分層注水可調(diào)水嘴調(diào)節(jié)能力仿真計(jì)算與分析

羅必林,巨亞鋒(低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

申曉莉,畢福偉 (中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018)

分層注水可調(diào)水嘴調(diào)節(jié)能力仿真計(jì)算與分析

羅必林,巨亞鋒(低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室)

申曉莉,畢福偉 (中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西西安710018)

注水量精確控制是分層注水工藝的難點(diǎn),特別是低滲透油藏的小水量分層注水控制尤為困難。根據(jù)智能注水井可調(diào)水嘴的控制機(jī)制,建立了二層分層注水的系統(tǒng)水力學(xué)模型。應(yīng)用有限元方法獲得了“U”形可調(diào)水嘴的流量系數(shù)與水嘴開度的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上數(shù)值求解二層注水系統(tǒng)水力學(xué)模型,模擬計(jì)算了注水量和地層吸水壓力變化對(duì)水嘴開度的影響。結(jié)果表明,注水量和異常的地層壓力是制約自動(dòng)水嘴調(diào)節(jié)能力的最重要因素,過小的注水量和異常的地層吸水壓力會(huì)導(dǎo)致水嘴開度過小而無法正常工作。

分層注水;可調(diào)水嘴;流量系數(shù);仿真計(jì)算

1 分層注水系統(tǒng)水力學(xué)模型

如圖1所示帶有可調(diào)水嘴的分層注水系統(tǒng)水力學(xué)理論模型,該模型由2個(gè)注水層構(gòu)成,每個(gè)注水層安裝有1個(gè)節(jié)流水嘴。根據(jù)靜水壓力平衡關(guān)系,可以得到:

式中:ΔpTL為地面到第1注水層油管的沿程阻力損失,Pa;ΔpTH為2層之間油管內(nèi)的沿程阻力損失,Pa。

圖1 分層注水水力學(xué)模型示意圖

2 油管內(nèi)沿程阻力損失

油管內(nèi)的壓力損失計(jì)算可以采用圓管沿程阻力損失公式計(jì)算,井口到第1注水層的壓力損失為:

2層間的壓力損失為:

式中:λ為摩阻因數(shù),1;ρ為流體的密度,kg/m3;d

為油管直徑,m。其中摩阻因數(shù)的計(jì)算依賴于油管內(nèi)的流態(tài),也就是雷諾數(shù)Re的取值:

式中:μ為流體的動(dòng)力黏度,N·s/m2;S=πd2/4為油管截面積,m2。當(dāng)Re＜2000時(shí)(層流狀態(tài)),流道的摩阻因數(shù)為:

當(dāng)Re≥2000時(shí)(層流過渡到紊流),流道的摩阻因數(shù)(油管內(nèi)壁光滑)為:

計(jì)算時(shí),根據(jù)流量參數(shù)計(jì)算油管內(nèi)的雷諾數(shù)Re,然后按照式(4)或式(5)計(jì)算摩阻因數(shù),將摩阻因數(shù)代入到式(2)或式(3)中即可得到油管內(nèi)的壓力損失。

3 可調(diào)水嘴的局部阻力

固定式圓孔水嘴的流阻計(jì)算較為容易,也可以通過試驗(yàn)測(cè)得。對(duì)于過流面積可變、且為非圓形的孔口,采用理論計(jì)算存在困難。下面采用解析與有限元模擬計(jì)算相結(jié)合的方法來確定可調(diào)水嘴的局部阻力。

孔板流量計(jì)等圓形薄壁孔口的流阻計(jì)算是通過阻力系數(shù)來標(biāo)定,一般用下式計(jì)算:

式中:對(duì)于一固定機(jī)構(gòu)尺寸的孔口,局部阻力系數(shù)ζ為定值?？烧{(diào)水嘴的過流面積是變化的,其摩阻因數(shù)也是變化的,因此將水嘴的壓差ΔpN表示為:

式中:水嘴流量系數(shù)Cd(x)和過流面積A(x)是水嘴開度x的函數(shù)。

3.1 可調(diào)水嘴的結(jié)構(gòu)與過流面積計(jì)算

可調(diào)水嘴是智能注水井最重要的組成部分之一,其技術(shù)核心在于水嘴過流面積可調(diào)。水嘴閥芯閥套上設(shè)計(jì)有各種形狀的節(jié)流槽,這些節(jié)流槽要求具有水力半徑大、過流面積梯度容易調(diào)節(jié)、抗阻塞性能強(qiáng)、流量控制范圍大等特點(diǎn)。因此一般采用 “U”型節(jié)流結(jié)構(gòu)。節(jié)流槽兩端是半徑為R的半圓形,中間部分是矩形,如圖2所示。當(dāng)需要調(diào)節(jié)注水量時(shí),通過機(jī)械或液壓的方式改變過流通道的開度x,從而改變水嘴的局部阻力,流量發(fā)生相應(yīng)的變化。

水嘴的過流面積A(x)是水嘴開度x的函數(shù)。如圖3過流面積可分為3種情況計(jì)算,可用分段函數(shù)表示如下:

圖2 “U”型節(jié)流口示意圖

圖3 節(jié)流口過流面積計(jì)算圖

對(duì)于不變的孔口,其流量系數(shù)為定值,可以通過試驗(yàn)測(cè)得。而對(duì)于可變水嘴,其截面形狀和過流面積都是隨著開度x變化的,因此采用有限元軟件仿真計(jì)算流量系數(shù)Cd(x)。

3.2 可調(diào)水嘴流量系數(shù)數(shù)值仿真

根據(jù)圖(2)所示的水嘴結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)R=2.25mm,h=12mm的“U”型水嘴機(jī)構(gòu),建立有限元仿真計(jì)算模型。如圖4所示是水嘴開度為25%時(shí)流體的速度云圖。通過仿真得到如圖5所示的水嘴開度與流量系數(shù)的關(guān)系。

根據(jù)有限元仿真計(jì)算得到的流量系數(shù)數(shù)據(jù),可以擬合出流量系數(shù)與水嘴開度的關(guān)系曲線。采用樣條差值對(duì)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,獲得水嘴開度與流量系數(shù)的關(guān)系式:

如果已知流量和水嘴的幾何參數(shù),根據(jù)擬合式(9)計(jì)算流量系數(shù)Cd(x),用式(8)計(jì)算水嘴節(jié)流面積A(x),就可以按照式(8)計(jì)算水嘴的壓差。

圖4 開度為25%水嘴有限元仿真圖

4 分層注水系統(tǒng)仿真計(jì)算與分析

根據(jù)注水設(shè)計(jì),在特定層位注入給定的注水量。為了實(shí)現(xiàn)分層注入量的精確控制,通過調(diào)節(jié)每層水嘴開度,達(dá)到調(diào)節(jié)注水量的目的。因此系統(tǒng)的已知輸入量為單層的注水量和井下地層的吸水壓力。下面以2層分層注水系統(tǒng)來進(jìn)行水力學(xué)分析。

已知全井注水量為Qo,第1層注水量為Q1,第2層注水量Q2,Q0=Q1+Q2,井下地層的第1層注入壓力p1,第2層注入壓力p2。設(shè)第1層水嘴開度x1,第2層水嘴開度x2,地面注入壓力p0,將式(2)、(3)、(7)、(8)代入到式(1)中,得到:

圖5 水嘴開度與流量系數(shù)關(guān)系曲線

將式(10)中兩式相減,得到:

式(11)中,按照注水設(shè)計(jì)及地層壓力參數(shù),已知注水層壓力p1、p2,注水量Q1、Q2,注水管柱和水嘴結(jié)構(gòu)尺寸已知,水嘴開度x1、x2兩個(gè)未知數(shù)在一個(gè)方程中。如果給定一個(gè)水嘴的開度,就可以計(jì)算出另一個(gè)水嘴的開度。由此來分析水嘴開度與注入量和井下注水壓力的關(guān)系。

理論上,無論注水量和井下壓力處于什么狀態(tài),都可以通過控制水嘴的開度來調(diào)節(jié)注入量。但在工程上,如果水嘴開度太小,容易發(fā)生水嘴堵塞導(dǎo)致注水無法實(shí)現(xiàn)的問題。通過仿真計(jì)算,確定不同注水壓力和注入量情況下水嘴的可調(diào)范圍。表1給出了2層注水井的基本參數(shù),通過數(shù)值算法求解方程(11)。

