（油气田开发工程专业论文）偏心定量配水技术及配水装置优化设计.pdf

e c c e n t r i cq u a n t i t a t i v ew a t e ra l l o c a t i o nt e c h n o l o g y a n de q u i p m e n to p t i m u m d e s i g n h a ny a n f e n g ( p e t r o l e u me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h o ux i a o j u n a b s t r a c t a so i lf i e l dg o e si n t om i da n dl a t ed e v e l o p m e n t p e r i o d ，w a t e rc o n t r o lb e c o m e so n eo ft h e c o r ej o bf o rw a t e ri n j e c t i o n i no r d e rt oc o n t r o lt h ew a t e rc u ti n c r e a s ee f f e c t i v e l yi no i lw e l l s a n dt h ew h o l eo i lf i e l da n de n h a n c eo i lf i e l dd e v e l o p m e n tw h i c hr e q u i r e st h ew a t e rv o l u m e w ei n j e c t e dt ot h ew e l l ，t h eb l o c ka n dt h el a y e rt of o l l o wt h eg e o l o g i c a la l l o c a t i o n t h e p u r p o s eo fq u a n t i t a t i v ew a t e ri n j e c f i o nt e c h n o l o g yi st oc h a n g et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v o l u m ea n dp r e s s u r ed r o pf o r e a n d - a f tt h ef l o wr e g u l a t o rt ok e e pas t e a d yv o l u m eo fw a t e r i n j e c t i o n ，s ot h a tt h eb l a n k i n gp l u gc a na c tc o r r e s p o n d i n g l yt ot h ep r e s s u r ed r o p sc h a n g et o r e d u c et h ew a t e rv o l u m e sf l u c t u a t i o n t h i st h e s i sa n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fq u a n t i t a t i v e b l a n k i n gp l u ga n de s t a b l i s h e d i t sm a t h e m a t i cm o d e l ；f o u n d e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n b l a n k i n gp l u g sw a t e rf l o w , p r e s s u r ed r o pa n di t so p e n i n gb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e t r a n s f e rf u n c t i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep i s t o n sm o v e m e n tf u n c t i o nw h i c hw a s f o u n d e db yi t sf o r c ea n a l y s i s as o f t w a r ew a sd e v e l o p e df o rb l a n k i n g p l u g sd e s i g nf o l l o wt h e d e s i g nm e t h o df o u n db yt h i st h e s i s t w oe x a m p l e sw h i c hc a l c u l a t e db yt h es o f t w a r ew e r e g i v e na n dw e r ev a l i d a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t i ti si n d i c a t e d t h a tt