基于PIV技術(shù)的分注工具流場特征研究

王鳳山，李建云，楊志剛，王　聰，朱錦慶

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶163154；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶163154)

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基于PIV技術(shù)的分注工具流場特征研究

王鳳山1，李建云1，楊志剛1，王聰2，朱錦慶3

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶163154；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶163154)

摘要：采用粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)研究聚合物流經(jīng)分注工具的流場特征，對(duì)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量為1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量為20、30、50 m3/d的聚合物溶液在分注工具內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，并將計(jì)算得出的流量值與真實(shí)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明：隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增加，聚合物溶液在分注工具內(nèi)產(chǎn)生的渦流區(qū)域面積減小，但渦流中心位置未有明顯變化；隨著流量的增加，聚合物溶液流經(jīng)分注工具產(chǎn)生的渦流中心位置逐漸上移，溶液流動(dòng)狀態(tài)更不穩(wěn)定；利用PIV技術(shù)計(jì)算出的瞬時(shí)流量值在20～50 m3/d時(shí)與真實(shí)值基本吻合，最大誤差為4.73%。該結(jié)果為進(jìn)一步利用PIV技術(shù)對(duì)化學(xué)驅(qū)的分注工具的流場分布研究提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：粒子成像測(cè)速；聚合物；分注工具；渦流區(qū)域

大慶油田實(shí)踐表明：聚合物驅(qū)與水驅(qū)相比可多提高原油采收率10 %以上，聚合物采出井年產(chǎn)油量高達(dá)1 000×104t以上[1-2]。隨著聚合物驅(qū)開發(fā)的不斷深入，滲透率低、層間矛盾大的二類、三類油層已成為主要開發(fā)對(duì)象。為了進(jìn)一步提高聚合物驅(qū)采出程度、提高低滲透層使用率、控制高滲透層突進(jìn)，注聚方式由籠統(tǒng)注入改為分層注入，為此研發(fā)了分層注入工藝[3-7]。目前分層工藝的單層壓力調(diào)節(jié)采用流線型降壓槽的分注工具控制高滲透油層的注入壓力。為了更直接地研究聚合物溶液流經(jīng)分注工具的流場變化，筆者采用PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像測(cè)速技術(shù)對(duì)聚合物溶液流經(jīng)分注工具的流場進(jìn)行測(cè)量，通過后處理軟件分析了不同相對(duì)分子質(zhì)量、不同流量下聚合物溶液在分注工具的速度云圖變化，分析結(jié)果對(duì)聚合物溶液在分注工具內(nèi)的渦流區(qū)域變化有了進(jìn)一步的揭示，對(duì)分注工具流場的仿真計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

1分注工具組成及工作原理

分注工具由堵塞器(堵塞器由打撈桿、凸輪、連接體組成)和流線型降壓槽2部分組成，通過投撈分注工具，更換流線型降壓槽的槽數(shù)，產(chǎn)生不同的節(jié)流壓差，調(diào)節(jié)層段的注入壓力，控制油層的聚合物溶液吸入量，達(dá)到緩解層間矛盾、提高油層動(dòng)用程度的目的。流線型降壓槽槽數(shù)越多，節(jié)流壓差越大；槽數(shù)越少，節(jié)流壓差越小。

圖1　分注工具結(jié)構(gòu)示意

2試驗(yàn)裝置及PIV試驗(yàn)方案

由于PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像測(cè)速技術(shù)是利用PIV軟件系統(tǒng)和高速攝像機(jī)相結(jié)合的一種技術(shù)，具有全流場測(cè)試、直觀、不干擾流場等優(yōu)點(diǎn)，并可以利用Tecplot后處理軟件對(duì)速度向量的大小及分布情況做進(jìn)一步分析。該技術(shù)已成為目前進(jìn)行各種流場流動(dòng)規(guī)律研究的重要工具。

2.1試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置主要包括流量計(jì)、壓力計(jì)、激光發(fā)射器、攝像頭、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、螺桿泵、儲(chǔ)液罐和各種連接設(shè)備等。試驗(yàn)裝置流程如圖2所示。

1—儲(chǔ)液罐；2—螺桿泵；3—閥門；4—壓力計(jì)；5—分注工具；6—數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；7—攝像頭；8—激光發(fā)射器；9—流量計(jì)；10—回液罐。

2.2試驗(yàn)材料

聚合物：相對(duì)分子質(zhì)量分別為1 600×104、1 900×104和2 500×104聚合物。

分注工具：流線型降壓槽，槽數(shù)為18。

試驗(yàn)用水：大慶油田某三元示范區(qū)配注站注入污水，其離子組成如表1。

表1　試驗(yàn)用污水離子組成　mg/L

2.3試驗(yàn)方案

為對(duì)比不同聚合物溶液在分注工具內(nèi)的流場，分別進(jìn)行聚合物相對(duì)分子質(zhì)量1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量為20、30、50 m3/d的聚合物溶液流經(jīng)分注工具，并利用Tecplot后處理軟件得到速度云圖，對(duì)比不同條件下的速度云圖，分析不同相對(duì)分子質(zhì)量和速度聚合物溶液對(duì)流場的影響。

