恒流堵塞器流場分析及在分層注水井應用

宗鶴鳴

(1.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163453)

大慶油田屬于非均質(zhì)多油層砂巖油藏，其橫向和縱向矛盾突出。為緩解油層間矛盾，提高水驅(qū)開發(fā)效果，在20世紀60年代末開始進行同心分層注水工藝應用，在20世紀70年代全面進入偏心分層注水階段。目前，大慶油田偏心配水管柱占水驅(qū)分注工藝的97%以上[1-3]。隨著油田分層注水井數(shù)逐年增加，以及分注層段進一步細分，偏心分層配水工藝存在的測試效率低，測試方案符合率低，注水合格率低等問題日益突出。由于層間干擾影響，常規(guī)偏心堵塞器在進行流量調(diào)配時，任何一級水嘴的縮放都會影響其它層段的水量，測試過程中需反復投撈調(diào)整水嘴，多次檢配，測試工作量大、時間長、效率低。

恒流堵塞器的注水量不受壓力波動影響，實現(xiàn)恒流定量注水，減少了多級細分層注水井投撈測試次數(shù)，大幅提高了測調(diào)效率[4-5]。

1 恒流堵塞器結(jié)構(gòu)及原理

恒流堵塞器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—打撈桿；2—上主體；3—凸輪；4—堵塞器主體；5—彈簧；6—柱塞；7—出水口；8—閥芯；9—水嘴；10—濾網(wǎng)。

根據(jù)流體力學理論，對于固定結(jié)構(gòu)的小孔徑的水嘴，通過水嘴的流量Q僅與水嘴兩端的壓力差△p有關(guān)。只要保證水嘴兩端的壓差△p保持恒定，即可實現(xiàn)流量Q恒定。偏心恒流堵塞器工作原理：水嘴位于柱塞上，柱塞隨注水壓力變化而做軸向滑動，調(diào)節(jié)出水孔面積以平衡水嘴前后的壓力，使水嘴前后的壓差保持恒定，從而保證通過水嘴的流量為常數(shù)[6-8]，達到恒定流量的目的。

注入水流經(jīng)過堵塞器的同時，對閥芯的2個端部施加壓力，加之彈簧的作用力，使閥芯隨壓力的變化而往復移動。當注入壓力變大，或者地層壓力變小時，壓差變大，閥芯左移并壓縮彈簧，此時出水口面積減小，流量恢復到原定值。當注水壓力變小，或者地層壓力變大時，壓差減小，閥芯右移，此時出水口面積變大，流量又恢復到原定值。

2 技術(shù)特點

1)提高測調(diào)效率。

普通堵塞器在進行流量測調(diào)時，任何一級水嘴的縮放都會使井下工作制度發(fā)生改變，影響其它層段的水量，需對其它層段水嘴進行相應投撈調(diào)整，完成測試工作需反復投撈，多次檢配測試。如果在不易控制和需多次投撈調(diào)整水嘴的層段應用恒流堵塞器，可大量減少投撈調(diào)整水嘴和檢配次數(shù)，簡化測試過程。每應用1支恒流堵塞器，相當于減少了1個測試層段，大幅減少了測試中的層間干擾[9-10]，提高測調(diào)效率。

2)提高注水合格率。

恒流堵塞器的水量恒定，水量不受注水壓力波動的影響。應用該工具后，該層水量被嚴格控制在合格范圍內(nèi)，可大幅提高應用層段的注水合格率。另外，恒流堵塞器有效控制超注層的水量后，使得其余水量可以有效分配到其他層段，提高加強層的吸水量，進而提高非應用恒流堵塞器層段的注水合格率。

3 恒流堵塞器內(nèi)部流場特性分析

閥芯在流體的作用下受到的力為2種，如圖2所示，一種為流體給閥芯的力Fs，另一種為彈簧彈力Ft，閥芯在這兩種力作用下處于平衡狀態(tài)。彈簧給的彈力是線性增加的，但隨著閥芯的移動，流體給閥芯的力需要經(jīng)過數(shù)值模擬分析來確定[11-12]。對恒流堵塞器建模，并進行數(shù)值模擬分析。找到合適的方法后[13-15]，對30 m3/d流量的堵塞器進行參數(shù)評價。

圖2 閥芯受力

通過理論分析，閥芯受到向上沖擊力的面積與閥芯受到的向下沖擊的面積應相等，如圖3所示，其中，WALL1、WALL2、WALL5受力面給閥芯向上的力(即壓縮彈簧的趨勢)，WALL3、WALL4、WALL6受力面給閥芯向下的力(即彈簧回彈的趨勢)。各個面的形狀如圖4所示，面積如表1所示。

