李龍 臧銘浩 陶小平 程佳 侯磊 盧亞濤

1中油（新疆）石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

2中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院

3新疆油田公司

4大慶油田第六采油廠

目前我國很多油田已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)中后期，石油開采難度越來越大，三次采油技術(shù)已經(jīng)成為各大油田發(fā)展的重要方向。三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)將堿、表面活性劑、聚合物三種化學(xué)劑配制在一個體系中，既利用了藥劑原有的性能，又發(fā)揮了化學(xué)劑間的協(xié)同效應(yīng)，是一種具有較好發(fā)展前景的三次采油技術(shù)。根據(jù)三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)提高采收率的原理，需要讓驅(qū)替液的黏度保持在合理高位以提高在地層下的波及體積。驅(qū)替液具有一定黏度是因?yàn)槠渲械木酆衔锔叻肿渔溔苡谒笫嬲钩砷L鏈，且進(jìn)一步纏結(jié)形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)機(jī)械剪切達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，聚合物高分子鏈及其纏結(jié)結(jié)構(gòu)會變形甚至破壞，宏觀上表現(xiàn)為黏度降低，因此有必要掌握驅(qū)替液在配注管件中流動時(shí)的表觀黏度變化規(guī)律。

曾黎[1]發(fā)現(xiàn)在配注過程中有較大黏損的節(jié)點(diǎn)為螺桿泵和靜態(tài)混合器，在一泵多井注入流程中母液流量調(diào)節(jié)器也有很大黏損。王成勝、游關(guān)賓等人[2-3]發(fā)現(xiàn)高壓注入泵機(jī)械剪切對聚合物黏度損失影響較大，黏損率超過50%；母液流量調(diào)節(jié)器前后壓差越大，聚合物溶液黏損越大。秦篤國、王翠麗[4-5]發(fā)現(xiàn)注入泵在泄漏、泵效低等不良狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，黏損率高達(dá)85%?？追睒s等人[6]發(fā)現(xiàn)在低濃度范圍內(nèi)，隨著驅(qū)油劑濃度的降低剪切歷史對驅(qū)油劑黏度及黏損率的影響增大。劉良華、辛麗宏等人[7-8]發(fā)現(xiàn)彎頭等管件的數(shù)量越多，黏損越大，管線長度越長、管徑越小、注入壓力越高、注入量越大的聚合物溶液輸送管線對聚合物溶液的黏度影響就越大?？傮w來看，目前配注系統(tǒng)內(nèi)黏度變化研究大多通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行，只能在某些固定節(jié)點(diǎn)處設(shè)置取樣器進(jìn)行黏度測試與分析，不能掌握具體管件內(nèi)的黏度變化情況。本文通過對新疆油田七東一區(qū)三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)站配注系統(tǒng)管件進(jìn)行流場數(shù)值模擬，研究了管件內(nèi)部驅(qū)替液的表觀黏度變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型及模擬參數(shù)

七東一區(qū)三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)站采用“單泵單井，兩級濃度調(diào)配”的工藝流程，聚合物母液在聚驅(qū)站集中熟化后管輸至三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)站，在母液罐操作間同表面活性劑混合，形成聚合物質(zhì)量濃度為3 000 mg/L、表活劑體積分?jǐn)?shù)為0.3%的轉(zhuǎn)輸液，在配注流程的末端與堿和表活劑的混合溶液進(jìn)行復(fù)配，注入地下。轉(zhuǎn)輸階段是三元復(fù)合驅(qū)配注系統(tǒng)的主體階段，轉(zhuǎn)輸液流經(jīng)彎頭、變徑管、三通等管件。以二元轉(zhuǎn)輸液為研究對象進(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)輸液在流動時(shí)被認(rèn)可為是符合冪律模型的非牛頓流體[9]。

對非牛頓流體表觀黏度η而言，其剪切應(yīng)力τˉ可以描述為

其中表觀黏度η為變形率張量Dˉ的函數(shù)。在FLUENT內(nèi)采用的非牛頓流體模型中，Dˉ被定義為僅與剪切速率γ˙有關(guān)的函數(shù)，即

非牛頓冪律流體的本構(gòu)方程為

冪律流體表觀黏度表達(dá)式為

式中：k為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流變指數(shù)，無量綱；T0為參考溫度，℃。

