分層注聚節流閥芯結構優化設計

尤波 鄒天洋 賈德利

摘要：為了解決分層注聚中聚驅試劑井下低剪切配注問題，提高聚驅試劑驅油效果，本文綜合比較了三種閥芯結構，進行了閥芯室內水利特性試驗，并進行了閥芯網格劃分，流場動力學仿真，得出了流線型降壓槽結構對聚驅試劑剪切率低、限流阻力大、粘度損失小且減少了更換頻率。運用FLUENT軟件模擬出流線型降壓槽結構不同槽數的閥芯對粘度損失率和節流壓差的影響，有效控制注入量為120m3/d，可產生控制壓差為30MPa，粘度損失率為<12%。提高了產油量，為聚驅分注工具統一奠定了基礎，對注聚區的穩定開發提供技術支撐。

關鍵詞：流線型降壓槽；流場仿真；粘度損失率；網格劃分；閥芯性能；水利特性試驗

DOI：1015938/jjhust201705003

中圖分類號： TE938

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0013-05

Layered Polymer Injection Throttle Valve Core Structure Optimization Design

YOU Bo1，ZOU Tianyang1，JIA Deli2

（1School of Automation， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China；

2Exploration and Development Research Institute of China National Petroleum Corp，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to solve the separate layer polymer injection in polymer underground low shear injection allocation problem and improve the oil displacement effect of polymer， this paper compares the three kinds of valve structure， spool indoor test， and a valve core grid partition， dynamic simulation of flow field. It is concluded that the streamlined pressure relief groove structure of polymer shear rate is low， the current limiting resistance， viscosity loss small， cast fishing success rate is high Injection allocation device resistance flow section adopts the streamline relief groove structure， using FLUENT software to simulate the aerodynamic pressure relief groove structure and different numbers of slots in the spool to the viscosity loss rate and the throttle pressure difference effect， when the flow in the range of 25～170m3/d can produce pressure 16MPa， shear degradation rate of less than 65% To improve the oil production， Increase oil production， which laid a foundation for polymer separate injection tools and unified， the stability of polymer injection development to provide technical support

Keywords：streamlined stepdown slot； flow simulation； viscosity loss rate； mesh generation； valve core performance； water conservancy characteristic test

收稿日期： 2016-03-10

基金項目： 黑龍江省青年科學基金（1500800211121）；哈爾濱市青年基金（2014RFQXJ165）

作者簡介：

尤波（1962—），男，教授，博士研究生導師；

鄒天洋（1991—），男，碩士研究生；Email：374789127@qqcom；

賈德利（1980—），男，博士研究生，教授

0引言

伴隨著我國傳統的水驅的方式不能滿足現有的采油環境，三次采油技術逐漸成為我國石油技術革新的重要環節，聚驅試劑驅油方式就是技術革新的重點。為了達到分層注聚的高效測調，偏心配注器阻流段節流閥芯的結構設計直接影響了聚驅試劑的驅油效果，因此，在傳統的節流閥芯的基礎上，對其結構進行優化設計，成為了三次采油的關鍵技術。由于閥芯機械構造的多變性，流經配注器的聚驅試劑受到機械剪切力作用，會使其粘度降低，由于聚驅試劑是假塑性非牛頓流體，粘度的降低會削弱聚驅采油效果。近幾年，油井中廣泛應用的偏心配注器節流閥芯存在著反復更換，不能連續測調，聚驅試劑剪切降解嚴重等問題[1]，造成采油率降低。因此，對閥芯三種不同結構，設計了室內水利特性試驗，分別分析了其對粘度損失率和壓差的影響，并對其中油田中常用的三種閥芯進行了流場動力學仿真和現場的水利特性試驗。得到了三種閥芯結構在配注量相同時對節流壓差和粘度損失率的影響規律，用FLUENT軟件擬合出了流線型降壓槽的不同槽數對粘度損失率及壓差的影響，為注聚連續可調工藝提供了理論依據，實現了不同配注量、不同層段注聚的要求。endprint

