多水嘴配注技術嘴損試驗研究

鄭 舉，劉長龍，徐興安，張鳳輝，楊萬有

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司蓬勃作業公司生產作業部，北京100027；2.中海油能源發展工程技術公司鉆采工程研究所，天津300452）①

多水嘴配注技術嘴損試驗研究

鄭 舉1，劉長龍1，徐興安2，張鳳輝2，楊萬有2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司蓬勃作業公司生產作業部，北京100027；2.中海油能源發展工程技術公司鉆采工程研究所，天津300452）①

空心集成配注技術采用多個水嘴來控制注水井各層段注入量，得到水嘴壓力損失與流量的關系，有助于指導作業現場的水嘴選擇。通過理論分析可知，空心集成配水器水嘴結構滿足薄壁圓形小孔出流條件。設計了水嘴嘴損試驗，得到不同水嘴個數和不同直徑水嘴的流量系數，驗證了理論分析的正確性，并得到可應用于現場的水嘴壓力損失與流量的關系式。

空心集成配注；多水嘴；嘴損；流量

海上油田注水井單井注入量大，一般單井注入量為450～1 000 m3／d，單層最大注入量能達到600 m3／d，且井斜較大（30°～60°），而陸地油田單井注入量最大僅為300～400 m3／d［1］。由于層間矛盾和吸水差異性日益突出，海上油田有更精細的注水開發需求［2-3］。為有效實施對高、中、低滲透層分層配注的控制，開發了多水嘴空心集成分層配注技術，采用不同個數及規格水嘴來實現各層段注入量的控制?？招募膳渌鹘Y構包括工作筒、空心堵塞器及測試工具，在空心堵塞器上設置有水嘴，水嘴數量為1～6個，可以根據現場注水情況進行調節。對于同一層采用多水嘴控制／調配層段大配注量技術在國內較少開展，鑒于此狀況，通過試驗尋求多水嘴的流量與壓差關系具有重要意義。同時根據實際水嘴嘴損試驗所測數據，得到相應的流量與嘴損理論公式。嘴損理論公式可用于制訂嘴損圖版，指導作業現場水嘴的選擇和注水井單層調配工作。

1 多水嘴配注技術水嘴結構理論分析

多水嘴空心集成分層配注技術采用同一配注層段，最多可徑向安裝6個水嘴進行水量的調配。所設計水嘴尺寸為長度5 mm、外徑?12 mm、孔徑為?3.0～7.0 mm、按0.2 mm遞增的一系列水嘴。

注水作業時，安有水嘴的配注工具下入深度約為1 000 m，且注水壓力均大于1 MPa，注水壓力較為穩定，水嘴孔徑與下入深度的比值遠大于1／10。結合水嘴結構特點，配注水嘴的出流條件滿足定水頭下薄壁圓形小孔口的出流條件，可套用定水頭下薄壁圓形小孔口出流的理論公式，即

式中：Q為流量，m3／s；μ為流量系數（實際流量與理想流量之比）；A為水嘴面積，m2；g為重力加速度，m／s2；H水嘴前、后水頭差，m。

對于同一層段采用多個水嘴，參照并聯管路的理論，可以得知：同一層段各個水嘴的流量之和等于單層的注入量；同一層段各個水嘴內流過單位質量的流體時，阻力損失相等。這是因為在穩定流條件下，多水嘴前后的水頭必然維持穩定，因而能夠自動調節各個水嘴的能量，使各個水嘴的損失都相等。