圖3 閥芯受力面位置

圖4 閥芯各受力面形狀

表1 閥芯各受力面面積

假設(shè)受力面WALL1、WALL2、WALL5、WALL3、WALL4、WALL6的面積分別為S1、S2、S5、S3、S4、S6。從表1中可以得出S1+S2+S5-S3-S4-S6=0，在現(xiàn)實中表現(xiàn)為閥芯受到向上沖擊力的面積與閥芯受到的向下沖擊的面積相等。這表明，如果入口壓力改變較大，流量不變的情況下，閥芯整體受力也不會發(fā)生太大的改變。

3.1 閥芯位移3 mm時流場

閥芯位移3 mm、流量30 m3/d，從圖5可以看出，流體域內(nèi)存在2次節(jié)流作用，第1次節(jié)流作用發(fā)生在水嘴處，第2次節(jié)流作用發(fā)生在出水口處。水嘴處水的流速最大，達到了31 m/s。在閥芯內(nèi)部水的流速逐漸降低，在出水口水的流速處有小幅度的增高。這是因為當閥芯位移為3 mm時，水嘴處的節(jié)流作用較大。假設(shè)流速為v，流體斷面面積為A，由流量Q=v×A可知，水嘴處面積最小，流速最高。

從壓力云圖6中可以看出，閥芯位移3 mm流量為30 m3/d時，流體域中存在2次節(jié)流作用，第1次節(jié)流作用是在水嘴處，第2次節(jié)流作用是在出水口處。為了分析閥芯受力，需要進一步分析閥芯各個受力面所受壓力。

使用Fluent軟件將WALL1～WALL6各個面的壓力提取出來，得出各個面的壓力云圖，如圖7所示。

圖5 閥芯位移3 mm流量30 m3/d流體域速度云圖

圖6 閥芯位移3 mm流量30 m3/d流體域壓力云圖

圖7 閥芯位移3 mm時各個面壓力云圖

從圖7可以看出，WALL1、WALL2壁面壓力最高，這是因為在WALL2與WALL3處有節(jié)流作用，水沖擊WALL1、WALL2面，通過WALL2中心圓孔流向WALL3面，第1次節(jié)流作用明顯，節(jié)流后壓力小于節(jié)流前壓力，所以WALL1、WALL2面上的壓力是最高的。WALL5壁面壓力為第2高的，需要分析其壓力高的原因。從WALL5壁面的壓力云圖可以看出，其中心處壓力很高，并且WALL5受力面壓力不均勻。從流體域速度云圖(如圖5)中可以看出，WALL5需要承受水的沖擊壓力來改變水的流向。WALL5面受到的水的沖擊壓力相當大，由伯努利方程可分析出其所受壓力會有一定的增大，在WALL5受力面前，水由高速狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止狀態(tài)，引起WALL5受力面局部高壓。WALL4面的兩側(cè)壓力有一定的增加，并且WALL4受力面壓力不均勻。這是因為WALL4面的位置壓力由出水口面積的大小決定，出水口面積越小，流速越高。另外，堵塞器工作時對準出水口側(cè)流速高，另一側(cè)流速低。根據(jù)伯努利方程，流速高會引起壓力的降低，故WALL4面壓力不均勻。

從圖7中可以看出，WALL3、WALL6受力面所受壓力均勻。在WALL3與WALL6面上沒有較大的壓力波動。由于水嘴的節(jié)流，WALL3面壓力較低，而WALL6面的壓力應與閥芯內(nèi)部的壓力相等，其壓力也較低。在Fluent中提取出各個面所受壓力值，如表2所示。

表2 閥芯位移3 mm時各個面壓力

3.2 閥芯位移5.5 mm時流場

閥芯位移5.5 mm、流量30 m3/d， 從圖8可以看出，出水口處水的流速最大，達到了76 m/s。此時出水口處面積要小于水嘴的面積，由于流量相同，出水口處節(jié)流作用更明顯，流體在出水口處的速度也最大。

圖8 閥芯位移5.5 mm流量30 m3/d流體域速度云圖

從壓力云圖9中可以看出,閥芯位移5.5 mm、流量為30 m3/d時，流體域內(nèi)最大壓力為5.6 MPa。流體域中存在2次節(jié)流作用，第1次節(jié)流作用是在水嘴處，第2次節(jié)流作用是在出水口處。為了分析閥芯受力，需要進一步分析閥芯各個受力面所受壓力情況。

圖9 閥芯位移5.5 mm流量30 m3/d流體域壓力云圖

使用Fluent軟件將WALL1-WALL6各個面的壓力提取出來，得出各個面的壓力云圖，如圖10所示。

從壓力云圖10中可以看出，WALL1、WALL2壁面壓力最高，達到了5.62 MPa。WALL5壁面壓力為第2高，根據(jù)伯努利方程進行分析，提取水嘴處水的速度，計算出水沖擊WALL5壁面的最高壓力達到了5.6 MPa，與模擬結(jié)果相符。WALL4面的兩側(cè)壓力有一定的增加，但由于出水口面積急劇減小，使節(jié)流作用增強，4個出水口出液區(qū)域均勻，流速增加的同時，且局部壓力降更加明顯。從流體域速度云圖(如圖8)可以看出，與WALL3、WALL6面接觸的流體速度很低或幾乎為0，因而在WALL3與WALL6面上沒有較大的壓力波動。

