一种全井筒防返吐分层注水管柱技术领域
本发明涉及采油工具技术领域，特别涉及一种全井筒防返吐分层注水管柱。
背景技术
分层注水工艺是改善层间矛盾，强化注采调整的有效措施和手段，在油田开发中
受到重视。但是随着开发的深入，由于分层注水管柱缺乏系统防返吐功能，注水井停注后，
地层压力波动大，容易造成岩石骨架破坏，导致地层出砂、套损；地层流体向井筒返吐的同
时，堵塞注水和洗井通道，导致砂埋、测试调配遇阻、分注有效期短等问题。目前还没有一种
分层注水管柱具有全井筒防返吐、保持注水井停注后地层压力稳定的功能，是分层注水亟
需解决的技术难题。
现有的分层注水管柱防返吐技术研究有两个方向，都存在一定的局限性：
（1）分层注水管柱单一配套工具防返吐：研究最多的是单流阀防返吐，对分层注水管柱
中其他配套工具存在的返吐通道研究甚少，缺乏系统性；
（2）分层注水防砂：侧重于防砂，而不是防止地层流体的返吐。侧重于治理，而不是预
防。
发明内容
本发明的目的是提供一种全井筒防返吐分层注水管柱，以克服停注后因地层压力
波动引起的地层经分注配套工具返吐至井筒及分注层段之间压差串流返吐等对井下工具、
地层稳定性、分注测试造成的不良影响。
本发明的目的是这样实现的，一种全井筒防返吐分层注水管柱，包括沿分注油管
连接的若干偏心单流配水器，各偏心单流配水器随分注油管下入井下的各注水层段，各相
邻的偏心单流配水器之间的分注油管上分别连接有防返吐封隔器用于封隔各相邻的注水
层段，最末端的偏心单流配水器下侧的分注油管上依次连接有防返吐单流阀、沉砂尾管和
丝堵。
本发明的注水管柱，随分注油管下入井下并使各偏心单流配水器分别对应各注水
层段，注水状态时，各防返吐封隔器坐封，将各相邻的注水层段分隔，注入水通过各偏心单
流配水器的注水通道分别进入各注水层段， 防返吐单流阀处于密封状态，注入水中杂质沿
着分注管柱沉入沉砂尾管5中；停注时，各心单流配水器的注水通道快速关闭，各防返吐封
隔器处于坐封状态，防返吐单流阀处于密封状态，地层至井筒的返吐通道全部关闭。洗井
时，油套环空起压，从上至下封隔器依次解封，单流阀洗井通道打开，建立油套环空洗井通
道。因此本发明的注水管柱,可以实现全井筒上下的防返吐功能，防止停注后地层压力波动
引起出砂、套损、及堵塞注水和洗井通道。
为便于实现封隔器的可靠封隔，所述防返吐封隔器包括依次连接的上接头、上中
管、阀体、下中管和下接头，所述上接头下端内螺纹连接上中管，所述上接头下侧的上管中
外周设有定位扶正机构，所述阀体上端和下端分别内螺纹密封连接上中管和下中管，所述
下中管外周环空设有扩张胶筒，扩张胶筒的上端和下端分别设有上护套和下护套，所述下
中管下端外螺纹密封连接下接头，下接头外周与下护套密封连接，所述阀体设有中心通道
和偏心通道，所述中心通道与上中管和下中管连通，所述偏心通道内设有塞杆，塞杆下端的
偏心通道内设有球座，球座下部依次设有阀球、阀罩和弹簧一，所述弹簧一上端和下端分别
抵靠阀罩和导流套，所述导流套与偏心通道的下端内口螺纹连接，并设有导流孔用于连通
上侧偏心通道和下侧的扩张胶筒与下中管之间的座封环空；所述塞杆的上部设有与偏心通
道滑动密封连接的活塞部,所述活塞部下侧的偏心通道通过径向通道与中心通道连通,所
述活塞部的上侧设有液压腔,所述液压腔与外部的井套连通,所述塞杆的上端设有机械解
封机构。本发明的封隔器随注水管柱下入井下设置的位置后，向分注油管内注水打压，压力
液通过径向通道进入偏心通道，并顶开阀球进入扩张胶筒内，使胶筒扩张实现座封，然后油
管内停止打压，阀球在弹簧一的作用下复位，实现管柱的座封，封隔了相邻的注水层。塞杆