由于水嘴結構相同，因此可以作出如下2點假設：

1） 對于同種結構，直徑不同的單個水嘴有相同流量系數。

2） 對于同種結構，多個水嘴與1個水嘴有相同流量系數。

單個水嘴情況下，基于假設1）可以推知，不同直徑的水嘴均滿足式（1）。在多個水嘴的情況下，基于假設1）和假設2）可得

即多水嘴情況下的水嘴壓力損失和流量的關系也滿足式（1），此時的水嘴面積A為各水嘴過流面積之和。

針對上述假設，并結合注水調配所需嘴損模版，通過不同個數的水嘴在5個不同注入壓力情況下流量-壓力關系的模擬試驗，取得相關數據并進行數據分析，以驗證上述假設成立與否。如果假設與試驗結果相符，可利用求出的水嘴流量系數對實際配水進行水嘴大小的選擇，以便調配注水量。

2 水嘴嘴損試驗

2.1 試驗條件及特點

1） 動力源 Halliburton五柱塞泥漿泵，排量120～2 200 m3／d，壓力0～69 MPa。

2） 水嘴試驗裝置 可以同時安裝不同直徑、不同個數的水嘴進行試驗。

3） 壓力傳感器 壓力等級35 MPa，用以記錄水嘴前后壓差。

4） 直讀式電磁渦街流量計 量程0～90 m3／h，用以記錄通過水嘴的瞬時流量。

5） 陶瓷水嘴 長度5 mm、外徑?12 mm、孔徑為?3.0～7.0 mm、按0.2 mm遞增的一系列水嘴，21種直徑。試驗時分別錄取安裝不同個數（1～6個）、相同規格尺寸的水嘴在5種不同注入壓力的流量-壓力關系。

6） 試驗流程 如圖1所示，泵從儲水罐吸水加壓，經過水嘴試驗裝置直接排回到儲水罐（相當于放空）。流程上的壓力表和流量計分別記錄水嘴裝置前后壓力和通過水嘴的流量。

圖1 多水嘴嘴損試驗流程

2.2 試驗過程

連好試驗流程，開始多水嘴嘴損試驗。分別將不同個數和規格的水嘴安裝在裝置中，啟動柱塞泵，調節泵排量，當排量、壓力穩定后（穩壓3 min），記錄流量、嘴前壓力、嘴后壓力數據。根據實際情況（泵最大排量和水嘴直徑），共錄取5組不同壓力和流量值，得出嘴損曲線。

按上述方法本試驗共需完成630組數據的采集。實際操作過程中，通過對數據處理分析后，對不理想的數據進行補做，實際完成700多組數據的采集。

2.3 原始數據分析

首先需要通過試驗數據來驗證，對于多水嘴空心集成配水器來說，其嘴損規律是否滿足薄壁圓形小孔出流條件。因此，需要對試驗獲取的各種不同直徑不同水嘴個數的數據進行分析，如表1。

由于試驗所錄取數據太多，在此不一一列舉，僅以孔徑為?5.0 mm水嘴采集的相關數據和所做流量-壓力曲線為例。

表1 ?5.0 mm水嘴測試數據

2.4 試驗數據處理

根據水嘴結構理論分析及對原始數據的分析，單個水嘴與多個水嘴均滿足薄壁圓形小孔出流條件，并滿足式（1）。只是多個水嘴的流量系數與1個水嘴的流量系數是否相同，有待證實。因此，根據采集的數據，做出每組水嘴的Q與關系曲線，然后通過多點擬合做出過原點的趨勢線，求出趨勢線斜率k。根據前述Q與的理論公式有以下關系式成立：k＝，由此可以得到不同孔徑不同個數水嘴的流量系數μ，如表2。

圖2 ?5 mm水嘴Q與 2g H關系曲線

表2 不同直徑及不同水嘴個數流量系數

為證實結果的可信度，對誤差作統計分析。由統計結果可以看出：80.2%與平均值的誤差都在5%以內，11.9%的誤差在5%～10%，只有7.9%的誤差在10%以上，由此可見結果是可信的。而且誤差較大數據通常出現在直徑較小的水嘴上，與實際試驗條件（泵啟動排量大，壓力高，造成數據采集較為困難）也是相符的，因此整個試驗是成功的，結果是可應用到現場的。

