注水井智能无级调节配水器水嘴结构优选及评价

杨树坤， 赵广渊， 李啸峰， 郭宏峰， 杜晓霞， 廖朝辉

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

分层注水主要通过井下配水器控制各层的吸水量，调整吸水剖面，缓解层间矛盾，从而提高开发效果，是油田实现高效开发的一种重要举措［1］. 目前常用的分层注水工艺主要有投捞水嘴式分注工艺，以及近几年广泛应用的井下预制水嘴式智能分注工艺［2-15］，但不论是哪种分注工艺都需要其配水器具有良好的调节性能，保证分层注水量的精细化控制.

智能无级调节配水器流量的调节是通过控制水嘴的开度实现的，水嘴开度调节性能与水嘴形状密切相关［16-19］：①不同形状的水嘴流量相同的情况下，产生的节流压差不同，这种压差越小对注水系统越有利；②水嘴开度相同，经过不同水嘴形状的流量不同，开度与流量线性关系越好的水嘴，越有利于流量调控.

针对以上问题，为了寻求一种压差小，开度与流量线度好的水嘴，对最大开度下总的过流面积相等的几种比较典型和常见的水嘴进行了分析，比较了各种水嘴的开度、流量、压差之间的关系，综合分析了调节性能，并搭建试验流程进行了试验验证，旨在为水嘴的选择和应用提供依据.

1 水嘴流量模型

1.1 水嘴流量基本模型建立

以图1 所示简单的节流装置为例，设节流孔的直径为d，管道内径为D.

流体通道直径由D变为d时，必然产生压差，当结构参数确定后，该压差与流量Q 有关. 在不考虑摩擦损失的情况下，节流前后的能量是守恒的，由伯努利方程知：

图1 水嘴结构示意图Fig.1 Structure diagram of water nozzle

式中：P1、P2是截面A-A和B-B处的压力，单位为Pa；v1、v2是上述两截面处的流速，单位为m/s；ρ 是流体介质密度，单位为kg/m3；除能量守恒外，在没有流体损失和增加的情况下，也必须符合连续性方程，即

式中：A、B分别表示A-A和B-B两个横截面处的通道面积，单位为m2.

设流量为Q，考虑到v1=Q/A,v2=Q/B，以及A=π D24，B=πd2/4，代入式（2）可得：

式中：β=d/D 为直径比，无量纲；D、d 分别为管道内径和孔板直径，单位为mm；Q 为流量，单位为m3/s；ΔP=P1-P2，单位为Pa.

油田分层注水用配水器结构β 值很小，为此综合考虑摩擦力、结构变化影响，引入无量纲流量系数C［4］，这时式（3）可改写为

由于油气井的结构尺寸等因素的限制，多数情况下流量调节阀是通过直线行程对水嘴的过流面积进行调节的，开度也以直线行程表示，这时过流面积、压差及流量都是行程x 的函数，式（4）可改写为

1.2 不同结构水嘴流量模型建立

各油田提出和采用过的配水器水嘴主要有菱形、长方形、三角形、椭圆形四种结构，本文主要针对以上四种水嘴结构进行调节性能分析，为了便于比较不同开度所对应的压差和流量，设定的各种水嘴的面积、长度相等，即全开度时的过流面积、行程相等.

1.2.1 菱形水嘴 如图2所示，记菱形的长对角线为l，短对角线为h，“0”表示坐标原点，图中水平方向的箭头表示调节阀的运动方向. 当调节阀移动到x处时非阴影部分所表示的过流面积B( )x 如式（6）所示. 将其代入式（5），根据文献［20］附录A-8查出流量系数C后，可得到压差、流量与开度的关系，如图3 所示. 图中横轴表示每天的流量，纵轴为不同开度下不同流量对应的压差平方根.计算时菱形的长对角线为l和短对角线为h分别取为30 mm和20 mm.

