CN111663924B - 一种油井控水增油装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油井控水增油装置及方法，其中装置包括中心管、外管，所述外管套装在中心管外部，且外管与中心管之间构成环空，构成环空通道，所述中心管开设至少一个安装窗口，安装窗口上安装控水增油机构，流体进入外管内，再从环空通道流入控水增油机构，最后从控水增油机构流入中心管内部。本发明能够根据流体性质自动调整通过装置的流动阻力：含水率较低时，装置对流体具有一定的阻力，能够抵消跟端效应和储层非均质性的影响，生产剖面均衡推进；随着含水率的增大，控水装置流动阻力将显著增加，出水层段的流动受到显著抑制，保证油气井长期稳产。

Description

一种油井控水增油装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体地说是一种油井控水增油装置及方法。

背景技术

在油田开发过程中，由于储层非均质性等因素的影响，油井不同位置的产量有所不同，生产剖面的不均衡推进会导致在高产量位置过早见水/气。一旦发生水/气突破，油井产量将显著降低。分段射孔与变密度射孔完井等方法可以在一定程度上平衡生产剖面。但这些方法对生产剖面的调控能力有限，无法做到有效控水/气。

国内外已相继研发出多种被动式流入控制装置和自适应流入控制装置。然而，现有流入控制装置结构复杂，且无法在高含水条件下精确调节其流动阻力。面对国内多数油田已进入中高含水开发阶段的现状，现有装置无法有效控水稳油。

申请号：201810687883.6公开了一种控水增油装置、筛管及管柱，涉及采油领域，达到了不必找水堵水就能控制采油含水量目的。该控水增油装置包括：外壳，外壳上设有进油口和出油口；旋转结构，旋转结构设置于外壳内，外壳内有空腔，空腔与进油口和出油口连通，流体从进油口流经旋转结构流入空腔，旋转结构使流体在空腔中旋转；封堵件，封堵件设置在空腔内。流体含水量越多，流体粘度越低，流体在空腔中旋转速度越快，空腔内的压力高于与出油口连通的筛管中的压力，封堵件越被吸向出油口，出油口的开口越小，进入筛管中的流体越少，通过在含水量不同的地层中开采不同量的流体，来控制开采流体的总含水量，免去了找水堵水的步骤。本发明主要用于采油。

以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油井控水增油装置及方法，能够根据流体性质自动调整通过装置的流动阻力：含水率较低时，装置对流体具有一定的阻力，能够抵消跟端效应和储层非均质性的影响，生产剖面均衡推进；随着含水率的增大，控水装置流动阻力将显著增加，出水层段的流动受到显著抑制，保证油气井长期稳产。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种油井控水增油装置，包括中心管、外管，所述外管套装在中心管外部，且外管与中心管之间构成环空，构成环空通道，所述中心管开设至少一个安装窗口，安装窗口上安装控水增油机构，所述外管上至少开设一个径向贯通的外管流体入口，外管外部的流体能从外管流体入口流入所述环空通道，再从环空通道流入控水增油机构，最后从控水增油机构流入中心管内部。所述控水增油机构包括内盒体、外压盖、遇油膨胀控流机构、控水机构，所述内盒体内边缘固定在中心管的安装窗口上，所述外压盖固定封盖在内盒体的径向外侧面，所述内盒体开设一个连通环空通道的控流机构流体入口，还开设一个连通中心管内腔的流体出口，所述遇油膨胀控流机构、控水机构均安装在内盒体内腔中，其中遇油膨胀控流机构设置在控流机构流体入口处，控水机构设置在流体出口处。

所述遇油膨胀控流机构包括并列在一起的固定流动通道体、遇油膨胀控流通道体，所述遇油膨胀控流通道体包括遇油膨胀组件、控流通道组件，所述固定流动通道体与控流通道组件开设有相同数量且各自相对应的流通孔，所述固定流动通道体上下两端与内盒体内壁均为固定连接状态，所述控流通道组件上端连接遇油膨胀组件，遇油膨胀组件上端与内盒体内壁为固定连接状态。

