梭型分壓注入工具內流場PIV實驗研究

吳 迪 李伊蘭 班久慶 張 威 張偉文 楊興宙

東北石油大學石油工程學院,黑龍江 大慶 163300

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梭型分壓注入工具內流場PIV實驗研究

吳 迪 李伊蘭 班久慶 張 威 張偉文 楊興宙

東北石油大學石油工程學院,黑龍江 大慶 163300

為了通過實驗手段得到不同分子量、不同流量的聚合物溶液在流經不同槽數(shù)分壓注入工具時的流場變化,基于相似原理設計了一套可用粒子成像測速(PIV)系統(tǒng)進行實驗的梭型分壓注入工具模型,并利用PIV系統(tǒng)對不同實驗條件下流經該模型內的聚合物溶液進行連續(xù)拍攝,得到大量的溶液運動瞬時圖像。再利用Tecplot軟件進行分析處理,得到不同分子量、不同流量聚合物溶液在流經不同槽數(shù)分壓注入工具時降壓槽內流場的速度云圖。分析實驗結果表明:聚合物溶液通過梭型分壓注入工具時在降壓槽底部出現(xiàn)漩渦;流量越大,漩渦中心越偏向外壁;聚合物分子量越大或降壓槽槽數(shù)越少,管壁附近速度梯度越大;分壓注入工具的槽數(shù)對漩渦的位置無明顯影響。實驗為分壓注入工具內部流場分布提供了一種新的研究方法。

聚合物溶液;降壓槽;PIV;分壓注入工具

0 前言

利用分壓配注器分層配注聚合物[1-3]廣泛應用于油田生產。其中的分壓注入工具[4-5]是利用流體經一系列節(jié)流間隙與膨脹腔通道,使流體的動能不斷變化,造成不同的壓力損失,從而達到減壓的目的[6-7]。

目前,由于實驗手段的缺乏,針對分壓注入工具結構的優(yōu)化和其降壓槽內流場分布的研究均是通過運用Fluent等數(shù)值模擬軟件進行模擬分析[8-11],缺乏足夠的實驗驗證。近年來粒子成像測速(PIV)技術的發(fā)展[12-17]使得通過實驗手段獲得形狀復雜的降壓槽內溶液瞬時動力學流動狀態(tài)成為可能。本文基于相似原理設計了一種可用于PIV系統(tǒng)的梭型分壓注入工具實驗模型,并利用該裝置進行實驗,分析了不同條件下分壓注入工具內聚合物溶液流場的分布規(guī)律。實驗為分壓注入工具內的流場研究提供了一種新的方法,并為分壓注入工具結構的優(yōu)化提供了驗證手段和技術支持。

1 相似準則下實驗模型的設計

綜合考慮實驗觀測效果和模型加工難度,在滿足幾何相似前提下,計劃將分壓注入工具的降壓槽放大,放大后的模型尺寸見圖1。

圖1 分壓注入工具實驗模型中降壓槽尺寸

其中:實驗模型套管外徑為35 mm、內徑為31 mm，套管壁厚2 mm，降壓槽外徑為29 mm、內徑為23 mm，槽間距13 mm，前槽間角45°，后槽間角20°。

由于本次試驗中黏性力起主導作用,依據(jù)黏性力相似準則,只需在保證原型與模型幾何相似及運動相似的基礎上,達到雷諾數(shù)相等即可使實驗模型內流動與現(xiàn)場實際流動達到動力相似。

非牛頓流體在分壓注入工具內流動的廣義雷諾數(shù)為[18-19]:

在橫截面為同心圓的條件下,分注工具水力直徑即為分注工具特征長度[20]。χ為濕周,D為水力直徑,d為特征長度:

所設計的模型與原型尺寸之比1.62∶1。實驗時調節(jié)通過分壓注入工具模型的流量,即可使實驗與現(xiàn)場實際情況達到動力相似。

為保證良好的粒子成像效果,實驗所用模型均使用亞克力材料制作。本次實驗共制作了三套分壓注入工具模型,降壓槽槽數(shù)分別為5、10、18。

2 實驗方案與實驗步驟

2.1 溶液組分

實驗中配置聚合物溶液所用水為人工合成鹽水(礦化度6 778 mg/L);聚合物為大慶煉化廠產,分子量分別為1.6×107、1.9×107、2.5×107的聚丙烯酰胺(HPAM)。

