2. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院 ;
3. 胜利石油管理局
2. Petroleum Engineering Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Company ;
3. Shengli Petroleum Administrative Bureau
0 引言
大压差分注井普遍存在常规工艺不易合理调配、配水器易损坏和配水精度低等问题，造成注水有效性差、层段合格率低。注水过程中，系统压力频繁波动容易使注水井的实际配注偏离地质配注，注水量的控制通常采取定期测试调配方法，测调工作量大且难以控制。据调查，大压差井超注、欠注情况较严重，目前层段合格率仅43.5%左右。鉴于此，笔者利用Simulink与ADAMS对实时调节配水器进行模拟仿真，优选结构参数，并通过试验验证了模拟仿真工具设计的准确性。
1 技术分析 1.1 结构及原理[1]实时调节配水器由配水器芯子和动态调节结构2部分组成。动态调节结构主要由上接头、上缸套、活塞、中心管、弹簧、下缸套与下接头构成，见图 1。
|
| 图 1 配水器动态调节结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of water distributor dynamic adjustment |
在正常注水过程中，当中心管内部压力变大时，活塞右腔压力也变大，由于流体通过中心管出水孔进入活塞腔形成节流，在合力作用下活塞左移，调压口变小，弹簧伸缩调节调压口大小来实现动态平衡调节，最终使流量保持恒定。当注入压力变小时，调节原理相同，调节方向相反。这种结构不仅能在压力波动下对不同注水层稳定注水，而且在高渗层控制注水中，还可提压注水，确保欠注层完成配注、高渗层流量不增加，防止超注。
1.2 力学模型[2-3]实时调节配水器的调节过程模型见图 2。外部环境压力p4表示地层压力，对活塞在各种情况下的受力p2只需在最终结果中加上地层压力即可，为方便计算，此处设p4=0。
|
| 图 2 活塞简化模型受力示意图 Fig.2 Stress of simplified piston model |
随着进入配水器压力p1的不断增加，当p1A1≥kx0+p3A2时，活塞左行，此时无流量，p2=p4=0，通道没建立起来的力学平衡方程为：
(1) 式中：p1为水嘴嘴前压力，MPa；p2为水嘴嘴后压力，MPa；p3为活塞腔内台阶压力，MPa，p3=p1；A1为活塞右截面积，m2；A2为水嘴过流面积，m2；k为弹簧弹性模量，N/m；x0为弹簧初始压缩量，m；x为弹簧位移，m。
活塞让出通道后继续移动，开始有流量，此时p3=p2，流量为经过调压口的流量Q1，即
(2) 
(3) 式中：Cd为水嘴及动态调节口的流量系数；ρ为水的密度，取1.0×103 kg/m3。
随p1进一步增加，在压差p1-p2和弹簧力的综合作用下，活塞与上缸套形成的动态调节口开始节流并发挥作用，此时通过动态节流口流量Q2为：
(4) 
(5) 式中：A3为节流口过流面积，m2。
根据连续流量Q1=Q2，推导活塞左腔压力为：
(6) 将力学模型应用到Simulink中，根据各参数间的关系建立仿真模块[4-5]，分别对井口不同压力波形式与不同弹簧刚度下的p2和Q进行仿真，其中压力波p1主要包括斜坡形式和斜坡-阶跃复合形式，如图 3和图 4所示。
|
| 图 3 斜坡形式压力波 Fig.3 Pressure wave in ramp form |
|
| 图 4 斜坡-阶跃复合形式压力波 Fig.4 Pressure wave in slope-step composite form |
通过仿真得到了不同压力波形式(给定弹簧刚度20.0kN/m)与不同弹簧刚度(17.0、18.5、19.0、20.0和22.0 kN/m)下压力p2和流量Q变化曲线，根据仿真结果可以得出以下结论。
(1) 弹簧刚度17.0、18.5、19.0、20.0和22.0kN/m对应的开启压力分别为0.686、0.747、0.767、0.807和0.889 MPa，呈逐渐增大趋势。
(2) 不同弹簧刚度下的起调压力基本相等，均为1 MPa。系统达到稳定的时间越快，对应的流量越大，无水嘴情况下分别为7.40、7.68、7.78、7.96和8.33m3/h。
(3) 在井口不同压力波形式下，当p1变化时，p2比p1滞后约2~3 s，而对比同一时刻的p2与p1，前者约小0.5MPa。
2.2 弹簧-活塞系统的ADAMS动力学仿真ADAMS动态仿真可以很好地了解结构的运动特性，将活塞-弹簧系统所涉及的腔室压力p1、p2加载到系统的三维模型中，可获得实时调节配水器芯子调参后的调节动态。先后将Simulink模拟仿真得到的不同压力波形式p1、不同弹簧刚度对应的p2加载到ADAMS模型中，开展活塞的位移、起调时间和稳定时间等调节性能动态仿真。
