CFD技術(shù)在防堵塞系列配水嘴設計中的應用

曾亞勤，郭方元，巨亞鋒

（長慶油田分公司a.油氣工藝研究院；b.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021） ①

CFD技術(shù)在防堵塞系列配水嘴設計中的應用

曾亞勤a，b，郭方元a，b，巨亞鋒a，b

（長慶油田分公司a.油氣工藝研究院；b.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021）①

應用CFD（計算流體動力學）技術(shù)模擬配水嘴嘴損特性，分析配水嘴內(nèi)部流動特性，設計了防堵塞新型系列配水嘴。在對新型結(jié)構(gòu)配水嘴的嘴損特性和內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬基礎上，結(jié)合原始孔口水嘴的數(shù)值模擬結(jié)果對新型配水嘴進行了定型和系列化設計。根據(jù)水嘴內(nèi)部流場中壓力和流線的分布，分析了新型配水嘴的節(jié)流原理。結(jié)果表明：模擬配水嘴嘴損所采用的數(shù)學模型和計算方法合理有效，設計了與試驗相符的、滿足工程實際技術(shù)要求的新型系列化防堵塞配水嘴。拓展了CFD技術(shù)應用領域，為新型配水器水嘴的研制和調(diào)配提供了新的方法。

CFD；分層注水；嘴損特性；數(shù)值模擬；防堵塞配水嘴

目前，大多油田呈低滲、低壓、低豐度等特征，開采難度大，成本高［1－2］。分層注水工藝要求配水嘴流量小，嘴損大并且配水量需精確控制［3－4］。因此，穩(wěn)定性好和使用壽命長的防堵塞小流量系列配水嘴的研究和開發(fā)對注水系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行具有重要的意義。

分層注水工藝在測井的基礎上逐漸向系統(tǒng)仿真和數(shù)值模擬的方向發(fā)展。任永良等［5］采用有限元分析方法對井下管柱的水力特性進行了分析和計算。石建設等［6］建立了配水嘴測試調(diào)配的理論模型，通過應用數(shù)據(jù)處理軟件等降低勞動成本、減輕勞動強度、提高測試效率。宋洋等［7］根據(jù)注水實用理論建

CFD（計算流體動力學）技術(shù)已在許多領域得到廣泛應用［8－10］。本文將CFD計技術(shù)應用于防堵塞小流量配水嘴設計及系列化，分析新型系列化水嘴的節(jié)流機理，結(jié)合室內(nèi)試驗驗證了數(shù)值方法的可靠性和設計方法的實用性，以拓展CFD應用范圍，探索出新的配水嘴的設計思路和方法。

1 嘴損特性數(shù)值方法

1.1 控制方程和湍流模型

配水器和配水嘴內(nèi)的流動介質(zhì)為水，可視為不可壓流體，密度ρ為常數(shù)，整個流場為無源場，流動為湍流。流動控制方程包含連續(xù)方程、運動方程及湍流模型方程［11］。

連續(xù)性方程又稱質(zhì)量守恒方程，定常不可壓流場可簡化為

定常情況xi方向上的動量守恒方程為

湍動能k方程為

湍動能耗散率ε方程為

式中，ui為xi方向上的速度分量，m／s；p為靜壓，Pa；Fi為xi方向上的體積力，N；k為湍流動能，k＝為單位體積內(nèi)k的產(chǎn)生率，1／（m·s3）；Ck、Cε1、Cε2、Cμ均為無因次常數(shù)，一般通過典型試驗獲得；ε為湍流動能耗散率，m2／s3。

1.2 配水嘴幾何結(jié)構(gòu)與計算域

防堵塞小流量配水嘴結(jié)構(gòu)如圖1a所示，該水嘴由嘴芯和外壁2部分組成。較原始孔口配水嘴（如圖1b）增加了水嘴內(nèi)部流道的長度，并且多次改變配水嘴內(nèi)部流體的流動方向以增加流體阻力。節(jié)流效果相同時，新防堵塞小流量配水嘴的孔徑遠大于原始孔口水嘴，增加了流體介質(zhì)中雜質(zhì)的通過率；同時，由于流道空腔的增大可以減小地下水回流等原因造成的配水嘴內(nèi)流道結(jié)垢堵塞。

