電控分層注聚流量調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE952 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.011

Design and Structural Optimization of Electrically Controlled Throttle Valve for StratifiedPolymerInjection

HUANG Yuxuan'，NIU Guifengl，WANG Liu'，MA Haifeng2 （1.Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co.， Ltd.，Tianjin 3O0450，China; 2.SchoolofechanicalandElectricalEngineering，SouthwestPetroleum Universityhengdu6o5o，ina）

Abstract：Inviewoftheseriousviscosity loss intheelectricallycontrolledthrottlevalveforstratified polymer injection，as a core component，the throttle valve was taken as the research object，and numerical simulation and structural optimization were carried out. On the basis of an in ?^- depthanalysis of the polymer viscosity loss mechanism，the control variable method was adopted to conduct numerical simulation research on diferent spool structures， groove pitches，groove depths，and valve section lengths.The research finds that the throttle valve with an arc shaped spool has a better viscosity retaining efect compared with throttle valves in other shapes.When the groove pitch of the arc ?- shaped spool is 3O mm; the groove depth is3 mm，and the valve section length is 1.O mm，the viscosityretaining performance reaches the optimal state.Moreover，bycarrying out the viscosity loss tests of the polymer injection working barrel，the viscosity-retaining effect after structural optimization is evaluated. The maximum viscosity loss rate measured for the optimized throtle valve is 8.9% ，and the viscosity loss rate has significantly decreased compared with the 12% viscosity loss rate of other oilfields. The decrease in the viscosity lossrate strongly proves the excellent viscosity -retaining effect of the optimized throttle valve in terms of viscosity retention，laying a solid foundation for the overall performance improvement of the stratified polymer injection tool.

Key words： stratified polymer injection; performance optimization; viscosity loss; numerical simulation

目前我國難以開采的重質(zhì)原油或復(fù)雜油藏較多，傳統(tǒng)的水驅(qū)方法已無法適應(yīng)提高采收率要求，因此三次采油工藝也逐漸成為油田科技革命的重要環(huán)節(jié)[1-2]。針對(duì)此現(xiàn)象，聚合物驅(qū)油技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過該種方法能夠很好地驅(qū)替剩余油。開采過程中，聚合物流道結(jié)構(gòu)的多變性，聚合物會(huì)受到機(jī)械剪切降解導(dǎo)致黏度降低進(jìn)而削弱驅(qū)油效果，機(jī)械剪切降解導(dǎo)致的黏度損失是現(xiàn)階段石油開采無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵問題之一[3-9]

為了實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的開采，針對(duì)聚驅(qū)工藝也要求實(shí)現(xiàn)分層注入。隨著智能化在油田的推廣應(yīng)用，衍生了更加快捷的電控分層注入工具。由于聚合物溶液屬于非牛頓流體，在考慮測調(diào)效率同時(shí)，必須兼顧黏損問題。研究相關(guān)文獻(xiàn)，在設(shè)計(jì)分層注聚工具時(shí)，為了降低聚合物流出時(shí)所受的剪切力，在節(jié)流單元采用了多種結(jié)構(gòu)形式，如流線形梭桿式、內(nèi)外雙摩阻管，圓柱形、流線型以及環(huán)形等[10-I3]。也有通過改進(jìn)其他配套工具來提升聚合物流體的流動(dòng)性與保黏率，例如，采用倒梯形縫狀結(jié)構(gòu)的注聚篩管、增大環(huán)空安全閥過流通道、優(yōu)化液控封隔器活塞結(jié)構(gòu)等[14-20]。經(jīng)過對(duì)各種應(yīng)用結(jié)構(gòu)的深入對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)注聚驅(qū)油流程中，黏度損失貫穿各個(gè)環(huán)節(jié)，而當(dāng)聚合物流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥時(shí)，黏度損失表現(xiàn)得尤為突出。

因此，為提高聚合物驅(qū)油效率，開展電控分層注聚工具中流量控制閥的黏度損失機(jī)理研究。本文主要通過數(shù)值模擬仿真，分析常見的四種不同的閥芯結(jié)構(gòu)的黏度損失，之后繼續(xù)分析槽間距、槽深、閥節(jié)長度對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)黏損的影響，進(jìn)而優(yōu)選最優(yōu)的閥芯結(jié)構(gòu)，有效降低注聚過程中的黏度損失。

