液控注水閥水嘴流量特性仿真與試驗(yàn)研究

黃小鳳，胡 松

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452;2. 海油來(lái)博(天津)科技股份有限公司，天津 300452)

液壓控制智能完井技術(shù)是在完井時(shí)將液控注水閥下入到預(yù)定層位，在地面通過液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液控注水閥的開度，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)層位的注水流量調(diào)節(jié)。液壓控制智能完井技術(shù)具有穩(wěn)定性高、高溫可靠性高等優(yōu)勢(shì)[1-7]。智能完井系統(tǒng)是1個(gè)實(shí)時(shí)的注采管理網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)利用放置在井下的永久性傳感器實(shí)時(shí)采集井下設(shè)備的工況數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)層段的壓力、溫度、流量等參數(shù)，經(jīng)過地面決策系統(tǒng)處理完成后，操作井下生產(chǎn)滑套，完成對(duì)油藏開發(fā)參數(shù)的調(diào)整。液控分層注水管柱作為智能完井系統(tǒng)的組成部分，利用液控注水閥實(shí)現(xiàn)井下注入流量的調(diào)節(jié)。每1個(gè)注入層位分別下入1套液控注水閥，通過地面液壓站輸出液壓信號(hào)，通過液控管線實(shí)現(xiàn)井下液控注水閥的開度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)注入流量的調(diào)節(jié)。井下調(diào)節(jié)系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)組成，具有耐高溫、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[8-12]。

液控注水閥用于精細(xì)的調(diào)節(jié)井下的注入流量，是液控注水系統(tǒng)的核心組成部分。盡管國(guó)內(nèi)在注水井注入閥水嘴設(shè)計(jì)方面展開了較為深入的研究，但到目前為止尚未形成一套成熟的工藝技術(shù)。液控注水閥的核心技術(shù)是水嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)合理的水嘴結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)井下注入流量的全覆蓋和精細(xì)調(diào)節(jié)。Baker Hughes、Schlumberger、ABB幾家公司都開發(fā)了相關(guān)的井下液控閥產(chǎn)品，Baker Hughes開發(fā)的InForce系統(tǒng)液控閥采用全開、全關(guān)及6個(gè)節(jié)流位置(油管總節(jié)流面積的3%、6%、9%、12%、15%、21%)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小注入流量的精細(xì)調(diào)節(jié)，對(duì)于大注入流量無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)的調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)井下注水流量精細(xì)調(diào)控的目的，有必要進(jìn)一步針對(duì)渤海油田開發(fā)的特點(diǎn)，對(duì)液控注水閥的水嘴流量特性進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，研究液控注水閥的流量-壓力損失特性，從而得到流量-壓力損失圖版，指導(dǎo)液控注水閥的水嘴設(shè)計(jì)。

1 液控閥水嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液控分層注水工藝管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。管柱主要由液控滑套、井下參數(shù)檢測(cè)器、液控管線、定位密封、插入密封安全閥等組成。每1個(gè)層位分別下入1套液控滑套，地面裝置通過液控管線實(shí)現(xiàn)液控滑套的控制，井下參數(shù)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)井下溫度、壓力、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過該工藝管柱，實(shí)現(xiàn)井下注水量的分層調(diào)節(jié)。

液控注水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)核心是在有限的擋位條件下，通過水嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，滿足液控閥設(shè)計(jì)流量參數(shù)，同時(shí)滿足精細(xì)調(diào)節(jié)的需求。液控注水閥的水嘴的如圖2所示，在中心管上開不同直徑的孔眼。在液控閥進(jìn)行注水時(shí)，井口注入水通過管柱到達(dá)中心管處，通過中心管設(shè)置的孔眼，到達(dá)注入層位。在不同擋位時(shí)，中心管上下移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整不同的孔眼個(gè)數(shù)，即，調(diào)整當(dāng)前層位過流面積，完成注入量的調(diào)節(jié)。

圖1 液控分層注水工藝管柱結(jié)構(gòu)

圖2 液控注水閥的水嘴結(jié)構(gòu)

從水嘴中流出的水通過中心管流入地層中。由于地層環(huán)境已充滿高壓液體，水嘴中液體的流量計(jì)算適用于淹沒出流公式：

(1)

式中：qV為流量，m3/s；Δp為液體流出孔眼前后的壓差，MPa；Cd為流量系數(shù)；A為孔眼的過流面積，m2；ρ為流體密度，kg/m3。

筆者初始設(shè)計(jì)的液控注水閥的水嘴直徑參數(shù)如表1所示。

表1 液控注水閥的水嘴直徑初始設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)管徑與孔徑之比d/D≤1/7時(shí)，Cd=0.6～0.61。本文取Cd=0.605。通過計(jì)算得到1～6擋位孔徑水嘴壓損與流量關(guān)系，如圖3所示。

圖3 初始設(shè)計(jì)的水嘴流量-壓差理論計(jì)算曲線模板

通過圖3計(jì)算得到，在初始設(shè)計(jì)下，在第6擋時(shí)，液控注水閥的最大開度當(dāng)量直徑為7.34 mm，在4 MPa壓差下，最大流量為200 m3/d。無(wú)法滿足大流量注水的需求，因此需要對(duì)孔眼尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 液控閥水嘴流量特性有限元分析