h eb l a n k i n gp l u g sw h i c hw e r ed e s i g n e db yt h es o f t w a r eh a v eag o o dq u a n t i t a t i v e p e r f o r m a n c e 、i t l lat i n ye r r o ri nt h e i rr a t e dw o r k i n gp o i n ta n dc a nr e s i s tp r e s s u r ed r o p s f l u c t u a t i o n a l lo ft h i sc l a i m st h a tt h eb l a n k i n gp l u gd e s i g n e db yt h em e t h o df o u n db yt h i s t h e s i sc a nf u l f i l lt h ef i e l d sr e q u i r e m e n to fw a t e ri n j e c t i o np r e c i s i o n k e yw o r d s ：q u a n t i t a t i v ew a t e rt n j e c t i o n ，s e p a r a t ef l o o d ，t u b i n gw a t e rm j y a n 舀b l a n k i n gp l u g 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：) 嗍年月4 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：砂谚年月4 - 日 嗍时易月以日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 定量配水技术概述 第一章绪论 定量配水技术是石油与天然气领域较为常用的一种流量控制技术，开展此项研究的 目的就是改变配注量与水嘴前后压差之间的关系，使配水器水嘴自动适应水嘴前后压差 的变化，做出相应的调整，以有效消减压差变化对流量的影响，尽可能保持流量恒定。 通过对配水器结构的合理设计，可使之在某一额定工作压差下，当水嘴前后压力在一定 范围内波动时，保持配注量基本恒定，实现油田定量注水的目的。 1 1 1 工程应用背景 ( 1 ) 配水器发展过程【1 】【2 】 为了解决层间矛盾，调整油层平面上注入水分布不均匀的情况，以控制油井含水上 升和油田综合含水率的上升速度，提高油田的开采效果，需要进行分层注水。 分层注水的工艺方法比较多，如油套分层注水，单管分层注水，多管分层注水等。 单管配水器多层段配水方式，是指油井中只下一根管柱，利用封隔器将整个注水井段分 隔成若干个互不相通的层段，每个层段都装有配水器。注入水从油管入井，由每个层段 上配水器中的水嘴控制水量，注入到各层段地层中。单管分层注水管柱，按配水器结构 和出现的先后顺序，可分为固定配水管柱、空心配水管柱和偏心配水管柱。 固定配水器出现最早，这种配水器直接安装在油管上，而且没有可拆装的芯子，水 嘴直接安装在配水器上。这种配水器最明显的缺点就是水量调配不方便，需要上提管柱， 重新安装配水器。当然，流量控制和流量调节也就无从谈起了。因此，这种配水器逐渐 被淘汰，现在已基本停用。 空心配水器较固定配水器最大的进步就是安装了可拆装投捞的活动芯子。水嘴安装 在芯子上，如果需要进行流量调配时，可用专用工具将配水器芯子打捞出井，安装上新 的水嘴后，重新投入井中。如果为空心配水器安装合适的芯子，则这种配水器还可以实 现流量控制和动态调节功能。但是，空心配水器是和油管同心的，虽然芯子可以投捞， 但是芯子外径受到限制。从上部层段到底部层段，配水器芯子外径必须逐渐减小，以保 证下部芯子能够打捞出来，因此，限制了分层数目和底部层段的注水量。而且，如果中 部或者底部芯子需要打捞的话，则其上部所有芯子必须先打捞出来。 偏心配水器是活动配水器的特例，配水器芯子与配水器和油管不同心，而是放置在 第一章绪论 配水器中偏离油管的某- n 。这样每一层段过流通道的内径将不再受到限制，与空心配 水器相比较，偏心配水器可以分更多的层段进行注水。而且，偏心配水器的芯子更容易 被设计为具有流量调节能力的芯子。 本文内容就是研究具有恒流能力的偏心配水器芯子的结构，分析其恒流机理和静动 态特性并试图创建一种更为优化、快捷的设计方法。 ( 2 ) 偏心配水技术介绍 油田进入开发中后期稳油控水是核心，因此，为了能够有效地控制油井含水率上升 和油田综合含水率的上升速度，提高油田的开发效果，就要要求每个油藏区块、每个注 水井组、每个层系都严格执行地质配注要求。一般而言，油田注水系统都非常庞大，由 于供电、供水和注水井组以及注水层系的调整等方面因素的影响，注水系统运行并不平 稳，油层实际注水量往往会偏离地质配注量【3 】。为满足定量注水的要求，注水井一般采 用配水器对油层注水量进行控制。其中，偏心配水器是目前应用最广的一种配水器，结 构设计合理的配水器能够有效地消减压力波动对油层配水量的影响，使油层实际注水量 维持在地质配注量附近。 配水器的核心元件是堵塞器，也称为配水器芯子，该结构实现了配水器控制和动态 调节的功能。