器中心管5的下部台阶而失去密封作用，扩张胶筒14的内腔泄压，内外压力平衡，实现解封，可顺利起出封隔器。

胶筒下压帽15的中部圆周上设有压帽泄水孔，压帽泄水孔旋接有密封螺钉16。密封螺钉16将压帽泄水孔封闭，可对封隔器进行试压，试压完成后旋掉密封螺钉16进行泄放。

反洗活塞11的上端与反洗活塞座8的下段通过斜锥面相互配合，且反洗活塞11的斜锥面上嵌装有反洗活塞密封环9。反洗活塞11的上端内周嵌装有与开关活塞小直径段7a的下缘相对的反洗活塞压环10，反洗活塞压环10的中部外周设有台阶将反洗活塞密封环9压住。斜锥面可以增大反洗活塞11与反洗活塞座8的配合面积，且具有自动对中的作用，在反洗活塞11的斜锥面上嵌装反洗活塞密封环9可提高密封性能。坐封时，开关活塞7的下端通过反洗活塞压环10推动反洗活塞11下行，可降低反洗活塞11的加工难度，延长其使用寿命，也便于反洗活塞密封环9的安装和更换。

该封隔器设有滑套开关机构，在油管泄压后，滑套开关保持关闭，扩张胶筒14内外不连通，保证封隔器在注水压力波动及关井停注时依然能保持密封状态，解决了层间窜通的问题。还设有反洗解封机构，能保证封隔器在反洗压差达到一定时，封隔器解封，进行反洗井作业，反洗结束后，给封隔器重新注水，封隔器能重新坐封。还设有内压、反洗两平衡机构，封隔器在注水时不会因为封隔器的蠕动使封隔器解封剪钉2剪断而失效，不会因为反洗井时胶筒上向下的活塞力使解封剪钉2剪断而失效，封隔器的稳定性大大增强。有反洗解封、上提解封两种解封方式，便于使用时根据实际情况进行选择。

平衡液缸3、开关液缸6、胶筒上压帽13和胶筒下压帽15的外径均为φ75mm，可满足φ95mm小套管注水井的重复坐封需要；封隔器中心管5的内通径为φ40mm，可以满足直径φ36mm仪器分层调配水及吸水剖面测试需要。

如图5所示，地面控制系统包括来水干管G1和注水管G3，来水干管G1连接有来水支管G2，来水支管G2上通过法兰安装有来水手动开关阀V1，来水手动开关阀V1的上游安装有阀前压力变送器P1，来水手动开关阀V1的下游通过法兰安装有智能调水阀V2，智能调水阀V2设有流量传感器，智能调水阀V2的下游通过法兰连接有注水手动开关阀V3，注水手动开关阀V3的出口连接注水管G3，智能调水阀V2出口与注水手动开关阀V3入口之间的管道上安装有阀后压力变送器P2，阀前压力变送器P1、阀后压力变送器P2和智能调水阀V2的信号线均与地面控制器K1相连接。

阀后压力变送器P2安装在智能调水阀V2的出口横管上，地面控制器K1的背面安装有竖向支架K1a，竖向支架K1a上固定有卡箍K1b，卡箍K1b抱在智能调水阀V2的出口竖管上。通过竖向支架K1a与卡箍K1b可以实现地面控制器K1的就地安装，且可以调整位置。

打开来水手动开关阀V1和注水手动开关阀V3后，水流沿来水干管G1和来水支管G2进入智能调水阀V2，经智能调水阀V2调节后进入注水管G3，阀前压力变送器P1可以检测智能调水阀V2上游的压力并传输给地面控制器K1，阀后压力变送器P2可以检测智能调水阀V2下游的压力并传输给地面控制器K1，地面控制器K1发送控制信号来调节智能调节阀的开关，智能调水阀V2具有检测流量的功能，能够实时读取流量，同时具有阀门开度调节作用。

当智能调水阀V2从全闭切换至全开时，地面压力与流量同时增大，形成压力与流量编码的高；当智能调水阀V2从全开切换至全闭时，地面压力与流量同时减小，形成压力与流量编码的低，如此形成压力波。按照预设的协议定时通过压力波的形式把命令发给井下智能配水器，达到对注水量的调控。

井下智能配水器通过开关水嘴或改变水嘴开度形成压力波，上行压力波被阀后压力变送器P2采集并发送给地面控制器K1，地面控制器K1解析出上行压力波，如此实现了地面设备与井下仪器的双向压力波通信。

