井下現場處理用的地層注射工具的製作方法
2023-09-15 10:47:10
專利名稱：井下現場處理用的地層注射工具的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及在生產油井中地面下從想要的較輕流體(如石油和天然氣)中分離和處理不想要的較重流體(如水)，更具體地說，本發明涉及井下現場處理生產油井中不想要的較重流體的地層注射工具。
石油和/或天然氣的地下井常常向下穿過生產地層，其產出物除了想要的較輕流體(如石油和/或天然氣)外，還包括不想要的較重流體(如水，其中包括鹽水)。因此，比較大量的不想要的流體經常與想要的流體一起生產出來。特別是在油井開採期的後期更是如此。在從這些後期油井中生產所想要的流體時，不想要的流體的輸運和處理需要很大一筆費用。
為從不想要的流體中分離出想要的流體並處理不想要的流體，已提出並應用了兩種基本的方法。第一種方法(下面簡稱之為「表面法」)已有廣泛應用。第二種方法(下面簡稱之為「現場法」)如果有應用的話也很有限。
表面法包括將想要的和不想要的流體均泵送到地面上，然後在地面上用各種技術將它們分離。然後將分開的不想要的流體用下述方法處理首先將它們輸送走，然後向下泵送它們穿過分開的造價昂貴的處理井並進入地下的處理地層。在許多情況下，特別是在開採後期的油井中，已證明表面法成本太高，以致從這些油井中生產所想要的流體不經濟，同時造成油井堵塞及其中潛在收益與儲量的損失。另外，將不想要的流體泵送到地面增加了在輸送和處理期間有不利的環境影響的可能性。
現場法包括在地面下的生產井中通常利用重力將不想要的流體與想要的流體分開。因此，只有想要的流體上升到地面，而不想要的流體則單獨向下輸送通過井筒並排入生產地層下面的處理地層中，不用首先將不想要的流體提升到地面。現場法在較低的成本和較小的不利環境影響方面具有超過表面法的潛在優點和效益。
現場法所採用的有代表性的生產設備是下列人員在美國專利中公開的那些設備尼爾斯(美國專利號2,214,064)、巴爾(美國專利號2,988,215)、布裡安(美國專利號3,167,125)、雅科布(美國專利號3,195,633和3,199,592)、比有普(美國專利號3,333,638和3,363,692)、普裡斯(美國專利號4,241,787和4,296,810)、麥克因泰爾(美國專利號4,766,957)和斯拉特等人(美國專利號5,176,216)。
尼爾斯申請的美國專利號2,214,064中公開的生產設備位於油井套管中封隔器的上方，該封隔器的上面和下面均鑽有孔。尼爾斯的設備包括位於封隔器上方的下泵，位於下泵上方的分離器，和位於分離器上方的上泵。下泵接收來自封隔器上方多孔地層的石油和水並將石油和水輸送到分離器中。分離器使石油與水分離，同時將石油向上輸送到上泵並讓水向下繞過下泵穿過封隔器，進入封隔器下面的多孔地層中。上泵輸送從油井中分離出來的石油。
巴爾所申請的美國專利號2,986,215中公開的鹽水處理設備包括位於油井套管中的生產立管。該立管具有被一對隔開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、中間和上面延伸。該立管還具有內管部分，其下端連接到外管的側面，用於接收來自隔開的封隔器之間地層中的水和石油或天然氣的混合物，並將混合物送到上封隔器上方，在那裡較輕的石油或天然氣在油井中上升，而較重的水下降並流經外管中的小孔，然後流經外管到達位於下封隔器下方的處理地層。
布裡安所申請的美國專利號3,167,125公開的往復式管狀泵設置在油井套管中，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。該泵從套管與同生產地層連通的泵之間的環形空間中吸入油和水的混合物。將混合物向上泵送到泵的上方，在那兒較重的水與較輕的石油分離，並向下流經泵體內的內部通道和經過封隔器流到封隔器下面的處理地層。
