液控注水阀水嘴流量特性仿真与试验研究

2022-06-17黄小凤

石油矿场机械 2022年3期

黄小凤，胡松

(1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452;2. 海油来博(天津)科技股份有限公司，天津 300452)

液压控制智能完井技术是在完井时将液控注水阀下入到预定层位，在地面通过液压控制系统调节液控注水阀的开度，实现相应层位的注水流量调节。液压控制智能完井技术具有稳定性高、高温可靠性高等优势[1-7]。智能完井系统是1个实时的注采管理网络。该系统利用放置在井下的永久性传感器实时采集井下设备的工况数据，以及生产层段的压力、温度、流量等参数，经过地面决策系统处理完成后，操作井下生产滑套，完成对油藏开发参数的调整。液控分层注水管柱作为智能完井系统的组成部分，利用液控注水阀实现井下注入流量的调节。每1个注入层位分别下入1套液控注水阀，通过地面液压站输出液压信号，通过液控管线实现井下液控注水阀的开度调节，从而实现注入流量的调节。井下调节系统由液压系统及机械系统组成，具有耐高温、可靠性高的优点[8-12]。

液控注水阀用于精细的调节井下的注入流量，是液控注水系统的核心组成部分。尽管国内在注水井注入阀水嘴设计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。液控注水阀的核心技术是水嘴结构的设计，通过设计合理的水嘴结构，能够实现井下注入流量的全覆盖和精细调节。Baker Hughes、Schlumberger、ABB几家公司都开发了相关的井下液控阀产品，Baker Hughes开发的InForce系统液控阀采用全开、全关及6个节流位置(油管总节流面积的3%、6%、9%、12%、15%、21%)，该结构可以实现小注入流量的精细调节，对于大注入流量无法实现精细的调节。

为实现井下注水流量精细调控的目的，有必要进一步针对渤海油田开发的特点，对液控注水阀的水嘴流量特性进行仿真与试验研究，研究液控注水阀的流量-压力损失特性，从而得到流量-压力损失图版，指导液控注水阀的水嘴设计。

1 液控阀水嘴结构设计

液控分层注水工艺管柱结构如图1所示。管柱主要由液控滑套、井下参数检测器、液控管线、定位密封、插入密封安全阀等组成。每1个层位分别下入1套液控滑套，地面装置通过液控管线实现液控滑套的控制，井下参数检测器实现井下温度、压力、流量等参数的实时监测。通过该工艺管柱，实现井下注水量的分层调节。

液控注水阀结构设计的技术核心是在有限的挡位条件下，通过水嘴结构的设计，满足液控阀设计流量参数，同时满足精细调节的需求。液控注水阀的水嘴的如图2所示，在中心管上开不同直径的孔眼。在液控阀进行注水时，井口注入水通过管柱到达中心管处，通过中心管设置的孔眼，到达注入层位。在不同挡位时，中心管上下移动，进而调整不同的孔眼个数，即，调整当前层位过流面积，完成注入量的调节。

图1 液控分层注水工艺管柱结构

图2 液控注水阀的水嘴结构

从水嘴中流出的水通过中心管流入地层中。由于地层环境已充满高压液体，水嘴中液体的流量计算适用于淹没出流公式：

(1)

式中：qV为流量，m3/s；Δp为液体流出孔眼前后的压差，MPa；Cd为流量系数；A为孔眼的过流面积，m2；ρ为流体密度，kg/m3。

笔者初始设计的液控注水阀的水嘴直径参数如表1所示。

表1 液控注水阀的水嘴直径初始设计参数

当管径与孔径之比d/D≤1/7时，Cd=0.6～0.61。本文取Cd=0.605。通过计算得到1～6挡位孔径水嘴压损与流量关系，如图3所示。

图3 初始设计的水嘴流量-压差理论计算曲线模板

通过图3计算得到，在初始设计下，在第6挡时，液控注水阀的最大开度当量直径为7.34 mm，在4 MPa压差下，最大流量为200 m3/d。无法满足大流量注水的需求，因此需要对孔眼尺寸进行重新设计。

2 液控阀水嘴流量特性有限元分析

为验证理论计算分析的准确性，利用FLUENT软件对液控注水阀的水嘴进行流场模型建立。流体在阀内流动情况比较复杂，为了模拟的可行性，对流场模型做以下假设：

1) 介质为不可压缩牛顿流体，密度为1 000 kg /m3。

2) 流场内不考虑热传递现象。

3) 流场为单向流，只存在流体流动，没有其他介质。

流场的边界条件：

1) 流体与壁面接触边界为静止，且无滑移壁面。

2) 入口条件选择压力边界入口。

3) 出口条件选择压力边界出口。

建立的液控注水阀水嘴的开口流场模型如图4所示。

图4 液控注水阀的水嘴开口流场模型

分析了不同水嘴开度，在不同压差状态下的流量-压差关系。不同开度液控注水阀水嘴流场分布云图如图5所示，可以看出，液体在水嘴出口处，速度急剧变大，最大速度出现在水嘴出口处。通过有限元分析得到不同压力下流量-压差关系曲线，如图6所示。

a-整体结构分布云图；b-Ⅱ挡流场分布云图；c-Ⅵ挡流场分布云图；d-七挡流场分布云图图5 不同开度液控注水阀的水嘴流场速度分布云图

图6 液控注水阀的水嘴流量-压损理论分析关系曲线模板

3 水嘴流量特性试验

为验证理论计算、有限元分析的水嘴流量-压差特性曲线关系，对液控注水阀水嘴进行流量-压差关系试验，试验流程如图7所示。

可调水嘴管件孔眼直径初始值为3 mm，完成1组试验后，扩孔至3挡位，依次递增至6挡位。可调管件前后设置有压力传感器及流量计，记录水嘴前后压差及经过水嘴流量。通过试验得到不同孔径液控注水阀的水嘴流量-压损关系。以3 mm水嘴为例，其流量-压差关系如图8所示。

图7 液控注水阀的水嘴流量-压差试验流程

图8 注水阀第1挡位(3 mm水嘴)的流量-压差试验曲线

(2)

4 液控阀水嘴优化设计

通过理论分析、有限元分析及试验验证，得到了不同压差下，不同水嘴开度情况下流量-压差关系。选取了Ⅰ挡、Ⅲ挡、Ⅵ挡的阀开度，进行理论分析、模拟计算及试验的数据对比分析，如表2所示。

表2 不同孔径液控阀水嘴的流量-压差数据对比

表2表明，对于设计的8个挡位液控注水阀，有限元分析值和试验值比较接近。按照经验值取流量系数，计算值偏小，最大误差为22.58%，平均误差约为15%。

对液控阀水嘴重新设计，6个挡位中最小直径为3 mm，最大直径为7 mm，最大当量直径为12.29 mm，全开挡位当量直径为51.49 mm。在第6个挡位时，4 MPa压差下，最大流量为621 m3/d。通过理论分析、有限元分析、试验验证[13-5]，在8个挡位液控注水阀设计的基础上，得到优化设计的水嘴直径值，实现流量0～600 m3/d的精细化调控。液控注水阀的水嘴直径优化设计参数如表3所示。