井下现场处理用的地层注射工具

本发明通常涉及在生产油井中地面下从想要的较轻流体(如石油和天 然气)中分离和处理不想要的较重流体(如水)，更具体地说，本发明涉 及井下现场处理生产油井中不想要的较重流体的地层注射工具。

石油和/或天然气的地下井常常向下穿过生产地层，其产出物除了想要 的较轻流体(如石油和/或天然气)外，还包括不想要的较重流体(如水， 其中包括盐水)。因此，比较大量的不想要的流体经常与想要的流体一起 生产出来。特别是在油井开采期的后期更是如此。在从这些后期油井中生 产所想要的流体时，不想要的流体的输运和处理需要很大一笔费用。

为从不想要的流体中分离出想要的流体并处理不想要的流体，已提出 并应用了两种基本的方法。第一种方法(下面简称之为“表面法”)已有 广泛应用。第二种方法(下面简称之为“现场法”)如果有应用的话也很 有限。

表面法包括将想要的和不想要的流体均泵送到地面上，然后在地面上 用各种技术将它们分离。然后将分开的不想要的流体用下述方法处理：首 先将它们输送走，然后向下泵送它们穿过分开的造价昂贵的处理井并进入 地下的处理地层。在许多情况下，特别是在开采后期的油井中，已证明表 面法成本太高，以致从这些油井中生产所想要的流体不经济，同时造成油 井堵塞及其中潜在收益与储量的损失。另外，将不想要的流体泵送到地面 增加了在输送和处理期间有不利的环境影响的可能性。

现场法包括在地面下的生产井中通常利用重力将不想要的流体与想要 的流体分开。因此，只有想要的流体上升到地面，而不想要的流体则单独 向下输送通过井筒并排入生产地层下面的处理地层中，不用首先将不想要 的流体提升到地面。现场法在较低的成本和较小的不利环境影响方面具有 超过表面法的潜在优点和效益。

现场法所采用的有代表性的生产设备是下列人员在美国专利中公开的 那些设备：尼尔斯(美国专利号2,214,064)、巴尔(美国专利号2,988,215)、 布里安(美国专利号3,167,125)、雅科布(美国专利号3,195,633和 3,199,592)、比有普(美国专利号3,333,638和3,363,692)、普里斯(美 国专利号4,241,787和4,296,810)、麦克因泰尔(美国专利号4,766,957) 和斯拉特等人(美国专利号5,176,216)。

尼尔斯申请的美国专利号2,214,064中公开的生产设备位于油井套管 中封隔器的上方，该封隔器的上面和下面均钻有孔。尼尔斯的设备包括位 于封隔器上方的下泵，位于下泵上方的分离器，和位于分离器上方的上泵。 下泵接收来自封隔器上方多孔地层的石油和水并将石油和水输送到分离器 中。分离器使石油与水分离，同时将石油向上输送到上泵并让水向下绕过 下泵穿过封隔器，进入封隔器下面的多孔地层中。上泵输送从油井中分离 出来的石油。

巴尔所申请的美国专利号2,986,215中公开的盐水处理设备包括位于 油井套管中的生产立管。该立管具有被一对隔开的上封隔器和下封隔器固 定的外管部分，以便在封隔器的下面、中间和上面延伸。该立管还具有内 管部分，其下端连接到外管的侧面，用于接收来自隔开的封隔器之间地层 中的水和石油或天然气的混合物，并将混合物送到上封隔器上方，在那里 较轻的石油或天然气在油井中上升，而较重的水下降并流经外管中的小 孔，然后流经外管到达位于下封隔器下方的处理地层。

布里安所申请的美国专利号3,167,125公开的往复式管状泵设置在油 井套管中，其上端固定在油管柱的下端，而其下端固定在油井套管中的封 隔器上。该泵从套管与同生产地层连通的泵之间的环形空间中吸入油和水 的混合物。将混合物向上泵送到泵的上方，在那儿较重的水与较轻的石油 分离，并向下流经泵体内的内部通道和经过封隔器流到封隔器下面的处理 地层。

雅科布所申请的美国专利号3,195,633和3,199,592公开的用于从油井 内的水中分离和生产石油的设备利用一对隔开的下封隔器和上封隔器和一 对设置在油井中的上泵和下泵，同时下泵设置在封隔器之间，而上泵设置 在上封隔器的上方。上泵接收来自上封隔器上方生产地层中较轻的石油， 并将较轻的石油向上泵送到地面，而下泵接收来自隔开的封隔器之间地层 中较重的水并将较重的水向下经下面的封隔器泵送到处理地层中。