雅科布所申請的美國專利號3,195,633和3,199,592公開的用於從油井內的水中分離和生產石油的設備利用一對隔開的下封隔器和上封隔器和一對設置在油井中的上泵和下泵，同時下泵設置在封隔器之間，而上泵設置在上封隔器的上方。上泵接收來自上封隔器上方生產地層中較輕的石油，並將較輕的石油向上泵送到地面，而下泵接收來自隔開的封隔器之間地層中較重的水並將較重的水向下經下面的封隔器泵送到處理地層中。
比肖普所申請的美國專利號3,333,638和3,363,692公開的設備利用在封隔器上方的油管柱中產生水的壓頭將水處理到位於生產地層下面的處理地層中，然後利用由於水的壓頭的流體靜壓力加壓或利用下面節流的下方產生的真空吸力使水向下經封隔器而進入下面的處理地層中。
普裡斯所申請的美國專利號4,241,787和4,296,810公開的用於分離石油和水的井下分離器裝置採用裝有膜片的過濾元件來分離石油和水，然後將其中分離出來的水經過井筒向下輸送並排入封隔器下方較低高度處的處理地層中，而不用先將水和石油一起提升到地面。
麥克因泰爾所申請的美國專利號4,766,957公開的設備用於完成對從地下油井的生產地層中排出的烴類和水進行重力分離。油井套管向下延伸到超出油井生產區直至油井的吸水區。烴類和水的混合物經過設置在生產區附近的孔眼流入套管的內部。流體收集室無論裝在套管孔眼的外面還是裝在孔眼的裡面都能使烴類浮在水的上面。水向下流動或是被強行向下泵送到吸水地層。水進入泵的下入口端並從泵的上出口端排出。然後被泵排出的水經過從泵的外部向下延伸到入口的旁通管道向下流到下封隔器，然後水在那兒流過封隔器到油井的下吸水區。
斯拉特等人所申請的美國專利號5,176,216公開的旁通座節工具在其壁中有縱向管和側孔，鹽水利用重力通過該器壁向下經被安置在下處理區的縱向管流動。
儘管上述專利中的設備顯示出在採用現場方法分離和處理生產井中不想要的流體時朝著正確的方向邁出了一步，但它們在複雜性、高成本及使用性能方面都似乎存在缺點，這使它們之中的每一種設備在解決經濟有效的處理不想要的流體問題方面比最佳方案差得多。所以，對能夠克服先有技術的缺點而又不產生新的缺點的現場處理方法仍然很需要。
本發明提供一種為滿足上述要求而設計的地層注射工具。本發明的地層注射工具安裝在井底管式泵上，用於進行不想要的流體的地下分離及井下現場輸送與處理到生產井內的處理地層中。
本發明的地層注射工具通過全面的改進並與常用的井底管式泵聯用來儘量減少附加設備的要求和降低成本，即使在後期油井中也是經濟有效的。因此，本發明的地層注射工具為了實現看來是先有技術專利的設備所要求的現場法，只需要修改和補充當前流行使用的井底泵送裝備，而不用完全更換這種裝備。
所以，本發明指向供生產井套管內和泵一起使用的地層注射工具，這種泵具有上行衝程和下行衝程，並在油井套管內向下延伸通過和到達生產井上生產地層的下方。本發明的地層注射工具包括(a)可附接到油井套管內泵的下端的吸入液流控制組件，該組件適合於隨著泵的上行衝程而讓不想要的較重流體(如水)從上面的生產地層向下單向流入油井套管內並進入吸入液流控制組件中，而想要的較輕流體(如石油和/或天然氣)則同時從上面的生產地層向上流入油井套管內到達地面；(b)位於下面並連接到泵下面的吸入液流控制組件下端的密封機構，該密封機構適合於在生產井的上面的生產地層和下面的處理地層之間的油井套管內形成閉合密封；和(c)連接到密封機構上並位於由此而形成的閉合密封下面的排放液流控制裝置，該排放液流控制裝置經密封機構和吸入液流控制組件的下端以液流連通的形式連接，並且適合於隨著泵的下行衝程而只讓不想要的較重流體從吸入液流控制組件向下單向流經密封機構，並從排放液流控制裝置單向流到位於由密封機構所形成的閉合密封下面的生產井下面的處理地層中。
本發明同時指向地層注射工具的吸入液流控制組件，該組件包括(a)主體，它有一對相對的上端和下端，一個在主體中形成的軸向延伸穿通其上端和下端之間的中心孔，許多在主體中形成的入口，它們互相隔開地設置在主體中心孔的周圍，鄰近其下端並在其上端的下面隔開，還有許多在主體中形成的液流通道，它們從各自的入口延伸到中心孔，並在主體下端的上面分開的位置處與中心孔連接，主體的上端適合於固定到泵的下端；和(b)許多入口液流控制閥，它們與主體結合併安排成與其入口和液流通道成液流連通，以便讓不想要的較重流體從位於吸入液流控制組件的主體的外部附近或其上面的油井生產地層經其入口和液流通道單向地流入其中心孔中。