用MCR302流變儀對配注溫度20℃下的二元轉(zhuǎn)輸液在不同剪切速率下進(jìn)行黏度測定，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確定二元轉(zhuǎn)輸液的稠度系數(shù)k為1.543 Pa·sn，流變指數(shù)n為0.28。計(jì)算模型采用分離隱式求解器方案，計(jì)算模式選擇穩(wěn)態(tài)，微分方程的離散使用有限體積法；對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)使用中心差分格式；速度壓力耦合方程采用SIMPLE算法?？紤]非牛頓流體近壁邊界層處的流動特點(diǎn)，模擬時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-omega模型，包含低雷諾數(shù)影響、可壓縮性影響和剪切流擴(kuò)散，適用于受到壁面限制的流動計(jì)算和自由剪切流計(jì)算，雷諾應(yīng)力的渦黏性模型為

式中： μt為渦黏性，Pa·s；Sij為平均速度應(yīng)變率張量；Snn為Sij的對角線項(xiàng)之和； ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，m2/s2； δij為克羅內(nèi)克算子。

2 模擬結(jié)果

2.1 不同管件中的表觀黏度模擬

彎頭按曲率半徑不同可分為短半徑彎頭和長半徑彎頭，短半徑彎頭的曲率半徑等于管道外徑，長半徑彎頭曲率半徑等于1.5倍管道外徑。圖1為不同彎頭中的表觀黏度云圖，模擬速度均為0.85 m/s，壓力均為0.6 MPa。如圖1所示，轉(zhuǎn)輸液在彎頭入口處表觀黏度較高，且越靠近軸線處表觀黏度越大，這是因?yàn)樵娇拷S線，剪切速率隨著速度梯度的減小而減??；而壁面處由于速度邊界層的存在，剪切速率大于軸心處，所以表觀黏度較小。轉(zhuǎn)輸液流經(jīng)彎頭時(shí)，軸心處高黏度區(qū)顯著縮小，表觀黏度數(shù)值明顯降低且出現(xiàn)波動，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)彎處速度發(fā)生突變，且由于離心力的作用，彎頭靠近外壁位置的壓力比內(nèi)側(cè)大，在壓差和速度差的作用下，轉(zhuǎn)彎處的流場不穩(wěn)定，剪切率上升導(dǎo)致表觀黏度降低，流經(jīng)彎頭之后，流動漸漸趨于平穩(wěn)，表觀黏度有所恢復(fù)。模擬結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)輸液流經(jīng)DN200 mm彎頭時(shí)的整體黏度略高于DN100 mm彎頭；DN100 mm彎頭轉(zhuǎn)彎處的黏度降低程度比DN200 mm彎頭劇烈；同直徑下短半徑彎頭轉(zhuǎn)彎處的黏度降低程度比長半徑彎頭劇烈。這說明彎頭直徑越小，轉(zhuǎn)輸液在流動時(shí)受到的剪切越大；彎頭曲率半徑越小，即彎曲幅度越大造成的剪切就越大。

圖1 不同彎頭處表觀黏度云圖Fig.1 Apparent viscosity cloud diagram at different elbows

圖2 為不同直徑三通中的表觀黏度云圖，三通模型左側(cè)為入口面，右側(cè)和上方為出口面，模擬速度均為0.85 m/s，壓力均為0.6 MPa?？梢钥吹饺ǚ至魈幍谋碛^黏度大幅下降，黏度降低現(xiàn)象比同直徑長半徑彎頭處更加明顯；流過分流處后由于剪切率大幅降低，表觀黏度基本恢復(fù)到原來的水平。模擬結(jié)果顯示，小直徑三通內(nèi)的整體表觀黏度以及軸心高黏度區(qū)的范圍均小于大直徑三通，流經(jīng)DN100 mm分流處時(shí)表觀黏度的降低現(xiàn)象比流經(jīng)DN200 mm分流處時(shí)要更明顯；小直徑三通干管分流點(diǎn)處有明顯的黏度梯度，且支管內(nèi)表觀黏度受影響的范圍大于大直徑三通。這說明，管徑越小，流動時(shí)內(nèi)部的剪切率就越大，表觀黏度就越小，在分流處差別更加明顯。

圖2 不同直徑三通處表觀黏度云圖Fig.2 Apparent viscosity cloud diagram of different diameter tees