如图6所示，地面控制器K1中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和数据远传接口，数据采集单元的信号接收端分别与阀前压力变送器P1、阀后压力变送器P2和智能调水阀V2的信号线相连，数据采集单元的压力流量信号输出端与信号处理单元的压力流量信号接收端相连，信号处理单元与地面控制芯片双向通讯连接，地面控制芯片与数据远传接口双向通讯连接，数据远传接口与上位机无线连接，信号处理单元的控制信号输出端与智能调水阀V2的信号线连接。

数据采集单元接收到阀前压力变送器P1发送的阀前压力信号、阀后压力变送器P2发送的阀后压力信号和智能调水阀V2发送的流量信号，并提供给地面控制芯片，地面控制芯片经过运算与处理后，通过信号处理单元向智能调水阀V2发出控制信号。地面控制芯片还通过数据远传接口及无线设备将流量、压力等实时数据发送至上位机，实时显示井口数据，达到远程监控调测的目的。

编码时，地面控制器K1内的数据远传接口接收到上位机的指令，当指令为读取井下数据时，发送控制信号来调节智能调节阀的开关，通过智能调节阀的开关形成压力与流量的高、低变化，实现压力波通信的发码功能。

井下智能配水器接收到地面信号后，执行并返回压力波码给地面，地面对返回波码进行解析。收码时，通过读取阀后压力变送器P2的压力数据与读取智能调节阀上的流量数据，当高于某一阈值时为高脉冲，低于某一阈值时为低脉冲，以此完成压力波通信的收码过程，根据约定协议内容对所接受波码进行解析得到井下数据，完成地面与井下的双向通信功能。信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，以进行数据的现场显示。

注水管G3上连接有旁路排水管G4，旁路排水管G4的入口设有电动泄压阀V4，信号处理单元设有24V输出端，24V输出端与电动泄压阀V4的电源线相连。在井下渗水性不好，导致压力无法降低时，信号处理单元输出24V给电动泄压阀V4，使其打开进行快速泄压，以此达到低压力脉冲的编码。

如图7和图8所示，井下智能配水器包括共轴线的配水上接头21、外护管22、配水中心管23和配水下接头36，配水上接头21的下端外周旋接在外护管22的上端口中，配水下接头36的上部外周旋接在外护管22的下端口中，配水中心管23的下端口压在配水下接头36的顶部，配水下接头36的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴19，配水下接头36中安装有水嘴控制机构26。水嘴19的外端口覆盖有防返吐罩20，防返吐罩20不影响注水，并且可以防止井下岩屑进入水嘴19。

配水中心管23的上部与配水上接头21之间设有内护管24，内护管24的内径与配水中心管23的内径相等，内护管24的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；配水上接头21的下端压在上内护管凸圈24a的外台阶上，下内护管凸圈24b的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座25，各上密封座25的内缘分别压在配水中心管23的上端口；配水中心管23与外护管22之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，第一安装柱31、第二安装柱32、第三安装柱33和第四安装柱34的上端分别固定在相应上密封座25上。

第一安装柱31、第二安装柱32和第三安装柱33的下端分别固定在配水下接头36上，第一安装柱31的下端安装有可接收地面控制器压力波信号的验封检测短节28，第二安装柱32的中段安装有控制水嘴控制机构26动作时间和方向的电机驱动机构27，电机驱动机构27受控于井下控制单元29，井下控制单元29的信号输入端与验封检测短节28的信号输出端电连接。

第四安装柱34上安装有向井下控制单元29、电机驱动机构27和验封检测短节28提供电源的集成供电单元30，集成供电单元30的外周设有供电单元外护壳30a，上密封座25的外缘压在供电单元外护壳30a的上端口，供电单元外护壳30a的下端口与配水中心管23的外壁之间设有下密封座35，第四安装柱的下端固定在下密封座35上。

配水上接头21的作用是连接外护管22和内护管24，并为连接上方的油管管柱提供标准接口；外护管22的作用是隔绝油管外压力和流体，并为仪器提供承压力和油管上下拉力，保护仪器安全；配水中心管23为油管内压力和流体，并为下层流体和其他测井仪器提供通道。

配水下接头36连接外护管22和配水中心管23，并为水嘴19提供流体流道入口和出口，并连接水嘴19，同时连接验封检测短节28并为其提供取压口，还为连接下方的油管管柱提供标准接口。水嘴控制机构26精确调节水嘴19的开度，从而调节注水方量。