2.4試驗(yàn)步驟

1)提前調(diào)配聚合物溶液，并加入到儲(chǔ)液罐中。

2)開通各個(gè)閥門后開泵，穩(wěn)定后觀察流量計(jì)讀數(shù)，使其滿足試驗(yàn)所需流量值。

3)氣體被排干凈以后，向儲(chǔ)液罐中加入示蹤粒子，比例大約為每1 L溶液100 mg示蹤粒子。

4)打開激光主機(jī)，高速攝像機(jī)以及控制整個(gè)PIV系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，調(diào)整到合適的試驗(yàn)參數(shù)。

5)采集數(shù)據(jù)，重復(fù)2～4步驟，直到每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采集完成，采集完一組后，保存好圖像及向量文件；試驗(yàn)結(jié)束，在Tecplot中查看相應(yīng)結(jié)果。

3數(shù)據(jù)處理方法

由于紊流中的各物理量均是隨機(jī)函數(shù)，因此應(yīng)考慮用處理隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。統(tǒng)計(jì)平均法是處理紊流運(yùn)動(dòng)的一個(gè)基本方法，常用的2種方法是時(shí)間平均法和系綜平均法。系綜平均法雖然具有對(duì)恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng)均適用的優(yōu)越性，但實(shí)際應(yīng)用中由于一個(gè)變量的概率密度函數(shù)常常是事先不知道，需通過重復(fù)大量的試驗(yàn)資料來求統(tǒng)計(jì)的平均值，對(duì)試驗(yàn)次數(shù)有一定要求；而時(shí)間平均法是從一次試驗(yàn)在一個(gè)時(shí)段內(nèi)測(cè)的的數(shù)據(jù)中求平均值，對(duì)于試驗(yàn)次數(shù)要求少，為了節(jié)約時(shí)間和材料，處理試驗(yàn)中的的速度、流量等物理量時(shí)，均采用時(shí)間平均法。

通過高速攝像機(jī)對(duì)不同流場進(jìn)行連續(xù)拍攝，流場圖像經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算，得到向量文件和速度矢量圖，再通過Tecplot后處理軟件將每個(gè)向量文件處理成速度云圖。在拍攝流場圖像的同時(shí)，結(jié)合測(cè)量儀器記錄下被測(cè)液體每一秒鐘的瞬時(shí)流量，然后求平均值，得到PIV技術(shù)計(jì)算的流量值。

4PIV測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果分析

利用PIV技術(shù)和Tecplot軟件進(jìn)行處理后，得到聚合物溶液在分注工具流動(dòng)過程的速度云圖和矢量圖，對(duì)比不同相對(duì)分子質(zhì)量、流量下速度云圖變化，計(jì)算了PIV技術(shù)計(jì)算的流量值，并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

聚合物溶液(相對(duì)分子質(zhì)量1 600×104，質(zhì)量濃度 2 000 mg/L)流經(jīng)分注工具的速度矢量如圖3所示，箭頭的長短代表速度的大小。從圖3中可以看出，分注工具凹槽處出現(xiàn)順時(shí)針渦流區(qū)域，渦流中心速度最小，且渦流區(qū)域整體速度較進(jìn)口速度明顯變小，凹槽上層溶液速度方向穩(wěn)定，速度大小變化不明顯。

圖3　流量20 m3/d時(shí)聚合物溶液流經(jīng)分注工具的速度矢量圖

圖4為流量20 m3/d時(shí)，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量分別為1 600×104、1 900×104、2 500×104，質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的聚合物溶液流經(jīng)分注工具的速度云圖(左側(cè)為進(jìn)液口，右側(cè)為出液口)。云圖上不同區(qū)域里顏色的深淺代表不同的速度大小，在同一幅圖中，上方長方形區(qū)深灰色表示最大速度，三角區(qū)的深色表示速度為0。從圖4中可以更清晰觀察到渦流區(qū)域速度值變化程度，渦流中心區(qū)域?yàn)樯钌珔^(qū)域，代表速度較小甚至為0；代表速度較大的長方形內(nèi)深灰色區(qū)域主要出現(xiàn)在環(huán)空孔隙最小處，上層溶液雖速度方向保持一致，但速度大小還是有變化，進(jìn)液口處速度較大值的深灰-灰白-深灰區(qū)域呈現(xiàn)長條帶狀。

