CFD技术在防堵塞系列配水嘴设计中的应用

曾亚勤，郭方元，巨亚锋

（长庆油田分公司a.油气工艺研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710021） ①

CFD技术在防堵塞系列配水嘴设计中的应用

曾亚勤a，b，郭方元a，b，巨亚锋a，b

（长庆油田分公司a.油气工艺研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710021）①

应用CFD（计算流体动力学）技术模拟配水嘴嘴损特性，分析配水嘴内部流动特性，设计了防堵塞新型系列配水嘴。在对新型结构配水嘴的嘴损特性和内部流动进行数值模拟基础上，结合原始孔口水嘴的数值模拟结果对新型配水嘴进行了定型和系列化设计。根据水嘴内部流场中压力和流线的分布，分析了新型配水嘴的节流原理。结果表明：模拟配水嘴嘴损所采用的数学模型和计算方法合理有效，设计了与试验相符的、满足工程实际技术要求的新型系列化防堵塞配水嘴。拓展了CFD技术应用领域，为新型配水器水嘴的研制和调配提供了新的方法。

CFD；分层注水；嘴损特性；数值模拟；防堵塞配水嘴

目前，大多油田呈低渗、低压、低丰度等特征，开采难度大，成本高［1－2］。分层注水工艺要求配水嘴流量小，嘴损大并且配水量需精确控制［3－4］。因此，稳定性好和使用寿命长的防堵塞小流量系列配水嘴的研究和开发对注水系统长期稳定运行具有重要的意义。

分层注水工艺在测井的基础上逐渐向系统仿真和数值模拟的方向发展。任永良等［5］采用有限元分析方法对井下管柱的水力特性进行了分析和计算。石建设等［6］建立了配水嘴测试调配的理论模型，通过应用数据处理软件等降低劳动成本、减轻劳动强度、提高测试效率。宋洋等［7］根据注水实用理论建

CFD（计算流体动力学）技术已在许多领域得到广泛应用［8－10］。本文将CFD计技术应用于防堵塞小流量配水嘴设计及系列化，分析新型系列化水嘴的节流机理，结合室内试验验证了数值方法的可靠性和设计方法的实用性，以拓展CFD应用范围，探索出新的配水嘴的设计思路和方法。

1 嘴损特性数值方法

1.1 控制方程和湍流模型

配水器和配水嘴内的流动介质为水，可视为不可压流体，密度ρ为常数，整个流场为无源场，流动为湍流。流动控制方程包含连续方程、运动方程及湍流模型方程［11］。

连续性方程又称质量守恒方程，定常不可压流场可简化为

定常情况xi方向上的动量守恒方程为

湍动能k方程为

湍动能耗散率ε方程为

式中，ui为xi方向上的速度分量，m／s；p为静压，Pa；Fi为xi方向上的体积力，N；k为湍流动能，k＝为单位体积内k的产生率，1／（m·s3）；Ck、Cε1、Cε2、Cμ均为无因次常数，一般通过典型试验获得；ε为湍流动能耗散率，m2／s3。

1.2 配水嘴几何结构与计算域

防堵塞小流量配水嘴结构如图1a所示，该水嘴由嘴芯和外壁2部分组成。较原始孔口配水嘴（如图1b）增加了水嘴内部流道的长度，并且多次改变配水嘴内部流体的流动方向以增加流体阻力。节流效果相同时，新防堵塞小流量配水嘴的孔径远大于原始孔口水嘴，增加了流体介质中杂质的通过率；同时，由于流道空腔的增大可以减小地下水回流等原因造成的配水嘴内流道结垢堵塞。

图1 配水嘴几何结构

本文进行水嘴设计研究中，通过对配水器水嘴内部流动进行数值模拟，获得内部流场结构和嘴损。数值模拟过程中，将配水器水嘴嘴损数值模拟的计算域相对于实际配水器进行了适当的简化，整体计算域如图2所示。计算域的轴向长度为500mm，进、出口内径为12mm。由于计算域结构相对复杂，本文采用非结构化四面体计算网格，网格节点总数为150万。