對該技術的專業人員來說，結合附圖閱讀下面的詳細說明，則本發明的這些和另一些特點和優點就變得很明顯，附圖中有表示和描述本發明的圖解性實施例。
下面的詳細說明是參照附圖進行的，其中
圖1為生產油井的井筒的垂直剖面圖，其中本發明的地層注射工具和常用的井下泵一起使用。
圖2為本發明的地層注射工具的放大側視圖。
圖3為地層注射工具的上面的吸入液流控制組件的放大分解立視圖。
圖4為圖3的吸入液流控制組件的放大了的組裝好的立視的部分剖面圖。
圖5為沿圖4中的5-5線看的吸入液流控制組件的底視圖。
圖6為地層注射工具的上面排放液流控制組件的放大分解立視圖。
參看附圖，特別是參看圖1，圖1以垂直剖面圖的形式加以說明，生產井W的井筒B通過上面的生產地層P和下面的處理地層D形成，並有一個縱長的管狀生產套管C從地面G經過上面的生產地層P向下延伸到下面的處理地層D。在套管C中在上面的生產地層P和下面的處理地層D的高度處均有孔洞O，以便建立從相應地層P，D到生產套管C內部的液流連通。上面的生產地層P產生想要的較輕流體(如石油和/或天然氣，用箭頭L代表)和不想要的較重流體(如富含砂物質的水，用箭頭H代表)，進入生產套管C的內部。
按照本發明，在井筒B中應用地層注射工具(一般用10表示)將較重的流體H從上面的生產地層P井下現場輸送和處理到生產井W下面的處理地層D中。更詳細地說，地層注射工具10和泵12結合起來使用，該泵有一延長的空心管或圓筒14固定安裝在生產套管C之內並從裡面與生產套管C隔開，而柱塞16在由泵12的延長的圓筒14所限定的空心室18內被迫進行往復運動。柱塞16經過延長的抽油杆20被安裝在地面G上的普通泵驅動單元22往復驅動。柱塞16在泵圓筒14的空心室18內反覆經過上行衝程隨後是下行衝程被泵驅動單元22驅動，以便和地層注射工具10協同操作，首先進行從不想要的較重流體H中重力分離想要的較輕流體L，其次進行將不想要的較重流體H井下現場輸送和處理到生產井W的處理地層D中。泵12可以是任何普通的井下機械泵，只通過永久關閉柱塞16中的閥(圖中未畫出)而稍加修改，因為柱塞16現在只用來將不想要的流體H向下經過地層注射工具10泵送到下面的處理地層D，而不是將不想要的流體H向上泵送到地面G，所以這個閥現在不用了。
參看圖1和2，地層注射工具10基本上包括上面吸入液流控制組件24、中間的密封機構26，和下面排放液流控制裝置28，它們被安排成相互成一系列或串聯的關係，以便連續向下延伸到泵12的下面和在生產井W上面的生產地層P下面的油井套管C內。該工具10的上面吸入液流控制組件24直接位於泵12的長圓筒14的下面，並固定在泵12的長圓筒14的下端14A上。隨著泵12的圓筒體14內柱塞16的上行衝程，吸收液流控制組件24適於讓不想要的較重流體從上面的生產地層向下經過下面的生產套管C與泵12和吸入液流控制組件24之間的環形空間30(該環形空間30還向下延伸到填料密封機構26)單向流動，並進入吸入液流控制組件24和泵的空心室18。與此同時，想要的較輕流體從上面的生產地層P向上流入環繞泵12的外部並向上延伸到地面G的生產套管C的上面的環形空間32內。
該工具10的中間密封機構26被固定到並位於上面吸入液流控制組件24的下面，因此隔開在泵12的下面。密封機構26是可操作的，以便與上面的生產地層P和下面的處理地層D之間的生產套管C形成環形的閉合密封33。這樣環形的閉合密封33就封閉了下面的環形空間30的底部。單獨或獨自使用的密封機構26是常用的市售裝置，因此，它的操作為在該領域內有普通技能的人所熟悉知。密封機構26可以是作為「封隔器」這一領域內所知道的幾種類型密封機構中的任一種。
該工具10的下面排放液流控制裝置28固定到位於密封機構26的下面，並經過密封機構26與吸入液流控制組件24以液流連通的形式連接。隨著泵12的空心室18內的柱塞16的下行衝程，排放液流控制裝置28是可操作的，以便只讓不想要的較重流體從吸入液流控制組件24和泵12的空心室18，向下經過密封機構26，並從排放液流控制裝置28單向流到位於由密封機構26所形成的閉合密封33下面的下面處理地層D。因此，排放液流控制裝置28也是可操作的，以防止不想要的流體隨著泵12的圓筒室18中柱塞16的下一個隨後的上行衝程而一直向上回流到吸入組件24中。