表1 分層注水系統(tǒng)水力學(xué)模擬計(jì)算參數(shù)表

4.1 地層吸水壓力相同、注水量相同時(shí)水嘴開度仿真計(jì)算

這里設(shè)定2個(gè)注水層注入壓力均為27MPa,但由于注水層之間存在高度差,為使2層的注水量相同,就必須通過調(diào)節(jié)2層的水嘴開度達(dá)到2層注水量相同的目的。模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示。可以看出,要使自動(dòng)調(diào)節(jié)水嘴開度大于20%,注水流量需要在15m3/d以上,否則第2層的水嘴開度太小。當(dāng)流量較大時(shí),2層水嘴開度調(diào)節(jié)的空間會(huì)逐漸增大。

4.2 地層注水壓力不同、注水量相同時(shí)水嘴開度仿真計(jì)算

設(shè)定p1=27MPa,p2=27.5MPa,模擬計(jì)算上下2層數(shù)控水嘴的開度情況,結(jié)果如圖7所示。由于地層注水壓力的不同,導(dǎo)致2層水嘴開度組合顯著變化。注水壓力較低地層的水嘴開度明顯小于壓力較高地層的水嘴開度。當(dāng)流量小于15m3/d時(shí),第1層水嘴開度小于15%,工程上難以實(shí)現(xiàn)正常注水流量控制。

圖8為p1=27.5MPa、p2=27MPa時(shí)水嘴開度的仿真結(jié)果,在這種情況下,第2層水嘴的開度都很小,只有流量超過30m3/d時(shí),可以達(dá)到20%的開度,在實(shí)際調(diào)節(jié)中具有實(shí)際意義。當(dāng)流量較小時(shí),第2層水嘴的開度較小,可供水嘴調(diào)節(jié)的空間很小,難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)分層注水。

圖6 注水壓力和注水量相同水嘴開度變化曲線

圖7 第2層注水壓力高于第1層、注水量相同時(shí)水嘴開度變化曲線

圖8 第2層注水壓力低于第1層、注水量相同時(shí)水嘴開度變化曲線

4.3 地層吸水壓力相同、注水量不同時(shí)水嘴開度仿真計(jì)算

將第1層流量固定為15m3/d,第2層流量依次從10m3/d上升到35m3/d,從圖9所示仿真計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著第2層流量的增大,第2層水嘴的開度隨之增加。如果第1層注水量確定為15m3/d,則第2層注水量需要超過25m3/d的情況下,水嘴開度才能達(dá)到20%。

將第2層流量固定為15m3/d,第1層流量依次從10m3/d上升到35m3/d。從圖10中可以看出,第2層水嘴開度不斷減小,在此情況下,第2層水嘴始終小于20%的開度。

圖9 注水壓力相同注水量不同時(shí)水嘴開度變化曲線

圖10 注水壓力相同注水量不同時(shí)水嘴開度變化曲線

5 結(jié)論

基于流體力學(xué)基本理論建立了帶有可調(diào)水嘴的分層注水系統(tǒng)水力學(xué)模型,分析計(jì)算了 “U”型水嘴的流阻特性,仿真計(jì)算了井下地層注水壓力、注水量與水嘴開度的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:

1)注水量越大,水嘴調(diào)節(jié)的空間越大,越有利于自動(dòng)調(diào)節(jié);反之,小的注水量難以在水嘴處形成有效的壓差,為實(shí)現(xiàn)流量有效調(diào)節(jié),水嘴的開度會(huì)顯著變小,會(huì)導(dǎo)致水嘴堵塞。

2)地層間注水壓差越小,越有利于水嘴的自動(dòng)調(diào)節(jié);注水層的壓力異常會(huì)明顯增加水嘴自動(dòng)調(diào)節(jié)的難度。

