強堿三元復合驅分子量調節器結構優化

鄭 杰，王春生，王曉虎，王 旭，王 巖

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）①

強堿三元復合驅分子量調節器結構優化

鄭 杰，王春生，王曉虎，王 旭，王 巖

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163318）①

大慶油田三元復合驅驅替對象已經逐步轉向二、三類油藏，采用籠統注入方式導致油藏動用程度不均，影響三元復合驅的開發效果。在此基礎上優化設計低滲透層分子量調節器，利用控制變量法分別改變噴嘴收縮段角度、圓柱段長度、擴散段角度、噴嘴擴散角度并建立模型。應用Fluent軟件模擬模型流場特性，得到低壓降、高黏損的模型。數值模擬與對比分析表明：收縮角度為30°的模型在同等壓降下黏損率相對較大，滿足現場需求，為分子量調節器結構優化提供了理論依據。

三元復合驅；分子量調節器；優化；數值模擬

根據大慶油田采油實踐得知，聚合物驅比水驅采收率至少多出10百分點，為保證大慶油田穩產、高產起到非常重要的作用。由于大慶油田油藏非均質性嚴重，若采用以往的籠統注入方式，滲透率高且發育較好的油層驅替效果好；而低滲透率、發育不好的油層驅替效果較差，致使油藏動用程度不均，這將大幅影響聚合物驅采收效果。由此提出分層注入，即限制高滲透層注入量的同時保證低滲透層注入量。針對此問題研發了分子量調節器，通過調節分子量調節器尺寸來控制三元復合溶液流經配注器時的壓降與黏損。但憑借經驗調解調節器尺寸有一定的盲目性，因此通過理論研究與實踐結合，對調節器結構進行優化［1-2］。

1 分子量調節器

1.1 結構

分子量調節器結構如圖1，由井下工作筒和堵塞器2部分組成。由于薄差油層層間矛盾大、分注層段多，采用偏心式結構，通過投撈更換堵塞器，改變噴嘴直徑來調節注入低滲透油層的聚合物分子量［3-5］。

圖1 分子量調節器結構

1.2 工作原理

如圖2，根據機械降解原理，即聚合物分子呈柔性鏈的結構，在水溶液中以顆粒、枝狀結構以及網狀結構的微觀形式存在。由于聚合物溶液流動過程中流速急劇變化，可產生使得分子鏈斷裂與分解的剪切應力，從而改變了聚合物分子的形態與尺寸，導致分子量的降低［6-7］，如圖3。

圖2 分子量調節器工作位置

圖3 聚合物長鏈斷裂

1.3 數值模擬條件假設

為了滿足數值解析的可行性，對本分子量調節器元件的模型作下列基本假定：①計算中不考慮流體重力的影響；②假定分子量調節器沒有徑向間隙，無泄漏；③假定為單相流；④假定在系統內部流體無熱傳導現象，且流體黏度不受溫度的影響；⑤假定流場內流體與壁面不存在化學反應；⑥假定ASP流體是不可壓縮的［8-9］。

1.4 建立物理模型

二維常規模型如圖4所示，其中：噴嘴入口直徑為20 mm，噴嘴收縮角度為α，噴嘴收縮段長度為10 mm，圓柱段長度L1、擴散段長度L2，擴散角度β，總長度為50 mm。

圖4 常規模型二維示意

分子量調節元件的基本參數由大慶油田提供，其計算區域具有軸對稱性，只對截面的1／2進行計算。在邊界條件的設置中已將中心線設置為軸對稱，并在GAMBIT中建立此模型。

2 數值模擬結果

分子量調節元件腔室各個參數取值為：分子量調節元件總長度L＝50 mm；入口直徑D＝20 mm；流量犙＝40 m3／d；流體密度ρ＝998.2 kg／m3；噴嘴收縮角度α分別取30°、60°、80°；圓柱段長度L1分別取4.1、5.1、6.1 mm；擴散段長度L2分別取5.4、6.4、7.4 mm；擴散角度β分別取20°、30°、40°。利用控制變量方法分別模擬分子量調節元件內流場狀態，研究α、L1、L2、β對分子量調節器的影響。通過觀察不斷調整α、L1、L2、β后的模擬結果，如表1～4。其中型號的格式為α-L1-L2-β。

表1 不同噴嘴收縮角模擬結果數據

表2 不同圓柱段長度模擬結果數據

表3 不同擴散段長度模擬結果數據

表4 不同噴嘴擴散角度模擬結果數據

以三元復合驅溶液流經30-20-4.1-5.4、60-20-4.1-5.4、80-20-4.1-5.4型號為例，分子量調節器壓力、黏損云圖如圖5。

通過大量地模擬三元復合驅溶液在分子量調節器中的流動，得到的模擬結果表明：

1） 壓力分布具有軸對稱性，壓力在入口處達到最大值，并隨著噴嘴收縮壓力逐漸減小，在圓柱段處達到最小值。隨后在噴嘴擴散段處壓力再次增大，隨后慢慢趨于平穩，在出口處有所波動。

2） 黏度分布同樣也具有軸對稱性，三元復合驅溶液的黏度在噴嘴擴散段與收縮段內壁處變化明顯。流體黏度在圓柱段達到最大值后又迅速衰減，并在擴散段處達到最小值。

圖5 不同噴嘴收縮角數據壓力和黏損分布云圖

3） 速度分布也具有軸對稱性，三元復合驅溶液在入口處速度響度平穩，在噴嘴收縮段開始速度迅速增大，并在噴嘴圓柱段達到最大值，進入擴算段后，三元復合驅溶液與周圍流體發生強烈的剪切作用，速度衰減。三元復合驅溶液從噴嘴擴散段流入圓柱腔室后，與周圍相對靜止流體發生剪切作用，形成渦流。

3 結論

1） 速度分布、壓力分布、黏度分布都具有軸對稱性。

2） 調整收縮段角度使其增大，則壓降逐漸增大，噴嘴收縮段處黏度逐漸降低；調整圓柱段長度使其增加，則圓柱段內壓力變化相對緩慢，總體圓柱段前后壓力變化不大，圓柱段處黏度逐漸增大；調整調節器擴散段長度使其增加，則擴散段內壓力變化相對緩慢，總體圓柱段前后壓力變化不大，擴散段處黏度變化不大；調整分子量調節器擴散角度使其增大，則擴散段內壓力遞增，圓柱段是壓力拐點，擴散段處黏度變化不大。

3） 通過對比分析范例數據，比較相對黏度可知：收縮角度為30°的模型大部分都為低壓降、高黏損；且收縮角度為30°，變化其他變量時，對相對黏損率影響不大，滿足現場需求。

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Optimizing Structure about Strong Base ASP Flooding Molecule Weight Adjusting Mechanism

Daqing Oilfield ASP flooding drive target gradually change to the second and third reservoir.The general injection leads to uneven producing degree and seriously affects the developing. On this basis，the molecular weight is optimized and designed，and change the nozzle angle of diffuser section，cylinder length，diffuser angle，nozzle angle to establish models using the method of control variables.These models flow field characteristics are simulated by using Fluent software，and finally find some low pressure drop and high stick loss rate models.Through analyzing and contrasting large of models，it is found that shrinkage angle is 30 degree models under the same pressure drop condition the stick loss rate relativity high.These models are suitable for the play field requirements and provide theoretical basis for the molecular weight regulator structure optimization.

ASP flooding；molecular weight；optimizing；numerical simulation

TE934

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.005

1001-3482（2014）09-0018-04

2014-02-18

鄭 杰（1989-），女，黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事復雜流體流動與數值模擬研究，E-mail：zhengjiesmile＠126.com。