日輸量對分注工具內(nèi)流體壓降影響計算

班久慶，黃 斌，吳 迪，韓 冊，劉 歡，張 威

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

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日輸量對分注工具內(nèi)流體壓降影響計算

班久慶，黃 斌，吳 迪，韓 冊，劉 歡，張 威

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

為了明確日輸量對環(huán)形降壓槽內(nèi)聚合物溶液沿程阻力損失影響及規(guī)律、提高分層注采效率。結(jié)合流體力學理論，分別針對日輸量為50、75、100、125、150、200 m3，密度為998 kg/m3，粘度為75 mPa·s的聚合物溶液進行計算，在同一規(guī)格降壓槽中比較沿程阻力損失的大小，分析影響規(guī)律。計算結(jié)果表明：不同日輸量對流經(jīng)同一環(huán)形降壓槽的聚合物溶液流態(tài)影響不大，雷諾數(shù)十分接近，僅200 m3時處于層流紊流混合區(qū)；環(huán)形降壓槽壓力損失與管壁粗糙度無關，與日輸量、輸送介質(zhì)密度、粘度等因素有關；隨著日輸量上升環(huán)形降壓槽管壁沿程阻力損失不斷增加，但增加速度逐漸降低。

日輸量；環(huán)形降壓槽；沿程損失；雷諾數(shù)

隨著現(xiàn)有油田原油開采工作不斷推進，聚合物驅(qū)籠統(tǒng)注入方式很難發(fā)揮出應有效果。不同油層之間由于自身條件等客觀原因，導致籠統(tǒng)注入方式下油層間的矛盾比較突出［1］。為提高油藏開采合理性，普遍采取分層注入方式進行開采，環(huán)形降壓槽就是用來實現(xiàn)在不同層系注聚時，調(diào)整聚合物流速，控制壓降，改變分子量，提高分層注采效果的工具，如圖1 。分層聚驅(qū)時通常依靠調(diào)節(jié)環(huán)形降壓槽的槽數(shù)、長度、直徑等因素達到預期效果，對流經(jīng)的聚合物溶液沿程損失（即壓降）影響尚不可知，本文針對環(huán)形降壓槽的不同日輸量對聚合物流體壓降影響展開計算并得出結(jié)論，從而明確日輸量對環(huán)形降壓槽沿程損失造成影響，提高分層注采效率［2-4］。

圖1　環(huán)形降壓槽Fig.1 Annular pressure reducing tan k

以外徑d1=18 mm，槽間距L=11 mm，前槽間角為 30°，后槽間角為 45°的環(huán)形降壓槽作為計算樣本分注工具。以聚合物溶液作為樣本溶液進行計算日輸量對環(huán)形降壓槽沿程阻力損失影響。分別設定聚合物溶液日流量分別為 50、75、100、125、150m3、200 m3，密度為 998 kg/m3，粘度為 75 mPa·s，以200 m3為例進行計算如下計算：

1　雷諾數(shù)Re的計算

1.1日輸量為200 m3時雷諾數(shù)計算a.聚合物溶液流速：

式中：R — 環(huán)形管大圓半徑,m；

r — 環(huán)形管小圓半徑，m；

v — 聚合物溶液流速，m3/s。

b.聚合物溶液動力粘度:

c.聚合物溶液密度：

d.在橫截面為同心圓的條件下，考慮到環(huán)形降壓槽內(nèi)表面非規(guī)則平面，分注工具水力直徑，即為分注工具特征長度［5］：

式中：x — 濕周， m；

D — 水力直徑，m；

d — 特征長度，m。格環(huán)形降壓槽分別計算日輸量為50、75、100、125、150 m3時雷諾數(shù)值，如表1所示：

表1　不同日輸量對應雷諾數(shù)計算結(jié)果Table 1 Calculation results of Reynolds number at different daily transport capacity

2　流體流動狀態(tài)判斷

在流體層流狀態(tài)下，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關，與其他因素關系不大。在流體紊流狀態(tài)下，阻力系數(shù)除了與雷諾數(shù)有關外還與環(huán)形降壓槽壁面粗糙程度有關［5］。

（1） 在雷諾數(shù)值Re＜2 000的情況下，此時流體流動狀態(tài)為層流，阻力系數(shù)λ只是關于雷諾數(shù)Re的函數(shù)并和管道粗糙度Δ無關，同時和理論分析得到的層流沿程阻力系數(shù)公式相符：

式中：λ — 阻力系數(shù)；

Re — 雷諾數(shù)。

（2） 在雷諾數(shù)值Re處于2 000～4 000范圍內(nèi)的情況下，此時流體流動狀態(tài)屬于紊流，處于由層流向紊流的轉(zhuǎn)變過程，為臨界區(qū)，但是阻力系數(shù)λ 隨Re的增大而增大，與管道粗糙度依舊無關，公式與（1）中情況相符。

