恒流堵塞器的性能研究

徐 艳 毛春林 职俊杰 王佳祥 王尊策

（东北石油大学机械科学与工程学院）

油田注水开采可以保持地层压力、提高采收率，是油田长期稳产和高产的重要手段［1］。油田分层注水中，保持合理恒定的注水量是提高采收率的重要保障。 堵塞器是进行井下流量控制的核心部件，恒流堵塞器与传统堵塞器相比可以减少注水井的测试工作量和堵塞器投捞次数，因此具有很好的应用前景［2］。 王尊策等研制的定量注水器主要由滑阀和弹簧构成，利用机械式压力反馈原理使阀芯在弹簧与液压力的共同作用下上下滑动从而对流量进行调节， 可使注水误差保持在10%以内［3］；张健等利用类似的原理研制出了一种以异形腔为主体的免投恒流量偏心配水器堵塞器，通过滑阀在移动时改变节流孔的形状来调节注水流量，实现流量恒定［4］；刘长运等利用键合图结合实验的方法对恒流堵塞器的流量特性进行了分析， 结果表明该恒流堵塞器在压差0.5～10.0MPa时，其恒流效果良好［5，6］；周晓君结合流体动力学和液压控制理论对偏心定量配水器的流量调节特性进行了研究，推导出了该结构压力反馈式锥阀系统的传递函数［7］；严金坤利用理论计算的方法对无压力反馈式堵塞器的工作原理与静态特性进行了研究，认为堵塞器的流量特性与弹簧的刚度、预压缩量及滑阀的受力面积等有关［8］。

1 恒流堵塞器结构和工作原理

1.1 结构组成

针对油田典型的恒流堵塞器（恒流量的值为30m3/d）开展研究，其结构如图1所示，主要由堵塞器主体、弹簧及阀芯等组成。

图1 恒流堵塞器结构

1.2 工作原理

堵塞器的恒流原理如图2所示，水经过堵塞器注入地层的同时作用在阀芯的两个端部，在弹簧的共同作用下， 使阀芯随注水压差的变化而往复移动， 从而改变阀芯与主体出水孔之间的过流面积，对流量进行调节使流量保持恒定。设流入堵塞器的注水压力为p1、阀芯内压力为p2、出水口压力为p4。 在正常工作状态下，有p1＞p4，若注水压力p1增大（或p4减小），则流量Q增大，此时注水压差p1-p2增大，阀芯右移，阀芯与主体出水孔组成的可变节流孔过流面积减小，同时流量Q 会逐渐减小并接近原来的值；反之同理［9］。 由此可知，合适的弹簧对于流量调节具有重要作用，因此弹簧的研究分析与设计是需要主要考虑的问题。

图2 堵塞器的恒流原理示意图

2 关键元件的设计

2.1 水嘴的设计

在分层注水技术中，各配注层段配注量取决于注水压力、地层的渗透能力等，通常通过堵塞器内水嘴的直径大小来调节注水量［10］。 恒流堵塞器内水嘴为不完全收缩薄壁小孔结构， 其流量Q的计算式为［11］：

式中 A1——水嘴的过流截面面积；

Cd1——水嘴流量系数；

r——水嘴半径；

ρ——水的密度。

根据式（1），按水嘴节流损失为0.4MPa的工况对水嘴直径进行设计， 取水嘴流量系数Cd1=0.84， 计算得到不同恒流量对应的水嘴直径见表1。

表1 不同恒流量对应的水嘴直径

2.2 弹簧的设计

为了设计弹簧刚度， 对阀芯的受力进行分析，如图3a所示，其中F为弹簧的弹力，A0为入水口的有效受力面积，A3为出水口的有效受力面积，A4为阀芯内腔的有效受力面积。 考虑到阀芯受力复杂，笔者提出了一种等效面积法对它进行简化分析，如图3b所示，虚构出一个等效面A，在不同恒流量下认为A的大小是不变的。

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在不同恒流量堵塞器结构中阀芯的结构没有改变，因此对阀芯受力分析有：

其中，△x为弹簧的压缩量，x0为初始压缩量，k为弹簧刚度。

阀芯的出水口节流压差p2-p4为：

图3 阀芯的受力分析

其中Cd2为出水口流量系数，A2为出水口面积。Cd2是一个常数，随着阀芯位移的增大而增大，其原因可能有：一是由于出水口形状规则的孔板流动引起了更大的局部阻力损失；二是由于阻尼孔的存在，压力的增加使泄漏量增加，进而增大了流量系数。 因此，恒流堵塞器的流量特性受阀口的形状、堵塞器内部流道形式、阀芯的加工精度及配合间隙等多种因素影响。