根据是否引入压力反馈，堵塞器又分为普通堵塞器和压力反馈式堵塞器。 普通堵塞器出现时间较早，结构较为简单；压力反馈式堵塞器出现时间较晚，结构相对 复杂，但流量调节能力更为强大。 传统的配水器结构较为简单，其中没有复杂的芯子，通常只安装一个具有节流作用 的水嘴。当注入压力发生变化或者注入量需要调整时，就需要上提管柱或者配水器芯子 并更换水嘴。现场使用表明，现在所使用的各种配水器主要存在两大技术难点和亟待解 决的问题。 投捞调配工艺繁琐、复杂【4 】【5 】 水质不稳定对水嘴造成的堵塞，地层注入压力的变化；水嘴的刺大；地质配注量的 调整；堵塞器( 或配水芯子) 上的密封圈的老化等，都需要及时对其进行投捞与调配， 目前常规配水器( 空心与偏心) 的投捞方式均采用钢丝绳带打捞器，据2 0 0 0 到2 0 0 2 年 的某厂的统计表明，偏心堵塞器的投捞调配成功率仅为3 0 ，空心配水芯子的投捞调配 成功率仅为4 0 。分注井况按深度分，可分为中深井( 小于2 5 0 0 m ) 、深井( 大于2 5 0 0 r n 小于4 0 0 0 m ) 、斜井。钢丝绳带打捞器的打捞与投送方式在深井与斜井中实现起来难度 是相当大的。即使在中深井中，这种打捞与投送过程也相当繁琐，处理完成一口井( 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 到3 层) 大约需要5 天时间。一部打捞车全年满负荷运转也最多处理5 0 多井次。随着 开发的需要，分注井的增多，这种投捞方式显然不能满足投捞调配的要求，是制约层段 合格率提高的关键因素。 控水水嘴尺寸设定的难度较大6 】【7 】 注水层段要符合其配注量就需要对配水器的控水水嘴尺寸进行设计。目前的水嘴设 计方法存在以下问题：涉及到堵塞器、配水芯子( 堵塞器) 的投入或取出，测试、投捞 调配的工作量较大；压力、流量等资料的录取影响因素较多：计算水嘴工序繁杂，目前， 油田的水嘴调配仍需操作者查有关图版、曲线，手工操作的成分很大，不但所需时间较 长，而且误差较大。 1 1 2 研究定量配水技术的工程意义 采用恒流配水技术的堵塞器则可以根据来流压力和地层压力的变化来动态的调整 水嘴开度，以使注入水量不会发生太大的变化，从而解决了上述问题。总结起来研究和 使用这种配水器具有如下意义： ( 1 ) 有效解决注水过程中流量不稳定的现象 在注水的过程中由于供电、供水、注水设备以及其它原因的影响，导致注水的来液 压力不断波动。同时，随着注水工作的进行，地层的吸水能力也会改变。由流体力学的 理论可知，注水量q 随注水压差卸的改变而改变，以上两种原因均会导致实际注水量 偏离要求的注水量，如果不及时处理同样会导致超注或者欠注现象发生，无法发挥分层 注水的作用。采用恒流配水器可以根据注水压差的改变动态的调节过流通道，从而有效 地遏制注水量的波动，保证注水稳定合理的进行。 ( 2 ) 有效解决注水调配工作周期长、难度大的问题 分层注水开始时都要经过调配阶段，在这一阶段中为了使实际注水量与要求的配注 量相符，往往需要对实际注水量进行反复测试，甚至要多次进行水嘴投捞，因而大大增 加了工作难度和作业费用。使用恒流配水器代替固定水嘴后，可以根据设计注水量自动 调节至稳定工作点并能维持恒流，因而有效地解决了这一问题，给油田注水工作和注水 井的管理带来很大方便，大大降低了注水成本，提高了油田开发效益。 ( 3 ) 研究堵塞器的合理结构，为配水器的设计制造提供理论指导 合理的配水器结构和尺寸关系是本课题的研究重点，通过分析堵塞器工作时的系统 动态特性，包括系统的稳定性和瞬态响应特性等，可以得到配水器结构对恒流效果的影 3 第一章绪论 响情况。得到的结论可用于指导配水器的设计和制造工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 堵塞器恒流理论研究现状 对恒流堵塞器的研究多见于国内文献，对堵塞器恒流机理的研究主要体现在堵塞器 静态特性分析和恒流效果的实验测定上。 李学丰【8 】、王尊策【9 】等人对压差式堵塞器的流量控制机理进行了简单的分析并对其 恒流效果进行了室内实验。李学丰等人在大庆石油管理局采油五厂二矿对某型堵塞器进 行室内实验。实验得出注水压差在1 1 7 m p a 之间变化时，水量在1 0 - 5 5 m 3 d 范围内， 注水误差低于1 0 。 赵杨民、刘红梅【1 0 】等人提出了堵塞器减压节流的双级水嘴模型。通过分析，他们提 出了研制“恒力弹簧”的设想。他们认为如果能够研制出一种弹力与变形量无关的弹簧， 即可确保水嘴两侧的压差不变，进而保证堵塞器的恒流效果。对于要求的注入量只要设 定相应的弹簧弹力即可。 上海交通大学的严金坤【l l 】教授对无压力反馈式堵塞器的工作原理和静态特性进行 了分析，得到了该类型堵塞器的流量计算式。他认为恒流堵塞器在一定的水嘴孔径条件 下要获得好的恒流性能，与压力平衡弹簧刚度、弹簧的预压缩量、滑阀的受压面积等参 数相关，并要使从孔口关闭位置起始滑阀的位移量相对于弹簧预压缩量的比值应很小。 中国石油大学( 华东) 的周晓君教授对压力反馈式堵塞器的动态调节过程进行了 研究，同时，周教授还提出了使用控制理论原理分析堵塞器动态特性的分析方法，并就 这一方法进行了探索性的研究。 