建立配水器动态调节仿真模型[6-7]，选择仿真计算与显示参数：仿真时间5~20 s、仿真时间类型End Time、仿真步数1 000步、仿真补偿0.01s、仿真类型Default。
图 5表示p1为斜坡形式下活塞位移随时间的变化。图 6表示p1为斜坡-阶跃复合形式下活塞位移随时间的变化。从图可见，在导通瞬间，由于力的不稳定性和弹簧阻尼系统的作用，调节阀先是剧烈移动打开，之后一段时间处于轻微振动状态，此状态在经过一段调整时间后慢慢平稳，随着压力的突然变化，调节阀位移会经多次振动后趋于平稳。
通过改变弹簧刚度和调节阀面积等参数，可进一步观察动态仿真结果。首先在Simulink中改变弹簧刚度和调节阀面积，仿真出相关压力参数，再导入ADAMS中进行动态调节仿真，即可得出相应的动态结果。
|
| 图 5 活塞位移变化曲线(p1为斜坡形式) Fig.5 Piston displacement curve (p1 is ramp form) |
|
| 图 6 活塞位移变化曲线(p1为复合形式) Fig.6 Piston displacement curve (p1 is composite form) |
图 7为不同弹簧刚度C下配水器的ADAMS动态仿真活塞位移与调节时间曲线。图 8为不同右端面积S的配水器ADAMS动态仿真活塞位移与调节时间曲线。 从图 7可见，活塞位移随刚度的增加而减小，波动范围25~27 mm；从图 8可见，活塞位移随截面积的减小而减小。两者在系统达到稳定的时间上基本相同。
|
| 图 7 不同弹簧刚度下的活塞位移与时间仿真结果 Fig.7 Piston displacement and time simulation results with different spring stiffness |
根据Simulink和ADAMS仿真结果，优选弹簧刚度为19.6kN/m，初始压缩量为66 mm，活塞右截面积为3 005 mm2、左截面积为1 272 mm2。
|
| 图 8 不同活塞右端面积下的活塞动态仿真结果 Fig.8 Piston dynamic simulation results with different piston right side areas |
3 室内试验研究
通过室内加压试验测试配水器的工作特性及恒流特性。图 9和图 10分别是弹簧刚度为19.6kN/m时得到的实时调节配水器无水嘴和加ø2.0/ø3.0/ø4.0 mm水嘴的p-Q调节性能曲线。
|
| 图 9 无水嘴时的p-Q调节性能曲线 Fig.9 p-Q adjustment curve without water nozzle |
|
| 图 10 加ø2.0/3.0/4.0mm水嘴时的p-Q调节性能曲线 Fig.10 p-Q adjustment curve with ø2.0/3.0/4.0mm water nozzle |
从图 9可见，系统达到稳定时的流量为180 m3/d，Simulink仿真得到系统达到稳定时的流量为7.89m3/h×24=189.4 m3/h，误差为4.9%。
通过对调参后的结构进行压差-流量特性试验可知，大压差实时调节配水器可满足层间压差为4~12 MPa的大压差分注井的合理调配要求。
4 结论(1) 实时调节配水器稳定调节时间与井口压力波的变化形式、弹簧刚度和活塞截面积有关，弹簧刚度越大，系统达到稳定的时间越短。
(2) 不同弹簧刚度(17.0~22.0kN/m)下的起调压力基本相同，均为1 MPa。
(3) 活塞稳定调节位移与弹簧刚度和活塞截面积有关。不同弹簧刚度(17.0~22.0kN/m)下，活塞位移随刚度增加而减小，波动范围25~27 mm；活塞右端不同截面积下，活塞位移随截面积减小而减小。
(4) 模拟仿真结果与试验数据很接近，起调压力和流量误差仅5%左右。
(5) 实时调节配水器能保证注水量的定量控制，调节灵活、适用范围广，可实现注水量自动调节，减少测调工作量。
| [1] | 袁恩熙. 工程流体力学[M]. 北京: 石油工业出版社, 2002 : 121 -129. |
| [2] | 孔宪辉, 卢德唐, 林春阳. 配水器流场的数值模拟[J]. 水动力学研究与进展, 2007, 1 (1) : 2–3 . |
| [3] | 孙鑫宁.注水井恒流量空心配水器研究[D].上海:上海交通大学,2008. |
| [4] | 周晓君, 余敏超. 基于Simulink的偏心定量配水器动态特性分析[J]. 机床与液压, 2012 (11) : 54–56 . |
| [5] | 李静文, 于佐军. 基于Simulink的抽油闭环控制系统仿真[J]. 石油天然气学报, 2009, 31 (4) : 386–388 . |
| [6] | 蒲波, 樊军, 董平. 基于ADAMS的配水阀动力响应仿真分析[J]. 机械传动, 2011 (4) : 47–49 . |
| [7] | 张子胜, 张惠林, 姜士湖, 等. 基于ADAMS的三缸柱塞泵动力学仿真分析[J]. 石油机械, 2007, 35 (4) : 28–30 . |