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定量配产器结构及特性研究 摘要 定量配产器是在常规配产器的基础上设计出的一种新型的分层配产器工具。它具有在一定压差 变化内能实现分层定量配产、安装方便及能和常规的偏心配产工具配套使用等优点。 本文通过对常规配产器的研究，设计出了定量配产器结构，采用二次节流油嘴来实现定量配产， 并应用数值模拟及工程实验等方法对二次节流油嘴的结构特性及流场特性进行了研究。 数值模拟部分利用流体动力学软件f l b e n t ，以雷诺平均k - s 方程为控制方程，以标准k - r 模型 为湍流模型，基于控制体积法，应用s i m p l e c 算法，通过对控制方程中相关参数的修正，对二次节流 油嘴的内部流场进行了数值计算。通过数值计算得n z - - - - 次节流油嘴的速度分布特性、压力分布特 性、湍动能及其耗散率分布特性规律。 采用数值模拟方法对定量配产器进行结构优化，计算了不局结构形式的二次节流油嘴的流场分 布规律和出口漉量。从数值模拟的压力场分布图、端动能分布图及流量数据来看，二次节流油嘴的 直径大小及安装顺序是影响结构特性及流场特性的主要原因，在数值分析结果的基础上对二次节流 油嘴进行了结构优化。 为了验证数值计算结果，对二次节流油嘴进行了实验研究。结果表明，实验结果与数值计算结 果吻合较好，表明可以用一定模型的数值计算方法对二次节流油嘴结构特性进行研究。基于液体流 经孔口的流量计算公式，进行数据拟合得出了二次节流油嘴的流量计算经验公式，计算了其在高 压r 的流量，并通过高压实验验证了经验公式的正确性，结果显示，与一次节流油嘴相比二次节流 油嘴比在一定压差变化范围内具有更好的稳定流量的作用。 ，本文工作为进一步研究定量配产器的结构特性、流场特性及结构优化设计提供一定的理论和经 验。 关键词： 定量配产：二次节流；数值模拟；油嘴；流量 s t u d yo ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fq u a n t i t a t i v eb o t t o m h o l er e g u l a t o r a b s t r a c t q u a n t i t a t i v eb o t t o m h o l er e g u l a t o r , r ) c w 【o o lf o rm u l t i z o n ep r o d u c t i o nd e s i g n e do nt h eb a s i so f t h e n o r m a ln s e db o n o m h o l er e g u l a t o r lsh a sm a n yv i r t u e s ，s n t ：hbp r o d u c i n gf i x e dy i e l di nd i f f e r e n tl a y e r s ， e a s yi n s t a l l a t i o na n da p p l y i n go nc o n v e n t i o n a le c c e n t r i cb o t t o m h o l er e g u l a t o ra n ds u p p o r t i n gp r o d u c t i o n t o o l s t h i sp a p e rd e s i g n sq u a n t i t a t i v eb o t t o m h o l er e g u l a t o rb a s e do l lc o n v e n t i o n a lb o t t o m - h o l er e g u l a t o r t h eq u a n t i t a t i v eb o t t o m h o l er e g u l a t o rr e a l i z et oo u t p u tb ys e c o n dc u te x p e n d i t u r ec h o k et oq u a n t i t a t i v e l y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e ii m e n t a lm e t h o da r ea p p l i e di nt h es t u d yo f s e c o n dc u te x p e n d i t u r ec h o k e a n dt h es b t l c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l d n n m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tb yu s i n gh y d r o d y n a m i cs o f t w a r ef l u e n t , b a s e do nr e y n o l d s a v e r a g en se q t m t i o n s t a n d a r d sk - tm o d e lw a st a k e na st u r b u l e n tm o d e l ，c o n