CN108614908A - 偏心分注多级水嘴的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏心分注多级水嘴的选择方法，选择方法包括以下步骤：步骤S10：根据多个地层中每个地层的吸水压力，得出最高吸水压力；步骤S20：根据最高吸水压力和每个地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差；步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式；步骤S40：根据每个分水嘴的入口流速、每个分水嘴的前后的压差及关系式，得出每个分水嘴的直径。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的水嘴选择效率较低的问题。

Description

偏心分注多级水嘴的选择方法

技术领域

本发明涉及油田井下注水的技术领域，具体而言，涉及一种偏心分注多级水嘴的选择方法。

背景技术

传统的分注工艺包括：同心分注(空心配水器分注、同心集成分注)和偏心分注(常规偏心分注、桥式偏心分注)，以及近年来发展起来的一体化测调技术等。其中常规偏心分注、桥式偏心分注应用最广。我国的偏心分注井较多，每年偏心配水器测调次数高达上万次。

石油行业标准“注水井分注施工作业规程及质量评价方法”对单层段日注水合格的判定标准为：加强层，日实注量在日配注的+30％～-10％范围为合格层；限制层，日实注量在日配注的+10％～-30％的范围内为日合格层；接替层，日实注量在日配注的±10％的范围内为日合格层。虽然偏心分注工艺已持续应用几十年，但水嘴选择问题一直没有解决，水嘴试凑严重制约注水井测调质量与效率(水嘴配不准、水量调不准)。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种偏心分注多级水嘴的选择方法，以解决现有技术中的水嘴选择效率较低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种偏心分注多级水嘴的选择方法，选择方法包括以下步骤：步骤S10：根据多个地层中每个地层的吸水压力，得出最高吸水压力；步骤S20：根据最高吸水压力和每个地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差；步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式；步骤S40：根据每个分水嘴的入口流速、每个分水嘴的前后的压差及关系式，得出每个分水嘴的直径。

进一步地，步骤S10中的各地层的吸水压力的获得方法包括：根据实验测得各地层的吸水量和吸水压力的关系，得出各地层的吸水量和吸水压力的关系曲线图；根据各地层的吸水量和吸水压力的关系曲线图，得出在预设吸水量下各地层对应的吸水压力。

进一步地，步骤S30中，通过以下实验确定关系式：步骤S31：对于分水嘴的同一直径，分别通过多个不同的过流量，得出多个压差；步骤S32：改变分水嘴的直径，重复步骤S31得到多组数据，每组数据包括：在不同的过流量的条件下，一个分水嘴的直径及对应于该分水嘴的直径的多个压差；S33：根据多组数据确定关系式。

进一步地，关系式如下：

d为水嘴直径；

ΔP为水嘴前后的压差；

u₁为水经过水嘴时流速。

进一步地，公式(1)由以下公式推导得出：

ln(CD)＝-0.0288[ln(A)]²+2.3319ln(A)-0.2148

A和CD为无量纲常数；

u₁为入口流速；

d为水嘴直径；

d₁为水嘴入口直径；

Q为过流量。

进一步地，偏心分注多级水嘴为四级水嘴。

进一步地，偏心分注多级水嘴的选择方法，在步骤S10中，通过以下方法得出最高吸水压力：

P_总1＝P₁+P₁'

P_总2＝P₂+P₂'－ρ×g×(h2-h1)

P_总3＝P₃+P₃'－ρ×g×(h3-h1)

P_总4＝P₄+P₄'－ρ×g×(h4-h1)

h1、h2、h3、h4为各级配水器入井深度；

P₁、P₂、P₃、P₄为设计配注量条件下各地层对应的吸水压力；

P₁'、P₂'、P₃'、P₄'分别为各级配水器通道损失；

P_总1为以第一级吸水压力、第一级通道损失，计算出的第一级配水器处所对应压力；

P_总2为以第二级对应的吸水压力、第二级配水器通道损失、第一级与第二级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总3为以第三级对应的吸水压力、第三级配水器通道损失、第一级与第三级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总4为以第四级对应的吸水压力、第四级配水器通道损失、第一级与第四级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

