新型小流量水嘴的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

申曉莉 于九政 王子建

（1.長(zhǎng)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(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021）

隨著油田開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)和科技的發(fā)展，對(duì)油田開(kāi)發(fā)技術(shù)水平的要求越來(lái)越高，注水開(kāi)發(fā)是油田開(kāi)發(fā)的主要手段，為了擴(kuò)大注入水波及體積，獲得較好的開(kāi)發(fā)效果，需要對(duì)注水井進(jìn)行流量測(cè)試和調(diào) 配［1］。長(zhǎng)慶油田縱向上發(fā)育多個(gè)油層，需要采用分層注水方式進(jìn)行開(kāi)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(zhì)、層間壓差影響［4］，存在小水嘴易堵塞、難以合理調(diào)配等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，基于常規(guī)偏心分注工藝中使用的堵塞器水 嘴的參數(shù)和節(jié)流原理［5-6］，設(shè)計(jì)出一種過(guò)流通道直徑比較大的新型小流量水嘴，并通過(guò)數(shù)值模擬［7］和水嘴嘴損［8］的計(jì)算分析其性能可靠性，提高精細(xì)分注的調(diào)配合格率。

1 常規(guī)水嘴的特性分析

1.1 計(jì)算域和網(wǎng)格

水嘴式堵塞器（KHD、KPX 系列）是通過(guò)更換不同孔徑的水嘴以滿(mǎn)足注水量要求的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分層注水。根據(jù)堵塞器通流部分圖紙繪制三維實(shí)體結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格圖，見(jiàn)圖1。

圖1 堵塞器流道結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格圖

1.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)收集到的文獻(xiàn)中的水嘴嘴損實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建立的數(shù)值計(jì)算方案和方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取2個(gè)相同的水嘴孔徑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，同文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖2 可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，表明文中所采用的水嘴流場(chǎng)模擬的數(shù)學(xué)模型是有效的，采用的網(wǎng)格和湍流模型是合適的。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

流量為0～50 m3/d 時(shí)，通過(guò)對(duì)?2～7 mm 不同孔徑水嘴下堵塞器流場(chǎng)的數(shù)值模擬與分析，整理出流量與壓力損失關(guān)系曲線，見(jiàn)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(guān)系。通過(guò)計(jì)算典型水嘴直徑和工況的流場(chǎng)參數(shù)分布，見(jiàn)圖4，基本掌握了堵塞器整個(gè)流道各部分的流動(dòng)特性和損失特性。

圖3 流量與壓力損失曲線

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

2 新型水嘴的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬

2.1 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型水嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求需要滿(mǎn)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(guò)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(mǎn)足陶瓷水嘴加工工藝。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，最終確定的新型小流量水嘴結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5，水嘴由嘴芯和外壁兩部分組成。該水嘴與常規(guī)水嘴相比，在相同的流道當(dāng)量直徑下嘴損遠(yuǎn)大于常規(guī)水嘴，相同的節(jié)流效果時(shí)新型水嘴的過(guò)流通道遠(yuǎn)大于常規(guī)水嘴，不易堵塞，可用于非均質(zhì)油藏下小水量分層注水量調(diào)配。

圖5 圓孔繞流水嘴

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 嘴體壁厚對(duì)水嘴節(jié)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(yīng)改變，其他保持不變。通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 嘴體壁厚對(duì)水嘴節(jié)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(shù)值模擬結(jié)果相差甚微，此2 種水嘴在流量為10 m3/d 時(shí)的壓差分別為1.195 3 MPa 和1.188 9 MPa，該水嘴的節(jié)流效果在數(shù)值模擬結(jié)果上與原?2.0 mm 孔徑水嘴的節(jié)流效果相同，從理論講是滿(mǎn)足要求的。

2.2.2 嘴芯徑向通孔間距對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 水嘴的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：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(mǎn)足項(xiàng)目要求，徑向圓孔直徑為4 mm，進(jìn)出口為圓孔且無(wú)偏心。通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 嘴芯徑向通孔間距對(duì)節(jié)流效果的影響

從圖7 中可知，水嘴的節(jié)流效果對(duì)嘴芯徑向通孔的間距很敏感，較小的間距變化可以產(chǎn)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(shè)計(jì)在理論上的節(jié)流效果都高于原?2.0 mm 孔徑水嘴。

2.2.3 進(jìn)出口偏心水嘴安裝角度對(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析可知，彎道曲率過(guò)大水嘴內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈流動(dòng)分離和漩渦脫落，由其產(chǎn)生的損失超過(guò)了二次流和沿程損失，是小水量水嘴節(jié)流的主要因素，對(duì)流入角度分別為0°、60°、120°3 種狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，見(jiàn)圖8。

圖8 不同角度的3 種水嘴節(jié)流效果比較

由圖8 可知，通過(guò)數(shù)值模擬得出的3 種水嘴的節(jié)流效果相差甚微，流量為15 m3/d 時(shí)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(shè)計(jì)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(duì)水嘴節(jié)流效果的影響 水嘴的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：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(mǎn)足項(xiàng)目要求，徑向通孔為橢圓形、矩形，通過(guò)數(shù)值模擬得出水嘴的嘴損曲線，見(jiàn)圖9。

圖9 徑向通孔截面形狀對(duì)節(jié)流效果的影響

由圖9 可知，2 種截面對(duì)水嘴節(jié)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?yàn)橥鹘孛娣e的改變，據(jù)此可以得出結(jié)論，保證當(dāng)量直徑相同時(shí)，通流截面越是接近圓形節(jié)流效果越好。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

用銅試制了ED5.0 系列水嘴并進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試獲得新型水嘴壓差與流量的數(shù)據(jù)。為了方便比較對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，繪制出嘴損特征曲線見(jiàn)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)的嘴損特性曲線的變化趨勢(shì)符合較好，并且各水嘴相互對(duì)應(yīng)。計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略高，但是計(jì)算k 值只比實(shí)驗(yàn)k值高出3%～8%。因此，ED5.0 系列水嘴的嘴損特性和流場(chǎng)狀態(tài)模擬較好。

3.2 新型水嘴與常規(guī)水嘴的對(duì)比

通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分別對(duì)常規(guī)水嘴和系列化新型水嘴進(jìn)行了測(cè)試，獲取水嘴嘴損壓差和流量的數(shù)據(jù)。依據(jù)配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［3］，通過(guò)擬合繪制出嘴損曲線，見(jiàn)圖11。

圖11 新型水嘴與常規(guī)水嘴嘴損曲線對(duì)比

分析可知，新型配水嘴損曲線平均分布在常規(guī)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(gè)孔）的嘴損特性與常規(guī)水嘴2.0 mm孔徑基本一致。在相同節(jié)流效果時(shí)，新型水嘴的孔徑值遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)水嘴。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析分注中堵塞器的作用及目前分注調(diào)配面臨的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并加工了一種新型小流量水嘴并進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究。

（2）應(yīng)用Fluent 軟件對(duì)ED5.0 系列配水嘴的嘴損特性和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了正確的數(shù)值模擬，所采用的數(shù)值模擬方法可行有效，采用的網(wǎng)格和湍流模型合適。

（3）新型水嘴將流道當(dāng)量直徑增加到4.0 mm，其最大節(jié)流效果超過(guò)傳統(tǒng)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(diào)配合格率。

（4）該研究方法對(duì)其他水嘴設(shè)計(jì)同樣適用，數(shù)值模擬可以節(jié)省大量的時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。

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