t r o lv o l u m em e t h o dw a s c o n s i d e r e d ，s i m p l e ca r i t h m e t i cm e t h o dw a sa p p l i e d ，b ym o d i f y i n gt h ec o r r e l a t i o np a r a m e t e r si nc o n t r o l e q u a t i o n ，t h ei n l e r i o rf l o wf i e l do f s e c o n dc a te x p e n d i t o r ec h o k ew a sa n a l y z e d ，b yn u m e r i c a lc a l c u l a t i n g t h ev e l o c i l yd i s t r i b u t i o nc h i n a c t e r i s t i e s ，p r e s s u r ed i s t r i b u s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t u r b u l e n te n e r g ya n di t s d i s s i p a t i o nr a t eo fs e c o n dc u te x p e n d i t t t r ec h o k ef l o wf i e l dw e r eo b t a i n e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa d o p t e dt ot r e a tw i t hs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rq u a n t i t a t i v eb o t t o m h o l e r e g u l a t o r c o m p n t es e c o n dc u te x p e n d i t t l r ec h o k eo fd i f f e r e n tf o r m so ff l o wd i s t r i b u t i o na n de x p o r tf l o w t h r o u g hp r e s s u r ed i s ui b n f i o nc h a r a c s e l i s t i e s t u r b u i e n te n e r g ya n d 佻d i s s i p a t i o nr a t ea n df l o wd a t a s h o w e d i n ed i a m e t e ra n dt h es l r t l c m r a ii n s t a l l a t i o no r d e ro ft h es e c o n dc u te x p e n d i t u r ec h o k ea r em a i n r e a s o f l sa f f e c t i n gt h ef l o wf i e l d t h es e c o n dc u te x p e n d i t u r ec h o k ei so p t i m i z e db yn u m e r i c a la n a l y s i so n t h eb a s i sc ) f t h er e s u l t so f a n a l 3 s i so t t h er e s u l t s f o rt i l t s a k eo fv a l i d a t i n gt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i n gr e s u l t ，t h ef l o wc h a r a c t e li s t i c so ft h es e c o n de m e x p e n d h u r ec h o k ew e r ee x p e r i m e n t a ls t u d i e da n dd a t af i t t i n g t h ee x a m i n a t i o nr e s t d ts h o w s , w h i c hi si n a c c o r d a n c ew i t ht h en t t m e r i c a ts i m u l a t i o nr e s u l t c e r t a i nm o d e l so ft h en u m e r i c a lm e t h o dc a ns t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs h es e c o n dc u te x p e n d i t u r ec h o k e t h ed a t af i n i n gr e s u l ts h o w s ，s e c o n dc u t t i n g e x p e n d i t u r ec h o k ec o m p a r e dw i t ha n dac u te x p e n d i t n r ec h o k eu s e di nn o r m a lb o t t o m h o l er e g u l a t o r , c a l l r e a l i z es oq u a n t i t a t i v e l yo u t p u tw i t h i np r e s s u r ec h a n g e s t h i sw o r kp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s ea n de x p e li e n c e sl o i _ t h es t r u c t u r a l 。