哈尔滨工业大学的刘长运【1 3 】及s u z u k i k f l 4 l 等人利用键合图的方法对无压力反 馈式堵塞器的流量特性进行了分析，并利用仿真软件2 0 s i m 对其进行了模拟，结果表 明压差在0 5 1 0 m p a 之间变化时，所测定堵塞器恒流效果良好。 大量的文献调研表明，当前国内外对恒流堵塞器的研究处于恒流机理分析和实验测 定方面，没有对堵塞器的设计方法和影响性能优劣的因素进行过系统的研究。因此，本 课题所研究内容具有较好的理论价值和工程意义。 1 2 2 现场应用情况【1 6 q 9 偏心配水器及配套装置在华北、河南、冀东、大港、长庆和塔里木等油田有应用实 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 例见于文献资料中，单井单层流量范围一般在1 0 1 2 0 m 3 d 之间，注入量误差一般低于 15 ，最高不超过2 0 。配水器芯子经过合理改进后可用于油田系统的其他方面，举例 如下： ( 1 ) 为堵塞器设计一个合理的外壳安装在注水井井口或者配水间，实现对注水井 的全井注水量的控制和调节，实现笼统注水井的全井注水量满足地质配注要求。 ( 2 ) 在粘度较高的输油管线中和气温较低的油田，常常需要向输油管线中掺入一 定量的温水。利用堵塞器制作的流量调节阀可以有效地控制掺水量。图l 一1 所示为本课 题研究过程中所设计管线掺水设备，经现场实验验证，效果良好。 图1 - 1 管线掺水设备 f i g l 一1m i x i n gw a t e re q u i p m e n tf o rp i p e l i n e 1 3 计算流体力学( c f d ) 简介伫m 2 3 】 在本课题的研究过程中，为了减小实验量，采用了数值模拟、实验修正的计算方法。 采用计算流体力学的方法模拟了大量数据。 计算流体力学( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m a c s ，c f d ) 技术，即计算流体动力学技术，是 一种用于分析流体流动性质的计算技术，包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复 杂流动在计算机上进行数值模拟计算。计算流体动力学是近代流体力学、数值数学和计 算机科学相结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘学科。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。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、 随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展，几十年来c f d 技术取得了蓬勃的 5 第一章绪论 发展。 计算流体力学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量和自定义标 量的微分方程组，求解结果能预报流动过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设 计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理 出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中 产生了巨大影响。现在c f d 技术己经广泛地应用于工业生产、设计和研究部门。 计算流体动力学是多领域交叉学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数 学理论、数值分析等多学科。这些学科交叉融合，相互促进和支持，推动着它们的深入 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。近些年来，作为研究流体流 动的新方法，c f d 技术已经得到越来越广泛地应用。 数值模拟也存在一定的局限性。首先，要有准确的数学模型，这不是所有问题都能 做到的。有些问题，其机理尚未完全清楚，很难有准确的数学模型，因此限制了数值模 拟技术的应用。其次，数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的 稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程 则不是有效的。最后，数值模拟还受到计算机本身条件的限制，即计算机运行速度和容 量的限制。 1 4 论文的目标及研究内容 本论文的目标是通过理论分析和公式推导，研究偏心定量配水器芯子堵塞器的 动、静态特性( 图1 2 所示为堵塞器三维图形) ；，分析影响堵塞器恒流效果的影响因素； 编制一套有效的堵塞器设计方法并软件化。论文具体内容包括： ( 1 ) 根据“减压节流”的双级水嘴模型建立堵塞器静态特性的数学模型，分析其 恒流机理和恒流效果影响因素； ( 2 ) 结合控制理论的知识，分析堵塞器流量调节的动态特性； ( 3 ) 编制一套优化的套堵塞器结构设计方法并软件化； ( 4 ) 对经过优化设计的恒流配水器进行恒流性能测试和评价，获得其水力特性曲 线，并以此对优化设计的结果进行评价。