基于TRIZ创新理论的新型高压损防堵水嘴

田辉 邹克武 王文成 刘春哲 李大伟

承德石油高等专科学校

基于TRIZ创新理论的新型高压损防堵水嘴

田辉 邹克武 王文成 刘春哲 李大伟

承德石油高等专科学校

为了在有限空间内探索具有大通流面积、高压损特性的注水嘴，使其在注水过程中保证配水精度的同时具有良好的防堵能力，应用TRIZ创新理论对具有高压损、防堵特性的分层注水水嘴进行了深入分析和优化设计。通过功能及冲突矩阵分析，利用结构嵌套法对水嘴结构进行优化，并设计出具有嵌套形式的新型绕流对冲水嘴。通过数值模拟方法对新型水嘴的压损特性进行分析，结果显示，新型水嘴可在保证截面面积较大（不小于传统Ø4.0 mm直孔的通流面积）的情况下提供优于传统Ø2.0 mm直孔水嘴的压损特性，从而可在保证配水准确性的同时提升防堵能力，提高水嘴的免维护周期。

分层注水；高压水嘴；TRIZ；数值模拟

分层注水是目前应用最为广泛的提高石油采收率的方法［1］。随着中老油田注采不平衡问题的积累和非均质复杂断块油层的开发，尤其是低渗透/超低渗透油层的开发，对分层注水的精度和稳定性提出了更高要求。固定水嘴式堵塞器是目前应用最广的分层注水井下配水装置，可在前期测井解释的指导下，利用一系列不同节流口径的水嘴实现准确的分层配水。然而传统固定水嘴的设计通过选配适当节流孔直径调节不同层间注水量，没有考虑井下实际工况，理论模型设计简化而对阀芯内流场的分析不全面；注水水质的不断恶化造成堵塞器阀芯的寿命普遍较短，实际水驱过程发现当单直固定节流口水嘴直径小于4 mm时，水嘴发生堵塞的几率有所增加，直径为2 mm时最易发生堵塞。因此，在保证压损特性的基础上解决小口径固定水嘴堵塞问题是提高分层注水技术应用效果的关键［2］。

20世纪50年代Altshuller带领的团队总结出了人们在解决技术难题时所遵循的科学方法，并将其命名为TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）［3］。Altshuller认为技术难题无论大小，其核心技术的发展过程具有客观的发展规律或模式。各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种技术进化过程的动力。上个世纪80年代以来，TRIZ理论逐渐被各国研究机构、企业及高校所关注，包括波音、西门子、福特等公司均将TRIZ理论应用于新产品的开发过程［4］。

基于TRIZ创新理论就制约水嘴压损及防堵性能提升问题进行系统功能分析，并利用冲突矩阵获得解决问题的策略。在此基础上，从限制嘴损提升的水嘴结构入手设计合理的水嘴流道形式，采用数值计算方法对新型水嘴性能进行预测，为提升分层注水高压损水嘴防堵性能提供一种可行的方案［3-5］。

1 基于TRIZ创新理论的问题分析

Problem analysis based on TRIZ innovation theory

1.1 系统功能分析

Systematic function analysis

TRIZ理论被普遍认为是一种为创新问题提供解决方案的理论，在系统功能分析的基础上利用冲突矩阵分析方法为拟解决问题提供有效的改进策略。如图1所示，油层支撑作用下配水器可实现对配注水的输送，从而实现将配注水注入油层相应位置，完成水驱采油。图中水嘴起到节流作用，可以使注水主管路内配注水根据不同地层压力特点配注近似恒定流量的水。配水器在对水嘴起支撑作用的同时，其外形尺寸受配水器结构的空间限制。此外，由于配注水总量较大，油田往往不能严格保证配注水的水质，配注水中所携带的杂质对水嘴的附着作用加速了水嘴的堵塞失效。

图1 功能模型Fig. 1 Function model

1.2 确定改进策略

Determination of improvement strategy

通过功能分析发现，水嘴对配注水节流的不足，源于配水器的空间限制以及配注水中杂质的附着堵塞。由于配注水来源复杂、各油田净化设备性能差异较大，从消除配注水中杂质含量入手解决问题的途径并不具备普遍意义。因此，问题的冲突在于水嘴的结构尺寸与压损，为保证防堵性能需要水嘴通流截面较大，而为了保证水嘴压损特性需要水嘴的通流截面较小。解决此问题的过程改善通用工程参数为能量损失，发生恶化的通用工程参数为静止物体的体积。根据冲突矩阵表发现，应采用改进策略为：结构嵌套法［6］。

1.3 基于嵌套原理的高压损防堵水嘴结构

Structure of high pressure loss anti-blocking water nozzle based on nesting principle

鉴于工程应用中2 mm孔径最易发生堵塞，而当孔径大于4 mm时几乎不发生堵塞的实际情况，结合配水器结构及实际工况，利用结构嵌套法设计目标为：水嘴通流部分尺寸为外径12 mm、长度45 mm，流量在0～10 m3/d范围内，水嘴通流截面当量直径不小于4 mm，压损特性不低于同条件下Ø2 mm直孔节流效果。根据嵌套原理，需要在配水器水嘴安装尺寸范围内充分利用空间结构，设计组合式、重复式、嵌套式节流结构从而保证较高的压损特性。