f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n d s i l u f i l u r a o p t i m i z a t i o nd e s i g no l q u a n s i t a f i v eb o n o m r h o l er e g u l a t o r k e yw o r d s ：q t t a n f i t a t i v e l yo u t p u t s e c o n df l i te x p e n d i t u r e ；n t l m e li c a ls i m u l a t i o n ；c h o k e ；f l o w i l 【 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是霰在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 朗并表示谢意 作粼：缉l 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文 在解密后适用本规定。 学位论文储张；举 日期： 纠乡、y i 创新点摘要 l ，本论文首次提出二次节流油嘴，并将其应用到配产器中，设计出了定量配产器结构，在一定 压差变亿范围内实现了稳定流量的作用。 2 、本论文首次利用计算流体力学软件f l u e n t ，采用标准k 一占模型对二次节流油嘴内部流场进 行数值模拟，流量计算结果与实验得到的数据基本吻合，证明了算法和模型的正确性，为定量配产 器的流场特性及结构优化设计提供了一条有效的途径。 夫庆石油学院硕 研究生学位论文 引言 一、本论文研究目的和意义 砂岩油田的基本地质特征是非均质、多油层。大庆油田属世界上的特大型砂岩油 田，其中喇嘛甸、萨尔图和杏树岗三个主力油田油层深1 2 0 0 m 左右，油层总厚度1 0 0 1 5 0 m ，由8 0 - - 1 2 0 个小层组成“o ，单层最厚可达3 0 m ，最薄只有o ，2 m 渗透率最高可 达l2 姗2 ，最低只有0 0 0 4 0 0 0 5 m a 。为避免层问干扰，充分发挥中、低渗透层的 产油能力，进一步调整油层的平面矛盾和层间矛盾突出，必须采取分层采油措施”。 因此，促使我国发展出一套同井分层的开采工艺，进行分层配产，合理调配每层采油 量。目前这一工艺己成为实现“稳油控水”方针和提高油田采收率的主要开采技术手 段1 ”。 油田进入高含水阶段，为满足不同机采方式要求，合理选用分层配产管柱形式及 其配套工具是油井实现分层定量配产的基本条件。目前各油田使用的偏心配产器尽管 种类很多，但原理大致相同，原油经油套环形空间流入配产器后进入油管”。分层配 产时，需通过地面模拟试验确定油嘴尺寸、压力和流量的关系来确定配产参数，但实 际工况发生变化时。则难以保证分层定量配产。因为各配产层段配产量，不仅取决于 配产器内油嘴的几何尺寸，也与系统压力或地层渗透能力等井况条件是否稳定有关”1 。 渗透能力强、含水量高的层段产量增加；渗透能力差，含油量高的层段产出量比例相 对减少，使单井的产出液含水量增加。因此，合理改进配产器的结构形式，使其在井 况条件发生变化时，保持流量稳定，已成为亟待解决的问题。 二、配产器的发展现状 2 0 世纪在6 0 年代油田开发初期，研究成功了以油井封隔器和6 2 5 型油井配产器 为主的分层采油工艺，运用这套工艺可以将井中油层分成4 5 个层段。通过6 2 5 配 产器的活动油嘴来调节每一个层段的采油量，对油井进行分层段定量采油。 七十年代油田进入中含水阶段，随着油田含水的上升，开发对象从高渗透层向低 渗透、特低渗透油层转移为适应分层配产工艺需求，研制了油井多用途偏心配产控 制系统，使配产层可达到7 8 级，解决了管柱分隔器级数多、不动管柱可任意调整 油嘴、可分层测试、不投堵不压井起下管柱等系列问题，适应了油田开发需要9 。 分层开采工艺也在不断发展和完善，目前己形成技术系列。大庆油田分层采油管 柱根据配产器结构和配产工艺有以下三种常用类型“”： 引言 l 、k q s ll o 配产器( 6 2 5 型空心配产器) 分层采油管柱 该管柱由水力挤压封隔器与k q s l l o 配产器等组成，在1 3 9 7 m m 套管井中利用 6 3 5 m m 油管采油时，配产器最多可下5 级。由于挤压式封隔器胶筒是靠锥体挤压的过 盈实现密封的。对套管内径的适应性较差，对不同内径的套管需要更换锥体。影响一次 下井成功率。该管柱在油田中、低含水期曾广泛使用，规模达1 2 0 0 口井以上，封隔器 一次下井成功率在8 0 左右。