聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模拟.pdf

2 0 1 4年7月 魏新晨等． 聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模拟 聚合物在低剪切流量控制阀内的 流 态判别与数值模 拟 魏新晨， 马艳洁 中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院， 山东东营 2 5 7 0 0 0 [ 摘要] 通过流变性实验， 认为聚合物溶液符合非牛顿流体幂率模式， 建立了非牛顿流体 在环形空间内的流态判别模型。运用 F L U E N T软件进行数值模拟， 研究了聚合物溶液在低剪切流 量控制阀内的流动规律和不同配注量下产生的节流压差。结果表明， 低剪切流量控制阀具有较好 的节流作用， 产生的节流压差能够满足扩张式封隔器的坐封条件。实验数据表明， 流量在 3 36 2 m ／ d间的节流压差达到 5 ． 9 8 M P a ， 黏度保留率达到9 0 ％以上。 [ 关键词] 低剪切流量控制阀聚合物流态判别节流压差黏度保留率 在双管注聚过程 中， 为减少聚合物溶液的黏 度损失， 研制出低剪切流量控制阀⋯。聚合物溶 液在阀内流动时， 聚合物分子链始终处于拉长、 收 缩的变形中， 消耗在这个过程 中的能量形成节流 压差 - 2 J 。聚合物分子链变形的 同时又不断恢 复， 能够降低黏度损失。聚合物溶液每流过低剪切流 量控制阀内的一个降压槽， 过流面积从小到大变 化一次 ， 流速从高到低变化一次 ， 流态及流场分布 也相应产生一次变化。为研究这个变化规律 ， 笔 者对低剪切流量控制阀进行数值模拟。 1 流体性质 注聚溶液属于黏弹性的非牛顿流体。对注聚 采用的聚合物溶液进行 流变性实验 ， 分别测得不 同剪切速率对应的剪切应力值 7 ， ， ， ， ⋯ ， ， T ， 结果如图 1 所示。 帕 △一 ＼ 密 剪切速率／ s 图 1 流变性实验结果 通过对实验数据进行拟合分析 ， 认为聚合物 溶液符合非牛顿流体幂律模式 ， 本构方程为 脚 1 式中， 丁为剪切应力， P a ； 为剪切速率， s 一 ； 为稠度系数， P a s “ ； n为流性指数。同时， 拟合 得出 K 0 ． 1 3 7 8 P a s ， 0 ． 5 6 0 3 。 2 流态判别模型的建立 流体在 同心环形空间内任意位置 处的黏度 为E 叼 研 式 中 ， 叼为 表 观 黏 反 ， P a。 s ； 为 流 速 ， m ／ s ； DI 和 D 分别为环空的内径和外径 ， m。 剪切速率为 _ _ 『 3 百 ＼ 2 ／ 剪切速率沿环空半径方向变化曲线所包含的 面积 S ， m 为 s ．『 7 4 平均剪切速率 D 1 D D ㈤ D ， 一 1 n ， 一 ， 、’ 收稿 日期 2 o 1 4 0 51 4 。 作者简介 魏新晨， 毕业于江南大学机械工程及自动化专业， 现从事浅海采油工艺与工具的研究工作。 2 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 5卷第 4期 平均剪切应力 下 2 D D 3 n 6 ‘ 一 ＼ ， 一 1 J T K n 2 l 一 4 v 厂 7 二 竺 ’ r J K r t 1 【 】 卜 ㈩ 【 n J 式中， 为雷诺数；p为流体的密度， k g ／ m 。 式 8 化简得 9 3 一 K 2 1【 r 2 n 【 3 J 对于同心环形空间， 稳定性参数 y和 是判 别非牛顿流体流动状态较为理想 的方法 ， 采用参 数 y和 得出环形空间的临界雷诺数的计算式 分别为 5 j 耽 [ 汀 10 - 2 6 2 ． 5 【 】 ～ 经计算 ， R e y2 8 2 3 ， R e 1 9 6 4， R e y R e 。 达到临界雷诺数 2 8 2 3时 的速度为 3 ． 1 2 m ／ s ， 对 应的聚合物的注入量为 3 8 ． 7 1 m。 ／ d 。 3 流动区域的数值模拟 3 ． 1 几何模型和网格划分 根据低剪切流量控制阀内部 的正纺锤连线型 环形流道 ， 建立二维几何模型 ， 采用正交化非均匀 网格进行划分 ， 如图2所示 ， 总网格数为 1 1 6 5 3 4 。 图2 流动区域的几何模型 3 ． 2 边界条件和计算条件 速度入口边界 ， 速度分别取 3 ． 2 2 ， 4 ． 0 2 ， 4 ． 8 3 m ／ s 对应的注入量分别为 4 0 ， 5 O ， 6 0 m ／ d 。此 时计算 出的雷诺数均大于临界雷诺数 2 8 2 3 ， 流动 均为湍流状态。