可控定量配注器恒流閥恒流特性數(shù)值研究

王超，李明，劉廷峰，梁偉，李嘯南，張衛(wèi)東，逯國成

(1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.中海油田服務(wù)有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；3.勝利油田分公司井下作業(yè)公司，山東東營 257000)

勝利油田具有豐富的稠油資源，其98%的動用儲量是靠蒸汽吞吐開發(fā)，而平均采收率并不高。由于儲層縱向各層物性及原油黏度的差異，致使各層的吸汽能力差異較大，籠統(tǒng)注汽方式可能造成部分小層注入量不足或過多，無法滿足實際配注的要求，從而導(dǎo)致縱向動用不均，嚴(yán)重影響注汽效果。目前勝利油田單56等區(qū)塊的分層注汽工藝主要采用打孔篩管及均勻注汽配注器來實現(xiàn)，在實際應(yīng)用過程中僅能滿足注氣量均勻分布而無法實現(xiàn)各層注汽不同定量的要求。根據(jù)分層注汽工藝原理設(shè)計的可控定量配注器，可實現(xiàn)各儲層間的注汽分配，滿足各儲層注汽量不同的需求，從而達到分層注汽的目的。

恒流閥作為可控定量配注器的核心部件，它的主要作用在于當(dāng)油管、地層或氣液兩相流的壓力發(fā)生波動時，通過自動調(diào)節(jié)保持配注器流量在一定范圍，進而保證各層的注汽效果。文中利用FLUENT流體力學(xué)軟件對恒流閥內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬研究，以進一步認(rèn)識閥內(nèi)流動和確定維持恒流的壓差范圍。

1 恒流閥工作原理

1.1 橫跨恒流閥的壓差 (p1-p2)增加關(guān)閉孔板

如圖1，由于油管中壓力的增加或地層壓力的減小導(dǎo)致橫跨整個恒流閥壓差 (p1-p2)的增加，浮子壓縮彈簧從而縮小孔板的開度，直至通過孔板的流量恢復(fù)與之前一致。

圖1 恒流閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 橫跨恒流閥的壓差 (p1-p2)減小開啟孔板

如圖1，由于地層壓力的增加或油管中壓力的減小，彈簧將浮子推出孔板，從而擴大孔板的開度，直至通過孔板的流量恢復(fù)與之前一致。

2 恒流閥內(nèi)流場數(shù)值模擬

2.1 恒流閥模型建立

流體在恒流閥腔內(nèi)是三維流動，考慮到恒流閥腔體結(jié)構(gòu)和流動的對稱性，采用二維軸對稱的幾何模型［1］進行數(shù)值模擬，如圖2所示。

圖2 恒流閥幾何模型

2.2 湍流模型及近壁區(qū)域的模擬

考慮到流體流動過程中近壁面影響和旋渦對湍流的影響，選用可以模擬低雷諾數(shù)和對旋渦計算可靠性更高的RNGk-ε模型［2-4］。流體流動經(jīng)過縫隙，為考慮近壁面的影響，采用增強的壁面函數(shù)［5-7］。

2.3 邊界條件

邊界條件定義為速度入口和壓力出口［8］，假定壁面絕熱，壁面與流體之間沒有熱交換。模擬流體介質(zhì)為水，為對比不同入口流速和出口壓力對恒流閥內(nèi)部流場的影響，選定3種工況，其邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同出、入口條件下恒流閥內(nèi)流場

圖3、圖4所示分別為3種不同工況下的速度矢量場計算結(jié)果和流線場。由圖中可以看出:3種工況最高流動速度分別為1.39、1.39、16.3 m/s，出現(xiàn)在浮子與固定孔板之間的縫隙處，且在縫隙下游形成回流 (圖3、圖4所示區(qū)域Ⅰ、Ⅱ)?；亓魇窍掠螀^(qū)域流動的主要特征，下游區(qū)域發(fā)生流體的分離現(xiàn)象，形成兩個旋渦，一個位于縫隙的拐角處 (區(qū)域Ⅰ)，尺度較小;另一個位于縫隙下游 (區(qū)域Ⅱ)，尺度較大。從流線的疏密程度可以判定:縫隙拐角處區(qū)域Ⅰ的旋渦強度較強，縫隙下游區(qū)域Ⅱ的旋渦強度較弱，由回流形成的兩個旋渦消耗了主流運動的能量，導(dǎo)致壓降和能量的降低。

