聚合物驅(qū)分層注入井節(jié)流裝置的壓損規(guī)律研究

韓文強(qiáng) 劉興斌 劉 昭 楊韻桐

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠)

0 引 言

注水技術(shù)是普遍應(yīng)用的開(kāi)發(fā)技術(shù)，但是長(zhǎng)時(shí)間的注水開(kāi)采會(huì)造成比較嚴(yán)重的指進(jìn)現(xiàn)象，對(duì)多油層同時(shí)開(kāi)發(fā)油田會(huì)產(chǎn)生層間矛盾，易出現(xiàn)大孔道，導(dǎo)致水驅(qū)波及體積變小，嚴(yán)重影響油田的采收率。聚合物驅(qū)是注入高分子非牛頓冪律流體進(jìn)行開(kāi)采。非牛頓冪律流體具有分子鏈長(zhǎng)、黏度高和高黏彈性的特點(diǎn)，能夠有效增加驅(qū)替的波及體積，減小層間矛盾，進(jìn)一步提高采收率。聚合物分注技術(shù)在大慶油田率先提出并使用。1993年，大慶油田第一個(gè)工業(yè)化規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)——北一斷西區(qū)塊開(kāi)始了聚合物驅(qū)的試驗(yàn)，通過(guò)聚合物驅(qū)，成功提高了采收率，比水驅(qū)提高12.6%。大慶油田在一類(lèi)油層和二類(lèi)油層大規(guī)模應(yīng)用聚合物驅(qū)，可以提高采收率幅度達(dá)10%以上[1-2]。

為了解決大慶油田聚合物驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中好油層與差油層之間的矛盾，采用注入聚合物進(jìn)行驅(qū)油的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。然而，發(fā)現(xiàn)該方法雖然在一定程度上改善了注入剖面，但并未從根本上解決層間矛盾。同時(shí)，以往采用的籠統(tǒng)注入方式下，好油層與差油層之間的矛盾問(wèn)題更加突出。為了提高開(kāi)采效率，需要探索更加有效的聚合物驅(qū)開(kāi)發(fā)方法[3-8]。與分層注水工藝類(lèi)似，聚合物驅(qū)采用分層注入工藝也會(huì)有效改善層間矛盾[9]。大慶油田應(yīng)用了聚合物驅(qū)單管多層注入工藝[10]。在北二西東塊開(kāi)展的試驗(yàn)結(jié)果表明，使用分層注入節(jié)流裝置可以有效改善非均質(zhì)油層的開(kāi)采效率，該工藝采用聚合物分層注入節(jié)流裝置實(shí)現(xiàn)聚合物在井下的分層注入。在配注器上采用專(zhuān)用的節(jié)流裝置，此裝置為了實(shí)現(xiàn)分層流量調(diào)節(jié)必須要產(chǎn)生一定的壓力損失。與此同時(shí)，節(jié)流裝置又要減小對(duì)聚合物長(zhǎng)分子鏈的剪切作用，降低黏度損失，保持聚合物溶液原有的特性，避免降低驅(qū)油效果。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成本較高，所以?xún)?yōu)化工藝和選擇工具方面存在一定的限制[11]。

目前對(duì)于聚合物驅(qū)油分層注入節(jié)流的研究，主要依賴(lài)于物理試驗(yàn)為主、數(shù)值模擬技術(shù)為輔的方法。這種研究方法可以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)聚合物分層注入節(jié)流的效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，同時(shí)也可以利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)進(jìn)一步分析和優(yōu)化該工藝的性能。單晶等[12-14]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了聚合物分層注入工藝，并對(duì)工具與油層滲透率的匹配性進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化，為不同滲透率的油層適合的分子量進(jìn)行了匹配性試驗(yàn)。劉崇江等[15-16]利用數(shù)值模擬軟件研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的分質(zhì)工具，并優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)，為后續(xù)室內(nèi)分子量調(diào)節(jié)試驗(yàn)提供了支持。劉合等[17]確定了聚合物溶液在不同條件下的剪切降解邊界條件，依據(jù)此研制的閥形低剪切流量調(diào)節(jié)器在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了黏損率測(cè)試，并取得了滿意的效果 。耿朝暉等[18]提出偏心分壓分質(zhì)注聚工藝的研究思路，利用降壓配注器對(duì)高滲透層實(shí)施低壓高黏度注聚，對(duì)低滲透層利用降解配注器實(shí)施低黏度高壓注聚，對(duì)不同滲透層注入聚合物黏度規(guī)律做了較多的研究。尤波等[19]對(duì)不同結(jié)構(gòu)的節(jié)流裝置所產(chǎn)生的黏損做了研究，驗(yàn)證得出，流線型的結(jié)構(gòu)在聚合物注入時(shí)所造成的黏損最小。

