三元復(fù)合驅(qū)小尺寸壓力調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葛宇洋，陳桂玲，田明磊，董　斌，王春生

三元復(fù)合驅(qū)小尺寸壓力調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葛宇洋，陳桂玲，田明磊，董斌，王春生

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

在同樣的配注量和其他工況條件下，不同的壓力調(diào)節(jié)器中流體的過流特性有所差異，包括三元液黏度損失率、壓降等參數(shù)。但較高的壓降與較低的黏度損失率不能同時存在，兩者之間存在矛盾。通過對壓力調(diào)節(jié)器模型進行CFD解析，得到了ASP流體流經(jīng)不同尺寸的壓力調(diào)節(jié)器模型的速度分布、壓力分布、表觀黏度分布等。通過分析，優(yōu)選出槽距為7 mm，坡角為20°，半徑差為1 mm，槽深1．82 mm的壓力調(diào)節(jié)器。ASP流體流經(jīng)該尺寸壓力調(diào)節(jié)器，黏損率較小且壓力調(diào)節(jié)器兩端壓降滿足現(xiàn)場工作條件，較適合工作現(xiàn)場應(yīng)用。

三元復(fù)合驅(qū)；壓力調(diào)節(jié)器；優(yōu)化設(shè)計

三元復(fù)合驅(qū)（以下簡稱ASP）技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于各油田。在三元液配注的過程中，由于存在較高的壓力和復(fù)雜的流場，會引起三元液的剪切，導(dǎo)致三元液黏度的急劇降低，影響了三元復(fù)合驅(qū)油的效果。通過安裝分層配注壓力調(diào)節(jié)器，可以有效的控制壓力，降低三元液的剪切程度。但過高的壓力會加劇三元液的剪切稀化，過低的壓力又不能滿足工作條件。因此，優(yōu)化分層配注壓力調(diào)節(jié)器的性能就成為決定三元復(fù)合驅(qū)油較為重要的因素［1-2］。

1　ASP流體在壓力調(diào)節(jié)器中流動的數(shù)學(xué)模型建立

1.1 建立壓力調(diào)節(jié)元件模型

圖1為壓力調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的節(jié)流元件是要進行計算優(yōu)化的部分（包括槽深、內(nèi)外徑差、槽距及角度）。圖2為梭形內(nèi)管環(huán)空流場剖面圖。應(yīng)用Solidworks軟件進行三維模型的建立，不同規(guī)格的壓力調(diào)節(jié)器的4個可變參數(shù)中槽距L取值為5、7、9 mm；坡腳α取值為10、20、30°；半徑差R1－R2取值為0．7、1．0、1．3 mm；槽深H取值為1．8、2．0、2．2 mm。將建立好的模型導(dǎo)入Gambit進行網(wǎng)格劃分。

圖1　壓力調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意

圖2　梭形內(nèi)管環(huán)空流場剖面圖

1．2 參數(shù)設(shè)定

ASP流體流經(jīng)小尺寸壓力調(diào)節(jié)器梭形內(nèi)管的環(huán)空流場十分復(fù)雜，若按真實情況建立數(shù)學(xué)模型，模型過于復(fù)雜，超出數(shù)學(xué)和計算機所能處理的范圍，故需將模型進行相應(yīng)的簡化。只考慮影響ASP流體流動的主要因素，在誤差允許的范圍內(nèi)，忽略次要因素［3-10］。建模時做7個假設(shè)：

1） 小尺寸壓力調(diào)節(jié)器與內(nèi)管緊密貼合，無泄露。

2） 在系統(tǒng)內(nèi)部流體無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，且ASP流體黏度不受溫度的影響。

3） ASP流體流動為單相流。

4） ASP流體在小尺寸壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)的流動為定常流動，即流體流速不隨時間而變化。

5） ASP流體是不可壓縮的。

6） ASP流體的重力不影響流動，因為流體重力位能對壓力調(diào)節(jié)器性能的影響非常小。

7） 流場內(nèi)流體與壁面不存在化學(xué)反應(yīng)。

模擬的參數(shù)為內(nèi)管槽數(shù)N＝3，ASP流體的密度為998．2 kg／m3，流性指數(shù)n＝0．130，黏度系數(shù)k＝0．910 Pa·s0．13，流量Q＝20 m3／d。

2　數(shù)值模擬與分析

2．1 流動規(guī)律分析

圖3為壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)流體的速度矢量圖、速度云圖、壓力云圖和表觀黏度圖。從速度矢量圖和速度云圖中可以看出：

1） 流體在最小流道處速度達到最大值，產(chǎn)生強烈射流。

2） 在過流斷面擴大區(qū)域速度逐漸減小，由于流道形狀呈周期性變化，所以速度的分布也近似呈周期性變化，并且變化幅度基本相等。

從壓力云圖中可以看出：

1） 壓力也是隨著流道的過流斷面的周期性變化而呈周期性變化。

2） 每個周期上最小流道處壓力驟然縮小，隨著流道擴大壓力逐漸增大。

3） 在一個周期內(nèi)速度逐漸達到最高點的過程正是壓力達到最低點的過程，由于流道的縮小，流速逐漸增大，導(dǎo)致壓力損失增加。

從表觀黏度云圖中可以看出，表觀黏度在每個周期上有峰值，峰值靠近過流斷面最大處，由于此時的速度梯度比較小，所以表觀黏度達到峰值。

圖3　壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)部流場云圖

2．2 表觀黏度計算

通過各模型的表觀黏度圖，可以用Fluent分別計算出出入口的平均表觀黏度值，再代入黏損率公式即可算出不同規(guī)格壓力調(diào)節(jié)器的黏損率。

式中：A為入口表觀黏度；B為出口表觀黏度。

圖4為坡角α為10、20、30°時，表觀黏度云圖對比，從圖4中可以看出隨著α的增大，在過流斷面最小處表觀黏度第1峰值區(qū)域逐漸減小，在過流斷面擴大處表觀黏度第2峰值區(qū)域逐漸增大，槽底部的表觀黏度逐漸增大。

