多水嘴配注技術(shù)嘴損試驗(yàn)研究

鄭 舉，劉長龍，徐興安，張鳳輝，楊萬有

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司蓬勃作業(yè)公司生產(chǎn)作業(yè)部，北京100027；2.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司鉆采工程研究所，天津300452）①

多水嘴配注技術(shù)嘴損試驗(yàn)研究

鄭 舉1，劉長龍1，徐興安2，張鳳輝2，楊萬有2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司蓬勃作業(yè)公司生產(chǎn)作業(yè)部，北京100027；2.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司鉆采工程研究所，天津300452）①

空心集成配注技術(shù)采用多個(gè)水嘴來控制注水井各層段注入量，得到水嘴壓力損失與流量的關(guān)系，有助于指導(dǎo)作業(yè)現(xiàn)場的水嘴選擇。通過理論分析可知，空心集成配水器水嘴結(jié)構(gòu)滿足薄壁圓形小孔出流條件。設(shè)計(jì)了水嘴嘴損試驗(yàn)，得到不同水嘴個(gè)數(shù)和不同直徑水嘴的流量系數(shù)，驗(yàn)證了理論分析的正確性，并得到可應(yīng)用于現(xiàn)場的水嘴壓力損失與流量的關(guān)系式。

空心集成配注；多水嘴；嘴損；流量

海上油田注水井單井注入量大，一般單井注入量為450～1 000 m3／d，單層最大注入量能達(dá)到600 m3／d，且井斜較大（30°～60°），而陸地油田單井注入量最大僅為300～400 m3／d［1］。由于層間矛盾和吸水差異性日益突出，海上油田有更精細(xì)的注水開發(fā)需求［2-3］。為有效實(shí)施對(duì)高、中、低滲透層分層配注的控制，開發(fā)了多水嘴空心集成分層配注技術(shù)，采用不同個(gè)數(shù)及規(guī)格水嘴來實(shí)現(xiàn)各層段注入量的控制?？招募膳渌鹘Y(jié)構(gòu)包括工作筒、空心堵塞器及測試工具，在空心堵塞器上設(shè)置有水嘴，水嘴數(shù)量為1～6個(gè)，可以根據(jù)現(xiàn)場注水情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于同一層采用多水嘴控制／調(diào)配層段大配注量技術(shù)在國內(nèi)較少開展，鑒于此狀況，通過試驗(yàn)尋求多水嘴的流量與壓差關(guān)系具有重要意義。同時(shí)根據(jù)實(shí)際水嘴嘴損試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的流量與嘴損理論公式。嘴損理論公式可用于制訂嘴損圖版，指導(dǎo)作業(yè)現(xiàn)場水嘴的選擇和注水井單層調(diào)配工作。

1 多水嘴配注技術(shù)水嘴結(jié)構(gòu)理論分析

多水嘴空心集成分層配注技術(shù)采用同一配注層段，最多可徑向安裝6個(gè)水嘴進(jìn)行水量的調(diào)配。所設(shè)計(jì)水嘴尺寸為長度5 mm、外徑?12 mm、孔徑為?3.0～7.0 mm、按0.2 mm遞增的一系列水嘴。

注水作業(yè)時(shí)，安有水嘴的配注工具下入深度約為1 000 m，且注水壓力均大于1 MPa，注水壓力較為穩(wěn)定，水嘴孔徑與下入深度的比值遠(yuǎn)大于1／10。結(jié)合水嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配注水嘴的出流條件滿足定水頭下薄壁圓形小孔口的出流條件，可套用定水頭下薄壁圓形小孔口出流的理論公式，即

式中：Q為流量，m3／s；μ為流量系數(shù)（實(shí)際流量與理想流量之比）；A為水嘴面積，m2；g為重力加速度，m／s2；H水嘴前、后水頭差，m。

對(duì)于同一層段采用多個(gè)水嘴，參照并聯(lián)管路的理論，可以得知：同一層段各個(gè)水嘴的流量之和等于單層的注入量；同一層段各個(gè)水嘴內(nèi)流過單位質(zhì)量的流體時(shí)，阻力損失相等。這是因?yàn)樵诜€(wěn)定流條件下，多水嘴前后的水頭必然維持穩(wěn)定，因而能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)水嘴的能量，使各個(gè)水嘴的損失都相等。

