劉義剛 孟祥海 陳征 張樂 藍(lán)飛 張志熊

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室

分層注水工藝從最初同心注水、偏心注水、集成式注水發(fā)展到現(xiàn)在的智能化注水［1］，注水井的分層測調(diào)技術(shù)也經(jīng)歷了固定式水嘴測調(diào)、鋼絲投撈分層測調(diào)、預(yù)置電纜分層測調(diào)和一體化無纜智能測調(diào)等技術(shù)階段。無纜智能配水器水嘴一般采用平面水嘴技術(shù)而并非傳統(tǒng)軸向結(jié)構(gòu)，行業(yè)內(nèi)還沒形成該類水嘴開度選擇的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對于水嘴大小的選擇，韓洪升等［2］通過室內(nèi)實驗得到了不同內(nèi)徑水嘴壓力損失與流量數(shù)據(jù)，并繪制了水嘴壓力損失曲線圖版；周理志等［3］運用理論計算方法并結(jié)合水嘴壓力損失曲線對水嘴大小進(jìn)行選擇。王金龍［4］、王衛(wèi)陽［5］、趙鵬睿等［6］應(yīng)用FLUENT軟件對傳統(tǒng)水嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬，用于現(xiàn)場指導(dǎo)水嘴選配；申曉莉等［7］對新型小流量水嘴進(jìn)行了設(shè)計和數(shù)值模擬，實現(xiàn)層間大壓差分層注水；羅必林等［8］應(yīng)用有限元方法獲得了“U”型可調(diào)水嘴流量系數(shù)與水嘴開度的關(guān)系。海上大排量情況下無纜智能可調(diào)水嘴開度的選擇問題還未見統(tǒng)一的指導(dǎo)方案。

基于FLUENT軟件對無纜智能配水器水嘴15級開度及不同流量情況下(0～500 m3/d)所產(chǎn)生的水嘴壓力損失大小進(jìn)行了模擬，將模擬數(shù)據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)場11層次的分層調(diào)配作業(yè)。經(jīng)驗證，各層調(diào)配一次完成，配注合格率達(dá)到90%以上。

1 無纜智能配水工藝

無纜智能配水工藝由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、井下控制系統(tǒng)(井下智能配水器) 3部分構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是以Internet遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)為主體的計算機操作平臺。地面控制系統(tǒng)由智能控制電路、通訊系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)、電子流量計、電子壓力計、電動調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，其主要功能是井口流量、壓力數(shù)據(jù)采集與傳送，井口控制指令接收與執(zhí)行，井下流量、壓力數(shù)據(jù)的接收與傳送，井下配水器控制指令轉(zhuǎn)碼發(fā)送，電動閥開度狀態(tài)的控制。

井下智能配水器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理有別于預(yù)置電纜測調(diào)技術(shù)，它通過地面調(diào)制解調(diào)器按照用戶遠(yuǎn)程指令自動調(diào)節(jié)井口壓力變化，進(jìn)而形成特定水嘴開度所對應(yīng)的壓力波碼。壓力波碼被無纜智能配水器中的壓力傳感器識別后，電動機驅(qū)動水嘴開始工作。該技術(shù)徹底解決了預(yù)置電纜測調(diào)技術(shù)因密封失效所帶來的問題。

圖1 井下智能配水器Fig.1 Downhole intelligent water regulator

2 水嘴壓力損失數(shù)值模擬

2.1 水嘴幾何模型建立

智能可調(diào)水嘴采用平面扇形水嘴技術(shù)，主要由上部孔板(由電機驅(qū)動軸向轉(zhuǎn)動)和下部孔板組成，流體從上孔板側(cè)面入口流入，經(jīng)上下孔板扇形孔眼流出，幾何模型如圖2(a)所示。智能可調(diào)水嘴的扇形截面內(nèi)徑8 mm，外徑26 mm，分1～14、全開共15個開度，此設(shè)計既能滿足海上大排量配注的要求，又能解決層間差異大而造成的配注問題。智能可調(diào)水嘴的三維幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件、創(chuàng)建流體邊界，生成計算流體域模型如圖2(b)所示，其計算流體域用以表征智能可調(diào)水嘴的內(nèi)部過流通道。

