臧銘浩 侯磊 孫籠籠 李龍 張皓嶠

1中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中油（新疆）石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

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(gè)體系中，既利用它們?cè)械淖饔?，又能發(fā)揮化學(xué)劑間的協(xié)同效應(yīng)，是一種具有發(fā)展前景的三次采油技術(shù)[1]。聚合物的作用主要是提高驅(qū)替液的黏度，擴(kuò)大三元體系在油層中的波及體積，改善水油流度比，從而提高原油采收率[2-4]，因此黏度是影響驅(qū)油效果的決定性因素[5]，需要定期進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。三元復(fù)合驅(qū)替液是一種對(duì)剪切十分敏感的流體，剪切作用會(huì)使高分子鏈發(fā)生變形和取向，達(dá)到一定程度可以使大分子締合程度降低，導(dǎo)致其黏度嚴(yán)重下降[6-7]。

孔繁榮等[8]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在剪切速率為3.11～7.76 s-1時(shí)，聚丙烯酰胺驅(qū)油劑黏度沒有變化或略有上升，這是由于剪切速率較小，不足以剪斷聚合物高分子鏈，反而促進(jìn)了聚合物在水中的進(jìn)一步溶脹。曹廣勝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，三元復(fù)合體系在較高剪切速率下流變特性符合非牛頓冪律流體，即其黏度與剪切率相關(guān)，剪切率越高，黏度降低幅度越大，雷巧會(huì)等[10]對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種黏度損失是不可恢復(fù)的。為了使取出的樣品準(zhǔn)確地反映流程中驅(qū)替液的黏度情況，必須盡可能地降低取樣過程中的剪切作用。劉勤等[11]針對(duì)液罐式取樣器閥門多、各部件連接不便且對(duì)聚合物溶液剪切高的問題進(jìn)行了分析，取消了總閥和取樣閥，精簡(jiǎn)了結(jié)構(gòu)，但是仍存在頂替不徹底的問題。劉海濤等[12]根據(jù)液體的不可壓縮性設(shè)計(jì)出一種背壓結(jié)構(gòu)取樣器，這種取樣器雖然滿足低剪切的要求，但是取樣前需要拆下手柄向背壓腔中注水以平衡配注壓力，操作繁瑣。丁明華等[13]則在液罐式取樣器的基礎(chǔ)上改進(jìn)出一種盤管式取樣器，這種取樣器便于頂替被剪切液，但是會(huì)造成大量驅(qū)替液的浪費(fèi)，頂替過程還降低了取樣效率。李建雄等[14]利用常規(guī)閘門、球閥和壓力表等設(shè)備優(yōu)化了聚合物井口取樣流程，但是增加了取樣系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本文設(shè)計(jì)一種通過螺紋配合來控制活塞移動(dòng)的低剪切取樣器，取樣前無需注水操作，需要頂替的液量也大大減少，提高了取樣效率且沒有增加系統(tǒng)復(fù)雜度，并在完成設(shè)計(jì)后對(duì)取樣過程進(jìn)行了流場(chǎng)模擬與分析。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

低剪切取樣器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括螺桿、取樣器主體、活塞主體、手柄、壓帽、活塞壓片、密封圈、排液閥等。主體前端通過螺紋配合與流程閥門連接；前端帶圓盤的螺桿嵌入活塞主體的凹槽內(nèi)，然后將活塞壓片貼合在圓盤后焊接緊固，裝入取樣器主體，這種設(shè)計(jì)能夠避免密封圈隨著活塞主體做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可避免磨損問題；螺桿尾部開有通孔，供手柄插入提供轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，便于旋擰；壓帽通過螺絲與主體連接，中心開有螺孔與螺桿配合控制活塞移動(dòng)；活塞主體上設(shè)有兩個(gè)密封圈以加強(qiáng)密封效果；排液閥通過螺紋連接從而與取樣器主體相連。取樣器主體總長(zhǎng)250 mm，主體最大外徑70 mm，工作壓力≤25 MPa，容量425 mL。

