分层注水可调水嘴调节能力仿真计算与分析

罗必林,巨亚锋(低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

申晓莉,毕福伟 (中石油长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安710018)

分层注水可调水嘴调节能力仿真计算与分析

罗必林,巨亚锋(低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

申晓莉,毕福伟 (中石油长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安710018)

注水量精确控制是分层注水工艺的难点,特别是低渗透油藏的小水量分层注水控制尤为困难。根据智能注水井可调水嘴的控制机制,建立了二层分层注水的系统水力学模型。应用有限元方法获得了“U”形可调水嘴的流量系数与水嘴开度的关系,在此基础上数值求解二层注水系统水力学模型,模拟计算了注水量和地层吸水压力变化对水嘴开度的影响。结果表明,注水量和异常的地层压力是制约自动水嘴调节能力的最重要因素,过小的注水量和异常的地层吸水压力会导致水嘴开度过小而无法正常工作。

分层注水;可调水嘴;流量系数;仿真计算

1 分层注水系统水力学模型

如图1所示带有可调水嘴的分层注水系统水力学理论模型,该模型由2个注水层构成,每个注水层安装有1个节流水嘴。根据静水压力平衡关系,可以得到:

式中:ΔpTL为地面到第1注水层油管的沿程阻力损失,Pa;ΔpTH为2层之间油管内的沿程阻力损失,Pa。

图1 分层注水水力学模型示意图

2 油管内沿程阻力损失

油管内的压力损失计算可以采用圆管沿程阻力损失公式计算,井口到第1注水层的压力损失为:

2层间的压力损失为:

式中:λ为摩阻因数,1;ρ为流体的密度,kg/m3;d

为油管直径,m。其中摩阻因数的计算依赖于油管内的流态,也就是雷诺数Re的取值:

式中:μ为流体的动力黏度,N·s/m2;S=πd2/4为油管截面积,m2。当Re＜2000时(层流状态),流道的摩阻因数为:

当Re≥2000时(层流过渡到紊流),流道的摩阻因数(油管内壁光滑)为:

计算时,根据流量参数计算油管内的雷诺数Re,然后按照式(4)或式(5)计算摩阻因数,将摩阻因数代入到式(2)或式(3)中即可得到油管内的压力损失。

3 可调水嘴的局部阻力

固定式圆孔水嘴的流阻计算较为容易,也可以通过试验测得。对于过流面积可变、且为非圆形的孔口,采用理论计算存在困难。下面采用解析与有限元模拟计算相结合的方法来确定可调水嘴的局部阻力。

孔板流量计等圆形薄壁孔口的流阻计算是通过阻力系数来标定,一般用下式计算:

式中:对于一固定机构尺寸的孔口,局部阻力系数ζ为定值。可调水嘴的过流面积是变化的,其摩阻因数也是变化的,因此将水嘴的压差ΔpN表示为:

式中:水嘴流量系数Cd(x)和过流面积A(x)是水嘴开度x的函数。

3.1 可调水嘴的结构与过流面积计算

可调水嘴是智能注水井最重要的组成部分之一,其技术核心在于水嘴过流面积可调。水嘴阀芯阀套上设计有各种形状的节流槽,这些节流槽要求具有水力半径大、过流面积梯度容易调节、抗阻塞性能强、流量控制范围大等特点。因此一般采用 “U”型节流结构。节流槽两端是半径为R的半圆形,中间部分是矩形,如图2所示。当需要调节注水量时,通过机械或液压的方式改变过流通道的开度x,从而改变水嘴的局部阻力,流量发生相应的变化。

水嘴的过流面积A(x)是水嘴开度x的函数。如图3过流面积可分为3种情况计算,可用分段函数表示如下:

图2 “U”型节流口示意图

图3 节流口过流面积计算图

对于不变的孔口,其流量系数为定值,可以通过试验测得。而对于可变水嘴,其截面形状和过流面积都是随着开度x变化的,因此采用有限元软件仿真计算流量系数Cd(x)。

3.2 可调水嘴流量系数数值仿真

根据图(2)所示的水嘴结构参数,设计R=2.25mm,h=12mm的“U”型水嘴机构,建立有限元仿真计算模型。如图4所示是水嘴开度为25%时流体的速度云图。通过仿真得到如图5所示的水嘴开度与流量系数的关系。