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论空 15 论文的研究方法 图1 - 2 堵塞器三维结构 l q g l - 2 3 d s t r u c t u r e o f b l a n k i n g p l u g 本文结合理论推导分析、数值模拟和室内实验对偏心定量堵塞器进行了较为全面的 研究。首先，结合流体力学和经典力学理论推导得出了堵塞器的数学模型和动态分析依 据：然后，采用计算流体力学的方法对活动水嘴进行模拟分析得到了活动水嘴开度、 流量和压差三者之间的关系：根据已有分析结果和堵塞器恒流效果影响因素编制了一套 堵塞器结构设计方法：将模拟数据与实验结果创建为关系数据库并将该方法编制为计算 机软件。 16 论文的创新点 ( 1 ) 对恒流堵塞器进行了较为全面理论分析，建立了堵塞器的静态特性的数学模 型，分析了堵塞器恒流效果的影响因素： ( 2 ) 推导了堵塞器系统稳定性和时域特性的分析方程； ( 3 ) 通过数值模拟和室内实验得到了堵塞嚣活动水嘴压差、开度和流量之间的关 系； ( 4 ) 建立了堵塞器结构的设计方法并编制了相应软件。 第二章定量配水机理研究 第二章定量配水机理研究 2 1 恒流水嘴流量调节原理 配水器的核心部件是堵塞器，它是配水器中主要的过流通道和流量调节装置。堵塞 器负责流量控制的部分称为恒流水嘴。根据流体力学的知识可知，通过水嘴的流体流量 q 【“1 可表示如下： q ：c a ，垒 vp ( 2 1 ) 式中c _ 水嘴流量系数，无量纲： 4 水嘴过流面积，m 2 ： 助水嘴前后压差，p a ： 矿一流体密度，k g m 3 。 对于个结构和尺寸固定的水嘴来说，流量系数c 、过流面积一保持不变。因此， 根据式( 2 1 ) 可知，如果由于某种的原因导致水嘴前后压差卸发生变化时，流经水嘴 的流量也会随之发生变化。恒流水嘴是一种过流面积可调的水嘴，其过流面积可以自动 适应水嘴前后压差的变化，以做出与之变化趋势相反调整，即当水嘴前后压差增加时， 水嘴过流面积调节变小：反之亦反。因此，如果能够对恒流水嘴的结构做出合理设计， 使其过流面积的调整能够完全抵消水嘴前后压差对流量的影响，即可保持水嘴恒流。 这种过流面积可调的恒流水嘴一般由两个以上的部件组合而成，单纯依靠固定水嘴 很难实现恒流效果。恒流水嘴的典型结构是由一个固定水嘴和一个活动水嘴组成的“双 级水嘴模型”，如图2 - l 、2 - 2 所示。 图2 - 1 堵塞器核心部件 f 培2 1 c o r ec o m p o n e n t o f b l a n k l n g p l u g 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 堵塞器部件示意图 f i 9 2 - 2 c o n v e n t i o n a l v i e wo f b i a n b n g p l u g sc o m p o n e n t 2 11 无压力反馈恒流水嘴 无压力反馈恒流水嘴的结构比较简单，主要由固定水嘴、弹簧和活动柱塞组成，活 动柱塞和堵塞器外壳上的开孔组成过流面积可调的活动水嘴。其结构简图如图2 - 3 所示。 p 2 附注i ：水嘴附注2 ：措阎附注3 ：弹簧 图2 0 无压力反馈式堵塞罂倚圈 x n 9 2 - 3c o n v e n t i o n a l d i a g r a mo f n o n - p r e s s u r e f e e d b a c k s b l a n l d n g p l u g 这种配水器的特点是水嘴安装在堵塞器端部，随之一起运动。图2 - 1 中设，为压力 平街弹簧对柱塞的作用力，a 为柱塞外圆的横截面积。以下按力学原理分三种情况讨论。 ( 1 ) 当p 。一p ：= 印，一印 f 时，柱塞在力的作用下r n 左移动，堵塞嚣出水r l 开始减小，压力 见升高，到( n p ：) x d = f 时，柱塞总成就停止移动。此时p ： p 3 ，堵塞器的出水口 的压力损失增大。如果将堵塞器入口处的压力p 1 增大，柱塞总成就会向左运动，出水口 压力再会减小，压力见也随着升高。 9 第二章定量配水机理研究 ( 3 ) 当压力p l 减小，4 印 f 时，柱塞总成就在弹簧力的作用下向右移动，堵塞 器的出水口压力增大，压力盟下降，降至( a p ：) a = f ，柱塞总成就停止移动。随 着将压力p l 继续减小，柱塞总成就向右移动，出水口再增大，压力见随着降低。 可以看到，只要对堵塞器的各相关参数进行合理的设计，就可以控制柱塞随压差波 动移动至合理位置，以使活动水嘴达到与当前压差相匹配的开度，以达到堵塞器的恒流 效果。 2 1 2 压力反馈式恒流水嘴 无压力堵塞器虽然在理论上可以实现恒流，但是由于其结构简单，调节过程不稳定， 现已很少使用，为此，本文考虑将在堵塞器另一端引入压力反馈，并程之为压力反馈式 堵塞器。压力反馈式恒流水嘴在结构上更为复杂，该类型的水嘴的另一端引入了一个反 馈压力，对平衡压力波动起到了很大作用。