參看圖2-5，該工具10的吸入液流控制組件24包括主體34，它有一對相對的上端和下端34A、34B，一個限定在主體34中並在其上下端34A和34B之間一直軸向延伸的中心孔36，許多個限定在主體34中的入口38，它們在靠近其下端34B並在其上端34A的下面分開的主體34的中心孔36的周圍相互成圓周狀分開。以及許多個限定在主體34中的液流通道40。液流通道40分別以向內和向上傾斜的關係從入口38延伸到其中心孔34。液流通道40的內端在主體34下端34B的上方隔開的位置與中心孔36連通。
吸入液流控制組件24的主體34由上面的口蓋42和下面的管狀心柱44組成。口蓋42包括入口38、液流通道40和中心孔36的短的上截面。口蓋42還限定了主體34的上端34A，主體34帶螺紋以便用於固定到泵12的圓筒體14的帶螺紋的下端14A上。管狀心柱44包括主體34的大多數中心孔36。心柱44在其相對的上、下端44A、44B處均有螺紋。在心柱44的上部帶螺紋端44A處，可用螺紋將心柱安裝在口蓋42的帶螺紋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周圍的口蓋42的下端上。
如圖1-4中所看到的，吸入液流控制組件24還包括許多與主體34連接的入口液流控制閥46；它們與其入口38和液流通道40是液流連通的。控制閥46安排成圍繞心柱44並從入口38向下，通常平行於管狀心柱44延伸。入口液流控制閥46是可操作的，以便能讓不想要的較重流體從位於吸入液流控制組件24的主體34外部上方的油井W的生產地層P經入口38和液流通道40單向地流入主體34的中心孔36中。
每個入口液流控制閥46都包括用於限定軸向延伸的流道50的閥套筒48，位於流道50的相對兩端之間的環形閥座52，和一個可動地安裝在流道50(限定在閥座52的上面)的上面部分50A中的球狀物54，以便相對於環形閥座52在上面打開的(未固定的)位置和下面關閉的(固定了的)位置之間進行軸向運動。另外，將流體粗濾盒56連接到每個閥套筒48的底端，其功用是濾出不想要的流體H中超過預定尺寸的固體顆粒，從而防止這種顆粒進入工具10。
因此，當想要的流體被泵12的柱塞16的上行衝程吸入到吸入組件24的中心孔36和泵12的空心室18中(從油井W的下面的環形空間30中)時，入口液流控制閥46的球狀物54離開閥座52並向上移動到它們上面的打開位置。然後，在泵的柱塞16的下行衝程開始的時候，入口液流控制閥46的球狀物54向下運動到它們下面的關閉位置，在此位置，隨著想要的流體從泵12的空心室18向下排並經過吸入液流控制組件24的中心孔36、經過密封機構26和位於密封機構26下面的排放液流控制裝置28排出，它們重新固定到閥座52上。不想要的流體被泵送於其中的處理區或地層D通過密封機構26的環形閉合密封33與任何上面的區域或地層隔離。
參看圖2，該工具10的中間密封機構26包括一個具有一對相對的上下兩端58A、58B的細長空心體58和一個中央液流通道60，後者穿過細長空心體58形成並在其上下端58A、58B之間延伸。密封機構26的細長空心體58的上端58A通過環形的帶螺紋的接頭62用螺紋相互連接到吸入液流控制組件24的主體34下面的心柱44的下端44B上。
密封機構26還包括可擴張的環形件64和導向件66，二者皆固定並安置在細長空心體58的外圍。導向件66鄰近可擴張的環形件64並位於其上方。導向件66取許多弧形導向元件68的形式，它有助於將泵12和工具10插入並安裝在油井W中。
導向件66還包括一個可轉動元件70，後者圍繞細長空心體58用螺紋固定，因此在開始安裝期間可通過轉動泵12和工具10沿其軸向移動。可轉動元件70的向下移動引起可擴張的環形件64的外徑擴張成與油井套管C的環形內表面部分嚙合，以致在生產井W的上面生產地層P和下面處理地層D之間的油井套管C中形成環形閉合密封33。如上所述，密封機構26本身是常規裝置，因此，建立閉合密封33的操作步驟是該領域普通專業人員所熟知的，此處不需詳細說明便能對本發明的地層注射工具10有充分而完全的了解。