由于水嘴結(jié)構(gòu)相同，因此可以作出如下2點(diǎn)假設(shè)：

1） 對(duì)于同種結(jié)構(gòu)，直徑不同的單個(gè)水嘴有相同流量系數(shù)。

2） 對(duì)于同種結(jié)構(gòu)，多個(gè)水嘴與1個(gè)水嘴有相同流量系數(shù)。

單個(gè)水嘴情況下，基于假設(shè)1）可以推知，不同直徑的水嘴均滿足式（1）。在多個(gè)水嘴的情況下，基于假設(shè)1）和假設(shè)2）可得

即多水嘴情況下的水嘴壓力損失和流量的關(guān)系也滿足式（1），此時(shí)的水嘴面積A為各水嘴過流面積之和。

針對(duì)上述假設(shè)，并結(jié)合注水調(diào)配所需嘴損模版，通過不同個(gè)數(shù)的水嘴在5個(gè)不同注入壓力情況下流量-壓力關(guān)系的模擬試驗(yàn)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以驗(yàn)證上述假設(shè)成立與否。如果假設(shè)與試驗(yàn)結(jié)果相符，可利用求出的水嘴流量系數(shù)對(duì)實(shí)際配水進(jìn)行水嘴大小的選擇，以便調(diào)配注水量。

2 水嘴嘴損試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件及特點(diǎn)

1） 動(dòng)力源 Halliburton五柱塞泥漿泵，排量120～2 200 m3／d，壓力0～69 MPa。

2） 水嘴試驗(yàn)裝置 可以同時(shí)安裝不同直徑、不同個(gè)數(shù)的水嘴進(jìn)行試驗(yàn)。

3） 壓力傳感器 壓力等級(jí)35 MPa，用以記錄水嘴前后壓差。

4） 直讀式電磁渦街流量計(jì) 量程0～90 m3／h，用以記錄通過水嘴的瞬時(shí)流量。

5） 陶瓷水嘴 長度5 mm、外徑?12 mm、孔徑為?3.0～7.0 mm、按0.2 mm遞增的一系列水嘴，21種直徑。試驗(yàn)時(shí)分別錄取安裝不同個(gè)數(shù)（1～6個(gè)）、相同規(guī)格尺寸的水嘴在5種不同注入壓力的流量-壓力關(guān)系。

6） 試驗(yàn)流程 如圖1所示，泵從儲(chǔ)水罐吸水加壓，經(jīng)過水嘴試驗(yàn)裝置直接排回到儲(chǔ)水罐（相當(dāng)于放空）。流程上的壓力表和流量計(jì)分別記錄水嘴裝置前后壓力和通過水嘴的流量。

圖1 多水嘴嘴損試驗(yàn)流程

2.2 試驗(yàn)過程

連好試驗(yàn)流程，開始多水嘴嘴損試驗(yàn)。分別將不同個(gè)數(shù)和規(guī)格的水嘴安裝在裝置中，啟動(dòng)柱塞泵，調(diào)節(jié)泵排量，當(dāng)排量、壓力穩(wěn)定后（穩(wěn)壓3 min），記錄流量、嘴前壓力、嘴后壓力數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際情況（泵最大排量和水嘴直徑），共錄取5組不同壓力和流量值，得出嘴損曲線。

按上述方法本試驗(yàn)共需完成630組數(shù)據(jù)的采集。實(shí)際操作過程中，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理分析后，對(duì)不理想的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)做，實(shí)際完成700多組數(shù)據(jù)的采集。

2.3 原始數(shù)據(jù)分析

首先需要通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證，對(duì)于多水嘴空心集成配水器來說，其嘴損規(guī)律是否滿足薄壁圓形小孔出流條件。因此，需要對(duì)試驗(yàn)獲取的各種不同直徑不同水嘴個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1。

由于試驗(yàn)所錄取數(shù)據(jù)太多，在此不一一列舉，僅以孔徑為?5.0 mm水嘴采集的相關(guān)數(shù)據(jù)和所做流量-壓力曲線為例。

表1 ?5.0 mm水嘴測試數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)水嘴結(jié)構(gòu)理論分析及對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析，單個(gè)水嘴與多個(gè)水嘴均滿足薄壁圓形小孔出流條件，并滿足式（1）。只是多個(gè)水嘴的流量系數(shù)與1個(gè)水嘴的流量系數(shù)是否相同，有待證實(shí)。因此，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，做出每組水嘴的Q與關(guān)系曲線，然后通過多點(diǎn)擬合做出過原點(diǎn)的趨勢(shì)線，求出趨勢(shì)線斜率k。根據(jù)前述Q與的理論公式有以下關(guān)系式成立：k＝，由此可以得到不同孔徑不同個(gè)數(shù)水嘴的流量系數(shù)μ，如表2。

圖2 ?5 mm水嘴Q與 2g H關(guān)系曲線

表2 不同直徑及不同水嘴個(gè)數(shù)流量系數(shù)

為證實(shí)結(jié)果的可信度，對(duì)誤差作統(tǒng)計(jì)分析。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：80.2%與平均值的誤差都在5%以內(nèi)，11.9%的誤差在5%～10%，只有7.9%的誤差在10%以上，由此可見結(jié)果是可信的。而且誤差較大數(shù)據(jù)通常出現(xiàn)在直徑較小的水嘴上，與實(shí)際試驗(yàn)條件（泵啟動(dòng)排量大，壓力高，造成數(shù)據(jù)采集較為困難）也是相符的，因此整個(gè)試驗(yàn)是成功的，結(jié)果是可應(yīng)用到現(xiàn)場的。