所述控水机构包括至少两级同心的限流挡板，其中限流挡板两两之间构成环形旋流通道，并且最外面一级的限流挡板与内盒体内壁之间也构成环形旋流通道，在限流挡板上开设流通开口，使所有环形旋流通道均为连通状态，且与位于圆心处的流体出口也为连通状态。

所述内盒体内部还设置流体通道，流体通道设置在遇油膨胀控流机构、控水机构之间的位置，流体通道开设的数量与固定流动通道体的流通孔一样多。

所述外管上两端通过封堵件对环空通道的上端口进行封堵固定；所述外管上至少开设一个径向贯通的外管流体入口，外管外部的流体能从外管流体入口流入所述环空通道；所述外管下端口连接防砂筛管，防砂筛管下端口丝扣式连接中心管外壁。

所述中心管与外管通过固定机构连接固定。

所述固定机构包括通过螺栓固定在一起的上同心箍、下同心箍，其中上同心箍包括上同心外环、上同心内环，所述上同心外环、上同心内环通过环形开孔架连接，外管连接上同心外环，中心管连接下同心外环；同理，所述下同心箍与上同心箍结构相同。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种油井控水增油方法，包括以下步骤：

步骤一：流体从外管外部经过外管上开设的外管流体入口进入环空通道，然后再经过固定装置开设的开孔，到达控水增油机构入口；当流体为水时，流体流动阻力大，当流体为油时，流体流动阻力小，当流体为油水两相流体时，流体流动阻力受含水率影响，含水率越低，流动阻力越小；

步骤二：流体进入遇油膨胀控流机构，流体流经控流机构的流动空间横截面积受油水两相流体的含油率影响，遇油膨胀控流机构包含的遇油膨胀组件根据自身材料膨胀程度特性只受含油率大小的影响，当油水两相流体含油率升高，遇油膨胀组件向下膨胀，顶着控流通道组件向下运动，控流通道组件的流通孔与固定流动通道体的流通孔实时变大过流面积，使遇油膨胀控流机构流动空间横截面积增大，装置流动阻力减小，该过程是可逆的，即当含油率减低，装置流动阻力增大；

步骤三：遇油膨胀控流机构出来的流体再经过流体通道进入控水机构，因为水相流体进入控水机构内易沿切向运动，流程长，油相流体进入控水机构内易沿径向运动，流程短；所以，流体含水率越低，也就是含油率越高，控水机构内腔流道流动阻力小，流体易沿径向从限流挡板的开口处流向控水增油机构的流体出口，此时控水机构的附加阻力小；当流体含油率低时，遇油膨胀控流通道的遇油膨胀组件缩小，流体流动横截面积小，流体阻力大，流速变大，流体易沿切向旋转多次后从控水增油机构的流体出口流出，进入中心管和油管，此时控水增油机构内腔的附加阻力大。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明是一种基于流体力学原理和遇油膨胀材料的油井控水增油装置，能够改善油田开发效果，还是一种带有自适应调节机构的油井控水装置，尤其适用于高含水油井。

当流动空间内流体为水时，流体流动阻力较大，当流动空间内流体为油时，流体流动阻力较小，当流体空间内流体为油水两相流体时，流体流动阻力受含水率影响，含水率越低，流动阻力越小。

遇油膨胀控流机构包括流体流动通道和遇油膨胀组件，流体流经控流机构的流动空间横截面积受油水两相流体的含油率影响。

控水机构包含多个挡板，限流挡板上有开口，水相流体进入控水机构内易沿切向运动，流程较长，油相流体进入控水机构内易沿径向运动，流程较短。

当油水两相流体含油率升高，遇油膨胀控流机构流动空间横截面积增大，装置流动阻力减小，该过程是可逆的，即当含油率减低，装置流动阻力增大。

遇油膨胀控流机构的流动空间由固定流动通道和遇油膨胀控流通道组成。遇油膨胀控流机构包含的遇油膨胀材料膨胀程度只受含油率大小的影响。

控水机构内的限流挡板开口通过位置设置，水相流入体较难从挡板开口处流向控流机构流体出口，油相流体较易从挡板开口处流向控流机构流体出口。

地层流体从环形空间流入管体。通过改变遇油膨胀控流机构的遇油膨胀材料性能、遇油膨胀控流通道结构、限流挡板的形状、限流挡板的数量、控水机构面积和控水机构内的限流挡板结构来改变装置控水强度。