与偏心通道的配合结构，可以有效防止地层压力波动时向油管内返吐。
为便于实现管柱的扶正，所述定位扶正机构包括上中管外周套设的扶正体，所述
扶正体周部轴向均布若干开槽，相邻开槽内间隔嵌装有向外突出的扶正块和摩擦块，所述
扶正块和摩擦块内侧与上中管外管壁之间分别通过径向设置的若干弹簧二支撑，所述扶正
体和扶正块及摩擦块的上部配合插装并抵靠上接头下端内侧，所述扶正体的下端配合套接
有护套，所述护套中部设有与上中管外壁滑动配合的内台阶，护套的上部和下部与上中管
之间设有环空，所述扶正块和摩擦块的下部抵靠在护套上部的环空内，所述护套下端与阀
体上部外周配合套接。本发明的扶正结构，随管柱下入相应的地层，扶正块和摩擦块通过弹
簧二的径向抵靠作用与套管壁顶靠接触，从而实现管柱的扶正。
为便于实现封隔器的解封，所述机械解封机构包括与护套下部配合套接的传力
套，所述传力套上端外周和内周分别与护套内周和上中管外周滑动套装，所述传力套下段
与上中管外周之间设有环空，所述传力套上端部设有与下部的环空连通轴向孔，所述轴向
孔内间隙套设有推杆，所述推杆上端伸入护套下部的环空内并且外周套装有抵靠在护套的
内台阶与传力套端部之间的弹簧三，所述推杆上端部轴向顶靠在护套的内台阶上，所述推
杆下端顶靠塞杆上端部，所述护套下端对应的传力套外周设有限位台阶，所述限位台阶用
于限位护套相对传力套轴向滑动的距离。
为便于实现封隔器的液压座封和解封，所述阀体上端内周与上中管下端外周螺纹
密封连接，所述阀体上部外周环空套接入传力套下部的环空内，所述推杆下部伸入阀体的
偏心通道内并设有与偏心通道滑动密封配合的外凸部，所述塞杆的活塞部上侧一体设有与
推杆顶靠的传力部，所述传力部外周的偏心通道形成液压腔，所述液压腔对应的阀体外壁
设有径向通孔一，所述传力套与阀体套装的周向设有径向通孔二，所述径向通孔一和径向
通孔二将液压腔与传力套外周的套管连通。本结构的封隔器座封时，通过管柱内打压实现，
液压解封时，管柱内停注，通过井套打压，井套的压力液经径向通孔一和径向通孔二作用到
活塞部上侧，向下推动塞杆，顶开阀球，打开扩张胶筒的座封通道，使封隔器解封，解封后套
管停止打压，阀球在弹簧一的作用下复位。
为便于准确确定管柱下入井下的位置，所述扶正块的外壁沿井壁的周向设有凸
起。本结构的扶正块随管柱下入井下时，凸起每经过套管接缝处时，会临时卡入接缝内，如
要通过接缝，则需加载才能通过，地面记录仪可以录取通过的套管接箍的数量即获知下井
的分注油管长度和本发明集成封隔器的井下位置，从而可以时刻准确记录工具的井下位
置。
附图说明
图1为本发明的全井筒防返吐分层注水管柱的示意图。
图2为防返吐封隔器的结构示意图。
其中，1 分注油管；2偏心单流配水器；3防返吐封隔器；31中心腔道；32上接头；33
上中管；34扶正体；35扶正块；35A凸起；36摩擦块；37弹簧二；38护套；39弹簧三， 310传力
套；310A 径向通孔二；310B限位台阶； 311推杆；312塞杆；312A传力部；312B活塞部；313阀
体；313A径向通孔一；313B径向通道；314阀球；315阀托；316弹簧一；317导流套；318上护套；
319下中管；320扩张胶筒；321下护套；322下接头；4防返吐单流阀；5沉砂尾管；6丝堵；7套
管。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本发明的全井筒防返吐分层注水管柱，包括沿分注油管1连接
的若干偏心单流配水器2，各偏心单流配水器2随分注油管1下入井下的各注水层段，各相邻
的偏心单流配水器2之间的分注油管1上分别连接有防返吐封隔器3用于封隔各相邻的注水
