海上大排量分注井無纜智能配水器水嘴壓力損失數值模擬

劉義剛 孟祥海 陳征 張樂 藍飛 張志熊

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司；2.海洋石油高效開發國家重點實驗室

分層注水工藝從最初同心注水、偏心注水、集成式注水發展到現在的智能化注水［1］，注水井的分層測調技術也經歷了固定式水嘴測調、鋼絲投撈分層測調、預置電纜分層測調和一體化無纜智能測調等技術階段。無纜智能配水器水嘴一般采用平面水嘴技術而并非傳統軸向結構，行業內還沒形成該類水嘴開度選擇的相關標準。

對于水嘴大小的選擇，韓洪升等［2］通過室內實驗得到了不同內徑水嘴壓力損失與流量數據，并繪制了水嘴壓力損失曲線圖版；周理志等［3］運用理論計算方法并結合水嘴壓力損失曲線對水嘴大小進行選擇。王金龍［4］、王衛陽［5］、趙鵬睿等［6］應用FLUENT軟件對傳統水嘴進行了數值模擬，用于現場指導水嘴選配；申曉莉等［7］對新型小流量水嘴進行了設計和數值模擬，實現層間大壓差分層注水；羅必林等［8］應用有限元方法獲得了“U”型可調水嘴流量系數與水嘴開度的關系。海上大排量情況下無纜智能可調水嘴開度的選擇問題還未見統一的指導方案。

基于FLUENT軟件對無纜智能配水器水嘴15級開度及不同流量情況下(0～500 m3/d)所產生的水嘴壓力損失大小進行了模擬，將模擬數據應用于現場11層次的分層調配作業。經驗證，各層調配一次完成，配注合格率達到90%以上。

1 無纜智能配水工藝

無纜智能配水工藝由遠程控制系統、地面控制系統、井下控制系統(井下智能配水器) 3部分構成。遠程控制系統是以Internet遠程控制與數據采集軟件系統為主體的計算機操作平臺。地面控制系統由智能控制電路、通訊系統及軟件系統、電子流量計、電子壓力計、電動調節閥構成，其主要功能是井口流量、壓力數據采集與傳送，井口控制指令接收與執行，井下流量、壓力數據的接收與傳送，井下配水器控制指令轉碼發送，電動閥開度狀態的控制。

井下智能配水器基本結構如圖1所示，其工作原理有別于預置電纜測調技術，它通過地面調制解調器按照用戶遠程指令自動調節井口壓力變化，進而形成特定水嘴開度所對應的壓力波碼。壓力波碼被無纜智能配水器中的壓力傳感器識別后，電動機驅動水嘴開始工作。該技術徹底解決了預置電纜測調技術因密封失效所帶來的問題。

圖1 井下智能配水器Fig.1 Downhole intelligent water regulator

2 水嘴壓力損失數值模擬

2.1 水嘴幾何模型建立

智能可調水嘴采用平面扇形水嘴技術，主要由上部孔板(由電機驅動軸向轉動)和下部孔板組成，流體從上孔板側面入口流入，經上下孔板扇形孔眼流出，幾何模型如圖2(a)所示。智能可調水嘴的扇形截面內徑8 mm，外徑26 mm，分1～14、全開共15個開度，此設計既能滿足海上大排量配注的要求，又能解決層間差異大而造成的配注問題。智能可調水嘴的三維幾何模型導入網格劃分軟件、創建流體邊界，生成計算流體域模型如圖2(b)所示，其計算流體域用以表征智能可調水嘴的內部過流通道。

圖2 水嘴模型Fig.2 Nozzle model

2.2 流場模擬

將計算域模型進行網格劃分后導入FLUENT，選取water liquid作為流體材料，模型選擇標準kepsilon湍流模型，邊界條件設置：入口邊界設為速度入口，具體數值根據過流量和過流截面積而定，湍流強度5%，出口邊界設定為壓力出口。如圖3、圖4所示為排量120 m3/d、過流面積48 mm2情況下所得到的靜壓力云圖和速度矢量圖。從圖中可以看出，壓力損失主要集中在最小過流截面處，壓力損失主要用于克服局部阻力損失和流體速度增加；另外，在水嘴出口處因流道變大靜壓有小幅回升，此時的流體局部阻力損失小于速度減小所帶來的壓力增大。

圖3 壓力云圖Fig.3 Pressure contour

圖4 速度矢量圖Fig.4 Velocity vector

2.3 水嘴壓力損失曲線

經過對15級水嘴開度在不同流量下所對應的壓力損失進行模擬，得到137組不同流量和水嘴開度下所對應的壓力損失值，將其求算數平方根后與對應排量進行曲線擬合，得到壓力損失曲線圖版如圖5所示。從圖中可以看出，同一水嘴開度下，壓力損失平方根與流量之間具有很好的線性關系；在同一流量變化下，水嘴開度越小，水嘴壓力損失變化越大。上述規律符合流體力學局部水力損失公式，可以用于指導現場分層調配作業，其表達式為

式中，ΔP為水嘴壓力損失，MPa；ξ為局部阻力系數；ρ為流體密度，kg/m3；d為水嘴當量直徑，m；Q為流量，m3/d。

圖5 水嘴不同開度壓力損失曲線圖版Fig.5 Chart of pressure loss curve at different nozzle openings

3 現場應用

將模擬后所得到的壓力損失曲線應用于渤海油田3口注水井的分層測調，3口井中最大井斜角78°，最大井深2 468.72 m，單井分注層段最多為5層，單層最大配注達到192 m3/d。從現場調配結果來看，3口井共11個注水層段的水嘴開度選配作業均能夠一次性完成，應用該水嘴壓力損失曲線進行單層測調時間是傳統鋼絲投撈測調時間的1/20，是經驗法調配時間的1/2～1/3。表1為各層主要參數和最終調配結果，各層的配注合格率達到90%以上，完全可以滿足海上大排量注水井分層調配合格率的要求。

4 結論與建議

(1)無纜智能配水器通過壓力波碼的形式進行注水井的分層測調，解決了傳統鋼絲投撈測調工作量大、成本高的難題，也解決了預置電纜測調因密封失效所帶來的局限性，適用于海上分注井，且15級水嘴開度設計完全滿足大排量注水的要求。

(2)試驗井水嘴開度選配作業一次性完成，單層測調時間是傳統鋼絲投撈測調的1/20，是經驗法適配測調的1/2～1/3，配注合格率達到90%以上。模擬水嘴壓力損失與現場實際數據基本吻合，對無纜智能配水器嘴損模擬所得到水嘴壓力損失曲線圖版可直接用于指導現場分層調配作業。

(3)建議后期繼續進行礦場試驗，為海上大排量分注井高效測調提供更多數據支持。

表1 各配注層主要參數和調配結果Table 1 Main parameters and injection allocation results of different injection allocation layers