田輝 鄒克武 王文成 劉春哲 李大偉

承德石油高等?？茖W(xué)校

基于TRIZ創(chuàng)新理論的新型高壓損防堵水嘴

田輝 鄒克武 王文成 劉春哲 李大偉

承德石油高等?？茖W(xué)校

為了在有限空間內(nèi)探索具有大通流面積、高壓損特性的注水嘴，使其在注水過(guò)程中保證配水精度的同時(shí)具有良好的防堵能力，應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論對(duì)具有高壓損、防堵特性的分層注水水嘴進(jìn)行了深入分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)功能及沖突矩陣分析，利用結(jié)構(gòu)嵌套法對(duì)水嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)出具有嵌套形式的新型繞流對(duì)沖水嘴。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)新型水嘴的壓損特性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，新型水嘴可在保證截面面積較大（不小于傳統(tǒng)?4.0 mm直孔的通流面積）的情況下提供優(yōu)于傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性，從而可在保證配水準(zhǔn)確性的同時(shí)提升防堵能力，提高水嘴的免維護(hù)周期。

分層注水；高壓水嘴；TRIZ；數(shù)值模擬

分層注水是目前應(yīng)用最為廣泛的提高石油采收率的方法［1］。隨著中老油田注采不平衡問(wèn)題的積累和非均質(zhì)復(fù)雜斷塊油層的開發(fā)，尤其是低滲透/超低滲透油層的開發(fā)，對(duì)分層注水的精度和穩(wěn)定性提出了更高要求。固定水嘴式堵塞器是目前應(yīng)用最廣的分層注水井下配水裝置，可在前期測(cè)井解釋的指導(dǎo)下，利用一系列不同節(jié)流口徑的水嘴實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分層配水。然而傳統(tǒng)固定水嘴的設(shè)計(jì)通過(guò)選配適當(dāng)節(jié)流孔直徑調(diào)節(jié)不同層間注水量，沒有考慮井下實(shí)際工況，理論模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化而對(duì)閥芯內(nèi)流場(chǎng)的分析不全面；注水水質(zhì)的不斷惡化造成堵塞器閥芯的壽命普遍較短，實(shí)際水驅(qū)過(guò)程發(fā)現(xiàn)當(dāng)單直固定節(jié)流口水嘴直徑小于4 mm時(shí)，水嘴發(fā)生堵塞的幾率有所增加，直徑為2 mm時(shí)最易發(fā)生堵塞。因此，在保證壓損特性的基礎(chǔ)上解決小口徑固定水嘴堵塞問(wèn)題是提高分層注水技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵［2］。

20世紀(jì)50年代Altshuller帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)總結(jié)出了人們?cè)诮鉀Q技術(shù)難題時(shí)所遵循的科學(xué)方法，并將其命名為TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）［3］。Altshuller認(rèn)為技術(shù)難題無(wú)論大小，其核心技術(shù)的發(fā)展過(guò)程具有客觀的發(fā)展規(guī)律或模式。各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動(dòng)這種技術(shù)進(jìn)化過(guò)程的動(dòng)力。上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，TRIZ理論逐漸被各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)及高校所關(guān)注，包括波音、西門子、福特等公司均將TRIZ理論應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程［4］。

基于TRIZ創(chuàng)新理論就制約水嘴壓損及防堵性能提升問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，并利用沖突矩陣獲得解決問(wèn)題的策略。在此基礎(chǔ)上，從限制嘴損提升的水嘴結(jié)構(gòu)入手設(shè)計(jì)合理的水嘴流道形式，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)新型水嘴性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為提升分層注水高壓損水嘴防堵性能提供一種可行的方案［3-5］。