图2 配水嘴嘴损计算域与网格

1.3 边界条件与求解方法

进口边界给定速度入口，设为均匀来流，流量为0～50m3／d；出口边界给定压力出口，取常数；其余边界为固壁无滑移边界；选用k－ε湍流模型和标准壁面函数。

采用SIMPLEC算法进行速度和压力场的耦合求解，采用二阶迎风差分格式对动量方程、湍动能方程和耗散率方程进行离散。

2 嘴损特性数值模拟结果及验证

2.1 数值计算方法验证与分析

本研究针对自行研制的ED4.0（孔径为4 mm）系列铜质水嘴试件，研制过程中进行了模拟井底注水过程的室内试验，试验装置如图3所示。通过嘴损曲线来比较数值计算和试验结果。根据配水器水嘴嘴损曲线的制作标准［12］，配水嘴的嘴损样板图以压差平方根为纵坐标，以流量Q为横坐标。由试验资料和文献［13］可知，配水嘴的嘴损曲线为一次曲线。为了方便比较，对数值计算和试验数据进行曲线拟合其中k为拟合曲线斜率，b为截距。

图3 配水嘴室内试验装置

D4.0系列水嘴嘴损特性曲线如图4，可以看出：数值计算获得的各水嘴的嘴损曲线和试验测得的嘴损曲线符合良好，基本一致。数值计算和试验得到的嘴损曲线拟合斜率如图5，可以看出：二者虽有一定偏差，计算结果比试验结果略高，但是计算k值仅比试验k值高出3%～8%。对比分析表明：本文模拟水嘴流场所采用的数学模型是有效的，采用的网格和湍流模型是合适的。

图4 ED4.0系列水嘴嘴损特性曲线

图5 ED4.0系列水嘴嘴损曲线斜率

2.2 水嘴定型与系列化

新型水嘴结构较原始孔口水嘴结构复杂，影响其嘴损的参数较多，防堵塞小流量水嘴孔径的设计范围为4.0～8.0mm，径向通孔个数1～8个，且各径向通孔间距离可调。定型此3种参数进行系列化时，若全部采用试验的方法必将加工大量的水嘴试验件进行试验，耗费大量的人力、物力和财力。本文首先通过数值模拟的方法计算获得各种参数匹配下水嘴的嘴损，结合原始孔口水嘴的计算嘴损值，给出新型水嘴系列化过程中所需嘴损水嘴的结构参数，然后加工水嘴试验件并进行嘴损试验。

为使图面清晰，便于对比，仅给出了部分系列化后典型水嘴和对应的原始孔口水嘴嘴损曲线（如图6）。由图6可以看出，通过数值模拟获得的系列水嘴理论嘴损与试验嘴损符合良好，仅有个别水嘴需要微调。由此可见，数值模拟可以为新型水嘴的设计、定型和系列化节省大量的工作量，缩短了设计周期，降低了设计成本。

图6 防堵塞水嘴系列化结果（部分）

2.3 新型系列化水嘴节流机理分析

防堵塞小流量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及扩大与缩小流道截面积来增加水嘴的局部压力损失。以典型配水嘴ED4－8K、ED4－1K（孔径为4.0mm，径向通孔数为8和1）和原始2.0mm孔径配水嘴为例，在25m3／d流量典型工况时的压力场和流线分布如图7。图7a中，配水嘴内压力逐级均匀递减，特别是180°转向的位置压力梯度最大，因此流体流向的改变是产生压力损失的主要原因；图7b中，在水嘴流道的拐角处形成了一个大的漩涡，漩涡同流道内侧径向通孔间的壁面一起对流体形成了堵塞效应；图7d中的堵塞效应更为直观；在最末漩涡的前后产生了明显的压降（如图7c所示），通常认为弯管的损失为二次流所致，但是根据文献［14］的分析并结合防堵塞小流量水嘴结构可知，由于弯道曲率过大，水嘴内产生强烈流动分离和涡脱落，由其产生的损失超过了二次流和沿程损失；如图7e、7f所示，原始孔口水嘴狭窄流道内的压降很小，嘴损主要来源于小孔径节流和沿程损失，而不涉及流动分离、涡脱落损失和阻塞效应。由图6可知，ED4－8K与原始2.0mm孔口配水嘴嘴损相近，但是配水嘴孔径分别为4.0mm和2.0mm，因此，小流量配水嘴较原始孔口配水嘴具有较明显的优势。