该油井控水增油装置能够根据流体性质自动调整通过装置的流动阻力：含水率较低时，装置对流体具有一定的阻力，能够抵消跟端效应和储层非均质性的影响，生产剖面均衡推进；随着含水率的增大，控水装置流动阻力将显著增加，出水层段的流动受到显著抑制，保证油气井长期稳产。

附图说明

图1为本发明一种油井控水增油装置的结构示意图；

图2为本发明的遇油膨胀控流机构的结构示意图；

图3为本发明的遇油膨胀控流机构在低含油率条件下的流动示意图；

图4为本发明的遇油膨胀控流机构在高含油率条件下的流动示意图。

图中标记：1、第一流体入口；2、第二流体入口；3、第三流体入口；4、外管；5、中心管；6、环空通道；7、主流通道；8、固定机构；9、外压盖；10、外压盖；11、控流机构流体入口；12、固定流动通道体；13、遇油膨胀控流通道体；131、遇油膨胀组件；132、控流通道组件；14、流体通道；15、限流挡板；16、流体出口；17、内盒体。

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。

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：

一种油井控水增油装置，包括中心管5、外管4，所述外管套装在中心管外部，且外管与中心管之间构成环空，为环空通道6，所述中心管开设至少一个安装窗口，安装窗口上安装控水增油机构，本实施例采用了2个安装窗口，即安装了2个控水增油机构，所述外管上至少开设一个径向贯通的外管流体入口，本实施例采用了三个入口，第一流体入口1、第二流体入口2、第三流体入口3，外管外部的流体能从外管流体入口流入所述环空通道，再从环空通道6流入控水增油机构，最后从控水增油机构流入中心管内部，中心管内部为主流通道。

在实际应用中，外管下端直接连着防砂筛管，储层流体先流过防砂筛管，之后通过环空通道流入控水增油机构，从而进入中心管。防砂筛管上的筛孔可以作为更多的外管流体入口来使用。

所述控水增油机构包括内盒体17、外压盖10、遇油膨胀控流机构、控水机构，所述内盒体内边缘固定在中心管的安装窗口上，所述外压盖固定封盖在内盒体的径向外侧面，所述内盒体开设一个连通环空通道的控流机构流体入口11，还开设一个连通中心管内腔的流体出口，所述遇油膨胀控流机构、控水机构均安装在内盒体内腔中，其中遇油膨胀控流机构设置在控流机构流体入口11处，控水机构设置在流体出口16处。

所述遇油膨胀控流机构包括并列在一起的固定流动通道体12、遇油膨胀控流通道体13，所述遇油膨胀控流通道体包括遇油膨胀组件131、控流通道组件132，所述固定流动通道体与控流通道组件开设有相同数量且各自相对应的流通孔，所述固定流动通道体上下两端与内盒体内壁均为固定连接状态，所述控流通道组件上端连接遇油膨胀组件，遇油膨胀组件上端与内盒体内壁为固定连接状态。

所述控水机构包括至少两级同心的限流挡板15，其中限流挡板两两之间构成环形旋流通道，并且最外面一级的限流挡板与内盒体内壁之间也构成环形旋流通道，在限流挡板上开设流通开口，使所有环形旋流通道均为连通状态，且与位于圆心处的流体出口16也为连通状态。装置上限流挡板形成的环形旋流主要是水相流体的流动通道，这是因为通过装置结构设计，水相流体流过该装置时更偏向层流，流体质点不发生掺混，易沿原流向流动，也就是沿切向流动形成旋流，流动阻力较大。挡板开口形成的径向流动通道主要是油相流体的流动通道，这是因为油相流体通过该装置时更偏向湍流，流体质点相互掺混，易从径向流动流出，装置对油相流体流动的阻力较小。

