低滲透油藏小水量防堵塞水嘴設計與試驗

于九政，申曉莉，劉保徹，羅必林

（長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018） ①

低滲透油藏小水量防堵塞水嘴設計與試驗

于九政，申曉莉，劉保徹，羅必林

（長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018）①

針對低滲透多層油藏分層注水時水嘴易堵塞問題，研制了小水量防堵塞水嘴。利用FLUENT軟件對水嘴的節(jié)流原理進行了數(shù)值模擬分析，并對水嘴的節(jié)流效果進行試驗研究。數(shù)值模擬分析和試驗結(jié)果表明，小水量防堵塞水嘴通過繞流增加流道長度以增加沿程損失，改變水嘴內(nèi)流體的流動方向和擴大流道截面積來增加水嘴的局部壓力損失，在不降低水嘴節(jié)流效果的前提下，既滿足小水量注水的要求，又大幅度擴大了水嘴通流面積，有效防止了水嘴堵塞。

低滲透油藏；注水；水嘴；堵塞；試驗

油田為了擴大注入水波及體積，獲得較好的開發(fā)效果，需要對注水井進行流量測試和調(diào)配［1］。原有技術(shù)中，通常采用在堵塞器中投入常規(guī)水嘴對注水量進行節(jié)流控制。但是，對于非均質(zhì)性較為嚴重的低滲透油藏，尤其是縱向上發(fā)育多個油層，需要采用分層注水方式進行開采的油藏［2］，要求單層注水量小（通常為5～25m3／d），普遍選配直徑較小的水嘴。直徑較小的水嘴受到水質(zhì)等因素的影響［3］，存在水嘴容易被雜質(zhì)堵塞、注不進水的問題，不能實現(xiàn)有效注水，更不能滿足精細化注水要求。本文在不降低水嘴節(jié)流效果前提下，對水嘴結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性設計，研制了小水量防堵塞水嘴，擴大了水嘴通流面積，不僅滿足了小水量注水的要求，而且有效解決了常規(guī)水嘴易堵塞問題。

1 結(jié)構(gòu)

在不改變現(xiàn)有配水堵塞器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的前提下，以增大水嘴的通流面積、與常規(guī)水嘴節(jié)流能力相當、滿足小水量注水要求為理念，設計水嘴結(jié)構(gòu)，使水嘴具有較強的防堵塞能力。

小水量防堵塞水嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。該水嘴由芯體和通孔圓柱外殼組成。通孔圓柱外殼的一端和芯體一端分別為外徑較大的圓環(huán)面，芯體圓環(huán)面卡在通孔圓柱外殼圓環(huán)面以外，2個圓環(huán)面緊密連接。芯體其余部分置身于通孔圓柱外殼內(nèi)，并與通孔圓柱外殼內(nèi)壁面相吻合。芯體上至少有2個等內(nèi)徑平行徑向通孔，相鄰2個徑向通孔由1個軸向截面孔依次交錯連通，形成1條圓孔繞流通道。

圖1 小水量防堵塞水嘴結(jié)構(gòu)

2 節(jié)流原理及分析

1） 小水量防堵塞水嘴主要通過繞流增加流道長度以增加沿程損失，改變水嘴內(nèi)流體的流動方向和擴大流道截面積來增加水嘴的局部壓力損失。以ED4－8K型（水嘴孔徑為4mm，8個徑向通孔）為例，應用FLUENT軟件對水嘴的節(jié)流原理進行了數(shù)值模擬分析。圖2中水嘴內(nèi)壓力逐級均勻遞減，180°轉(zhuǎn)向的位置壓力梯度變化最大，因此流體流向的改變是產(chǎn)生壓力損失的主要原因。

圖2 小水量防堵塞水嘴內(nèi)部流場壓力分布

2） 在水嘴流道的拐角處形成了1個大的漩渦（如圖3所示），漩渦與流道內(nèi)側(cè)徑向通孔之間的壁面一起對流體形成了堵塞效應。通常認為彎管的損失為二次流所致，但是根據(jù)文獻［4］的分析，結(jié)合小水量防堵塞水嘴結(jié)構(gòu)可知，由于彎道曲率過大，使水嘴內(nèi)產(chǎn)生強烈流動分離和漩渦脫落，由其產(chǎn)生的損失超過了二次流和沿程損失，是小水量防堵塞水嘴節(jié)流的主要因素。