将式（3）代入式（2）可得：

变换式（4），可得不同恒流量下弹簧刚度k的计算式为：

按照式（5）对不同恒流量的弹簧刚度进行设计，结果见表2。

表2 不同恒流量的弹簧刚度

3 实验及其结果分析

为了分析恒流堵塞器的流量特性，设计了室内性能实验系统（图4），主要包括柱塞泵（型号为3DY-SM，压力0～28MPa，流量0～144m3/d）、桥式偏心配水器（内部装配恒流堵塞器）、水箱、电磁流量计 （型号为SKLD-15Y， 压力0～10MPa， 流量7.68～120.00m3/d）、抗震压力表、调压阀、安全阀及节流阀等。 水通过柱塞泵注入桥式偏心配水器并从偏心配水器侧孔流出，进入水箱。 实验过程中通过调压阀调节实验系统的压力，节流阀调节堵塞器的入口压力，通过压力表和流量计读取压力和流量。 桥式偏心配水器下端接堵头，上端通过接头与注水管道用法兰盘连接。

图4 恒流堵塞器性能实验系统示意图

3.1 限位实验

为了研究恒流过程中不同阀芯位置的流量压差关系， 对恒流量为30m3/d的恒流堵塞器进行阀芯限位实验，即在阀芯上端使用顶杆替代原有的弹簧定心结构，阀芯下端水嘴处使用空心垫片将滑阀位置卡定，阀芯位移（阀芯与出水口下边缘对齐时，阀芯位移为0）在2.0～5.5mm范围内变化，进行不同卡定位置的性能实验。 采用图4所示的实验系统，调节节流阀使流量恒定，待稳定后读取堵塞器前后压力，结果见表3。 可以看出，随着阀芯位移的增大，出水口面积减小，节流作用增大，压差p1-p4呈二次抛物线形式增长，符合孔板节流的流量-压差关系，其总压差包括两部分，即水嘴节流产生的压差p1-p2和调节阀芯产生的压差p2-p4。

表3 不同阀芯位置的节流面积及流动参数

（续表3）

3.2 恒流性能实验

对所设计的不同排量的堵塞器以及与之匹配的弹簧进行实验验证。 通过调节节流阀使实验系统压力逐步增加， 在稳定时读取数据并记录，将所得的数据绘制成图（图5），具体实验参数见表4。在0.8～6.0MPa内该堵塞器流量在预定值上下小幅度波动，恒流效果良好。 水嘴与弹簧的匹配设计所存在的误差均处于一定的范围内，说明该设计方法具有一定的可靠性， 在流量较大时，匹配较好；在流量较小时，反而误差较大。

图5 堵塞器恒流效果曲线

表4 恒流性能实验参数

3.3 弹簧与水嘴的匹配

在现有的分层注水工艺中，使用恒流堵塞器进行分层注水时，需在下井前按各地层段的预定配注量选取合适尺寸的水嘴，使一次下井作业即可达到配注要求。 通过实验发现，同一刚度的弹簧可以与一定范围内的不同直径的水嘴搭配实现不同流量的恒定，如图6所示。

图6 弹簧与水嘴匹配后的恒流效果曲线

据此，可以研制一种流量可调节的恒流堵塞器，即设计一个可调节式水嘴代替原有的固定水嘴， 使之与同一刚度的弹簧实现不同的流量恒定。 当注采关系变化时，不需要对堵塞器进行投捞，通过测调仪调节堵塞器的可调节式水嘴即可改变流量，操作简单方便，节约成本，具有重要的现实意义［12］。

4 结论

4.1 对堵塞器进行了限位实验，即通过对阀芯位置的卡定， 以30m3/d的流量测试了阀芯在不同位置时所产生的压差。 分析堵塞器位移与压差之间的关系，结果表明：阀芯位移在2.0～4.0mm时与压差的变化较为线性， 而在4.0～5.5mm时与压差的关系变化较大，分析得出堵塞器在工作压差较高的情况下容易产生较大的流量误差使恒流量出现波动，表现为恒流效果不好。

4.2 利用薄壁小孔流量公式对水嘴进行设计，得到了恒流堵塞器的不同水嘴直径与恒流量之间的关系；提出了一种等效面积法对阀芯进行受力分析，推导出弹簧的刚度计算公式，设计出了与不同恒流堵塞器相匹配的弹簧，并对所设计的弹簧进行了恒流性能实验，结果表明所设计的弹簧与水嘴匹配较好，误差较小。

4.3 通过对弹簧刚度适用范围的研究，发现同一刚度弹簧能与不同直径的水嘴匹配实现不同流量的恒定，从而提出了一种流量可调节式恒流堵塞器的设计思路。