上述已有的研究在不同結(jié)構(gòu)的節(jié)流裝置的黏損規(guī)律方面做了較多的工作，但對(duì)節(jié)流裝置的壓力損失規(guī)律研究以及影響因素沒(méi)有得到足夠重視，而節(jié)流裝置正是通過(guò)壓力損失來(lái)實(shí)現(xiàn)分層流量調(diào)節(jié)的。壓力損失規(guī)律對(duì)注聚合物井分層流量調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)油藏工程給出的分層流量配注方案非常重要。筆者利用數(shù)值模擬軟件Fluent對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的節(jié)流裝置進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果可為聚合物分層注入工藝的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)和參考，也可為提高分層流量調(diào)控的精度提供支持。

1 數(shù)值模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 建立幾何模型及網(wǎng)格劃分

在設(shè)計(jì)節(jié)流裝置時(shí)，采用光滑曲面結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)節(jié)流裝置，以減少摩擦損失并增加過(guò)流面積，從而有效降低注入體系的黏度損失。為了實(shí)現(xiàn)合理的節(jié)流控制，通過(guò)調(diào)整降壓槽的管芯環(huán)數(shù)和過(guò)流面積來(lái)方便地調(diào)節(jié)節(jié)流壓差。這些設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)手段可以有效地提高節(jié)流裝置的性能和穩(wěn)定性，為聚合物分層注入工藝的應(yīng)用提供更為可靠和高效的支持。

1.1.1 基本控制方程

針對(duì)聚合物流體在節(jié)流裝置流場(chǎng)中的流動(dòng)特性，假設(shè)在數(shù)值模擬中不考慮熱傳導(dǎo)和熱力學(xué)過(guò)程，并且忽略重力作用。為了更準(zhǔn)確地模擬流動(dòng)行為，采用非牛頓流體的湍流模型。

(1)

(2)

式中：p為壓力，Pa；τij為分子的黏性應(yīng)力張量，Pa；ρ為流體的密度，kg/m3；ui、uj為流體的速度，m/s。

1.1.2 冪律流體方程

(3)

(4)

簡(jiǎn)化后，非牛頓冪律流體的黏度表達(dá)式為：

(5)

在使用Fluent模擬非牛頓流體過(guò)程中，流體黏度可變，需要設(shè)置表觀黏度的上限和下限。這些限制條件可以有效地控制模擬過(guò)程中流體黏度的變化范圍，從而提高模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。這種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于聚合物分層注入工藝等領(lǐng)域的數(shù)值模擬中。

(6)

設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的節(jié)流裝置，并使用Design Modeler建立了相應(yīng)的環(huán)空流體區(qū)域。3種結(jié)構(gòu)的外部套管直徑均為20 mm，最小環(huán)空距離均為0.45 mm，槽數(shù)均為9個(gè)，半圓形的管芯半圓直徑為3 mm，流線型槽間距為13 mm，坡角20°，梭形槽間距為13 mm。3種結(jié)構(gòu)的固體模型和流體區(qū)域如圖1所示。管芯中心呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)貼合性，使得數(shù)值模擬過(guò)程更接近現(xiàn)場(chǎng)操作，采用三維建模和模擬計(jì)算。影響節(jié)流裝置壓力調(diào)節(jié)效果的主要是管芯環(huán)數(shù)和環(huán)空距離。利用Meshing對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行節(jié)流裝置的模型設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到流體注入時(shí)能均勻接觸，以及在流出截面壓力能分布均勻，在節(jié)流裝置的流入和流出階段均設(shè)置10 mm的圓形流動(dòng)空間。3種節(jié)流裝置的仿真模型如圖2所示。

圖1 節(jié)流裝置流體區(qū)域說(shuō)明Fig.1 Description of the fluid area in the throttling device

