梭型分压注入工具内流场PIV实验研究

吴 迪 李伊兰 班久庆 张 威 张伟文 杨兴宙

东北石油大学石油工程学院,黑龙江 大庆 163300



梭型分压注入工具内流场PIV实验研究

吴 迪 李伊兰 班久庆 张 威 张伟文 杨兴宙

东北石油大学石油工程学院,黑龙江 大庆 163300

为了通过实验手段得到不同分子量、不同流量的聚合物溶液在流经不同槽数分压注入工具时的流场变化,基于相似原理设计了一套可用粒子成像测速(PIV)系统进行实验的梭型分压注入工具模型,并利用PIV系统对不同实验条件下流经该模型内的聚合物溶液进行连续拍摄,得到大量的溶液运动瞬时图像。再利用Tecplot软件进行分析处理,得到不同分子量、不同流量聚合物溶液在流经不同槽数分压注入工具时降压槽内流场的速度云图。分析实验结果表明:聚合物溶液通过梭型分压注入工具时在降压槽底部出现漩涡;流量越大,漩涡中心越偏向外壁;聚合物分子量越大或降压槽槽数越少,管壁附近速度梯度越大;分压注入工具的槽数对漩涡的位置无明显影响。实验为分压注入工具内部流场分布提供了一种新的研究方法。

聚合物溶液;降压槽;PIV;分压注入工具

0 前言

利用分压配注器分层配注聚合物[1-3]广泛应用于油田生产。其中的分压注入工具[4-5]是利用流体经一系列节流间隙与膨胀腔通道,使流体的动能不断变化,造成不同的压力损失,从而达到减压的目的[6-7]。

目前,由于实验手段的缺乏,针对分压注入工具结构的优化和其降压槽内流场分布的研究均是通过运用Fluent等数值模拟软件进行模拟分析[8-11],缺乏足够的实验验证。近年来粒子成像测速(PIV)技术的发展[12-17]使得通过实验手段获得形状复杂的降压槽内溶液瞬时动力学流动状态成为可能。本文基于相似原理设计了一种可用于PIV系统的梭型分压注入工具实验模型,并利用该装置进行实验,分析了不同条件下分压注入工具内聚合物溶液流场的分布规律。实验为分压注入工具内的流场研究提供了一种新的方法,并为分压注入工具结构的优化提供了验证手段和技术支持。

1 相似准则下实验模型的设计

综合考虑实验观测效果和模型加工难度,在满足几何相似前提下,计划将分压注入工具的降压槽放大,放大后的模型尺寸见图1。

图1 分压注入工具实验模型中降压槽尺寸

其中:实验模型套管外径为35 mm、内径为31 mm，套管壁厚2 mm，降压槽外径为29 mm、内径为23 mm，槽间距13 mm，前槽间角45°，后槽间角20°。

由于本次试验中黏性力起主导作用,依据黏性力相似准则,只需在保证原型与模型几何相似及运动相似的基础上,达到雷诺数相等即可使实验模型内流动与现场实际流动达到动力相似。

非牛顿流体在分压注入工具内流动的广义雷诺数为[18-19]:

在横截面为同心圆的条件下,分注工具水力直径即为分注工具特征长度[20]。χ为湿周,D为水力直径,d为特征长度:

所设计的模型与原型尺寸之比1.62∶1。实验时调节通过分压注入工具模型的流量,即可使实验与现场实际情况达到动力相似。

为保证良好的粒子成像效果,实验所用模型均使用亚克力材料制作。本次实验共制作了三套分压注入工具模型,降压槽槽数分别为5、10、18。

2 实验方案与实验步骤

2.1 溶液组分

实验中配置聚合物溶液所用水为人工合成盐水(矿化度6 778 mg/L);聚合物为大庆炼化厂产,分子量分别为1.6×107、1.9×107、2.5×107的聚丙烯酰胺(HPAM)。

