桥式偏心分层注水水嘴选配方法研究

韩承骋，陈雷，孟康，马雄

（中国石油长庆油田公司第一采油厂，陕西 延安 716000）

分层注水对缓解层间矛盾，在扩大水驱波及体积的同时降低能量消耗，最终提高油田采收率具有非常重要的意义［1-13］。桥式偏心分层注水是目前国内应用最广泛的分层注水技术，但实现有效分层注水存在诸多难点，选配合适的水嘴就是其中之一。现场工作主要采用试凑法选择调配水嘴，该方法主要凭经验选配，往往水嘴适配率低，既费工费时又增加了施工成本［14-16］。本文针对分层注水的水嘴选配问题，建立了压力、流量及水嘴尺寸等变量的模型方程，力求通过科学计算，提高水嘴一次调配成功率，以提高现场工作效率。

1 水嘴选配模型

假设条件：1）近似认为注入水为单质水，基于水的压缩系数仅为1.845 9×10-8m2/N，研究中设定注入介质为不可压缩流体；2）注水管柱为一液体输送过程中的泄流装置（见图1），在注水过程中，配水器水嘴可认为是小孔口，注入水经过孔口进入地层［17-19］。

图1 2层分注示意

忽略注水量损失，全井注水量守恒，各层配注水量Qn与总注水量Q、各层势能Zn与总势能Z之间的关系为［20-24］

考虑各层水嘴直径dn、注入水通过水嘴的速度un，建立包括水嘴面积A的分注水量关联模型：

由于国内大多数油田中2级分层注水井数占总分注井数的80%以上，所以，本文在关联模型的基础上，建立2级分注模型：

截取井口液面和水嘴断，以各层水嘴中心轴线为基准面，设定各分注层位深度为基准位置，则根据伯努利方程得到处于同一流线上的任意2点水头势能Z1和Z2间的关系式为

进而得：

因各断面均处于同一水头的作用下，流速分布均匀，则a0=a1=a2=1.0；假设注入水全部进入地层，地层内水头相对于井深极小，则可近似认为H01=H02=0；又因水嘴截面积相对于油管面积很小，则认为u0与u1，u2相比，u0远远小于u1和u2，可忽略不计。因而，可将式（5）写成：

又依压力守恒概念得

根据文献［25］，得到分层注水嘴损计算公式：

将式（9）代入式（6）得

水体进入管柱，经配水器进入地层，在进入水嘴孔口出流时，由于惯性作用，液流的流线不会急剧改变而形成圆滑曲线，在流股上产生一定的收缩。至离孔口约d/2处，流线几乎达到平行状态，该断面称为收缩断面，则注水管柱的注入流量可由压缩系数ε表示：

由于水嘴大小形状不同，因此，阻力不同，断面收缩不同，收缩系数ε亦有所不同。根据基础流体力学小孔收缩实验，可得ε为0.60～0.64。本文取ε=0.60，根据式（10）和式（11），考虑收缩系数后得到公式：

将式（12）代入式（10），得到 2级分注模型：

2 水嘴选配软件

虽然通过推导建立了2级分层注水的选配模型，但是计算起来比较复杂，仍不适应现场快速选配水嘴的需要；所以，笔者利用Visual Studio 2008软件，编译设计了分层注水选配软件，其工作流程如图2所示，程序界面见图3。

图2 软件工作流程

图3 分注水嘴选配程序界面

3 实例验证

利用水嘴选配设计软件对2011年长庆油田实施的11口分层注水井数据进行计算处理，得到各层注水水嘴直径，并与实际水嘴直径对比（见表1）。

对比发现，10口井分注水嘴直径与现场实际选配基本吻合，符合率达90.9%。可见，利用选配模型、软件能有效提高水嘴一次调配成功率。

表1 现场水嘴直径与计算值对比

4 结论

1）以2级分层注水为例，建立了系统的油田分层注水水嘴选配模型，并编译了水嘴选配软件。该模型考虑了诸多因素，基本符合桥式偏心分注水嘴选配规律，更贴近现实工况，可有效提高水嘴一次选配成功率。

2）建议下一步根据选配模型推导低渗透油田桥式偏心分层注水的条件边界，按需加工相应水嘴，并理论指导地质配注；开展不同条件下的分层注水现场试验，以完善水嘴选配模型，指导不同区块、层系的分层注水开发，实现更为准确的精细分层注水。

5 符号注释

Q1，Q2，Qn，Q分别为第 1 层、第 2 层、第n层配注水量和总注水量，m3/d；Z1，Z2，Zn，Z分别为第 1 层、第2层、 第n层注水势能和注水总势能，m；A1，A2，An，Ac，A分别为第1层、第2层、第n层的水嘴截面积和收缩断面面积及孔口面积，m2；QA1，QA2分别为第 1，2 层通过水嘴的流量，m3/s；H1，H2分别为第 1，2 层深度，m；H01，H02分别第 1，2 层的水头，m；h1，h2，hn分别为第1层、第2层和第n层的液流阻力损失水头，m；p1，p2分别为第1，2层的地层压力，MPa；p0为井口注水压力油压，MPa；pH为水头压力，MPa；Δpn为嘴损压差，MPa；u0，u1，u2，un分别为液体通过油管和第 1层、 第 2层、第n层水嘴时的流速，m/s；d1，d2，dn分别为第 1 层、第2 层、第n层水嘴直径，m；a0，a1，a2分别为油管和第 1，2层的液流阻力系数，无量纲；γ为流体密度与重力加速度的乘积，N/m3；g为重力加速度，m/s2；ε 为收缩系数，小数。

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