1流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成

流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、螺桿機(jī)構(gòu)、行程開關(guān)、傳動(dòng)軸、密封裝置、流量調(diào)節(jié)閥閥芯和流量調(diào)節(jié)閥閥套組成。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，可以帶動(dòng)螺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，螺桿機(jī)構(gòu)把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成軸向位移，帶動(dòng)傳動(dòng)軸以及流量調(diào)節(jié)閥閥芯裝置一起軸向位移，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)開度的目的。

在流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中流量調(diào)節(jié)閥作為關(guān)鍵部件，是控制流量的關(guān)鍵，調(diào)節(jié)閥一般由周期性變直徑的閥芯與閥套組成，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的絲杠螺母實(shí)現(xiàn)閥芯的軸向位移，進(jìn)而調(diào)節(jié)閥的入口截面大小來達(dá)到調(diào)節(jié)流量的自的。

2聚合物黏損機(jī)理

聚合物在配制、配注和驅(qū)替過程中，聚合物溶液的黏度受聚合物分子量、配注液濃度、溶液中離子濃度、溶解氧濃度、pH值、礦化度、環(huán)境溫度和剪切強(qiáng)度等因素的影響。某些因素引起的表觀黏度下降，在特定的環(huán)境下，是因?yàn)榉肿渔湗?gòu)象發(fā)生變化，所以其表觀黏度得以恢復(fù)。然而高分子鏈在化學(xué)、生物、高溫、剪切、光照等因素作用下，不僅會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，而且會(huì)引起高分子鏈的斷裂，從而造成其黏度的下降，這一現(xiàn)象在三次采油的聚驅(qū)過程中受到了極大的重視[2I-23]。在這些因素中，剪切作用是造成聚合物黏度下降的重要原因。本文主要通過數(shù)值模擬分析流道的剪切速率來判斷設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的保黏性能。

3調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了得到最優(yōu)的流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了四種通徑和長度相似的不同形狀的流道結(jié)構(gòu)，分別為三角形閥芯、梭形閥芯、梯形閥芯與圓弧形閥芯，幾何模型如圖2所示。通過數(shù)值模擬分析探討不同結(jié)構(gòu)的保黏性能。

3.1 流變模型

在數(shù)值模擬分析中，流體流動(dòng)過程需遵循動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒的基本定律。因此，當(dāng)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行流體特性分析時(shí)，研究是基于流體力學(xué)的基本控制方程，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[10]

1）基本控制方程。在本次數(shù)值計(jì)算分析中，不考慮熱力學(xué)過程，因此基本控制方程中不包括能量方程。假設(shè)流量調(diào)節(jié)閥流道中的物理量不隨時(shí)間變化，即為定常不可壓縮流動(dòng)。同時(shí)忽略重力的影響，建立式 （1）～（2） 的基本控制方程。

連續(xù)性方程：

式中： σ_：xi 為坐標(biāo)系中 i 方向的位移分量 _;ρ 為流體密度， |kg/m³;u_i 為方向的流體的速度分量， m/s 。

動(dòng)量方程：

式中： x_j 為坐標(biāo)系中j方向的位移分量； u_j 為j方向的流體的速度分量， m/s;p 為壓力， MPa;τ_ij 為黏性應(yīng)力張量的分量， kg/（m²?s） 。

2）湍流模型。由于各湍流模型適用范圍不同，考慮溶液經(jīng)過工具流動(dòng)屬無規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)，基于大量文獻(xiàn)調(diào)研和經(jīng)驗(yàn)積累，采用RNG k-ε 模型。此模型為半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率建立。

3）黏度模型。采用CarreauYasuda黏度模型，該模型既可以反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性，能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動(dòng)性質(zhì)。