圖2 水嘴模型Fig.2 Nozzle model

2.2 流場模擬

將計算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入FLUENT，選取water liquid作為流體材料，模型選擇標(biāo)準(zhǔn)kepsilon湍流模型，邊界條件設(shè)置：入口邊界設(shè)為速度入口，具體數(shù)值根據(jù)過流量和過流截面積而定，湍流強度5%，出口邊界設(shè)定為壓力出口。如圖3、圖4所示為排量120 m3/d、過流面積48 mm2情況下所得到的靜壓力云圖和速度矢量圖。從圖中可以看出，壓力損失主要集中在最小過流截面處，壓力損失主要用于克服局部阻力損失和流體速度增加；另外，在水嘴出口處因流道變大靜壓有小幅回升，此時的流體局部阻力損失小于速度減小所帶來的壓力增大。

圖3 壓力云圖Fig.3 Pressure contour

圖4 速度矢量圖Fig.4 Velocity vector

2.3 水嘴壓力損失曲線

經(jīng)過對15級水嘴開度在不同流量下所對應(yīng)的壓力損失進(jìn)行模擬，得到137組不同流量和水嘴開度下所對應(yīng)的壓力損失值，將其求算數(shù)平方根后與對應(yīng)排量進(jìn)行曲線擬合，得到壓力損失曲線圖版如圖5所示。從圖中可以看出，同一水嘴開度下，壓力損失平方根與流量之間具有很好的線性關(guān)系；在同一流量變化下，水嘴開度越小，水嘴壓力損失變化越大。上述規(guī)律符合流體力學(xué)局部水力損失公式，可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場分層調(diào)配作業(yè)，其表達(dá)式為

式中，ΔP為水嘴壓力損失，MPa；ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；d為水嘴當(dāng)量直徑，m；Q為流量，m3/d。

圖5 水嘴不同開度壓力損失曲線圖版Fig.5 Chart of pressure loss curve at different nozzle openings

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將模擬后所得到的壓力損失曲線應(yīng)用于渤海油田3口注水井的分層測調(diào)，3口井中最大井斜角78°，最大井深2 468.72 m，單井分注層段最多為5層，單層最大配注達(dá)到192 m3/d。從現(xiàn)場調(diào)配結(jié)果來看，3口井共11個注水層段的水嘴開度選配作業(yè)均能夠一次性完成，應(yīng)用該水嘴壓力損失曲線進(jìn)行單層測調(diào)時間是傳統(tǒng)鋼絲投撈測調(diào)時間的1/20，是經(jīng)驗法調(diào)配時間的1/2～1/3。表1為各層主要參數(shù)和最終調(diào)配結(jié)果，各層的配注合格率達(dá)到90%以上，完全可以滿足海上大排量注水井分層調(diào)配合格率的要求。

4 結(jié)論與建議

(1)無纜智能配水器通過壓力波碼的形式進(jìn)行注水井的分層測調(diào)，解決了傳統(tǒng)鋼絲投撈測調(diào)工作量大、成本高的難題，也解決了預(yù)置電纜測調(diào)因密封失效所帶來的局限性，適用于海上分注井，且15級水嘴開度設(shè)計完全滿足大排量注水的要求。

(2)試驗井水嘴開度選配作業(yè)一次性完成，單層測調(diào)時間是傳統(tǒng)鋼絲投撈測調(diào)的1/20，是經(jīng)驗法適配測調(diào)的1/2～1/3，配注合格率達(dá)到90%以上。模擬水嘴壓力損失與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)基本吻合，對無纜智能配水器嘴損模擬所得到水嘴壓力損失曲線圖版可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場分層調(diào)配作業(yè)。

(3)建議后期繼續(xù)進(jìn)行礦場試驗，為海上大排量分注井高效測調(diào)提供更多數(shù)據(jù)支持。

表1 各配注層主要參數(shù)和調(diào)配結(jié)果Table 1 Main parameters and injection allocation results of different injection allocation layers