图2 菱形水嘴模型Fig.2 Diamond nozzle model

由图3可知，菱形水嘴随水嘴开度增加，节流压差大幅度减小，当开度增大到一定程度后，节流压差基本不再变化. 在低开度范围，不同开度下节流压差差值较大，比如20%开度节流压差远高于40%开度节流压差；大开度范围，不同开度下节流压差差值很小，比如80%开度节流压差与100%开度节流压差基本相同，两条曲线接近重叠. 造成上述差异主要是由菱形水嘴的结构决定的，当调节阀经过菱形的短轴时，水嘴过流面积变化幅度很小，该种形状水嘴特点是低开度下易于调控流量，但随着开度增加流量调节敏感性降低，尤其是当开度增大到80%以上时，通过调节水嘴开度基本无法实现对流量大小的控制.

图3 菱形水嘴不同开度流量和压差的关系Fig.3 Relationship between flow rates and pressure differences under different openings of diamond shaped water nozzle

1.2.2 长方形水嘴 如图4所示，记长方形的长l，宽为h，“0”表示坐标原点. 总面积与菱形相等时，计算采用l=30 mm，h=10 mm. 当调节阀移动到x处时非阴影部分所表示的过流面积B( x )如式（7）所示. 将其代入式（5），可得到如图5所示的压差、流量与开度的关系.

图4 长方形水嘴模型Fig.4 Rectangular nozzle model

由图5可知，长方形水嘴不同开度、不同流量下节流压差普遍较低，20%水嘴开度，300 m3/d流量时，节流压差只有2.56 MPa. 另外，随着水嘴开度的增加，节流压差逐渐降低，但整体差值变化幅度相对较小，这种特性有利于实现水嘴对流量大小的高效控制.

1.2.3 三角形水嘴 如图6 所示，记三角形的高为l，底为h，“0”表示坐标原点. 总面积与菱形相等时，计算采用l=30 mm，h=20 mm. 当调节阀移动到x处时非阴影部分所表示的过流面积B( x )如式（8）所示. 将其代入式（5），可得到如图7所示的压差、流量与开度的关系.

图5 长方形水嘴不同开度流量和压差的关系Fig.5 The relationship between flow rates and pressure differences under different openings of rectangular water nozzle

由图7 可知，三角形水嘴节流特性与菱形类似，但是在低开度范围，三角形水嘴的节流压差更大，比如当水嘴开度为20%、流量为300 m3/d时，节流压差高达64 MPa. 另外，相较于菱形水嘴，三角形水嘴在大开度范围，不同开度下节流压差差值相对较大. 因此，三角形水嘴特点是低开度范围内易于控制流量，大开度范围也能实现对流量的控制，但调控效果较差.

图6 三角形水嘴模型Fig.6 Triangle nozzle model

图7 三角形水嘴不同开度流量和压差的关系Fig.7 The relationship between flow rates and pressure differences under different openings of triangle water nozzle

1.2.4 椭圆形水嘴 如图8所示，记椭圆形的长轴为2l，短轴为2h，“0”表示坐标原点. 总面积与菱形相等时，计算采用l=15 mm，h=6.5 mm. 当调节阀移动到x处时非阴影部分所表示的过流面积B( )

x 如式（9）所示. 将其代入式（5），可得到如图9所示压差、流量与开度的关系.

图8 椭圆形水嘴模型Fig.8 Oval nozzle model

由图9可知，椭圆形水嘴节流压差也比较低，但要高于同等开度下的长方形水嘴，比如20%开度、300 m3/d时，节流压差为4.8 MPa. 另外，该形状水嘴在大开度范围，随水嘴开度增大，压差减小也不明显. 因此，椭圆形水嘴也是易于低开度下实现对流量的控制，在大开度范围调控效果不佳.

2 水嘴结构优选

2.1 调节压差对比

分层注水过程中，注入水需要克服管柱摩擦阻力及配水器水嘴的节流压差进入地层，所配水嘴的节流压差越小，井口所需注水压力越低，地面注水系统的能耗越小. 因此，配水器水嘴的选取原则是要求节流压差尽可能小.