此种结构在大庆油田中低含水期开采过程中发挥重要作 用。 2 、双管多级分段采油管柱 该管柱由双管采油树、主管和副管组成，主管上有连通器、封隔器工作筒和筛管 等井下工具，在工艺上可做到分层测试、化学清蜡。它适应于油层压力差别大、层间 干扰严重的油井，可以分采3 4 个层段。由于该管柱作业工艺复杂、施工难度 大，3 8 i m m 油管对产液量高的油井摩阻损失过大等原因没有大面积推广。 3 、k q x 【1 3 配产器( 6 3 5 型偏心配产器) 分层采油管柱 该管柱由压缩式封隔器和偏心配产器等井下工具组成，它是针对k q s 1 1 0 配产器 分层采油管柱不能细分、对套管内径变化适应能力差，难以满足油田进入中、高含水 期开发需要而研究成功的。其特点是偏心配产器级数不受限制，可以用钢丝任意投捞 各层段堵塞器更换油嘴，对套管内径适应性强( 1 3 9 7 哪1 4 6 0 5 m m ) ，下井一次成功率 可达9 0 以上。这种类型的配产器在油田进入中、高含水期开采后的“稳油控水”，实 现5 0 0 0 1 0 4 t 以上持续稳产中做出了重要贡献。 随着大庆油田开采对象由以主力油层为主，向主力油层、差油层和表外储层同时 开采转变，及分层测压及流量测试工艺技术发展，也对分层开采技术提出了更高的要 求。合理进行开采方案调整，在对储层及油层完善程度认识的基础上，研制出具有很 好的通用性和继承性，能够稳定各层产量的定量配产器，己成为油田开发和综合调整 挖潜需要。 三、计算流体力学发展现状 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，是通过计算机计算 和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做分析。c f 9 的基 本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力 场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起 关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组。然后求解代数方程组获得场变量的 近似值“。”“1 。 大庆石油学院硕 研究生学位论文 计算流体力学是近代流体力学、数值计算和计算机科学相结合的产物是- - f 3 具 有强大生命力的边缘学科1 。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法， 对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 这些学科的交叉融合，相互促迸和支持，推动着这些学科的深入发展。由于数值模拟 相对于实验研究有其独特的优点，例如成本低、周期短、能获得完整的数据、能模拟 出实际运行过程中各种所测数据状态等。它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件 下的相关信息。近些年来，作为研究流体流动的新方法，随着计算机技术的推广普及 和计算方法的不断发展，c f d 技术已经得到越来越广泛地应用。 近十多年来，c f d 有了很大发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图 解法：过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段在 计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通 过计算流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设 计工具在水利、土木工程、环境工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用“”1 。 这些过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模拟实验，而现在大多采用c f d 的 方法加以分析和解决，c f d 技术现己发展到完全可以分析三维粘性湍流及漩涡流动等 复杂问题的程度。 c f d 也存在一定的局限性。首先，它是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上 合理、数学上适用，适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型“。并且最终 结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计 算误差；第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需 要由原体观测或物理模型实验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验 证；第三，程序的编制及资料的收集、整理与正确剩用，在很大程序上依赖于经验与 技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘 性和频散等伪物理效应。当然，某些缺点或局限性可能通过某种方式克服或弥补。