1 基于TRIZ創(chuàng)新理論的問(wèn)題分析

Problem analysis based on TRIZ innovation theory

1.1 系統(tǒng)功能分析

Systematic function analysis

TRIZ理論被普遍認(rèn)為是一種為創(chuàng)新問(wèn)題提供解決方案的理論，在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上利用沖突矩陣分析方法為擬解決問(wèn)題提供有效的改進(jìn)策略。如圖1所示，油層支撐作用下配水器可實(shí)現(xiàn)對(duì)配注水的輸送，從而實(shí)現(xiàn)將配注水注入油層相應(yīng)位置，完成水驅(qū)采油。圖中水嘴起到節(jié)流作用，可以使注水主管路內(nèi)配注水根據(jù)不同地層壓力特點(diǎn)配注近似恒定流量的水。配水器在對(duì)水嘴起支撐作用的同時(shí)，其外形尺寸受配水器結(jié)構(gòu)的空間限制。此外，由于配注水總量較大，油田往往不能嚴(yán)格保證配注水的水質(zhì)，配注水中所攜帶的雜質(zhì)對(duì)水嘴的附著作用加速了水嘴的堵塞失效。

圖1 功能模型Fig. 1 Function model

1.2 確定改進(jìn)策略

Determination of improvement strategy

通過(guò)功能分析發(fā)現(xiàn)，水嘴對(duì)配注水節(jié)流的不足，源于配水器的空間限制以及配注水中雜質(zhì)的附著堵塞。由于配注水來(lái)源復(fù)雜、各油田凈化設(shè)備性能差異較大，從消除配注水中雜質(zhì)含量入手解決問(wèn)題的途徑并不具備普遍意義。因此，問(wèn)題的沖突在于水嘴的結(jié)構(gòu)尺寸與壓損，為保證防堵性能需要水嘴通流截面較大，而為了保證水嘴壓損特性需要水嘴的通流截面較小。解決此問(wèn)題的過(guò)程改善通用工程參數(shù)為能量損失，發(fā)生惡化的通用工程參數(shù)為靜止物體的體積。根據(jù)沖突矩陣表發(fā)現(xiàn)，應(yīng)采用改進(jìn)策略為：結(jié)構(gòu)嵌套法［6］。

1.3 基于嵌套原理的高壓損防堵水嘴結(jié)構(gòu)

Structure of high pressure loss anti-blocking water nozzle based on nesting principle

鑒于工程應(yīng)用中2 mm孔徑最易發(fā)生堵塞，而當(dāng)孔徑大于4 mm時(shí)幾乎不發(fā)生堵塞的實(shí)際情況，結(jié)合配水器結(jié)構(gòu)及實(shí)際工況，利用結(jié)構(gòu)嵌套法設(shè)計(jì)目標(biāo)為：水嘴通流部分尺寸為外徑12 mm、長(zhǎng)度45 mm，流量在0～10 m3/d范圍內(nèi)，水嘴通流截面當(dāng)量直徑不小于4 mm，壓損特性不低于同條件下?2 mm直孔節(jié)流效果。根據(jù)嵌套原理，需要在配水器水嘴安裝尺寸范圍內(nèi)充分利用空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)組合式、重復(fù)式、嵌套式節(jié)流結(jié)構(gòu)從而保證較高的壓損特性。

基于結(jié)構(gòu)嵌套法并結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)新型擾流對(duì)沖式水嘴如圖2所示。新型水嘴采用組合式結(jié)構(gòu)，由1個(gè)水嘴蓋、若干個(gè)水嘴單元體、1個(gè)水嘴尾托組成。

圖2 新型擾流對(duì)沖式水嘴Fig. 2 Novel bypass reverse water nozzle

如圖3所示，水嘴蓋及水嘴尾托分別起到對(duì)水嘴單元體的軸向兩端定位作用。水嘴蓋開有4 mm直徑的偏心流道口以及中心定位槽。水嘴尾托的長(zhǎng)度可根據(jù)配水器實(shí)際尺寸而定。水嘴單元體外徑與配水器內(nèi)徑相同，從而可相互配合形成封閉的流道，配注水可在此流道內(nèi)發(fā)生對(duì)沖、折轉(zhuǎn)、繞流等劇烈流態(tài)變化，最大限度提高過(guò)流能量消耗。水嘴單元體間可通過(guò)定位鍵/槽相互連接，多個(gè)單元體串聯(lián)應(yīng)用可顯著提高水嘴的壓損特性。

