强碱三元复合驱分子量调节器结构优化

郑 杰，王春生，王晓虎，王 旭，王 岩

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）①

强碱三元复合驱分子量调节器结构优化

郑 杰，王春生，王晓虎，王 旭，王 岩

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）①

大庆油田三元复合驱驱替对象已经逐步转向二、三类油藏，采用笼统注入方式导致油藏动用程度不均，影响三元复合驱的开发效果。在此基础上优化设计低渗透层分子量调节器，利用控制变量法分别改变喷嘴收缩段角度、圆柱段长度、扩散段角度、喷嘴扩散角度并建立模型。应用Fluent软件模拟模型流场特性，得到低压降、高黏损的模型。数值模拟与对比分析表明：收缩角度为30°的模型在同等压降下黏损率相对较大，满足现场需求，为分子量调节器结构优化提供了理论依据。

三元复合驱；分子量调节器；优化；数值模拟

根据大庆油田采油实践得知，聚合物驱比水驱采收率至少多出10百分点，为保证大庆油田稳产、高产起到非常重要的作用。由于大庆油田油藏非均质性严重，若采用以往的笼统注入方式，渗透率高且发育较好的油层驱替效果好；而低渗透率、发育不好的油层驱替效果较差，致使油藏动用程度不均，这将大幅影响聚合物驱采收效果。由此提出分层注入，即限制高渗透层注入量的同时保证低渗透层注入量。针对此问题研发了分子量调节器，通过调节分子量调节器尺寸来控制三元复合溶液流经配注器时的压降与黏损。但凭借经验调解调节器尺寸有一定的盲目性，因此通过理论研究与实践结合，对调节器结构进行优化［1-2］。

1 分子量调节器

1.1 结构

分子量调节器结构如图1，由井下工作筒和堵塞器2部分组成。由于薄差油层层间矛盾大、分注层段多，采用偏心式结构，通过投捞更换堵塞器，改变喷嘴直径来调节注入低渗透油层的聚合物分子量［3-5］。

图1 分子量调节器结构

1.2 工作原理

如图2，根据机械降解原理，即聚合物分子呈柔性链的结构，在水溶液中以颗粒、枝状结构以及网状结构的微观形式存在。由于聚合物溶液流动过程中流速急剧变化，可产生使得分子链断裂与分解的剪切应力，从而改变了聚合物分子的形态与尺寸，导致分子量的降低［6-7］，如图3。

图2 分子量调节器工作位置

图3 聚合物长链断裂

1.3 数值模拟条件假设

为了满足数值解析的可行性，对本分子量调节器元件的模型作下列基本假定：①计算中不考虑流体重力的影响；②假定分子量调节器没有径向间隙，无泄漏；③假定为单相流；④假定在系统内部流体无热传导现象，且流体黏度不受温度的影响；⑤假定流场内流体与壁面不存在化学反应；⑥假定ASP流体是不可压缩的［8-9］。

1.4 建立物理模型

二维常规模型如图4所示，其中：喷嘴入口直径为20 mm，喷嘴收缩角度为α，喷嘴收缩段长度为10 mm，圆柱段长度L1、扩散段长度L2，扩散角度β，总长度为50 mm。

图4 常规模型二维示意

分子量调节元件的基本参数由大庆油田提供，其计算区域具有轴对称性，只对截面的1／2进行计算。在边界条件的设置中已将中心线设置为轴对称，并在GAMBIT中建立此模型。

2 数值模拟结果

分子量调节元件腔室各个参数取值为：分子量调节元件总长度L＝50 mm；入口直径D＝20 mm；流量犙＝40 m3／d；流体密度ρ＝998.2 kg／m3；喷嘴收缩角度α分别取30°、60°、80°；圆柱段长度L1分别取4.1、5.1、6.1 mm；扩散段长度L2分别取5.4、6.4、7.4 mm；扩散角度β分别取20°、30°、40°。利用控制变量方法分别模拟分子量调节元件内流场状态，研究α、L1、L2、β对分子量调节器的影响。通过观察不断调整α、L1、L2、β后的模拟结果，如表1～4。其中型号的格式为α-L1-L2-β。

表1 不同喷嘴收缩角模拟结果数据

表2 不同圆柱段长度模拟结果数据

表3 不同扩散段长度模拟结果数据

表4 不同喷嘴扩散角度模拟结果数据

以三元复合驱溶液流经30-20-4.1-5.4、60-20-4.1-5.4、80-20-4.1-5.4型号为例，分子量调节器压力、黏损云图如图5。

通过大量地模拟三元复合驱溶液在分子量调节器中的流动，得到的模拟结果表明：

1） 压力分布具有轴对称性，压力在入口处达到最大值，并随着喷嘴收缩压力逐渐减小，在圆柱段处达到最小值。随后在喷嘴扩散段处压力再次增大，随后慢慢趋于平稳，在出口处有所波动。

2） 黏度分布同样也具有轴对称性，三元复合驱溶液的黏度在喷嘴扩散段与收缩段内壁处变化明显。流体黏度在圆柱段达到最大值后又迅速衰减，并在扩散段处达到最小值。

图5 不同喷嘴收缩角数据压力和黏损分布云图

3） 速度分布也具有轴对称性，三元复合驱溶液在入口处速度响度平稳，在喷嘴收缩段开始速度迅速增大，并在喷嘴圆柱段达到最大值，进入扩算段后，三元复合驱溶液与周围流体发生强烈的剪切作用，速度衰减。三元复合驱溶液从喷嘴扩散段流入圆柱腔室后，与周围相对静止流体发生剪切作用，形成涡流。

3 结论

1） 速度分布、压力分布、黏度分布都具有轴对称性。

2） 调整收缩段角度使其增大，则压降逐渐增大，喷嘴收缩段处黏度逐渐降低；调整圆柱段长度使其增加，则圆柱段内压力变化相对缓慢，总体圆柱段前后压力变化不大，圆柱段处黏度逐渐增大；调整调节器扩散段长度使其增加，则扩散段内压力变化相对缓慢，总体圆柱段前后压力变化不大，扩散段处黏度变化不大；调整分子量调节器扩散角度使其增大，则扩散段内压力递增，圆柱段是压力拐点，扩散段处黏度变化不大。

3） 通过对比分析范例数据，比较相对黏度可知：收缩角度为30°的模型大部分都为低压降、高黏损；且收缩角度为30°，变化其他变量时，对相对黏损率影响不大，满足现场需求。

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Optimizing Structure about Strong Base ASP Flooding Molecule Weight Adjusting Mechanism

Daqing Oilfield ASP flooding drive target gradually change to the second and third reservoir.The general injection leads to uneven producing degree and seriously affects the developing. On this basis，the molecular weight is optimized and designed，and change the nozzle angle of diffuser section，cylinder length，diffuser angle，nozzle angle to establish models using the method of control variables.These models flow field characteristics are simulated by using Fluent software，and finally find some low pressure drop and high stick loss rate models.Through analyzing and contrasting large of models，it is found that shrinkage angle is 30 degree models under the same pressure drop condition the stick loss rate relativity high.These models are suitable for the play field requirements and provide theoretical basis for the molecular weight regulator structure optimization.

ASP flooding；molecular weight；optimizing；numerical simulation

TE934

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.005

1001-3482（2014）09-0018-04

2014-02-18

郑 杰（1989-），女，黑龙江大庆人，硕士研究生，主要从事复杂流体流动与数值模拟研究，E-mail：zhengjiesmile＠126.com。