聚合物在低剪切流量控制閥內(nèi)的流態(tài)判別與數(shù)值模擬

　　通過(guò)流變性實(shí)驗(yàn)，認(rèn)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(nèi)的流態(tài)判別模型。運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了聚合物溶液在低剪切流量控制閥內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和不同配注量下產(chǎn)生的節(jié)流壓差。結(jié)果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，產(chǎn)生的節(jié)流壓差能夠滿(mǎn)足擴(kuò)張式封隔器的坐封條件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，流量在33～62m3/d間的節(jié)流壓差達(dá)到5.98MPa，黏度保留率達(dá)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(nèi)流動(dòng)時(shí)，聚合物分子鏈?zhǔn)冀K處于拉長(zhǎng)、收縮的變形中，消耗在這個(gè)過(guò)程中的能量形成節(jié)流壓差。聚合物分子鏈變形的同時(shí)又不斷恢復(fù)，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(nèi)的一個(gè)降壓槽，過(guò)流面積從小到大變化一次，流速?gòu)母叩降妥兓�一次，流態(tài)及流場(chǎng)分布也相應(yīng)產(chǎn)生一次變化。為研究這個(gè)變化規(guī)律，筆者對(duì)低剪切流量控制閥進(jìn)行數(shù)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(duì)注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得不同剪切速率對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力值(γ1，τ1)，(γ2，τ2)，…，(γn，τn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 流變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，認(rèn)為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式，本構(gòu)方程為：

τ=Kγn (1)

　　式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa;γ為剪切速率，s-1;K為稠度系數(shù)，Pa•sn;n為流性指數(shù)。同時(shí)，擬合得出K=0.1378Pa•sn，n=0.5603。

3、流動(dòng)區(qū)域的數(shù)值模擬

　　3.1、幾何模型和網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)低剪切流量控制閥內(nèi)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(shù)為116534。

圖2 流動(dòng)區(qū)域的幾何模型

　　3.2 邊界條件和計(jì)算條件

　　速度入口邊界，速度分別取3.22，4.02，4.83m/s(對(duì)應(yīng)的注入量分別為40，50，60m3/d)。此時(shí)計(jì)算出的雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果

　　入口流量分別為40，50，60m3/d時(shí)的流動(dòng)壓耗計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果可以看出，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，對(duì)聚合物的限流阻力較大。產(chǎn)生的節(jié)流壓差，能夠滿(mǎn)足擴(kuò)張封隔器的坐封要求。節(jié)流壓差隨著配注量的增加而增大，可實(shí)現(xiàn)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(duì)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(yàn)

　　在1-12X332井開(kāi)展了低剪切流量控制閥的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 低剪切流量控制閥應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(dá)到90%以上，節(jié)流壓差達(dá)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(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬得出的節(jié)流壓差數(shù)值接近，誤差在10%之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5、結(jié)論

　　1)對(duì)注聚采用的聚合物溶液進(jìn)行流變性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，認(rèn)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(nèi)流動(dòng)的臨界流量，便于數(shù)值計(jì)算時(shí)湍流模型的選取。

　　3)中間實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。