其中，最高吸水压力为P_总1、P_总2、P_总3、P_总4中的最大值。

进一步地，分水嘴为偏心配水器圆形孔板水嘴。

应用本发明的技术方案，先通过实验获得过流量、入口流速、水嘴前后的压差及水嘴直径的关系，再根据实际情况获知过流量、入口流速、水嘴前后的压差，通过上述三个参数即可得出水嘴直径。具体步骤为：步骤S10：根据多个地层中每个地层的吸水压力，得出最高吸水压力。步骤S20：根据最高吸水压力和每个地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差。步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式。步骤S40：根据每个分水嘴的入口流速、每个分水嘴的前后的压差及关系式，得出每个分水嘴的直径。这样根据实际的情况就可以选择相对应地直径的水嘴，这样大大缩短了通过一个一个的水嘴来实验的方法所使用的时间。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的水嘴选择效率较低的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的偏心分注多级水嘴的选择方法的实施例的结构的示意图；

图2示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的第一级地层的吸水压力和吸水量的关系示意图；

图3示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的第二级地层的吸水压力和吸水量的关系示意图；

图4示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的第三级地层的吸水压力和吸水量的关系示意图；

图5示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的第四级地层的吸水压力和吸水量的关系示意图；

图6示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的ln(A)和ln(CD)的关系示意图；以及

图7示出了图1偏心分注多级水嘴的选择方法的配水器的压力沿程损失示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一级配水器；20、第二级配水器；30、第三级配水器；40、第四级配水器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图5所示，在本实施例的技术方案中，一种偏心分注多级水嘴的选择方法包括以下步骤：步骤S10：根据多个地层中每个地层的吸水压力，得出最高吸水压力。步骤S20：根据最高吸水压力和每个地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差。步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式。步骤S40：根据每个分水嘴的入口流速、每个分水嘴的前后的压差及关系式，得出每个分水嘴的直径。

应用本实施例的技术方案，先通过实验获得过流量、入口流速、水嘴前后的压差及水嘴直径的关系，再根据实际情况获知过流量、入口流速、水嘴前后的压差，通过上述三个参数即可得出水嘴直径。具体步骤为：步骤S10：根据多个地层中每个地层的吸水压力，得出最高吸水压力。步骤S20：根据最高吸水压力和每个地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差。步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式。步骤S40：根据每个分水嘴的入口流速、每个分水嘴的前后的压差及关系式，得出每个分水嘴的直径。这样根据实际的情况就可以选择相对应地直径的水嘴，这样大大缩短了通过一个一个的水嘴来实验的方法所使用的时间。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的水嘴选择效率较低的问题。

如图1至图5所示，在本实施例的技术方案中，步骤S10中的各地层的吸水压力的获得方法包括：根据实验测得各地层的吸水量和吸水压力的关系，得出各地层的吸水量和吸水压力的关系曲线图。根据各地层的吸水量和吸水压力的关系曲线图，得出在预设吸水量下各地层对应的吸水压力。上述步骤获得了个地层的吸水量和吸水压力的关系，这样在以后仅知道吸水压力的情况下能够获知各地层的吸水量，或者仅知道吸水量的情况下能够或者各地层的吸水压力。

如图1至图5所示，在本实施例的技术方案中，步骤S30中，通过以下实验确定关系式：步骤S31：对于分水嘴的同一直径，分别通过多个不同的过流量，得出多个压差。步骤S32：改变分水嘴的直径，重复步骤S31得到多组数据，每组数据包括：在不同的过流量的条件下，一个分水嘴的直径及对应于该分水嘴的直径的多个压差。步骤S33：根据多组数据确定关系式。通过实验的方法获得不同直径的水嘴的压差，这样为建立水嘴直径、水嘴的入口流速和水嘴前后压差之间的关系式，奠定了基础。

如图2至图7所示，在本实施例的技术方案中，关系式如下：

d为水嘴直径；

ΔP为水嘴前后的压差；

u₁为水经过水嘴时流速。

如图2至图7所示，在本实施例的技术方案中，公式(1)由以下公式推导得出：

ln(CD)＝-0.0288[ln(A)]²+2.3319ln(A)-0.2148 (4)

A和CD为无量纲常数；

u₁为入口流速；

d为水嘴直径；

d₁为水嘴入口直径；

Q为过流量。

如图1至图5所示，在本实施例的技术方案中，偏心分注多级水嘴为四级水嘴，其中d₁为水嘴入口直径，在本实施例中为一定值，在本实施例中取值为12，当然，也可以根据需要进行选取，例如，选11，选10等。

如图1至图7所示，在本实施例的技术方案中，偏心分注多级水嘴的选择方法，在步骤S10中，通过以下方法得出最高吸水压力：

P_总1＝P₁+P₁' (6)