為驗(yàn)證理論計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，利用FLUENT軟件對(duì)液控注水閥的水嘴進(jìn)行流場(chǎng)模型建立。流體在閥內(nèi)流動(dòng)情況比較復(fù)雜，為了模擬的可行性，對(duì)流場(chǎng)模型做以下假設(shè)：

1) 介質(zhì)為不可壓縮牛頓流體，密度為1 000 kg /m3。

2) 流場(chǎng)內(nèi)不考慮熱傳遞現(xiàn)象。

3) 流場(chǎng)為單向流，只存在流體流動(dòng)，沒有其他介質(zhì)。

流場(chǎng)的邊界條件：

1) 流體與壁面接觸邊界為靜止，且無(wú)滑移壁面。

2) 入口條件選擇壓力邊界入口。

3) 出口條件選擇壓力邊界出口。

建立的液控注水閥水嘴的開口流場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4 液控注水閥的水嘴開口流場(chǎng)模型

分析了不同水嘴開度，在不同壓差狀態(tài)下的流量-壓差關(guān)系。不同開度液控注水閥水嘴流場(chǎng)分布云圖如圖5所示，可以看出，液體在水嘴出口處，速度急劇變大，最大速度出現(xiàn)在水嘴出口處。通過有限元分析得到不同壓力下流量-壓差關(guān)系曲線，如圖6所示。

a-整體結(jié)構(gòu)分布云圖；b-Ⅱ擋流場(chǎng)分布云圖；c-Ⅵ擋流場(chǎng)分布云圖；d-七擋流場(chǎng)分布云圖圖5 不同開度液控注水閥的水嘴流場(chǎng)速度分布云圖

圖6 液控注水閥的水嘴流量-壓損理論分析關(guān)系曲線模板

3 水嘴流量特性試驗(yàn)

為驗(yàn)證理論計(jì)算、有限元分析的水嘴流量-壓差特性曲線關(guān)系，對(duì)液控注水閥水嘴進(jìn)行流量-壓差關(guān)系試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖7所示。

可調(diào)水嘴管件孔眼直徑初始值為3 mm，完成1組試驗(yàn)后，擴(kuò)孔至3擋位，依次遞增至6擋位。可調(diào)管件前后設(shè)置有壓力傳感器及流量計(jì)，記錄水嘴前后壓差及經(jīng)過水嘴流量。通過試驗(yàn)得到不同孔徑液控注水閥的水嘴流量-壓損關(guān)系。以3 mm水嘴為例，其流量-壓差關(guān)系如圖8所示。

圖7 液控注水閥的水嘴流量-壓差試驗(yàn)流程

圖8 注水閥第1擋位(3 mm水嘴)的流量-壓差試驗(yàn)曲線

(2)

4 液控閥水嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過理論分析、有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了不同壓差下，不同水嘴開度情況下流量-壓差關(guān)系。選取了Ⅰ擋、Ⅲ擋、Ⅵ擋的閥開度，進(jìn)行理論分析、模擬計(jì)算及試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如表2所示。

表2 不同孔徑液控閥水嘴的流量-壓差數(shù)據(jù)對(duì)比

表2表明，對(duì)于設(shè)計(jì)的8個(gè)擋位液控注水閥，有限元分析值和試驗(yàn)值比較接近。按照經(jīng)驗(yàn)值取流量系數(shù)，計(jì)算值偏小，最大誤差為22.58%，平均誤差約為15%。

對(duì)液控閥水嘴重新設(shè)計(jì)，6個(gè)擋位中最小直徑為3 mm，最大直徑為7 mm，最大當(dāng)量直徑為12.29 mm，全開擋位當(dāng)量直徑為51.49 mm。在第6個(gè)擋位時(shí)，4 MPa壓差下，最大流量為621 m3/d。通過理論分析、有限元分析、試驗(yàn)驗(yàn)證[13-5]，在8個(gè)擋位液控注水閥設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的水嘴直徑值，實(shí)現(xiàn)流量0～600 m3/d的精細(xì)化調(diào)控。液控注水閥的水嘴直徑優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 液控注水閥的水嘴直徑優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)論

1) 基于流體力學(xué)模型建立了液控閥水嘴的注入流量-壓差關(guān)系曲線模型，并通過理論分析、有限元模擬計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，驗(yàn)證了不同擋位下液控注水閥的水嘴流量-壓差關(guān)系曲線，得到流量-壓差關(guān)系模版。

2) 對(duì)于設(shè)計(jì)的8個(gè)擋位液控注水閥，有限元分析值和試驗(yàn)值比較接近。按照經(jīng)驗(yàn)值取流量系數(shù)，計(jì)算值偏小，最大誤差為22.58%。因此，需要對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行修訂，修訂的流量系數(shù)Cd=0.726。

4) 研究結(jié)果為液控分層注水工藝的開發(fā)，以及液控注水閥的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。