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申请/专利权人：长江大学

摘要：本发明公开了一种基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，包括喷管壳体，所述喷管壳体的内腔一端设置有喷嘴，所述喷嘴由顺序连接的头部收缩段和喉部直管段组成；所述喷管壳体位于头部收缩段的一端设置有上游安装孔板，另一端设置有下游安装孔板；所述喷管壳体的内腔穿设有导杆，且所述导杆的中心轴线与喷管壳体的中心轴线重合；所述导杆的一端与上游安装孔板的中心孔螺纹连接，所述导杆的另一端与下游安装孔板的中心孔螺纹连接；所述导杆上套设有横跨喉部直管段用于控制流体流量的浮子。本发明结构简单、安装方便，能够克服各注水井或油层由于吸水能力不同造成的配水量失衡，避免注水的超注或欠注，实现油田精细分层注水控制，提高采收率。

主权项：1.一种基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，包括喷管壳体1，其特征在于：所述喷管壳体1的内腔一端设置有喷嘴2，所述喷嘴2由顺序连接的头部收缩段2.1和喉部直管段2.2组成；所述喷管壳体1位于头部收缩段2.1的一端设置有上游安装孔板3，所述喷管壳体1的另一端设置有下游安装孔板4；所述喷管壳体1的内腔穿设有导杆5，且所述导杆5的中心轴线与喷管壳体1的中心轴线重合；所述导杆5的一端与上游安装孔板3的中心孔螺纹连接，所述导杆5的另一端与下游安装孔板4的中心孔螺纹连接；所述导杆5上套设有横跨喉部直管段2.2用于控制流体流量的浮子6，且浮子6的两端分别向上游安装孔板3、下游安装孔板4延伸形成流线型结构；所述浮子6朝向上游安装孔板3的一端为自由端，所述浮子6朝向下游安装孔板4的一端通过套设在导杆5上的弹簧7与下游安装孔板4连接，所述浮子6可在流体的驱动下沿导杆5轴向滑动与喉部直管段2.2形成面积可变的流通通道；所述浮子6由顺序连接的浮子首段6.1、有效控制段6.2、以及浮子尾段6.3组成，所述浮子首段6.1朝向上游安装孔板3布置，所述浮子尾段6.3朝向下游安装孔板4布置，所述浮子6的中心轴线与喷管壳体1的中心轴线重合；所述浮子6的有效控制段6.2沿其轴向方向的外形母线的形线方程由下式确定： 其中：x，y分别为外形母线上任意点对应的横坐标和纵坐标，D为喷嘴的喉口直径，b为弹簧的预压缩量；T为设计参数，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，ρ为水的密度，k为弹簧的弹性系数，d为导杆的直径；所述弹簧的预压缩量b由如下公式确定： 其中，D为喷嘴的喉口直径，d为导杆的直径，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，ρ为水的密度，ΔP1为喷嘴的设计起始工作压差。

全文数据：基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管技术领域[0001]本发明涉及流体流量控制的技术领域，具体涉及一种基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管。背景技术[0002]油田注水的主要目的是为了保持油田能量，保持油层压力，提高油田的供液能力，以达到进一步开采石油的目的，是实现原油高产、稳产的重要手段。强化有效的注水是目前改善油田开发效果的关键。由于各注水井之间吸水能力的不同以及配注要求的差异，需要对各注水井的流量进行控制。此外，由于我国水驱开发油藏储层非均质强，分层注水是实现高产稳产和改善油田开发效果的有效方法。随着油田精细开发的不断深入，水驱开发面临注采关系更加复杂、油层动用不均衡、层间矛盾加剧等问题，导致无效水循环严重、含水率上升快、储量动用程度低等问题。[0003]现有的地面恒流量注水阀组主要通过手动阀门、电动阀门或恒流阀等调节。手动调节阀需要操作人员根据注水工艺配注量通过人工旋转手轮结合流量计示值进行调节。