圖3 小水量防堵塞水嘴內(nèi)部流場流線

3 試驗

3.1 試驗裝置結(jié)構(gòu)

為了便于更換水嘴和操作，同時又能反應出與實際配水器具有基本相同的流動和損失特性，加工了便于試驗的堵塞器。采用銅質(zhì)材料試制了當量直徑為4.0mm的不同徑向通孔數(shù)的若干個小水量防堵塞水嘴，裝入堵塞器內(nèi)進行試驗。試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 小水量防堵塞水嘴節(jié)流試驗裝置

3.2 試驗結(jié)果分析

為了對比分析小水量防堵塞水嘴的節(jié)流效果，對2.0～3.0mm孔徑常規(guī)水嘴也進行了試驗。根據(jù)水嘴嘴損曲線的制作標準［5］，繪制以壓差平方根為縱坐標，以流量為橫坐標的各個水嘴的嘴損曲線，如圖5。

圖5 小水量防堵塞水嘴的嘴損曲線

根據(jù)圖5可以看出，ED4－6K型水嘴的嘴損特性與常規(guī)2.0mm孔徑水嘴基本一致，ED4－8K型水嘴的節(jié)流效果遠大于常規(guī)2.0mm孔徑水嘴。與常規(guī)水嘴嘴損特性相比，相同節(jié)流效果時，小水量防堵塞水嘴的通流面積遠大于常規(guī)水嘴。通過改變水嘴孔徑大小與徑向通孔個數(shù)調(diào)節(jié)水嘴的嘴損特性，這也是該水嘴能夠?qū)崿F(xiàn)系列化、滿足不同配水要求的主要方式。水嘴的嘴損曲線分布比較均勻，便于水嘴的選擇和使用。因此小水量防堵塞水嘴完全能夠滿足不同油層注水流量調(diào)節(jié)的需求。小水量防堵塞水嘴與常規(guī)水嘴對應關(guān)系如表1所示。

表1 小水量防堵塞水嘴與常規(guī)水嘴對應關(guān)系

4 結(jié)語

設計的小水量防堵塞水嘴結(jié)構(gòu)擴大了注入水通流面積，通過改變孔徑大小和徑向通孔數(shù)以增加沿程損失、改變水嘴內(nèi)流體的流動方向和流動形態(tài)，達到與常規(guī)水嘴相當?shù)墓?jié)流效果，不僅滿足了小水量注水的要求，還極大降低了水嘴堵塞的幾率，為低滲透多層油藏精細化注水提供了技術(shù)支持。

［1］ 牛為民，徐 劭，呂明軍.測調(diào)集成式細分注水井分層流量測試技術(shù)［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2000，19（3）：38－39.

［2］ 李 明，王治國，朱 蕾，等.橋式偏心分層注水技術(shù)現(xiàn)場試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：66－70.

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

［4］ 梁開洪，曹樹良，陳 炎，等.入流角對圓截面90°彎管內(nèi)高雷諾數(shù)流動的影響［J］.清華大學學報，2009，49（12）：1 971－1 975.

［5］ SY／T5906—1994，配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［S］.

Design and Experiment of Low Flow Anti－Clogging Water Nozzle in Low Permeability Reservoir

YU Jiu－zheng，SHEN Xiao－li，LIU Bao－che，LUO Bi－lin
（Oil ＆Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi’an710018，China）

Aiming at the problem of water nozzle clogging during separate layer water injection in the low permeability multilayer reservoir，through creatively designing the structure of water nozzle，the low flow anti－clogging water nozzle was developed.The FLUENT software was used in numerical simulation analysis throttling principle，and the water nozzle throttling effect was studied.Numerical simulation and experimental results showed that the low flow anti－clogging water nozzle increased the frictional loss through increasing flow length，changed the flow direction of fluid medium and expanded open area to increase local pressureloss.Thewaternozzledidnot decrease throttling effect，not only requiring low flow，but also greatly expanding the open area，thus prevents the water nozzle from clogging by water quality and other factors.

low permeability reservoir；water flooding；water nozzle；clogging；testing

1001－3482（2011）11－0023－03

TE934.1

A

2011－05－11

于九政（1981－），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，2009年畢業(yè)于西安石油大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，主要從事油田注水和采油工藝技術(shù)研究，E－mail：yjz1121＠126.com。