1閥芯結構對比分析及優化

11技術指標

有效控制注入量120m3/d，控制壓差30MPa，粘度損失率<12%。

12結構對比

為了得到最適合注聚區提高采油產量的閥芯結構，集各種分注工具[2]之所長，形成一套適用于聚驅試劑驅的分注工具，早日形成井筒標準化模式，提升整體分注水平。本文對比了相同內通徑，長度相近的錐狀梭形桿、梭形桿、流線型降壓槽三種不同閥芯結構，三種閥芯結構及實物對比如表1所示：

13有限元分析

131網格劃分

將三種閥芯內部作為求解區域，用有限的小方格劃分成簡單的子區域，將閥芯內部復雜的連續體等效成有限個單元的組合。分別對錐狀梭形桿、梭形桿、流線型降壓槽進行網格劃分，由于閥芯形狀的對稱性，我們截取半個閥芯結構進行網格劃分。選擇表1所示的三種閥芯尺寸建立流道模型，入口用inlet標定，出口用outlet標定，利用二維坐標系，將三維立體閥芯結構轉化成二維分析[3]。每節閥芯的網格數在12 000～20 000之間，如圖所示：（a）為流線型降壓槽流場網格圖，（b）為梭形桿流場網格圖（c）為錐狀梭形桿網格圖。

132計算解析

通過控制冪律非牛頓流體內部分子量及濃度調節聚驅試劑的粘度損失率，降低閥芯的剪切力，由此給出聚驅試劑的廣義雷諾數：

Re=Dnhv2-nρK8n-1=3173（1）

式中：

μ為聚驅試劑的運動粘度（m2/s）；

η為聚驅試劑的動力粘度（mpas）；

ρ為聚驅試劑的密度（kg/m3）；

Re為聚驅試劑的廣義雷諾數。

摩阻系數λ計算公式：

λ=-00235ln（Re）+02886，Re≤2000（2）

λ=-00897ln（Re）+07918，Re≥2000

求節流壓差：

Δp=2λnL0ρv2（D0-D1）（3）

式中：Δp為節流壓差，單位MPa；L0為節流芯子長度，單位mm。

通過計算得出了三種閥芯結構節流壓差[3]，為FLUENT仿真提供數據統計，得到圖2所示的流線型降壓槽仿真速度云圖。

133內部流場分析

利用FLUENT軟件分析出三種閥芯單個槽內流場的速度分布，如下圖2所示。從圖2仿真結果來看，當聚驅試劑流經流線型降壓槽，槽內底部緩沖區流線較稀少，閥芯內部流速較慢，流體對閥芯沖擊較小，能夠很大程度保持節流壓差，緩沖作用明顯，保證了節流閥芯可以在井下長期使用，減少了投撈次數。而梭形桿內部空間狹小，聚驅試劑經過，流速比較快，粘度損失比較大，錐狀梭形桿彌補了梭形桿的空間問題，但是空間利用率比較低且易產生回流現象。另外，增加注入的壓力，流線型降壓槽節流壓差增加越快，節流效果越好，更加適合作為注聚閥芯結構。

14室內水利特性試驗

對3種不同分注工具進行室內水利特性試驗，試驗要求：聚驅試劑注入量為30m3/d，配注濃度為2500mg/L，聚驅試劑的分子量為2500萬；注入壓力為40MPa；配注量為80m3/d。選擇槽數固定的投撈試湊法，投撈10次，檢測投撈成功率[3]。粘度計選擇旋轉粘度計，將通過節流閥芯前后的粘度差計為粘度損失。

圖3所示為試驗原理，將泵內注入聚驅試劑并打到配注機械裝置里，聚驅試劑流經ZDRO16P型調節閥，IFC100W型流量計（量程為0～60m3/h，精確度01）和CEMPX213型（量程為0～1MPa，精確度為02）壓力傳感器裝置，最后到達廢水池中，聚驅試劑流通期間，通過控制調節閥控制流量，經過渦街流量計測出流量，壓力傳感器測試前后壓力，將未經過試驗的溶液作為粘度測試的母液，流過壓力調節元件之后的溶液即為剪切后的溶液，每個閥芯進行10組實驗，取其平均值進行記錄并計算結果如圖4所示：

