基于數(shù)值模擬的內(nèi)含式和壁面式分壓工具流動特性對比研究

劉崇江（大慶油田采油工程研究院）

在油田驅(qū)替開采的過程中，聚合物驅(qū)等化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的主要應(yīng)用對象大多存在油層非勻質(zhì)性強(qiáng)、層數(shù)多、層間差異大等問題。采用分層注入工藝可緩解層間矛盾，改善注入剖面，提高整體開發(fā)效果[1-6]。解決以上問題的關(guān)鍵在于對分壓工具中的節(jié)流裝置進(jìn)行研究[7]，通過研究節(jié)流裝置能夠改善和提高油田開采和驅(qū)油效果，降低聚合物用量，提升經(jīng)濟(jì)效益，減少驅(qū)替液的損失，可最大程度縮減驅(qū)替液的浪費(fèi)。目前大多數(shù)的研究主要針對內(nèi)含式節(jié)流裝置的分壓工具，并未對壁面式節(jié)流裝置進(jìn)行相關(guān)研究，無法確定兩類節(jié)流裝置的優(yōu)劣性，也沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的對比分析，因此會直接影響驅(qū)替液的使用效率。

本文建立了內(nèi)含式和壁面式的分壓工具模型，運(yùn)用ICEM 和Fluent 軟件進(jìn)行分壓工具的網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬，分析了溶液流經(jīng)兩類節(jié)流裝置的壓力、黏度、速度變化和作用原理，根據(jù)生產(chǎn)需求選擇更適合用于分壓工具中的節(jié)流裝置，最大程度減小驅(qū)替液的浪費(fèi)。

1 模型的建立及邊界條件設(shè)置方法

1.1 幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分

本文選擇截面為梯形的壁面式和內(nèi)含式的分壓工具，為使溶液在分壓工具中均勻流動，兩種分壓工具均設(shè)計為軸對稱圖形；并且為使溶液在入口段和出口段均處于充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在兩類節(jié)流裝置的前后加上60 mm 長的流道。圖1、圖2 分別為內(nèi)含式分壓工具模型、壁面式分壓工具模型。為了研究溶液流經(jīng)兩種分壓工具的流動空間和節(jié)流效果，對其造成影響的主要參數(shù)為梯形截面的高、長、斜邊角，以及分壓工具的外徑。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 內(nèi)含式分壓工具模型

利用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置最大的網(wǎng)格尺寸為0.000 5。由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠更好地模擬復(fù)雜模型，并且能夠節(jié)省網(wǎng)格的生成時間；因此，對兩種工具采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對流道附近和流體流動復(fù)雜區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，對壁面邊界添加邊界層來模擬更加真實(shí)的流動過程。

圖2 壁面式分壓工具模型

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 邊界條件計算參數(shù)

邊界條件有入口邊界、出口邊界和固體壁面邊界條件。其中：入口邊界為流體從入口進(jìn)入分壓工具的環(huán)空流道，其軸向速度為1.5 m/s，湍流強(qiáng)度為5%，內(nèi)含式和壁面式的水力直徑分別為2 mm和12 mm；出口邊界設(shè)置為壓力出口，數(shù)值為0 MPa，湍流強(qiáng)度和水力直徑與入口邊界相同；固體壁面邊界采用無劃移邊界條件，壁面附近采用非平衡壁面函數(shù)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在相同注入速度的條件下，注入相同溶液，采用相同的數(shù)值離散方法和計算方法，對兩類分壓工具進(jìn)行模擬計算，并從實(shí)際生產(chǎn)要求的角度分析，在兩類分壓工具優(yōu)選出一類。