圖1 配水嘴幾何結(jié)構(gòu)

本文進行水嘴設計研究中，通過對配水器水嘴內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，獲得內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)和嘴損。數(shù)值模擬過程中，將配水器水嘴嘴損數(shù)值模擬的計算域相對于實際配水器進行了適當?shù)暮喕?，整體計算域如圖2所示。計算域的軸向長度為500mm，進、出口內(nèi)徑為12mm。由于計算域結(jié)構(gòu)相對復雜，本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體計算網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為150萬。

圖2 配水嘴嘴損計算域與網(wǎng)格

1.3 邊界條件與求解方法

進口邊界給定速度入口，設為均勻來流，流量為0～50m3／d；出口邊界給定壓力出口，取常數(shù)；其余邊界為固壁無滑移邊界；選用k－ε湍流模型和標準壁面函數(shù)。

采用SIMPLEC算法進行速度和壓力場的耦合求解，采用二階迎風差分格式對動量方程、湍動能方程和耗散率方程進行離散。

2 嘴損特性數(shù)值模擬結(jié)果及驗證

2.1 數(shù)值計算方法驗證與分析

本研究針對自行研制的ED4.0（孔徑為4 mm）系列銅質(zhì)水嘴試件，研制過程中進行了模擬井底注水過程的室內(nèi)試驗，試驗裝置如圖3所示。通過嘴損曲線來比較數(shù)值計算和試驗結(jié)果。根據(jù)配水器水嘴嘴損曲線的制作標準［12］，配水嘴的嘴損樣板圖以壓差平方根為縱坐標，以流量Q為橫坐標。由試驗資料和文獻［13］可知，配水嘴的嘴損曲線為一次曲線。為了方便比較，對數(shù)值計算和試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合其中k為擬合曲線斜率，b為截距。

圖3 配水嘴室內(nèi)試驗裝置

D4.0系列水嘴嘴損特性曲線如圖4，可以看出：數(shù)值計算獲得的各水嘴的嘴損曲線和試驗測得的嘴損曲線符合良好，基本一致。數(shù)值計算和試驗得到的嘴損曲線擬合斜率如圖5，可以看出：二者雖有一定偏差，計算結(jié)果比試驗結(jié)果略高，但是計算k值僅比試驗k值高出3%～8%。對比分析表明：本文模擬水嘴流場所采用的數(shù)學模型是有效的，采用的網(wǎng)格和湍流模型是合適的。

圖4 ED4.0系列水嘴嘴損特性曲線

圖5 ED4.0系列水嘴嘴損曲線斜率

2.2 水嘴定型與系列化

新型水嘴結(jié)構(gòu)較原始孔口水嘴結(jié)構(gòu)復雜，影響其嘴損的參數(shù)較多，防堵塞小流量水嘴孔徑的設計范圍為4.0～8.0mm，徑向通孔個數(shù)1～8個，且各徑向通孔間距離可調(diào)。定型此3種參數(shù)進行系列化時，若全部采用試驗的方法必將加工大量的水嘴試驗件進行試驗，耗費大量的人力、物力和財力。本文首先通過數(shù)值模擬的方法計算獲得各種參數(shù)匹配下水嘴的嘴損，結(jié)合原始孔口水嘴的計算嘴損值，給出新型水嘴系列化過程中所需嘴損水嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后加工水嘴試驗件并進行嘴損試驗。

為使圖面清晰，便于對比，僅給出了部分系列化后典型水嘴和對應的原始孔口水嘴嘴損曲線（如圖6）。由圖6可以看出，通過數(shù)值模擬獲得的系列水嘴理論嘴損與試驗嘴損符合良好，僅有個別水嘴需要微調(diào)。由此可見，數(shù)值模擬可以為新型水嘴的設計、定型和系列化節(jié)省大量的工作量，縮短了設計周期，降低了設計成本。

