通過流變性實驗，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪率模式，建立了非牛頓流體在環(huán)形空間內(nèi)的流態(tài)判別模型。運用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，研究了聚合物溶液在低剪切流量控制閥內(nèi)的流動規(guī)律和不同配注量下產(chǎn)生的節(jié)流壓差。結(jié)果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，產(chǎn)生的節(jié)流壓差能夠滿足擴張式封隔器的坐封條件。實驗數(shù)據(jù)表明，流量在33～62m3/d間的節(jié)流壓差達到5.98MPa，黏度保留率達到90%以上。

　　在雙管注聚過程中，為減少聚合物溶液的黏度損失，研制出低剪切流量控制閥。聚合物溶液在閥內(nèi)流動時，聚合物分子鏈?zhǔn)冀K處于拉長、收縮的變形中，消耗在這個過程中的能量形成節(jié)流壓差。聚合物分子鏈變形的同時又不斷恢復(fù)，能夠降低黏度損失。聚合物溶液每流過低剪切流量控制閥內(nèi)的一個降壓槽，過流面積從小到大變化一次，流速從高到低變化一次，流態(tài)及流場分布也相應(yīng)產(chǎn)生一次變化。為研究這個變化規(guī)律，筆者對低剪切流量控制閥進行數(shù)值模擬。

1、流體性質(zhì)

　　注聚溶液屬于黏彈性的非牛頓流體。對注聚采用的聚合物溶液進行流變性實驗，分別測得不同剪切速率對應(yīng)的剪切應(yīng)力值(γ1，τ1)，(γ2，τ2)，…，(γn，τn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 流變性實驗結(jié)果

　　通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式，本構(gòu)方程為：

τ=Kγn (1)

　　式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa;γ為剪切速率，s-1;K為稠度系數(shù)，Pa•sn;n為流性指數(shù)。同時，擬合得出K=0.1378Pa•sn，n=0.5603。

3、流動區(qū)域的數(shù)值模擬

　　3.1、幾何模型和網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)低剪切流量控制閥內(nèi)部的正紡錘連線型環(huán)形流道，建立二維幾何模型，采用正交化非均勻網(wǎng)格進行劃分，如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)為116534。

圖2 流動區(qū)域的幾何模型

　　3.2 邊界條件和計算條件

　　速度入口邊界，速度分別取3.22，4.02，4.83m/s(對應(yīng)的注入量分別為40，50，60m3/d)。此時計算出的雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)2823，流動均為湍流狀態(tài)。壓力邊界出口，表壓為0。固壁采用無滑移邊界條件，壁面上u=0。

　　選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，動量方程、湍動能方程和耗散率方程均選用一階迎風(fēng)格式，壓力速度場的耦合求解選取SIMPLEC方法。

　　3.3、計算結(jié)果

　　入口流量分別為40，50，60m3/d時的流動壓耗計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 入口流量40m3/d的流動壓耗

圖4 入口流量50m3/d的流動壓耗

圖5 入口流量60m3/d的流動壓耗

　　入口流量分別為40，50，60m3/d時的流動壓耗分別為2.9，4.3，6.1MPa。從流動壓耗的計算結(jié)果可以看出，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，對聚合物的限流阻力較大。產(chǎn)生的節(jié)流壓差，能夠滿足擴張封隔器的坐封要求。節(jié)流壓差隨著配注量的增加而增大，可實現(xiàn)不同配注量的要求。

　　單個降壓槽速度等值線見圖6，單個降壓槽速度分布見圖7。聚合物流經(jīng)每個降壓槽時，流場速度分布比較均勻，速度矢量變化較小，說明正紡錘型降壓槽對聚合物黏度剪切率較小。

圖6 單個降壓槽速度等值線

圖7 單個降壓槽速度分布

4、中間實驗

　　在1-12X332井開展了低剪切流量控制閥的應(yīng)用實驗，結(jié)果見表1。

表1 低剪切流量控制閥應(yīng)用實驗結(jié)果

　　實驗數(shù)據(jù)表明，流量在33～62m3/d間的最大黏度損失率為6.83%，黏度保留率達到90%以上，節(jié)流壓差達到5.98MPa，說明低剪切流量控制閥能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。經(jīng)比對，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬得出的節(jié)流壓差數(shù)值接近，誤差在10%之內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5、結(jié)論

　　1)對注聚采用的聚合物溶液進行流變性實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，認為聚合物溶液符合非牛頓流體冪律模式。

　　2)通過建立的流態(tài)判別模型，確定了注聚溶液在低剪切流量控制閥內(nèi)流動的臨界流量，便于數(shù)值計算時湍流模型的選取。

　　3)中間實驗與數(shù)值模擬的結(jié)果表明，低剪切流量控制閥具有較好的節(jié)流作用，能夠有效減少聚合物溶液的黏度損失。