比肖普所申请的美国专利号3,333,638和3,363,692公开的设备利用在 封隔器上方的油管柱中产生水的压头将水处理到位于生产地层下面的处理 地层中，然后利用由于水的压头的流体静压力加压或利用下面节流的下方 产生的真空吸力使水向下经封隔器而进入下面的处理地层中。

普里斯所申请的美国专利号4,241,787和4,296,810公开的用于分离石 油和水的井下分离器装置采用装有膜片的过滤元件来分离石油和水，然后 将其中分离出来的水经过井筒向下输送并排入封隔器下方较低高度处的处 理地层中，而不用先将水和石油一起提升到地面。

麦克因泰尔所申请的美国专利号4,766,957公开的设备用于完成对从 地下油井的生产地层中排出的烃类和水进行重力分离。油井套管向下延伸 到超出油井生产区直至油井的吸水区。烃类和水的混合物经过设置在生产 区附近的孔眼流入套管的内部。流体收集室无论装在套管孔眼的外面还是 装在孔眼的里面都能使烃类浮在水的上面。水向下流动或是被强行向下泵 送到吸水地层。水进入泵的下入口端并从泵的上出口端排出。然后被泵排 出的水经过从泵的外部向下延伸到入口的旁通管道向下流到下封隔器，然 后水在那儿流过封隔器到油井的下吸水区。

斯拉特等人所申请的美国专利号5,176,216公开的旁通座节工具在其 壁中有纵向管和侧孔，盐水利用重力通过该器壁向下经被安置在下处理区 的纵向管流动。

尽管上述专利中的设备显示出在采用现场方法分离和处理生产井中不 想要的流体时朝着正确的方向迈出了一步，但它们在复杂性、高成本及使 用性能方面都似乎存在缺点，这使它们之中的每一种设备在解决经济有效 的处理不想要的流体问题方面比最佳方案差得多。所以，对能够克服先有 技术的缺点而又不产生新的缺点的现场处理方法仍然很需要。

本发明提供一种为满足上述要求而设计的地层注射工具。本发明的地 层注射工具安装在井底管式泵上，用于进行不想要的流体的地下分离及井 下现场输送与处理到生产井内的处理地层中。

本发明的地层注射工具通过全面的改进并与常用的井底管式泵联用来 尽量减少附加设备的要求和降低成本，即使在后期油井中也是经济有效 的。因此，本发明的地层注射工具为了实现看来是先有技术专利的设备所 要求的现场法，只需要修改和补充当前流行使用的井底泵送装备，而不用 完全更换这种装备。

所以，本发明指向供生产井套管内和泵一起使用的地层注射工具，这 种泵具有上行冲程和下行冲程，并在油井套管内向下延伸通过和到达生产 井上生产地层的下方。本发明的地层注射工具包括：(a)可附接到油井 套管内泵的下端的吸入液流控制组件，该组件适合于随着泵的上行冲程而 让不想要的较重流体(如水)从上面的生产地层向下单向流入油井套管内 并进入吸入液流控制组件中，而想要的较轻流体(如石油和/或天然气)则 同时从上面的生产地层向上流入油井套管内到达地面；(b)位于下面并 连接到泵下面的吸入液流控制组件下端的密封机构，该密封机构适合于在 生产井的上面的生产地层和下面的处理地层之间的油井套管内形成闭合密 封；和(c)连接到密封机构上并位于由此而形成的闭合密封下面的排放 液流控制装置，该排放液流控制装置经密封机构和吸入液流控制组件的下 端以液流连通的形式连接，并且适合于随着泵的下行冲程而只让不想要的 较重流体从吸入液流控制组件向下单向流经密封机构，并从排放液流控制 装置单向流到位于由密封机构所形成的闭合密封下面的生产井下面的处理 地层中。