层段，最末端的偏心单流配水器2下侧的分注油管1上依次连接有防返吐单流阀4、沉砂尾管
5和丝堵6。
为便于实现封隔器的可靠封隔，本发明的防返吐封隔器，包括依次连接的上接头32、上
中管33、阀体313和下中管319，并且上接头32、上中管33、阀体313和下中管319的中心形成
贯通的中心腔道31，上接头32下端内螺纹连接上中管33，上接头32下侧的上管中33外周设
有定位扶正机构，阀体313上端和下端分别内螺纹密封连接上中管33和下中管319，下中管
319外周环空设有扩张胶筒320，扩张胶筒320的上端和下端分别设有上护套318和下护套
321，下中管319下端外螺纹密封连接下接头322，下接头322外周与下护套321密封连接，阀
体313设有中心通道和偏心通道，中心通道与上中管33和下中管319连通，偏心通道内设有
塞杆312，塞杆312下端的偏心通道内设有球座，球座下部依次设有阀球314、阀罩315和弹簧
一316，弹簧一316上端和下端分别抵靠阀罩315和导流套317，导流套317与偏心通道的下端
内口螺纹连接，并设有导流孔用于连通上侧偏心通道和下侧的扩张胶筒320与下中管319之
间的座封环空；塞杆312的上部设有与偏心通道滑动密封连接的活塞部312B,活塞部312B下
侧的偏心通道通过径向通道313B与中心通道连通,活塞部312B的上侧设有液压腔,液压腔
与外部的井套连通,塞杆312的上端设有机械解封机构。
为便于实现管柱的扶正，封隔器的定位扶正机构包括上中管33外周套设的扶正体
34，扶正体34周部轴向均布若干开槽，相邻开槽内间隔嵌装有向外突出的扶正块35和摩擦
块36，扶正块35和摩擦块36内侧与上中管33外管壁之间分别通过径向设置的若干弹簧二37
支撑，扶正体34和扶正块35及摩擦块36的上部配合插装并抵靠在上接头32下端内侧，扶正
体34的下端配合套接有护套38，护套38中部设有与上中管33外壁滑动配合的内台阶，护套
38的上部和下部与上中管33之间设有环空，扶正块35和摩擦块36的下部抵靠在护套38上部
的环空内，护套38下端与阀体313上部外周配合套接。该定位扶正机构，管柱下行至工作井
深后弹簧二37将扶正块35和摩擦块36周向弹性顶靠在套管7上，使管柱工具实现扶正功能。
为便于定位工具下入井下的位置，扶正块35的外壁沿井壁的周向设有凸起35A，工具下井过
程中，扶正块的凸起35A在弹簧二37的作用下进入套管7接箍的环形槽内即两根套管的连接
缝中被临时卡住，需加载通过，地面记录仪录取了通过的套管接箍数量即获知下井油管长
度和本发明集成封隔器的井下位置，从而可以时刻准确记录工具的井下位置
为便于封隔器的解封，机械解封机构包括与护套38下部配合套接的传力套310，传力套
310上端外周和内周分别与护套38内周和上中管33外周滑动套装，传力套310下段与上中管
33外周之间设有环空，传力套310上端部设有与下部的环空连通轴向孔，轴向孔内间隙套设
有推杆310，推杆310上端伸入护套38下部的环空内并且外周套装有抵靠在护套38的内台阶
与传力套310端部之间的弹簧三39，推杆310上端部轴向顶靠在护套38的内台阶上，推杆310
下端顶靠塞杆312上端部，护套38下端对应的传力套38外周设有限位台阶310B，限位台阶
310B用于限位护套38相对传力套310轴向滑动的距离。
为便于实现封隔器的液压座封和解封，阀体313上端内周与上中管33下端外周螺
纹密封连接，阀体313上部外周环空套接入传力套310下部的环空内，推杆310下部伸入阀体
