低渗透油藏小水量防堵塞水嘴设计与试验

于九政，申晓莉，刘保彻，罗必林

（长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018） ①

低渗透油藏小水量防堵塞水嘴设计与试验

于九政，申晓莉，刘保彻，罗必林

（长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018）①

针对低渗透多层油藏分层注水时水嘴易堵塞问题，研制了小水量防堵塞水嘴。利用FLUENT软件对水嘴的节流原理进行了数值模拟分析，并对水嘴的节流效果进行试验研究。数值模拟分析和试验结果表明，小水量防堵塞水嘴通过绕流增加流道长度以增加沿程损失，改变水嘴内流体的流动方向和扩大流道截面积来增加水嘴的局部压力损失，在不降低水嘴节流效果的前提下，既满足小水量注水的要求，又大幅度扩大了水嘴通流面积，有效防止了水嘴堵塞。

低渗透油藏；注水；水嘴；堵塞；试验

油田为了扩大注入水波及体积，获得较好的开发效果，需要对注水井进行流量测试和调配［1］。原有技术中，通常采用在堵塞器中投入常规水嘴对注水量进行节流控制。但是，对于非均质性较为严重的低渗透油藏，尤其是纵向上发育多个油层，需要采用分层注水方式进行开采的油藏［2］，要求单层注水量小（通常为5～25m3／d），普遍选配直径较小的水嘴。直径较小的水嘴受到水质等因素的影响［3］，存在水嘴容易被杂质堵塞、注不进水的问题，不能实现有效注水，更不能满足精细化注水要求。本文在不降低水嘴节流效果前提下，对水嘴结构进行创新性设计，研制了小水量防堵塞水嘴，扩大了水嘴通流面积，不仅满足了小水量注水的要求，而且有效解决了常规水嘴易堵塞问题。

1 结构

在不改变现有配水堵塞器结构及其参数的前提下，以增大水嘴的通流面积、与常规水嘴节流能力相当、满足小水量注水要求为理念，设计水嘴结构，使水嘴具有较强的防堵塞能力。

小水量防堵塞水嘴结构如图1所示。该水嘴由芯体和通孔圆柱外壳组成。通孔圆柱外壳的一端和芯体一端分别为外径较大的圆环面，芯体圆环面卡在通孔圆柱外壳圆环面以外，2个圆环面紧密连接。芯体其余部分置身于通孔圆柱外壳内，并与通孔圆柱外壳内壁面相吻合。芯体上至少有2个等内径平行径向通孔，相邻2个径向通孔由1个轴向截面孔依次交错连通，形成1条圆孔绕流通道。

图1 小水量防堵塞水嘴结构

2 节流原理及分析

1） 小水量防堵塞水嘴主要通过绕流增加流道长度以增加沿程损失，改变水嘴内流体的流动方向和扩大流道截面积来增加水嘴的局部压力损失。以ED4－8K型（水嘴孔径为4mm，8个径向通孔）为例，应用FLUENT软件对水嘴的节流原理进行了数值模拟分析。图2中水嘴内压力逐级均匀递减，180°转向的位置压力梯度变化最大，因此流体流向的改变是产生压力损失的主要原因。

图2 小水量防堵塞水嘴内部流场压力分布

2） 在水嘴流道的拐角处形成了1个大的漩涡（如图3所示），漩涡与流道内侧径向通孔之间的壁面一起对流体形成了堵塞效应。通常认为弯管的损失为二次流所致，但是根据文献［4］的分析，结合小水量防堵塞水嘴结构可知，由于弯道曲率过大，使水嘴内产生强烈流动分离和漩涡脱落，由其产生的损失超过了二次流和沿程损失，是小水量防堵塞水嘴节流的主要因素。

