吳 迪 李伊蘭 班久慶 張 威 張偉文 楊興宙

東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163300

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梭型分壓注入工具內(nèi)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(xué)石油工程學(xué)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(jīng)不同槽數(shù)分壓注入工具時的流場變化,基于相似原理設(shè)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(jīng)該模型內(nèi)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(jīng)不同槽數(shù)分壓注入工具時降壓槽內(nèi)流場的速度云圖。分析實驗結(jié)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(nèi)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(yīng)用于油田生產(chǎn)。其中的分壓注入工具[4-5]是利用流體經(jīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化和其降壓槽內(nèi)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(shù)的發(fā)展[12-17]使得通過實驗手段獲得形狀復(fù)雜的降壓槽內(nèi)溶液瞬時動力學(xué)流動狀態(tài)成為可能。本文基于相似原理設(shè)計了一種可用于PIV系統(tǒng)的梭型分壓注入工具實驗?zāi)Ｐ?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(nèi)聚合物溶液流場的分布規(guī)律。實驗為分壓注入工具內(nèi)的流場研究提供了一種新的方法,并為分壓注入工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了驗證手段和技術(shù)支持。

1 相似準則下實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)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?zāi)Ｐ椭薪祲翰鄢叽?/p>

其中:實驗?zāi)Ｐ吞坠芡鈴綖?5 mm、內(nèi)徑為31 mm，套管壁厚2 mm，降壓槽外徑為29 mm、內(nèi)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(dǎo)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(chǔ)上,達到雷諾數(shù)相等即可使實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)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(nèi)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(shè)計的模型與原型尺寸之比1.62∶1。實驗時調(diào)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(chǎn),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(nèi)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(jīng)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(jié)果與分析

由Tecplot處理得到采取不同方案時單個降壓槽內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)而逐漸減小,至流過約2/3槽后,流速轉(zhuǎn)而增大;槽內(nèi)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(jīng)分注工具降壓槽內(nèi)的漩渦位置和溶液質(zhì)點流動方向無明顯差異。

4 結(jié)論

1)溶液流經(jīng)分壓注入工具時,降壓槽內(nèi)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(nèi)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(xué)基金項目“分注工具對三元復(fù)合體系作用機理及三元復(fù)合體系與油層的匹配關(guān)系研究”(QC 2015056);黑龍江省自然科學(xué)基金項目“分質(zhì)過程對三元復(fù)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(fù)雜流體與流動的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.013