聚合物驱分层注入井节流装置的压损规律研究

韩文强 刘兴斌 刘 昭 杨韵桐

(1.东北石油大学物理与电子工程学院 2.大庆油田有限责任公司第一采油厂)

0 引 言

注水技术是普遍应用的开发技术，但是长时间的注水开采会造成比较严重的指进现象，对多油层同时开发油田会产生层间矛盾，易出现大孔道，导致水驱波及体积变小，严重影响油田的采收率。聚合物驱是注入高分子非牛顿幂律流体进行开采。非牛顿幂律流体具有分子链长、黏度高和高黏弹性的特点，能够有效增加驱替的波及体积，减小层间矛盾，进一步提高采收率。聚合物分注技术在大庆油田率先提出并使用。1993年，大庆油田第一个工业化规模的现场试验区——北一断西区块开始了聚合物驱的试验，通过聚合物驱，成功提高了采收率，比水驱提高12.6%。大庆油田在一类油层和二类油层大规模应用聚合物驱，可以提高采收率幅度达10%以上[1-2]。

为了解决大庆油田聚合物驱开发过程中好油层与差油层之间的矛盾，采用注入聚合物进行驱油的方法进行了试验。然而，发现该方法虽然在一定程度上改善了注入剖面，但并未从根本上解决层间矛盾。同时，以往采用的笼统注入方式下，好油层与差油层之间的矛盾问题更加突出。为了提高开采效率，需要探索更加有效的聚合物驱开发方法[3-8]。与分层注水工艺类似，聚合物驱采用分层注入工艺也会有效改善层间矛盾[9]。大庆油田应用了聚合物驱单管多层注入工艺[10]。在北二西东块开展的试验结果表明，使用分层注入节流装置可以有效改善非均质油层的开采效率，该工艺采用聚合物分层注入节流装置实现聚合物在井下的分层注入。在配注器上采用专用的节流装置，此装置为了实现分层流量调节必须要产生一定的压力损失。与此同时，节流装置又要减小对聚合物长分子链的剪切作用，降低黏度损失，保持聚合物溶液原有的特性，避免降低驱油效果。然而，由于现场试验的成本较高，所以优化工艺和选择工具方面存在一定的限制[11]。

目前对于聚合物驱油分层注入节流的研究，主要依赖于物理试验为主、数值模拟技术为辅的方法。这种研究方法可以在实验室中对聚合物分层注入节流的效果进行验证和评估，同时也可以利用数值模拟技术来进一步分析和优化该工艺的性能。单晶等[12-14]通过室内试验研究了聚合物分层注入工艺，并对工具与油层渗透率的匹配性进行了验证和优化，为不同渗透率的油层适合的分子量进行了匹配性试验。刘崇江等[15-16]利用数值模拟软件研究了不同结构参数的分质工具，并优化了其结构，为后续室内分子量调节试验提供了支持。刘合等[17]确定了聚合物溶液在不同条件下的剪切降解边界条件，依据此研制的阀形低剪切流量调节器在生产现场进行了黏损率测试，并取得了满意的效果 。耿朝晖等[18]提出偏心分压分质注聚工艺的研究思路，利用降压配注器对高渗透层实施低压高黏度注聚，对低渗透层利用降解配注器实施低黏度高压注聚，对不同渗透层注入聚合物黏度规律做了较多的研究。尤波等[19]对不同结构的节流装置所产生的黏损做了研究，验证得出，流线型的结构在聚合物注入时所造成的黏损最小。

上述已有的研究在不同结构的节流装置的黏损规律方面做了较多的工作，但对节流装置的压力损失规律研究以及影响因素没有得到足够重视，而节流装置正是通过压力损失来实现分层流量调节的。压力损失规律对注聚合物井分层流量调节、实现油藏工程给出的分层流量配注方案非常重要。笔者利用数值模拟软件Fluent对不同结构参数下的节流装置进行了模拟，研究结果可为聚合物分层注入工艺的优化提供一定的指导和参考，也可为提高分层流量调控的精度提供支持。

