聚合物驅分層注入井節流裝置的壓損規律研究

韓文強 劉興斌 劉 昭 楊韻桐

(1.東北石油大學物理與電子工程學院 2.大慶油田有限責任公司第一采油廠)

0 引 言

注水技術是普遍應用的開發技術，但是長時間的注水開采會造成比較嚴重的指進現象，對多油層同時開發油田會產生層間矛盾，易出現大孔道，導致水驅波及體積變小，嚴重影響油田的采收率。聚合物驅是注入高分子非牛頓冪律流體進行開采。非牛頓冪律流體具有分子鏈長、黏度高和高黏彈性的特點，能夠有效增加驅替的波及體積，減小層間矛盾，進一步提高采收率。聚合物分注技術在大慶油田率先提出并使用。1993年，大慶油田第一個工業化規模的現場試驗區——北一斷西區塊開始了聚合物驅的試驗，通過聚合物驅，成功提高了采收率，比水驅提高12.6%。大慶油田在一類油層和二類油層大規模應用聚合物驅，可以提高采收率幅度達10%以上[1-2]。

為了解決大慶油田聚合物驅開發過程中好油層與差油層之間的矛盾，采用注入聚合物進行驅油的方法進行了試驗。然而，發現該方法雖然在一定程度上改善了注入剖面，但并未從根本上解決層間矛盾。同時，以往采用的籠統注入方式下，好油層與差油層之間的矛盾問題更加突出。為了提高開采效率，需要探索更加有效的聚合物驅開發方法[3-8]。與分層注水工藝類似，聚合物驅采用分層注入工藝也會有效改善層間矛盾[9]。大慶油田應用了聚合物驅單管多層注入工藝[10]。在北二西東塊開展的試驗結果表明，使用分層注入節流裝置可以有效改善非均質油層的開采效率，該工藝采用聚合物分層注入節流裝置實現聚合物在井下的分層注入。在配注器上采用專用的節流裝置，此裝置為了實現分層流量調節必須要產生一定的壓力損失。與此同時，節流裝置又要減小對聚合物長分子鏈的剪切作用，降低黏度損失，保持聚合物溶液原有的特性，避免降低驅油效果。然而，由于現場試驗的成本較高，所以優化工藝和選擇工具方面存在一定的限制[11]。

目前對于聚合物驅油分層注入節流的研究，主要依賴于物理試驗為主、數值模擬技術為輔的方法。這種研究方法可以在實驗室中對聚合物分層注入節流的效果進行驗證和評估，同時也可以利用數值模擬技術來進一步分析和優化該工藝的性能。單晶等[12-14]通過室內試驗研究了聚合物分層注入工藝，并對工具與油層滲透率的匹配性進行了驗證和優化，為不同滲透率的油層適合的分子量進行了匹配性試驗。劉崇江等[15-16]利用數值模擬軟件研究了不同結構參數的分質工具，并優化了其結構，為后續室內分子量調節試驗提供了支持。劉合等[17]確定了聚合物溶液在不同條件下的剪切降解邊界條件，依據此研制的閥形低剪切流量調節器在生產現場進行了黏損率測試，并取得了滿意的效果 。耿朝暉等[18]提出偏心分壓分質注聚工藝的研究思路，利用降壓配注器對高滲透層實施低壓高黏度注聚，對低滲透層利用降解配注器實施低黏度高壓注聚，對不同滲透層注入聚合物黏度規律做了較多的研究。尤波等[19]對不同結構的節流裝置所產生的黏損做了研究，驗證得出，流線型的結構在聚合物注入時所造成的黏損最小。

上述已有的研究在不同結構的節流裝置的黏損規律方面做了較多的工作，但對節流裝置的壓力損失規律研究以及影響因素沒有得到足夠重視，而節流裝置正是通過壓力損失來實現分層流量調節的。壓力損失規律對注聚合物井分層流量調節、實現油藏工程給出的分層流量配注方案非常重要。筆者利用數值模擬軟件Fluent對不同結構參數下的節流裝置進行了模擬，研究結果可為聚合物分層注入工藝的優化提供一定的指導和參考，也可為提高分層流量調控的精度提供支持。

