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付亚荣. 分层采油分采器单流球阀流量系数的设计方法[J]. 石油机械, 2016, 44(08): 62-64. DOI: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.08.014.
Fu Yarong. Flow Coefficient Design Method of Check Valve for Separate Layer Production Device[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(08): 62-64. DOI: 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.08.014.
分层采油分采器单流球阀流量系数的设计方法
付亚荣     
中国石油华北油田分公司第五采油厂
收稿日期: 2016-02-14;
基金项目: 中国石油股份有限公司重大专项"分层采油工艺试验与应用"（2015E-05-08）；油井分层采油桥式分采器单流球阀流量系数的确定方法已获得国家发明专利，专利号：201510997944.5
第一作者简介: 付亚荣, 高级工程师, 生于1965 年, 1987年毕业于重庆石油学校油田应用化学专业,现从事油气田开发技术研究与应用工作。地址:(052360)河北省辛集市。E-mail:cy5_fyr@petrochinacom.cn。
摘要: 针对分层采油分采器单流球阀流量系数的试验和计算公式还无人尝试的情况，提出单流阀流量系数的设计方法。首先确定单流阀前、后的压差；其次考虑单流阀的动态特性及魏氏效应对分采器内液体连续流的影响，单流阀位移为0时的开启和关闭瞬间单流阀运动的阿道尔夫二阶微分方程存在奇点，确定产出液流过单流阀的体积流量；最后由产出液流过单流阀时的阻力系数，并根据产出液流过单流阀时单位压力损失对应的产出液流量，确定单流阀的流量系数。现场10余口油井的应用中，施工一次性成功率100%，平均日增油2.7 t，平均日降水5.1 m3。提出的设计方法可为产出液流过分层采油分采器单流球阀时流量的准确计算提供依据。
关键词: 分层采油     分采器     单流阀     流量系数    
Flow Coefficient Design Method of Check Valve for Separate Layer Production Device
Fu Yarong     
No.5 Oil Production Plant of PetroChina Huabei Oilfield Company
Abstract: Considering that no study has been focused on the testing and calculation of flow coefficient of check valve for separate layer production device, the check valve flow coefficient design method has been proposed.The pressure differential front and back the check valve was first determined.The impact of the dynamic characteristics of the check valve and the Westergren effect on the continuous flow in check valve has been considered.There exists singularity in the Adolphe second order differential equation of the check valve movement at the opening and closing moments when the valve displacement is 0.The volume flow of produced fluid passing through the check valve has been determined.Based on the resistance coefficient of the check valve and the corresponding fluid flow to the unit pressure loss, the flow coefficient of check valve could be determined.Field applications in more than 10 oil wells had a one-time success rate of 100%, with the average increased oil of 2.7 t/d and the average water reduction of 5.1 m3/d, achieving the purpose of enhancing oil recovery and water reduction.
Key words: separate layer oil production     separate layer production device     check valve     flow coefficient    

0 引 言

石油勘探过程中发现的储层以薄互层和层间渗透率差异较大,牙刷状油藏[1]越来越普遍,在开发过程中层间非均质性强,采油井生产层间矛盾突出,含水上升较快;砂体动用状况差异大,多层合采层间干扰严重[2]。朱洪征等[3]设计了动筒式分采抽油泵;程英姿等[4]发明了一种新型油井智能分层开采与测试技术,实现了油井的分层测试、分层开采、堵水调层及任意层多层合采。上述技术都不是真正意义上的分层采油。李大建等[5]提出了桥式分采器三层分层采油管柱,取得良好的分采效果。而如何确定桥式分采器单流球阀流量系数是确保分层采油成功的关键。

目前,还没有专门针对桥式分采器单流球阀流量系数的试验和计算公式。笔者通过分析下部产层产出液流过单流球阀时内部流场的分布状况、下部产层产出液的密度、速度与球阀开启程度对整个流动过程的影响,得到单流球阀不同开启程度下的流量系数,真正实现了分层采油。现场10余口油井的应用中,施工一次性成功率100%,平均日增油2.7 t,平均日降水5.1 m3,达到了降水增油的目的。

1 单流阀前、后的压差

分采器单流球阀流量系数通常按有杆组合泵筒管式抽油泵[6]固定阀流量系数来计算,忽视了单流阀开启程度对流量系数的影响。油层产出液流经单流阀时,产出液顺序流经单流阀阀座、阀罩与阀球间的环形空间和阀罩孔,产出液过流通道的截面发生突变,产出液进行绕单流阀钢球流动,整个过程伴随着局部的能量损失[7],单流阀前、后的能量损失采用单流阀前、后的压差来表征。计算式为:

(1)
(2)

式中:p1为单流阀球座前的压力,MPa;p2为单流阀球座后的压力,MPa;ρ1为流过桥式分采器下接头到单流阀底座产出液的密度,kg/m3;ρ2为下层产出液流过单流阀后与上层产出液混合后的流体密度,kg/m3;H1为桥式分采器下接头到单流阀底座的长度,m;H2为单流阀底座到桥式分采器上接头的长度,m;g为重力加速度,m/s2;v1为产出液的流速,m/s;v2为单流阀球座后的流速,m/s;ξ为产出液流过单流阀时的阻力系数;Ap为油管内截面积,m2;vp为上、下产层产出液混合后在油管内的流速,与v2在数值上相等,m/s;AV为单流阀阀孔的截面积,m2;Hq为桥式分采器的下入深度,m;Hd为油井动液面,m;pl为下产层流压,MPa;Hl为分采器下端到下产层顶界的距离,m。