压力边界 出 口， 表压为 0 。固壁 采用无滑移边界条件 ， 壁面上 0 。 选用标准的k 一8 湍流模型， 动量方程、 湍动 能方程和耗散率方程均选用一阶迎风格式 ， 压力 速度场的耦合求解选取 S I MP L E C方法。 3 ． 3 计算结果 入 口流量分别为 4 0， 5 0 ， 6 0 i n ／ d时的流动压 耗计算结果如图 3一图 5所示。 垒 ＼ 艋 - 5 0 0 5 O l 0 O 1 5 0 20 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 45 0 位 置／ ra m 图 3入口流量 4 0 m。 ／ d的流动压耗 一 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 位置／ m 图4入口流量 5 0 m ／ d的流动压耗 5 面 4 詈 s { 瞌 2 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 45 0 位置／ m m 图5入口流量 6 0 m ／ d的流动压耗 入 口流量分别为 4 0 ， 5 0 ， 6 0 m ／ d时的流动压 耗分别为 2 ． 9 ， 4 ． 3 ， 6 ． 1 M P a 。从流动压耗的计算 结果可以看出， 低剪切流量控制 阀具有较好 的节 流作用， 对聚合物的限流阻力较大。产生的节流 压差 ， 能够满足扩张封隔器 的坐封要求。节流压 差随着配注量的增加而增 大， 可实现不 同配注量 的要求。 单个降压槽速度等值线见图 6 ， 单个降压槽 速度分布见 图 7 。聚合物流经每个 降压槽 时， 流 场速度分布比较均匀 ， 速度矢量变化较小 ， 说明正 ∞ 垒＼ 鞋 4 4 3 3 2 2 1 l 0 2 0 1 4年 7月 魏新晨等． 聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模拟 3 纺锤型降压槽对聚合物黏度剪切率较小。 图 6 单个降压槽速度等值线 图7 单个降压槽速度分布 4中间实验 在 11 2 X 3 3 2井开展 了低剪切流量控 制 阀 的应用实验 ， 结果见表 1 。 表 1 低剪切流量控 制阀应用实验结果 流量／ n l ’ d _ 1 节 流压差／ M P a 黏度损失／ ％ 3 3． 0 2 2 2 ． 6 7 4． 5 5 3 5． 1 1 2 2． 7 8 4． 6 2 4 6． 0 3 2 3． 7 5 5 ． 6 6 5 0． 1 6 0 4． 0 2 5． 6 9 6 0． 7 7 0 5． 6 9 6． 6l 6 2． 3 3 2 5． 9 8 6 ． 8 3 实验数据表 明， 流量在 3 3～6 2 m ／ d间的最 大黏度损失率为 6 ． 8 3 ％ ， 黏度保留率达到 9 0 ％以 上 ， 节流压差达到 5 ． 9 8 MP a ， 说明低剪切流量控 制阀能够有效减少聚合物溶液的黏度损失。经比 对 ， 实验结果与数值模拟得出的节流压差数值接 近， 误差在 1 0 ％之内， 验证了数值模拟结果的准 确性 。 5结论 1 对注聚采用 的聚合物溶 液进行流变性实 验 ， 通过对实验数据进行拟合分析 ， 认为聚合物溶 液符合非牛顿流体幂律模式。 2 通过建立的流态判别模型 ， 确定 了注聚溶 液在低剪切流量控制阀 内流动 的临界流量 ， 便 于 数值计算时湍流模型的选取。 3 中间实验与数值模拟的结果表明， 低剪切 流量控制阀具有较好的节流作用 ， 能够有效减 少 聚合物溶液 的黏度损失。 参考文献 [ 1 ] 赵剑锋， 孙宝， 梁秀红 ， 等．低剪切流量控制阀的研究与应 用[ J ] ．内蒙古石油化工， 2 0 1 1 ； 1 1 1 1 1 3 ． [ 2 ] 王玲， 梁福民， 高润林， 等．聚合物单管多层分质分压注入 技术[ J ] ．石油钻采工艺 ， 2 0 0 7 ； 2 9 2 7 3 7 5 ． [ 3 ] 陈文芳 ， 蔡扶时．非牛顿流体的一些本构方程 [ J ] ．力学学 报， 1 9 8 3 ； 1 9 1 1 6 2 6 ． [ 4 ] 刘崇建， 刘孝良， 柳世杰． 非牛顿流体流态判别方法的研究 [ J ] ．天然气工业， 2 0 0 1 ； 2 1 4 4 9 5 2 ． [ 5 ] 刘乃震， 王廷瑞， 刘孝良， 等．非牛顿流体的稳定性及其流 态判别 [ J ] ．