1 數值模型建立及參數設置

1.1 建立幾何模型及網格劃分

在設計節流裝置時，采用光滑曲面結構來設計節流裝置，以減少摩擦損失并增加過流面積，從而有效降低注入體系的黏度損失。為了實現合理的節流控制，通過調整降壓槽的管芯環數和過流面積來方便地調節節流壓差。這些設計和調節手段可以有效地提高節流裝置的性能和穩定性，為聚合物分層注入工藝的應用提供更為可靠和高效的支持。

1.1.1 基本控制方程

針對聚合物流體在節流裝置流場中的流動特性，假設在數值模擬中不考慮熱傳導和熱力學過程，并且忽略重力作用。為了更準確地模擬流動行為，采用非牛頓流體的湍流模型。

(1)

(2)

式中：p為壓力，Pa；τij為分子的黏性應力張量，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；ui、uj為流體的速度，m/s。

1.1.2 冪律流體方程

(3)

(4)

簡化后，非牛頓冪律流體的黏度表達式為：

(5)

在使用Fluent模擬非牛頓流體過程中，流體黏度可變，需要設置表觀黏度的上限和下限。這些限制條件可以有效地控制模擬過程中流體黏度的變化范圍，從而提高模型的計算精度和穩定性。這種方法已經被廣泛應用于聚合物分層注入工藝等領域的數值模擬中。

(6)

設計了3種不同結構的節流裝置，并使用Design Modeler建立了相應的環空流體區域。3種結構的外部套管直徑均為20 mm，最小環空距離均為0.45 mm，槽數均為9個，半圓形的管芯半圓直徑為3 mm，流線型槽間距為13 mm，坡角20°，梭形槽間距為13 mm。3種結構的固體模型和流體區域如圖1所示。管芯中心呈對稱結構，增強了仿真計算和現場數據貼合性，使得數值模擬過程更接近現場操作，采用三維建模和模擬計算。影響節流裝置壓力調節效果的主要是管芯環數和環空距離。利用Meshing對建立的模型進行網格劃分。在進行節流裝置的模型設計時，為了達到流體注入時能均勻接觸，以及在流出截面壓力能分布均勻，在節流裝置的流入和流出階段均設置10 mm的圓形流動空間。3種節流裝置的仿真模型如圖2所示。

圖1 節流裝置流體區域說明Fig.1 Description of the fluid area in the throttling device

圖2 3種節流裝置仿真模型Fig.2 Simulation models of three throttling devices

節流裝置實物結構如圖3所示。管芯結構為周期性的多梭狀結構，改變梭狀結構與外套管重合的長度，當聚合物流體流經環空部分，其速度場、壓力場也會呈現周期性變化，通過周期性連續的斷面收縮和斷面擴張，最終實現壓力降低，進而調節流量。

圖3 節流裝置實物圖Fig.3 Picture of the throttling device

3種節流裝置具有不同的結構，當流體進入節流裝置之后，流體的流場變化具有較大差異，這也導致了3種結構的節流裝置所達到的壓降效果有較大的差異。當節流裝置調節分層注入時，電機可以帶動節流裝置的芯體進行伸入和拔出，由此改變芯體伸入的長度，也就精準地改變了節流裝置所形成的壓降。

1.2 設置計算模型參數

模型左側設置為速度入口，入口速度由流速與流量的計算公式得到：

Q=Sv

(7)

式中：Q為分層注入的流量，m3/d；S為流體流過的橫截面積，m2；v為分層注入的流速，m/s。

經計算，當配注流量為100 m3/d時，流速為3.69 m/s。

水力直徑DH通用計算公式為：

(8)

式中：Ain為流體流過的橫截面積，m2；Cin為流體流過截面的周長，m。

經過上述公式的計算，流體的水力直徑設置為20 mm，湍流強度設置為5%。因為節流裝置的套管固定不動，所以壁面的邊界條件設置為無滑移邊界，壁面附近采用標準的壁面函數。節流裝置出口設置為壓力出口。采用的流體為用戶自定義流體，密度為1 000 kg/m3。模擬中采用穩態計算(steady state)，流場計算采用標準k-ε模型。針對求解器進行了具體的設置。在這個過程中，選擇SIMPLEC作為壓力-速度耦合方式，并使用Least squares cell格式來計算梯度。對于湍動能和湍流耗散率，開始采用一階迎風格式，之后轉而使用二階迎風格式。這些設置的目的是為了在計算過程中提高精度和穩定性，以確保模型的可靠性。