還參看圖2，工具10的下面的排放液流控制裝置28以下面的單向止回閥28的形式連接到密封26細長管狀空心體58的下端，並經過密封機構26的空心體58與吸入液流控制組件24的下端成液流連通。下面的單向止回閥28隻讓不想要的流體單向地從吸入液流控制組件24向下流經密封機構26的中央液流通道60，並從單向止回閥28中出來到達位於由密封機構26在油井套管C中形成的閉合密封33下面的處理地層D。
因此，隨著泵12的圓筒形室18內柱塞16的上行衝程，不想要的較重流體與想要的較輕流體分離，並向下經生產套管C中下面的環形空間30抽出，然後經過吸入液流控制閥46和吸入液流控制組件24的主體34的入口38和液流通道40進入其中心孔36及泵12的圓筒形室18中。另一方面，隨著泵12的柱塞16的下行衝程，在上面吸入液流控制組件24的主體34的中心孔36中和泵12的圓筒形室18中的不想要的較重流體向下經中心孔36和向外經吸入液流控制組件24的主體部分的心柱44的下端44B排出，然後經過密封機構26的細長空心體58的中央通路60，最後從供處理不想要的流體H用的下面的排放液流控制裝置28中在加壓下排入油井W的處理地層D中。排放液流控制裝置28的功能是防止不想要的流體隨著泵12的柱塞16的下一個上行衝程而通過它並向上回流到吸入組件24中。
參看圖6，地層注射工具10最好還包括一個上面排放液流控制裝置72，用以代替在上面吸入液流控制組件24的下面的管形心柱44和中間密封機構的空心體58之間的環形接頭62。上面的排放液流控制裝置72包括心柱接頭74和可調彈簧止回閥76。心柱接頭74的上端可用螺紋連接到吸入液流控制組件24的下面心柱44的下端44B上。心柱接頭74的下端可用螺紋連接到密封機構26的細長空心體58的上端58A。可調止回閥76用螺紋安裝在心柱接頭74的中心孔78內，它具有與其連接的流體粗濾盒80並從其上端76A向上沿軸向延伸。
萬一遇到下面的處理地層D具有比上面的生產地層P低的壓力，則直接在吸入液流控制組件24下方的上面排放液流控制裝置72的可調止回閥76的存在將防止想要的流體(天然氣)自由流過入口液流控制閥46並向下通過中間密封機構26和下面排放液流控制裝置28而進入較低壓力的處理地層D，而照理應是用泵12將油井套管C的下面環形空間30中的全部不想要的流體(水)抽出送入處理地層D。可調止回閥76在安裝到生產套管C中之前可預先設定想要的回壓量。
最好是，安裝在導向件66上方的密封機構26的細長空心體58的上面部分58A取管道雙向開關工具的形式，它可通過轉動地層注射工具10操作，以便拆開並能從地層注射工具10和延伸到「生產封隔器」(它是導向件66和提供閉合密封33的可擴張的環形件64)上方的泵12的互連部件的油井W中拉出。這種移動能提高定期維修保養這些部件的效率而不幹擾封隔器的閉合密封33，因此，防止任何流體從下面的處理地層D重新進入油井套管C。
可以認為，由上述說明可以理解本發明及其優點，並且很顯然，不用偏離本發明的精神實質和範圍或犧牲其所有的實際優點便可對其進行各種改變，上述形式只不過是優選的或示範的實施例。
權利要求
1.一種地層注射工具，供在生產井的套管內與具有上行衝程和下行衝程的泵結合使用，它和油井套管一起向下延伸通過生產井的上面生產地層到其下面，該地層注射工具包括(a)一個上面吸入液流控制組件，它具有下端並可連接到油井套管內泵的下端，適合於隨著泵的上行衝程而使想要的較輕流體(如石油和/或天然氣)從上面的生產地層在油井套管內向上流到地面，同時使不想要的較重流體(如水)從上面的生產地層在油井套管內向下單向流動並進入該上面吸入液流控制組件；(b)一個中間密封機構，位於泵下面的上述上面吸入液流控制組件下端的下方並連接在該下端上，該中間密封機構適合於生產井上面生產地層和下面處理地層之間的油井套管中形成閉合密封；(c)一個下面排放液流控制裝置，連接到上述中間密封機構並位於由其形成的上述閉合密封下面，該下面排放液流控制裝置通過上述中間密封機構與上述上面吸入液流控制組件的下端以液流連通的形式連接，並且適合於隨著泵的下行衝程而只讓來自上述吸入組件的不想要的較重流體單向向下流過上述密封機構，並從該下面排放液流控制裝置單向流到位於由上述中間密封機構形成的閉合密封下面的生產井的下面處理地層中。