2 产出液流过单流阀的体积流量

分层采油时,分采器单流阀随抽油机上、下冲程具有运动的特性,但其运动规律有别于抽油泵阀球,考虑单流阀的动态特性及魏氏效应对分采器内液体连续流的影响,单流阀位移为0时的开启和关闭瞬间单流阀运动的阿道尔夫二阶微分方程存在奇点[8],不能准确描述产出液流过单流阀的体积流量。为此,依据实际流体的伯努利方程,计算产出液流过单流阀的体积流量:

(3)
(4)

式中:Q为下层产液量,m3/s。

3 产出液流过单流阀时的阻力系数

产出液流过单流阀的摩阻来自于产出液流过阀座的摩阻及流过分采器的摩阻;产出液流过单流阀时的阻力系数可以用单流阀的开启程度来表示,其值为单流阀阀隙过流面积As与单阀阀孔的截流面积AV的比值[9]。单流阀的开启程度是影响单流阀流量系数和过阀流量的最直接因素。

(5)
(6)
(7)
(8)
(9)

式中:ξ为产出液流过单流阀时的阻力系数;Rhu为单流阀球座孔端面半径,m;Rh为单流阀座孔半径,m;B为单流阀阀座口宽度,m;α为单流阀阀座锥角,(°);RVb为单流球阀半径,m;Hb为球阀上升高度,m。

4 单流阀的流量系数

产出液流过单流阀时,单位压力损失对应的产出液流量就是单流阀的流量系数KV,单流阀的流量系数越大,产出液通过单流阀的压力损失越小。同时,流通截面形状的变化也会引起流动阻力的变化。计算式为:

(10)

通过计算机编程或人工求解方程(1)、(2)、(4)~(9)得到As、ξ、Q、KV等4个参数。其他参数可通过实际测得或试验得到。

5 实例计算

晋X-344井于2014年4月地质方案要求上段37#、39#层,与下段41#、42#、45#进行分层采油,各层基础数据如表 1所示。分层采油要求上段37#、39#层20 m3/d;下段41#、42#、45#层10 m3/d;上层压力水平1.00,下层压力水平0.95;下泵要求日产液30 m3,液面1 500 m。

表 1 晋X-344井分层采油各层基础数据 Table 1 The basic data of each layer of Well Jin X-344
层号 井 段/m 厚度/m
37 2 166.0~2 169.6 3.6
392 171.0~2 175.8 4.8
412 569.0~2 570.0 1
422 570.0~2 572.0 2
452 572.0~2 578.0 6
表选项

采油工程依据地质方案,采用桥式分采器进行分采施工。流过桥式分采器下接头到单流阀底座产出液的密度ρ1=863.9 kg/m3;下层产出液流过单流阀后与上层产出液混合后的流体密度ρ2=868.1 kg/m3;桥式分采器下接头到单流阀底座的长度H1=0.35 m;单流阀底座到桥式分采器上接头的长度H2=1.5 m;油管内截面积(使用本体直径73 mm,内直径为62 mm的油管)Ap=0.003 0175 4 m2;桥式分采器的下入深度Hq=2 350 m;油井动液面Hd=1 500 m;分采器下端到下产层顶界的距离Hl=217.5 m;单流阀球座孔端面半径Rhu=0.010 5 m;单流阀座孔半径Rh=0.008 5 m;单流阀阀座口宽度B=0.012 5 m;单流阀阀座锥角α=70°。

通过计算机编程计算,得到晋X-344井分采器单流阀的流量系数KV=0.081 9;按此配备分采器后,油井日增油6.1 t,日降水7.4 m3。

6 结 论

(1) 依据下部产层产出液流过单流球阀时内部流场的分布状况、下部产层产出液的密度、速度与球阀开启程度对整个流动过程的影响,计算单流球阀不同的开启程度下单流球阀的流量系数,可控制上、下产层的产液量,实现真正意义上的分层采油。

(2) 分层采油分采器单流阀流量系数的选择是决定分采成功的关键技术之一。根据不同的地质方案,选取相应的单流阀流量系数可以达到油井降水增油的目的。

参考文献
[1] 付亚荣, 翟胜强, 付森, 等. 牙刷状油藏分层开采的增产节能双赢工艺[J]. 石油石化节能, 2015, 5 (3) : 8–9 .
[2] 付亚荣. 牙刷状油藏分层开采模型的建立[J]. 新疆石油天然气, 2015, 12 (3) : 49–52 .
[3] 朱洪征, 牛彩云, 赵晓伟, 等. 动筒式分采抽油泵研制与应用[J]. 石油矿场机械, 2014, 43 (6) : 62–65 .
[4] 程英姿, 贺东, 汪团员, 等. 一种新型油井智能分层开采与测试技术[J]. 钻采工艺, 2015, 38 (3) : 46–48 .
[5] 李大建, 甘庆明, 牛彩云, 等. 桥式分采器的研制与应用[J]. 石油钻采工艺, 2014, 36 (3) : 120–122 .
[6] 国家能源局.组合泵筒管式抽油泵:SY/T 5059—2009[S].北京:石油工业出版社,2010.
[7] 王卫阳, 万国强, 韦欣法, 等. 基于Fluent的有杆泵固定阀流量系数模拟计算[J]. 石油钻采工艺, 2015, 37 (3) : 71–75 .
[8] 董世民, 王春华, 李文婷, 等. 抽油泵阀运动规律的新模型及计算机仿真[J]. 石油机械, 1999, 27 (11) : 1–4 .
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文章信息

付亚荣
Fu Yarong
分层采油分采器单流球阀流量系数的设计方法
Flow Coefficient Design Method of Check Valve for Separate Layer Production Device
石油机械, 2016, 44(08): 62-64
China Petroleum Machinery, 2016, 44(08): 62-64.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.08.014

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收稿日期: 2016-02-14

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