圖2 3種節(jié)流裝置仿真模型Fig.2 Simulation models of three throttling devices

節(jié)流裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖3所示。管芯結(jié)構(gòu)為周期性的多梭狀結(jié)構(gòu)，改變梭狀結(jié)構(gòu)與外套管重合的長(zhǎng)度，當(dāng)聚合物流體流經(jīng)環(huán)空部分，其速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)也會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，通過(guò)周期性連續(xù)的斷面收縮和斷面擴(kuò)張，最終實(shí)現(xiàn)壓力降低，進(jìn)而調(diào)節(jié)流量。

圖3 節(jié)流裝置實(shí)物圖Fig.3 Picture of the throttling device

3種節(jié)流裝置具有不同的結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體進(jìn)入節(jié)流裝置之后，流體的流場(chǎng)變化具有較大差異，這也導(dǎo)致了3種結(jié)構(gòu)的節(jié)流裝置所達(dá)到的壓降效果有較大的差異。當(dāng)節(jié)流裝置調(diào)節(jié)分層注入時(shí)，電機(jī)可以帶動(dòng)節(jié)流裝置的芯體進(jìn)行伸入和拔出，由此改變芯體伸入的長(zhǎng)度，也就精準(zhǔn)地改變了節(jié)流裝置所形成的壓降。

1.2 設(shè)置計(jì)算模型參數(shù)

模型左側(cè)設(shè)置為速度入口，入口速度由流速與流量的計(jì)算公式得到：

Q=Sv

(7)

式中：Q為分層注入的流量，m3/d；S為流體流過(guò)的橫截面積，m2；v為分層注入的流速，m/s。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)配注流量為100 m3/d時(shí)，流速為3.69 m/s。

水力直徑DH通用計(jì)算公式為：

(8)

式中：Ain為流體流過(guò)的橫截面積，m2；Cin為流體流過(guò)截面的周長(zhǎng)，m。

經(jīng)過(guò)上述公式的計(jì)算，流體的水力直徑設(shè)置為20 mm，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%。因?yàn)楣?jié)流裝置的套管固定不動(dòng)，所以壁面的邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。節(jié)流裝置出口設(shè)置為壓力出口。采用的流體為用戶(hù)自定義流體，密度為1 000 kg/m3。模擬中采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算(steady state)，流場(chǎng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。針對(duì)求解器進(jìn)行了具體的設(shè)置。在這個(gè)過(guò)程中，選擇SIMPLEC作為壓力-速度耦合方式，并使用Least squares cell格式來(lái)計(jì)算梯度。對(duì)于湍動(dòng)能和湍流耗散率，開(kāi)始采用一階迎風(fēng)格式，之后轉(zhuǎn)而使用二階迎風(fēng)格式。這些設(shè)置的目的是為了在計(jì)算過(guò)程中提高精度和穩(wěn)定性，以確保模型的可靠性。

2 模擬結(jié)果分析

在能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)壓降為3 MPa和配注量為100 m3/d的前提下，設(shè)置節(jié)流裝置的管長(zhǎng)為140 mm，管芯環(huán)數(shù)為9個(gè)，環(huán)空距離為0.45 mm。參數(shù)設(shè)置好之后，進(jìn)入仿真軟件進(jìn)行仿真，直至仿真結(jié)果收斂停止仿真。

仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 流場(chǎng)仿真圖Fig.4 Flow field simulation diagram

由圖4可知，3種結(jié)構(gòu)壓降分布都比較均勻，隨著管芯長(zhǎng)度的深入，流經(jīng)節(jié)流裝置的流體壓力逐漸降低。流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，速度的突變主要發(fā)生在管芯與套管距離最小附近，說(shuō)明壓降主要發(fā)生在此區(qū)域。流線型結(jié)構(gòu)相對(duì)于另外2種結(jié)構(gòu)前槽角較小，流體在流經(jīng)管芯和套管最狹窄的區(qū)域時(shí)經(jīng)過(guò)較大的緩沖，流線型的速度突變最小，半圓形、梭形、流線型節(jié)流裝置的壓力損失分別為6.79、7.95、9.86 MPa。

(1)管芯環(huán)數(shù)與壓降的仿真結(jié)果分析。在能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)壓降為3 MPa和配注量為100 m3/d的情況下，對(duì)3種結(jié)構(gòu)采取控制變量法進(jìn)行數(shù)值模擬，首先保持環(huán)空距離為0.45 mm不變，改變管芯環(huán)數(shù)，得到3種結(jié)構(gòu)的管芯環(huán)數(shù)與壓降關(guān)系的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖5所示。