2.1 兩種分壓裝置的壓降結(jié)果

兩種分壓工具的壓力云如圖3、圖4所示。

圖3 內(nèi)含式分壓工具壓力云

圖4 壁面式分壓工具壓力云

從壓力云圖可以看出，聚合物溶液在兩種分壓工具流道截面最小處時，溶液壓力出現(xiàn)驟降；而在流道截面最大處時，溶液壓力下降幅度較為平緩。這是因?yàn)榫酆衔锶芤毫鬟^兩種分壓工具時，其流經(jīng)節(jié)流段時變?yōu)榻孛媪鲃?，流道處于先收縮后擴(kuò)張的狀態(tài)，并呈周期性變化。此時聚合物分子鏈?zhǔn)冀K處于拉長、收縮的變形過程中，使一部分能量消耗在聚合物分子鏈的變形與恢復(fù)上，從而產(chǎn)生局部能量損失，形成節(jié)流壓差。由于聚合物溶液流經(jīng)內(nèi)含式分壓工具時比流經(jīng)壁面式分壓工具時截面變化程度更大，導(dǎo)致聚合物分子鏈拉長、收縮的程度較大，而所得到的壓力損失也較大，所以內(nèi)含式分壓工具的降壓效果更為明顯。

2.2 兩種分壓裝置的黏度結(jié)果

兩種分壓工具的黏度云如圖5、圖6所示。

從黏度云圖可以看出，當(dāng)聚合物溶液流過截面最小處時，由于聚合物溶液流過截面積減小，速度急劇變化，導(dǎo)致聚合物分子沿流動方向被拉長。當(dāng)聚合物分子被拉長到一定程度，超過聚合物分子鏈強(qiáng)度時，作用在聚合物分子鏈上的剪切應(yīng)力可以導(dǎo)致分子鏈分解、斷裂，此時分子形態(tài)和大小會發(fā)生變化，從而造成聚合物分子量的降低，使得溶液黏度下降。

不同類型的分壓工具對黏度的影響也不同。聚合物溶液在內(nèi)含式分壓工具的流道流動時，流道最小截面的變化幅度比壁面式分壓工具大，聚合物分子受到的剪切程度以及分子鏈的形態(tài)和尺寸變化也大，因此黏度的變化程度就大。

2.3 兩種分壓裝置的速度結(jié)果

兩種分壓工具的速度云如圖7、圖8所示。

從速度云圖可以看出，當(dāng)聚合物溶液進(jìn)入節(jié)流裝置的過程中，聚合物溶液在截面最小處時速度增大，在截面中心處時速度達(dá)到最大值；當(dāng)溶液流過最小流道后，速度云成散射狀；而當(dāng)溶液流過流道最大處時，速度達(dá)到最小值。同時，溶液在節(jié)流裝置中為周期性流動，所以速度的變化也呈周期性。

圖5 內(nèi)含式分壓工具黏度云

圖6 壁面式分壓工具黏度云

圖7 內(nèi)含式分壓工具速度云

圖8 壁面式分壓工具速度云

聚合物溶液在不同類型的分壓工具中流動，其速度的變化程度也不同。當(dāng)聚合物溶液流過內(nèi)含式分壓工具、從最小流道過渡到最大流道時，溶液處于散射狀的層狀流中，流動變化較為連續(xù)，速度的變化幅度較大。當(dāng)聚合物溶液流過壁面式分壓工具、從最小流道過渡到最大流道時，溶液處于射流狀態(tài)下，擴(kuò)散程度較大，且速度的變化不均勻，截面的變化程度相對較小，速度的變化幅度也較小。

3 結(jié)論

1）兩種分壓工具都具有降低聚合物溶液壓力的作用，而內(nèi)含式分壓工具相比于壁面式分壓工具對聚合物溶液的節(jié)流效果更強(qiáng)，壓力下降的更明顯。

2）聚合物溶液在兩種分壓工具的最小截面處流動時，速度變化大，黏度降低。相比于壁面式分壓工具，溶液在內(nèi)含式分壓工具中受到的剪切應(yīng)力更強(qiáng)，且黏度下降最大。

3）內(nèi)含式分壓工具相較于壁面式分壓工具，能夠使溶液產(chǎn)生更大的壓降，但其黏度的下降也最大。根據(jù)具體的生產(chǎn)條件對兩種類型的分壓工具進(jìn)行選擇和優(yōu)化，能最大程度減少驅(qū)替液的浪費(fèi)。