基于结构嵌套法并结合工程实际，设计新型扰流对冲式水嘴如图2所示。新型水嘴采用组合式结构，由1个水嘴盖、若干个水嘴单元体、1个水嘴尾托组成。

图2 新型扰流对冲式水嘴Fig. 2 Novel bypass reverse water nozzle

如图3所示，水嘴盖及水嘴尾托分别起到对水嘴单元体的轴向两端定位作用。水嘴盖开有4 mm直径的偏心流道口以及中心定位槽。水嘴尾托的长度可根据配水器实际尺寸而定。水嘴单元体外径与配水器内径相同，从而可相互配合形成封闭的流道，配注水可在此流道内发生对冲、折转、绕流等剧烈流态变化，最大限度提高过流能量消耗。水嘴单元体间可通过定位键/槽相互连接，多个单元体串联应用可显著提高水嘴的压损特性。

图3 新型水嘴各组成单元结构Fig. 3 Structure of all compositional units in the novel water nozzle

2 新型水嘴数值分析

Numerical analysis on the novel water nozzle

2.1 数值计算

Numerical calculation method

对于分层注水过程中水嘴内的全三维黏性不可压缩定常流动可用Navier-Stokes方程组描述，其连续性方程及动量方程表示为［7-9］

式中，u表示流动速度，m/s；p表示压强，Pa；ρ表示流体密度，kg/m3；ν表示运动黏性系数，N·s/m2；f表示体积力，文中仅指重力，N。采用混合网格方式进行计算域离散，为保证收敛性对进出口区域进行了适当拓展。近壁面区域布置5层边界层网格，并采用连续过渡方式与内部区域网格进行衔接。流动区域内部采用四面体网格，使得网格整体具有较好的贴体性，保证网格质量。基于对网格化分数分别为 160×104、210×104、250×104等 3 种状态下网格数值分析，进出口压损、特征界面速度等参数的偏差均小于5%，可以认为已得网格无关解。如图4所示为网格化分数为210×104的状态。图4（a）为计算区域总体网格划分情况，红色区域内部为水嘴内部流道部分，其局部放大如图4（b）所示，红色区域两侧分别是入口及出口延伸段。

图4 计算区域网格Fig. 4 Grid of the calculation region

计算过程采用标准k-ε湍流模型，并采用标准壁面函数模拟近壁面处流动情况。全场近壁面y+介于30～75之间，由此可见所设置的近壁面网格尺度及壁面函数的选取是可行的。根据工况的不同给定入口流动速度，同时给定一个比较高的总压（不同工况中均给定入口总压2.5 MPa），出口边界条件则给定出流边界条件。这样的进出口边界条件设置方式有利于计算收敛，又方便根据计算所得的出口总压情况获得流过水嘴的总压损失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程组。计算过程首先采用一阶迎风离散格式进行试算，计算稳定后采用二阶迎风格式继续求解直至获得收敛的解。

2.2 计算结果

Analysis on calculation results

图5为流量10 m3/d情况下水嘴内的流线分布情况。图中可见配注水在水嘴中连续发生流动方向的折转、绕流、对冲，随着流动状态的剧烈改变，局部阻力损失显著增加。

图5 新型水嘴内流线分布Fig. 5 Distribution of flow line inside the novel water nozzle

图中流线颜色反映了流动过程的总压分布，红色表示总压值最高的区域，蓝色表示总压值最低的区域。图中流线的颜色过渡则反映出了配注水在流动过程中总压的变化情况。此外，组合式水嘴结构通过4个水嘴单元体的共同作用，充分利用了配水器轴向空间提高了水嘴的压损特性。计算结果显示流量为10 m3/d情况下每个水嘴单元体产生的总压损失约0.324 7 MPa，而通过4个水嘴单元体及水嘴盖、水嘴尾托组合而成的新型水嘴总压损失可达1.3 MPa。

图6为新型水嘴及传统Ø2.0 mm直孔水嘴压损特性随流量的变化曲线，可以看出，水嘴的压损随流量的增加而显著提高，同流量下新型水嘴的压损高于传统Ø2.0 mm直孔水嘴压损，随着流量的增加新型水嘴压损提升的速率高于传统Ø2.0 mm直孔水嘴。由此可见，新型水嘴在有限的配水器空间内通过合理的流道设计使得过流截面面积不小于传统Ø4.0 mm直孔的情况下提供了优于传统Ø2.0 mm直孔水嘴的压损特性。

图6 水嘴压损特性曲线Fig. 6 Characteristics curve of nozzle pressure loss

3 结论

Conclusions

（1）在TRIZ创新理论的指导下，基于功能分析发现制约注水嘴稳定运行的冲突存在于水嘴结构尺寸与压损之间，利用冲突矩阵获得解决问题的改进策略并基于此设计提出新型嵌套式对冲绕流水嘴。

（2）经过严格数值分析验证，研究的新型水嘴可在配水器有限的空间内、过流截面面积不小于传统Ø4.0 mm直孔的情况下提供优于传统Ø2.0 mm直孔水嘴的压损特性，在保证配水准确性的同时提高水嘴的免维护周期。

［1］丁一凡. 世界能源形势的变化与中国的能源安全［J］.国际经济评论，2004（12）：19-23.DING Yifan. Changes in the world energy situation and china’s energy security［J］. International Economic Review, 2004（ 12）∶ 19-23.

