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      聚合物在低剪切流量控制閥內(nèi)的流態(tài)判別與數(shù)值模擬

      2014-10-08 13:39:16魏新晨馬艷潔
      精細(xì)石油化工進(jìn)展 2014年4期
      關(guān)鍵詞:牛頓流體流態(tài)控制閥

      魏新晨,馬艷潔

      (中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營 257000)

      在雙管注聚過程中,為減少聚合物溶液的黏度損失,研制出低剪切流量控制閥[1]。聚合物溶液在閥內(nèi)流動(dòng)時(shí),聚合物分子鏈?zhǔn)冀K處于拉長、收縮的變形中,消耗在這個(gè)過程中的能量形成節(jié)流壓差[2]。聚合物分子鏈變形的同時(shí)又不斷恢復(fù),能夠降低黏度損失。聚合物溶液每流過低剪切流量控制閥內(nèi)的一個(gè)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(chǎng)分布也相應(yīng)產(chǎn)生一次變化。為研究這個(gè)變化規(guī)律,筆者對(duì)低剪切流量控制閥進(jìn)行數(shù)值模擬。

      1 流體性質(zhì)

      注聚溶液屬于黏彈性的非牛頓流體。對(duì)注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗(yàn),分別測(cè)得不同剪切速率對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力值(γ1,τ1),(γ2,τ2),…,(γn,τn),結(jié)果如圖1 所示。

      圖1 流變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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[3]:

      式中,τ為剪切應(yīng)力,Pa;γ為剪切速率,s-1;K為稠度系數(shù),Pa·sn;n為流性指數(shù)。同時(shí),擬合得出 K=0.1378 Pa·sn,n=0.5603。

      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處的黏度為[4]:

      式中,η為表觀黏度,Pa·s;v為流速,m/s;D1和D2分別為環(huán)空的內(nèi)徑和外徑,m。

      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(S,m2)為:

      平均剪切應(yīng)力:

      式中,Re為雷諾數(shù);ρ為流體的密度,kg/m3。

      式(8)化簡得

      對(duì)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(dòng)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(jì)算式分別為[5]:

      經(jīng)計(jì)算,ReY=2823,ReX=1964,ReY> ReX。達(dá)到臨界雷諾數(shù)2823時(shí)的速度為3.12 m/s,對(duì)應(yīng)的聚合物的注入量為38.71 m3/d。

      3 流動(dòng)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,如圖2所示,總網(wǎng)格數(shù)為116534。

      圖2 流動(dòng)區(qū)域的幾何模型

      3.2 邊界條件和計(jì)算條件

      速度入口邊界,速度分別取3.22,4.02,4.83 m/s(對(duì)應(yīng)的注入量分別為40,50,60 m3/d)。此時(shí)計(jì)算出的雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)2823,流動(dòng)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u=0。

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

      3.3 計(jì)算結(jié)果

      入口流量分別為40,50,60 m3/d時(shí)的流動(dòng)壓耗計(jì)算結(jié)果如圖3~圖5所示。

      圖3 入口流量40 m3/d的流動(dòng)壓耗

      圖4 入口流量50 m3/d的流動(dòng)壓耗

      圖5 入口流量60 m3/d的流動(dòng)壓耗

      入口流量分別為40,50,60 m3/d時(shí)的流動(dòng)壓耗分別為 2.9,4.3,6.1 MPa。從流動(dòng)壓耗的計(jì)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(duì)聚合物的限流阻力較大。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(shí)現(xiàn)不同配注量的要求。

      單個(gè)降壓槽速度等值線見圖6,單個(gè)降壓槽速度分布見圖7。聚合物流經(jīng)每個(gè)降壓槽時(shí),流場(chǎng)速度分布比較均勻,速度矢量變化較小,說明正紡錘型降壓槽對(duì)聚合物黏度剪切率較小。

      圖6 單個(gè)降壓槽速度等值線

      圖7 單個(gè)降壓槽速度分布

      4 中間實(shí)驗(yàn)

      在1-12X332井開展了低剪切流量控制閥的應(yīng)用實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表1。

      表1 低剪切流量控制閥應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,流量在33~62 m3/d間的最大黏度損失率為6.83%,黏度保留率達(dá)到90%以上,節(jié)流壓差達(dá)到5.98 MPa,說明低剪切流量控制閥能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。經(jīng)比對(duì),實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      5 結(jié)論

      1)對(duì)注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗(yàn),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)的臨界流量,便于數(shù)值計(jì)算時(shí)湍流模型的選取。

      3)中間實(shí)驗(yàn)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黏度損失。

      [1]趙劍鋒,孫寶,梁秀紅,等.低剪切流量控制閥的研究與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011;(11):11-13.

      [2]王玲,梁福民,高潤林,等.聚合物單管多層分質(zhì)分壓注入技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2007;29(2):73-75.

      [3]陳文芳,蔡扶時(shí).非牛頓流體的一些本構(gòu)方程[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1983;19(1):16 -26.

      [4]劉崇建,劉孝良,柳世杰.非牛頓流體流態(tài)判別方法的研究[J].天然氣工業(yè),2001;21(4):49-52.

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

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