圖10 閥芯位移5.5 mm時各個面壓力云圖

由于水嘴的節(jié)流，WALL3面壓力較低，而WALL6面的壓力應與閥芯內(nèi)部的壓力相等，其壓力也較低。在Fluent中提取出各個面所受壓力值，如表3所示。

閥芯位移5.5 mm，流量30 m3/d時，閥芯各個受力面的壓力要高于閥芯位移3 mm時的壓力，這是因為閥芯位移5.5 mm時的流量系數(shù)要小，其節(jié)流作用大，若想達到相同的流量，需要更高的壓力。

表3 閥芯位移5.5 mm各個面壓力

3.3 不同閥芯位移時受力面壓力差

分別建立閥芯位移在2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 mm時的數(shù)值仿真模型，通過數(shù)值仿真計算得到閥芯在不同位移時的流場變化。

表4中，p1、p2、p3、p4、p5、p6分別為WALL1、WALL2、WALL3、WALL4、WALL5、WALL6面的壓力，p1-p3、p1-p4、p1-p5、p1-p6分別為WALL1與WALL3之間的壓力差、WALL1與WALL4之間的壓力差、WALL1與WALL5之間的壓力差和WALL1與WALL6之間的壓力差。

表4 閥芯不同位置的壁面壓力差

圖11為不同閥芯位移各面壓差，可以看出，p1-p4的值隨著閥芯位移的上移而增大，表明WALL4面與WALL1面壓差增大，說明WALL4面的壓力減小，這是引起閥芯上移的重要原因。這主要是因為，閥芯上移使得出水口面積減小，流速增大，從而使壓力降低。在恒流情況下，閥芯向上移動的主要原因是WALL4面的壓力損失。WALL4面的一部分組成了出水口，在出水口處水的流速越高，壓力損失越大。

圖11 不同閥芯位移時各面的壓差

4 現(xiàn)場試驗

目前，恒流堵塞器已實現(xiàn)啟動壓差1 MPa，恒流誤差15%以內(nèi)，平均有效壽命12.8個月，具備規(guī)模化應用條件。以大慶油田某井為例，在該井進行恒流配水與高效測調(diào)工藝結(jié)合應用試驗，減少調(diào)配層段，提高測調(diào)效率，驗證實際工況注水恒流效果。

該井全井配注水量85 m3/d，首先檢配全井各層水量，偏1層配注水量25 m3/d，實注水量為34 m3/d，超出注水允許誤差范圍。偏2層配注水量25 m3/d，實注水量為31 m3/d。根據(jù)地質(zhì)配注方案要求，通過投撈器在偏1層、偏2層投入規(guī)格為25 m3/d的恒流堵塞器，其他層段投入常規(guī)可調(diào)堵塞器，下入電動測調(diào)儀，根據(jù)各層配注要求進行調(diào)配，將其他層段注水量調(diào)配合格。

待注水壓力穩(wěn)定后，下入電磁流量計再次對各層注入量進行檢配，得到該井分層注水流量測試數(shù)據(jù)，如表5。

從表5可以看出，調(diào)配后該井全井水量為92 m3/d，投入恒流堵塞器的偏1層水量為28 m3/d，偏2層水量為27 m3/d，誤差均在15%以內(nèi)，恒流效果良好，滿足現(xiàn)場注水要求。1個月后復測，該井各層流量穩(wěn)定，無需重新調(diào)配，說明投入恒流堵塞器可有效減少層間干擾，減少投撈測試層段。

表5 大慶油田某井分層注水流量測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1)恒流堵塞器其水量不受壓力波動影響，任何一級水嘴的縮放都不影響其它層段水量，解決了層間干擾問題。該技術(shù)的應用可大幅度提高測調(diào)效率和注水合格率。

2)以30 m3/d流量的堵塞器為例，使用數(shù)值模擬的方法分析了閥芯在3.0～5.5 mm不同位置時的內(nèi)部流場狀況及其閥芯各個面的受力情況，找出了其不同位移時各個面壓差的變化規(guī)律。在恒流情況下，閥芯向上移動的主要原因是WALL4面的壓力損失。WALL4面的一部分組成了出水口，在出水口處水的流速越高，壓力損失越大。

3)結(jié)合實際狀況分析出堵塞器內(nèi)部流動為湍流流動。采用湍流流動的數(shù)值模擬方法，建立堵塞器內(nèi)部流體域幾何模型。卡定閥芯在不同的位置，得到當流量為30 m3/d時壓力與閥芯位移的關(guān)系曲線，并分析在不同的位移下水流速度和閥芯壓力的變化趨勢。