所述内盒体内部还设置流体通道14，流体通道设置在遇油膨胀控流机构、控水机构之间的位置，流体通道开设的数量与固定流动通道体的流通孔一样多。

所述外管上两端通过封堵件对环空通道的上端口进行封堵固定；所述外管上至少开设一个径向贯通的外管流体入口，外管外部的流体能从外管流体入口流入所述环空通道；所述外管下端口连接防砂筛管，防砂筛管下端口丝扣式连接中心管外壁。防砂筛管在图上并未示意出。但说明文字已经足以介绍清楚。当然从流体进入外管内开始往后才是本发明要讲的问题，如何进入的外管，进入外管时，有没有经过防砂，不是本发明要解决的重点，当然防砂是很重要的，防砂筛管的连接和使用也是常规技术。

所述中心管与外管通过固定机构8连接固定。

所述固定机构包括通过螺栓固定在一起的上同心箍、下同心箍，其中上同心箍包括上同心外环、上同心内环，所述上同心外环、上同心内环通过环形开孔架连接，外管连接上同心外环，中心管连接下同心外环；同理，所述下同心箍与上同心箍结构相同。这种固定机构是本领域常规技术，用于连接固定两个同心管柱。

一种油井控水增油方法，包括以下步骤：

步骤一：流体从外管外部经过外管上开设的外管流体入口进入环空通道，然后再经过固定装置开设的开孔，到达控水增油机构入口；当流体为水时，流体流动阻力大，当流体为油时，流体流动阻力小，当流体为油水两相流体时，流体流动阻力受含水率影响，含水率越低，流动阻力越小；

步骤二：流体进入遇油膨胀控流机构，流体流经控流机构的流动空间横截面积受油水两相流体的含油率影响，遇油膨胀控流机构包含的遇油膨胀组件根据自身材料膨胀程度特性只受含油率大小的影响，当油水两相流体含油率升高，遇油膨胀组件向下膨胀，顶着控流通道组件向下运动，控流通道组件的流通孔与固定流动通道体的流通孔实时变大过流面积，使遇油膨胀控流机构流动空间横截面积增大，装置流动阻力减小，该过程是可逆的，即当含油率减低，装置流动阻力增大；

步骤三：遇油膨胀控流机构出来的流体再经过流体通道进入控水机构；

由于水相流体进入控水机构内易沿切向运动，流程长，油相流体进入控水机构内易沿径向运动，流程短；

所以，流体含水率越低，也就是含油率越高，控水机构内腔流道流动阻力小，流体易沿径向从限流挡板的开口处流向控水增油机构的流体出口，此时控水机构的附加阻力小；当流体含油率低时，遇油膨胀控流通道的遇油膨胀组件缩小，流体流动横截面积小，流体阻力大，流体易沿切向旋转多次后从控水增油机构的流体出口流出，进入中心管和油管，此时控水增油机构内腔的附加阻力大。额外说明遇油膨胀流动部分的控水作用，遇油膨胀结构和后面的控水机构的限流圆盘结构，都能够根据油水组分产生不同的阻力。含油率低时，机构不膨胀，流动横截面积较小，根据伯努利原理可知，流动附加阻力较大。含油上升，发生膨胀，流动横截面积较大，流动阻力较小。

液体能够流经流体流动通道、遇油膨胀控流机构及控水机构从控制装置的出口排出。

当流动空间内流体为水时，流体流动阻力较大，当流动空间内流体为油时，流体流动阻力较小，当流体空间内流体为油水两相流体时，流体流动阻力受含水率影响，含水率越低，流动阻力越小。