2 模擬結果分析

在能達到現場壓降為3 MPa和配注量為100 m3/d的前提下，設置節流裝置的管長為140 mm，管芯環數為9個，環空距離為0.45 mm。參數設置好之后，進入仿真軟件進行仿真，直至仿真結果收斂停止仿真。

仿真結果如圖4所示。

圖4 流場仿真圖Fig.4 Flow field simulation diagram

由圖4可知，3種結構壓降分布都比較均勻，隨著管芯長度的深入，流經節流裝置的流體壓力逐漸降低。流體流經節流裝置時，速度的突變主要發生在管芯與套管距離最小附近，說明壓降主要發生在此區域。流線型結構相對于另外2種結構前槽角較小，流體在流經管芯和套管最狹窄的區域時經過較大的緩沖，流線型的速度突變最小，半圓形、梭形、流線型節流裝置的壓力損失分別為6.79、7.95、9.86 MPa。

(1)管芯環數與壓降的仿真結果分析。在能達到現場壓降為3 MPa和配注量為100 m3/d的情況下，對3種結構采取控制變量法進行數值模擬，首先保持環空距離為0.45 mm不變，改變管芯環數，得到3種結構的管芯環數與壓降關系的數值模擬結果，如圖5所示。

圖5 管芯環數與壓降仿真結果圖Fig.5 Simulation results of core ring number and pressure drop

由圖5可知，在保持環空距離和流量不變的情況下，3種結構的壓降與管芯環數呈近似線性關系，其中當增大管芯環數時，流線型的壓降變化率最大，調控能力相對較強。

(2)環空距離與壓降的仿真結果分析。在保持管芯環數為9個和配注量100 m3/d不變的情況下，3種結構的環空距離與壓降關系的數值模擬結果如圖6所示。

圖6 環空距離與壓降仿真結果圖Fig.6 Simulation results of core ring number and annulus spacing

由圖6可知，在保持管芯環數為9個和配注量100 m3/d不變的情況下，當環空距離剛開始發生變化時，壓降隨環空距離的增大迅速減小，隨著環空距離的不斷增大，壓降的變化逐漸平穩。3種結構的壓降與環空距離都近似呈二次函數關系，其中當環空距離變化相同時，流線型的壓降最大。當環空距離達到高于0.7 mm時，3種結構壓降趨于一致。在較小的環空距離下，流線型結構調控能力相對較強。

(3)流量與壓降關系的仿真結果分析。在保持管芯環數9個和環空距離0.45 mm不變的情況下，3種結構的流量與壓降關系的數值模擬結果如圖7所示。

圖7 流量與壓降的仿真結果圖Fig.7 Simulation results of flow rate and pressure drop

由圖7可知，在保持管芯環數9個和環空距離0.45 mm不變的情況下，3種結構的壓降與流量呈近似線性關系。其中，改變相同的流量，在流量區間為30～40 m3/d時，梭形的壓降最大。在流量區間40～100 m3/d時，流線型的壓降最大，調節能力最強。

3 結 論

通過數值模擬，得到了壓降和流量、管芯環數以及環空距離的變化規律，而節流裝置正是通過壓力損失來實現分層流量調節的，因此可以通過改變影響節流裝置壓降的參數進行精準的流量調控。通過分析，可以得到如下結論：

(1)專用的聚合物驅分層注入節流裝置通過周期性連續的斷面收縮和斷面擴張，最終能夠實現較均勻的壓力降低，進而調節流量。

(2)在管芯環數和環空距離確定時，隨著流量的增大，壓降也逐漸增大，壓降和流量呈近似線性關系；在流量和環空距離確定時，隨著管芯環數的增加，壓降也逐漸增大，壓降和管芯環數呈近似線性關系；在管芯環數和流量確定時，隨著環空距離的增加，壓降迅速減小，壓降和環空距離呈近似二次函數關系。在管芯環數、環空距離和流量確定時，流線型結構的節流裝置能夠實現的壓降最大。

(3)上述結論能針對不同的現場需要設計出相應的專用節流工具，并通過本文陳述的方法得到壓損的規律，可應用于聚合物驅分層注入精準的流量調控，對現場分層流量調控有指導意義。