3.2 閥黏損數(shù)值模擬

邊界條件設(shè)置。 ① 出口條件：選取出口為壓力出口，出口壓力為 0MPa ；水力直徑為 27mm ，湍流強(qiáng)度為 5% 。 ② 入口條件：選取入口為質(zhì)量入口，選取流量為 300m³/d_? 。針對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥的不同開度，進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2.1 不同閥芯結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

三角形閥芯和梯形閥芯的流道狹窄處寬度較小，聚合物流經(jīng)此處的速度較大，所以在此處會(huì)有較大的速度梯度，因此相較其他兩種流道會(huì)有較大的剪切速率；梭形閥芯的流道存在寬度的突變，速度變化較大，導(dǎo)致速度梯度較大，剪切速率相對(duì)圓弧閥芯比較大。圓弧形閥芯的流道變化比較平緩，同時(shí)流道狹窄處的寬度較大，速度梯度較小，剪切速率比較低，如圖3所示。

各個(gè)開度下的閥芯的平均剪切速率對(duì)比如圖4所示，可以看出不同開度下平均剪切速率圓弧形閥芯都是最小的，也說明圓弧形閥芯的保黏效果在四種閥芯形狀中最優(yōu)。

3.2.2 閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值分析

分析結(jié)果表明，圓弧形的閥芯結(jié)構(gòu)相較于另外的三種結(jié)構(gòu)保黏效果較好。為了進(jìn)一步探討圓弧閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)黏度損失的影響，在本節(jié)將采用控制變量法，以圓弧形閥芯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，探討不同閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)保黏性能的影響。

單節(jié)閥芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：L為圓弧形閥芯的槽間距， H 為圓弧形閥芯的槽深，W為圓弧形閥芯的閥節(jié)長度。

1）閥芯槽間距對(duì)剪切速率影響分析。

將槽間距選定范圍為 26～30mm ，以 1.0mm 依次遞增。不同槽間距閥芯 50% 開度剪切速率云圖如圖6所示。

從圖6可以看出， 50% 開度剪切速率整體變化規(guī)律沒有隨著槽間距的改變而改變，具體分析流道的平均剪切速率，各個(gè)開度下的閥芯的平均剪切速率對(duì)比如圖7所示，從圖7中可以看到槽間距和平均剪切速率基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著槽間距變大，平均剪切速率會(huì)降低。

2）閥芯槽深對(duì)剪切速率影響分析。

分析結(jié)果表明，槽間距為 30mm 的圓弧形閥芯的平均剪切速率最低，保黏效果最好。以圓弧形閥芯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以相同的閥芯節(jié)數(shù)、相同的閥芯槽間距為基礎(chǔ)，對(duì)不同的閥芯槽深的流場流體流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。故將槽深選定范圍為1.5＼～3.5mm ，以 0.5mm 依次遞增，

流道內(nèi)的剪切速率隨著槽深的增加而減少，如圖8所示。槽深為 1.5mm 時(shí)，流道較窄處的剪切速率明顯大于其他槽深時(shí)的剪切速率。分析原因?yàn)殡S著槽深的加深流道內(nèi)部的平均速度減少，導(dǎo)致流道內(nèi)部的速度梯度減少，所以流道的剪切速率減少。

當(dāng)槽間距為 30mm 不同槽深閥芯部分速度矢量圖，如圖9所示?？梢钥吹诫S著槽深的增加，流道中心處的低速區(qū)域增加，所以隨著槽深的增加，流道的整體速度在降低，同時(shí)可以看到在槽深為 3.5mm 時(shí)，流道的下半部分出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，渦流與流入的聚合物發(fā)生內(nèi)摩擦，會(huì)產(chǎn)生較大的剪切，所以該處的渦流會(huì)導(dǎo)致槽深為 3.5mm 的閥芯有較大的剪切速率。

不同槽深的平均剪切速率對(duì)比，如圖10所示。可以看到槽深和平均剪切速率基本呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著槽深變大，平均剪切速率會(huì)降低，但是在 3.5mm 槽深處出現(xiàn)上升與上述規(guī)律一致。除此之外可以看到平均剪切速率隨著開度的變大而減小，在 25% 開度下的閥芯平均剪切速率明顯大于 100% 開度下的。

