恒流堵塞器的性能研究

徐 艷 毛春林 職俊杰 王佳祥 王尊策

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院）

油田注水開采可以保持地層壓力、提高采收率，是油田長期穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的重要手段［1］。油田分層注水中，保持合理恒定的注水量是提高采收率的重要保障。 堵塞器是進行井下流量控制的核心部件，恒流堵塞器與傳統(tǒng)堵塞器相比可以減少注水井的測試工作量和堵塞器投撈次數(shù)，因此具有很好的應(yīng)用前景［2］。 王尊策等研制的定量注水器主要由滑閥和彈簧構(gòu)成，利用機械式壓力反饋原理使閥芯在彈簧與液壓力的共同作用下上下滑動從而對流量進行調(diào)節(jié)， 可使注水誤差保持在10%以內(nèi)［3］；張健等利用類似的原理研制出了一種以異形腔為主體的免投恒流量偏心配水器堵塞器，通過滑閥在移動時改變節(jié)流孔的形狀來調(diào)節(jié)注水流量，實現(xiàn)流量恒定［4］；劉長運等利用鍵合圖結(jié)合實驗的方法對恒流堵塞器的流量特性進行了分析， 結(jié)果表明該恒流堵塞器在壓差0.5～10.0MPa時，其恒流效果良好［5，6］；周曉君結(jié)合流體動力學(xué)和液壓控制理論對偏心定量配水器的流量調(diào)節(jié)特性進行了研究，推導(dǎo)出了該結(jié)構(gòu)壓力反饋式錐閥系統(tǒng)的傳遞函數(shù)［7］；嚴金坤利用理論計算的方法對無壓力反饋式堵塞器的工作原理與靜態(tài)特性進行了研究，認為堵塞器的流量特性與彈簧的剛度、預(yù)壓縮量及滑閥的受力面積等有關(guān)［8］。

1 恒流堵塞器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

針對油田典型的恒流堵塞器（恒流量的值為30m3/d）開展研究，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由堵塞器主體、彈簧及閥芯等組成。

圖1 恒流堵塞器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

堵塞器的恒流原理如圖2所示，水經(jīng)過堵塞器注入地層的同時作用在閥芯的兩個端部，在彈簧的共同作用下， 使閥芯隨注水壓差的變化而往復(fù)移動， 從而改變閥芯與主體出水孔之間的過流面積，對流量進行調(diào)節(jié)使流量保持恒定。設(shè)流入堵塞器的注水壓力為p1、閥芯內(nèi)壓力為p2、出水口壓力為p4。 在正常工作狀態(tài)下，有p1＞p4，若注水壓力p1增大（或p4減小），則流量Q增大，此時注水壓差p1-p2增大，閥芯右移，閥芯與主體出水孔組成的可變節(jié)流孔過流面積減小，同時流量Q 會逐漸減小并接近原來的值；反之同理［9］。 由此可知，合適的彈簧對于流量調(diào)節(jié)具有重要作用，因此彈簧的研究分析與設(shè)計是需要主要考慮的問題。

圖2 堵塞器的恒流原理示意圖

2 關(guān)鍵元件的設(shè)計

2.1 水嘴的設(shè)計

在分層注水技術(shù)中，各配注層段配注量取決于注水壓力、地層的滲透能力等，通常通過堵塞器內(nèi)水嘴的直徑大小來調(diào)節(jié)注水量［10］。 恒流堵塞器內(nèi)水嘴為不完全收縮薄壁小孔結(jié)構(gòu)， 其流量Q的計算式為［11］：

式中 A1——水嘴的過流截面面積；

Cd1——水嘴流量系數(shù)；

r——水嘴半徑；

ρ——水的密度。

根據(jù)式（1），按水嘴節(jié)流損失為0.4MPa的工況對水嘴直徑進行設(shè)計， 取水嘴流量系數(shù)Cd1=0.84， 計算得到不同恒流量對應(yīng)的水嘴直徑見表1。

表1 不同恒流量對應(yīng)的水嘴直徑

2.2 彈簧的設(shè)計

為了設(shè)計彈簧剛度， 對閥芯的受力進行分析，如圖3a所示，其中F為彈簧的彈力，A0為入水口的有效受力面積，A3為出水口的有效受力面積，A4為閥芯內(nèi)腔的有效受力面積。 考慮到閥芯受力復(fù)雜，筆者提出了一種等效面積法對它進行簡化分析，如圖3b所示，虛構(gòu)出一個等效面A，在不同恒流量下認為A的大小是不變的。

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在不同恒流量堵塞器結(jié)構(gòu)中閥芯的結(jié)構(gòu)沒有改變，因此對閥芯受力分析有：

其中，△x為彈簧的壓縮量，x0為初始壓縮量，k為彈簧剛度。

閥芯的出水口節(jié)流壓差p2-p4為：

圖3 閥芯的受力分析

其中Cd2為出水口流量系數(shù)，A2為出水口面積。Cd2是一個常數(shù)，隨著閥芯位移的增大而增大，其原因可能有：一是由于出水口形狀規(guī)則的孔板流動引起了更大的局部阻力損失；二是由于阻尼孔的存在，壓力的增加使泄漏量增加，進而增大了流量系數(shù)。 因此，恒流堵塞器的流量特性受閥口的形狀、堵塞器內(nèi)部流道形式、閥芯的加工精度及配合間隙等多種因素影響。