圖1 低剪切取樣器Fig.1 Low shear sampler

1.2 工作原理

取樣前，將取樣器連接到流程閥門上，把螺桿活塞旋進(jìn)到取樣器主體最前端；取樣時(shí)，先打開流程閥門，少量驅(qū)替液迅速充滿取樣器前端細(xì)管，此時(shí)保持活塞不動(dòng)，打開排液閥排出這部分液體后關(guān)閉排液閥；然后旋擰手柄，螺桿活塞慢慢后退，樣品以很低的流速均勻充滿取樣腔；當(dāng)旋退至最末端后，關(guān)閉流程閥門，打開排液閥，反方向旋擰活塞桿，樣品以很低的速度排進(jìn)取樣瓶，取樣完成。

2 取樣器內(nèi)流場(chǎng)模擬與分析

2.1 建模及網(wǎng)格

某油田在用的盤管式取樣器盤管內(nèi)徑為1.5 cm，取樣腔容量450 mL，據(jù)此設(shè)計(jì)取樣器內(nèi)腔長(zhǎng)16 cm，內(nèi)徑6 cm，進(jìn)液細(xì)管和排液細(xì)管內(nèi)徑均為1.5 cm。使用ICEM-CFD軟件進(jìn)行取樣器二維建模，在劃分網(wǎng)格時(shí)選擇精度更高的四邊形網(wǎng)格，將活塞簡(jiǎn)化成動(dòng)邊界。圖2為網(wǎng)格圖片，橙色區(qū)域在進(jìn)液時(shí)為進(jìn)口端，邊界類型為inlet，采用1.6 MPa 壓力入口條件；藍(lán)色區(qū)域在進(jìn)液時(shí)為封閉區(qū)域，邊界類型為wall；排液時(shí)，橙色區(qū)域?yàn)榉忾]區(qū)域，邊界類型為wall，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槌隹诙?，邊界類型為outlet，采用0.1 MPa 壓力出口條件；綠色區(qū)域?yàn)榱鞯?，左邊界為可移?dòng)活塞面，邊界類型為move。

圖2 取樣器二維網(wǎng)格Fig.2 Two-dimensional grid of sampler

網(wǎng)格劃分完成后指定了可移動(dòng)活塞面move，由于邊界運(yùn)動(dòng)無變形及其他復(fù)雜設(shè)定，且運(yùn)動(dòng)速度沒有任何函數(shù)關(guān)系，因此采用profile文件來控制網(wǎng)格中活塞面的移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)低剪切取樣，活塞移動(dòng)應(yīng)盡可能慢，但是移動(dòng)越慢所需的取樣時(shí)間就越長(zhǎng)，權(quán)衡兩者后設(shè)置活塞面的移動(dòng)速度為0.53 cm/s，即在30 s 內(nèi)活塞面旋退16 cm 的距離到達(dá)取樣腔尾部，再用30 s 旋進(jìn)16 cm 到取樣器前端將樣品排出。實(shí)際操作中雖達(dá)不到確定的精度，但應(yīng)保持在25～35 s內(nèi)均勻地完成一個(gè)行程。

2.2 理論模型及流態(tài)判別

2.2.1 控制方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量等于控制體內(nèi)質(zhì)量的增加量，據(jù)此推導(dǎo)出不可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)性方程

式中：ρ為密度，kg/m3；u為x方向上的速度，m/s；v為y方向上的速度，m/s；w為z方向上的速度，m/s。

動(dòng)量守恒定律可表述為：在某一瞬時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于作用在該系統(tǒng)上的合外力。根據(jù)此定律可分別列出控制體在三個(gè)坐標(biāo)上的微分方程，對(duì)于不可壓縮流體，動(dòng)量守恒方程表達(dá)式如下

式中：p為微元體上的壓力，Pa；fx、fy、fz為微元體上的質(zhì)量力在三個(gè)方向上的分量，m/s2。

2.2.2 黏度模型

對(duì)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為變形率張量的函數(shù)。在FLUENT 內(nèi)采用的非牛頓流體模型中，被定義為僅與剪切速率有關(guān)的函數(shù)。

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)；T0為參考溫度，℃。

本研究驅(qū)替液的稠度系數(shù)為1.543 Pa·sn，流變指數(shù)為0.28。

2.2.3 流態(tài)判別

在符合工程實(shí)際的情況下，采用冪律流體臨界雷諾數(shù)判別法對(duì)驅(qū)替液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的流態(tài)進(jìn)行判別[15]，公式如下