天然气工 、 2 0 0 3； 2 3 1 5 55 6 ． Fl o w Pa t t e r n Di s c r i mi n a t i o n a n d Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n o f Po l y m e r i n Lo w S h e a r i n g Fl o w Co n t r o l l i n g Va l u e We i X i n c h e n Ma Y a n j i e O i l P r o d u c t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n g l i O i lfie l d C o m p a n y ， S i n o p e c ， D o n g y i n g， S h a n d o n g 2 5 7 0 0 0 ， C h i n a [ A b s t r a c t ] I t w a s c o n s i d e r e d t h a t p o l y me r s o l u t i o n c o n f o r m s t o t h e n o nN e w t o n i a n fl u i d p o w e r l a w m o d e l t h r o u g h r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s e x p e rime n t ． A fl o w p a t t e r n d i s c rimi n a t i o n mo d e l o f t h e n o nNe w t o n i a n wa s e s t a b l i s h e d，w h i c h a p p l i e d t o t h e c o n c e n t ri c a n n u l u s fl o wi n g ． U s i n g n u me r i c a l s i mu l a t i o n b a s e d o n fl u e n t s o f t wa r e ，t h e fl o w c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e p o l y me r s o l u t i o n i n l o w s h e a r i n g fl o w c o n t r o l l i n g v a l u e a n d t h e c h o k e p r e s s u r e d r o p g e n e r a t e d b y d i f f e r e n t i n j e c t i o n r a t e w e r e s t u d i e d ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e l o w s h e a fi n g fl o w c o n t r o l l i n g v a l u e h a d b e t t e r t h r o t tli n g a c t i o n a n d t h e c ho k e p r e s s u r e d r o p me t t h e s e t t i ng c o n di t i o ns o f e x p a n d a b l e p a c k e r ．T h e p i l o t t e s t d a t a s h o w e d t h a t t h e c h o k e p r e s s u r e d r o p w a s u p t o 5 ． 9 8 MP a a s i n j e c t i o n r a t e b e t we e n 3 36 2 m ／ d a n d t h e v i s c o s i t y r e t e n t i o n r a t e w a s o v e r 9 0 ％ ． [ K e y w o r d s ] l o w s h e a ri n g fl o w c o n t r o l l in g v a l u e ；p o l y m e r ； fl o w p a t te rn d is c r i m i n a t i0 n v i s c 0 s i t y ； t h r o t t le p r e s s u r e d i f f e r e n c e；v i s c o s i t y r e t e n t i o n r a t e