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        新型小流量水嘴的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

        2013-12-23 06:09:42申曉莉于九政王子建
        石油鉆采工藝 2013年1期
        關(guān)鍵詞:水嘴節(jié)流孔徑

        申曉莉 于九政 王子建

        (1.長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院,陜西西安 710018;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710021)

        隨著油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)和科技的發(fā)展,對(duì)油田開發(fā)技術(shù)水平的要求越來(lái)越高,注水開發(fā)是油田開發(fā)的主要手段,為了擴(kuò)大注入水波及體積,獲得較好的開發(fā)效果,需要對(duì)注水井進(jìn)行流量測(cè)試和調(diào) 配[1]。長(zhǎng)慶油田縱向上發(fā)育多個(gè)油層,需要采用分層注水方式進(jìn)行開采[2],單層日注水量小,在5~20 m3之間,普遍選配直徑較小的水嘴控制單層注水[3],受注入水質(zhì)、層間壓差影響[4],存在小水嘴易堵塞、難以合理調(diào)配等問題。為了解決這些問題,基于常規(guī)偏心分注工藝中使用的堵塞器水 嘴的參數(shù)和節(jié)流原理[5-6],設(shè)計(jì)出一種過(guò)流通道直徑比較大的新型小流量水嘴,并通過(guò)數(shù)值模擬[7]和水嘴嘴損[8]的計(jì)算分析其性能可靠性,提高精細(xì)分注的調(diào)配合格率。

        1 常規(guī)水嘴的特性分析

        1.1 計(jì)算域和網(wǎng)格

        水嘴式堵塞器(KHD、KPX 系列)是通過(guò)更換不同孔徑的水嘴以滿足注水量要求的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分層注水。根據(jù)堵塞器通流部分圖紙繪制三維實(shí)體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格圖,見圖1。

        圖1 堵塞器流道結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格圖

        1.2 模型驗(yàn)證

        通過(guò)收集到的文獻(xiàn)中的水嘴嘴損實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的數(shù)值計(jì)算方案和方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,選取2個(gè)相同的水嘴孔徑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,同文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,見圖2。

        圖2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

        由圖2 可以看出,數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,表明文中所采用的水嘴流場(chǎng)模擬的數(shù)學(xué)模型是有效的,采用的網(wǎng)格和湍流模型是合適的。

        1.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        流量為0~50 m3/d 時(shí),通過(guò)對(duì)?2~7 mm 不同孔徑水嘴下堵塞器流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析,整理出流量與壓力損失關(guān)系曲線,見圖3。可看出堵塞器造成的總壓力損失與流量之間呈二次線性關(guān)系。通過(guò)計(jì)算典型水嘴直徑和工況的流場(chǎng)參數(shù)分布,見圖4,基本掌握了堵塞器整個(gè)流道各部分的流動(dòng)特性和損失特性。

        圖3 流量與壓力損失曲線

        圖4 Y=0 時(shí)的截面速度矢量圖、壓力分布圖和流場(chǎng)流線圖(D=2.4 mm,Q=30 m3/d)

        2 新型水嘴的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬

        2.1 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        新型水嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求需要滿足以下要求:(1)能夠放入堵塞器,即最大外型尺寸?12 mm×45 mm;(2)水嘴過(guò)流通道最小直徑≥4 mm;(3)注水流量0~50 m3/d,壓差0~1 MPa;(4)滿足陶瓷水嘴加工工藝。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,最終確定的新型小流量水嘴結(jié)構(gòu),見圖5,水嘴由嘴芯和外壁兩部分組成。該水嘴與常規(guī)水嘴相比,在相同的流道當(dāng)量直徑下嘴損遠(yuǎn)大于常規(guī)水嘴,相同的節(jié)流效果時(shí)新型水嘴的過(guò)流通道遠(yuǎn)大于常規(guī)水嘴,不易堵塞,可用于非均質(zhì)油藏下小水量分層注水量調(diào)配。

        圖5 圓孔繞流水嘴

        2.2 數(shù)值模擬

        2.2.1 嘴體壁厚對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 改變嘴體的壁厚分別為0.5 mm 和1.5 mm,嘴芯外徑也相應(yīng)改變,其他保持不變。通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線,見圖6。

        圖6 嘴體壁厚對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響

        圖6中可以看出,嘴體壁厚0.5 mm 與1.5 mm 2種水嘴的數(shù)值模擬結(jié)果相差甚微,此2 種水嘴在流量為10 m3/d 時(shí)的壓差分別為1.195 3 MPa 和1.188 9 MPa,該水嘴的節(jié)流效果在數(shù)值模擬結(jié)果上與原?2.0 mm 孔徑水嘴的節(jié)流效果相同,從理論講是滿足要求的。

        2.2.2 嘴芯徑向通孔間距對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 水嘴的基本結(jié)構(gòu)參數(shù):壁厚1.5 mm,徑向孔間距分別為0.8 mm 與1 mm,軸向流道截面為近圓形滿足項(xiàng)目要求,徑向圓孔直徑為4 mm,進(jìn)出口為圓孔且無(wú)偏心。通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線,見圖7。