2.2 實驗流程

實驗用PIV系統(tǒng)為MiniPIV。高速攝像機曝光時間為1/128 000 s。所用示蹤粒子為空心玻璃微珠(d≤10 μm),加量為0.1 g/L。

實驗流程見圖2。

實驗均在室內無干擾光源條件下進行。

2.3 實驗方案

分別針對聚合物分子量、溶液流量、模型槽數(shù)3個變量進行3組PIV測試實驗。具體方案見表1。

圖2 實驗流程

表1 速度場PIV測試的實驗方案

方案號聚合物分子量聚合物濃度/(mg·L-1)溶液流量/(m3·d-1)模型槽數(shù)11.6×1071.9×1072.5×1072000201822.5×10720002030501832.5×10720005051018

2.4 實驗步驟

1)按圖2所示流程連接實驗裝置。

2)配置實驗所需不同種類聚合物溶液并加入示蹤粒子。

3)進行粒子成像測速實驗,拍攝不同實驗條件下溶液經過分壓注入工具末尾降壓槽時的溶液粒子成像數(shù)據(jù)。

4)運用Tecplot對采集到的圖像進行處理分析。

3 結果與分析

由Tecplot處理得到采取不同方案時單個降壓槽內速度分布圖(速度云圖上不同的顏色代表不同的速度大小,在同一幅圖中,紅色表示最大速度,藍色表示速度為0)，見圖3～5。

分別將不同聚合物分子量、不同流量、不同降壓槽槽數(shù)條件下,降壓槽內聚合物溶液軸向平均速度進行比較,見圖6。

通過圖6對比可以看出:分注工具內環(huán)空最小間隙處速度最大,隨著過流面積增大,溶液速度開始減小,過流面積轉而逐漸減小,至流過約2/3槽后,流速轉而增大;槽內中心處速度最小,靠近降壓槽壁速度增大,貼近壁面附近速度趨近于0。

圖3 不同分子量聚合物溶液以20 m3/d流量流經18槽分壓注入工具速度云圖

圖4 不同流量下2.5×107分子量聚合物溶液流經18槽分壓注入工具速度云圖

圖5 2.5×107分子量聚合物溶液以20 m3/d流量流經不同槽數(shù)分壓注入工具速度云圖

圖6 不同實驗條件下分注工具內軸向平均速度分布對比

環(huán)空最小間隙處的溶液流動方向與流體整體流動方向相同。隨著流體流動,裝置過流面積增大,流動逐漸向下擴散,在槽底處出現(xiàn)順時針漩渦,至再次接近裝置環(huán)空最小間隙處,流動方向回歸溶液整體流動方向。流量越大,槽底的漩渦中心越向外壁偏移；流量越小,漩渦中心越向槽底偏移；且流量越大,紊流區(qū)域越大,溶液越容易形成紊流。流量相同但溶液組分或槽數(shù)不同時,漩渦位置改變并不明顯。

環(huán)空最小間隙附近速度梯度大,這主要是由于接近裝置內壁,流速由于管壁摩阻、分子附著力、黏性力的作用而降低,槽底溶液流動空間陡然增大引起的。環(huán)空最小間隙軸向最大速度隨聚合物分子量(即黏度)增大或降壓槽數(shù)減小而減小,環(huán)空最小間隙兩端速度梯度隨聚合物分子量增大或降壓槽數(shù)減小而增大。

聚合物溶液的聚合物分子量、流量一定,分注工具槽數(shù)不同時,流經分注工具降壓槽內的漩渦位置和溶液質點流動方向無明顯差異。

4 結論

1)溶液流經分壓注入工具時,降壓槽內環(huán)空最小間隙處速度最大,隨過流面積增大,速度逐漸減小,至流過約 2/3 槽長后,流速開始逐漸增大;槽內中心處速度最小,靠近降壓槽壁速度增大,貼近壁面附近速度趨近于0。

2)聚合物溶液高速通過降壓槽時在槽底出現(xiàn)漩渦,流量越大漩渦中心越向降壓槽外壁偏移,流量越小漩渦中心越向槽底偏移。

3)環(huán)空最小間隙處最大速度隨聚合物分子量增大或降壓槽數(shù)減少而減小,環(huán)空最小間隙兩端速度梯度隨聚合物分子量增大或降壓槽數(shù)減少而增大。

4)流量相同時,分壓注入工具的降壓槽槽數(shù)對漩渦位置無明顯影響。

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2016-03-14

國家自然科學基金項目“分注工具對三元復合體系作用機理及三元復合體系與油層的匹配關系研究”(QC 2015056);黑龍江省自然科學基金項目“分質過程對三元復合體系黏度和流度控制能力影響的機理研究”(NEPUQN 2014-27)

吳 迪(1990-),男,黑龍江明水人，碩士研究生，主要從事復雜流體與流動的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.013