这种堵塞器的基本结构如图2 - 4 所示： 图2 - - 4 压力反馈式堵塞器示意图 f i 9 2 - 4 c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fp r e s s u r ef e e d b a c kb l a n k i n gp l u g 压力反馈式堵塞器的流量调节原理较为复杂，简单解如下：假设某刻水嘴处于正常 工作状态，活动水嘴的开度为h ，此时，柱塞受力平衡。当来流压力出现波动时，由于 固定水嘴的减压作用，使得柱塞两端受力失衡，柱塞移动至新的平衡点。与此同时，活 动水嘴的开度即做出了与压差变化相反的改变，从而可以维持经过堵塞器的液体流量保 持恒定。 一 2 2 堵塞器的流量调节特性分析 2 2 1 无压力反馈堵塞器的流量调节特性【1 1 】 无压力反馈堵塞器由于流量调节结构简单，调节过程不稳定往往会导致弹簧压愦， 使配水器无法继续工作。在现场中，无压力反馈堵塞器已很少使用。本文只分析其静态 调节特性。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 设堵塞器出1 2 1 倾角为，则滑阀受力关系可表示为： ( p 1 一p 2 ) 彳- i - p g v lc o s 矽= k ( h x ) 式中a 、滑阀受压面积，m 2 ； y ，滑阀节流孔水的流速，m s ： 卜压力平衡弹簧刚度，n m ： 矽堵塞器出口倾角； r 节流孔完全关闭时弹簧从自由长度起始的压缩量，m ； 卜从孔口关闭位置起始滑阀位移量，m 。 根据式( 2 1 ) 可得经滑阀上活动水嘴的流量： g = c d 刀口( z ) r 了2 ( p z - p 3 ) 式中 口( j f ) 出水口的开口面积，i n 2 ； r 出水口的孔数； c d 变节流口的流量系数； p 2 一p 3 堵塞器出口压差，p a 。 由式( 2 - - 3 ) 可得： _ ：12 ( p 2 - p 3 ) 一士 v尸 c df a ( x ) 根据式( 2 1 ) 到( 2 - 4 ) 可得： 口倒兰 c dg l a ( x ) n n n c d 2 口2 彳c d 7 ，z 口( x ) ，式( 2 5 ) 可简化为： 心口屠” 式( 2 - - 6 ) 中如果x h 1 ，则： ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章定量配水机理研究 邸d 口j 等 口7 ， 以上是恒流式配水堵塞器处于定常状态时通过水嘴孔口的流量计算方式。通过对流 量的理论计算与实测两者基本相符。 2 2 2 压力反馈式堵塞器的流量调节特性 根据压力反馈式堵塞器的工作原理，绘制其结构简图如图2 5 所示( q - 作时，堵塞 器在配水器中的竖直放置) 。 图2 - 5 压力反馈式堵塞器简图 f i 9 2 - 5 c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fp r e s s u r ef e e d b a c kb l a n k i n gp l u g 注入水经过水嘴、阀腔进入地层，在流经水嘴时水嘴结构使堵塞器过流通道发生突 变，从而产生一定的局部压力损失。根据一元不稳定的能量方程口5 1 可以得到注入水流经 水嘴时的控制方程： z t + 等+ 呈= z ：+ 等+ 丢2 + k - i - 2 9，告掣d t c 2 固 7yzg吕a1 式中z 1 、z ，2 注入水在水嘴上下的势，m ； p l 、现水嘴前后压力，m p a ； 广水的重度，n m 3 ； v l 、屹水嘴前后过流通道中水的流速，m s ； 办广流经水嘴时的水头损失，m ： 三s - 水嘴孔口长度，m ； 彳l 水嘴过流截面积，m 2 。 由于水嘴高度很小，因高度差产生的水头损失很小，可以忽略不计，同时考虑 y = 昭，则式( 2 - 8 ) 可以表示为： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ”氧封+ 船卜+ 鲁詈 陋9 ， 式中，彳呲、彳蚯分别为水嘴前后过流通道的截面积。根据流体力学的知识，注入水 流经水嘴时的水头损失可表示为： 驴旯考丢+ f 瓦v 2 ( 2 - 1 0 ) az 2 z 壁 由于水嘴长度较短，紊流强度较大，九值较小，因此，可以忽略沿程水力损失，只 计算局部水力损失。在注入水流经水嘴时的局部水力损失包括水嘴入口处过流通道突然 收缩所造成的压力损失和水嘴出口处过流通道突然扩大所造成的压力损失。因此，水头 损失可表示为： 九：也+ f ：) 兰 ( 2 1 1 ) 式中，e l 、q 分别为流道突然扩大和突然缩小时的局部阻力系数，其大小是由过流 通道截面积的突然变化程度所决定的。将式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 9 ) 并考虑q = a v ，则 有： p 。啊= 詈( 筹一爰 + 匕，譬+ 鲁警 卫【去一石12+ 学a q 2 + 鲁a 塑d t c 2 也， l 4 刍 么乙。? j 髟。 。 卜7 ：口q 2 + 6 望 式中口= g i i 一石1 + 警 ： 6 ：丝。 4 从式( 2 1 2 ) 可以看到，对于一个结构尺寸均已确定的堵塞器，口和b 均为常数。 