圖3 不同出、入口條件下速度矢量場

圖4 不同出、入口條件條件下流線場

圖5所示為3種不同工況下的靜壓場計算結(jié)果，其中工況1所示結(jié)果為出口表壓18 MPa的相對值。浮子與固定孔板縫隙處流體高速噴射，由伯努利方程可知，此處壓力降低較快 (圖5區(qū)域Ⅲ)。旋渦中心壓力也較低 (圖5區(qū)域Ⅰ)。工況1與工況2的壓力場變化趨勢基本一致，工況3由于流場中旋渦強度和尺度明顯增加，產(chǎn)生的壓降和能量損失增大，旋渦壓降范圍也有所擴展。

圖5 不同出、入口條件下靜壓場

3.2 不同彈簧壓縮量下恒流閥內(nèi)流場

如圖6所示，為保持入口流速v=0.042 m/s、p2=18 MPa時，不同彈簧壓縮量下流線場。

圖6 不同彈簧壓縮量下流線場

隨著浮子逐漸下移，彈簧壓縮量不斷增加，縫隙尺寸持續(xù)減小，流場中旋渦的尺度和強度也跟著發(fā)生改變，縫隙拐角處旋渦尺度不斷增加，旋渦中心基本保持與浮子下表面平齊且流線不斷加密導(dǎo)致旋渦強度增加，而縫隙下游旋渦尺度不斷減小，流線持續(xù)變疏導(dǎo)致旋渦強度減小。

3.3 恒流閥恒流特性

如圖7所示，維持恒流所需出、入口壓差Δp的變化范圍在900～7 400 Pa之間，且基本呈線性變化。浮子的移動依靠浮子前后壓差和彈簧的彈力，由彈力計算公式F=k·ΔL(k為彈簧勁度系數(shù) (常數(shù)))可知，彈簧的彈力呈線性變化，因此在不同彈簧壓縮量的條件下，維持流量恒定的壓差Δp越接近于線性變化，其恒流特性就越好。影響Δp的最關(guān)鍵因素在于縫隙尺寸，而浮子的型面曲線決定了浮子與固定孔板間的縫隙尺寸。如圖8所示:出、入口壓差在0～900 Pa之間時，流量變化較快，這往往出現(xiàn)在恒流閥的啟動過程中，穩(wěn)定工作狀態(tài)應(yīng)避免此壓差范圍;當(dāng)壓差達到7 400 Pa，彈簧完全壓縮，此時再增加出、入口壓差Δp，由于縫隙尺寸不變，導(dǎo)致流量持續(xù)增加，從而破壞恒流狀態(tài)。

圖7 出、入口壓差Δp與彈簧壓縮量關(guān)系

圖8 流量與壓差Δp關(guān)系

4 結(jié)論

利用FLUENT流體力學(xué)軟件，采用RNGk-ε湍流模型和增強的壁面函數(shù)模擬了恒流閥內(nèi)流場，得到如下結(jié)論:

(1)恒流閥內(nèi)最高流速出現(xiàn)在浮子與固定孔板之間的縫隙處，且在縫隙下游形成回流。下游區(qū)域發(fā)生流體的分離現(xiàn)象，形成兩個旋渦，消耗了主流運動的能量，導(dǎo)致壓降和能量的降低。

(2)在維持流量恒定的條件下，隨著彈簧壓縮量不斷增加，縫隙拐角處旋渦尺度不斷增加，旋渦中心基本保持與浮子下表面平齊且流線不斷加密導(dǎo)致旋渦強度增加，而縫隙下游旋渦尺度不斷減小，流線持續(xù)變疏導(dǎo)致旋渦強度減小。

(3)對于流體介質(zhì)為水的閥內(nèi)流動，維持恒流所需出、入口壓差Δp在900～7 400 Pa之間。

［1］高紅.溢流閥閥口氣穴與氣穴噪聲的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2003.

［2］YAKHOT V，ORZAG S A.Renormalization Group Analysis of Turbulence:Basic Theory［J］.J Scent Compute，1986(1):3-11.

［3］李萬平.計算流體力學(xué)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.

［4］王桂良，周秦源，向言麗.基于Fluent的復(fù)雜流道比例閥的數(shù)值模擬［J］.機床與液壓，2009，37(2):147-149.

［5］CHEN H C，PATEL V C.Near-wall Turbulence Models for Complex Flows Including Separation［J］.AIAA Journal，1988，26(6):641-648.

［6］韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

［7］練章華，劉干，易浩，等.高壓節(jié)流閥流場分析及其結(jié)構(gòu)改進［J］.石油機械，2004，32(9):22-24.

［8］周元春，楊曙東，羅博，等.基于Fluent的大通徑滑閥壓力流量特性研究［J］.機床與液壓，2011，39(19):103-105.