图3 小水量防堵塞水嘴内部流场流线

3 试验

3.1 试验装置结构

为了便于更换水嘴和操作，同时又能反应出与实际配水器具有基本相同的流动和损失特性，加工了便于试验的堵塞器。采用铜质材料试制了当量直径为4.0mm的不同径向通孔数的若干个小水量防堵塞水嘴，装入堵塞器内进行试验。试验装置结构如图4所示。

图4 小水量防堵塞水嘴节流试验装置

3.2 试验结果分析

为了对比分析小水量防堵塞水嘴的节流效果，对2.0～3.0mm孔径常规水嘴也进行了试验。根据水嘴嘴损曲线的制作标准［5］，绘制以压差平方根为纵坐标，以流量为横坐标的各个水嘴的嘴损曲线，如图5。

图5 小水量防堵塞水嘴的嘴损曲线

根据图5可以看出，ED4－6K型水嘴的嘴损特性与常规2.0mm孔径水嘴基本一致，ED4－8K型水嘴的节流效果远大于常规2.0mm孔径水嘴。与常规水嘴嘴损特性相比，相同节流效果时，小水量防堵塞水嘴的通流面积远大于常规水嘴。通过改变水嘴孔径大小与径向通孔个数调节水嘴的嘴损特性，这也是该水嘴能够实现系列化、满足不同配水要求的主要方式。水嘴的嘴损曲线分布比较均匀，便于水嘴的选择和使用。因此小水量防堵塞水嘴完全能够满足不同油层注水流量调节的需求。小水量防堵塞水嘴与常规水嘴对应关系如表1所示。

表1 小水量防堵塞水嘴与常规水嘴对应关系

4 结语

设计的小水量防堵塞水嘴结构扩大了注入水通流面积，通过改变孔径大小和径向通孔数以增加沿程损失、改变水嘴内流体的流动方向和流动形态，达到与常规水嘴相当的节流效果，不仅满足了小水量注水的要求，还极大降低了水嘴堵塞的几率，为低渗透多层油藏精细化注水提供了技术支持。

［1］ 牛为民，徐 劭，吕明军.测调集成式细分注水井分层流量测试技术［J］.大庆石油地质与开发，2000，19（3）：38－39.

［2］ 李 明，王治国，朱 蕾，等.桥式偏心分层注水技术现场试验研究［J］.石油矿场机械，2010，39（10）：66－70.

［3］ 左献军，郭新宇，吴载全，等.注入水质对油田注水的影响［J］.油气田地面工程，2006，25（5）：21.

［4］ 梁开洪，曹树良，陈 炎，等.入流角对圆截面90°弯管内高雷诺数流动的影响［J］.清华大学学报，2009，49（12）：1 971－1 975.

［5］ SY／T5906—1994，配水嘴嘴损曲线图版制作方法［S］.

Design and Experiment of Low Flow Anti－Clogging Water Nozzle in Low Permeability Reservoir

YU Jiu－zheng，SHEN Xiao－li，LIU Bao－che，LUO Bi－lin
（Oil ＆Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi’an710018，China）

Aiming at the problem of water nozzle clogging during separate layer water injection in the low permeability multilayer reservoir，through creatively designing the structure of water nozzle，the low flow anti－clogging water nozzle was developed.The FLUENT software was used in numerical simulation analysis throttling principle，and the water nozzle throttling effect was studied.Numerical simulation and experimental results showed that the low flow anti－clogging water nozzle increased the frictional loss through increasing flow length，changed the flow direction of fluid medium and expanded open area to increase local pressureloss.Thewaternozzledidnot decrease throttling effect，not only requiring low flow，but also greatly expanding the open area，thus prevents the water nozzle from clogging by water quality and other factors.

low permeability reservoir；water flooding；water nozzle；clogging；testing

1001－3482（2011）11－0023－03

TE934.1

A

2011－05－11

于九政（1981－），男，辽宁葫芦岛人，硕士研究生，2009年毕业于西安石油大学油气田开发工程专业，主要从事油田注水和采油工艺技术研究，E－mail：yjz1121＠126.com。