此 外，c f d 因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。c f d 有自己 的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、相互促迸，但不能 完全替代，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注意三者有机的结合，争取 做到取长补短。 四、本论文主要研究内容 近些年来，计算流体动力学技术的飞速发展，也为深入开展油田生产井下工具的 理论研究提供了有力支撑，本文工作以配产器为研究对象，首次采用了c f d 软件对定 引言 量配产器内部流场进行模拟，用实验与数值模拟相结合的方法研究了配产器流量随压 差变化的关系，并对其结构进行优化。 论文分五个主要部分 l 、定量配产器的结构设计 针对目前应用广泛的常规配产器的结构，根据现有定量配产器的结构组成及结合 工作原理，对其主要技术参数进行研究，主要针对分层开采技术、常规配产器的结构 及工作原理进行研究。在现有偏心配产器管柱的基础上，不改原油管柱的结构，设计 出了二次节流油嘴定量配产器结构。 2 、二次节流油嘴数值模拟 针对设计出的二次节流油嘴迸行了数值模拟。对结构进行合理简化，建立几何模 型，引入边界条件，建立物理模型，对二次节流油嘴进行数值计算，得出了比较理想 的数值计算模型。 3 、二次节流油嘴的结构优化 针对设计出的二次节流油嘴，利用上面建立的数值计算模型，对二次结构油嘴的 具体结构进行了优化，主要针对油嘴间长度的选择，油嘴安装顺序及二级油嘴的组合 形式等具体结构参数进行了数值模拟，对模拟结构做了对比分析，对结构进行优化， 得出了较为合理的二次节流油嘴结构及组合。针对各种组合的二次节流油嘴结构分别 模拟，得出了流量随两端压差变化的关系曲线。 4 、室内试验研究 根据设计的二次节流油嘴结构，进行了试验装置的设计和加工，设计试验方案， 对二次节流油嘴进行室内模拟试验，对数值模拟结果进行了试验验证，结果表明数值 结果与试验结果吻合较好。 根据液压理论中液体流过孔口的流量计算公式，通过数据的拟合，得出了二次节 流油嘴流量计算经验公式，并确定了不同直径二次节流油嘴的二次节流系数，以此可 计算不同直径组合的二次节流油嘴的流量。最后根据现场的实际工况计算了二次节流 油嘴在油嘴两端不同压差下的流量，并通过高压实验验证了二次节流油嘴流量计算经 验公式的正确性，对其流量误差进行了分析，二次节流油嘴可在一定压差变化范围内 稳定流量。这将为定量配产器结构的进一步改进提供理论依据，对其继续深入的研究 和应用起到积极的促进作用。 此项技术研究若能研制成功，使井况条件发生变化时，配产量在压力在一定范围 内变化时，流量保持相对稳定，在一定压力变化范围内实现定量配产，对于稳定各油 4 大庆“油学院硕：t 研究生学位论文 层的产量、缓解层问矛盾、提高，蔓产效率都有重要的作用。改进配产器的结构，可减 少油井的测试工作量、减少油嘴投捞次数、减少作业时i 日j 、提高作业成功率并降低作 业成本，这将为油f 开抽油井的管理提供有效的手段。 第一章定量配产器的结构设计 第一章定量配产器的结构设计 鉴于偏心配产器及其配套工具有级数不受限制、可用钢丝任意投捞各层段堵塞器 更换油嘴、对套管内径适应性强、下井一次成功率可达9 0 以上等优点目前在油田 上广泛采用偏心配产管柱进行分层配产，本章在分析现有偏心配产器及其配套工具的 基础上进行了定量配产器的结构设计。 1 1 分层开采工艺 分层开采是在井中下入多级封隔器将油层分 隔开，通过在井下配产器中装入不同直径油嘴的方 法，对隔开生产的油层控制不同的回压，这样就能 适当地控制高渗透层的采液量，相对地加强中、低 渗透层采油量或封堵高含水层、达到分层开采的目 的。单管分采工艺实际上是将单管偏心分采工艺应 用于油井中，井下工具由配产器、封隔器及其它配 套工具组成。不同形式的并下工具组合，可用作分 层试油、开采、堵水等工艺措施。每一种工艺措施 对封隔器、配产器都有各自的特殊要求。然而，它 们的基本要求是下得去、封得严、耐得久、起得出、 动作灵活，能多层使用“”。分采中所用的封隔器全 部是不同型号的y 类压缩式封隔器，常用有y 3 4 l 、 y 3 4 4 、y 2 1 l 和y 1 1 l 等“。 l 奠 偏心配产器 h 过 生产层 h 封r 鼎器 骨 偏心配产器 生产层 p 封碥器 学 偏心配产嚣 生产层 p 活动墙击筒 爿 球庠 吲 图l l 在一口井内可实施多级( 层) 分层配产，不同 类型的配产器与不同型号的封隔器可组成多级分层采油管柱，并具有各自的管柱特 点。最常用的典型偏心配产管柱见图卜1 。图中所示为一口三级开采并，采出液通过 三级配产器后，以不同的生产压力采油，地面流量计计量的采出量则为三个小层采出 量之和。 分层配产中，单层配产量为 6 大庆右油学院颀 研究生学位论文 q ，= k 。舰 6 p ，= p 。一p = p 。一( p 。+ a p o ) 式中q 一一第i 层配产量，拧d ； k 。一一f 层吸水指数，m 3 ( d l p a ) 觏一一第锤；配产压差，醋p a ： 以一一第层的地层压力，m p a ： p 一一第f 层的配产流压，m p a ： 蛾一一通过井下油嘴的压力损失，m p a ； p 。一一各层段生产的最低流压( 全井生产流压) ，m p a 。 ( 1 2 ) 从式( 卜2 ) 可以看出，在保持全井流压不变的情况下，通过分层配产。可以使 单层的产出压力降低，而的大小可以通过改变井下油嘴的孔径加以调节，从而使 各层的配产压差产生变化，使之达到单层所要求的配产量，实现分层定量配产的目的。 1 2 常规配产器结构及工作原理 1 2 。l 常规配产器结构 配产器的作用是控制单层采油量汹1 。按结构形式，主要有偏心配产器和空心配产 器两种。空心配产器虽然结构简单，但因分注层数少，工作不可靠而没有得到广泛使 用。现以工艺上比较成熟的偏心配产器为例，说明其结构原理。 偏心配产器由工作筒和与之配套的堵塞器组成。配产器工作筒上下均与油管连接 在一起，下入预定要配产的层段，配产堵塞器坐于工作筒的一侧，它的中心线偏离油 管中心线。堵塞器上装有油嘴，用以产生流压差p ，。使用钢丝下入专用的投捞器便 可以投入和捞出堵塞器，更换油嘴。偏心配产器井下工作状态见图卜2 ”。 偏心配产器工作筒结构见图i - 3 。工作简主要由扶正体、工作筒主体、导向体、 第一蕈定量配产器的结构设计 导向体支架、上下连接套及上下接头等组成。主体上有直径为2 0 r a m 偏心孔，供坐堵 塞器用，偏心外壁开有宽1 2 r a m 的出液孔，用于连通上下油管通道。而主体中心留有 直径为4 6 r a m 的主通道，作为投捞工具和井下测试仪器的上下通道。笔尖状导向体的 作用是使投捞器定位，j f 好将堵塞器或打捞头对准扶正体开口侧槽和偏孔，而扶正体 开口侧槽、主体偏孔和导向体开口槽处于同一方向，这样即可使投捞器顺利完成投捞 堵塞器的动作。 偏心配产堵塞器结构见图卜4 。堵塞器主要由打捞头、压盖、支撑座、凸轮、密 封段、油嘴和过滤底堵组成。打捞头顶部供投捞时被投捞器抓扣，底部可控制凸轮反 转”。圳。压盖周围由4 个直径为1 2 m m 的小孔供堵塞器锁于工作筒的偏心孔内， 以承受嘴损压差印，防止堵塞器被冲出。密封段上有3 个出液槽，上下各有二道0 型胶皮盘根，封死主体偏孔上下方向，使采出液只能从偏孔上的进液孔流入油管。油 嘴用以控制配产量，它可以和堵塞器分离。 l 2 图卜2 图卜3k p x 1 1 3 配产器工作筒 l 工作筒：2 堵塞器 l 一上接头：2 一上连接套： 3 一扶正体；4 一螺钉； 5 一工作筒主体：6 一f 连接套；7 - - 螺钉：8 - - 支架；9 一导向体：1 0 一螺 钉：i l 一“0 ”型胶圈：1 2 - 下接头 l 图1 - 4k p x - 1 1 3 配产堵塞器 l 一打捞头；2 一压帽： 3 ，9 ，l l 一“o ”型胶圈； 4 一压簧：5 一扭簧；6 一轴； 7 一凸轮：8 一堵塞器主体； 1 0 一油嘴： 大庆石油学院硕十研究生学位论文 1 2 2 常规配产器的工作原理 配产器下井时，堵塞器装在工作筒的偏心筒内，管柱下端接l o 2 0 m 长的沉砂尾 管末端装上堵头。在每两个堵塞器之间装有封隔器。当配产器随管柱下至设计井深 后，从油管内加液压，压力通过堵塞器，使凡尔下落，坐在密封段的凡尔座上，起密 封作用。继续加液压则使封隔器胶简胀大而座封，密封油套管环形空日j 。此后油井各 油层分别流经各配产器油嘴进行分采。 如果某一油层的井下油嘴直径不合理需要更换时，可从油管下入打捞器的定向 爪，主打捞器爪和副打捞爪张开。然后上提打捞器至需要更换油嘴的堵塞器工作筒上 部，再下放打捞器，则打捞器的定向爪自动滑入工作筒导向体的怪槽内，此时主打捞 爪自动对准堵塞器的方向捞住配产器的打捞杆。上提打捞器至地面即可取出配产器 的堵塞器，更换堵塞器的油嘴后，将堵塞器装在打捞器主打捞爪的压送接头上，并锁 住打捞爪和定向爪后下井，当下至井底，定向爪张开，上提打捞器至需要更换油嘴的 配产器上部，下放打捞器后，装在其上的换好油嘴的堵塞器就自动进入工作筒的偏心 筒内，此时堵塞器的凸轮卡在偏心筒内防止其上移。上提打捞器则剪断打捞器上压送 接头和堵塞器上压帽的连接销钉，使打捞器与堵塞器分开，堵塞器留在工作筒内，而 打捞器即可起出地面“”。 1 。2 3 常规配产器油嘴选择 分层配产量的大小全凭油嘴来控制，正确的选择油嘴径，才能提高分层配产合格 率，减少投捞和测试作业次数。在确定井下油嘴孔径时，要求各配产层位的嘴前压力 ( 分层流动压力) 不同，嘴后压力则会趋于同一压力值，即为全井的流动压力，其值 由地面井口油嘴进行控制。由于各层压力的物性不同，因此各层段所要求的生产流压 和产量各不相同，应选择各层段能够出油的最低流压作为全井的流动压力，即嘴后压 力，然后在高产层中装节流器( 井下油嘴) 控制产量，以达到分层按配产指标生产的 目的。 井下油嘴的选择是根据分层指示曲线和嘴损曲线来决定。分层指示曲线是指在不 同井口油嘴直径下，所测的各分采层段稳定流压与产量之间的关系曲线，见图卜5 。 嘴损曲线是指井下油嘴通过不同的产量与所产生的相对压力损失之间的关系曲线，见 图l 一6 。 9 第一章定量配产器的结构设计 q ，枷 图卜5 分层指示曲线 i i i 。i i i 一配产层段 嶂 粤 窿 盏 善 不同均( 承 直径( m m ) o m ，d 图t - 6 井f 油嘴嘴损曲线 通过井下油嘴的压力损失是产量、油嘴直径、原油粘度、气油比和含水的函数， 可进行实测来获得嘴损曲线图。而通过一定直径油嘴所造成的压力损失为： a p o = p r p 。 ( 卜3 ) 式中 乃一一嘴前压力，m p a ； p 。一一最后压力，m p a ： p ，可根据配产量从分层指示曲线中查得；p 。