四根安装柱将验封检测短节28、电机驱动机构27和集成供电单元30分别安装在环状空间的不同相位上，可以减小配水器的整体外形尺寸，并且可以采用较大内径的配水中心管23，以便于测试仪器的通行。

验封检测短节28的压力传感器接收下行的压力波信号并传输给井下控制单元29，同时验封检测短节28还测得管内实际压力和管外实际压力，结合相关算法来对封隔器的情况进行验封，将管内外的压力实际数据也反馈给井下控制单元29。

井下控制单元29接收验封检测短节28的信号，存储各个单元算法数据和控制程序，计算水嘴19的流量数据；通过电机驱动机构27控制水嘴控制机构26的动作时间和方向，从而调节水嘴出水口的开度值大小，进而来精确调节本层的注水方量，同时水嘴19的启闭形成井下压力波形向地面控制器发送。验封检测短节28与井下控制单元29之间的信号电缆可以沿第一安装柱31的内腔穿行，下内护管凸圈24b和上密封座25上设有轴向孔供信号电缆通过。

集成供电单元30为各个运动机构和电子元器件提供电力保障，自带集成供电单元30可以使该配水器长时间在井下工作，并利用压力波进行地面和井下双向传输。

验封过程如下：首先在下井过程中各单元处于休眠状态，当打压座封完成后一段时间，井下电路开始处于唤醒状态，地面控制系统将压力波信号传输给验封检测短节28，验封检测短节28将信息反馈给井下控制单元29，井下控制单元29根据其存储的逻辑单元控制电机驱动机构27和水嘴控制机构26开关水嘴19，进而改变管内压力，井下压力波信号传回地面控制系统，地面控制器接收并通过相应算法后，获得验封数据。

注水过程如下：按要求的方量进行注水时，地面控制系统将注水数据通过压力波传输给井下的验封检测短节28，验封检测短节28接收并反馈给井下控制单元29后，井下控制单元29通过相关算法并利用其逻辑单元控制电机控制机构和水嘴控制机构26将水嘴19打开至相应位置，完成注水后关闭水嘴19。

Claims (10)

1.一种小套管井的分层注水系统，小套管的上端通过套管悬挂器悬挂在大套管的内壁，所述小套管的内腔插接有注水管柱，所述注水管柱的上端伸出小套管的上方且通过变径接头与管柱大直径段相连接，所述管柱大直径段通过水力锚固定在大套管的内腔，所述注水管柱上与油层相应的位置分别设有智能配水器，相邻智能配水器之间分别设有封隔器，顶层智能配水器的上方设有扶正器，底层油层的智能配水器下方依次连接有单向阀、筛管和丝堵；各智能配水器均受控于地面控制系统，其特征在于：所述地面控制系统包括来水干管和注水管，所述来水干管连接有来水支管，所述来水支管上通过法兰安装有来水手动开关阀，所述来水手动开关阀的上游安装有阀前压力变送器，所述来水手动开关阀的下游通过法兰安装有智能调水阀，所述智能调水阀设有流量传感器，所述智能调水阀的下游通过法兰连接有注水手动开关阀，所述注水手动开关阀的出口连接所述注水管，所述智能调水阀出口与所述注水手动开关阀入口之间的管道上安装有阀后压力变送器，所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线均与地面控制器相连接；所述注水管上连接有旁路排水管，所述旁路排水管的入口设有电动泄压阀。

2.根据权利要求1所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述地面控制器中设有电源单元、地面控制芯片、数据采集单元、信号处理单元和数据远传接口，所述数据采集单元的信号接收端分别与所述阀前压力变送器、阀后压力变送器和智能调水阀的信号线相连，所述数据采集单元的压力流量信号输出端与所述信号处理单元的压力流量信号接收端相连，所述信号处理单元与所述地面控制芯片双向通讯连接，所述地面控制芯片与所述数据远传接口双向通讯连接，所述数据远传接口与上位机无线连接，所述信号处理单元的控制信号输出端与所述智能调水阀的信号线连接；所述信号处理单元还通过通讯接口与触摸屏相连，所述信号处理单元设有24V输出端，所述24V输出端与所述电动泄压阀的电源线相连。

3.根据权利要求1所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述阀后压力变送器安装在所述智能调水阀的出口横管上，所述地面控制器的背面安装有竖向支架，所述竖向支架上固定有卡箍，所述卡箍抱在所述智能调水阀的出口竖管上。