遇油膨胀控流机构包括流体流动通道和遇油膨胀组件，流体流经控流机构的流动空间横截面积受油水两相流体的含油率影响。

控水机构包含多个挡板，限流挡板上有开口，水相流体进入控水机构内易沿切向运动，流程较长，油相流体进入控水机构内易沿径向运动，流程较短。

当油水两相流体含油率升高，遇油膨胀控流机构流动空间横截面积增大，装置流动阻力减小，该过程是可逆的，即当含油率减低，装置流动阻力增大。

遇油膨胀控流机构的流动空间由固定流动通道和遇油膨胀控流通道组成。

遇油膨胀控流机构包含的遇油膨胀材料膨胀程度只受含油率大小的影响。

控水机构内的限流挡板开口通过位置设置，水相流入体较难从挡板开口处流向控流机构流体出口，油相流体较易从挡板开口处流向控流机构流体出口。

地层流体从环形空间流入管体。通过改变遇油膨胀控流机构的遇油膨胀材料性能、遇油膨胀控流通道结构、限流挡板的形状、限流挡板的数量、控水机构面积和控水机构内的限流挡板结构来改变装置控水强度。遇油膨胀材料属于公知技术，直接应用这种材料即可。另外，这种以流出口为圆心的同心多层级的弧形的限流挡板属于公知技术，直接应用即可，当然限流挡板错落放置的越多，越能增加控水强度，限制流量流速，放置的越少，增大流量流速，同时控水机构内部的过流面积设置的大小也能控制流体流量流速。遇油膨胀结构和后面的控水机构的限流圆盘结构，都能够根据油水组分产生不同的阻力。含油率低时，机构不膨胀，流动横截面积较小，根据伯努利原理可知，流动附加阻力较大。含油上升，发生膨胀，流动横截面积较大，流动阻力较小。

如图1至图4所示，流体入口1、2、3开设在外管上，中心管5穿设于外管4内部，外管4和中心管5同轴，通过连接装置8固定，连接装置8不影响流体流动，外管4的两端封闭，中心管5两端连接油管；在本实施方式中，外管4和中心管5之间形成环形流动空间，流体通过环形空间进入控水增油机构，从控水增油机构的出口流入中心管5.

如图1、图2所示，控水增油机构安装在中心管5上，环形通道6的流体通过流体入口11流入控水增油机构，当含油率较高时，遇油膨胀控流通道13的遇油膨胀组件131膨胀，流体流动横截面积较大，流体阻力小，流体易沿径向从限流挡板15的开口处流向控流机构流体出口16，此时控水装置的附加阻力较小；当流体含油率较低时，遇油膨胀控流通道13的遇油膨胀组件131缩小，流体流动横截面积较小，流体阻力大，流体易沿切向旋转多次后从控流机构流体出口16流出，此时控水增油机构的附加阻力较大。

如图1、图2、图3、图4所示，通过控水增油机构的流体含油率增高时，遇油膨胀控流通道13的遇油膨胀组件131发生膨胀，其膨胀程度受含油率大小的影响，可以设定一个含油率临界点，当含油率大于该临界点时，装置的附加阻力最小，保证油相流体的采出。

进一步，当油藏流体性质发生变化时，通过控水增油机构的流体流动会随之发生动态变化，当流体为高含水流体时，限流腔内流体流动的附加阻力较大，限制高含水层段水的产出；当流体为低含水流体时，限流腔内流体流动的附加阻力较小，增大低含水层段油的产出。

由上所述，本发明提供的油井控水增油装置，基于伯努利原理和遇油膨胀材料，该装置能识别流体类型并自动调整装置的阻力等级，含水率较低时，装置对流体的阻力较小，不影响油的产出，当含水率增高时，装置自动调整其阻力，限制水的产出，保证油井长期稳产。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种油井控水增油装置，包括中心管、外管，其特征在于，所述外管套装在中心管外部，且外管与中心管之间构成环空，构成环空通道，所述中心管开设至少一个安装窗口，安装窗口上安装控水增油机构，流体进入外管内，再从环空通道流入控水增油机构，最后从控水增油机构流入中心管内部；

