基于TRIZ創新理論的新型高壓損防堵水嘴

田輝 鄒克武 王文成 劉春哲 李大偉

承德石油高等?？茖W校

基于TRIZ創新理論的新型高壓損防堵水嘴

田輝 鄒克武 王文成 劉春哲 李大偉

承德石油高等專科學校

為了在有限空間內探索具有大通流面積、高壓損特性的注水嘴，使其在注水過程中保證配水精度的同時具有良好的防堵能力，應用TRIZ創新理論對具有高壓損、防堵特性的分層注水水嘴進行了深入分析和優化設計。通過功能及沖突矩陣分析，利用結構嵌套法對水嘴結構進行優化，并設計出具有嵌套形式的新型繞流對沖水嘴。通過數值模擬方法對新型水嘴的壓損特性進行分析，結果顯示，新型水嘴可在保證截面面積較大（不小于傳統?4.0 mm直孔的通流面積）的情況下提供優于傳統?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性，從而可在保證配水準確性的同時提升防堵能力，提高水嘴的免維護周期。

分層注水；高壓水嘴；TRIZ；數值模擬

分層注水是目前應用最為廣泛的提高石油采收率的方法［1］。隨著中老油田注采不平衡問題的積累和非均質復雜斷塊油層的開發，尤其是低滲透/超低滲透油層的開發，對分層注水的精度和穩定性提出了更高要求。固定水嘴式堵塞器是目前應用最廣的分層注水井下配水裝置，可在前期測井解釋的指導下，利用一系列不同節流口徑的水嘴實現準確的分層配水。然而傳統固定水嘴的設計通過選配適當節流孔直徑調節不同層間注水量，沒有考慮井下實際工況，理論模型設計簡化而對閥芯內流場的分析不全面；注水水質的不斷惡化造成堵塞器閥芯的壽命普遍較短，實際水驅過程發現當單直固定節流口水嘴直徑小于4 mm時，水嘴發生堵塞的幾率有所增加，直徑為2 mm時最易發生堵塞。因此，在保證壓損特性的基礎上解決小口徑固定水嘴堵塞問題是提高分層注水技術應用效果的關鍵［2］。

20世紀50年代Altshuller帶領的團隊總結出了人們在解決技術難題時所遵循的科學方法，并將其命名為TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）［3］。Altshuller認為技術難題無論大小，其核心技術的發展過程具有客觀的發展規律或模式。各種技術難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種技術進化過程的動力。上個世紀80年代以來，TRIZ理論逐漸被各國研究機構、企業及高校所關注，包括波音、西門子、福特等公司均將TRIZ理論應用于新產品的開發過程［4］。

基于TRIZ創新理論就制約水嘴壓損及防堵性能提升問題進行系統功能分析，并利用沖突矩陣獲得解決問題的策略。在此基礎上，從限制嘴損提升的水嘴結構入手設計合理的水嘴流道形式，采用數值計算方法對新型水嘴性能進行預測，為提升分層注水高壓損水嘴防堵性能提供一種可行的方案［3-5］。

1 基于TRIZ創新理論的問題分析

Problem analysis based on TRIZ innovation theory

1.1 系統功能分析

Systematic function analysis

TRIZ理論被普遍認為是一種為創新問題提供解決方案的理論，在系統功能分析的基礎上利用沖突矩陣分析方法為擬解決問題提供有效的改進策略。如圖1所示，油層支撐作用下配水器可實現對配注水的輸送，從而實現將配注水注入油層相應位置，完成水驅采油。圖中水嘴起到節流作用，可以使注水主管路內配注水根據不同地層壓力特點配注近似恒定流量的水。配水器在對水嘴起支撐作用的同時，其外形尺寸受配水器結構的空間限制。此外，由于配注水總量較大，油田往往不能嚴格保證配注水的水質，配注水中所攜帶的雜質對水嘴的附著作用加速了水嘴的堵塞失效。

