三元復合驅替液取樣器的結構與流場模擬研究

臧銘浩 侯磊 孫籠籠 李龍 張皓嶠

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室·石油工程教育部重點實驗室

2中油（新疆）石油工程有限公司設計分公司

三元復合驅技術將堿、表面活性劑、聚合物三種化學劑配制在一個體系中，既利用它們原有的作用，又能發揮化學劑間的協同效應，是一種具有發展前景的三次采油技術[1]。聚合物的作用主要是提高驅替液的黏度，擴大三元體系在油層中的波及體積，改善水油流度比，從而提高原油采收率[2-4]，因此黏度是影響驅油效果的決定性因素[5]，需要定期進行取樣監測。三元復合驅替液是一種對剪切十分敏感的流體，剪切作用會使高分子鏈發生變形和取向，達到一定程度可以使大分子締合程度降低，導致其黏度嚴重下降[6-7]。

孔繁榮等[8]通過實驗發現，在剪切速率為3.11～7.76 s-1時，聚丙烯酰胺驅油劑黏度沒有變化或略有上升，這是由于剪切速率較小，不足以剪斷聚合物高分子鏈，反而促進了聚合物在水中的進一步溶脹。曹廣勝等[9]研究發現，三元復合體系在較高剪切速率下流變特性符合非牛頓冪律流體，即其黏度與剪切率相關，剪切率越高，黏度降低幅度越大，雷巧會等[10]對此進行實驗發現這種黏度損失是不可恢復的。為了使取出的樣品準確地反映流程中驅替液的黏度情況，必須盡可能地降低取樣過程中的剪切作用。劉勤等[11]針對液罐式取樣器閥門多、各部件連接不便且對聚合物溶液剪切高的問題進行了分析，取消了總閥和取樣閥，精簡了結構，但是仍存在頂替不徹底的問題。劉海濤等[12]根據液體的不可壓縮性設計出一種背壓結構取樣器，這種取樣器雖然滿足低剪切的要求，但是取樣前需要拆下手柄向背壓腔中注水以平衡配注壓力，操作繁瑣。丁明華等[13]則在液罐式取樣器的基礎上改進出一種盤管式取樣器，這種取樣器便于頂替被剪切液，但是會造成大量驅替液的浪費，頂替過程還降低了取樣效率。李建雄等[14]利用常規閘門、球閥和壓力表等設備優化了聚合物井口取樣流程，但是增加了取樣系統的復雜程度。本文設計一種通過螺紋配合來控制活塞移動的低剪切取樣器，取樣前無需注水操作，需要頂替的液量也大大減少，提高了取樣效率且沒有增加系統復雜度，并在完成設計后對取樣過程進行了流場模擬與分析。

1 技術分析

1.1 結構組成

低剪切取樣器的結構如圖1所示，主要包括螺桿、取樣器主體、活塞主體、手柄、壓帽、活塞壓片、密封圈、排液閥等。主體前端通過螺紋配合與流程閥門連接；前端帶圓盤的螺桿嵌入活塞主體的凹槽內，然后將活塞壓片貼合在圓盤后焊接緊固，裝入取樣器主體，這種設計能夠避免密封圈隨著活塞主體做復合運動，可避免磨損問題；螺桿尾部開有通孔，供手柄插入提供轉動力矩，便于旋擰；壓帽通過螺絲與主體連接，中心開有螺孔與螺桿配合控制活塞移動；活塞主體上設有兩個密封圈以加強密封效果；排液閥通過螺紋連接從而與取樣器主體相連。取樣器主體總長250 mm，主體最大外徑70 mm，工作壓力≤25 MPa，容量425 mL。

圖1 低剪切取樣器Fig.1 Low shear sampler

1.2 工作原理

取樣前，將取樣器連接到流程閥門上，把螺桿活塞旋進到取樣器主體最前端；取樣時，先打開流程閥門，少量驅替液迅速充滿取樣器前端細管，此時保持活塞不動，打開排液閥排出這部分液體后關閉排液閥；然后旋擰手柄，螺桿活塞慢慢后退，樣品以很低的流速均勻充滿取樣腔；當旋退至最末端后，關閉流程閥門，打開排液閥，反方向旋擰活塞桿，樣品以很低的速度排進取樣瓶，取樣完成。

2 取樣器內流場模擬與分析

2.1 建模及網格

某油田在用的盤管式取樣器盤管內徑為1.5 cm，取樣腔容量450 mL，據此設計取樣器內腔長16 cm，內徑6 cm，進液細管和排液細管內徑均為1.5 cm。使用ICEM-CFD軟件進行取樣器二維建模，在劃分網格時選擇精度更高的四邊形網格，將活塞簡化成動邊界。圖2為網格圖片，橙色區域在進液時為進口端，邊界類型為inlet，采用1.6 MPa 壓力入口條件；藍色區域在進液時為封閉區域，邊界類型為wall；排液時，橙色區域為封閉區域，邊界類型為wall，藍色區域為出口端，邊界類型為outlet，采用0.1 MPa 壓力出口條件；綠色區域為流道，左邊界為可移動活塞面，邊界類型為move。