2.根據權利要求1的工具，其特徵在於，上述上面吸入液流控制組件包括具有一對相對的上下端的主體、在上述主體中形成並在其上下端之間軸向延伸的中心孔、許多在上述主體中形成的入口，它們在靠近上述主體的下端並在其上端下面隔開圍繞上述主體的中心孔沿圓周互相間隔設置，以及許多在上述主體中形成的液流通道。它們從上述各自的入口延伸到上述主體的上述中心孔，並在上述主體下端的上方分開的位置處與上述中心孔連接，上述主體的上端適合於連接到上述泵的下端。
3.根據權利要求2的工具，其特徵在於，上述上面吸入液流控制組件還包括許多個入口液流控制閥，它們與上述入口和上述液流通道以液流連通的形式同上述主體連接，以便使不想要的較重流體從位於上述上面吸入液流控制組件的主體的附近或其上方的油井生產地層通過其上述入口和上述液流通道單向流入其上述中心孔中。
4.根據權利要求2的工具，其特徵在於，上述中間密封機構包括一個細長的空心體，它具有一對相對的上下兩端和一個通過其中形成的並在其上述上下端之間延伸的中心液流通道，上述中間密封機構的上述細長體的上端連接到上述上面吸入液流控制組件的上述主體的下端。
5.根據權利要求4的工具，其特徵在於，上述中間密封機構還包括一個可擴張的環形件，該環形件連接到上述細長空心體的外部並設置在其周圍，它適合於擴張並與位於該油井的上面生產地層和下面處理地層之間的油井套管的環形內表面部分形成油井套管內的上述閉合密封。
6.根據權利要求5的工具，其特徵在於，上述中間密封機構還包括一個導向件，該導向件被連接到靠近上述可擴張的環形件的上述細長空心體的外部並設置在其周圍，它適合於在油井套管中安裝上述工具期間將其導入油井套管。
7.根據權利要求4的工具，其特徵在於上述上面吸入液流控制組件還包括許多個入口液流控制閥，這些控制閥以與上述入口和液流通道成液流連通形式連接到上述主體，以便讓不想要的較重流體從位於上述上面液流控制組件的上述主體的附近或上方的油井生產地層通過其上述入口和其液流通道單向流入其上述中心孔中；上述下面排放液流控制裝置被連接到上述中間密封機構的上述細長空心體的下端，並與上述上面吸入液流控制組件的上述主體的下端成液流連通形式，以便只讓不想要的流體從上述上面吸入液流控制組件向下經過上述密封機構的上述細長空心體的上述中心通道並從上述排放液流控制裝置單向流到位於由上述中間密封機構在油井套管中形成的上述閉合密封下方的處理地層中，這樣，隨著泵的上行衝程，不想要的較重流體與想要的較輕流體分離，並向下被抽入油井套管中，然後經過上述入口液流控制閥和上述上面吸入液流控制組件的上述主體的上述入口和液流通道，從圍繞上述吸入液流控制組件的外部的油井的環形空間流入其中心孔和泵，而且，隨著泵的下行衝程，上述上面吸入液流控制組件和泵中的不要的較重流體被向下經過上述上述上面吸入液流控制組件的上述中心孔排出，並向外經過其上述主體部分的下端，經過上述中間密封機構的上述細長空心體的上述中心通道排出，並從上述供處理不想要的流體用的下面排放液流控制裝置排入油井的處理地層，上述下面排放液流控制裝置適合於防止不想要的流體隨著泵的下一個上行衝程而穿過並向上回流到上述吸入液流控制組件中。
8.根據權利要求1的工具，其特徵在於，還包括一個上面排放液流控制裝置，該裝置連接在上述上面吸入液流控制組件的下端和上述中間密封機構的上端之間，並且該裝置可以操作，將回壓降到足夠低，以防止萬一下面處理地層的壓力低於上面生產地層的壓力時，想要的流體和不想要的流體一起從油井套管中經過上述上面吸入液流控制組件、向下經過上述中間密封機構及向外從上述下面排放液流控制裝置中自由流入下面的處理地層。