所述控水增油机构包括内盒体、外压盖、遇油膨胀控流机构、控水机构，所述内盒体内边缘固定在中心管的安装窗口上，所述外压盖固定封盖在内盒体的径向外侧面，所述内盒体开设一个连通环空通道的控流机构流体入口，还开设一个连通中心管内腔的流体出口，所述遇油膨胀控流机构、控水机构均安装在内盒体内腔中，其中遇油膨胀控流机构设置在控流机构流体入口处，控水机构设置在流体出口处；

所述遇油膨胀控流机构包括并列在一起的固定流动通道体、遇油膨胀控流通道体，所述遇油膨胀控流通道体包括遇油膨胀组件、控流通道组件，所述固定流动通道体与控流通道组件开设有相同数量且各自相对应的流通孔，所述固定流动通道体上下两端与内盒体内壁均为固定连接状态，所述控流通道组件上端连接遇油膨胀组件，遇油膨胀组件上端与内盒体内壁为固定连接状态；

所述控水机构包括至少两级同心的限流挡板，其中限流挡板两两之间构成环形旋流通道，并且最外面一级的限流挡板与内盒体内壁之间也构成环形旋流通道，在限流挡板上开设流通开口，使所有环形旋流通道均为连通状态，且与位于圆心处的流体出口也为连通状态；所述内盒体内部还设置流体通道，流体通道设置在遇油膨胀控流机构、控水机构之间的位置，流体通道开设的数量与固定流动通道体的流通孔一样多。

2.根据权利要求1所述的一种油井控水增油装置，其特征在于，所述外管上两端通过封堵件对环空通道的上端口进行封堵固定；所述外管上至少开设一个径向贯通的外管流体入口，外管外部的流体能从外管流体入口流入所述环空通道；所述外管下端口连接防砂筛管，防砂筛管下端口丝扣式连接中心管外壁。

3.根据权利要求1所述的一种油井控水增油装置，其特征在于，所述中心管与外管通过固定机构连接固定。

4.根据权利要求3所述的一种油井控水增油装置，其特征在于，所述固定机构包括通过螺栓固定在一起的上同心箍、下同心箍，其中上同心箍包括上同心外环、上同心内环，所述上同心外环、上同心内环通过环形开孔架连接，外管连接上同心外环，中心管连接下同心外环；同理，所述下同心箍与上同心箍结构相同。

5.一种使用权利要求1的油井控水增油装置进行油井控水增油的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：流体从外管外部经过外管上开设的外管流体入口进入环空通道或者经过防砂筛管进入环空通道内，然后再经过固定装置开设的开孔，到达控水增油机构入口；当流体为水时，流体流动阻力大，当流体为油时，流体流动阻力小，当流体为油水两相流体时，流体流动阻力受含水率影响，含水率越低，流动阻力越小；

步骤二：流体进入遇油膨胀控流机构，流体流经控流机构的流动空间横截面积受油水两相流体的含油率影响，遇油膨胀控流机构包含的遇油膨胀组件根据自身材料膨胀程度特性只受含油率大小的影响，当油水两相流体含油率升高，遇油膨胀组件向下膨胀，顶着控流通道组件向下运动，控流通道组件的流通孔与固定流动通道体的流通孔实时变大过流面积，使遇油膨胀控流机构流动空间横截面积增大，装置流动阻力减小，该过程是可逆的，即当含油率减低，装置流动阻力增大；

步骤三：遇油膨胀控流机构出来的流体再经过流体通道进入控水机构，因为水相流体进入控水机构内易沿切向运动，流程长，油相流体进入控水机构内易沿径向运动，流程短；所以，流体含水率越低，也就是含油率越高，控水机构内腔流道流动阻力小，流体易沿径向从限流挡板的开口处流向控水增油机构的流体出口，此时控水机构的附加阻力小；当流体含油率低时，遇油膨胀控流通道的遇油膨胀组件缩小，流体流动横截面积小，流体阻力大，流速变大，流体易沿切向旋转多次后从控水增油机构的流体出口流出，进入中心管和油管，此时控水增油机构内腔的附加阻力大。

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