三元复合驱小尺寸压力调节器的结构优化

葛宇洋，陈桂玲，田明磊，董　斌，王春生

三元复合驱小尺寸压力调节器的结构优化

葛宇洋，陈桂玲，田明磊，董斌，王春生

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

在同样的配注量和其他工况条件下，不同的压力调节器中流体的过流特性有所差异，包括三元液黏度损失率、压降等参数。但较高的压降与较低的黏度损失率不能同时存在，两者之间存在矛盾。通过对压力调节器模型进行CFD解析，得到了ASP流体流经不同尺寸的压力调节器模型的速度分布、压力分布、表观黏度分布等。通过分析，优选出槽距为7 mm，坡角为20°，半径差为1 mm，槽深1．82 mm的压力调节器。ASP流体流经该尺寸压力调节器，黏损率较小且压力调节器两端压降满足现场工作条件，较适合工作现场应用。

三元复合驱；压力调节器；优化设计

三元复合驱（以下简称ASP）技术目前广泛应用于各油田。在三元液配注的过程中，由于存在较高的压力和复杂的流场，会引起三元液的剪切，导致三元液黏度的急剧降低，影响了三元复合驱油的效果。通过安装分层配注压力调节器，可以有效的控制压力，降低三元液的剪切程度。但过高的压力会加剧三元液的剪切稀化，过低的压力又不能满足工作条件。因此，优化分层配注压力调节器的性能就成为决定三元复合驱油较为重要的因素［1-2］。

1　ASP流体在压力调节器中流动的数学模型建立

1.1 建立压力调节元件模型

图1为压力调节器的结构示意图，图中的节流元件是要进行计算优化的部分（包括槽深、内外径差、槽距及角度）。图2为梭形内管环空流场剖面图。应用Solidworks软件进行三维模型的建立，不同规格的压力调节器的4个可变参数中槽距L取值为5、7、9 mm；坡脚α取值为10、20、30°；半径差R1－R2取值为0．7、1．0、1．3 mm；槽深H取值为1．8、2．0、2．2 mm。将建立好的模型导入Gambit进行网格划分。

图1　压力调节器结构示意

图2　梭形内管环空流场剖面图

1．2 参数设定

ASP流体流经小尺寸压力调节器梭形内管的环空流场十分复杂，若按真实情况建立数学模型，模型过于复杂，超出数学和计算机所能处理的范围，故需将模型进行相应的简化。只考虑影响ASP流体流动的主要因素，在误差允许的范围内，忽略次要因素［3-10］。建模时做7个假设：

1） 小尺寸压力调节器与内管紧密贴合，无泄露。

2） 在系统内部流体无热传导现象，且ASP流体黏度不受温度的影响。

3） ASP流体流动为单相流。

4） ASP流体在小尺寸压力调节器内的流动为定常流动，即流体流速不随时间而变化。

5） ASP流体是不可压缩的。

6） ASP流体的重力不影响流动，因为流体重力位能对压力调节器性能的影响非常小。

7） 流场内流体与壁面不存在化学反应。

模拟的参数为内管槽数N＝3，ASP流体的密度为998．2 kg／m3，流性指数n＝0．130，黏度系数k＝0．910 Pa·s0．13，流量Q＝20 m3／d。

2　数值模拟与分析

2．1 流动规律分析

图3为压力调节器内流体的速度矢量图、速度云图、压力云图和表观黏度图。从速度矢量图和速度云图中可以看出：

1） 流体在最小流道处速度达到最大值，产生强烈射流。

2） 在过流断面扩大区域速度逐渐减小，由于流道形状呈周期性变化，所以速度的分布也近似呈周期性变化，并且变化幅度基本相等。

从压力云图中可以看出：

1） 压力也是随着流道的过流断面的周期性变化而呈周期性变化。

2） 每个周期上最小流道处压力骤然缩小，随着流道扩大压力逐渐增大。

3） 在一个周期内速度逐渐达到最高点的过程正是压力达到最低点的过程，由于流道的缩小，流速逐渐增大，导致压力损失增加。

从表观黏度云图中可以看出，表观黏度在每个周期上有峰值，峰值靠近过流断面最大处，由于此时的速度梯度比较小，所以表观黏度达到峰值。

图3　压力调节器内部流场云图

2．2 表观黏度计算

通过各模型的表观黏度图，可以用Fluent分别计算出出入口的平均表观黏度值，再代入黏损率公式即可算出不同规格压力调节器的黏损率。

式中：A为入口表观黏度；B为出口表观黏度。

图4为坡角α为10、20、30°时，表观黏度云图对比，从图4中可以看出随着α的增大，在过流断面最小处表观黏度第1峰值区域逐渐减小，在过流断面扩大处表观黏度第2峰值区域逐渐增大，槽底部的表观黏度逐渐增大。