根据有限元仿真计算得到的流量系数数据,可以拟合出流量系数与水嘴开度的关系曲线。采用样条差值对仿真计算数据进行多项式拟合,获得水嘴开度与流量系数的关系式:

如果已知流量和水嘴的几何参数,根据拟合式(9)计算流量系数Cd(x),用式(8)计算水嘴节流面积A(x),就可以按照式(8)计算水嘴的压差。

图4 开度为25%水嘴有限元仿真图

4 分层注水系统仿真计算与分析

根据注水设计,在特定层位注入给定的注水量。为了实现分层注入量的精确控制,通过调节每层水嘴开度,达到调节注水量的目的。因此系统的已知输入量为单层的注水量和井下地层的吸水压力。下面以2层分层注水系统来进行水力学分析。

已知全井注水量为Qo,第1层注水量为Q1,第2层注水量Q2,Q0=Q1+Q2,井下地层的第1层注入压力p1,第2层注入压力p2。设第1层水嘴开度x1,第2层水嘴开度x2,地面注入压力p0,将式(2)、(3)、(7)、(8)代入到式(1)中,得到:

图5 水嘴开度与流量系数关系曲线

将式(10)中两式相减,得到:

式(11)中,按照注水设计及地层压力参数,已知注水层压力p1、p2,注水量Q1、Q2,注水管柱和水嘴结构尺寸已知,水嘴开度x1、x2两个未知数在一个方程中。如果给定一个水嘴的开度,就可以计算出另一个水嘴的开度。由此来分析水嘴开度与注入量和井下注水压力的关系。

理论上,无论注水量和井下压力处于什么状态,都可以通过控制水嘴的开度来调节注入量。但在工程上,如果水嘴开度太小,容易发生水嘴堵塞导致注水无法实现的问题。通过仿真计算,确定不同注水压力和注入量情况下水嘴的可调范围。表1给出了2层注水井的基本参数,通过数值算法求解方程(11)。

表1 分层注水系统水力学模拟计算参数表

4.1 地层吸水压力相同、注水量相同时水嘴开度仿真计算

这里设定2个注水层注入压力均为27MPa,但由于注水层之间存在高度差,为使2层的注水量相同,就必须通过调节2层的水嘴开度达到2层注水量相同的目的。模拟计算结果如图6所示。可以看出,要使自动调节水嘴开度大于20%,注水流量需要在15m3/d以上,否则第2层的水嘴开度太小。当流量较大时,2层水嘴开度调节的空间会逐渐增大。

4.2 地层注水压力不同、注水量相同时水嘴开度仿真计算

设定p1=27MPa,p2=27.5MPa,模拟计算上下2层数控水嘴的开度情况,结果如图7所示。由于地层注水压力的不同,导致2层水嘴开度组合显著变化。注水压力较低地层的水嘴开度明显小于压力较高地层的水嘴开度。当流量小于15m3/d时,第1层水嘴开度小于15%,工程上难以实现正常注水流量控制。

图8为p1=27.5MPa、p2=27MPa时水嘴开度的仿真结果,在这种情况下,第2层水嘴的开度都很小,只有流量超过30m3/d时,可以达到20%的开度,在实际调节中具有实际意义。当流量较小时,第2层水嘴的开度较小,可供水嘴调节的空间很小,难以实现精细分层注水。

图6 注水压力和注水量相同水嘴开度变化曲线

图7 第2层注水压力高于第1层、注水量相同时水嘴开度变化曲线

图8 第2层注水压力低于第1层、注水量相同时水嘴开度变化曲线

4.3 地层吸水压力相同、注水量不同时水嘴开度仿真计算

将第1层流量固定为15m3/d,第2层流量依次从10m3/d上升到35m3/d,从图9所示仿真计算结果可以看出,随着第2层流量的增大,第2层水嘴的开度随之增加。如果第1层注水量确定为15m3/d,则第2层注水量需要超过25m3/d的情况下,水嘴开度才能达到20%。