圖2 取樣器二維網格Fig.2 Two-dimensional grid of sampler

網格劃分完成后指定了可移動活塞面move，由于邊界運動無變形及其他復雜設定，且運動速度沒有任何函數關系，因此采用profile文件來控制網格中活塞面的移動。為了實現低剪切取樣，活塞移動應盡可能慢，但是移動越慢所需的取樣時間就越長，權衡兩者后設置活塞面的移動速度為0.53 cm/s，即在30 s 內活塞面旋退16 cm 的距離到達取樣腔尾部，再用30 s 旋進16 cm 到取樣器前端將樣品排出。實際操作中雖達不到確定的精度，但應保持在25～35 s內均勻地完成一個行程。

2.2 理論模型及流態判別

2.2.1 控制方程

根據質量守恒定律，單位時間內流入控制體的質量等于控制體內質量的增加量，據此推導出不可壓縮流體流動的連續性方程

式中：ρ為密度，kg/m3；u為x方向上的速度，m/s；v為y方向上的速度，m/s；w為z方向上的速度，m/s。

動量守恒定律可表述為：在某一瞬時，系統的動量對時間的變化率等于作用在該系統上的合外力。根據此定律可分別列出控制體在三個坐標上的微分方程，對于不可壓縮流體，動量守恒方程表達式如下

式中：p為微元體上的壓力，Pa；fx、fy、fz為微元體上的質量力在三個方向上的分量，m/s2。

2.2.2 黏度模型

對非牛頓流體表觀黏度η而言，其剪切應力τˉ可以描述為

其中表觀黏度η為變形率張量的函數。在FLUENT 內采用的非牛頓流體模型中，被定義為僅與剪切速率有關的函數。

非牛頓冪律流體的本構方程為

冪律流體表觀黏度表達式為

式中：k為稠度系數，Pa·sn；n為流變指數；T0為參考溫度，℃。

本研究驅替液的稠度系數為1.543 Pa·sn，流變指數為0.28。

2.2.3 流態判別

在符合工程實際的情況下，采用冪律流體臨界雷諾數判別法對驅替液在管內流動時的流態進行判別[15]，公式如下

式中：Re為冪律流體雷諾數，當Re≤2 000時為層流，反之為湍流；D為流道內徑，m；ρ為驅替液密度，kg/m3；v為驅替液流速，m/s。

將驅替液流動參數代入式（7），出入口細管內和取樣腔內的雷諾數均小于2 000，判定流動狀態為層流。

2.3 取樣過程模擬研究

2.3.1 進液過程

取樣器連接到流程閥門后，打開流程閥門，驅替液以不滿流狀態充滿取樣器入口細管，且由于經過流程閥門的剪切，已經大量降解，不能作為檢測樣品，因此將其通過排液閥頂替出去；頂替完成后關閉排液閥，旋擰手柄，控制活塞緩慢后退，驅替液逐漸進入取樣腔。圖3 為活塞后退過程中10、20、30 s 時的黏度變化云圖。由圖3 可見，10 s 時活塞已經后退了5.3 cm，取樣腔內大部分區域中的樣品沒有受到剪切，中心處由于細管持續進液的影響，存在流動剪切，但是在慢速流動狀態下，鏈纏結結構沒有被破壞，不會造成驅替液黏度的不可逆損失，這種狀態一直保持到30 s時進液完成。

圖3 進液過程黏度云圖Fig.3 Inlet process viscosity cloud

2.3.2 排液過程

進液結束后，關閉流程閥門，打開排液閥，旋擰手柄控制活塞緩慢前進，將樣品排入取樣瓶中。圖4 為排液過程中10、20、30 s 時的黏度變化云圖。由圖4 可見，10 s 時取樣腔內樣品黏度不受剪切，出口細管內由于管徑較小，存在流動剪切，但是排液速度足夠慢，剪切不會破壞高分子鏈纏結結構，因此對樣品黏度沒有實質影響，這種狀態一直保持到30 s時排液過程結束。

2.3.3 取樣器的進一步優化

從進液過程和排液過程的黏度云圖可以看出，取樣腔內的驅替液幾乎不受剪切，而在細管與取樣腔交界的變徑處以及出口細管和入口細管的交界處存在較大剪切，排液過程中這兩個位置的剪切尤其明顯，圖5 為其速度矢量圖。從圖5 可以看出，兩個位置處的樣品流速矢量均發生顯著變化，這是因為流道發生改變，取樣器內局部速度梯度顯著增大，同時流道邊緣又十分尖銳，會對樣品造成較大剪切。因此對這兩個位置做光滑倒角處理，同時配合該取樣器取樣時的低流速，可以避免樣品黏度的實質性損失。

3 結論

（1）新型低剪切取樣器操作簡單，取樣前無需拆裝注水，需要頂替的液量也大大減少，可提高取樣效率；同時螺紋配合控制活塞的設計使取樣器可以適用于更大壓力的工作場合，活塞的模塊化設計則可避免密封圈的劇烈磨損問題。

（2）經過數值模擬分析，發現取樣腔內樣品幾乎不受剪切，出入口細管內的流動剪切雖然比取樣腔內的剪切大，但是樣品流速很低，同時配合尖銳流道的光滑倒角處理，高分子鏈纏結結構不會被破壞，因此這種取樣器結構在取樣過程中能最大程度保持樣品黏度，便于準確測試流程中驅替液的真實黏度。