圖3 新型水嘴各組成單元結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of all compositional units in the novel water nozzle

2 新型水嘴數(shù)值分析

Numerical analysis on the novel water nozzle

2.1 數(shù)值計(jì)算

Numerical calculation method

對(duì)于分層注水過(guò)程中水嘴內(nèi)的全三維黏性不可壓縮定常流動(dòng)可用Navier-Stokes方程組描述，其連續(xù)性方程及動(dòng)量方程表示為［7-9］

式中，u表示流動(dòng)速度，m/s；p表示壓強(qiáng)，Pa；ρ表示流體密度，kg/m3；ν表示運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，N·s/m2；f表示體積力，文中僅指重力，N。采用混合網(wǎng)格方式進(jìn)行計(jì)算域離散，為保證收斂性對(duì)進(jìn)出口區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)拓展。近壁面區(qū)域布置5層邊界層網(wǎng)格，并采用連續(xù)過(guò)渡方式與內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行銜接。流動(dòng)區(qū)域內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格，使得網(wǎng)格整體具有較好的貼體性，保證網(wǎng)格質(zhì)量?；趯?duì)網(wǎng)格化分?jǐn)?shù)分別為 160×104、210×104、250×104等 3 種狀態(tài)下網(wǎng)格數(shù)值分析，進(jìn)出口壓損、特征界面速度等參數(shù)的偏差均小于5%，可以認(rèn)為已得網(wǎng)格無(wú)關(guān)解。如圖4所示為網(wǎng)格化分?jǐn)?shù)為210×104的狀態(tài)。圖4（a）為計(jì)算區(qū)域總體網(wǎng)格劃分情況，紅色區(qū)域內(nèi)部為水嘴內(nèi)部流道部分，其局部放大如圖4（b）所示，紅色區(qū)域兩側(cè)分別是入口及出口延伸段。

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格Fig. 4 Grid of the calculation region

計(jì)算過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬近壁面處流動(dòng)情況。全場(chǎng)近壁面y+介于30～75之間，由此可見所設(shè)置的近壁面網(wǎng)格尺度及壁面函數(shù)的選取是可行的。根據(jù)工況的不同給定入口流動(dòng)速度，同時(shí)給定一個(gè)比較高的總壓（不同工況中均給定入口總壓2.5 MPa），出口邊界條件則給定出流邊界條件。這樣的進(jìn)出口邊界條件設(shè)置方式有利于計(jì)算收斂，又方便根據(jù)計(jì)算所得的出口總壓情況獲得流過(guò)水嘴的總壓損失。采用SIMPLE算法迭代求解控制方程組。計(jì)算過(guò)程首先采用一階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行試算，計(jì)算穩(wěn)定后采用二階迎風(fēng)格式繼續(xù)求解直至獲得收斂的解。

2.2 計(jì)算結(jié)果

Analysis on calculation results

圖5為流量10 m3/d情況下水嘴內(nèi)的流線分布情況。圖中可見配注水在水嘴中連續(xù)發(fā)生流動(dòng)方向的折轉(zhuǎn)、繞流、對(duì)沖，隨著流動(dòng)狀態(tài)的劇烈改變，局部阻力損失顯著增加。

圖5 新型水嘴內(nèi)流線分布Fig. 5 Distribution of flow line inside the novel water nozzle

圖中流線顏色反映了流動(dòng)過(guò)程的總壓分布，紅色表示總壓值最高的區(qū)域，藍(lán)色表示總壓值最低的區(qū)域。圖中流線的顏色過(guò)渡則反映出了配注水在流動(dòng)過(guò)程中總壓的變化情況。此外，組合式水嘴結(jié)構(gòu)通過(guò)4個(gè)水嘴單元體的共同作用，充分利用了配水器軸向空間提高了水嘴的壓損特性。計(jì)算結(jié)果顯示流量為10 m3/d情況下每個(gè)水嘴單元體產(chǎn)生的總壓損失約0.324 7 MPa，而通過(guò)4個(gè)水嘴單元體及水嘴蓋、水嘴尾托組合而成的新型水嘴總壓損失可達(dá)1.3 MPa。