1 数值模型建立及参数设置

1.1 建立几何模型及网格划分

在设计节流装置时，采用光滑曲面结构来设计节流装置，以减少摩擦损失并增加过流面积，从而有效降低注入体系的黏度损失。为了实现合理的节流控制，通过调整降压槽的管芯环数和过流面积来方便地调节节流压差。这些设计和调节手段可以有效地提高节流装置的性能和稳定性，为聚合物分层注入工艺的应用提供更为可靠和高效的支持。

1.1.1 基本控制方程

针对聚合物流体在节流装置流场中的流动特性，假设在数值模拟中不考虑热传导和热力学过程，并且忽略重力作用。为了更准确地模拟流动行为，采用非牛顿流体的湍流模型。

(1)

(2)

式中：p为压力，Pa；τij为分子的黏性应力张量，Pa；ρ为流体的密度，kg/m3；ui、uj为流体的速度，m/s。

1.1.2 幂律流体方程

(3)

(4)

简化后，非牛顿幂律流体的黏度表达式为：

(5)

在使用Fluent模拟非牛顿流体过程中，流体黏度可变，需要设置表观黏度的上限和下限。这些限制条件可以有效地控制模拟过程中流体黏度的变化范围，从而提高模型的计算精度和稳定性。这种方法已经被广泛应用于聚合物分层注入工艺等领域的数值模拟中。

(6)

设计了3种不同结构的节流装置，并使用Design Modeler建立了相应的环空流体区域。3种结构的外部套管直径均为20 mm，最小环空距离均为0.45 mm，槽数均为9个，半圆形的管芯半圆直径为3 mm，流线型槽间距为13 mm，坡角20°，梭形槽间距为13 mm。3种结构的固体模型和流体区域如图1所示。管芯中心呈对称结构，增强了仿真计算和现场数据贴合性，使得数值模拟过程更接近现场操作，采用三维建模和模拟计算。影响节流装置压力调节效果的主要是管芯环数和环空距离。利用Meshing对建立的模型进行网格划分。在进行节流装置的模型设计时，为了达到流体注入时能均匀接触，以及在流出截面压力能分布均匀，在节流装置的流入和流出阶段均设置10 mm的圆形流动空间。3种节流装置的仿真模型如图2所示。

图1 节流装置流体区域说明Fig.1 Description of the fluid area in the throttling device

图2 3种节流装置仿真模型Fig.2 Simulation models of three throttling devices

节流装置实物结构如图3所示。管芯结构为周期性的多梭状结构，改变梭状结构与外套管重合的长度，当聚合物流体流经环空部分，其速度场、压力场也会呈现周期性变化，通过周期性连续的断面收缩和断面扩张，最终实现压力降低，进而调节流量。

图3 节流装置实物图Fig.3 Picture of the throttling device

3种节流装置具有不同的结构，当流体进入节流装置之后，流体的流场变化具有较大差异，这也导致了3种结构的节流装置所达到的压降效果有较大的差异。当节流装置调节分层注入时，电机可以带动节流装置的芯体进行伸入和拔出，由此改变芯体伸入的长度，也就精准地改变了节流装置所形成的压降。

1.2 设置计算模型参数

模型左侧设置为速度入口，入口速度由流速与流量的计算公式得到：

Q=Sv

(7)

式中：Q为分层注入的流量，m3/d；S为流体流过的横截面积，m2；v为分层注入的流速，m/s。

经计算，当配注流量为100 m3/d时，流速为3.69 m/s。

水力直径DH通用计算公式为：

(8)

式中：Ain为流体流过的横截面积，m2；Cin为流体流过截面的周长，m。

经过上述公式的计算，流体的水力直径设置为20 mm，湍流强度设置为5%。因为节流装置的套管固定不动，所以壁面的边界条件设置为无滑移边界，壁面附近采用标准的壁面函数。节流装置出口设置为压力出口。采用的流体为用户自定义流体，密度为1 000 kg/m3。模拟中采用稳态计算(steady state)，流场计算采用标准k-ε模型。针对求解器进行了具体的设置。在这个过程中，选择SIMPLEC作为压力-速度耦合方式，并使用Least squares cell格式来计算梯度。对于湍动能和湍流耗散率，开始采用一阶迎风格式，之后转而使用二阶迎风格式。这些设置的目的是为了在计算过程中提高精度和稳定性，以确保模型的可靠性。