图7 25m3／d流量下配水嘴内部流压力场分布和流场流线

3 结论

1） 应用CFD技术对ED4.0系列配水嘴的嘴损特性和内部流场进行了数值模拟，结果表明采用的数学模型有效，网格和湍流模型合理。

2） 基于配水嘴嘴损特性的数学模型结合配水嘴室内试验，对防堵塞新型配水嘴进行了定型和系列化，获得了新型系列配水嘴的嘴损曲线。

3） 通过配水嘴流场流态的数值模拟，分析了防堵小流量水嘴的节流机理，为新型水嘴的进一步研究打下了基础。

4） 本文所建立的配水嘴设计思路和方法对其他配水嘴研制同样适用，特别是适用于新型水嘴设计初期和水嘴系列化过程中。通过数值计算可以节省大量的时间和设计成本，同时拓展了CFD应用领域，对配水嘴的调配和分层注水工艺研究都有一定指导意义。

［1］ 曾大乾，李淑贞.中国低渗透砂岩储层类型及地质特征［J］.石油学报，1994，15（1）：38－45.

［2］ 朱洪征，姬 园，吕 旭.分层采油工艺管柱受力分析及优化［J］.石油矿场机械，2010，39（10）：47－50.

［3］ 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.

［4］ 徐国民，刘亚三，米忠庆.特高含水期精细分层注水需要解决的问题［J］.石油科技论坛，2010，29（4）：19－24.

［5］ 任永良，常玉连，邢宝海，等.油田注水管柱水力模型的建立与求解［J］.系统仿真学报，2007，19（7）：1468－1470.

［6］ 石建设，陶晓玲，何建民.井下分层流量－压力测试与水嘴调配［J］.石油机械，2003，31（1）：39－41.

［7］ 宋 洋，蒋建勋，王永清，等.注水井节点系统分析数学模型及其应用［J］.重庆科技学院学报，2010，12（4）：77－79.

［8］ 曲 海，魏秦文，梁 政，等，直线电机抽油泵泵阀不同工况特点研究［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：12－17.

［9］ 李成兵，熊 琎.新型柱式气液旋流分离器数值计算［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：34－37.

［10］ 张慢来，冯 进.基于CFD的离心式气－液分离器结构设计及仿真优化［J］.石油矿场机械，2008，37（10）：50－55.

［11］ 张鸣远，景思睿，李国君.高等工程流体力学［M］.西安：西安交通大学出版社，2006：43－46.

［12］ SY／T5906—2003，配水嘴嘴损曲线图版制作方法［S］.

［13］ 韩洪升，付金辉，王春光，等.分层注水井配水嘴嘴损曲线规律实验研究［J］.石油地质与工程，2008，22（2）：79－81.

［14］ 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）：1971－1975.

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

中石油科研开发项目“长庆油田精细分层注水工艺技术现场试验”（1002－1－4）

曾亚勤（1965－），男，湖北黄陂人，高级工程师，博士，主要从事采油工艺技术研究与管理工作。立了注水井节点系统分析的数学模型，可为配水嘴的选配提供参考。以上研究都取得了良好的结果，但其数学模型中对配水嘴的描述均采用试验数据和经验公式，不适用于新配水嘴的设计和计算。