將式（3）代入式（2）可得：

變換式（4），可得不同恒流量下彈簧剛度k的計算式為：

按照式（5）對不同恒流量的彈簧剛度進行設(shè)計，結(jié)果見表2。

表2 不同恒流量的彈簧剛度

3 實驗及其結(jié)果分析

為了分析恒流堵塞器的流量特性，設(shè)計了室內(nèi)性能實驗系統(tǒng)（圖4），主要包括柱塞泵（型號為3DY-SM，壓力0～28MPa，流量0～144m3/d）、橋式偏心配水器（內(nèi)部裝配恒流堵塞器）、水箱、電磁流量計 （型號為SKLD-15Y， 壓力0～10MPa， 流量7.68～120.00m3/d）、抗震壓力表、調(diào)壓閥、安全閥及節(jié)流閥等。 水通過柱塞泵注入橋式偏心配水器并從偏心配水器側(cè)孔流出，進入水箱。 實驗過程中通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的壓力，節(jié)流閥調(diào)節(jié)堵塞器的入口壓力，通過壓力表和流量計讀取壓力和流量。 橋式偏心配水器下端接堵頭，上端通過接頭與注水管道用法蘭盤連接。

圖4 恒流堵塞器性能實驗系統(tǒng)示意圖

3.1 限位實驗

為了研究恒流過程中不同閥芯位置的流量壓差關(guān)系， 對恒流量為30m3/d的恒流堵塞器進行閥芯限位實驗，即在閥芯上端使用頂桿替代原有的彈簧定心結(jié)構(gòu)，閥芯下端水嘴處使用空心墊片將滑閥位置卡定，閥芯位移（閥芯與出水口下邊緣對齊時，閥芯位移為0）在2.0～5.5mm范圍內(nèi)變化，進行不同卡定位置的性能實驗。 采用圖4所示的實驗系統(tǒng)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥使流量恒定，待穩(wěn)定后讀取堵塞器前后壓力，結(jié)果見表3。 可以看出，隨著閥芯位移的增大，出水口面積減小，節(jié)流作用增大，壓差p1-p4呈二次拋物線形式增長，符合孔板節(jié)流的流量-壓差關(guān)系，其總壓差包括兩部分，即水嘴節(jié)流產(chǎn)生的壓差p1-p2和調(diào)節(jié)閥芯產(chǎn)生的壓差p2-p4。

表3 不同閥芯位置的節(jié)流面積及流動參數(shù)

（續(xù)表3）

3.2 恒流性能實驗

對所設(shè)計的不同排量的堵塞器以及與之匹配的彈簧進行實驗驗證。 通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥使實驗系統(tǒng)壓力逐步增加， 在穩(wěn)定時讀取數(shù)據(jù)并記錄，將所得的數(shù)據(jù)繪制成圖（圖5），具體實驗參數(shù)見表4。在0.8～6.0MPa內(nèi)該堵塞器流量在預(yù)定值上下小幅度波動，恒流效果良好。 水嘴與彈簧的匹配設(shè)計所存在的誤差均處于一定的范圍內(nèi)，說明該設(shè)計方法具有一定的可靠性， 在流量較大時，匹配較好；在流量較小時，反而誤差較大。

圖5 堵塞器恒流效果曲線

表4 恒流性能實驗參數(shù)

3.3 彈簧與水嘴的匹配

在現(xiàn)有的分層注水工藝中，使用恒流堵塞器進行分層注水時，需在下井前按各地層段的預(yù)定配注量選取合適尺寸的水嘴，使一次下井作業(yè)即可達到配注要求。 通過實驗發(fā)現(xiàn)，同一剛度的彈簧可以與一定范圍內(nèi)的不同直徑的水嘴搭配實現(xiàn)不同流量的恒定，如圖6所示。

圖6 彈簧與水嘴匹配后的恒流效果曲線

據(jù)此，可以研制一種流量可調(diào)節(jié)的恒流堵塞器，即設(shè)計一個可調(diào)節(jié)式水嘴代替原有的固定水嘴， 使之與同一剛度的彈簧實現(xiàn)不同的流量恒定。 當(dāng)注采關(guān)系變化時，不需要對堵塞器進行投撈，通過測調(diào)儀調(diào)節(jié)堵塞器的可調(diào)節(jié)式水嘴即可改變流量，操作簡單方便，節(jié)約成本，具有重要的現(xiàn)實意義［12］。

4 結(jié)論

4.1 對堵塞器進行了限位實驗，即通過對閥芯位置的卡定， 以30m3/d的流量測試了閥芯在不同位置時所產(chǎn)生的壓差。 分析堵塞器位移與壓差之間的關(guān)系，結(jié)果表明：閥芯位移在2.0～4.0mm時與壓差的變化較為線性， 而在4.0～5.5mm時與壓差的關(guān)系變化較大，分析得出堵塞器在工作壓差較高的情況下容易產(chǎn)生較大的流量誤差使恒流量出現(xiàn)波動，表現(xiàn)為恒流效果不好。

4.2 利用薄壁小孔流量公式對水嘴進行設(shè)計，得到了恒流堵塞器的不同水嘴直徑與恒流量之間的關(guān)系；提出了一種等效面積法對閥芯進行受力分析，推導(dǎo)出彈簧的剛度計算公式，設(shè)計出了與不同恒流堵塞器相匹配的彈簧，并對所設(shè)計的彈簧進行了恒流性能實驗，結(jié)果表明所設(shè)計的彈簧與水嘴匹配較好，誤差較小。

4.3 通過對彈簧剛度適用范圍的研究，發(fā)現(xiàn)同一剛度彈簧能與不同直徑的水嘴匹配實現(xiàn)不同流量的恒定，從而提出了一種流量可調(diào)節(jié)式恒流堵塞器的設(shè)計思路。