P_总2＝P₂+P₂'－ρ×g×(h2-h1) (7)

P_总3＝P₃+P₃'－ρ×g×(h3-h1) (8)

P_总4＝P₄+P₄'－ρ×g×(h4-h1) (9)

h1、h2、h3、h4为各级配水器入井深度；

P₁、P₂、P₃、P₄为设计配注量条件下各地层对应的吸水压力；

P₁'、P₂'、P₃'、P₄'分别为各级配水器通道损失；

P_总1为以第一级吸水压力、第一级通道损失，计算出的第一级配水器10处所对应压力；

P_总2为以第二级对应的吸水压力、第二级配水器通道损失、第一级与第二级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总3为以第三级对应的吸水压力、第三级配水器通道损失、第一级与第三级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总4为以第四级对应的吸水压力、第四级配水器通道损失、第一级与第四级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

其中，最高吸水压力为P_总1、P_总2、P_总3、P_总4中的最大值。

整个配水器压损由两部分构成，1、通道损失(不加水嘴时沿程损失)，2、水嘴损失。只要分别求出不同流量条件下的通道损失、不同孔径不同流量下的水嘴损失，即可求出任一配注量条件下单级配水器的压损(两者求和即可)，得出单级配水器压损后，则全井多级配水器整体压损分布可求出，各层水嘴节流压差即可求出。

对偏心配水器水力学模型进行流体模拟，得出沿程损失并绘制流量、压差曲线图，如图6和图7所示。

进行水嘴建模及流量体模拟，建立不同嘴径、不同流量条件下的，压差、流量、嘴径数据库(水嘴范围0.8mm～6.2mm，嘴径间隔：0.1mm～0.2mm，过流量：5m³/d～200m³/d，流量模拟间隔：2m³～5m³)。其中部分数据如表1所示。

表1不同孔径、不同过流量条件下的水嘴压差数据库

其中：

利用上述的公式(2)：

公式(3)：

公式(5)：

其中，d为水嘴直径，mm；

△P为水嘴产生压差，MPa；

u₁为水经过水嘴时流速，m/s；

d₁为水嘴入口直径，mm；

Q为过流量，m³/d。

将数据库中数据分别按上述公式进行处理得到A与CD，将A与CD取e为底的对数，得到ln(A)、ln(CD)，对ln(A)、ln(CD)进行拟合。拟合结果如图6所示。即将数据库中的流量、水嘴的前后的压差、水嘴的直径三参数拟合成一条曲线，得出水嘴选择公式。根据各级配水器处水嘴所需压差及流量，直接计算出所需水嘴直径，保证多级水嘴一次选择成功。

经过拟合得到的关系式如公式(4)：

ln(CD)＝-0.0288[ln(A)]²+2.3319ln(A)-0.2148

进而得到公式(1)：

每一级配水器压损都是由通道损失与水嘴损失构成，至此单级配水器不同流量条件下的通道损失、不同孔径、不同流量条件下的水嘴损失全部计算完毕。

下面为将上述公式带入多个地层具体为四个地层的情况：

首先分注工具入井、配水器位置固定且各层配注量确定(设计要求)，则全井为一个压力系统，要想选准每层水嘴，则需将全井按照一个压力系统分析，我们以第一级配水器位置处压力定义为基准位置，压力P_总定义为基准压力。

假设P1、P2、P3、P4为设计配注量条件下各地层对应的吸水压力(依据各层吸水指示曲线求得，分注管柱入井后先进行全井各层吸水指示曲线测量)，h1、h2、h3、h4为各级配水器入井深度，P₁'、P₂'、P₃'、P₄'分别为各级配水器通道损失，第一级水嘴产生压差定义为△P1、第二级水嘴产生压差定义为△P2、第三级水嘴产生压差定义为△P3、第四级水嘴产生压差定义为△P4。。

独立分析第一级求基准位置处基准压力：以第一级吸水压力、第一级通道损失计算出的第一级配水器处所对应压力为：P_总1；

独立分析第二级求基准位置处基准压力：以第二级对应的吸水压力、第二级配水器通道损失、第一级与第二级间液柱压力(h1与h2间液柱压力)计算出来的对应第一级配水器压力为P_总2；

独立分析第三级求基准位置处基准压力：以第三级对应的吸水压力、第三级配水器通道损失、第一级与第三级间液柱压力(h1与h3间液柱压力)计算出来的对应第一级配水器压力为P_总3；