是各层段生产的最低流压值( 全井 的生产流压) 。根据式( 1 - 3 ) 可计算出各层所需要的嘴损压力，在嘴损曲线图上可查 出相应的井下油嘴直径。 1 3 定量配产器结构设计 采油用节流油嘴位于堵塞器内。”，油嘴是整个配产器的核心部件，配产器主要通 过油嘴直径的大小，控制不同的回压来达到分层配产，本文拟采用两级油嘴进行节流， 通过对堵塞器进行改型设计，在堵塞器内装入两级油嘴，从而形成二次节流，以此来 增强节流作用，达到定量配产的目的。本文设计的定量配产器结构不改变常规的偏心 配产器配套工具，只对堵塞器结构进行设计，故无需改变常规偏心配产器的配套工具， 与原有的偏心配产管柱有很好的通用性。 定量配产器的设计步骤如下： i o 人庆石油学院硕 研究生学位论文 i 、油嘴的选择。油嘴沿用目前现场 广泛应用的油嘴结构，实物如图卜7 所 示。只对油嘴直径d 。和d ：进行调整其 它结构保持不变，这使设定出的油嘴适用 于现有的堵塞器结构。由于油嘴在井下工 作时，长期处于高压状态，油嘴选用陶瓷 材料。 2 、限位套设计。设计出一个限位套 结构，将两级油嘴相连接，限位套上端与 图卜7 陶瓷油嘴 堵塞器下端连接，下端与透帽连接，连接方式采用螺纹连接，方便拆装更换油嘴。 堵塞器主体以上结构保持不变，在堵塞器主体下装一级节流油嘴，然后安装限位 套，采用螺纹连接，再安装第二级油嘴，最后安装滤罩。其结构如图1 - 8 所示。 结构由入口段l = 1 8 m m 一级节流口l2 = 6 m m ，中间段l ，= 1 8 r a m 和二级节流口 l 4 = 6 m 组成，液体从左端堵塞器侧孔进入，流入入口段( 直径d 。= 1 2 m m ) ，经一级节 流口( 直径为d 。) 、中间段( 直径d 。= 7 r m ) ，从二级节流口( 直径为d ：) 流出。 1 4 本章小结 图卜8 二次节流油嘴示意 1 堵塞器主体：2 入口段：3 一级节流口； 4 中间段；5 二级节流口 本章首先介绍了分层开采工艺原理，即在井中下入多级封隔器将油层分隔开，通 过在井下配产器中装入不同直径油嘴的方法，对隔开生产的油层控制不同的回压，以 达到分层开采的目的；然后，介绍了分层开采中的重要工具偏心配产器的结构、工作 原理以及在定量配产中油嘴选择的方法；最后，设计出了二次节流定量配产器结构， 设计的二次节流油嘴及其配套使用的堵塞器可以下入偏心工作筒内，与现有的偏心配 产管柱配套使用。 第二章二次节旒油嘴数值模拟 第二章二次节流油嘴数值模拟 理论分析所得的结果具有普遍性各种影响因素清晰可见。但它要求对计算对象 进行抽象和简化，才能得出理论解，而对于非线性的流动问题则存在相当的难度。实 验测量结果真实可信，然而实验研究往往受到各种因素的困扰，如模型尺寸、流场 的扰动、测量精度、经费投入以及人力和物力巨大的耗费、实验周期长等等。c f d 方 法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的有机体系。 随着计算机技术的发展，计算流体力学( c f d ) 已逐渐成为- i - i 学科晒1 。显示了强 大的生命力，并以已广泛应用于各项工程应用领域。数值模拟作为流场研究的一种有 效手段，省去了物理制造与测量的过程，并且可以获得比较详细的流场信息。在此基 础上，对各设计参数和结构形式优化，不但可以大大的降低研究周期和费用，而且对 实验和设计工作的指导意义也是不容忽视的。目前。在计算流体力学应用领域， f l u n t 、s t a r - c d 、c f x 等成熟的商业软件得到了广泛的应用。在不断的发展与完善中， 这些软件采用的算法逐渐走向成熟，精度不断提高，已成为广大工程技术人员解决流 动相关问题的主要工具。 本文设计出了二次节流油嘴的结构，二次节流油嘴经过了两次节流，在湍流流动 中，经过一级节流c i 后，流动没有达到稳定便进入二级节流口，其流量系数无法在常 规的节流口流量系数表中查出，必须通过实验进行确定。二次节流油嘴流场的分析也 是进一步结构优化的基础。 对二次节流油嘴进行数值模拟是除实验研究外的另一种有效的研究方法。由于二 次节流油嘴的流量不但与两端压差有关，还与其节流口直径的大小及两级节流口之例 的长度等结构参数有关，如果完全通过实验来优化这些参数，其工作量是非常大的， 采用实验手段进行开发尝试，存在开发成本高、周期长等缺点。在这种情况下，若根 据二次节流油嘴的实际流动情况建立合理的流动模型对其进行数值模拟，将会大大地 提高研究工作的效率，降低新产品的开发周期；同时，数值模拟也可以弥补实验过程 中结构参数很难改变和提供的流场信息受限等缺陷。因此，利用数值计算的方法，对 二次节流油嘴各结构参数对性能的影响进行定性的分析是一种有效的研究方法。 综上所述，本文考虑二次节流油嘴的流动特点，结合实际情况选用了目前应用较 广的f l u e n t 计算流体力学分析软件对不同结构参数的二次节流油嘴内部流场进行了 数值模拟，研究各参数对性能的影响关系，确定结构的流量系数，找n - 次节流油嘴 1 2 大庆石浊学院硕士研究生学位论文 的流量随压差变化的规律，为结构尺寸的优化和工程能应用提供依据。 2 i 数值计算方法 2 l 1 控制方程 流体流动要受物理定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律动量守恒 定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态。