        圖7 嘴芯徑向通孔間距對(duì)節(jié)流效果的影響

        從圖7 中可知,水嘴的節(jié)流效果對(duì)嘴芯徑向通孔的間距很敏感,較小的間距變化可以產(chǎn)生較大的水嘴壓力損失。0.8 mm 間距水嘴的嘴損略高于1 mm 間距水嘴,并且,此種設(shè)計(jì)在理論上的節(jié)流效果都高于原?2.0 mm 孔徑水嘴。

        2.2.3 進(jìn)出口偏心水嘴安裝角度對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 根據(jù)文獻(xiàn)[9]的分析可知,彎道曲率過(guò)大水嘴內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈流動(dòng)分離和漩渦脫落,由其產(chǎn)生的損失超過(guò)了二次流和沿程損失,是小水量水嘴節(jié)流的主要因素,對(duì)流入角度分別為0°、60°、120°3 種狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬,見圖8。

        圖8 不同角度的3 種水嘴節(jié)流效果比較

        由圖8 可知,通過(guò)數(shù)值模擬得出的3 種水嘴的節(jié)流效果相差甚微,流量為15 m3/d 時(shí)3 種水嘴的壓力損失分別為2.735 MPa、2.802 MPa 和2.8 MPa,因此,在設(shè)計(jì)中可以不予考慮安裝角影響。

        2.2.4 嘴芯徑向通孔截面形狀對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 水嘴的基本結(jié)構(gòu)參數(shù):壁厚1.5 mm,徑向孔間距分別為1 mm,軸向流道截面為近圓形滿足項(xiàng)目要求,徑向通孔為橢圓形、矩形,通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線,見圖9。

        圖9 徑向通孔截面形狀對(duì)節(jié)流效果的影響

        由圖9 可知,2 種截面對(duì)水嘴節(jié)流效果影響較大,相同流量下橢圓形截面嘴損大于矩形截面,這是因?yàn)橥鹘孛娣e的改變,據(jù)此可以得出結(jié)論,保證當(dāng)量直徑相同時(shí),通流截面越是接近圓形節(jié)流效果越好。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比分析

        3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

        用銅試制了ED5.0 系列水嘴并進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),測(cè)試獲得新型水嘴壓差與流量的數(shù)據(jù)。為了方便比較對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合,繪制出嘴損特征曲線見圖10。

        圖10 ED5.0 系列水嘴嘴損特性曲線

        由特征曲線可以看出,計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的嘴損特性曲線的變化趨勢(shì)符合較好,并且各水嘴相互對(duì)應(yīng)。計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略高,但是計(jì)算k 值只比實(shí)驗(yàn)k值高出3%~8%。因此,ED5.0 系列水嘴的嘴損特性和流場(chǎng)狀態(tài)模擬較好。

        3.2 新型水嘴與常規(guī)水嘴的對(duì)比

        通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn),分別對(duì)常規(guī)水嘴和系列化新型水嘴進(jìn)行了測(cè)試,獲取水嘴嘴損壓差和流量的數(shù)據(jù)。依據(jù)配水嘴嘴損曲線圖版制作方法[3],通過(guò)擬合繪制出嘴損曲線,見圖11。

        圖11 新型水嘴與常規(guī)水嘴嘴損曲線對(duì)比

        分析可知,新型配水嘴損曲線平均分布在常規(guī)水嘴曲線之間,且新型配水嘴ED4.0-7K(流道直徑為4.0 mm,7 個(gè)孔)的嘴損特性與常規(guī)水嘴2.0 mm孔徑基本一致。在相同節(jié)流效果時(shí),新型水嘴的孔徑值遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)水嘴。

        4 結(jié)論

        (1)通過(guò)分析分注中堵塞器的作用及目前分注調(diào)配面臨的問題,設(shè)計(jì)并加工了一種新型小流量水嘴并進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究。

        (2)應(yīng)用Fluent 軟件對(duì)ED5.0 系列配水嘴的嘴損特性和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了正確的數(shù)值模擬,所采用的數(shù)值模擬方法可行有效,采用的網(wǎng)格和湍流模型合適。

        (3)新型水嘴將流道當(dāng)量直徑增加到4.0 mm,其最大節(jié)流效果超過(guò)傳統(tǒng)2.0 mm 孔徑水嘴,流道截面積增加4 倍,降低了水嘴堵塞的幾率,大大提高了分注調(diào)配合格率。

        (4)該研究方法對(duì)其他水嘴設(shè)計(jì)同樣適用,數(shù)值模擬可以節(jié)省大量的時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。

        [1] 張玉榮,閆建文,楊海英,等.國(guó)內(nèi)分層注水技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆采工藝,2011,33(2):102-107.

        [2] 巨亞峰, 陳軍斌,李明,等. 橋式偏心精細(xì)分注工藝及測(cè)調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2010,36 (11): 118-200.

        [3] 蔣國(guó)棟,李宏魁,王顯章,等. 非均質(zhì)油藏分層配注水嘴優(yōu)選方法研究[J].石油機(jī)械,2012,40(1): 9-12.

        [4] 左獻(xiàn)軍,郭新宇,吳載全,等.注入水質(zhì)對(duì)油田注水的影響[J].油氣田地面工程,2006,25(5):21.

        [5] 張立民,張新賞,李建強(qiáng),等.冀東油田分層注水工藝技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2002,24(1):66-70.

        [6] 侯守探.常規(guī)偏心分層注水改進(jìn)技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2007,29(2):112-113.

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        [10] SY/T 5906—2003,配水嘴嘴損曲線圖版制作方法[S].

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