a　相對(duì)分子質(zhì)量1 600×104，質(zhì)量濃度2 000 mg/L

b　相對(duì)分子質(zhì)量1 900×104，質(zhì)量濃度2 000 mg/L

c　相對(duì)分子質(zhì)量2 500×104，質(zhì)量濃度2 000 mg/L

從圖4可以看出，代表速度較大的長條帶狀區(qū)域面積沒有隨著相對(duì)分子質(zhì)量的變化而有明顯的波動(dòng)，而代表速度較慢的三角區(qū)域深色面積隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大而減小或顏色變淡，分析認(rèn)為，由于相對(duì)分子質(zhì)量的增加，聚合物分子鏈尺寸增大，聚合物分子鏈微觀空間結(jié)構(gòu)更加緊密穩(wěn)定，造成聚合物分子鏈不易卷曲，溶液流動(dòng)狀態(tài)不易改變；流體粘性增強(qiáng)，流動(dòng)狀態(tài)的改變所需能量更大，形成渦流更為困難，因此相對(duì)分子質(zhì)量的增加減少了渦流區(qū)域面積，但對(duì)于渦流中心位置的影響不明顯。

圖5為聚合物溶液相對(duì)分子質(zhì)量2 500×104和質(zhì)量濃度2 000 mg/L時(shí)，聚合物溶液在不同流量下，流經(jīng)分注工具的速度云圖。從圖5中可以看出，隨著流量的增加，代表速度較大的長條帶狀深灰區(qū)域面積明顯增大，進(jìn)液口深灰?guī)钭冮L，流量大小對(duì)于渦流區(qū)域面積的變化不明顯，但對(duì)于渦流中心位置影響明顯，隨著流量的增大，凹槽部位的渦流中心位置越來越向上偏移，在圖5中表現(xiàn)形式是三角區(qū)內(nèi)深色區(qū)域越來越上移，即渦流中心位置開始上移，造成長條深灰色區(qū)域與三角深色區(qū)域之間距離縮短，相應(yīng)的聚合物溶液在分注工具流動(dòng)的速度梯度也相應(yīng)增大，溶液整體流動(dòng)的大小、方向變化幅度更大，更易破壞聚合物分子鏈空間結(jié)構(gòu)，降低聚合物溶液黏度，影響驅(qū)油效果。

a　流量30 m3/d時(shí)

b　流量50 m3/d時(shí)

室內(nèi)試驗(yàn)真實(shí)注入流量與利用PIV技術(shù)計(jì)算得到瞬時(shí)流量值對(duì)比如表2所示。從表2中可以看出，在流量20～50 m3/d時(shí)，利用PIV技術(shù)得到瞬時(shí)流量值與真實(shí)注入流量基本相同，誤差最大僅為4.73%，滿足理論計(jì)算要求。

表2　不同組分聚合物動(dòng)態(tài)流場理論流量與真實(shí)流量對(duì)比

5結(jié)論

1)利用PIV技術(shù)成功模擬聚合物溶液流經(jīng)分注工具的速度矢量圖，并利用后處理軟件得到速度云圖。隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增大，渦流區(qū)域面積變大明顯；隨著流量的增大，渦流中心位置上移。

2)利用PIV技術(shù)得到瞬時(shí)流量值，與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，表明在流量20～50 m3/d時(shí)理論計(jì)算值與真實(shí)值基本吻合。

3)根據(jù)PIV技術(shù)得到的速度云圖顯示，與相對(duì)分子質(zhì)量相比，流量的增大更易影響聚合物溶液黏度，若在大流量情況下，為保證聚合物溶液黏度，則需優(yōu)化現(xiàn)有分注工具結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少渦流中心位置上移。

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Based on the Technology of PIV Flow Field Characteristics of the Research in Layered Injection Tools and Experiment Comparison

WANG Fengshan1，LI Jianyun1，YANG Zhigang1，WANG Cong2，ZHU Jinqing3

(1 .OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163453，China；2.No.9OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China；3.No.6OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China)

Abstract：The application of particle imaging velocimetry technology research flow field characteristics of polymer flows through layered injection tools.The flow of the polymer solution was analyzed in layered injection tools，when polymer relative molecular weight is 1 600×104，1 900×104，and 1 900×104，the flow rate is 20，30 and 50 m3/d，and calculation flow rate results and actual values are compared.The results show that：1) With the increase of polymer molecular weight，the eddy area produced by polymer solution in the layered injection tools is reduced，but the eddy center position did not change obviously；2) with the increase of flow rate，the eddy center position produced by polymer solution in the layered injection tools gradually move up，solution flow state is less stable；3) Using PIV technology to calculate the instantaneous flow values under flow 20 to 50 m3/d and roughly tallying with the actual value，maximum error is 4.73%.The results for the further using PIV technology of the research of chemical flooding in the flow field distribution in layered injection tools provides technical support.

Keywords：particle image velocimetry；polymer；layered injection tool；eddy area

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0016-04

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：中國天然氣股份公司重大專項(xiàng)“二類油層聚合物驅(qū)進(jìn)一步提高采收率配套技術(shù)”(2008E-1207-1)

作者簡介：王鳳山(1962-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)主要從事采油工程方面的研究。

中圖分類號(hào)：TE934.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.004