圖4　坡腳不同時的表觀黏度云圖

圖5為槽距L為5、7、9 mm時，表觀黏度云圖對比，從圖5中可以看出隨著槽距L的增大，在過流斷面最小處表觀黏度第1峰值區(qū)域逐漸減小，在過流斷面擴大處表觀黏度第2峰值區(qū)域也逐漸減小，槽底部的表觀黏度逐漸增大。

圖5　槽距不同時的表觀黏度云圖

圖6為環(huán)形半徑差R1－R2為0．7、1．0、1．3 mm時，表觀黏度云圖對比，從圖6中可以看出隨著環(huán)形半徑差R1－R2的增大，在過流斷面最小處表觀黏度第1峰值區(qū)域逐漸增大，在過流斷面擴大處表觀黏度第2峰值區(qū)域也逐漸增大，槽底部的表觀黏度逐漸增大。

圖6　半徑差不同時的表觀黏度圖

圖7是槽深H為1．820、2．002、2．184 mm，表觀黏度云圖對比，從圖7中可以看出隨槽深H的增大，在過流斷面最小處表觀黏度第1峰值區(qū)域逐漸增大，在過流斷面擴大處表觀黏度第2峰值區(qū)域也逐漸增大，槽底部的表觀黏度逐漸增大。

圖7　槽距不同時的表觀黏度云圖

2．3 結(jié)果分析

已知現(xiàn)場工作條件，需要保證壓力調(diào)節(jié)器兩端壓力不低于0．2 MPa，從模擬結(jié)果中挑選出滿足要求的型號，對比其壓降及黏損率。滿足條件的型號如表1所示，由表1可以觀察出模型尺寸（槽距-坡角-環(huán)形半徑差-槽深）為7-20°-1．0-1．82時壓降Δp最大，黏損率ζ最小，即ASP流體流經(jīng)該型號壓力調(diào)節(jié)器，可滿足其高壓降低黏損的工作參數(shù)要求。

表1　井筒-地層材料的基本參數(shù)

3　結(jié)論

1） 對于不同坡角的壓力調(diào)節(jié)器，隨著坡角開度的增大，黏度損耗先減小，再增大，在坡角20°附近較??；對于不同槽距的壓力調(diào)節(jié)器，隨著槽距的增大，黏度損耗先減小后增大，在槽距7 mm附近最小；對于不同半徑差的壓力調(diào)節(jié)器，隨半徑差增大，黏度損耗先減小，后增大，在半徑差1 mm附近最小；對于不同槽深的壓力調(diào)節(jié)器，隨槽深增大，黏度損耗逐漸增大。

2） 通過分析，優(yōu)選出槽距為7 mm，坡角為20°，半徑差為1 mm，槽深1．820 mm的壓力調(diào)節(jié)器。ASP流體流經(jīng)該尺寸壓力調(diào)節(jié)器，黏損率較小且壓力調(diào)節(jié)器兩端壓降滿足現(xiàn)場工作條件，較適合工作現(xiàn)場應(yīng)用。

［1］ 楊子強，王研，梁福民．聚合物驅(qū)2-3層分注技術(shù)［J］．大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001（3）：28-29．

［2］ 高殿榮，王益群．不規(guī)則流場的數(shù)值模擬和可視化研究［J］．機械工程學(xué)報，2002，38（4）：66-70．

［3］ 孟令尊．梭形桿環(huán)空流場數(shù)值計算及應(yīng)用［D］．大慶：大慶石油學(xué)院，2007．

［4］ 張慢來，馮進，龍東平，等．多級渦輪內(nèi)流場的CFD模擬［J］．石油礦場機械，2005，34（3）：17-19．

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［6］ 李建云．聚合物驅(qū)多層分質(zhì)分壓注入技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）：124-126．

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［8］ 王福軍．計算流體動力學(xué)分析第二版［M］．北京：清華大學(xué)出版社．2005：1-2，119-125．

［9］ 陳作斌，馬明生，賀國宏．計算流體力學(xué)及應(yīng)用［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2003（1）：1-14，109-117，180-191．

［10］ 劉曉紅．冪律流體在環(huán)空流道特性的研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2007．

Structure Optimization of ASP Flooding Small Size Pressure Regulator

GE Yuyang，CHEN Guiling，TIAN Minglei，DONG Bin，WANG Chunsheng
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum Uniuersity，Daqing 163318，China）

In the same conditions with fluence，and other conditions，reflected by the fluid pressure controller，over-current characteristics differ，including the parameters of the polymer viscosity loss rate，the pressure drop．High pressure drop and the low viscosity of the loss rate can not exist together．In this paper，the CFD analysis on the pressure controller models，the ASP flooding flows different pressure controller model velocity distribution，pressure distribution，the viscosity distribution were obtained，through the analysis in this paper，the optimization is the slot pitch of 7mm，the slope angle of 20°，the radius difference of 1mm，the groove depth of 1．820 mm pressure regulator．The ASP flooding flows through this size of pressure regulator，the rate of viscosity loss is small and the voltage drop across the pressure regulator meet on-site working conditions，more suitable for the job site applications．

ASP flooding；pressure regulator；optimizing design

TE934．103

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．018

1001-3482（2015）02-0080-04

2014-08-04

葛宇洋（1989-），男，上海人，碩士研究生，現(xiàn)從事復(fù)雜流體流動與數(shù)值模擬方面的研究，E-mail：gyyzyzyzy＠163．com。