313的偏心通道内并设有与偏心通道滑动密封配合的外凸部，塞杆的活塞部312B上侧一体
设有与推杆312顶靠传力部312A，传力部312A周的偏心通道形成液压腔，液压腔对应的阀体
313外壁设有径向通孔一313A，传力套310与阀体313套装的周向设有径向通孔二310A，径向
通孔一313A和径向通孔二310A将液压腔与传力套310外周的套管连通，以便于与外部套管
与液压腔连通。
通过本发明的集成封隔器结构，可以实现如下功能：工具下井位置的精确定位，本
发明的集成封隔器连同其它工具在油井内下行时，扶正块5的凸起35A在弹簧二37的作用下
进入套管接箍的环形槽内即两根套管的连接缝中被临时卡住，需加载通过，地面记录仪录
取了通过的套管接箍数量即获知下井油管长度和本发明集成封隔器的井下位置，从而可以
时刻准确记录工具的井下位置；需要座封时，通过油管加压，压力液经阀体313的径向通道
313B、偏心通道作用到阀球314上，直到顶开阀球314与阀座的密封部位，压力液进入扩张胶
筒320内的座封环空内，使扩张胶筒320向外径向扩张与套管壁座封；当停止加压时，阀球
314在回流液、弹簧一316的作用下，迅速关闭，扩张胶筒320内的座封环空始终处于密封状
态；当需要液压解封时，先卸油管内的压力，地层的压力经径向通孔二310A、径向通道二
313A、进入液压腔中，并作用到塞杆的活塞部312B上部向下顶开阀球314，使座封环空内的
压力液卸入偏心通道和油管内即实现液压解封；当需要实现机械解封时，上提管柱，扶正块
35和摩擦块36在弹簧二37的作用下与套管产生摩擦力，使定位扶正机构下行，推动塞杆312
下行并顶开阀球314，使座封环空内的压力液卸入油管内即解封。因此，本发明的集成封隔
器，可以实现扩张式胶筒座封后自锁、液压和机械解封的功能；可以实现小夹层卡封点定
位、居中扶正；并且液压座封机构座封后，其防返吐能力达到10MPa以上，有效防止地层砂质
对管柱的侵蚀。
本实施例的全井筒防返吐分层注水管柱中，偏心单流配水器可以采用专利说明书
CN202832444U公布的下导向式偏心配水器；防返吐单流阀采用专利说明书CN203081400U公
布的双密封防返吐单流阀。当然也可以采用其它功能相同的单流配水器和单流阀。本实施
例分层注水管柱为一级两层，也就是说具体实施的注水地层有上下两个注水层段，根据注
水层段的地层深度分别设置上下两个偏心单流配水器，两个偏心单流配水器之间的油管上
连接防返吐封隔器，用于封隔上层注水层段和下层注水层段，以便于同时对上下注水层段
分层注水；在最下侧的偏心单流配水器下侧的油管上依次连接防返吐单流阀4、沉砂尾管5
和丝堵6。
连接后的全井筒防返吐分层注水管柱随分注油管下入井下并使上下两个偏心单
流配水器2分别对应地层的上注水层段和下注水层段，防返吐封隔器3正将上下注水层段封
隔开来，注水状态前，从分注油管的中心通道打压，使防返吐封隔器坐封，将上下注水层段
封隔；然后向分注油管内注水并通过各偏心单流配水器的注水通道向各注水层段注水， 此
时防返吐单流阀处于密封状态，注入水中杂质沿着分注管柱沉入沉砂尾管5中；停注时，各
偏心单流配水器的注水通道快速关闭，各防返吐封隔器3处于坐封状态，防返吐单流阀4处
于密封状态，地层至分注油管1的返吐通道全部关闭。洗井时，套管环空起压，液压解封封隔
器，单流阀洗井通道打开，建立套管环空洗井通道。因此本发明的注水管柱,可以实现全井
筒上下的防返吐功能，防止停注后地层压力波动引起出砂、套损、及堵塞注水和洗井通道。
本发明的全井筒防返吐分层注水管柱结构并不局限于上述连接结构，还可以适用
于三层或三层以上的分层注水管柱结构中。