本发明同时指向地层注射工具的吸入液流控制组件，该组件包括： (a)主体，它有一对相对的上端和下端，一个在主体中形成的轴向延伸 穿通其上端和下端之间的中心孔，许多在主体中形成的入口，它们互相隔 开地设置在主体中心孔的周围，邻近其下端并在其上端的下面隔开，还有 许多在主体中形成的液流通道，它们从各自的入口延伸到中心孔，并在主 体下端的上面分开的位置处与中心孔连接，主体的上端适合于固定到泵的 下端；和(b)许多入口液流控制阀，它们与主体结合并安排成与其入口 和液流通道成液流连通，以便让不想要的较重流体从位于吸入液流控制组 件的主体的外部附近或其上面的油井生产地层经其入口和液流通道单向地 流入其中心孔中。

对该技术的专业人员来说，结合附图阅读下面的详细说明，则本发明 的这些和另一些特点和优点就变得很明显，附图中有表示和描述本发明的 图解性实施例。

下面的详细说明是参照附图进行的，其中：

图1为生产油井的井筒的垂直剖面图，其中本发明的地层注射工具和 常用的井下泵一起使用。

图2为本发明的地层注射工具的放大侧视图。

图3为地层注射工具的上面的吸入液流控制组件的放大分解立视图。

图4为图3的吸入液流控制组件的放大了的组装好的立视的部分剖面 图。

图5为沿图4中的5-5线看的吸入液流控制组件的底视图。

图6为地层注射工具的上面排放液流控制组件的放大分解立视图。

参看附图，特别是参看图1，图1以垂直剖面图的形式加以说明，生 产井W的井筒B通过上面的生产地层P和下面的处理地层D形成，并有 一个纵长的管状生产套管C从地面G经过上面的生产地层P向下延伸到下 面的处理地层D。在套管C中在上面的生产地层P和下面的处理地层D的 高度处均有孔洞O，以便建立从相应地层P，D到生产套管C内部的液流 连通。上面的生产地层P产生想要的较轻流体(如石油和/或天然气，用箭 头L代表)和不想要的较重流体(如富含砂物质的水，用箭头H代表)， 进入生产套管C的内部。

按照本发明，在井筒B中应用地层注射工具(一般用10表示)将较重 的流体H从上面的生产地层P井下现场输送和处理到生产井W下面的处理 地层D中。更详细地说，地层注射工具10和泵12结合起来使用，该泵有 一延长的空心管或圆筒14固定安装在生产套管C之内并从里面与生产套管 C隔开，而柱塞16在由泵12的延长的圆筒14所限定的空心室18内被迫 进行往复运动。柱塞16经过延长的抽油杆20被安装在地面G上的普通泵 驱动单元22往复驱动。柱塞16在泵圆筒14的空心室18内反复经过上行 冲程随后是下行冲程被泵驱动单元22驱动，以便和地层注射工具10协同 操作，首先进行从不想要的较重流体H中重力分离想要的较轻流体L，其 次进行将不想要的较重流体H井下现场输送和处理到生产井W的处理地层 D中。泵12可以是任何普通的井下机械泵，只通过永久关闭柱塞16中的 阀(图中未画出)而稍加修改，因为柱塞16现在只用来将不想要的流体H 向下经过地层注射工具10泵送到下面的处理地层D，而不是将不想要的流 体H向上泵送到地面G，所以这个阀现在不用了。

参看图1和2，地层注射工具10基本上包括上面吸入液流控制组件 24、中间的密封机构26，和下面排放液流控制装置28，它们被安排成相 互成一系列或串联的关系，以便连续向下延伸到泵12的下面和在生产井W 上面的生产地层P下面的油井套管C内。该工具10的上面吸入液流控制组 件24直接位于泵12的长圆筒14的下面，并固定在泵12的长圆筒14的下 端14A上。随着泵12的圆筒体14内柱塞16的上行冲程，吸收液流控制组 件24适于让不想要的较重流体从上面的生产地层向下经过下面的生产套管 C与泵12和吸入液流控制组件24之间的环形空间30(该环形空间30还 向下延伸到填料密封机构26)单向流动，并进入吸入液流控制组件24和 泵的空心室18。与此同时，想要的较轻流体从上面的生产地层P向上流入 环绕泵12的外部并向上延伸到地面G的生产套管C的上面的环形空间32 内。

该工具10的中间密封机构26被固定到并位于上面吸入液流控制组件 24的下面，因此隔开在泵12的下面。密封机构26是可操作的，以便与上 面的生产地层P和下面的处理地层D之间的生产套管C形成环形的闭合密 封33。这样环形的闭合密封33就封闭了下面的环形空间30的底部。单独 或独自使用的密封机构26是常用的市售装置，因此，它的操作为在该领域 内有普通技能的人所熟悉知。密封机构26可以是作为“封隔器”这一领域 内所知道的几种类型密封机构中的任一种。