独立分析第四级求基准位置处基准压力：以第四级对应的吸水压力、第四级配水器通道损失、第一级与第四级间液柱压力(h1与h4间液柱压力)计算出来的对应第一级配水器压力为P_总4。

P_总1、P_总2、P_总3、P_总4具体表达式如下：

公式(6)：P_总1＝P₁+P₁'

公式(7)：P_总2＝P₂+P₂'－ρ×g×(h2-h1)

公式(8)：P_总3＝P₃+P₃'－ρ×g×(h3-h1)

公式(9)：P_总4＝P₄+P₄'－ρ×g×(h4-h1)

由于全井四级配水器基准位置压力只能有一个，从P_总1～P_总4中选择最大值，作为多级配水器整体入口基准压力P_总。假若P_总1最大，则P_总＝P_总1第一级不需要水嘴节流△P₁＝0，则第二级水嘴损失△P₂＝P_总－P_总2，第三级水嘴损失(压差)△P₃＝P_总－P_总3，第四级水嘴损失(压差)△P₄＝P_总－P_总4，由于各级水量固定、各级水嘴压差已求出，根据公式即可求出各级所需水嘴直径d。

假设四级四层偏心分注井，入井流体为清水，第一至第四级设计注入量分别为10m³/d、20m³/d、30m³/d、40m³/d，第一级至第四级配水器分别为位于h1＝1302.5m、h2＝1344.85m、h3＝1394.96m、h4＝1444.5m。

测取全井各层吸水指示曲线。

地面稳定五组水量，第一组150m³/d，待该组水量稳定后，由下至上分别测出第四级、第三级、第二级、第一级第一个点的实际注入量及吸水压力；

地面将水量调至第二组130m³/d，待该组水量稳定后，由下至上分别测出第四级、第三级、第二级、第一级第二个点的实际注入量及吸水压力；

地面将水量调至第三组110m³/d，待该组水量稳定后，由下至上分别测出第四级、第三级、第二级、第一级第三个点的实际注入量及吸水压力；

地面将水量调至第四组80m³/d，待该组水量稳定后，由下至上分别测出第四级、第三级、第二级、第一级第四个点的实际注入量及吸水压力；

地面将水量调至第五组60m³/d，待该组水量稳定后，由下至上分别测出第四级、第三级、第二级、第一级第五个点的实际注入量及吸水压力。

则每层都有五个点的流量及吸水压力。依据每层的五个点，绘制各层吸水指示曲线，如附图1所示。并依据第一级的吸水指示曲线求出第一层注10m³/d，对应的吸水压力P1；并依据第二级的吸水指示曲线求出第二层注20m³/d，对应的吸水压力P2；并依据第三级的吸水指示曲线求出第三层注30m³/d，对应的吸水压力P3；并依据第四级的吸水指示曲线求出第四层注40m³/d，对应的吸水压力P4。

计算总入口压力P_总。

假设第一级水量为10m³/d时，对应第一组吸水压力为P₁＝10.5MPa，由公式(2)求得堵塞器过流量10m³/d，偏心配水器沿程损失P₁'＝2144.579427Pa；

