基于PIV技术的分注工具流场特征研究

王凤山，李建云，杨志刚，王　聪，朱锦庆

(1.大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆163453；2.大庆油田有限责任公司 第九采油厂，黑龙江 大庆163154；3.大庆油田有限责任公司 第六采油厂，黑龙江 大庆163154)



基于PIV技术的分注工具流场特征研究

王凤山1，李建云1，杨志刚1，王聪2，朱锦庆3

(1.大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆163453；2.大庆油田有限责任公司 第九采油厂，黑龙江 大庆163154；3.大庆油田有限责任公司 第六采油厂，黑龙江 大庆163154)

摘要：采用粒子成像测速(PIV)技术研究聚合物流经分注工具的流场特征，对聚合物相对分子质量为1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量为20、30、50 m3/d的聚合物溶液在分注工具内的流动状态进行分析，并将计算得出的流量值与真实值进行比较。结果表明：随着聚合物相对分子质量的增加，聚合物溶液在分注工具内产生的涡流区域面积减小，但涡流中心位置未有明显变化；随着流量的增加，聚合物溶液流经分注工具产生的涡流中心位置逐渐上移，溶液流动状态更不稳定；利用PIV技术计算出的瞬时流量值在20～50 m3/d时与真实值基本吻合，最大误差为4.73%。该结果为进一步利用PIV技术对化学驱的分注工具的流场分布研究提供技术支撑。

关键词：粒子成像测速；聚合物；分注工具；涡流区域

大庆油田实践表明：聚合物驱与水驱相比可多提高原油采收率10 %以上，聚合物采出井年产油量高达1 000×104t以上[1-2]。随着聚合物驱开发的不断深入，渗透率低、层间矛盾大的二类、三类油层已成为主要开发对象。为了进一步提高聚合物驱采出程度、提高低渗透层使用率、控制高渗透层突进，注聚方式由笼统注入改为分层注入，为此研发了分层注入工艺[3-7]。目前分层工艺的单层压力调节采用流线型降压槽的分注工具控制高渗透油层的注入压力。为了更直接地研究聚合物溶液流经分注工具的流场变化，笔者采用PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像测速技术对聚合物溶液流经分注工具的流场进行测量，通过后处理软件分析了不同相对分子质量、不同流量下聚合物溶液在分注工具的速度云图变化，分析结果对聚合物溶液在分注工具内的涡流区域变化有了进一步的揭示，对分注工具流场的仿真计算具有指导意义。

1分注工具组成及工作原理

分注工具由堵塞器(堵塞器由打捞杆、凸轮、连接体组成)和流线型降压槽2部分组成，通过投捞分注工具，更换流线型降压槽的槽数，产生不同的节流压差，调节层段的注入压力，控制油层的聚合物溶液吸入量，达到缓解层间矛盾、提高油层动用程度的目的。流线型降压槽槽数越多，节流压差越大；槽数越少，节流压差越小。

图1　分注工具结构示意

2试验装置及PIV试验方案

由于PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像测速技术是利用PIV软件系统和高速摄像机相结合的一种技术，具有全流场测试、直观、不干扰流场等优点，并可以利用Tecplot后处理软件对速度向量的大小及分布情况做进一步分析。该技术已成为目前进行各种流场流动规律研究的重要工具。

2.1试验装置

该试验装置主要包括流量计、压力计、激光发射器、摄像头、数据处理系统、螺杆泵、储液罐和各种连接设备等。试验装置流程如图2所示。

1—储液罐；2—螺杆泵；3—阀门；4—压力计；5—分注工具；6—数据处理系统；7—摄像头；8—激光发射器；9—流量计；10—回液罐。

2.2试验材料

聚合物：相对分子质量分别为1 600×104、1 900×104和2 500×104聚合物。

分注工具：流线型降压槽，槽数为18。

试验用水：大庆油田某三元示范区配注站注入污水，其离子组成如表1。

表1　试验用污水离子组成　mg/L

2.3试验方案

为对比不同聚合物溶液在分注工具内的流场，分别进行聚合物相对分子质量1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量为20、30、50 m3/d的聚合物溶液流经分注工具，并利用Tecplot后处理软件得到速度云图，对比不同条件下的速度云图，分析不同相对分子质量和速度聚合物溶液对流场的影响。