根據(jù)所求得在日輸量為 200 m3時為例，Re=2 456＞2 000，根據(jù)雷諾數(shù)與流體流動狀態(tài)的關系，溶液在分注工具環(huán)形降壓槽中流動處于層流與紊流過渡區(qū)，屬于紊流，流體流動狀態(tài)與雷諾數(shù)Re有關而與壁面粗糙度無關。 因此不同日輸量下流態(tài)判定如表2所示：

表1　不同日輸量下流態(tài)判定結(jié)果Table 1 Determination results of flow regimes under different transport conditions

3　壁面沿程損失計算

阻力系數(shù)應按照層流沿程阻力系數(shù)公式計算：

e.雷諾數(shù)：

根據(jù)達西公式計算沿程阻力損失：

式中：v、ρ、μ— 分別為流體的流速m/s、密度g/cm3與黏性系數(shù)mPa·s；d — 特征長度, m。

1.2其余日輸量雷諾數(shù)計算

根據(jù)上述公式，其與參數(shù)不變，仍利用同一規(guī)

式中：hf— 沿程阻力損失，m。

根據(jù)實際流體總流的伯努利方程式：

式中：α1、α2為動能修正系數(shù)，一般取1。ΔZ= （Z2-Z1）為溶液流過分注工具長度，v1、v2分別為流入、流出分注工具時溶液流動速度，由于動能損失遠小于沿程損失，則上式變?yōu)椋?/p>

表3　不同日輸量條件下沿程壓力損失計算結(jié)果Table 1 Calculation results of the pressure loss along the path under different transport conditions

即日輸量為200 m3時，流體流過環(huán)形降壓槽沿程壓力損失為9.16×104 Pa。根據(jù)上式計算其余日輸量條件下沿程損失結(jié)果如表3所示：

4　結(jié) 論

（1）結(jié)合日流量分別為50、75、100、125、150、200 m3的聚合物溶液及環(huán)形降壓槽實際工作環(huán)境，針對沿程阻力損失進行推導計算，從而得出不同日輸量對流經(jīng)同一環(huán)形降壓槽的聚合物溶液流態(tài)影響不大的結(jié)論，并且僅在日輸量達到 200 m3時流體處于層流紊流混合區(qū)。

（2）從計算公式及計算過程中能夠清楚發(fā)現(xiàn)，環(huán)形降壓槽壓力損失與管壁粗糙度無關，與日輸量、輸送介質(zhì)密度、粘度等因素有關。

（3）隨著日輸量上升環(huán)形降壓槽管壁沿程阻力損失不斷增加，但增加速度逐漸降低。

［1］李俊成，楊亞少，許莉娜，張玉秋. 低滲透油藏分層注采對應技術研究與試驗［J］. 石油天然氣學報，2014（05）：141-144+8-9.

［2］鄭永令. 流體流動狀態(tài)與伯努利方程［J］. 大學物理，1994（08）：1-4.

［3］張維志. 等溫管道層流與紊流臨界狀態(tài)值的分析［J］. 油氣儲運，1995（02）：10-12+65-4.

［4］李成佳. 同心環(huán)形斷面管道的流速和流量公式的一般形式［J］. 遼寧建筑工程學院學報，1982（01）：105-108.

［5］黃斌，徐德奎，蔡萌，周萬富，李朦，付思強，吳天奇，傅程. 基于正交試驗法和數(shù)值仿真的環(huán)形降壓槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］. 數(shù)學的實踐與認識，2014（22）：96-102.

Calculation on Influence of Daily Transportation Amount on the Fluid Pressure Drop in Separate Injection Tool

BAN Jiu-qing，HUANG Bin，WU Di，HAN Ce，LIU Huan，ZHANG Wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

In order to determine the influence of daily transportation amount on the frictional resistance loss of the polymer solution along the path and its law in the annular pressure reducing tank, and to improve the efficiency of the injection production, according to the theory of fluid mechanics, the frictional resistance loss of the polymer solution with density of 998 kg/m3and viscosity of 75 mPa·s was calculated under daily transportation amount of 50, 75, 100, 125, 150 and 200 m3,respectively. The frictional resistance losses in the same pressure relief groove under different daily transportation amount were compared, and the influence rule was analyzed. Calculation results show that: different throughput has little effect on the flow state of polymer solution flowing through an annular pressure relief groove, their Reynolds numbers are very close; pressure loss in the annular pressure relief groove is entirely unrelated to the pipe wall roughness, and is related to throughput, transmission medium density, viscosity and other factors; with increasing of the throughput, annular pressure relief groove pipe wall friction loss increases, but the increase rate decreases gradually.

daily transportation amount; annular pressure reducing tank; resistance loss along the path; Reynolds number

班久慶（1992-），男，黑龍江大慶人，2014年畢業(yè)于東北石油大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣集輸及分層注采技術。E-mail：1748525095@qq.com。

TE 357

A

1671-0460（2016）05-1073-03

2016-01-07