9.在生產井中的和泵結合使用的地層注射工具，具有固定安裝在油井套管內的空心圓筒，並在油井的上面生產地層的下方的油井套管內向下延伸到上述空心圓筒的下端，柱塞在上述空心圓筒內通過上行衝程接著是下行衝程這樣反覆被驅動，它和上述地層注射工具相結合，首先對想要的較輕流體(如石油和/或天然氣)與不想要的較重流體(如水)進行重力分離，同時將二者從生產井的上面生產地層排入油井套管中，其次將分離的不想要的較重流體向下輸送並將其處理到油井上面處理地層下方隔開的油井的下面處理地層中，上述地層注射工具包括(a)一個上面吸入液流控制組件，它具有下端並在油井套管內連接到上述泵的上述圓筒的下端，並適合於隨著上述泵的上述柱塞的上述上行衝程而在上述較輕流體從油井套管內的上面生產地層向上流到地面的同時，讓不想要的較重流體從上面生產地層向下單向流入圍繞上述泵和上述上面吸入液流控制組件的油井套管的環形空間，並由其中流入上述上面吸入液流控制組件(b)一個中間密封機構，位於上述泵下方的上述上面吸入液流控制組件的下端的下方並連接在該下端上該中間密封機構適合於在油井套管內生產井的上面生產地層和下面處理地層之間形成閉合密封；和(c)一個下面的排放液流控制裝置，它連接到上述中間密封機構上並位於上述閉合密封的下方，該下面的排放液流控制裝置通過上述密封機構與上述上面吸入液流控制組件的下端以液流連通的形式連接，並且適合於隨著上述泵的上述下行衝程而只讓不想要的較重流體從上述上面吸入液流控制組件向下單向流經上述中間密封機構，並從上述下面排放液流控制裝置單向流到位於由上述中間密封機構形成的上述閉合密封下方的生產井的下面處理地層中。
10.根據權利要求9的工具，其特徵在於，上述上面吸入液流控制組件包括具有一對相對的上下端的主體、在主體中形成的軸向延伸穿過上述主體的上下端之間的中心孔、許多個限定在上述主體中的入口，它們在上述主體的上述中心孔周圍靠近上述主體的下端並在其上端的下方隔開沿圓周互相間隔設置，以及許多個在上述主體中形成的液流通道，它們從各自的入口延伸到上述主體的中心孔中，並在上述主體的下端上方分開的位置處與上述中心孔連接，上述主體的上端適合於連接到上述泵的上述圓筒的下端。
11.根據權利要求10的工具，其特徵在於，上述上面吸入液流控制組件還包括許多個入口液流控制閥，它們與上述入口和上述液流通道以液流連通的形式連接到上述主體上，以便使不想要的較重流體從位於上述上面吸入液流控制組件的上述主體附近或其上方的油井生產地層經過其上述入口和液流通道單向流入其上述中心孔中。
12.根據權利要求10的工具，其特徵在於，上述中間密封機構包括一個細長的空心體，上述空心體具有一對相對的上下兩端和一個通過其中形成的並在其上述上下端之間延伸的中心液流通道，上述中間密封機構的上述細長空心體的上端與上述上面吸入液流控制組件的上述主體的下端連接。
13.根據權利要求12的工具，其特徵在於，上述中間密封機構還包括一個可擴張的環形件，該環形件連接到上述細長空心體的外面並設置在其周圍，它適合於擴張並與位於油井的上面生產地層和下面處理地層之間的油井套管的環形內表面部分形成油井套管中的上述閉合密封。
14.根據權利要求13的工具，其特徵在於，上述中間密封機構還包括一個導向件，該導向件連接到靠近上述可擴張的環形件的上述細長空心體的外部並設置在其周圍，它適合於在油井套管中安放上述工具期間將其導入油井套管。
15.根據權利要求12的工具，其特徵在於上述上面吸入液流控制組件還包括許多個入口液流控制閥；這些閥以與上述入口和液流通道成液流連通形式連接到上述主體上，以便讓不想要的流體從位於上述上面吸入液流控制組件的上述主體附近或在其上方的油井生產地層經過其上述入口和液流通道單向流入其上述中心孔中；上述下面排放液流控制裝置被連接到上述中間密封機構的上述細長空心體的下端，並與上述上面吸入液流控制組件的上述主體的下端成液流連通形式，以便只讓不想要的流體從上述上面吸入液流控制組件向下單向流經上述中間密封機構的上述細長空心體的上述中心通道，並從上述下面排放液流控制裝置單向流到位於由上述中間密封機構在油井套管中形成的上述閉合密封下方的處理地層中，這樣，隨著泵的上行衝程，不想要的較重流體與想要的較輕流體分離並向下抽入油井套管中，然後經過上述入口液流控制閥和上述上面吸入液流控制組件的上述主體的上述入口和液流通道，以圍繞上述上面吸入液流控制組件外部的油井的環形空間排入其上述中心孔和上述泵的上述室中，而且隨著泵的下行衝程，在上述上面吸入液流控制組件和泵中的不想要的較重流體向下經過上述上面吸入液流控制組件的上述中心孔排出，並向外經過其上述主體部分的下端，經過上述中間密封機構的上述細長空心體的上述中心通道排出，並從上述供處理不想要的流體用的下面排放液流控制裝置排入油井的處理地層，上述下面排放液流控制裝置適合於防止不想要的流體隨著泵的下一個上行衝程而穿過並向上回流到上述上面吸入液流控制組件中。