图4　坡脚不同时的表观黏度云图

图5为槽距L为5、7、9 mm时，表观黏度云图对比，从图5中可以看出随着槽距L的增大，在过流断面最小处表观黏度第1峰值区域逐渐减小，在过流断面扩大处表观黏度第2峰值区域也逐渐减小，槽底部的表观黏度逐渐增大。

图5　槽距不同时的表观黏度云图

图6为环形半径差R1－R2为0．7、1．0、1．3 mm时，表观黏度云图对比，从图6中可以看出随着环形半径差R1－R2的增大，在过流断面最小处表观黏度第1峰值区域逐渐增大，在过流断面扩大处表观黏度第2峰值区域也逐渐增大，槽底部的表观黏度逐渐增大。

图6　半径差不同时的表观黏度图

图7是槽深H为1．820、2．002、2．184 mm，表观黏度云图对比，从图7中可以看出随槽深H的增大，在过流断面最小处表观黏度第1峰值区域逐渐增大，在过流断面扩大处表观黏度第2峰值区域也逐渐增大，槽底部的表观黏度逐渐增大。

图7　槽距不同时的表观黏度云图

2．3 结果分析

已知现场工作条件，需要保证压力调节器两端压力不低于0．2 MPa，从模拟结果中挑选出满足要求的型号，对比其压降及黏损率。满足条件的型号如表1所示，由表1可以观察出模型尺寸（槽距-坡角-环形半径差-槽深）为7-20°-1．0-1．82时压降Δp最大，黏损率ζ最小，即ASP流体流经该型号压力调节器，可满足其高压降低黏损的工作参数要求。

表1　井筒-地层材料的基本参数

3　结论

1） 对于不同坡角的压力调节器，随着坡角开度的增大，黏度损耗先减小，再增大，在坡角20°附近较小；对于不同槽距的压力调节器，随着槽距的增大，黏度损耗先减小后增大，在槽距7 mm附近最小；对于不同半径差的压力调节器，随半径差增大，黏度损耗先减小，后增大，在半径差1 mm附近最小；对于不同槽深的压力调节器，随槽深增大，黏度损耗逐渐增大。

2） 通过分析，优选出槽距为7 mm，坡角为20°，半径差为1 mm，槽深1．820 mm的压力调节器。ASP流体流经该尺寸压力调节器，黏损率较小且压力调节器两端压降满足现场工作条件，较适合工作现场应用。

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Structure Optimization of ASP Flooding Small Size Pressure Regulator

GE Yuyang，CHEN Guiling，TIAN Minglei，DONG Bin，WANG Chunsheng
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum Uniuersity，Daqing 163318，China）

In the same conditions with fluence，and other conditions，reflected by the fluid pressure controller，over-current characteristics differ，including the parameters of the polymer viscosity loss rate，the pressure drop．High pressure drop and the low viscosity of the loss rate can not exist together．In this paper，the CFD analysis on the pressure controller models，the ASP flooding flows different pressure controller model velocity distribution，pressure distribution，the viscosity distribution were obtained，through the analysis in this paper，the optimization is the slot pitch of 7mm，the slope angle of 20°，the radius difference of 1mm，the groove depth of 1．820 mm pressure regulator．The ASP flooding flows through this size of pressure regulator，the rate of viscosity loss is small and the voltage drop across the pressure regulator meet on-site working conditions，more suitable for the job site applications．

ASP flooding；pressure regulator；optimizing design

TE934．103

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．018

1001-3482（2015）02-0080-04

2014-08-04

葛宇洋（1989-），男，上海人，硕士研究生，现从事复杂流体流动与数值模拟方面的研究，E-mail：gyyzyzyzy＠163．com。