该工具10的下面排放液流控制装置28固定到位于密封机构26的下 面，并经过密封机构26与吸入液流控制组件24以液流连通的形式连接。 随着泵12的空心室18内的柱塞16的下行冲程，排放液流控制装置28是 可操作的，以便只让不想要的较重流体从吸入液流控制组件24和泵12的 空心室18，向下经过密封机构26，并从排放液流控制装置28单向流到位 于由密封机构26所形成的闭合密封33下面的下面处理地层D。因此，排 放液流控制装置28也是可操作的，以防止不想要的流体随着泵12的圆筒 室18中柱塞16的下一个随后的上行冲程而一直向上回流到吸入组件24 中。

参看图2-5，该工具10的吸入液流控制组件24包括主体34，它有 一对相对的上端和下端34A、34B，一个限定在主体34中并在其上下端 34A和34B之间一直轴向延伸的中心孔36，许多个限定在主体34中的入 口38，它们在靠近其下端34B并在其上端34A的下面分开的主体34的中 心孔36的周围相互成圆周状分开。以及许多个限定在主体34中的液流通 道40。液流通道40分别以向内和向上倾斜的关系从入口38延伸到其中心 孔34。液流通道40的内端在主体34下端34B的上方隔开的位置与中心孔 36连通。

吸入液流控制组件24的主体34由上面的口盖42和下面的管状心柱44 组成。口盖42包括入口38、液流通道40和中心孔36的短的上截面。口 盖42还限定了主体34的上端34A，主体34带螺纹以便用于固定到泵12 的圆筒体14的带螺纹的下端14A上。管状心柱44包括主体34的大多数中 心孔36。心柱44在其相对的上、下端44A、44B处均有螺纹。在心柱44 的上部带螺纹端44A处，可用螺纹将心柱安装在口盖42的带螺纹的中心的 下面套筒座42A中。心柱44向下延伸到入口38的外面，入口38限定在其 中心的下面套筒座42A周围的口盖42的下端上。

如图1-4中所看到的，吸入液流控制组件24还包括许多与主体34 连接的入口液流控制阀46；它们与其入口38和液流通道40是液流连通的。 控制阀46安排成围绕心柱44并从入口38向下，通常平行于管状心柱44 延伸。入口液流控制阀46是可操作的，以便能让不想要的较重流体从位于 吸入液流控制组件24的主体34外部上方的油井W的生产地层P经入口38 和液流通道40单向地流入主体34的中心孔36中。

每个入口液流控制阀46都包括用于限定轴向延伸的流道50的阀套筒 48，位于流道50的相对两端之间的环形阀座52，和一个可动地安装在流 道50(限定在阀座52的上面)的上面部分50A中的球状物54，以便相对 于环形阀座52在上面打开的(未固定的)位置和下面关闭的(固定了的) 位置之间进行轴向运动。另外，将流体粗滤盒56连接到每个阀套筒48的 底端，其功用是滤出不想要的流体H中超过预定尺寸的固体颗粒，从而防 止这种颗粒进入工具10。

因此，当想要的流体被泵12的柱塞16的上行冲程吸入到吸入组件24 的中心孔36和泵12的空心室18中(从油井W的下面的环形空间30中) 时，入口液流控制阀46的球状物54离开阀座52并向上移动到它们上面的 打开位置。然后，在泵的柱塞16的下行冲程开始的时候，入口液流控制阀 46的球状物54向下运动到它们下面的关闭位置，在此位置，随着想要的流 体从泵12的空心室18向下排并经过吸入液流控制组件24的中心孔36、 经过密封机构26和位于密封机构26下面的排放液流控制装置28排出，它 们重新固定到阀座52上。不想要的流体被泵送于其中的处理区或地层D通 过密封机构26的环形闭合密封33与任何上面的区域或地层隔离。

参看图2，该工具10的中间密封机构26包括一个具有一对相对的上 下两端58A、58B的细长空心体58和一个中央液流通道60，后者穿过细 长空心体58形成并在其上下端58A、58B之间延伸。密封机构26的细长 空心体58的上端58A通过环形的带螺纹的接头62用螺纹相互连接到吸入 液流控制组件24的主体34下面的心柱44的下端44B上。