16.根據權利要求9的工具，其特徵在於，還包括連接在上述上面吸入液流控制組件的上述下端和上述中間密封機構的上端之間的上面排放液流控制裝置，它可操作以便產生足夠的回壓，以防萬一下面處理地層中的壓力小於上面生產地層中壓力時，來自油井套管中的含有不想要液體的想要的流體自由流經上述上面吸入液流控制組件，向下流經上述中間密封機構、並向外從上述下面排放液流控制裝置流入下面處理地層。
17.地層注射工具的吸入液流控制組件，供在生產井套管內和泵一起使用，該吸入液流控制組件包括(a)一個主體，它具有一對相對的上、下端、一個在上述主體中形成並沿軸向延伸穿過其上下端之間的中心孔、許多個在上述主體中形成的入口，它們在上述主體的上述中心孔周圍靠近其上述下端並在其上述上端的下方隔開地沿圓周互相間隔設置，以及許多個在上述主體中形成的液流通道，它們從上述各自的入口延伸到其上述中心孔，並在上述主體的下端上方分開的位置處與上述中心孔連接，上述主體的上端適合於連接到泵的下端；和(b)許多個入口液流控制閥，它們與上述主體連接並與其上述入口和液流通道設置成液流連通形式，以便讓來自位於上述吸入液流控制組件的上述主體外部附近或其上方的油井生產地層的不想要的較重流體經過其上述入口和液流通道單向流入其上述中心孔中。
18.根據權利要求17的組件，其特徵在於，上述主體包括一個上口蓋，其上端固定在泵的下端，上述上口蓋包括上述入口、上述液流通道和上述中心孔的短上截面。
19.根據權利要求18的組件，其特徵在於，上述主體還包括內含大部分上述主體的上述中心孔的細長的下面管形的心柱，該心柱具有連接到套筒(其中心限定在上述上口蓋的下端)上的上端和連接到上述中間密封件的上述細長空心體上端的下端，上述心柱向下延伸到限定在上述口蓋的上述下端上的上述入口外面並設置成圍繞上述套筒。
20.根據權利要求19的組件，其特徵在於，上述許多入口液流控制閥中的每一個閥與上述上口蓋內上述入口中的一個以液流連通的形式連接，上述入口液流控制閥被設置成圍繞上述心柱，並從上述入口向下大體上平行於上述心柱而延伸。
21.根據權利要求18的組件，其特徵在於，上述許多個入口液流控制閥中的每一個閥都包括一個限定流道軸向延伸穿過的閥盒、一個位於上述流道相對的兩端之間的環形閥座，和一個安裝於限定在上述閥座上方的上述流道的上部的活動球狀物，以便在上述環形閥座上面的打開的未固定位置和下面的關閉的固定位置之間進行軸向運動。
22.根據權利要求17的組件，其特徵在於，上述許多入口液流控制閥中的每個閥還包括連接到上述閥盒底端的流體粗濾盒，它適合於濾出不想要的流體中超過預定尺寸的固體顆粒，從而防止這些固體顆粒進入上述吸入液流控制組件的上述主體中。
全文摘要
可在生產油井套管(C)中處理的地層注射工具(10)包括上面吸入液流控制組件(24)、中間密封機構(26)和下面排放液流控制裝置(28)。上面吸入液流控制組件(24)固定在泵(12)的下端，在油井套管(C)內向下延伸直至上面生產地層(P)的下方。隨著泵(12)的上行衝程，上面吸入液流控制組件(24)讓不想要的較重流體(如水)從上面的生產地層(P)向下單向流動，並進入上面吸入液流控制組件(24)，同時讓想要的較輕流體(如石油和/或天然氣)從上面的生產地層(P)在油井套管(C)中向上流到地面(G)。中間密封機構(26)於油井套管(C)內在上面生產地層(P)和下面處理地層(D)之間形成閉合密封。隨著泵(12)的下行衝程，下面排放液流控制裝置(28)只讓不想要的較重流體從上面吸入液流控制組件(24)向下單向流經中間密封機構(26)，並從下面排放液流控制裝置(28)單向流到下面的處理地層(D)中。
文檔編號E21B43/34GK1138361SQ95191165
公開日1996年12月18日 申請日期1995年1月5日 優先權日1994年1月6日
發明者米切爾·N·哈梅克, 比爾·亨德森第二克拉侖斯·米切爾 申請人:Mbc股份有限公司