基于数值模拟的内含式和壁面式分压工具流动特性对比研究

刘崇江（大庆油田采油工程研究院）

在油田驱替开采的过程中，聚合物驱等化学驱油技术的主要应用对象大多存在油层非匀质性强、层数多、层间差异大等问题。采用分层注入工艺可缓解层间矛盾，改善注入剖面，提高整体开发效果[1-6]。解决以上问题的关键在于对分压工具中的节流装置进行研究[7]，通过研究节流装置能够改善和提高油田开采和驱油效果，降低聚合物用量，提升经济效益，减少驱替液的损失，可最大程度缩减驱替液的浪费。目前大多数的研究主要针对内含式节流装置的分压工具，并未对壁面式节流装置进行相关研究，无法确定两类节流装置的优劣性，也没有对数据进行有效的对比分析，因此会直接影响驱替液的使用效率。

本文建立了内含式和壁面式的分压工具模型，运用ICEM 和Fluent 软件进行分压工具的网格划分和数值模拟，分析了溶液流经两类节流装置的压力、黏度、速度变化和作用原理，根据生产需求选择更适合用于分压工具中的节流装置，最大程度减小驱替液的浪费。

1 模型的建立及边界条件设置方法

1.1 几何模型的建立与网格的划分

本文选择截面为梯形的壁面式和内含式的分压工具，为使溶液在分压工具中均匀流动，两种分压工具均设计为轴对称图形；并且为使溶液在入口段和出口段均处于充分发展状态，在两类节流装置的前后加上60 mm 长的流道。图1、图2 分别为内含式分压工具模型、壁面式分压工具模型。为了研究溶液流经两种分压工具的流动空间和节流效果，对其造成影响的主要参数为梯形截面的高、长、斜边角，以及分压工具的外径。具体的结构参数如表1所示。

图1 内含式分压工具模型

利用ICEM 软件进行网格划分，设置最大的网格尺寸为0.000 5。由于非结构网格能够更好地模拟复杂模型，并且能够节省网格的生成时间；因此，对两种工具采用四面体非结构网格，对流道附近和流体流动复杂区域的网格进行加密，对壁面边界添加边界层来模拟更加真实的流动过程。

图2 壁面式分压工具模型

表1 结构参数

1.2 边界条件计算参数

边界条件有入口边界、出口边界和固体壁面边界条件。其中：入口边界为流体从入口进入分压工具的环空流道，其轴向速度为1.5 m/s，湍流强度为5%，内含式和壁面式的水力直径分别为2 mm和12 mm；出口边界设置为压力出口，数值为0 MPa，湍流强度和水力直径与入口边界相同；固体壁面边界采用无划移边界条件，壁面附近采用非平衡壁面函数。

2 数值模拟结果分析

在相同注入速度的条件下，注入相同溶液，采用相同的数值离散方法和计算方法，对两类分压工具进行模拟计算，并从实际生产要求的角度分析，在两类分压工具优选出一类。

2.1 两种分压装置的压降结果

两种分压工具的压力云如图3、图4所示。

图3 内含式分压工具压力云

图4 壁面式分压工具压力云

从压力云图可以看出，聚合物溶液在两种分压工具流道截面最小处时，溶液压力出现骤降；而在流道截面最大处时，溶液压力下降幅度较为平缓。这是因为聚合物溶液流过两种分压工具时，其流经节流段时变为截面流动，流道处于先收缩后扩张的状态，并呈周期性变化。此时聚合物分子链始终处于拉长、收缩的变形过程中，使一部分能量消耗在聚合物分子链的变形与恢复上，从而产生局部能量损失，形成节流压差。由于聚合物溶液流经内含式分压工具时比流经壁面式分压工具时截面变化程度更大，导致聚合物分子链拉长、收缩的程度较大，而所得到的压力损失也较大，所以内含式分压工具的降压效果更为明显。

2.2 两种分压装置的黏度结果

两种分压工具的黏度云如图5、图6所示。

从黏度云图可以看出，当聚合物溶液流过截面最小处时，由于聚合物溶液流过截面积减小，速度急剧变化，导致聚合物分子沿流动方向被拉长。当聚合物分子被拉长到一定程度，超过聚合物分子链强度时，作用在聚合物分子链上的剪切应力可以导致分子链分解、断裂，此时分子形态和大小会发生变化，从而造成聚合物分子量的降低，使得溶液黏度下降。

不同类型的分压工具对黏度的影响也不同。聚合物溶液在内含式分压工具的流道流动时，流道最小截面的变化幅度比壁面式分压工具大，聚合物分子受到的剪切程度以及分子链的形态和尺寸变化也大，因此黏度的变化程度就大。

2.3 两种分压装置的速度结果

两种分压工具的速度云如图7、图8所示。

从速度云图可以看出，当聚合物溶液进入节流装置的过程中，聚合物溶液在截面最小处时速度增大，在截面中心处时速度达到最大值；当溶液流过最小流道后，速度云成散射状；而当溶液流过流道最大处时，速度达到最小值。同时，溶液在节流装置中为周期性流动，所以速度的变化也呈周期性。

图5 内含式分压工具黏度云

图6 壁面式分压工具黏度云

图7 内含式分压工具速度云

图8 壁面式分压工具速度云

聚合物溶液在不同类型的分压工具中流动，其速度的变化程度也不同。当聚合物溶液流过内含式分压工具、从最小流道过渡到最大流道时，溶液处于散射状的层状流中，流动变化较为连续，速度的变化幅度较大。当聚合物溶液流过壁面式分压工具、从最小流道过渡到最大流道时，溶液处于射流状态下，扩散程度较大，且速度的变化不均匀，截面的变化程度相对较小，速度的变化幅度也较小。

3 结论

1）两种分压工具都具有降低聚合物溶液压力的作用，而内含式分压工具相比于壁面式分压工具对聚合物溶液的节流效果更强，压力下降的更明显。

2）聚合物溶液在两种分压工具的最小截面处流动时，速度变化大，黏度降低。相比于壁面式分压工具，溶液在内含式分压工具中受到的剪切应力更强，且黏度下降最大。

3）内含式分压工具相较于壁面式分压工具，能够使溶液产生更大的压降，但其黏度的下降也最大。根据具体的生产条件对两种类型的分压工具进行选择和优化，能最大程度减少驱替液的浪费。