圖6 防堵塞水嘴系列化結(jié)果（部分）

2.3 新型系列化水嘴節(jié)流機理分析

防堵塞小流量水嘴主要通過繞流增加流道長度以增加沿程損失，改變水嘴內(nèi)流體的流動方向及擴大與縮小流道截面積來增加水嘴的局部壓力損失。以典型配水嘴ED4－8K、ED4－1K（孔徑為4.0mm，徑向通孔數(shù)為8和1）和原始2.0mm孔徑配水嘴為例，在25m3／d流量典型工況時的壓力場和流線分布如圖7。圖7a中，配水嘴內(nèi)壓力逐級均勻遞減，特別是180°轉(zhuǎn)向的位置壓力梯度最大，因此流體流向的改變是產(chǎn)生壓力損失的主要原因；圖7b中，在水嘴流道的拐角處形成了一個大的漩渦，漩渦同流道內(nèi)側(cè)徑向通孔間的壁面一起對流體形成了堵塞效應；圖7d中的堵塞效應更為直觀；在最末漩渦的前后產(chǎn)生了明顯的壓降（如圖7c所示），通常認為彎管的損失為二次流所致，但是根據(jù)文獻［14］的分析并結(jié)合防堵塞小流量水嘴結(jié)構(gòu)可知，由于彎道曲率過大，水嘴內(nèi)產(chǎn)生強烈流動分離和渦脫落，由其產(chǎn)生的損失超過了二次流和沿程損失；如圖7e、7f所示，原始孔口水嘴狹窄流道內(nèi)的壓降很小，嘴損主要來源于小孔徑節(jié)流和沿程損失，而不涉及流動分離、渦脫落損失和阻塞效應。由圖6可知，ED4－8K與原始2.0mm孔口配水嘴嘴損相近，但是配水嘴孔徑分別為4.0mm和2.0mm，因此，小流量配水嘴較原始孔口配水嘴具有較明顯的優(yōu)勢。

圖7 25m3／d流量下配水嘴內(nèi)部流壓力場分布和流場流線

3 結(jié)論

1） 應用CFD技術(shù)對ED4.0系列配水嘴的嘴損特性和內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明采用的數(shù)學模型有效，網(wǎng)格和湍流模型合理。

2） 基于配水嘴嘴損特性的數(shù)學模型結(jié)合配水嘴室內(nèi)試驗，對防堵塞新型配水嘴進行了定型和系列化，獲得了新型系列配水嘴的嘴損曲線。

3） 通過配水嘴流場流態(tài)的數(shù)值模擬，分析了防堵小流量水嘴的節(jié)流機理，為新型水嘴的進一步研究打下了基礎。

4） 本文所建立的配水嘴設計思路和方法對其他配水嘴研制同樣適用，特別是適用于新型水嘴設計初期和水嘴系列化過程中。通過數(shù)值計算可以節(jié)省大量的時間和設計成本，同時拓展了CFD應用領域，對配水嘴的調(diào)配和分層注水工藝研究都有一定指導意義。

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Application of CFD Techniques in Design of the Anti－Clogging Small Flow Choke

ZENG Ya－qina，b，GUO Fang－yuana，b，JU Ya－fenga，b
（a.Oil and Gas Technology Research Institute；b.Low－permeability Oil and Gas Exportion and Development of National Engineering Laboratory，Changqing Oilfield Company，Xi’an710021，China）

To develop a new series anti－clogging chokes and discuss the pressure－loss characteristics of it，numerical simulations were made with CFD software，meanwhile，the serialization of the new series of chokes was made by using the numerical results of the traditional chokes.The throttle principle of the new type chokes was analyzed by the distribution of pressure and streamlines in internal region of choke.The result shows that：the numerical models and computational methods for pressure－loss simulation of chokes used in this paper were correct and effective and acquired results of the serial chokes which agreed well with experiment and could meet the engineering needs.This expanded the application field of CFD technology and provided references for the design and deployment of new type chokes.

CFD；zonal injection；pressure－loss characteristics of choke；numerical simulation；anticlogging choke

1001－3482（2011）12－0076－05

TE934.1

A

2011－06－13

中石油科研開發(fā)項目“長慶油田精細分層注水工藝技術(shù)現(xiàn)場試驗”（1002－1－4）

曾亞勤（1965－），男，湖北黃陂人，高級工程師，博士，主要從事采油工藝技術(shù)研究與管理工作。立了注水井節(jié)點系統(tǒng)分析的數(shù)學模型，可為配水嘴的選配提供參考。以上研究都取得了良好的結(jié)果，但其數(shù)學模型中對配水嘴的描述均采用試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式，不適用于新配水嘴的設計和計算。