注入水流过水嘴后进入阀腔，然后通过由柱塞和套筒所组成的活动水嘴进入地层。 压力反馈式堵塞器阀腔的局部结构简图如图2 6 所示。 1 3 第二章定量配水机理研究 ( a ) 阀腔部位结构简图( b ) 活动水嘴结构简图 ( a ) t h ep o s i t i o no f t h ec a v i t y ( b ) c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fa c t i v en o z z l e 图2 - 6 堵塞器阀腔结构简图 f i 9 2 - 6c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fb l a n k i n gp l u g sc a v i t y 注入水流经活动水嘴的控制方程可以根据式( 2 一1 ) 求取，代入活动水嘴处的参数， 即为： q = c 2 a 2 厄睁彳：芦 式中q 活动水嘴的流量系数，无量纲； 么2 活动水嘴的过流截面积，m 2 。 因为活动水嘴的开度是随着来流压力的变化而不断变化的，因此，c 2 和彳2 都不是 固定的常数，而是活动水嘴开度h 的函数。如图2 - 6 ( b ) 所示，开度h 和柱塞锥头倾角 决定着活动水嘴过流截面的面积。活动水嘴的孔口截面上是一个圆台侧面积的一部分。 该圆台母线的长度，为： ，= h s i n a ( 2 - 1 4 ) 为了方便计算，本文将水嘴孔口简化为一个矩形，并设矩形的另一边长为l ，则该 水嘴的过流面积可表示为： a = h l s i n a ( 2 1 5 ) 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 代入是( 2 1 3 ) 即可得到注入水流经活动水嘴时的控制方程 的表达式为： q = n c 2 0 归咖一等 ( 2 1 6 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，n 为锥阀上开孔的个数，式( 2 1 3 ) 所表示的只是其中一个开孔的流量。实 际上，锥阀上不会只有一个开孔，一般会对称的开4 个孔口，也就是说，堵塞器的活动 水嘴是由4 个小的水嘴组成的。 以上过程分析了注入水流经固定水嘴和活动水嘴时的控制方程。分析可知，堵塞器 的流量调节主要是由活动水嘴动态的改变其开度来实现的。控制活动水嘴开度的主要部 件就是柱塞，柱塞向下移动时，活动水嘴开度h 减小，反之，增大。柱塞的移动是由其 受力情况所决定的，要分析柱塞的运动情况，首先就要分析其受力情况。 在稳定的工作状态下，柱塞因受力平衡而静止不动，此时，柱塞受两端液体压力、 弹簧推动力、液流推动力和自身重力的作用，处于平衡状态，相应的力学关系式为： p l a + g = p 2 a e + 忌缸+ 研( v 2 一v 2c o s o r ) 2( 2 1 7 ) 式中 、彳。- 柱塞两端的面积，m 2 ； e 一柱塞的重力，n ； 卜弹簧的弹性系数，n m 。 配水器在井底工作，由于空间的限制，堵塞器往往做的很小，其中的柱塞就更小了， 其重量充其量在十几克至几十克之间，而井底的压力往往会达到几十兆帕之巨，因此， 可以判断g 0 ，q 2 0 ，q 3 0 ，q l q 2 q o q 3 ，即： m b s 2 0 m s 3 + b b s 2 0 b s l a + b s 3 + k b s 2 0( 2 - 4 2 ) 坶l + 舾3 0 ( m s 3 + b b s 2 s l a + b s 3 + 始s 2 ) m b s 2 g 硌l + k s 3 ) 根据参数和& 的表达式可以判断s ： 0 ，s 3 0 ，而且b 、b 、k 和以的取值均 为正实数。因此，可以肯定式( 2 - 4 2 ) 中的前三式成立，堵塞器系统稳定的判定条件简 化为： jsl+，+ks3：0(ms b b sx 6 a + b s ，+ k b s 2 ) m b s 2 ( a s 。+ k s ，) ( 2 - 4 3 ) l3 +2x 6 s l +313 ) 毕”j ( 2 ) 系统时域分析 时域分析是控制系统动态性能分析的常用方法之一，它是指在时间域研究系统在一 定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。对本系统来说，就是假设来流压 增量卸力以某种形式随时间不断改变时，系统流量增量q 随时间的变化关系。对于本 第二章定量配水机理研究 系统这样一个恒流控制体系来说，我们期望的结果是当印随时间变化时，流量增量a o 恒为0 。 在现场条件下，来流压力随时间的变化关系可能杂乱无章，毫无规律可言。实际研 究中常以阶跃函数、斜坡函数和正弦函数作为系统输入随时间的变化关系来研究输出量 的变化。根据式( 2 4 0 ) 可以得到输出随输入的变化关系： ：e ( s ) f ( 5 ) ：p ( s ) 掣冬盟 ( 2 4 4 ) q o s 。+ q l s + 9 2 s + q s 假如某一时刻，来流压力突然增加到某一新值并一直延续，即输入为阶跃函数，则 此时的输入输出可分别表示为： p(s)：一n(2-45) q ( s ) =( 2 - 4 6 ) 式中，n 为来流压力的增加值。