图9 椭圆形水嘴不同开度流量和压差的关系Fig.9 The relationship between flow rates and pressure differences under different openings of oval water nozzle

图10 不同水嘴开度下流量与压差关系曲线Fig.10 Relationship between flow rates and pressure differences under different nozzle openings

为了直观对比不同形状水嘴流量和压差的关系，图10 给出了不同开度下流量与压差的计算结果. 由图10 可知：①三角形水嘴节流压差最大，且明显高于其他形状水嘴，但随着水嘴开度增大，差距逐渐变小；当开度增大到100%时，各形状水嘴节流压差保持一致. ②水嘴开度<40%时，长方形水嘴的节流压差最小；水嘴开度>40%时，长方形、菱形、椭圆形水嘴节流压差相差不大；从整体上来看，长方形水嘴的节流压差相对最小.

2.2 调节性能对比

配水器主要通过调节水嘴开度大小来实现对注水量的控制，好的调节性能要求水嘴不论在低注水量还是高注水量情况下，都能够实现对注水量的有效控制. 为了对比评价四种水嘴的调节性能，在相同压差下计算了开度与流量的关系，计算时取压差为0.7 MPa，结果如图11所示.

图11 压差相等时流量和开度的关系Fig.11 Relationship between flow rates and openings when pressure difference is equal

由图11可以看出：①椭圆形、菱形水嘴类似，低开度范围（0%～20%），随水嘴开度增大，注水量增幅较小，仅由0 m3/d增加到100 m3/d；中开度范围（20%～80%），随水嘴开度增加，注水量增幅明显，由100 m3/d增加到700 m3/d；高开度范围（80%～100%），随水嘴开度增大，注水量增幅再次变小，仅由700 m3/d增加到800 m3/d. 该种水嘴注水量大小随开度变化非常不均匀，不太利于水嘴对注水量的精确调节控制. ②三角形水嘴随开度增加，注水量增幅逐渐变大，尤其是当水嘴开度较大后，水量随开度变化非常敏感，同样不利于对注水的控制. ③长方形水嘴开度与注水量呈线性关系，随水嘴开度增加，注水量均匀变大，此种水嘴结构最有利实现对注水的精确有效控制.

综合对比各水嘴嘴损压差、调节性能，认为长方形水嘴为最佳选择.

3 水嘴试验评价

3.1 试验流程搭建

根据水嘴结构优选结果，将智能配水器水嘴按照计算模型尺寸加工成长方形结构，并搭建试验流程，测试水嘴调节压差及调节性能.

试验流程如图12所示，智能配水器上接头端接进水管线，水嘴夹具端接出水管线，下接头端接通讯仪；通讯仪通过地面控制箱连接电脑，用于控制水嘴开度；配水器进、出水端接压力传感器，用于测试水嘴前后压力；配水器出水端接标准电磁流量计，用于测试水嘴过水流量.

图12 水嘴评价试验流程Fig.12 Test flow of nozzle performance evaluation

3.2 水嘴调节压差试验

试验程序：①地面控制箱接电，通讯仪调节水嘴开度至100%；②启泵，控制注水流量为30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 m3/d，流量稳定后读取电磁流量计、压力传感器数据，计算水嘴前后压差；③将水嘴开度分别调至60%、20%，依次测试不同排量下水嘴前后压力，计算压差.

试验结果：将试验测试数据与模型计算数据做对比，如图13所示. 可以看出，不同开度下，长方形水嘴理论计算调节压差数据与试验测试数据基本吻合，且水嘴开度越大数据越接近.

3.3 水嘴调节性能试验

图14 长方形水嘴流量与开度关系对比曲线（计算数据-试验数据）Fig.14 Comparison curves between flow rates and openings of rectangular nozzle（calculated data vs test data）

水嘴调节压差与调节性能试验结果表明，试验测试数据与理论计算数据吻合程度高，理论模型计算结果准确，能够用来评价优选实际水嘴结构；优选的长方形水嘴调节压差小、调节性能良好，满足现场应用要求.

4 结论

1）基于伯努利方程和连续性方程，建立了不同形状水嘴流量计算模型用于水嘴结构优选评价，优选结果表明，长方形水嘴的嘴损压差相对最小，且流量与开度呈线性增加关系，利于对注水量的精确有效调控，调控性能好.

2）水嘴调节压差和调节性能试验结果与理论模型计算结果表现出极高的一致性，验证了水嘴理论模型计算的准确性，表明智能配水器选用长方形水嘴结构的合理性.