［2］大庆油田有限责任公司开发部. 大庆油田注水质量调查报告［R］. 2003-12.The Development Department of Daqing Oil field Co., Ltd.The report of Daqing oil field water quality［R］. 2003-12.

［3］ALTSHULLER G S, RODMAN S, SHULYAK L. The innovation algorithm∶ TRIZ, systematic innovation and technical creativity∶ Aseanheartjournal Org［C］.Worcester∶ Technical Innovation Center, 1999.

［4］檀润华. 创新设计—TRIZ：发明问题解决理论［M］.北京：机械工业出版社，2002.TAN Runhua. Innovative design—TRIZ∶ theory of inventive problem solving［M］. Beijing∶ China Machine Press, 2002.

［5］檀润华，王庆禹，苑彩云，段国林. 发明问题解决理论：TRIZ［J］. 机械设计，2001，22（7）：7-12，53.TAN Runhua, WANG Qingyu, YUAN Caiyun, DUAN Guolin. The solving theory of inventive problem∶ TRIZ［J］. Journal of Mechanical Design, 2001, 22（7）∶ 7-12,53.

［6］韦子辉，檀润华. 产品设计中多冲突问题解决过程研究［J］. 中国机械工程，2010，21（3）：263-267.WEI Zihui, TAN Runhua. Research on multi contradictions problem solving in product design［J］. China Mechnical Engineer, 2010, 21（3）∶ 263-267.

［7］田辉，孙秀玲，郭涛，李国君. 基于遗传算法的离心泵叶片水力性能优化［J］. 农业机械学报，2010，41（5）：64-67.TIAN Hui, SUN Xiuling, GUO Tao, LI Guojun.Optimization for the hydraulic performance of centrifugal blade based on the genetic algorithm［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2010,41（5）∶ 64-67.

［8］田辉，郭涛，孙秀玲，李国君. 离心泵内部动静干涉作用的数值模拟［J］. 农业机械学报，2009，40（8）：92-95.TIAN Hui, GUO Tao, SUN Xiuling, LI Guojun.Numerical simulation of unsteady flow in a centrifugal pump［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2009, 40（8）∶ 92-95.

［9］申晓莉，于九政，王子建. 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.SHEN Xiaoli, YU Jiuzheng, WANG Zijian. Design and numerical simulation for a novel low flow rate nozzle［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35（1）∶ 83-86.

（修改稿收到日期 2017-07-20）

〔编辑 李春燕〕

Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory

TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei
Chengde Petroleum College,Chengde067000,Hebei,China

It is aimed at exploring the water injection nozzle which is characterized by large flow area and high pressure loss in limited space, so as to ensure water allocation accuracy and good anti-blocking capacity in the process of water flooding recovery. The TRIZ innovation theory was applied to perform thorough analysis and optimal design on separate layer water injection nozzle which has the performance of high pressure loss anti-blocking. Based on function and collision matrix analysis, the water nozzle was structurally optimized by means of the structure nesting method, and a novel bypass reverse water nozzle with the nesting form was designed. And its pressure loss characteristic was analyzed by using numerical simulation. It is indicated that this novel water nozzle is superior to the traditional Ø2.0 mm straight hole nozzle in term of pressure loss characteristic while its cross section area is remained larger (not smaller than the flow area of traditional Ø4.0 mm straight hole). And thus, the anti-blocking capacity of the water nozzle is improved and its maintenance free cycle is extended while the accuracy of water allocation is guaranteed.

separate layer water injection; high-pressure water nozzle; TRIZ; numerical simulation

∶

田辉，邹克武，王文成，刘春哲，李大伟.基于TRIZ创新理论的新型高压损防堵水嘴［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：658-661.

TE357

A

1000 – 7393（ 2017 ） 05 – 658 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.022

河北省自然科学基金项目“离心泵空化演变机理分析及其对水动力性能的影响研究”（编号：E2016411008）；河北省高等学校科学技术研究项目“具有高压损特性的防堵分层注水系列水嘴的设计及实验研究”（编号：QN2016245）。

田辉（1982-），2014年毕业于西安交通大学能源与动力工程专业，获工学博士学位，现从事流体机械内部复杂流动分析及优化设计的工作。通讯地址：（067000）河北省承德市大学园区。联系电话：0314-2377120。E-mail：tianhuicfd@gmail.com

李大伟（1984-），2012年毕业于东华大学机械制造及其自动化专业，获工学硕士学位，现从事石油机械结构设计和制造信息化方面的研究工作。通讯地址：（067000）河北省承德市大学园区。联系电话：0314-2377023。E-mail：cdpclidawei@163.com

: TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei. Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 658-661.