将第2层流量固定为15m3/d,第1层流量依次从10m3/d上升到35m3/d。从图10中可以看出,第2层水嘴开度不断减小,在此情况下,第2层水嘴始终小于20%的开度。

图9 注水压力相同注水量不同时水嘴开度变化曲线

图10 注水压力相同注水量不同时水嘴开度变化曲线

5 结论

基于流体力学基本理论建立了带有可调水嘴的分层注水系统水力学模型,分析计算了 “U”型水嘴的流阻特性,仿真计算了井下地层注水压力、注水量与水嘴开度的关系。计算结果表明:

1)注水量越大,水嘴调节的空间越大,越有利于自动调节;反之,小的注水量难以在水嘴处形成有效的压差,为实现流量有效调节,水嘴的开度会显著变小,会导致水嘴堵塞。

2)地层间注水压差越小,越有利于水嘴的自动调节;注水层的压力异常会明显增加水嘴自动调节的难度。

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[编辑] 黄鹂

TE357.62

A

1000-9752(2014)09-0141-06

分层注水注水量精确控制是注水工艺的难点之一,传统注水工艺采用投捞堵塞器更换水嘴的方式调节各层注水量,存在着施工工作量大、调节周期长、成本高等问题。近年来大庆油田开发了桥式偏心边测边调工艺技术[1,2],该技术通过下入操作工具直接调节水嘴开度,而不需要打捞堵塞器,一次性完成流量测试和调节;长庆、大港等油田先后开展了桥式同心边测边调工艺技术的应用[3,4],这2项技术推动了分层注水工艺的发展。边测边调技术需要电缆车进行施工作业,频繁的测调仍然需要较高的作业费用。因此,近年来国内外逐步开展了不需要地面机械作业的智能分层注水技术研究。

智能分层注水属于智能完井技术的一部分。国外智能完井技术在世界范围内都有成功应用[5～7],在分层注水方面主要采用井下层间控制阀 (ICV)技术,通过地面电缆和液压管线进行控制和调节各层注水量的大小,该系统设备复杂、成本高,不符合我国陆上低产油田的推广应用。因此,我国近年来也在不断开发智能分层注水技术,其技术核心在于井下安装有自动调节的水嘴,在无需人为干预情况下完成水嘴大小的调节,由此控制各层注入量。2010年北京交通大学游彦辉等开展了分层注水自动测调系统研究[8],该系统通过测试水嘴内外的压差来反求注水流量,为自动调节水嘴开度提供反馈信息; 2012年哈尔滨理工大学徐建提出并设计了分层注水自动测调系统[9],该系统由电缆携带测调仪、地面分析系统和井下配水器构成,井下测量和调节系统由充电电池供电,测调仪与配水器之间采用无线电通讯实现数据和命令的传输,该设计还包括了测调仪为配水器充电的功能,通过无线互感技术为配水器充电电池充电,实现井下长期供电;2013年中海油何能欣等提出了采用管外电缆来传输数据和能量供给的分层注水工艺[10],应用过电缆封隔器连接井下各层配水器。该方案应用超声波流量计测试流量,同时测量压力和温度数据,所测得的数据可以实时传输到地面。

尽管国内在注水井自动测调技术方面展开了较为深入的研究,但到目前为止尚未形成一套成熟的工艺技术,在分层注水自动控制理论及相关技术方面都需要进一步完善。影响分层注水井流量自动调节的因素较多,其中注水量和地层注水压力是二个重要的因素,文献 [11]基于智能注水井层间调节阀(ICV)控制系统建立了分层注水的理论模型,并进行了仿真分析,为分层注水自动控制提供了理论参考。而我国陆上油田产量普遍较低,注水井的注入量也较小,如长庆油田2011年平均单井配注量27m3/d,单层配注量5～20m3/d[12],较小的配注量会降低自动调节水嘴的调节能力。因此有必要进一步研究智能分层注水的流体力学模型,通过模拟计算注水量、水嘴开度与地层吸水压力等参数的关系,为智能分层注水工艺技术开发提供理论参考。

2014-04-16

中国石油天然气股份有限公司科技重大专项 (2010F-0402)。

罗必林(1983-),男,2006年中国石油大学 (华东)毕业,工程师,现主要从事油田开发与开采技术工作。