聚合物在低剪切流量控制閥內的流態(tài)判別與數值模擬
通過(guò)流變性實(shí)驗，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪率模式，建立了非牛頓流體在環(huán)形空間內的流態(tài)判別模型。運用FLUENT軟件進(jìn)行數值模擬，研究了聚合物溶液在低剪切流量控制閥內的流動(dòng)規律和不同配注量下產(chǎn)生的節流壓差。結果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節流作用，產(chǎn)生的節流壓差能夠滿(mǎn)足擴張式封隔器的坐封條件。實(shí)驗數據表明，流量在33～62m3/d間的節流壓差達到5.98MPa，黏度保留率達到90%以上。
在雙管注聚過(guò)程中，為減少聚合物溶液的黏度損失，研制出低剪切流量控制閥。聚合物溶液在閥內流動(dòng)時(shí)，聚合物分子鏈始終處于拉長(cháng)、收縮的變形中，消耗在這個(gè)過(guò)程中的能量形成節流壓差。聚合物分子鏈變形的同時(shí)又不斷恢復，能夠降低黏度損失。聚合物溶液每流過(guò)低剪切流量控制閥內的一個(gè)降壓槽，過(guò)流面積從小到大變化一次，流速從高到低變化一次，流態(tài)及流場(chǎng)分布也相應產(chǎn)生一次變化。為研究這個(gè)變化規律，筆者對低剪切流量控制閥進(jìn)行數值模擬。
1、流體性質(zhì)
注聚溶液屬于黏彈性的非牛頓流體。對注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗，分別測得不同剪切速率對應的剪切應力值(γ1，τ1)，(γ2，τ2)，…，(γn，τn)，結果如圖1所示。
圖1 流變性實(shí)驗結果
通過(guò)對實(shí)驗數據進(jìn)行擬合分析，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式，本構方程為：
τ=Kγn (1)
式中，τ為剪切應力，Pa;γ為剪切速率，s-1;K為稠度系數，Pa•sn;n為流性指數。同時(shí)，擬合得出K=0.1378Pa•sn，n=0.5603。
3、流動(dòng)區域的數值模擬
3.1、幾何模型和網(wǎng)格劃分
根據低剪切流量控制閥內部的正紡錘連線(xiàn)型環(huán)形流道，建立二維幾何模型，采用正交化非均勻網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖2所示，總網(wǎng)格數為116534。
圖2 流動(dòng)區域的幾何模型
3.2 邊界條件和計算條件
速度入口邊界，速度分別取3.22，4.02，4.83m/s(對應的注入量分別為40，50，60m3/d)。此時(shí)計算出的雷諾數均大于臨界雷諾數2823，流動(dòng)均為湍流狀態(tài)。壓力邊界出口，表壓為0。固壁采用無(wú)滑移邊界條件，壁面上u=0。
選用標準的k-ε湍流模型，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和耗散率方程均選用一階迎風(fēng)格式，壓力速度場(chǎng)的耦合求解選取SIMPLEC方法。
3.3、計算結果
入口流量分別為40，50，60m3/d時(shí)的流動(dòng)壓耗計算結果如圖3～圖5所示。
圖3 入口流量40m3/d的流動(dòng)壓耗
圖4 入口流量50m3/d的流動(dòng)壓耗
圖5 入口流量60m3/d的流動(dòng)壓耗
入口流量分別為40，50，60m3/d時(shí)的流動(dòng)壓耗分別為2.9，4.3，6.1MPa。從流動(dòng)壓耗的計算結果可以看出，低剪切流量控制閥具有較好的節流作用，對聚合物的限流阻力較大。產(chǎn)生的節流壓差，能夠滿(mǎn)足擴張封隔器的坐封要求。節流壓差隨著(zhù)配注量的增加而增大，可實(shí)現不同配注量的要求。
單個(gè)降壓槽速度等值線(xiàn)見(jiàn)圖6，單個(gè)降壓槽速度分布見(jiàn)圖7。聚合物流經(jīng)每個(gè)降壓槽時(shí)，流場(chǎng)速度分布比較均勻，速度矢量變化較小，說(shuō)明正紡錘型降壓槽對聚合物黏度剪切率較小。
圖6 單個(gè)降壓槽速度等值線(xiàn)
圖7 單個(gè)降壓槽速度分布
4、中間實(shí)驗
在1-12X332井開(kāi)展了低剪切流量控制閥的應用實(shí)驗，結果見(jiàn)表1。
表1 低剪切流量控制閥應用實(shí)驗結果
實(shí)驗數據表明，流量在33～62m3/d間的最大黏度損失率為6.83%，黏度保留率達到90%以上，節流壓差達到5.98MPa，說(shuō)明低剪切流量控制閥能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。經(jīng)比對，實(shí)驗結果與數值模擬得出的節流壓差數值接近，誤差在10%之內，驗證了數值模擬結果的準確性。
5、結論
1)對注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗，通過(guò)對實(shí)驗數據進(jìn)行擬合分析，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式。
2)通過(guò)建立的流態(tài)判別模型，確定了注聚溶液在低剪切流量控制閥內流動(dòng)的臨界流量，便于數值計算時(shí)湍流模型的選取。
3)中間實(shí)驗與數值模擬的結果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節流作用，能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。