圖1 功能模型Fig. 1 Function model

1.2 確定改進策略

Determination of improvement strategy

通過功能分析發現，水嘴對配注水節流的不足，源于配水器的空間限制以及配注水中雜質的附著堵塞。由于配注水來源復雜、各油田凈化設備性能差異較大，從消除配注水中雜質含量入手解決問題的途徑并不具備普遍意義。因此，問題的沖突在于水嘴的結構尺寸與壓損，為保證防堵性能需要水嘴通流截面較大，而為了保證水嘴壓損特性需要水嘴的通流截面較小。解決此問題的過程改善通用工程參數為能量損失，發生惡化的通用工程參數為靜止物體的體積。根據沖突矩陣表發現，應采用改進策略為：結構嵌套法［6］。

1.3 基于嵌套原理的高壓損防堵水嘴結構

Structure of high pressure loss anti-blocking water nozzle based on nesting principle

鑒于工程應用中2 mm孔徑最易發生堵塞，而當孔徑大于4 mm時幾乎不發生堵塞的實際情況，結合配水器結構及實際工況，利用結構嵌套法設計目標為：水嘴通流部分尺寸為外徑12 mm、長度45 mm，流量在0～10 m3/d范圍內，水嘴通流截面當量直徑不小于4 mm，壓損特性不低于同條件下?2 mm直孔節流效果。根據嵌套原理，需要在配水器水嘴安裝尺寸范圍內充分利用空間結構，設計組合式、重復式、嵌套式節流結構從而保證較高的壓損特性。

基于結構嵌套法并結合工程實際，設計新型擾流對沖式水嘴如圖2所示。新型水嘴采用組合式結構，由1個水嘴蓋、若干個水嘴單元體、1個水嘴尾托組成。

圖2 新型擾流對沖式水嘴Fig. 2 Novel bypass reverse water nozzle

如圖3所示，水嘴蓋及水嘴尾托分別起到對水嘴單元體的軸向兩端定位作用。水嘴蓋開有4 mm直徑的偏心流道口以及中心定位槽。水嘴尾托的長度可根據配水器實際尺寸而定。水嘴單元體外徑與配水器內徑相同，從而可相互配合形成封閉的流道，配注水可在此流道內發生對沖、折轉、繞流等劇烈流態變化，最大限度提高過流能量消耗。水嘴單元體間可通過定位鍵/槽相互連接，多個單元體串聯應用可顯著提高水嘴的壓損特性。

圖3 新型水嘴各組成單元結構Fig. 3 Structure of all compositional units in the novel water nozzle

2 新型水嘴數值分析

Numerical analysis on the novel water nozzle

2.1 數值計算

Numerical calculation method

對于分層注水過程中水嘴內的全三維黏性不可壓縮定常流動可用Navier-Stokes方程組描述，其連續性方程及動量方程表示為［7-9］

式中，u表示流動速度，m/s；p表示壓強，Pa；ρ表示流體密度，kg/m3；ν表示運動黏性系數，N·s/m2；f表示體積力，文中僅指重力，N。采用混合網格方式進行計算域離散，為保證收斂性對進出口區域進行了適當拓展。近壁面區域布置5層邊界層網格，并采用連續過渡方式與內部區域網格進行銜接。流動區域內部采用四面體網格，使得網格整體具有較好的貼體性，保證網格質量?；趯W格化分數分別為 160×104、210×104、250×104等 3 種狀態下網格數值分析，進出口壓損、特征界面速度等參數的偏差均小于5%，可以認為已得網格無關解。如圖4所示為網格化分數為210×104的狀態。圖4（a）為計算區域總體網格劃分情況，紅色區域內部為水嘴內部流道部分，其局部放大如圖4（b）所示，紅色區域兩側分別是入口及出口延伸段。