将所设计堵塞器的各参数代入式( 2 4 6 ) ，即可绘 制出该控制系统的时域响应曲线，根据曲线的形状和走势，即可判断所设计结构的恒流 效果。 如果来流压力随时间不断增加，即卸， ) = n t ，( ，0 ) ，即输入为斜坡函数，拉式变 换后输入为： p ( s ) ：了n( 2 4 7 ) 如果来流压力在某一值附近不断波动，则可以将输入近似为正弦函数，即 卸l ( j ) = n s i n r a t ，则拉式变换后的系统输入为： p ( s ) ：( 2 - 4 8 ) s + 国 将式( 2 4 7 ) 、( 2 4 8 ) 代入式( 2 - 4 4 ) 即可得到系统输出的表达式，代入设计参数 即可进行相应分析。 2 5 小结 本章简单介绍了恒流水嘴的流量调节原理，然后，将堵塞器划分为固定水嘴和活动 水嘴分别进行了详细的理论分析，得到了堵塞器流量特性。然后，利用计算流体力学工 具对活动水嘴进行了数值模拟，得到了活动水嘴开度和压差及流量之间的关系曲线，最 2 8 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 终得到了堵塞器的数序模型。之后，以柱塞受力分析为入口，对堵塞器的动态特性进行 了研究，得到了堵塞器系统的传递函数，并提出了如何利用该传递函数对堵塞器进行分 析。 第三章堵塞器的优化设计与校验 第三章堵塞器的优化设计与校验 3 1 堵塞器的优化设计 根据第二章对压力反馈式堵塞器静态特性的分析，结合机械和流体力学方面的知 识，可以对堵塞器进行比较合理的结构设计。 3 1 1 工况条件设计 这里所说的工况条件是指对堵塞器的基本要求和所在工作环境的基本状况，比如注 入量q 、注入压力p ( 井底) 和地层压力办等。其中，注入量q 和地层压力n 可根据 地质工作人员所提供的数据，分别采用地质配注量和油藏压力，重点是对注入压力p 进 行准确合理的设计。设计时可按下式进行计算： p = p ，+ p - p 户一p d ( 3 - 1 ) p 胃= , o g z - z ( 3 - 2 ) 驴五专 p 3 ， p “= 丢 p 4 ， 式中 n 注水井井口注入压力，l v 口a ； p 胃井口至堵塞器的静水压力，m p a ； p 夕井口至堵塞器的沿程压力损失，a ； 仇局部压力损失，m p a ； h _ 井口至堵塞器入口的垂直距离，1 1 1 ； d 。注水管内径，r n ； 旯、f 沿程水力摩阻系数和局部阻力系数； r 从井口至堵塞器流道发生转向或过流面积发生改变的次数。 可以看到，只要确定了所需地质参数和由井口至配水器这一流道的基本情况和结构 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参数，就可以准确获取配水器工况参数了。 3 1 2 结构参数设计方法分析 确定了堵塞器的工作条件，计算出p 和p r ，即可计算得到堵塞的工作压差： 卸= p p ， ( 3 5 ) 若分别以卸。和印：表示堵塞器固定水嘴和活动水嘴的压差，则根据式( 2 1 9 ) 容易 得到： 卸2 = 卸一日q 2( 3 6 ) 将上式代入( 2 2 3 b ) 并同时考虑式( 2 2 5 ) ，则可得到关系式： 孕4 a p - a q 2 靴舶卜址氅型广8 b 7 ， 其中小云s i l l 2 口= 孚，和分别柱塞的初始开度和弹簧的初始压缩 量，设计时确定，h 。的值也是柱塞的最大行程长度。而参数a 可以进一步表示为： b 专引：卫鞴f ca , 7 d 凇p 8 ， ：旦| i 生i i 生l + 己+ c ，l 万2 d 川驴jid 胛j 。2i 根据第2 章的分析可知，d 面和d 胛对系统流量的影响可以通过调整盔等参数平衡。 因此，为了设计方便，在此，将其作为定值考虑。由式( 3 8 ) 可以看到，如此处理之 后，参数a 仅为固定水嘴孔径盔的函数。因此，由式( 3 - 7 ) 可知，如果仅从静态特性， 不考虑堵塞器的动态性能，只要对活动水嘴孔径而、柱塞杆直径吨和所有弹簧强度k 进行合理设计，即可在设计压差下实现所需要的流量。图3 1 所示为上述堵塞器主要参 数的结构示意图。 3 1 第三章堵塞器的优化设计与校验 i j y 彦彩乡豸彩彩彭彩勰 隧耍 j 、l 广1 、i吣u ， i r ，i e 衲最n & o vv a 蚪妒嶝 f i 9 3 1 c o n v e n t i o n a ld i a g r a mo fb l a n k i n gp l u g ss t r u c t u r e 3 1 3 结构参数设计 根据上述分析确定了4 、d 。和k 即可实现设计压差下所需的流量。实际设计过程中， 为了方便产品的系列化和制造、组装的方便快捷，可以将柱塞杆直径巩固定，通过改变 其他两个参数来实现设计要求。如果柱塞杆外径改变，则阀套内径也需要改变，而且柱 塞杆底部锥头的直径d ，应该与水嘴扩口内径相一致。为了限制柱塞在阀套中向上运动， 应使柱塞杆的直径稍小于柱塞底部的直径。根据前面的分析，可取d ：= d k = 7 5 m m 。 剩余两个关键参数，可采用试算法确定，大体步骤为：假设一个吐，由式( 3 8 ) 求得参数口；然后由式( 2 1 2 ) 根据指定流量求得固定水嘴压差卸。；然后由式( 3