手动调节阀门控制注水量主要有两方面的缺陷：一个方面是，由于人工控制具有时间滞后效应，不能对注水出现的异常情况及时处理，特别是夜间，由于压力波动，操作人员不能及时发现并做出处理，使得注水量失控或反吐“倒灌”，严重影响油田的稳定开发和安全生产;另一方面是，大部分油田注水压力都在10〜40MPa之间，属高压力危险环境，普通闸阀或截止阀易损易漏，在实际中存在着许多的不安全因素，现场人工调节不安全。电动阀门恒流量控制系统一般由远控阀门、流量计和控制单元如微机等组成，在其工作过程中需要一直由微机监测流量计的测量流量，并且在流量偏离预期值范围时通过远控阀门对流量进行调节，因此这种主动式流量控制机构结构复杂庞大，并且价格一般都比较高昂。目前地面注水恒流阀具有多种多样的形式，如专利CN200920198162.5，CN201320354603.2，CN200520079638.5，CN201220058772.7等所示的结构，但是他们普遍存在着结构复杂、体积庞大、成本高、不便于维修等问题。[0004]现有的井下分层注水主要采用固定水嘴堵塞器或恒流堵塞器。固定水嘴堵塞器在流量调配时具有盲目性，对注水量的控制程度低，容易造成注水量的失衡。而现有的恒流堵塞器，如在专利CN200510009708.4，CN95207141.X，CN01237180.7等中所示的结构，存在着结构复杂、加工困难、体积较大不易下井等问题，并且阀芯形线都根据经验设计，没有经过严格的数学推导，因此存在着恒流控制精度不高等缺陷。[0005]综上所述，基于现有技术结构复杂、恒流控制精度不高等缺陷，造成的配水量失衡，油层超注或欠注，油田注水无法精确控制，水驱采收率低，在应用中受到较多的限制。发明内容[0006]本发明目的在于克服上述背景技术的不足，而提供一种基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，通过对注水井的精细注水控制，能够改善各注水井及油层之间的配注关系，提高水驱采收率。[0007]为实现上述目的，本发明所提供的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，包括喷管壳体，所述喷管壳体的内腔一端设置有喷嘴，所述喷嘴由顺序连接的头部收缩段和喉部直管段组成;所述喷管壳体位于头部收缩段的一端设置有上游安装孔板，另一端设置有下游安装孔板；[0008]所述喷管壳体的内腔穿设有导杆，且所述导杆的中心轴线与喷管壳体的中心轴线重合;所述导杆的一端与上游安装孔板的中心孔螺纹连接，所述导杆的另一端与下游安装孔板的中心孔螺纹连接;所述导杆上套设有横跨喉部直管段用于控制流体流量的浮子，且浮子的两端分别向上游安装孔板、下游安装孔板延伸形成流线型结构；[0009]所述浮子朝向上游安装孔板的一端为自由端，所述浮子朝向下游安装孔板的一端通过套设在导杆上的弹簧与下游安装孔板连接，所述浮子可在流体的驱动下沿导杆轴向滑动与喉部直管段形成面积可变的流通通道。[0010]上述技术方案中，所述上游安装孔板和下游安装孔板的结构相同，所述上游安装孔板包括外环、设置在外环的中部具有中心孔的内环、以及设置在外环的内壁与内环的外壁之间的支杆组成;所述支杆的数量为三根，且沿外环的内壁周向均匀间隔布置，相邻两根支杆之间留有供液体流通的扇形通道。[0011]上述技术方案中，所述导杆的两端均设置有外螺纹，所述内环的中心孔内壁设置有与外螺纹相匹配的内螺纹。[0012]上述技术方案中，所述浮子由顺序连接的浮子首段、有效控制段、以及浮子尾段组成，所述浮子首段朝向上游安装孔板布置，所述浮子尾段朝向下游安装孔板布置，所述浮子的中心轴线与喷管壳体的中心轴线重合。[0013]上述技术方案中，所述浮子的有效控制段沿其轴向方向的外形母线的形线方程由下式确定：[0015]其中：X，y分别为外形母线上任意点对应的横坐标和纵坐标，D为喷嘴的喉口直径，b为弹簧的预压缩量；，T为设计参数，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，k为弹簧的弹性系数。[0016]上述技术方案中，所述弹簧的预压缩量b由如下公式确定：[0018]其中，D为喷嘴的喉口直径，d为导杆的直径，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，AP1S喷嘴的设计起始工作压差。