圖4 計算區域網格Fig. 4 Grid of the calculation region

計算過程采用標準k-ε湍流模型，并采用標準壁面函數模擬近壁面處流動情況。全場近壁面y+介于30～75之間，由此可見所設置的近壁面網格尺度及壁面函數的選取是可行的。根據工況的不同給定入口流動速度，同時給定一個比較高的總壓（不同工況中均給定入口總壓2.5 MPa），出口邊界條件則給定出流邊界條件。這樣的進出口邊界條件設置方式有利于計算收斂，又方便根據計算所得的出口總壓情況獲得流過水嘴的總壓損失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程組。計算過程首先采用一階迎風離散格式進行試算，計算穩定后采用二階迎風格式繼續求解直至獲得收斂的解。

2.2 計算結果

Analysis on calculation results

圖5為流量10 m3/d情況下水嘴內的流線分布情況。圖中可見配注水在水嘴中連續發生流動方向的折轉、繞流、對沖，隨著流動狀態的劇烈改變，局部阻力損失顯著增加。

圖5 新型水嘴內流線分布Fig. 5 Distribution of flow line inside the novel water nozzle

圖中流線顏色反映了流動過程的總壓分布，紅色表示總壓值最高的區域，藍色表示總壓值最低的區域。圖中流線的顏色過渡則反映出了配注水在流動過程中總壓的變化情況。此外，組合式水嘴結構通過4個水嘴單元體的共同作用，充分利用了配水器軸向空間提高了水嘴的壓損特性。計算結果顯示流量為10 m3/d情況下每個水嘴單元體產生的總壓損失約0.324 7 MPa，而通過4個水嘴單元體及水嘴蓋、水嘴尾托組合而成的新型水嘴總壓損失可達1.3 MPa。

圖6為新型水嘴及傳統?2.0 mm直孔水嘴壓損特性隨流量的變化曲線，可以看出，水嘴的壓損隨流量的增加而顯著提高，同流量下新型水嘴的壓損高于傳統?2.0 mm直孔水嘴壓損，隨著流量的增加新型水嘴壓損提升的速率高于傳統?2.0 mm直孔水嘴。由此可見，新型水嘴在有限的配水器空間內通過合理的流道設計使得過流截面面積不小于傳統?4.0 mm直孔的情況下提供了優于傳統?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性。

圖6 水嘴壓損特性曲線Fig. 6 Characteristics curve of nozzle pressure loss

3 結論

Conclusions

（1）在TRIZ創新理論的指導下，基于功能分析發現制約注水嘴穩定運行的沖突存在于水嘴結構尺寸與壓損之間，利用沖突矩陣獲得解決問題的改進策略并基于此設計提出新型嵌套式對沖繞流水嘴。

（2）經過嚴格數值分析驗證，研究的新型水嘴可在配水器有限的空間內、過流截面面積不小于傳統?4.0 mm直孔的情況下提供優于傳統?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性，在保證配水準確性的同時提高水嘴的免維護周期。

［1］丁一凡. 世界能源形勢的變化與中國的能源安全［J］.國際經濟評論，2004（12）：19-23.DING Yifan. Changes in the world energy situation and china’s energy security［J］. International Economic Review, 2004（ 12）∶ 19-23.

［2］大慶油田有限責任公司開發部. 大慶油田注水質量調查報告［R］. 2003-12.The Development Department of Daqing Oil field Co., Ltd.The report of Daqing oil field water quality［R］. 2003-12.

［3］ALTSHULLER G S, RODMAN S, SHULYAK L. The innovation algorithm∶ TRIZ, systematic innovation and technical creativity∶ Aseanheartjournal Org［C］.Worcester∶ Technical Innovation Center, 1999.

［4］檀潤華. 創新設計—TRIZ：發明問題解決理論［M］.北京：機械工業出版社，2002.TAN Runhua. Innovative design—TRIZ∶ theory of inventive problem solving［M］. Beijing∶ China Machine Press, 2002.

