聚合物在低剪切阀内的流态判别与数值模拟

【摘 要】通过流变性试验，认为聚合物溶液符合非牛顿流体幂率模式，建立非牛顿流体在环形空间内的流态判别模型。运用FLUENT软件进行数值模拟，得出聚合物溶液在低剪切流量控制阀内的流动规律，并得到不同配注量下产生的节流压差，结果表明低剪切阀具有较好的节流作用，产生的节流压差能够满足扩张式封隔器的坐封条件。试验数据表明，流量在33～62m3/d间的节流压差达到5.98MPa，粘度保留率达到90%以上。

【关键词】低剪切流量控制阀；聚合物；流态判别；节流压差；粘度保留率

在双管注聚过程中，为减少聚合物的粘度损失研制出低剪切流量控制阀。聚合物在阀内流动时，分子链始终处于拉长、收缩的变形中，消耗在这个过程中的能量形成节流压差。聚合物分子链变形的同时又不断恢复，能够降低粘度损失。聚合物溶液每流过低剪切流量控制阀内的一个降压槽，过流面积从小到大变化一次，流速从高到低变化一次，流态及流场分布也相应产生一次变化，为研究这个变化规律，对低剪切流量控制阀进行数值模拟。

1.流体性质

聚合物溶液为高分子溶液，属于粘弹性的非牛顿流体。对注聚采用的聚合物溶液进行流变性实验。分别测得不同剪切速率对应的剪切应力值（γ1，τ1）， （γ2，τ2），…， （γn，τn）。通过对实验数据进行拟合分析，认为聚合物溶液符合非牛顿流体幂律模式，本构方程为[1]：

τ=Kγn （1）

式中τ为剪切应力；γ为剪切速率；K为稠度系数；n为流性指数。

采用的聚合物溶液的流变参数：K=0.1378Pa·Sn，n=0.5603，密度为1000kg/m3。

2.流态判别模型的建立

流体在同心环形空间内任意位置x处的粘度为[2]：

式中v为流速；D1和D2分别为环空的内径和外径。

剪切速率为：

剪切速率沿环空半径方向变化曲线所包含的面积为：

平均剪切速率：

平均剪切应力：

式中ρ为流体的密度。式（8）化简得：

对于同心环形空间，稳定性参数Y和X是判别非牛顿流体流动状态较为理想的方法，采用参数Y和X得出环形空间的临界雷诺数的计算式分别为[3]：

经计算，ReY=2823>ReX1964。达到临界雷诺数2823时的速度为3.12，对应的聚合物的注入量为38.71m3/d。

3.流动区域的数值模拟

3.1 几何模型和网格划分

根据低剪切流量控制阀内部的正纺锤连线型环形流道，建立二维几何模型，采用正交化非均匀网格进行划分，总网格数为116534。

3.2边界条件和计算条件

速度入口边界，速度分别取3.22、4.02、4.83m/s（对应的注入量分别为40、50、60m3/d）。此时计算出的雷诺数均大于临界雷诺数2823，流动均为湍流状态。压力边界出口，表压为0。固壁采用无滑移边界条件，壁面上。

选用标准的k-ε湍流模型，动量方程、湍动能方程和耗散率方程均选用一阶迎风格式，压力速度场的耦合求解选取SIMPLEC方法。

3.3 计算结果

入口流量为40m3/d时的计算结果见图1所示。

图1 流动压耗

从上图中可以看出，聚合物流经每个降压槽时，速度矢量变化较小，说明正纺锤型降压槽对聚合物粘度剪切率较小。

入口流量为50、60 m3/d时的流动压耗如图2、图3所示。

图2 入口流量50 m3/d的流动压耗

图3 入口流量60 m3/d的流动压耗

从流动压耗的计算结果可以看出，低剪切流量控制阀具有较好的节流作用，对聚合物有较大的限流阻力。产生的节流压差，能够满足扩张封隔器的坐封要求。节流压差随着配注量的增加而增大，可实现不同配注量的要求。

4.中间试验

在孤岛GD1-12X3312井开展了低剪切流量控制阀的应用试验，结果见表1。

胜利油田目前应用的聚合物流量控制阀的调节压差通常在1MPa内，超出1MPa后粘度保留率迅速下降，流量60m3/d时的粘度损失率超过了38%。试验数据表明，流量在33～62m3/d间的最大粘度损失率为6.83%，粘度保留率达到90%以上，节流压差达到5.98MPa，低剪切流量控制阀能够有效减少聚合物溶液的粘度损失。经比对，试验结果与数值模拟得出的节流压差数值接近，误差在10%之内，验证了数值模拟结果的准确性。

5.结论

（1）对注聚采用的聚合物溶液进行流变性实验，通过对实验数据进行拟合分析，认为聚合物溶液符合非牛顿流体幂律模式。

（2）通过建立的流态判别模型，确定了注聚溶液在低剪切流量控制阀内流动的临界流量，便于数值计算时湍流模型的选取。

（3）中间试验与数值模拟的结果表明，低剪切流量控制阀具有较好的节流作用，能够有效减少聚合物溶液的粘度损失。

参考文献：

[1] 陈文芳.蔡扶时. 非牛顿流体的一些本构方程. 力学学报，1983； 01

[2] 刘崇建.刘孝良.柳世杰.非牛顿流体流态判别方法的研究. 天然气工业，2001；21（4）：50

[3] 刘乃震.王廷瑞.刘孝良.刘崇建. 非牛顿流体的稳定性及其流态判别. 天然气工业，2003；23（1）：55～56

作者简介：

赵丹星：助理工程师，2008年毕业于长江大学石油工程专业，现就职于胜利油田采油工艺研究院。