式中：Re為冪律流體雷諾數(shù)，當(dāng)Re≤2 000時(shí)為層流，反之為湍流；D為流道內(nèi)徑，m；ρ為驅(qū)替液密度，kg/m3；v為驅(qū)替液流速，m/s。

將驅(qū)替液流動(dòng)參數(shù)代入式（7），出入口細(xì)管內(nèi)和取樣腔內(nèi)的雷諾數(shù)均小于2 000，判定流動(dòng)狀態(tài)為層流。

2.3 取樣過程模擬研究

2.3.1 進(jìn)液過程

取樣器連接到流程閥門后，打開流程閥門，驅(qū)替液以不滿流狀態(tài)充滿取樣器入口細(xì)管，且由于經(jīng)過流程閥門的剪切，已經(jīng)大量降解，不能作為檢測(cè)樣品，因此將其通過排液閥頂替出去；頂替完成后關(guān)閉排液閥，旋擰手柄，控制活塞緩慢后退，驅(qū)替液逐漸進(jìn)入取樣腔。圖3 為活塞后退過程中10、20、30 s 時(shí)的黏度變化云圖。由圖3 可見，10 s 時(shí)活塞已經(jīng)后退了5.3 cm，取樣腔內(nèi)大部分區(qū)域中的樣品沒有受到剪切，中心處由于細(xì)管持續(xù)進(jìn)液的影響，存在流動(dòng)剪切，但是在慢速流動(dòng)狀態(tài)下，鏈纏結(jié)結(jié)構(gòu)沒有被破壞，不會(huì)造成驅(qū)替液黏度的不可逆損失，這種狀態(tài)一直保持到30 s時(shí)進(jìn)液完成。

圖3 進(jìn)液過程黏度云圖Fig.3 Inlet process viscosity cloud

2.3.2 排液過程

進(jìn)液結(jié)束后，關(guān)閉流程閥門，打開排液閥，旋擰手柄控制活塞緩慢前進(jìn)，將樣品排入取樣瓶中。圖4 為排液過程中10、20、30 s 時(shí)的黏度變化云圖。由圖4 可見，10 s 時(shí)取樣腔內(nèi)樣品黏度不受剪切，出口細(xì)管內(nèi)由于管徑較小，存在流動(dòng)剪切，但是排液速度足夠慢，剪切不會(huì)破壞高分子鏈纏結(jié)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)樣品黏度沒有實(shí)質(zhì)影響，這種狀態(tài)一直保持到30 s時(shí)排液過程結(jié)束。

2.3.3 取樣器的進(jìn)一步優(yōu)化

從進(jìn)液過程和排液過程的黏度云圖可以看出，取樣腔內(nèi)的驅(qū)替液幾乎不受剪切，而在細(xì)管與取樣腔交界的變徑處以及出口細(xì)管和入口細(xì)管的交界處存在較大剪切，排液過程中這兩個(gè)位置的剪切尤其明顯，圖5 為其速度矢量圖。從圖5 可以看出，兩個(gè)位置處的樣品流速矢量均發(fā)生顯著變化，這是因?yàn)榱鞯腊l(fā)生改變，取樣器內(nèi)局部速度梯度顯著增大，同時(shí)流道邊緣又十分尖銳，會(huì)對(duì)樣品造成較大剪切。因此對(duì)這兩個(gè)位置做光滑倒角處理，同時(shí)配合該取樣器取樣時(shí)的低流速，可以避免樣品黏度的實(shí)質(zhì)性損失。

3 結(jié)論

（1）新型低剪切取樣器操作簡(jiǎn)單，取樣前無需拆裝注水，需要頂替的液量也大大減少，可提高取樣效率；同時(shí)螺紋配合控制活塞的設(shè)計(jì)使取樣器可以適用于更大壓力的工作場(chǎng)合，活塞的模塊化設(shè)計(jì)則可避免密封圈的劇烈磨損問題。

（2）經(jīng)過數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)取樣腔內(nèi)樣品幾乎不受剪切，出入口細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)剪切雖然比取樣腔內(nèi)的剪切大，但是樣品流速很低，同時(shí)配合尖銳流道的光滑倒角處理，高分子鏈纏結(jié)結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，因此這種取樣器結(jié)構(gòu)在取樣過程中能最大程度保持樣品黏度，便于準(zhǔn)確測(cè)試流程中驅(qū)替液的真實(shí)黏度。