新型小流量水嘴的設計與數值模擬

申曉莉 于九政 王子建

（1.長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國家工程實驗室，陜西西安 710021）

隨著油田開發時間的延長和科技的發展，對油田開發技術水平的要求越來越高，注水開發是油田開發的主要手段，為了擴大注入水波及體積，獲得較好的開發效果，需要對注水井進行流量測試和調 配［1］。長慶油田縱向上發育多個油層，需要采用分層注水方式進行開采［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、層間壓差影響［4］，存在小水嘴易堵塞、難以合理調配等問題。為了解決這些問題，基于常規偏心分注工藝中使用的堵塞器水 嘴的參數和節流原理［5-6］，設計出一種過流通道直徑比較大的新型小流量水嘴，并通過數值模擬［7］和水嘴嘴損［8］的計算分析其性能可靠性，提高精細分注的調配合格率。

1 常規水嘴的特性分析

1.1 計算域和網格

水嘴式堵塞器（KHD、KPX 系列）是通過更換不同孔徑的水嘴以滿足注水量要求的方法來實現分層注水。根據堵塞器通流部分圖紙繪制三維實體結構和網格圖，見圖1。

圖1 堵塞器流道結構和網格圖

1.2 模型驗證

通過收集到的文獻中的水嘴嘴損實驗結果對所建立的數值計算方案和方法進行了實驗驗證，選取2個相同的水嘴孔徑進行數值計算，同文獻中實驗結果相對比，見圖2。

圖2 計算結果與實驗結果對比

由圖2 可以看出，數值計算結果和實驗結果符合較好，表明文中所采用的水嘴流場模擬的數學模型是有效的，采用的網格和湍流模型是合適的。

1.3 數值模擬結果與分析

流量為0～50 m3/d 時，通過對?2～7 mm 不同孔徑水嘴下堵塞器流場的數值模擬與分析，整理出流量與壓力損失關系曲線，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系。通過計算典型水嘴直徑和工況的流場參數分布，見圖4，基本掌握了堵塞器整個流道各部分的流動特性和損失特性。

圖3 流量與壓力損失曲線

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

2 新型水嘴的設計和數值模擬

2.1 新結構設計

新型水嘴結構設計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。經過數值模擬計算，最終確定的新型小流量水嘴結構，見圖5，水嘴由嘴芯和外壁兩部分組成。該水嘴與常規水嘴相比，在相同的流道當量直徑下嘴損遠大于常規水嘴，相同的節流效果時新型水嘴的過流通道遠大于常規水嘴，不易堵塞，可用于非均質油藏下小水量分層注水量調配。

圖5 圓孔繞流水嘴

2.2 數值模擬

2.2.1 嘴體壁厚對水嘴節流效果的影響 改變嘴體的壁厚分別為0.5 mm 和1.5 mm，嘴芯外徑也相應改變，其他保持不變。通過數值模擬得出水嘴的嘴損曲線，見圖6。

圖6 嘴體壁厚對水嘴節流效果的影響

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

2.2.2 嘴芯徑向通孔間距對水嘴節流效果的影響 水嘴的基本結構參數：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目要求，徑向圓孔直徑為4 mm，進出口為圓孔且無偏心。通過數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節流效果的影響

從圖7 中可知，水嘴的節流效果對嘴芯徑向通孔的間距很敏感，較小的間距變化可以產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，此種設計在理論上的節流效果都高于原?2.0 mm 孔徑水嘴。

2.2.3 進出口偏心水嘴安裝角度對水嘴節流效果的影響 根據文獻［9］的分析可知，彎道曲率過大水嘴內產生強烈流動分離和漩渦脫落，由其產生的損失超過了二次流和沿程損失，是小水量水嘴節流的主要因素，對流入角度分別為0°、60°、120°3 種狀態進行了數值模擬，見圖8。

圖8 不同角度的3 種水嘴節流效果比較

由圖8 可知，通過數值模擬得出的3 種水嘴的節流效果相差甚微，流量為15 m3/d 時3 種水嘴的壓力損失分別為2.735 MPa、2.802 MPa 和2.8 MPa，因此，在設計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水嘴節流效果的影響 水嘴的基本結構參數：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目要求，徑向通孔為橢圓形、矩形，通過數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節流效果的影響

由圖9 可知，2 種截面對水嘴節流效果影響較大，相同流量下橢圓形截面嘴損大于矩形截面，這是因為通流截面積的改變，據此可以得出結論，保證當量直徑相同時，通流截面越是接近圓形節流效果越好。

3 實驗驗證與對比分析

3.1 數值模擬結果

用銅試制了ED5.0 系列水嘴并進行了室內模擬實驗，測試獲得新型水嘴壓差與流量的數據。為了方便比較對實驗數據進行了曲線擬合，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，計算和實驗的嘴損特性曲線的變化趨勢符合較好，并且各水嘴相互對應。計算結果比實驗結果略高，但是計算k 值只比實驗k值高出3%～8%。因此，ED5.0 系列水嘴的嘴損特性和流場狀態模擬較好。

3.2 新型水嘴與常規水嘴的對比

通過室內模擬試驗，分別對常規水嘴和系列化新型水嘴進行了測試，獲取水嘴嘴損壓差和流量的數據。依據配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［3］，通過擬合繪制出嘴損曲線，見圖11。

圖11 新型水嘴與常規水嘴嘴損曲線對比

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

4 結論

（1）通過分析分注中堵塞器的作用及目前分注調配面臨的問題，設計并加工了一種新型小流量水嘴并進行了室內模擬實驗研究。

（2）應用Fluent 軟件對ED5.0 系列配水嘴的嘴損特性和內部流場進行了正確的數值模擬，所采用的數值模擬方法可行有效，采用的網格和湍流模型合適。

（3）新型水嘴將流道當量直徑增加到4.0 mm，其最大節流效果超過傳統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，大大提高了分注調配合格率。

（4）該研究方法對其他水嘴設計同樣適用，數值模擬可以節省大量的時間和設計成本。

［1］ 張玉榮，閆建文，楊海英，等.國內分層注水技術新進展及發展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：102-107.

［2］ 巨亞峰， 陳軍斌，李明，等. 橋式偏心精細分注工藝及測調技術研究與應用［J］. 內蒙古石油化工， 2010，36 （11）： 118-200.

［3］ 蔣國棟，李宏魁，王顯章，等. 非均質油藏分層配注水嘴優選方法研究［J］.石油機械，2012，40（1）： 9-12.

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

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

［6］ 侯守探.常規偏心分層注水改進技術研究［J］.石油天然氣學報，2007，29（2）：112-113.

［7］ 任永良，常玉連，邢寶海，等， 油田注水管柱水力模型的建立與求解［J］. 系 統 仿 真 學 報， 2007，19（7）：1468-1470.

［8］ 呂鵬. 油田注水井分層注水中水嘴大小的研究與計算［J］. 湘潭師范學院學報：自然科學版， 2008，30（1）： 57-58.

［9］ 梁開洪，曹樹良，陳炎，等.入流角對圓截面90°彎管內高雷諾數流動的影響［J］. 清華大學學報：自然科學版， 2009，49 （12）：1971-1975.

［10］ SY/T 5906—2003，配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［S］.