4.根据权利要求1所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述智能配水器包括共轴线的配水上接头、外护管、配水中心管和配水下接头，所述配水上接头的下端外周旋接在所述外护管的上端口中，所述配水下接头的上部外周旋接在所述外护管的下端口中，所述配水中心管的下端口压在所述配水下接头的顶部，所述配水下接头的中部安装有与中心孔贯通且开度可调的水嘴，所述水嘴的外端口覆盖有防返吐罩；所述配水下接头中安装有水嘴控制机构，所述配水中心管的上部与所述配水上接头之间设有内护管，所述内护管的内径与配水中心管的内径相等，所述内护管的上下两端分别设有向外凸出的内护管凸圈，两内护管凸圈之间的空腔中安装有井下控制单元；所述配水上接头的下端压在上内护管凸圈的外台阶上，下内护管凸圈的下端面均匀分布有四个凸圈凹槽，各凸圈凹槽中分别嵌装有上密封座，各上密封座的内缘分别压在所述配水中心管的上端口；所述配水中心管与所述外护管之间的环状空间中均匀安装有四根沿轴向延伸的安装柱，各安装柱的上端分别固定在相应上密封座上。

5.根据权利要求4所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：第一、二、三安装柱的下端分别固定在所述配水下接头上，第一安装柱的下端安装有可接收地面控制器压力波信号的验封检测短节，第二安装柱的中段安装有控制所述水嘴控制机构动作时间和方向的电机驱动机构，电机驱动机构受控于所述井下控制单元，所述井下控制单元的信号输入端与所述验封检测短节的信号输出端电连接。

6.根据权利要求5所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：第四安装柱上安装有向井下控制单元、电机驱动机构和验封检测短节提供电源的集成供电单元，所述集成供电单元的外周设有供电单元外护壳，所述上密封座的外缘压在所述供电单元外护壳的上端口，所述供电单元外护壳的下端口与所述配水中心管的外壁之间设有下密封座，所述第四安装柱的下端固定在所述下密封座上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述封隔器包括封隔器中心管，所述封隔器中心管的下部外周套装有扩张胶筒，所述扩张胶筒的下端封闭且扩张胶筒的内周壁与所述封隔器中心管的外壁之间设有间隙形成胶筒内腔；所述扩张胶筒的上端固定在胶筒上压帽的下端口中，所述胶筒上压帽中部的内台阶上支撑有弹簧，所述弹簧的上端压在反洗活塞的下端，所述反洗活塞的上端抵靠在反洗活塞座的下方，所述反洗活塞座的下部外周与所述胶筒上压帽的上端口相旋接；与反洗活塞座内壁对应的封隔器中心管上设有坐封进水孔；所述反洗活塞座的上部旋接有开关液缸，所述开关液缸的内腔设有开关活塞，所述开关活塞的下端设有开关活塞小直径段，所述开关活塞小直径段的下端插入反洗活塞座的内腔且与反洗活塞的上端内缘相对；所述开关活塞小直径段上设有与所述坐封进水孔相贯通的开关活塞通水槽；所述开关液缸的中段设有对开关活塞进行上限位的开关液缸内台阶，所述开关液缸内台阶的上方设有贯通开关液缸的反洗进水孔。

8.据权利要求7所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述开关液缸的上端旋接有平衡液缸，所述平衡液缸的内腔设有平衡活塞，所述平衡液缸的中段设有对平衡活塞进行上限位的平衡液缸内台阶，所述平衡液缸的上端口抵靠在封隔器上接头的台阶下方，平衡液缸的上部圆周通过解封剪钉连接在封隔器上接头的下端外周，所述封隔器上接头的下端母螺纹旋接在所述封隔器中心管的上端，所述平衡活塞上方的封隔器中心管上设有封隔器中心管泄水孔。

9.根据权利要求8所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述扩张胶筒的下端固定在胶筒下压帽中，所述胶筒下压帽的下端内壁通过下压帽O形圈与封隔器中心管外壁实现密封，所述胶筒下压帽下方的封隔器中心管设有封隔器中心管缩径段，所述封隔器中心管缩径段的下端旋接有封隔器下接头。

10.根据权利要求8所述的小套管井的分层注水系统，其特征在于：所述反洗活塞的上端与所述反洗活塞座的下段通过斜锥面相互配合，且反洗活塞的斜锥面上嵌装有反洗活塞密封环；所述反洗活塞的上端内周嵌装有与所述开关活塞小直径段的下缘相对的反洗活塞压环，所述反洗活塞压环的中部外周设有台阶将所述反洗活塞密封环压住。