2.4试验步骤

1)提前调配聚合物溶液，并加入到储液罐中。

2)开通各个阀门后开泵，稳定后观察流量计读数，使其满足试验所需流量值。

3)气体被排干净以后，向储液罐中加入示踪粒子，比例大约为每1 L溶液100 mg示踪粒子。

4)打开激光主机，高速摄像机以及控制整个PIV系统的计算机，调整到合适的试验参数。

5)采集数据，重复2～4步骤，直到每组试验数据均采集完成，采集完一组后，保存好图像及向量文件；试验结束，在Tecplot中查看相应结果。

3数据处理方法

由于紊流中的各物理量均是随机函数，因此应考虑用处理随机现象的统计方法进行数据处理。统计平均法是处理紊流运动的一个基本方法，常用的2种方法是时间平均法和系综平均法。系综平均法虽然具有对恒定流动和非恒定流动均适用的优越性，但实际应用中由于一个变量的概率密度函数常常是事先不知道，需通过重复大量的试验资料来求统计的平均值，对试验次数有一定要求；而时间平均法是从一次试验在一个时段内测的的数据中求平均值，对于试验次数要求少，为了节约时间和材料，处理试验中的的速度、流量等物理量时，均采用时间平均法。

通过高速摄像机对不同流场进行连续拍摄，流场图像经相关数据处理系统计算，得到向量文件和速度矢量图，再通过Tecplot后处理软件将每个向量文件处理成速度云图。在拍摄流场图像的同时，结合测量仪器记录下被测液体每一秒钟的瞬时流量，然后求平均值，得到PIV技术计算的流量值。

4PIV测试试验结果分析

利用PIV技术和Tecplot软件进行处理后，得到聚合物溶液在分注工具流动过程的速度云图和矢量图，对比不同相对分子质量、流量下速度云图变化，计算了PIV技术计算的流量值，并与室内试验结果进行比较。

聚合物溶液(相对分子质量1 600×104，质量浓度 2 000 mg/L)流经分注工具的速度矢量如图3所示，箭头的长短代表速度的大小。从图3中可以看出，分注工具凹槽处出现顺时针涡流区域，涡流中心速度最小，且涡流区域整体速度较进口速度明显变小，凹槽上层溶液速度方向稳定，速度大小变化不明显。

图3　流量20 m3/d时聚合物溶液流经分注工具的速度矢量图

图4为流量20 m3/d时，聚合物相对分子质量分别为1 600×104、1 900×104、2 500×104，质量浓度为2 000 mg/L的聚合物溶液流经分注工具的速度云图(左侧为进液口，右侧为出液口)。云图上不同区域里颜色的深浅代表不同的速度大小，在同一幅图中，上方长方形区深灰色表示最大速度，三角区的深色表示速度为0。从图4中可以更清晰观察到涡流区域速度值变化程度，涡流中心区域为深色区域，代表速度较小甚至为0；代表速度较大的长方形内深灰色区域主要出现在环空孔隙最小处，上层溶液虽速度方向保持一致，但速度大小还是有变化，进液口处速度较大值的深灰-灰白-深灰区域呈现长条带状。

a　相对分子质量1 600×104，质量浓度2 000 mg/L

b　相对分子质量1 900×104，质量浓度2 000 mg/L

c　相对分子质量2 500×104，质量浓度2 000 mg/L

从图4可以看出，代表速度较大的长条带状区域面积没有随着相对分子质量的变化而有明显的波动，而代表速度较慢的三角区域深色面积随着相对分子质量的增大而减小或颜色变淡，分析认为，由于相对分子质量的增加，聚合物分子链尺寸增大，聚合物分子链微观空间结构更加紧密稳定，造成聚合物分子链不易卷曲，溶液流动状态不易改变；流体粘性增强，流动状态的改变所需能量更大，形成涡流更为困难，因此相对分子质量的增加减少了涡流区域面积，但对于涡流中心位置的影响不明显。