由表2可以看出：在1個(gè)水嘴的情況下，不同直徑水嘴的流量系數(shù)基本相同，該結(jié)果驗(yàn)證了假設(shè)一的正確性；在直徑相同的情況下，不同水嘴個(gè)數(shù)的流量系數(shù)也基本相同，該結(jié)果驗(yàn)證了假設(shè)2）的正確性。

由此結(jié)果可以得到該次試驗(yàn)所用空心集成多水嘴配水器出流理論公式，即

式中：A為水嘴過流總面積，m。

將國際單位換算為現(xiàn)場常用單位，可以得到適用于現(xiàn)場的水嘴嘴損公式為式中：Δp為水嘴壓力損失，MPa；Q為水嘴流量，m3／d；A為水嘴過流面積，mm2。

該公式適用于空心集成目前已有的水嘴，流體為水。通過嘴損公式可以計(jì)算注水現(xiàn)場配注量下的水嘴壓力損失，也可采用該公式制作水嘴嘴損圖版，用于指導(dǎo)現(xiàn)場注水工作和水嘴的選用。

3 結(jié)論

1） 研究了多水嘴配注技術(shù)的試驗(yàn)方案，探索了多個(gè)水嘴以及不同直徑的嘴損規(guī)律。

2） 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了此種配水器水嘴結(jié)構(gòu)的流體特性符合薄壁圓形小孔出流規(guī)律。且驗(yàn)證了對(duì)于同種結(jié)構(gòu)、直徑不同的單個(gè)水嘴有相同流量系數(shù)；對(duì)于同種結(jié)構(gòu)，多個(gè)水嘴與1個(gè)水嘴有相同流量系數(shù)。

3） 由經(jīng)過驗(yàn)證的假設(shè)1）和假設(shè)2）可知，對(duì)于2個(gè)或多個(gè)不同直徑的水嘴組合，也服從同樣的嘴損規(guī)律，在同樣嘴損情況下，流過不同直徑組合水嘴的總流量與其面積之和成正比。

4） 對(duì)于同樣的結(jié)構(gòu)，用增加孔徑和增加水嘴個(gè)數(shù)來增加過流面積，符合同樣的規(guī)律。多水嘴為配注提供了更多的面積序列，這樣為流量控制帶來了更多的方便和可行性。

［1］ 羅昌華，程心平，劉敏，等.海上油田同心邊測邊調(diào)分層注水管柱研究及應(yīng)用［J］.中國海上油氣，2013，25（4）：46-48.

［2］ 宋祖廠，劉揚(yáng)，蓋旭波，等.橋式同心分注技術(shù)及其在深斜井中的應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（7）：62-65.

［3］ 劉艷霞，姜廣彬，郭林園.空心可調(diào)配水器優(yōu)化研究與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（7）：74-77.

［4］ 申曉莉，于九政，王子健.新型小流量水嘴的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：83-86.

［5］ 張建，范鳳英.分注井水嘴直徑選擇的研究與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2004，33（增刊）：60-63.

［6］ SY／T5906—2012，配水嘴嘴損曲線圖版制作方法［S］.

Experimental Study on the Throttle Pressure Loss of Multi-throttle Injection Allocation Technology

ZHENG Ju1，LIU Chang-long1，XU Xing-an2，ZHANG Feng-hui2，YANG Wan-you2
（1.Pengbo Operating Company Production Operation Department，CNOOC（China）Limited-Tianjin，Beijing 100027，China；2.Oilfield Engineering Institute，CNOOC Energy Technology&Services Limited，Tianjin 300452，China）

Hollow and integrated injection allocation technology controls the injection rate of different layers by multiple throttles，the relation between multi-throttle pressure loss and flow rate can be used to choose throttle specify.With theoretical analysis，the throttle structure of hollow and integrated water injector meet the condition of thin round wall-orifice flow.By experimental investigation，discharge coefficients of throttle with different quantity and different diameter were obtained，the theoretical analysis was proved to be correct，relation between multi-throttle pressure loss and flow rate for field application was derived.

hollow and integrated injection allocation technology；multi-throttle；throttle pressure loss；flow rate

TE934.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.010

1001-3482（2014）07-0037-05

2014-01-13

中海石油（中國）有限公司重大項(xiàng)目（CNOOC-KJ 125 ZDXM 06 LTD）

鄭 舉（1979-），男，河南濟(jì)源人，工程師，碩士，主要從事海上油田采油工藝技術(shù)研究與應(yīng)用工作，E-mail：zhengju＠cnooc.com.cn。