密封机构26还包括可扩张的环形件64和导向件66，二者皆固定并安 置在细长空心体58的外围。导向件66邻近可扩张的环形件64并位于其上 方。导向件66取许多弧形导向元件68的形式，它有助于将泵12和工具10 插入并安装在油井W中。

导向件66还包括一个可转动元件70，后者围绕细长空心体58用螺纹 固定，因此在开始安装期间可通过转动泵12和工具10沿其轴向移动。可 转动元件70的向下移动引起可扩张的环形件64的外径扩张成与油井套管 C的环形内表面部分啮合，以致在生产井W的上面生产地层P和下面处理 地层D之间的油井套管C中形成环形闭合密封33。如上所述，密封机构 26本身是常规装置，因此，建立闭合密封33的操作步骤是该领域普通专业 人员所熟知的，此处不需详细说明便能对本发明的地层注射工具10有充分 而完全的了解。

还参看图2，工具10的下面的排放液流控制装置28以下面的单向止 回阀28的形式连接到密封26细长管状空心体58的下端，并经过密封机构 26的空心体58与吸入液流控制组件24的下端成液流连通。下面的单向止 回阀28只让不想要的流体单向地从吸入液流控制组件24向下流经密封机 构26的中央液流通道60，并从单向止回阀28中出来到达位于由密封机构 26在油井套管C中形成的闭合密封33下面的处理地层D。

因此，随着泵12的圆筒形室18内柱塞16的上行冲程，不想要的较重 流体与想要的较轻流体分离，并向下经生产套管C中下面的环形空间30抽 出，然后经过吸入液流控制阀46和吸入液流控制组件24的主体34的入口 38和液流通道40进入其中心孔36及泵12的圆筒形室18中。另一方面， 随着泵12的柱塞16的下行冲程，在上面吸入液流控制组件24的主体34 的中心孔36中和泵12的圆筒形室18中的不想要的较重流体向下经中心孔 36和向外经吸入液流控制组件24的主体部分的心柱44的下端44B排出， 然后经过密封机构26的细长空心体58的中央通路60，最后从供处理不想 要的流体H用的下面的排放液流控制装置28中在加压下排入油井W的处 理地层D中。排放液流控制装置28的功能是防止不想要的流体随着泵12 的柱塞16的下一个上行冲程而通过它并向上回流到吸入组件24中。

参看图6，地层注射工具10最好还包括一个上面排放液流控制装置 72，用以代替在上面吸入液流控制组件24的下面的管形心柱44和中间密 封机构的空心体58之间的环形接头62。上面的排放液流控制装置72包括 心柱接头74和可调弹簧止回阀76。心柱接头74的上端可用螺纹连接到吸 入液流控制组件24的下面心柱44的下端44B上。心柱接头74的下端可用 螺纹连接到密封机构26的细长空心体58的上端58A。可调止回阀76用螺 纹安装在心柱接头74的中心孔78内，它具有与其连接的流体粗滤盒80并 从其上端76A向上沿轴向延伸。

万一遇到下面的处理地层D具有比上面的生产地层P低的压力，则直 接在吸入液流控制组件24下方的上面排放液流控制装置72的可调止回阀 76的存在将防止想要的流体(天然气)自由流过入口液流控制阀46并向下 通过中间密封机构26和下面排放液流控制装置28而进入较低压力的处理 地层D，而照理应是用泵12将油井套管C的下面环形空间30中的全部不 想要的流体(水)抽出送入处理地层D。可调止回阀76在安装到生产套管 C中之前可预先设定想要的回压量。

最好是，安装在导向件66上方的密封机构26的细长空心体58的上面 部分58A取管道双向开关工具的形式，它可通过转动地层注射工具10操 作，以便拆开并能从地层注射工具10和延伸到“生产封隔器”(它是导向 件66和提供闭合密封33的可扩张的环形件64)上方的泵12的互连部件 的油井W中拉出。这种移动能提高定期维修保养这些部件的效率而不干扰 封隔器的闭合密封33，因此，防止任何流体从下面的处理地层D重新进入 油井套管C。

可以认为，由上述说明可以理解本发明及其优点，并且很显然，不用 偏离本发明的精神实质和范围或牺牲其所有的实际优点便可对其进行各种 改变，上述形式只不过是优选的或示范的实施例。