[0019]上述技术方案中，所述浮子6的最大行程小于或等于L。[0020]与现有技术相比，本发明存在如下优点：[0021]本发明的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管利用在喷嘴的喉口设置一个弹簧-浮子组成的机械构件作为“壅塞体”，应用弹簧-浮子“壅塞体”的机械运动来模仿汽蚀壅塞流喷嘴内“气穴阻挡层”的形态变化对流动的作用，对所注水的流动形成了一种附加阻力，并且它还可以随着上游注水系统或者下游油层压力的变化自动发生机械运动调节该附加阻力的大小，准确阻断来自上、下游参数波动对流量的影响，最终保持了水流量的恒定。此夕卜，本发明基于机械壅塞的恒流量注水喷嘴结构简单、安装方便，能够克服各注水井或油层由于吸水能力不同造成的配水量失衡，避免超注或欠注，实现油田精细分层注水控制，提高采收率。具体实施方式[0022]图1为本发明基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管的结构示意图。[0023]图2为图1中浮子结构示意图。[0024]图3为图1中上游安装孔板的剖视结构示意图。[0025]图4为图1中上游安装孔板的侧视结构示意图。[0026]图中：1-喷管壳体、2-喷嘴、2.1-头部收缩段、2.2-喉部直管段、3-上游安装孔板、3.1-外环、3.2-内环、3.3-支杆、4-下游安装孔板、5-导杆、6-浮子、6.1-浮子首段、6.2-有效控制段、6.3-浮子尾段、7-弹簧。具体实施方式[0027][0028]下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。[0029]如图1所示的包括喷管壳体1，喷管壳体1的内腔一端设置有喷嘴2,喷嘴2由顺序连接的头部收缩段2.1和喉部直管段2.2组成;喷管壳体1位于头部收缩段2.1的一端设置有上游安装孔板3,另一端设置有下游安装孔板4;喷管壳体1的内腔穿设有导杆5,且导杆5的中心轴线与喷管壳体1的中心轴线重合;导杆5的一端与上游安装孔板3的中心孔螺纹连接，导杆5的另一端与下游安装孔板4的中心孔螺纹连接;导杆5上套设有横跨喉部直管段1.2用于控制流体流量的浮子6,且浮子6的两端分别向上游安装孔板3、下游安装孔板4延伸形成流线型结构;浮子6朝向上游安装孔板3的一端为自由端，浮子6朝向下游安装孔板4的一端通过套设在导杆5上的弹簧7与下游安装孔板4连接，浮子6可在流体的驱动下沿导杆5轴向滑动与喉部直管段1.2形成面积可变的流通通道。[0030]如图2所示，浮子6由顺序连接的浮子首段6.1、有效控制段6.2、以及浮子尾段6.3组成，浮子首段6.1朝向上游安装孔板3布置，浮子尾段6.3朝向下游安装孔板4布置，浮子6的中心轴线与喷管壳体1的中心轴线重合。浮子6的有效控制段6.2沿其轴向方向的外形母线的形线方程由下式确定：[0032]其中：X，y分别为外形母线上任意点对应的横坐标和纵坐标，D为喷嘴的喉口直径，b为弹簧的预压缩量;T为设计参数，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，k为弹簧的弹性系数。[0033]弹簧的预压缩量b由如下公式确定：[0035]其中，D为喷嘴的喉口直径，d为导杆的直径，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，AP1为喷嘴的设计起始工作压差。浮子6的最大行程小于或等于L。[0036]如图3和图4所示，上游安装孔板3和下游安装孔板4的结构相同，上游安装孔板3包括外环3.1、设置在外环3.1的中部具有中心孔的内环3.2、以及设置在外环3.1的内壁与内环3.2的外壁之间的支杆3.3组成;支杆3.3的数量为三根，且沿外环3.1的内壁周向均匀间隔布置，相邻两根支杆3.3之间留有供液体流通的扇形通道。导杆5的两端均设置有外螺纹，内环3.2的中心孔内壁设置有与外螺纹相匹配的内螺纹。[0037]本发明的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管的工作原理如下:浮子是具有光滑表面的旋转体，其有效控制段近似一个圆锥体，并且直径从上游到下游逐渐减小其侧面真实的形状并不是圆锥面）。