3）閥節(jié)長度對(duì)剪切速率影響分析。

分析結(jié)果表明，槽間距為 30mm ，槽深為 3.0mm 處的圓弧形閥芯的平均剪切速率最低，保黏效果最好。以圓弧形閥芯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以相同的閥芯節(jié)數(shù)、相同的閥芯槽間距與相同的槽深為基礎(chǔ)，對(duì)不同的閥節(jié)長度的流場流體流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。將閥節(jié)長度選定范圍為 1.0～3.0mm ，以 0.5mm 依次遞增。

可以看出閥節(jié)長度處的剪切速率由于流速較快的原因處于較高值，如圖11所示。當(dāng)閥節(jié)長度增加，流道內(nèi)處于剪切速率較高值的長度也隨之增加，導(dǎo)致流道的整體剪切速率增加。

可以看出不同閥節(jié)長度的流道變窄處的速度都是大于其他的處的流速，如圖12所示，同時(shí)隨著閥節(jié)長度的增加，流道較窄處的高速區(qū)域增加，所以隨著閥節(jié)長度的增加，流道的整體速度在升高，同時(shí)流道的中心區(qū)域低速區(qū)越容易出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，渦流與流入的聚合物發(fā)生內(nèi)摩擦，產(chǎn)生較大的剪切，所以閥節(jié)長度較大會(huì)導(dǎo)致閥芯有較大的剪切速率。

不同閥節(jié)長度平均剪切速率對(duì)比如圖13所示，可以看出閥節(jié)長度和平均剪切速率基本呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著閥節(jié)長度變大，平均剪切速率會(huì)增大。除此之外可以看到平均剪切速率隨著開度的變大而減小，在 25% 開度下閥芯的平均剪切速率明顯大于100% 開度下的。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)采用兩套 20m³ 的注聚泵，在不同流量及開度的情況下取工具前、后的聚合物溶液進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)聚合物溶液黏度的變化進(jìn)行分析。其中聚合物為高分子聚丙烯酰胺，配制質(zhì)量濃度 1200mg/L ，環(huán)境溫度 20°C ，溶解熟化時(shí)間 30min ，測得聚合物母液黏度 40～50mPa?s 為驗(yàn)證圓弧形流量調(diào)節(jié)閥的保黏性能，搭建了模擬試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)主要由注聚泵人模塊、配液模塊、熟化罐、工作筒組成循環(huán)流程，過程中可根據(jù)聚合物黏度損失情況將廢液排至廢液罐。

針對(duì)注聚工作筒的黏損率進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了不同流量及開度下的注聚工作筒的黏損率如圖14所示。可以看出黏損率隨著入口流量的增大而增大，隨著開度的增大而減小，最高的黏損率出現(xiàn)在入口流量為 12.5m³/h ，開度為 25% 的情況下，此時(shí)黏損率為 8.9% 。相較于其他油田的 12% 的黏損率有明顯下降。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)三角形、梯形、梭形、圓弧形四種閥

芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)建模，并利用CFD軟件進(jìn)行仿真模擬研究，發(fā)現(xiàn)圓弧形狀流道比較平滑，同時(shí)閥芯流道較窄處的寬度較寬，計(jì)算結(jié)果表明圓弧結(jié)構(gòu)閥芯平均剪切速率相較其他三種閥芯結(jié)構(gòu)較小，理論保黏效果最優(yōu)。

2）對(duì)圓弧結(jié)構(gòu)閥芯的槽間距、槽深、閥節(jié)長度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真模擬研究，選出對(duì)于該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解為槽間距 30mm 槽深 3.0mm 、閥節(jié)長度1.0mm ，保黏性能最好。

3）通過開展帶圓弧結(jié)構(gòu)閥芯的聚驅(qū)工作筒黏損試驗(yàn)研究，測試得到水嘴開度保持在 25% 時(shí)，人口流量為 12.5m³/h ，最大黏損率為 8.9% ，黏損率相較于其他油田的 12% 的黏損率有顯著下降。驗(yàn)證了仿真優(yōu)化得到的最優(yōu)解保黏效果高于現(xiàn)有的分層注聚工具。

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