2 模拟结果分析

在能达到现场压降为3 MPa和配注量为100 m3/d的前提下，设置节流装置的管长为140 mm，管芯环数为9个，环空距离为0.45 mm。参数设置好之后，进入仿真软件进行仿真，直至仿真结果收敛停止仿真。

仿真结果如图4所示。

图4 流场仿真图Fig.4 Flow field simulation diagram

由图4可知，3种结构压降分布都比较均匀，随着管芯长度的深入，流经节流装置的流体压力逐渐降低。流体流经节流装置时，速度的突变主要发生在管芯与套管距离最小附近，说明压降主要发生在此区域。流线型结构相对于另外2种结构前槽角较小，流体在流经管芯和套管最狭窄的区域时经过较大的缓冲，流线型的速度突变最小，半圆形、梭形、流线型节流装置的压力损失分别为6.79、7.95、9.86 MPa。

(1)管芯环数与压降的仿真结果分析。在能达到现场压降为3 MPa和配注量为100 m3/d的情况下，对3种结构采取控制变量法进行数值模拟，首先保持环空距离为0.45 mm不变，改变管芯环数，得到3种结构的管芯环数与压降关系的数值模拟结果，如图5所示。

图5 管芯环数与压降仿真结果图Fig.5 Simulation results of core ring number and pressure drop

由图5可知，在保持环空距离和流量不变的情况下，3种结构的压降与管芯环数呈近似线性关系，其中当增大管芯环数时，流线型的压降变化率最大，调控能力相对较强。

(2)环空距离与压降的仿真结果分析。在保持管芯环数为9个和配注量100 m3/d不变的情况下，3种结构的环空距离与压降关系的数值模拟结果如图6所示。

图6 环空距离与压降仿真结果图Fig.6 Simulation results of core ring number and annulus spacing

由图6可知，在保持管芯环数为9个和配注量100 m3/d不变的情况下，当环空距离刚开始发生变化时，压降随环空距离的增大迅速减小，随着环空距离的不断增大，压降的变化逐渐平稳。3种结构的压降与环空距离都近似呈二次函数关系，其中当环空距离变化相同时，流线型的压降最大。当环空距离达到高于0.7 mm时，3种结构压降趋于一致。在较小的环空距离下，流线型结构调控能力相对较强。

(3)流量与压降关系的仿真结果分析。在保持管芯环数9个和环空距离0.45 mm不变的情况下，3种结构的流量与压降关系的数值模拟结果如图7所示。

图7 流量与压降的仿真结果图Fig.7 Simulation results of flow rate and pressure drop

由图7可知，在保持管芯环数9个和环空距离0.45 mm不变的情况下，3种结构的压降与流量呈近似线性关系。其中，改变相同的流量，在流量区间为30～40 m3/d时，梭形的压降最大。在流量区间40～100 m3/d时，流线型的压降最大，调节能力最强。

3 结 论

通过数值模拟，得到了压降和流量、管芯环数以及环空距离的变化规律，而节流装置正是通过压力损失来实现分层流量调节的，因此可以通过改变影响节流装置压降的参数进行精准的流量调控。通过分析，可以得到如下结论：

(1)专用的聚合物驱分层注入节流装置通过周期性连续的断面收缩和断面扩张，最终能够实现较均匀的压力降低，进而调节流量。

(2)在管芯环数和环空距离确定时，随着流量的增大，压降也逐渐增大，压降和流量呈近似线性关系；在流量和环空距离确定时，随着管芯环数的增加，压降也逐渐增大，压降和管芯环数呈近似线性关系；在管芯环数和流量确定时，随着环空距离的增加，压降迅速减小，压降和环空距离呈近似二次函数关系。在管芯环数、环空距离和流量确定时，流线型结构的节流装置能够实现的压降最大。

(3)上述结论能针对不同的现场需要设计出相应的专用节流工具，并通过本文陈述的方法得到压损的规律，可应用于聚合物驱分层注入精准的流量调控，对现场分层流量调控有指导意义。