從室內水利特性試驗中看，我們可以分析出當聚驅試劑流經流線型降壓槽閥芯時，整個流場面積會發生變化，使得分子受到壓縮和拉伸[4]，分子形變產生了巨大的節流壓差，從而降低了粘度損失，符合對閥芯流場分析中得出的結論。

在表2所示的3種分注工具室內對比評價結果中可以得出，從室內投撈成功率來看，錐狀梭形桿和流線型降壓槽成功率較高；從室內水力特性得到，梭形桿和流線型降壓槽性能較好。

2流線型降壓槽閥芯槽數優化

21流線型降壓槽閥芯槽數對粘度損失率的影響

利用FLUENT仿真軟件模擬不同槽數的流線型降壓槽在不同的注入流量下粘度損失率[5]的變化。橫坐標為仿真測得的粘度損失，縱坐標為流量變化，繪制不同槽數這兩個因素的變化關系曲線如圖4所示：

從圖5可以看出，不同槽數的閥芯粘度損失率不一樣，不同流量相同槽數的的閥芯粘度損失率也不同，粘度損失率隨著槽流壓差的增加近似成正比關系，這說明聚驅試劑通過了更多節流部位，造成了更多的粘度損失，當槽數為5時，粘損率達到峰值，接近10%，不超過12%的性能指標，符合閥芯的優化設計要求。

22流線型降壓槽閥芯槽數對節流壓差的影響

運用FLUENT仿真軟件分析槽數不同的閥芯流量與節流壓差的流場，得到壓差分布曲線如圖5所示：

從圖6可以看出，節流壓差隨著閥芯槽數的增加而增加，近似呈乘冪關系，說明在不同槽數下，聚驅試劑流經更多的節流閥芯時，節流壓差不斷增加。

控制恒定流量時，隨著閥芯槽數的增加，聚驅試劑的剪切次數增多，導致了節流壓差的增大。從圖4中可以看出來，在閥芯槽數為4個或5個、流量達到60m3/d時，節流壓差達到峰值接近26MPa，但是不超過30MPa的性能指標，這也驗證了閥芯設計的合理性。endprint

3現場水利特性試驗

建立8種不同分子量、不同濃度聚驅試劑流量-節流壓差-粘損率關系系列化表格，基本涵蓋目前聚驅在用配方通過采集井下壓力數據，由函數關系求到實際注入量，并通過井上采集的電壓信號連續控制閥芯開度調節流量至50m3/d，測試井下控制設備運行正常，注入壓力為40MPa，配注量為80m3/d，聚驅試劑母液注入量為28m3/d，注入濃度為2500mg/L。計算每次測試的壓差和粘度損失率，整理如表3所示。

達到的性能指標：控制流量為50m3/d，節流壓差最大達到160MPa，粘損率62%，符合閥芯設計的要求。圖7所示為現場水利特性試驗試驗井現場圖。

4結論

本文探究了三種閥芯結構對于節流壓差及粘損率的影響，從閥芯的結構選擇及閥芯的槽數兩方面對閥芯進行了優化設計。

1）對三種閥芯結構進行了有限元分析，運用軟件FLUENT進行流場仿真，分析出三種閥芯內部流體速度云圖；進行了室內水利特性試驗，得到了不同流量下閥芯的粘度損失率關系曲線，驗證了流線型降壓槽的優勢。

2）對流線型降壓槽進行單獨試驗，分析了假塑性非牛頓流體在流經閥芯時，通過不同的槽數產生的壓差不同，致使粘度損失率不同。并進行了現場水利特性試驗，控制誤差在6%以內，符合設計要求。

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（編輯：關毅）endprint