第二级水量为20m³/d时对应地层压力为P₂＝10.9MPa，由公式(2)求得堵塞器过流量20m³/d，偏心配水器沿程损失P₂'＝4863.806661Pa；

第三级水量为30m³/d时对应地层压力为P₃＝11.5MPa，由公式(2)求得堵塞器过流量30m³/d时，偏心配水器沿程损失P₃'＝18176.098Pa；

第四级水量为40m³/d时对应地层压力为P₄＝12.2MPa，由公式(2)求得堵塞器过流量40m³/d时，偏心配水器沿程损失P₄'＝30765.80553Pa。

依据上述的公式，求得：

独立分析第一级求基准压力，整体配水器入口压力为P_总1＝10.49MPa；

独立分析第二级求基准压力，整体配水器入口压力为P_总2＝10.94MPa；

独立分析第三级求基准压力，整体配水器入口压力为P_总3＝11.59MPa；

独立分析第四级求基准压力，整体配水器入口压力为P_总4＝12.34MPa。

由于独立分析第四级求基准压力，整体配水器入口压力P_总4最大，即第四级不需加水嘴进行节流，此时全井四级配水器总入口压力P_总＝P_总4＝12.34MPa。

则第一级水嘴产生压差(水嘴损失)为△P₁＝P_总4－P_总1＝1.85MPa；

第二级水嘴产生压差△P2＝P_总4－P_总2＝1.4MPa；

第三级水嘴产生压差△P3＝P_总4－P_总3＝0.75MPa；

第四级不加水嘴节流△P4＝0。

求各层所需水嘴直径。

第一层注入量即水嘴过流量10m³/d、水嘴节流压差△P₁＝1.85MPa，由公式求得，第一级所需水嘴直径为1.8mm；

第二层注入量即水嘴过流量20m³/d、水嘴节流压差△P2＝1.4MPa，由求得，第二级所需水嘴直径为2.6mm；

第三层注入量即水嘴过流量30m³/d、水嘴节流压差△P3＝0.75MPa，由公式(7)求得，第二级所需水嘴直径为3.7mm；

第四层不加水嘴。

各数据具体取值如下表所示。

表2四级四层各部分压损分布

上述考虑各级配水器之间的高度差和各级配水器通道损失之间的关系的方法，使得在选取水嘴时，选取的水嘴的直径更加准确，误差更小。具体地，分水嘴为偏心配水器圆形孔板水嘴。上述结构的水嘴容易加工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述选择方法包括以下步骤：

步骤S10：根据多个地层中每个所述地层的吸水压力，得出最高吸水压力；

步骤S20：根据所述最高吸水压力和每个所述地层的吸水压力，得出偏心分注多级水嘴的每个分水嘴的前后的压差；

步骤S30：根据实验确定分水嘴的直径、分水嘴的入口流速和分水嘴前后的压差之间的关系式；

步骤S40：根据每个所述分水嘴的入口流速、每个所述分水嘴的前后的压差及所述关系式，得出每个所述分水嘴的直径。

2.根据权利要求1所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述步骤S10中的各所述地层的吸水压力的获得方法包括：

根据实验测得各地层的吸水量和吸水压力的关系，得出各所述地层的吸水量和所述吸水压力的关系曲线图；

根据各所述地层的吸水量和所述吸水压力的关系曲线图，得出在预设吸水量下各所述地层对应的吸水压力。

3.根据权利要求1所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述步骤S30中，通过以下实验确定所述关系式：

步骤S31：对于所述分水嘴的同一直径，分别通过多个不同的过流量，得出多个压差；

步骤S32：改变所述分水嘴的直径，重复所述步骤S31得到多组数据，每组所述数据包括：在不同的所述过流量的条件下，一个分水嘴的直径及对应于该分水嘴的直径的多个压差；

步骤S33：根据所述多组数据确定所述关系式。

4.根据权利要求3所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述关系式如下：

d为水嘴直径；

ΔP为水嘴前后的压差；

u₁为水经过水嘴时流速。

5.根据权利要求4所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述公式(1)由以下公式推导得出：

ln(CD)＝-0.0288[ln(A)]²+2.3319ln(A)-0.2148 (4)

A和CD为无量纲常数；

u₁为入口流速；

d为水嘴直径；

d₁为水嘴入口直径；

Q为过流量。

6.根据权利要求3所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述偏心分注多级水嘴为四级水嘴。

7.根据权利要求2所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，在所述步骤S10中，通过以下方法得出最高吸水压力：

P_总1＝P₁+P′₁ (6)

P_总2＝P₂+P′₂－ρ×g×(h2-h1) (7)

P_总3＝P₃+P′₃－ρ×g×(h3-h1) (8)

P_总4＝P₄+P′₄－ρ×g×(h4-h1) (9)

h1、h2、h3、h4为各级配水器入井深度；

P₁、P₂、P₃、P₄为设计配注量条件下各地层对应的吸水压力；

P′₁、P′₂、P′₃、P′₄分别为各级配水器通道损失；

P_总1为通过第一级吸水压力和第一级通道损失，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总2为通过第二级对应的吸水压力、第二级配水器(20)的通道损失、第一级与第二级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总3为通过第三级对应的吸水压力、第三级配水器(30)的通道损失、第一级与第三级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

P_总4为通过第四级对应的吸水压力、第四级配水器(40)的通道损失、第一级与第四级间液柱压力，计算出来的对应第一级配水器压力；

其中，最高吸水压力为P_总1、P_总2、P_总3、P_总4中的最大值。

8.根据权利要求1所述的偏心分注多级水嘴的选择方法，其特征在于，所述分水嘴为偏心配水器圆形孔板水嘴。