图5为聚合物溶液相对分子质量2 500×104和质量浓度2 000 mg/L时，聚合物溶液在不同流量下，流经分注工具的速度云图。从图5中可以看出，随着流量的增加，代表速度较大的长条带状深灰区域面积明显增大，进液口深灰带状变长，流量大小对于涡流区域面积的变化不明显，但对于涡流中心位置影响明显，随着流量的增大，凹槽部位的涡流中心位置越来越向上偏移，在图5中表现形式是三角区内深色区域越来越上移，即涡流中心位置开始上移，造成长条深灰色区域与三角深色区域之间距离缩短，相应的聚合物溶液在分注工具流动的速度梯度也相应增大，溶液整体流动的大小、方向变化幅度更大，更易破坏聚合物分子链空间结构，降低聚合物溶液黏度，影响驱油效果。

a　流量30 m3/d时

b　流量50 m3/d时

室内试验真实注入流量与利用PIV技术计算得到瞬时流量值对比如表2所示。从表2中可以看出，在流量20～50 m3/d时，利用PIV技术得到瞬时流量值与真实注入流量基本相同，误差最大仅为4.73%，满足理论计算要求。

表2　不同组分聚合物动态流场理论流量与真实流量对比

5结论

1)利用PIV技术成功模拟聚合物溶液流经分注工具的速度矢量图，并利用后处理软件得到速度云图。随着聚合物相对分子质量的增大，涡流区域面积变大明显；随着流量的增大，涡流中心位置上移。

2)利用PIV技术得到瞬时流量值，与真实值进行对比，表明在流量20～50 m3/d时理论计算值与真实值基本吻合。

3)根据PIV技术得到的速度云图显示，与相对分子质量相比，流量的增大更易影响聚合物溶液黏度，若在大流量情况下，为保证聚合物溶液黏度，则需优化现有分注工具结构参数，减少涡流中心位置上移。

参考文献：

[1]李海成．大庆油田聚合物驱分注工艺现状[J]．石油与天然气地质，2012，33(2)：296-301．

[2]高光磊，杨慧，李海成，等．聚合物驱分注工艺现状[J]．采油工程，2012(2)：1-4．

[3]裴晓含，段宏，崔海清，等．聚合物驱偏心分质注入技术[J]．大庆石油地质与开发，2006，25(5)：68-69．

[4]李建云．聚合物驱多层分质分压注入技术研究与应用[J]．内蒙古石油化工，2010(1)：130-132．

[5]陈晓红，段宏．聚合物单管多层分注技术原理及应用[J]．大庆石油地质与开发，2004，23(4)：53-54．

[6]杨子强，王研，梁福民．聚合物驱2-3层分注技术[J]．大庆石油地质与开发，2001(3)：28-29．

[7]程杰成，王德民，吴军政．驱油用聚合物的分子量优选[J]．石油学报，2000，21(1)：102-106．

Based on the Technology of PIV Flow Field Characteristics of the Research in Layered Injection Tools and Experiment Comparison

WANG Fengshan1，LI Jianyun1，YANG Zhigang1，WANG Cong2，ZHU Jinqing3

(1 .OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163453，China；2.No.9OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China；3.No.6OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China)

Abstract：The application of particle imaging velocimetry technology research flow field characteristics of polymer flows through layered injection tools.The flow of the polymer solution was analyzed in layered injection tools，when polymer relative molecular weight is 1 600×104，1 900×104，and 1 900×104，the flow rate is 20，30 and 50 m3/d，and calculation flow rate results and actual values are compared.The results show that：1) With the increase of polymer molecular weight，the eddy area produced by polymer solution in the layered injection tools is reduced，but the eddy center position did not change obviously；2) with the increase of flow rate，the eddy center position produced by polymer solution in the layered injection tools gradually move up，solution flow state is less stable；3) Using PIV technology to calculate the instantaneous flow values under flow 20 to 50 m3/d and roughly tallying with the actual value，maximum error is 4.73%.The results for the further using PIV technology of the research of chemical flooding in the flow field distribution in layered injection tools provides technical support.

Keywords：particle image velocimetry；polymer；layered injection tool；eddy area

文章编号：1001-3482(2016)06-0016-04

收稿日期：2015-12-21

基金项目：中国天然气股份公司重大专项“二类油层聚合物驱进一步提高采收率配套技术”(2008E-1207-1)

作者简介：王凤山(1962-)，男，教授级高级工程师，博士，现主要从事采油工程方面的研究。

中图分类号：TE934.1

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.004