圖5 管芯環(huán)數(shù)與壓降仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation results of core ring number and pressure drop

由圖5可知，在保持環(huán)空距離和流量不變的情況下，3種結(jié)構(gòu)的壓降與管芯環(huán)數(shù)呈近似線性關(guān)系，其中當(dāng)增大管芯環(huán)數(shù)時(shí)，流線型的壓降變化率最大，調(diào)控能力相對(duì)較強(qiáng)。

(2)環(huán)空距離與壓降的仿真結(jié)果分析。在保持管芯環(huán)數(shù)為9個(gè)和配注量100 m3/d不變的情況下，3種結(jié)構(gòu)的環(huán)空距離與壓降關(guān)系的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 環(huán)空距離與壓降仿真結(jié)果圖Fig.6 Simulation results of core ring number and annulus spacing

由圖6可知，在保持管芯環(huán)數(shù)為9個(gè)和配注量100 m3/d不變的情況下，當(dāng)環(huán)空距離剛開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)，壓降隨環(huán)空距離的增大迅速減小，隨著環(huán)空距離的不斷增大，壓降的變化逐漸平穩(wěn)。3種結(jié)構(gòu)的壓降與環(huán)空距離都近似呈二次函數(shù)關(guān)系，其中當(dāng)環(huán)空距離變化相同時(shí)，流線型的壓降最大。當(dāng)環(huán)空距離達(dá)到高于0.7 mm時(shí)，3種結(jié)構(gòu)壓降趨于一致。在較小的環(huán)空距離下，流線型結(jié)構(gòu)調(diào)控能力相對(duì)較強(qiáng)。

(3)流量與壓降關(guān)系的仿真結(jié)果分析。在保持管芯環(huán)數(shù)9個(gè)和環(huán)空距離0.45 mm不變的情況下，3種結(jié)構(gòu)的流量與壓降關(guān)系的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 流量與壓降的仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation results of flow rate and pressure drop

由圖7可知，在保持管芯環(huán)數(shù)9個(gè)和環(huán)空距離0.45 mm不變的情況下，3種結(jié)構(gòu)的壓降與流量呈近似線性關(guān)系。其中，改變相同的流量，在流量區(qū)間為30～40 m3/d時(shí)，梭形的壓降最大。在流量區(qū)間40～100 m3/d時(shí)，流線型的壓降最大，調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)。

3 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬，得到了壓降和流量、管芯環(huán)數(shù)以及環(huán)空距離的變化規(guī)律，而節(jié)流裝置正是通過(guò)壓力損失來(lái)實(shí)現(xiàn)分層流量調(diào)節(jié)的，因此可以通過(guò)改變影響節(jié)流裝置壓降的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的流量調(diào)控。通過(guò)分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)專(zhuān)用的聚合物驅(qū)分層注入節(jié)流裝置通過(guò)周期性連續(xù)的斷面收縮和斷面擴(kuò)張，最終能夠?qū)崿F(xiàn)較均勻的壓力降低，進(jìn)而調(diào)節(jié)流量。

(2)在管芯環(huán)數(shù)和環(huán)空距離確定時(shí)，隨著流量的增大，壓降也逐漸增大，壓降和流量呈近似線性關(guān)系；在流量和環(huán)空距離確定時(shí)，隨著管芯環(huán)數(shù)的增加，壓降也逐漸增大，壓降和管芯環(huán)數(shù)呈近似線性關(guān)系；在管芯環(huán)數(shù)和流量確定時(shí)，隨著環(huán)空距離的增加，壓降迅速減小，壓降和環(huán)空距離呈近似二次函數(shù)關(guān)系。在管芯環(huán)數(shù)、環(huán)空距離和流量確定時(shí)，流線型結(jié)構(gòu)的節(jié)流裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的壓降最大。

(3)上述結(jié)論能針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的專(zhuān)用節(jié)流工具，并通過(guò)本文陳述的方法得到壓損的規(guī)律，可應(yīng)用于聚合物驅(qū)分層注入精準(zhǔn)的流量調(diào)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分層流量調(diào)控有指導(dǎo)意義。