多水嘴配注技术嘴损试验研究

郑 举，刘长龙，徐兴安，张凤辉，杨万有

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司蓬勃作业公司生产作业部，北京100027；2.中海油能源发展工程技术公司钻采工程研究所，天津300452）①

多水嘴配注技术嘴损试验研究

郑 举1，刘长龙1，徐兴安2，张凤辉2，杨万有2

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司蓬勃作业公司生产作业部，北京100027；2.中海油能源发展工程技术公司钻采工程研究所，天津300452）①

空心集成配注技术采用多个水嘴来控制注水井各层段注入量，得到水嘴压力损失与流量的关系，有助于指导作业现场的水嘴选择。通过理论分析可知，空心集成配水器水嘴结构满足薄壁圆形小孔出流条件。设计了水嘴嘴损试验，得到不同水嘴个数和不同直径水嘴的流量系数，验证了理论分析的正确性，并得到可应用于现场的水嘴压力损失与流量的关系式。

空心集成配注；多水嘴；嘴损；流量

海上油田注水井单井注入量大，一般单井注入量为450～1 000 m3／d，单层最大注入量能达到600 m3／d，且井斜较大（30°～60°），而陆地油田单井注入量最大仅为300～400 m3／d［1］。由于层间矛盾和吸水差异性日益突出，海上油田有更精细的注水开发需求［2-3］。为有效实施对高、中、低渗透层分层配注的控制，开发了多水嘴空心集成分层配注技术，采用不同个数及规格水嘴来实现各层段注入量的控制。空心集成配水器结构包括工作筒、空心堵塞器及测试工具，在空心堵塞器上设置有水嘴，水嘴数量为1～6个，可以根据现场注水情况进行调节。对于同一层采用多水嘴控制／调配层段大配注量技术在国内较少开展，鉴于此状况，通过试验寻求多水嘴的流量与压差关系具有重要意义。同时根据实际水嘴嘴损试验所测数据，得到相应的流量与嘴损理论公式。嘴损理论公式可用于制订嘴损图版，指导作业现场水嘴的选择和注水井单层调配工作。

1 多水嘴配注技术水嘴结构理论分析

多水嘴空心集成分层配注技术采用同一配注层段，最多可径向安装6个水嘴进行水量的调配。所设计水嘴尺寸为长度5 mm、外径ø12 mm、孔径为ø3.0～7.0 mm、按0.2 mm递增的一系列水嘴。

注水作业时，安有水嘴的配注工具下入深度约为1 000 m，且注水压力均大于1 MPa，注水压力较为稳定，水嘴孔径与下入深度的比值远大于1／10。结合水嘴结构特点，配注水嘴的出流条件满足定水头下薄壁圆形小孔口的出流条件，可套用定水头下薄壁圆形小孔口出流的理论公式，即

式中：Q为流量，m3／s；μ为流量系数（实际流量与理想流量之比）；A为水嘴面积，m2；g为重力加速度，m／s2；H水嘴前、后水头差，m。

对于同一层段采用多个水嘴，参照并联管路的理论，可以得知：同一层段各个水嘴的流量之和等于单层的注入量；同一层段各个水嘴内流过单位质量的流体时，阻力损失相等。这是因为在稳定流条件下，多水嘴前后的水头必然维持稳定，因而能够自动调节各个水嘴的能量，使各个水嘴的损失都相等。

由于水嘴结构相同，因此可以作出如下2点假设：

1） 对于同种结构，直径不同的单个水嘴有相同流量系数。

2） 对于同种结构，多个水嘴与1个水嘴有相同流量系数。

单个水嘴情况下，基于假设1）可以推知，不同直径的水嘴均满足式（1）。在多个水嘴的情况下，基于假设1）和假设2）可得

即多水嘴情况下的水嘴压力损失和流量的关系也满足式（1），此时的水嘴面积A为各水嘴过流面积之和。

针对上述假设，并结合注水调配所需嘴损模版，通过不同个数的水嘴在5个不同注入压力情况下流量-压力关系的模拟试验，取得相关数据并进行数据分析，以验证上述假设成立与否。如果假设与试验结果相符，可利用求出的水嘴流量系数对实际配水进行水嘴大小的选择，以便调配注水量。

2 水嘴嘴损试验

2.1 试验条件及特点

1） 动力源 Halliburton五柱塞泥浆泵，排量120～2 200 m3／d，压力0～69 MPa。

2） 水嘴试验装置 可以同时安装不同直径、不同个数的水嘴进行试验。

3） 压力传感器 压力等级35 MPa，用以记录水嘴前后压差。

4） 直读式电磁涡街流量计 量程0～90 m3／h，用以记录通过水嘴的瞬时流量。

5） 陶瓷水嘴 长度5 mm、外径ø12 mm、孔径为ø3.0～7.0 mm、按0.2 mm递增的一系列水嘴，21种直径。试验时分别录取安装不同个数（1～6个）、相同规格尺寸的水嘴在5种不同注入压力的流量-压力关系。