圖6為新型水嘴及傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴壓損特性隨流量的變化曲線，可以看出，水嘴的壓損隨流量的增加而顯著提高，同流量下新型水嘴的壓損高于傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴壓損，隨著流量的增加新型水嘴壓損提升的速率高于傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴。由此可見，新型水嘴在有限的配水器空間內(nèi)通過(guò)合理的流道設(shè)計(jì)使得過(guò)流截面面積不小于傳統(tǒng)?4.0 mm直孔的情況下提供了優(yōu)于傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性。

圖6 水嘴壓損特性曲線Fig. 6 Characteristics curve of nozzle pressure loss

3 結(jié)論

Conclusions

（1）在TRIZ創(chuàng)新理論的指導(dǎo)下，基于功能分析發(fā)現(xiàn)制約注水嘴穩(wěn)定運(yùn)行的沖突存在于水嘴結(jié)構(gòu)尺寸與壓損之間，利用沖突矩陣獲得解決問(wèn)題的改進(jìn)策略并基于此設(shè)計(jì)提出新型嵌套式對(duì)沖繞流水嘴。

（2）經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)值分析驗(yàn)證，研究的新型水嘴可在配水器有限的空間內(nèi)、過(guò)流截面面積不小于傳統(tǒng)?4.0 mm直孔的情況下提供優(yōu)于傳統(tǒng)?2.0 mm直孔水嘴的壓損特性，在保證配水準(zhǔn)確性的同時(shí)提高水嘴的免維護(hù)周期。

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（修改稿收到日期 2017-07-20）

〔編輯 李春燕〕

Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory

TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei
Chengde Petroleum College,Chengde067000,Hebei,China

It is aimed at exploring the water injection nozzle which is characterized by large flow area and high pressure loss in limited space, so as to ensure water allocation accuracy and good anti-blocking capacity in the process of water flooding recovery. The TRIZ innovation theory was applied to perform thorough analysis and optimal design on separate layer water injection nozzle which has the performance of high pressure loss anti-blocking. Based on function and collision matrix analysis, the water nozzle was structurally optimized by means of the structure nesting method, and a novel bypass reverse water nozzle with the nesting form was designed. And its pressure loss characteristic was analyzed by using numerical simulation. It is indicated that this novel water nozzle is superior to the traditional ?2.0 mm straight hole nozzle in term of pressure loss characteristic while its cross section area is remained larger (not smaller than the flow area of traditional ?4.0 mm straight hole). And thus, the anti-blocking capacity of the water nozzle is improved and its maintenance free cycle is extended while the accuracy of water allocation is guaranteed.

separate layer water injection; high-pressure water nozzle; TRIZ; numerical simulation

∶

田輝，鄒克武，王文成，劉春哲，李大偉.基于TRIZ創(chuàng)新理論的新型高壓損防堵水嘴［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：658-661.

TE357

A

1000 – 7393（ 2017 ） 05 – 658 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.022

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“離心泵空化演變機(jī)理分析及其對(duì)水動(dòng)力性能的影響研究”（編號(hào)：E2016411008）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“具有高壓損特性的防堵分層注水系列水嘴的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究”（編號(hào)：QN2016245）。

田輝（1982-），2014年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)從事流體機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作。通訊地址：（067000）河北省承德市大學(xué)園區(qū)。聯(lián)系電話：0314-2377120。E-mail：tianhuicfd@gmail.com

李大偉（1984-），2012年畢業(yè)于東華大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造信息化方面的研究工作。通訊地址：（067000）河北省承德市大學(xué)園區(qū)。聯(lián)系電話：0314-2377023。E-mail：cdpclidawei@163.com

: TIAN Hui, ZOU Kewu, WANG Wencheng, LIU Chunzhe, LI Dawei. Study on high pressure loss anti-blocking water nozzle based on TRIZ innovation theory［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 658-661.