聚合物在低剪切閥內(nèi)的流態(tài)判別與數(shù)值模擬

【摘 要】通過流變性試驗，認(rèn)為聚合物溶液符合非牛頓流體冪率模式，建立非牛頓流體在環(huán)形空間內(nèi)的流態(tài)判別模型。運用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出聚合物溶液在低剪切流量控制閥內(nèi)的流動規(guī)律，并得到不同配注量下產(chǎn)生的節(jié)流壓差，結(jié)果表明低剪切閥具有較好的節(jié)流作用，產(chǎn)生的節(jié)流壓差能夠滿足擴(kuò)張式封隔器的坐封條件。試驗數(shù)據(jù)表明，流量在33～62m3/d間的節(jié)流壓差達(dá)到5.98MPa，粘度保留率達(dá)到90%以上。

【關(guān)鍵詞】低剪切流量控制閥；聚合物；流態(tài)判別；節(jié)流壓差；粘度保留率

在雙管注聚過程中，為減少聚合物的粘度損失研制出低剪切流量控制閥。聚合物在閥內(nèi)流動時，分子鏈?zhǔn)冀K處于拉長、收縮的變形中，消耗在這個過程中的能量形成節(jié)流壓差。聚合物分子鏈變形的同時又不斷恢復(fù)，能夠降低粘度損失。聚合物溶液每流過低剪切流量控制閥內(nèi)的一個降壓槽，過流面積從小到大變化一次，流速從高到低變化一次，流態(tài)及流場分布也相應(yīng)產(chǎn)生一次變化，為研究這個變化規(guī)律，對低剪切流量控制閥進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.流體性質(zhì)

聚合物溶液為高分子溶液，屬于粘彈性的非牛頓流體。對注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實驗。分別測得不同剪切速率對應(yīng)的剪切應(yīng)力值（γ1，τ1）， （γ2，τ2），…， （γn，τn）。通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，認(rèn)為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式，本構(gòu)方程為[1]：

τ=Kγn （1）

式中τ為剪切應(yīng)力；γ為剪切速率；K為稠度系數(shù)；n為流性指數(shù)。

采用的聚合物溶液的流變參數(shù)：K=0.1378Pa·Sn，n=0.5603，密度為1000kg/m3。

2.流態(tài)判別模型的建立

流體在同心環(huán)形空間內(nèi)任意位置x處的粘度為[2]：

式中v為流速；D1和D2分別為環(huán)空的內(nèi)徑和外徑。

剪切速率為：

剪切速率沿環(huán)空半徑方向變化曲線所包含的面積為：

平均剪切速率：

平均剪切應(yīng)力：

式中ρ為流體的密度。式（8）化簡得：

對于同心環(huán)形空間，穩(wěn)定性參數(shù)Y和X是判別非牛頓流體流動狀態(tài)較為理想的方法，采用參數(shù)Y和X得出環(huán)形空間的臨界雷諾數(shù)的計算式分別為[3]：

經(jīng)計算，ReY=2823>ReX1964。達(dá)到臨界雷諾數(shù)2823時的速度為3.12，對應(yīng)的聚合物的注入量為38.71m3/d。

3.流動區(qū)域的數(shù)值模擬

3.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)低剪切流量控制閥內(nèi)部的正紡錘連線型環(huán)形流道，建立二維幾何模型，采用正交化非均勻網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)為116534。

3.2邊界條件和計算條件

速度入口邊界，速度分別取3.22、4.02、4.83m/s（對應(yīng)的注入量分別為40、50、60m3/d）。此時計算出的雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)2823，流動均為湍流狀態(tài)。壓力邊界出口，表壓為0。固壁采用無滑移邊界條件，壁面上。

選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，動量方程、湍動能方程和耗散率方程均選用一階迎風(fēng)格式，壓力速度場的耦合求解選取SIMPLEC方法。

3.3 計算結(jié)果

入口流量為40m3/d時的計算結(jié)果見圖1所示。

圖1 流動壓耗

從上圖中可以看出，聚合物流經(jīng)每個降壓槽時，速度矢量變化較小，說明正紡錘型降壓槽對聚合物粘度剪切率較小。

入口流量為50、60 m3/d時的流動壓耗如圖2、圖3所示。

圖2 入口流量50 m3/d的流動壓耗

圖3 入口流量60 m3/d的流動壓耗

從流動壓耗的計算結(jié)果可以看出，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，對聚合物有較大的限流阻力。產(chǎn)生的節(jié)流壓差，能夠滿足擴(kuò)張封隔器的坐封要求。節(jié)流壓差隨著配注量的增加而增大，可實現(xiàn)不同配注量的要求。

4.中間試驗

在孤島GD1-12X3312井開展了低剪切流量控制閥的應(yīng)用試驗，結(jié)果見表1。

勝利油田目前應(yīng)用的聚合物流量控制閥的調(diào)節(jié)壓差通常在1MPa內(nèi)，超出1MPa后粘度保留率迅速下降，流量60m3/d時的粘度損失率超過了38%。試驗數(shù)據(jù)表明，流量在33～62m3/d間的最大粘度損失率為6.83%，粘度保留率達(dá)到90%以上，節(jié)流壓差達(dá)到5.98MPa，低剪切流量控制閥能夠有效減少聚合物溶液的粘度損失。經(jīng)比對，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬得出的節(jié)流壓差數(shù)值接近，誤差在10%之內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.結(jié)論

（1）對注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，認(rèn)為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式。

（2）通過建立的流態(tài)判別模型，確定了注聚溶液在低剪切流量控制閥內(nèi)流動的臨界流量，便于數(shù)值計算時湍流模型的選取。

（3）中間試驗與數(shù)值模擬的結(jié)果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，能夠有效減少聚合物溶液的粘度損失。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉崇建.劉孝良.柳世杰.非牛頓流體流態(tài)判別方法的研究. 天然氣工業(yè)，2001；21（4）：50

[3] 劉乃震.王廷瑞.劉孝良.劉崇建. 非牛頓流體的穩(wěn)定性及其流態(tài)判別. 天然氣工業(yè)，2003；23（1）：55～56

作者簡介：

趙丹星：助理工程師，2008年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)就職于勝利油田采油工藝研究院。