6） 试验流程 如图1所示，泵从储水罐吸水加压，经过水嘴试验装置直接排回到储水罐（相当于放空）。流程上的压力表和流量计分别记录水嘴装置前后压力和通过水嘴的流量。

图1 多水嘴嘴损试验流程

2.2 试验过程

连好试验流程，开始多水嘴嘴损试验。分别将不同个数和规格的水嘴安装在装置中，启动柱塞泵，调节泵排量，当排量、压力稳定后（稳压3 min），记录流量、嘴前压力、嘴后压力数据。根据实际情况（泵最大排量和水嘴直径），共录取5组不同压力和流量值，得出嘴损曲线。

按上述方法本试验共需完成630组数据的采集。实际操作过程中，通过对数据处理分析后，对不理想的数据进行补做，实际完成700多组数据的采集。

2.3 原始数据分析

首先需要通过试验数据来验证，对于多水嘴空心集成配水器来说，其嘴损规律是否满足薄壁圆形小孔出流条件。因此，需要对试验获取的各种不同直径不同水嘴个数的数据进行分析，如表1。

由于试验所录取数据太多，在此不一一列举，仅以孔径为ø5.0 mm水嘴采集的相关数据和所做流量-压力曲线为例。

表1 ø5.0 mm水嘴测试数据

2.4 试验数据处理

根据水嘴结构理论分析及对原始数据的分析，单个水嘴与多个水嘴均满足薄壁圆形小孔出流条件，并满足式（1）。只是多个水嘴的流量系数与1个水嘴的流量系数是否相同，有待证实。因此，根据采集的数据，做出每组水嘴的Q与关系曲线，然后通过多点拟合做出过原点的趋势线，求出趋势线斜率k。根据前述Q与的理论公式有以下关系式成立：k＝，由此可以得到不同孔径不同个数水嘴的流量系数μ，如表2。

图2 ø5 mm水嘴Q与 2g H关系曲线

表2 不同直径及不同水嘴个数流量系数

为证实结果的可信度，对误差作统计分析。由统计结果可以看出：80.2%与平均值的误差都在5%以内，11.9%的误差在5%～10%，只有7.9%的误差在10%以上，由此可见结果是可信的。而且误差较大数据通常出现在直径较小的水嘴上，与实际试验条件（泵启动排量大，压力高，造成数据采集较为困难）也是相符的，因此整个试验是成功的，结果是可应用到现场的。

由表2可以看出：在1个水嘴的情况下，不同直径水嘴的流量系数基本相同，该结果验证了假设一的正确性；在直径相同的情况下，不同水嘴个数的流量系数也基本相同，该结果验证了假设2）的正确性。

由此结果可以得到该次试验所用空心集成多水嘴配水器出流理论公式，即

式中：A为水嘴过流总面积，m。

将国际单位换算为现场常用单位，可以得到适用于现场的水嘴嘴损公式为式中：Δp为水嘴压力损失，MPa；Q为水嘴流量，m3／d；A为水嘴过流面积，mm2。

该公式适用于空心集成目前已有的水嘴，流体为水。通过嘴损公式可以计算注水现场配注量下的水嘴压力损失，也可采用该公式制作水嘴嘴损图版，用于指导现场注水工作和水嘴的选用。

3 结论

1） 研究了多水嘴配注技术的试验方案，探索了多个水嘴以及不同直径的嘴损规律。

2） 经过数据分析，证实了此种配水器水嘴结构的流体特性符合薄壁圆形小孔出流规律。且验证了对于同种结构、直径不同的单个水嘴有相同流量系数；对于同种结构，多个水嘴与1个水嘴有相同流量系数。

3） 由经过验证的假设1）和假设2）可知，对于2个或多个不同直径的水嘴组合，也服从同样的嘴损规律，在同样嘴损情况下，流过不同直径组合水嘴的总流量与其面积之和成正比。

4） 对于同样的结构，用增加孔径和增加水嘴个数来增加过流面积，符合同样的规律。多水嘴为配注提供了更多的面积序列，这样为流量控制带来了更多的方便和可行性。

［1］ 罗昌华，程心平，刘敏，等.海上油田同心边测边调分层注水管柱研究及应用［J］.中国海上油气，2013，25（4）：46-48.

［2］ 宋祖厂，刘扬，盖旭波，等.桥式同心分注技术及其在深斜井中的应用［J］.石油矿场机械，2013，42（7）：62-65.

［3］ 刘艳霞，姜广彬，郭林园.空心可调配水器优化研究与应用［J］.石油矿场机械，2012，41（7）：74-77.

［4］ 申晓莉，于九政，王子健.新型小流量水嘴的设计与数值模拟［J］.石油钻采工艺，2013，35（1）：83-86.

［5］ 张建，范凤英.分注井水嘴直径选择的研究与应用［J］.石油矿场机械，2004，33（增刊）：60-63.

［6］ SY／T5906—2012，配水嘴嘴损曲线图版制作方法［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（中国）有限公司重大项目（CNOOC-KJ 125 ZDXM 06 LTD）

郑 举（1979-），男，河南济源人，工程师，硕士，主要从事海上油田采油工艺技术研究与应用工作，E-mail：zhengju＠cnooc.com.cn。