由表2可以看出：在1個水嘴的情況下，不同直徑水嘴的流量系數基本相同，該結果驗證了假設一的正確性；在直徑相同的情況下，不同水嘴個數的流量系數也基本相同，該結果驗證了假設2）的正確性。

由此結果可以得到該次試驗所用空心集成多水嘴配水器出流理論公式，即

式中：A為水嘴過流總面積，m。

將國際單位換算為現場常用單位，可以得到適用于現場的水嘴嘴損公式為式中：Δp為水嘴壓力損失，MPa；Q為水嘴流量，m3／d；A為水嘴過流面積，mm2。

該公式適用于空心集成目前已有的水嘴，流體為水。通過嘴損公式可以計算注水現場配注量下的水嘴壓力損失，也可采用該公式制作水嘴嘴損圖版，用于指導現場注水工作和水嘴的選用。

3 結論

1） 研究了多水嘴配注技術的試驗方案，探索了多個水嘴以及不同直徑的嘴損規律。

2） 經過數據分析，證實了此種配水器水嘴結構的流體特性符合薄壁圓形小孔出流規律。且驗證了對于同種結構、直徑不同的單個水嘴有相同流量系數；對于同種結構，多個水嘴與1個水嘴有相同流量系數。

3） 由經過驗證的假設1）和假設2）可知，對于2個或多個不同直徑的水嘴組合，也服從同樣的嘴損規律，在同樣嘴損情況下，流過不同直徑組合水嘴的總流量與其面積之和成正比。

4） 對于同樣的結構，用增加孔徑和增加水嘴個數來增加過流面積，符合同樣的規律。多水嘴為配注提供了更多的面積序列，這樣為流量控制帶來了更多的方便和可行性。

［1］ 羅昌華，程心平，劉敏，等.海上油田同心邊測邊調分層注水管柱研究及應用［J］.中國海上油氣，2013，25（4）：46-48.

［2］ 宋祖廠，劉揚，蓋旭波，等.橋式同心分注技術及其在深斜井中的應用［J］.石油礦場機械，2013，42（7）：62-65.

［3］ 劉艷霞，姜廣彬，郭林園.空心可調配水器優化研究與應用［J］.石油礦場機械，2012，41（7）：74-77.

［4］ 申曉莉，于九政，王子健.新型小流量水嘴的設計與數值模擬［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：83-86.

［5］ 張建，范鳳英.分注井水嘴直徑選擇的研究與應用［J］.石油礦場機械，2004，33（增刊）：60-63.

［6］ SY／T5906—2012，配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［S］.

Experimental Study on the Throttle Pressure Loss of Multi-throttle Injection Allocation Technology

ZHENG Ju1，LIU Chang-long1，XU Xing-an2，ZHANG Feng-hui2，YANG Wan-you2
（1.Pengbo Operating Company Production Operation Department，CNOOC（China）Limited-Tianjin，Beijing 100027，China；2.Oilfield Engineering Institute，CNOOC Energy Technology&Services Limited，Tianjin 300452，China）

Hollow and integrated injection allocation technology controls the injection rate of different layers by multiple throttles，the relation between multi-throttle pressure loss and flow rate can be used to choose throttle specify.With theoretical analysis，the throttle structure of hollow and integrated water injector meet the condition of thin round wall-orifice flow.By experimental investigation，discharge coefficients of throttle with different quantity and different diameter were obtained，the theoretical analysis was proved to be correct，relation between multi-throttle pressure loss and flow rate for field application was derived.

hollow and integrated injection allocation technology；multi-throttle；throttle pressure loss；flow rate

TE934.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.010

1001-3482（2014）07-0037-05

2014-01-13

中海石油（中國）有限公司重大項目（CNOOC-KJ 125 ZDXM 06 LTD）

鄭 舉（1979-），男，河南濟源人，工程師，碩士，主要從事海上油田采油工藝技術研究與應用工作，E-mail：zhengju＠cnooc.com.cn。