［5］檀潤華，王慶禹，苑彩云，段國林. 發明問題解決理論：TRIZ［J］. 機械設計，2001，22（7）：7-12，53.TAN Runhua, WANG Qingyu, YUAN Caiyun, DUAN Guolin. The solving theory of inventive problem∶ TRIZ［J］. Journal of Mechanical Design, 2001, 22（7）∶ 7-12,53.

［6］韋子輝，檀潤華. 產品設計中多沖突問題解決過程研究［J］. 中國機械工程，2010，21（3）：263-267.WEI Zihui, TAN Runhua. Research on multi contradictions problem solving in product design［J］. China Mechnical Engineer, 2010, 21（3）∶ 263-267.

［7］田輝，孫秀玲，郭濤，李國君. 基于遺傳算法的離心泵葉片水力性能優化［J］. 農業機械學報，2010，41（5）：64-67.TIAN Hui, SUN Xiuling, GUO Tao, LI Guojun.Optimization for the hydraulic performance of centrifugal blade based on the genetic algorithm［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2010,41（5）∶ 64-67.

［8］田輝，郭濤，孫秀玲，李國君. 離心泵內部動靜干涉作用的數值模擬［J］. 農業機械學報，2009，40（8）：92-95.TIAN Hui, GUO Tao, SUN Xiuling, LI Guojun.Numerical simulation of unsteady flow in a centrifugal pump［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2009, 40（8）∶ 92-95.

［9］申曉莉，于九政，王子建. 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.SHEN Xiaoli, YU Jiuzheng, WANG Zijian. Design and numerical simulation for a novel low flow rate nozzle［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35（1）∶ 83-86.

（修改稿收到日期 2017-07-20）

〔編輯 李春燕〕

Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory

TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei
Chengde Petroleum College,Chengde067000,Hebei,China

It is aimed at exploring the water injection nozzle which is characterized by large flow area and high pressure loss in limited space, so as to ensure water allocation accuracy and good anti-blocking capacity in the process of water flooding recovery. The TRIZ innovation theory was applied to perform thorough analysis and optimal design on separate layer water injection nozzle which has the performance of high pressure loss anti-blocking. Based on function and collision matrix analysis, the water nozzle was structurally optimized by means of the structure nesting method, and a novel bypass reverse water nozzle with the nesting form was designed. And its pressure loss characteristic was analyzed by using numerical simulation. It is indicated that this novel water nozzle is superior to the traditional ?2.0 mm straight hole nozzle in term of pressure loss characteristic while its cross section area is remained larger (not smaller than the flow area of traditional ?4.0 mm straight hole). And thus, the anti-blocking capacity of the water nozzle is improved and its maintenance free cycle is extended while the accuracy of water allocation is guaranteed.

separate layer water injection; high-pressure water nozzle; TRIZ; numerical simulation

∶

田輝，鄒克武，王文成，劉春哲，李大偉.基于TRIZ創新理論的新型高壓損防堵水嘴［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：658-661.

TE357

A

1000 – 7393（ 2017 ） 05 – 658 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.022

河北省自然科學基金項目“離心泵空化演變機理分析及其對水動力性能的影響研究”（編號：E2016411008）；河北省高等學?？茖W技術研究項目“具有高壓損特性的防堵分層注水系列水嘴的設計及實驗研究”（編號：QN2016245）。

田輝（1982-），2014年畢業于西安交通大學能源與動力工程專業，獲工學博士學位，現從事流體機械內部復雜流動分析及優化設計的工作。通訊地址：（067000）河北省承德市大學園區。聯系電話：0314-2377120。E-mail：tianhuicfd@gmail.com

李大偉（1984-），2012年畢業于東華大學機械制造及其自動化專業，獲工學碩士學位，現從事石油機械結構設計和制造信息化方面的研究工作。通訊地址：（067000）河北省承德市大學園區。聯系電話：0314-2377023。E-mail：cdpclidawei@163.com

: TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei. Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 658-661.