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[編輯] 黃鸝

TE357.62

A

1000-9752(2014)09-0141-06

分層注水注水量精確控制是注水工藝的難點(diǎn)之一,傳統(tǒng)注水工藝采用投撈堵塞器更換水嘴的方式調(diào)節(jié)各層注水量,存在著施工工作量大、調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、成本高等問題。近年來大慶油田開發(fā)了橋式偏心邊測(cè)邊調(diào)工藝技術(shù)[1,2],該技術(shù)通過下入操作工具直接調(diào)節(jié)水嘴開度,而不需要打撈堵塞器,一次性完成流量測(cè)試和調(diào)節(jié);長(zhǎng)慶、大港等油田先后開展了橋式同心邊測(cè)邊調(diào)工藝技術(shù)的應(yīng)用[3,4],這2項(xiàng)技術(shù)推動(dòng)了分層注水工藝的發(fā)展。邊測(cè)邊調(diào)技術(shù)需要電纜車進(jìn)行施工作業(yè),頻繁的測(cè)調(diào)仍然需要較高的作業(yè)費(fèi)用。因此,近年來國(guó)內(nèi)外逐步開展了不需要地面機(jī)械作業(yè)的智能分層注水技術(shù)研究。

智能分層注水屬于智能完井技術(shù)的一部分。國(guó)外智能完井技術(shù)在世界范圍內(nèi)都有成功應(yīng)用[5～7],在分層注水方面主要采用井下層間控制閥 (ICV)技術(shù),通過地面電纜和液壓管線進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)各層注水量的大小,該系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、成本高,不符合我國(guó)陸上低產(chǎn)油田的推廣應(yīng)用。因此,我國(guó)近年來也在不斷開發(fā)智能分層注水技術(shù),其技術(shù)核心在于井下安裝有自動(dòng)調(diào)節(jié)的水嘴,在無需人為干預(yù)情況下完成水嘴大小的調(diào)節(jié),由此控制各層注入量。2010年北京交通大學(xué)游彥輝等開展了分層注水自動(dòng)測(cè)調(diào)系統(tǒng)研究[8],該系統(tǒng)通過測(cè)試水嘴內(nèi)外的壓差來反求注水流量,為自動(dòng)調(diào)節(jié)水嘴開度提供反饋信息; 2012年哈爾濱理工大學(xué)徐建提出并設(shè)計(jì)了分層注水自動(dòng)測(cè)調(diào)系統(tǒng)[9],該系統(tǒng)由電纜攜帶測(cè)調(diào)儀、地面分析系統(tǒng)和井下配水器構(gòu)成,井下測(cè)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)由充電電池供電,測(cè)調(diào)儀與配水器之間采用無線電通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳輸,該設(shè)計(jì)還包括了測(cè)調(diào)儀為配水器充電的功能,通過無線互感技術(shù)為配水器充電電池充電,實(shí)現(xiàn)井下長(zhǎng)期供電;2013年中海油何能欣等提出了采用管外電纜來傳輸數(shù)據(jù)和能量供給的分層注水工藝[10],應(yīng)用過電纜封隔器連接井下各層配水器。該方案應(yīng)用超聲波流量計(jì)測(cè)試流量,同時(shí)測(cè)量壓力和溫度數(shù)據(jù),所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妗?/p>

盡管國(guó)內(nèi)在注水井自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)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),在分層注水自動(dòng)控制理論及相關(guān)技術(shù)方面都需要進(jìn)一步完善。影響分層注水井流量自動(dòng)調(diào)節(jié)的因素較多,其中注水量和地層注水壓力是二個(gè)重要的因素,文獻(xiàn) [11]基于智能注水井層間調(diào)節(jié)閥(ICV)控制系統(tǒng)建立了分層注水的理論模型,并進(jìn)行了仿真分析,為分層注水自動(dòng)控制提供了理論參考。而我國(guó)陸上油田產(chǎn)量普遍較低,注水井的注入量也較小,如長(zhǎng)慶油田2011年平均單井配注量27m3/d,單層配注量5～20m3/d[12],較小的配注量會(huì)降低自動(dòng)調(diào)節(jié)水嘴的調(diào)節(jié)能力。因此有必要進(jìn)一步研究智能分層注水的流體力學(xué)模型,通過模擬計(jì)算注水量、水嘴開度與地層吸水壓力等參數(shù)的關(guān)系,為智能分層注水工藝技術(shù)開發(fā)提供理論參考。

2014-04-16

中國(guó)石油天然氣股份有限公司科技重大專項(xiàng) (2010F-0402)。

羅必林(1983-),男,2006年中國(guó)石油大學(xué) (華東)畢業(yè),工程師,現(xiàn)主要從事油田開發(fā)與開采技術(shù)工作。