圖3 不同變徑管處表觀黏度云圖Fig.3 Apparent viscosity cloud diagram at different reducers

圖3 為不同變徑管處的表觀黏度云圖。由圖3可以看出轉(zhuǎn)輸液在流經(jīng)變徑管前后表觀黏度大幅變化，黏度降低水平高于同直徑的常用彎頭和三通。首先，是因?yàn)樽儚胶笏俣劝l(fā)生突變，流動不穩(wěn)定，剪切率大幅上升；其次，縮徑處會出現(xiàn)強(qiáng)化剪切的渦流；最后，縮徑后流動截面積縮小，速度梯度變大，造成的剪切更大，黏度的恢復(fù)程度顯著弱于流過彎頭和三通后。經(jīng)比較可知，變徑管直徑越小，流動中的轉(zhuǎn)輸液整體表觀黏度越低；變徑幅度越大，對轉(zhuǎn)輸液造成的剪切就越大；偏心變徑時(shí)產(chǎn)生的剪切強(qiáng)度大于同類型的同心變徑管，且偏心變徑后轉(zhuǎn)輸液的整體黏度明顯小于同心變徑。

2.2 相同管件中不同流速下的表觀黏度模擬

圖4中a、b分別為DN100 mm長半徑彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)輸液以0.4 m/s和1.3 m/s速度流動下的表觀黏度云圖。由其可以看出，長半徑彎頭中以0.4 m/s速度流動的轉(zhuǎn)輸液整體黏度高于以1.3 m/s速度流動的轉(zhuǎn)輸液，且轉(zhuǎn)彎處的表觀黏度值分布呈現(xiàn)明顯的波動。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎處流場不穩(wěn)定，由于內(nèi)外側(cè)速度差和壓差的存在產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，高速流動下表觀黏度的降低現(xiàn)象更明顯。圖4中c、d分別為DN100 mm三通內(nèi)轉(zhuǎn)輸液以0.4 m/s和1.3 m/s速度流動下的表觀黏度云圖。由其可以看出，不同流動速度下轉(zhuǎn)輸液的黏度分布有較大不同，高速流動下轉(zhuǎn)輸液的整體黏度小于低速流動，以0.4 m/s速度流動的轉(zhuǎn)輸液分流處和壁面處表觀黏度分布梯度小于流速為1.3 m/s的情況，且高速流動下支管內(nèi)表觀黏度受影響的范圍更大。圖4中e、f分別為DN100 mm/65 mm同心變徑管內(nèi)轉(zhuǎn)輸液以0.4 m/s和1.3 m/s速度流動下的表觀黏度云圖。由其可以看出，以0.4 m/s速度流動的轉(zhuǎn)輸液表觀黏度在變徑前、變徑時(shí)和變徑后均高于以1.3 m/s速度流動的轉(zhuǎn)輸液表觀黏度，表觀黏度在變徑中心達(dá)到最低。

將圖4與前文中各對應(yīng)模型流速為0.85 m/s下的模擬結(jié)果共同分析可以發(fā)現(xiàn)，流動速度對表觀黏度有較大影響。流動速度越大，管件中的剪切越嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輸液的整體黏度就越低；同樣管徑的管件中，流速越大，近壁面處的黏度梯度越明顯，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)輸液有較高黏度，在流動過程中有“掛壁”現(xiàn)象，流動速度越大，壁面處轉(zhuǎn)輸液的速度梯度就越大，剪切就越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

圖4 各管件不同流速下表觀黏度云圖Fig.4 Apparent viscosity cloud diagram of different flow rate at different pipe fittings

（1）用數(shù)值模擬的方法分析驅(qū)替液在不同配注管件內(nèi)的表觀黏度場變化情況，與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，能更準(zhǔn)確地掌握各管件內(nèi)表觀黏度的具體分布情況，認(rèn)識驅(qū)替液在不同管件內(nèi)流動時(shí)表觀黏度的變化規(guī)律。

（2）相同條件下驅(qū)替液在常用彎頭、三通和同心變徑管中流動時(shí)受到的剪切依次增大；驅(qū)替液在小直徑管件內(nèi)流動時(shí)受到的剪切大于大直徑管件，管件內(nèi)驅(qū)替液流速越大，受到的剪切就越大，管件直徑越小或配注流速越大，流動的不穩(wěn)定性越強(qiáng)，越不利于黏度的保持。

（3）要盡可能減少配注系統(tǒng)中管件數(shù)量，尤其是變徑管數(shù)量，彎頭盡量使用曲率半徑大的，變徑處盡量使用同心變徑管，適當(dāng)增大配注管件直徑，降低配注流速，能夠有效控制系統(tǒng)中的剪切程度，有利于驅(qū)替液黏度的保持。

西南油氣分公司元壩氣田凈化廠