系统还应要遵守附加的湍流输运方程。 l 、基本假设 ( 1 ) 鉴于我国各主力油田采出液含水已达到8 0 以上，以水代替采出液； ( 2 ) 在工作状态下，水在二次节流油嘴内的流动不随时间变化，流动为稳态： ( 3 ) 密度p 为常数，水在二次节流油嘴内的流动为三维不可压缩流动； ( 4 ) 不考虑温度的影响，服从绝热流动基本方程。 2 、基本控制方程 ( 1 ) 连续性方程 在直角坐标系下的质量守恒方程又称连续性方程： 堕：0( 2 一1 ) 阮 ( 2 ) 动量方程： 毒c 肛一，= 一言+ 考 等一p 丽 c z 删 式( 2 一l ，2 2 ) 中：为流体速度，下标f 表示方向，上标“”表示脉动值，上标一” 代表对时间的平均，为动力秸度p 为流体微元体上的压力。 2 1 2 湍流模型的选择 湍流数值模拟的方法有：直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 、雷诺 平均模拟( r e y n o l d sa v e r a g e dn a v i e r s t o k e s ，r n a s ) 和大涡数值模拟( l a r g ee d d y s i m u l a t i o n ，l e s ) 。 所谓直接数值模拟方法是指直接求解瞬时湍流控制方程“8 。而非直接数值模拟 方法则不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流傲某种程度的近似和简化处理， 例如，采用时均性质的r e y n o l d s 方程即是其中的一种典型做法。依赖所采用的近似和 第一二章二次节流油嘴数值模拟 简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平均法。 图2 一l 是湍流数值模拟方法的分类图。 选择模型时主要依靠以下几点：流体是否可压、建立特殊可行的问题、精度的要 求、计算机的能力、时间的限制。为了选择最好的模型，需要了解不同条件的适用范 围和限制。 三种湍流数值模拟方法的基本思想及应用特点： ( 1 ) 直接数值模拟( d n s ) 仅仅能计算中低r e 数且几何边界简单的湍流流动，只能 做一些探索性工作，如检验与改进湍流模型等。 ( 2 ) 当前工程中广泛使用的仍然是雷诺平均模拟法( r a n s ) ，湍流模型多种多样， 没有一个模式能够对所有湍流运动给出满意的预测结果。模拟计算时应根据不同的湍 流流动类型选用不同的模型。所有模型采用的都是湍流统计理论，因此无法绕过方程 组不封闭的困难。随着湍流理论其他研究方法的出现，总体上其重要性相对呈下降趋 势，但雷诺应力模型( r s m ) 仍然是一种颇有应用前途的模型。 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 ( 3 ) 大涡数值模拟( l e s ) 在模型构造方法的原理上优于湍流时均方法，但其理论 还处于研究和发展阶段，至今主要应用在气象和环境科学领域。由于计算机资源不足 及亚格子应力模型的不完善，其在工程问题中的应用还较少，还不能作为工程设计的 工具：。 标准k 一占模型是最简单的完整湍流模型，在f l u e n t 中，标准k 一占自被l a u n d e r a n ds p a l d i n g 提出之后即变成了工程流场计算中主要工具了。其优点是适用范围广、 经济、精度合理，因而得到了工业流场中的广泛应用。它是个半经验的公式，是从实 验现象中总结出来的。是针对湍流发展非常充分的湍流流动来建立的，也就是说，它 是一种针对高r e 数的湍流计算模型。 二次节流油嘴内的流体的流动r e 数较高，并且标准k s 模型在工程流场计算中 的诸多优势，本文对二次节流由于的数值模拟采用标准k 一占模型进行，其原理是用紊 动能k 和紊动能耗散率f 来表示流体湍流粘性系数，而流体的有效粘性系数即是流体 分子粘性系数和湍流粘性系数之和。k 方程和s 方程分别为： k 方程为 三cpkul)=毒眦+丝，考卜肥au，,l(玉duj,ox, o x o k o x o x + 等卜胪 c z 埘 ，l 出，出，j 方程为 毒c p b c u i ) - - - - - 毒+ 拿每+ c - 。量以堕a x if 堕缸j + 警 - 吒尸譬c z 圳 式中( 2 3 2 4 ) 中：鸬= q 肚2 6 ，c l 。，c 2 。，o k ，q 为常数，c l ；= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ， o k = 1 0 ，c 。2 0 0 9 。 2 1 3 计算网格的生成 2 。1 3 1 模型的简化 在建立仿真模型时，从实际问题提出的数学模型时往往忽略了许多次要因素，因 而，即使数学问题能够求解准确，也与实际问题的真解有所不同，由此产生的差值称 为模型误差。但是模拟计算这一近似的计算过程中可通过建立几何模型，数学模型， 使最终的计算结果和试验吻合，因此在模拟计算中可以人为地采取特殊手段往计算满 第二章二次节流油嘴数值模拟 足实际情况又尽量节省计算机资源”3 。 模型简化过程中必须明确考虑各部件的结构及作用。理想情况下，用户希望建立 尽可能详细的仿真模型，并让仿真软件自己来决定哪些是主要的物理现象，但是受制