2.2 实验流程

实验用PIV系统为MiniPIV。高速摄像机曝光时间为1/128 000 s。所用示踪粒子为空心玻璃微珠(d≤10 μm),加量为0.1 g/L。

实验流程见图2。

实验均在室内无干扰光源条件下进行。

2.3 实验方案

分别针对聚合物分子量、溶液流量、模型槽数3个变量进行3组PIV测试实验。具体方案见表1。

图2 实验流程

表1 速度场PIV测试的实验方案

方案号聚合物分子量聚合物浓度/(mg·L-1)溶液流量/(m3·d-1)模型槽数11.6×1071.9×1072.5×1072000201822.5×10720002030501832.5×10720005051018

2.4 实验步骤

1)按图2所示流程连接实验装置。

2)配置实验所需不同种类聚合物溶液并加入示踪粒子。

3)进行粒子成像测速实验,拍摄不同实验条件下溶液经过分压注入工具末尾降压槽时的溶液粒子成像数据。

4)运用Tecplot对采集到的图像进行处理分析。

3 结果与分析

由Tecplot处理得到采取不同方案时单个降压槽内速度分布图(速度云图上不同的颜色代表不同的速度大小,在同一幅图中,红色表示最大速度,蓝色表示速度为0)，见图3～5。

分别将不同聚合物分子量、不同流量、不同降压槽槽数条件下,降压槽内聚合物溶液轴向平均速度进行比较,见图6。

通过图6对比可以看出:分注工具内环空最小间隙处速度最大,随着过流面积增大,溶液速度开始减小,过流面积转而逐渐减小,至流过约2/3槽后,流速转而增大;槽内中心处速度最小,靠近降压槽壁速度增大,贴近壁面附近速度趋近于0。

图3 不同分子量聚合物溶液以20 m3/d流量流经18槽分压注入工具速度云图

图4 不同流量下2.5×107分子量聚合物溶液流经18槽分压注入工具速度云图

图5 2.5×107分子量聚合物溶液以20 m3/d流量流经不同槽数分压注入工具速度云图

图6 不同实验条件下分注工具内轴向平均速度分布对比

环空最小间隙处的溶液流动方向与流体整体流动方向相同。随着流体流动,装置过流面积增大,流动逐渐向下扩散,在槽底处出现顺时针漩涡,至再次接近装置环空最小间隙处,流动方向回归溶液整体流动方向。流量越大,槽底的漩涡中心越向外壁偏移；流量越小,漩涡中心越向槽底偏移；且流量越大,紊流区域越大,溶液越容易形成紊流。流量相同但溶液组分或槽数不同时,漩涡位置改变并不明显。

环空最小间隙附近速度梯度大,这主要是由于接近装置内壁,流速由于管壁摩阻、分子附着力、黏性力的作用而降低,槽底溶液流动空间陡然增大引起的。环空最小间隙轴向最大速度随聚合物分子量(即黏度)增大或降压槽数减小而减小,环空最小间隙两端速度梯度随聚合物分子量增大或降压槽数减小而增大。

聚合物溶液的聚合物分子量、流量一定,分注工具槽数不同时,流经分注工具降压槽内的漩涡位置和溶液质点流动方向无明显差异。

4 结论

1)溶液流经分压注入工具时,降压槽内环空最小间隙处速度最大,随过流面积增大,速度逐渐减小,至流过约 2/3 槽长后,流速开始逐渐增大;槽内中心处速度最小,靠近降压槽壁速度增大,贴近壁面附近速度趋近于0。

2)聚合物溶液高速通过降压槽时在槽底出现漩涡,流量越大漩涡中心越向降压槽外壁偏移,流量越小漩涡中心越向槽底偏移。

3)环空最小间隙处最大速度随聚合物分子量增大或降压槽数减少而减小,环空最小间隙两端速度梯度随聚合物分子量增大或降压槽数减少而增大。

4)流量相同时,分压注入工具的降压槽槽数对漩涡位置无明显影响。

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2016-03-14

国家自然科学基金项目“分注工具对三元复合体系作用机理及三元复合体系与油层的匹配关系研究”(QC 2015056);黑龙江省自然科学基金项目“分质过程对三元复合体系黏度和流度控制能力影响的机理研究”(NEPUQN 2014-27)

吴 迪(1990-),男,黑龙江明水人，硕士研究生，主要从事复杂流体与流动的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.013