可控定量配注器恒流閥恒流特性數值研究

王超，李明，劉廷峰，梁偉，李嘯南，張衛東，逯國成

(1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.中海油田服務有限公司油田生產研究院，天津 300450；3.勝利油田分公司井下作業公司，山東東營 257000)

勝利油田具有豐富的稠油資源，其98%的動用儲量是靠蒸汽吞吐開發，而平均采收率并不高。由于儲層縱向各層物性及原油黏度的差異，致使各層的吸汽能力差異較大，籠統注汽方式可能造成部分小層注入量不足或過多，無法滿足實際配注的要求，從而導致縱向動用不均，嚴重影響注汽效果。目前勝利油田單56等區塊的分層注汽工藝主要采用打孔篩管及均勻注汽配注器來實現，在實際應用過程中僅能滿足注氣量均勻分布而無法實現各層注汽不同定量的要求。根據分層注汽工藝原理設計的可控定量配注器，可實現各儲層間的注汽分配，滿足各儲層注汽量不同的需求，從而達到分層注汽的目的。

恒流閥作為可控定量配注器的核心部件，它的主要作用在于當油管、地層或氣液兩相流的壓力發生波動時，通過自動調節保持配注器流量在一定范圍，進而保證各層的注汽效果。文中利用FLUENT流體力學軟件對恒流閥內流場進行了數值模擬研究，以進一步認識閥內流動和確定維持恒流的壓差范圍。

1 恒流閥工作原理

1.1 橫跨恒流閥的壓差 (p1-p2)增加關閉孔板

如圖1，由于油管中壓力的增加或地層壓力的減小導致橫跨整個恒流閥壓差 (p1-p2)的增加，浮子壓縮彈簧從而縮小孔板的開度，直至通過孔板的流量恢復與之前一致。

圖1 恒流閥結構示意圖

1.2 橫跨恒流閥的壓差 (p1-p2)減小開啟孔板

如圖1，由于地層壓力的增加或油管中壓力的減小，彈簧將浮子推出孔板，從而擴大孔板的開度，直至通過孔板的流量恢復與之前一致。

2 恒流閥內流場數值模擬

2.1 恒流閥模型建立

流體在恒流閥腔內是三維流動，考慮到恒流閥腔體結構和流動的對稱性，采用二維軸對稱的幾何模型［1］進行數值模擬，如圖2所示。

圖2 恒流閥幾何模型

2.2 湍流模型及近壁區域的模擬

考慮到流體流動過程中近壁面影響和旋渦對湍流的影響，選用可以模擬低雷諾數和對旋渦計算可靠性更高的RNGk-ε模型［2-4］。流體流動經過縫隙，為考慮近壁面的影響，采用增強的壁面函數［5-7］。

2.3 邊界條件

邊界條件定義為速度入口和壓力出口［8］，假定壁面絕熱，壁面與流體之間沒有熱交換。模擬流體介質為水，為對比不同入口流速和出口壓力對恒流閥內部流場的影響，選定3種工況，其邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件參數設置

3 模擬結果分析

3.1 不同出、入口條件下恒流閥內流場

圖3、圖4所示分別為3種不同工況下的速度矢量場計算結果和流線場。由圖中可以看出:3種工況最高流動速度分別為1.39、1.39、16.3 m/s，出現在浮子與固定孔板之間的縫隙處，且在縫隙下游形成回流 (圖3、圖4所示區域Ⅰ、Ⅱ)。回流是下游區域流動的主要特征，下游區域發生流體的分離現象，形成兩個旋渦，一個位于縫隙的拐角處 (區域Ⅰ)，尺度較小;另一個位于縫隙下游 (區域Ⅱ)，尺度較大。從流線的疏密程度可以判定:縫隙拐角處區域Ⅰ的旋渦強度較強，縫隙下游區域Ⅱ的旋渦強度較弱，由回流形成的兩個旋渦消耗了主流運動的能量，導致壓降和能量的降低。

圖3 不同出、入口條件下速度矢量場

圖4 不同出、入口條件條件下流線場

圖5所示為3種不同工況下的靜壓場計算結果，其中工況1所示結果為出口表壓18 MPa的相對值。浮子與固定孔板縫隙處流體高速噴射，由伯努利方程可知，此處壓力降低較快 (圖5區域Ⅲ)。旋渦中心壓力也較低 (圖5區域Ⅰ)。工況1與工況2的壓力場變化趨勢基本一致，工況3由于流場中旋渦強度和尺度明顯增加，產生的壓降和能量損失增大，旋渦壓降范圍也有所擴展。

圖5 不同出、入口條件下靜壓場

3.2 不同彈簧壓縮量下恒流閥內流場

如圖6所示，為保持入口流速v=0.042 m/s、p2=18 MPa時，不同彈簧壓縮量下流線場。

圖6 不同彈簧壓縮量下流線場

隨著浮子逐漸下移，彈簧壓縮量不斷增加，縫隙尺寸持續減小，流場中旋渦的尺度和強度也跟著發生改變，縫隙拐角處旋渦尺度不斷增加，旋渦中心基本保持與浮子下表面平齊且流線不斷加密導致旋渦強度增加，而縫隙下游旋渦尺度不斷減小，流線持續變疏導致旋渦強度減小。

3.3 恒流閥恒流特性

如圖7所示，維持恒流所需出、入口壓差Δp的變化范圍在900～7 400 Pa之間，且基本呈線性變化。浮子的移動依靠浮子前后壓差和彈簧的彈力，由彈力計算公式F=k·ΔL(k為彈簧勁度系數 (常數))可知，彈簧的彈力呈線性變化，因此在不同彈簧壓縮量的條件下，維持流量恒定的壓差Δp越接近于線性變化，其恒流特性就越好。影響Δp的最關鍵因素在于縫隙尺寸，而浮子的型面曲線決定了浮子與固定孔板間的縫隙尺寸。如圖8所示:出、入口壓差在0～900 Pa之間時，流量變化較快，這往往出現在恒流閥的啟動過程中，穩定工作狀態應避免此壓差范圍;當壓差達到7 400 Pa，彈簧完全壓縮，此時再增加出、入口壓差Δp，由于縫隙尺寸不變，導致流量持續增加，從而破壞恒流狀態。

圖7 出、入口壓差Δp與彈簧壓縮量關系

圖8 流量與壓差Δp關系

4 結論

利用FLUENT流體力學軟件，采用RNGk-ε湍流模型和增強的壁面函數模擬了恒流閥內流場，得到如下結論:

(1)恒流閥內最高流速出現在浮子與固定孔板之間的縫隙處，且在縫隙下游形成回流。下游區域發生流體的分離現象，形成兩個旋渦，消耗了主流運動的能量，導致壓降和能量的降低。

(2)在維持流量恒定的條件下，隨著彈簧壓縮量不斷增加，縫隙拐角處旋渦尺度不斷增加，旋渦中心基本保持與浮子下表面平齊且流線不斷加密導致旋渦強度增加，而縫隙下游旋渦尺度不斷減小，流線持續變疏導致旋渦強度減小。

(3)對于流體介質為水的閥內流動，維持恒流所需出、入口壓差Δp在900～7 400 Pa之間。

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