海上大排量分注井无缆智能配水器水嘴压力损失数值模拟

刘义刚 孟祥海 陈征 张乐 蓝飞 张志熊

1.中海石油(中国)有限公司天津分公司；2.海洋石油高效开发国家重点实验室

分层注水工艺从最初同心注水、偏心注水、集成式注水发展到现在的智能化注水［1］，注水井的分层测调技术也经历了固定式水嘴测调、钢丝投捞分层测调、预置电缆分层测调和一体化无缆智能测调等技术阶段。无缆智能配水器水嘴一般采用平面水嘴技术而并非传统轴向结构，行业内还没形成该类水嘴开度选择的相关标准。

对于水嘴大小的选择，韩洪升等［2］通过室内实验得到了不同内径水嘴压力损失与流量数据，并绘制了水嘴压力损失曲线图版；周理志等［3］运用理论计算方法并结合水嘴压力损失曲线对水嘴大小进行选择。王金龙［4］、王卫阳［5］、赵鹏睿等［6］应用FLUENT软件对传统水嘴进行了数值模拟，用于现场指导水嘴选配；申晓莉等［7］对新型小流量水嘴进行了设计和数值模拟，实现层间大压差分层注水；罗必林等［8］应用有限元方法获得了“U”型可调水嘴流量系数与水嘴开度的关系。海上大排量情况下无缆智能可调水嘴开度的选择问题还未见统一的指导方案。

基于FLUENT软件对无缆智能配水器水嘴15级开度及不同流量情况下(0～500 m3/d)所产生的水嘴压力损失大小进行了模拟，将模拟数据应用于现场11层次的分层调配作业。经验证，各层调配一次完成，配注合格率达到90%以上。

1 无缆智能配水工艺

无缆智能配水工艺由远程控制系统、地面控制系统、井下控制系统(井下智能配水器) 3部分构成。远程控制系统是以Internet远程控制与数据采集软件系统为主体的计算机操作平台。地面控制系统由智能控制电路、通讯系统及软件系统、电子流量计、电子压力计、电动调节阀构成，其主要功能是井口流量、压力数据采集与传送，井口控制指令接收与执行，井下流量、压力数据的接收与传送，井下配水器控制指令转码发送，电动阀开度状态的控制。

井下智能配水器基本结构如图1所示，其工作原理有别于预置电缆测调技术，它通过地面调制解调器按照用户远程指令自动调节井口压力变化，进而形成特定水嘴开度所对应的压力波码。压力波码被无缆智能配水器中的压力传感器识别后，电动机驱动水嘴开始工作。该技术彻底解决了预置电缆测调技术因密封失效所带来的问题。

图1 井下智能配水器Fig.1 Downhole intelligent water regulator

2 水嘴压力损失数值模拟

2.1 水嘴几何模型建立

智能可调水嘴采用平面扇形水嘴技术，主要由上部孔板(由电机驱动轴向转动)和下部孔板组成，流体从上孔板侧面入口流入，经上下孔板扇形孔眼流出，几何模型如图2(a)所示。智能可调水嘴的扇形截面内径8 mm，外径26 mm，分1～14、全开共15个开度，此设计既能满足海上大排量配注的要求，又能解决层间差异大而造成的配注问题。智能可调水嘴的三维几何模型导入网格划分软件、创建流体边界，生成计算流体域模型如图2(b)所示，其计算流体域用以表征智能可调水嘴的内部过流通道。

图2 水嘴模型Fig.2 Nozzle model

2.2 流场模拟

将计算域模型进行网格划分后导入FLUENT，选取water liquid作为流体材料，模型选择标准kepsilon湍流模型，边界条件设置：入口边界设为速度入口，具体数值根据过流量和过流截面积而定，湍流强度5%，出口边界设定为压力出口。如图3、图4所示为排量120 m3/d、过流面积48 mm2情况下所得到的静压力云图和速度矢量图。从图中可以看出，压力损失主要集中在最小过流截面处，压力损失主要用于克服局部阻力损失和流体速度增加；另外，在水嘴出口处因流道变大静压有小幅回升，此时的流体局部阻力损失小于速度减小所带来的压力增大。

图3 压力云图Fig.3 Pressure contour

图4 速度矢量图Fig.4 Velocity vector

2.3 水嘴压力损失曲线

经过对15级水嘴开度在不同流量下所对应的压力损失进行模拟，得到137组不同流量和水嘴开度下所对应的压力损失值，将其求算数平方根后与对应排量进行曲线拟合，得到压力损失曲线图版如图5所示。从图中可以看出，同一水嘴开度下，压力损失平方根与流量之间具有很好的线性关系；在同一流量变化下，水嘴开度越小，水嘴压力损失变化越大。上述规律符合流体力学局部水力损失公式，可以用于指导现场分层调配作业，其表达式为

式中，ΔP为水嘴压力损失，MPa；ξ为局部阻力系数；ρ为流体密度，kg/m3；d为水嘴当量直径，m；Q为流量，m3/d。

图5 水嘴不同开度压力损失曲线图版Fig.5 Chart of pressure loss curve at different nozzle openings

3 现场应用

将模拟后所得到的压力损失曲线应用于渤海油田3口注水井的分层测调，3口井中最大井斜角78°，最大井深2 468.72 m，单井分注层段最多为5层，单层最大配注达到192 m3/d。从现场调配结果来看，3口井共11个注水层段的水嘴开度选配作业均能够一次性完成，应用该水嘴压力损失曲线进行单层测调时间是传统钢丝投捞测调时间的1/20，是经验法调配时间的1/2～1/3。表1为各层主要参数和最终调配结果，各层的配注合格率达到90%以上，完全可以满足海上大排量注水井分层调配合格率的要求。

4 结论与建议

(1)无缆智能配水器通过压力波码的形式进行注水井的分层测调，解决了传统钢丝投捞测调工作量大、成本高的难题，也解决了预置电缆测调因密封失效所带来的局限性，适用于海上分注井，且15级水嘴开度设计完全满足大排量注水的要求。

(2)试验井水嘴开度选配作业一次性完成，单层测调时间是传统钢丝投捞测调的1/20，是经验法适配测调的1/2～1/3，配注合格率达到90%以上。模拟水嘴压力损失与现场实际数据基本吻合，对无缆智能配水器嘴损模拟所得到水嘴压力损失曲线图版可直接用于指导现场分层调配作业。

(3)建议后期继续进行矿场试验，为海上大排量分注井高效测调提供更多数据支持。

表1 各配注层主要参数和调配结果Table 1 Main parameters and injection allocation results of different injection allocation layers