这样在普通喷嘴中加装弹簧-浮子“壅塞体”，能够随着下游压强的波动自动伸长和收缩，维持流量的恒定。当上游注水系统压力升高或下游地层压力降低时，浮子两端的压差增大，压缩弹簧向下游移动，浮子与喷嘴喉部围成的环形流通通道面积缩小，加大了节流程度，从而使附加阻力增加，阻止流量增大，维持配水流量恒定。反之当上游注水系统压力下降或下游地层压力升高时，浮子两端的压差减小，弹簧拉伸，增加了环形通道的面积，降低了对流体的节流程度，使附加阻力减少，维持配水流量不变。此外，对于分层注水系统，当某一个油层或某几个油层吸水参数发生波动时，其余油层由于通过该新型的基于机械壅塞的恒流量注水喷嘴对这些波动具有屏蔽作用，因此维持设计的配注量不发生变化。[0038]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

权利要求：1.一种基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，包括喷管壳体（I，其特征在于:所述喷管壳体⑴的内腔一端设置有喷嘴⑵，所述喷嘴2由顺序连接的头部收缩段2.1和喉部直管段（2.2组成；所述喷管壳体（1位于头部收缩段（2.1的一端设置有上游安装孔板3，另一端设置有下游安装孔板⑷；所述喷管壳体（1的内腔穿设有导杆5，且所述导杆⑶的中心轴线与喷管壳体（1的中心轴线重合;所述导杆⑶的一端与上游安装孔板⑶的中心孔螺纹连接，所述导杆⑶的另一端与下游安装孔板（4的中心孔螺纹连接；所述导杆（5上套设有横跨喉部直管段1.2用于控制流体流量的浮子6，且浮子6的两端分别向上游安装孔板3、下游安装孔板⑷延伸形成流线型结构；所述浮子6朝向上游安装孔板3的一端为自由端，所述浮子6朝向下游安装孔板4的一端通过套设在导杆⑶上的弹簧7与下游安装孔板⑷连接，所述浮子6可在流体的驱动下沿导杆5轴向滑动与喉部直管段1.2形成面积可变的流通通道。2.根据权利要求1所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述上游安装孔板3和下游安装孔板4的结构相同，所述上游安装孔板3包括外环3.1、设置在外环3.1的中部具有中心孔的内环3.2、以及设置在外环3.1的内壁与内环3.2的外壁之间的支杆3.3组成;所述支杆3.3的数量为三根，且沿外环3.1的内壁周向均匀间隔布置，相邻两根支杆3.3之间留有供液体流通的扇形通道。3.根据权利要求2所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述导杆5的两端均设置有外螺纹，所述内环（3.2的中心孔内壁设置有与外螺纹相匹配的内螺纹。4.根据权利要求1或2或3所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述浮子6由顺序连接的浮子首段6.1、有效控制段6.2、以及浮子尾段6.3组成，所述浮子首段6.1朝向上游安装孔板3布置，所述浮子尾段6.3朝向下游安装孔板4布置，所述浮子6的中心轴线与喷管壳体1的中心轴线重合。5.根据权利要求4所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述浮子6的有效控制段6.2沿其轴向方向的外形母线的形线方程由下式确定：其中：x，y分别为外形母线上任意点对应的横坐标和纵坐标，D为喷嘴的喉口直径，b为弹簧的预压缩量；为设计参数，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，k为弹簧的弹性系数。6.根据权利要求5所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述弹簧的预压缩量b由如下公式确定：其中，D为喷嘴的喉口直径，d为导杆的直径，Q为设计配注量，α为喷嘴的流量系数，P为水的密度，AP1S喷嘴的设计起始工作压差。7.根据权利要求6所述的基于机械壅塞原理的恒流量注水喷管，其特征在于:所述浮子6的最大行程小于或等于L。

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