0 引 言
大庆油田ASP复合驱驱替对象逐渐转向二类、三类油层，其储层特点是：纵向上层数多、层间渗透率级差大，若使用同一相对分子质量的ASP复合溶液，中低渗透层易堵塞，导致油层动用程度降低，影响整体驱油效果。为此，研发了喷嘴结构的分质注入工具[1]，在井筒内对ASP复合溶液相对分子质量进行不同程度的调节，从而满足不同渗透率地层的合理匹配注入，提高油层的整体动用程度。
二类、三类油层渗透率较低，注入井单层配注量较低。萨中开发区北一区断东块62个分注层段中，配注量在10~30 m3/d内的层段占总层段数的66%左右。对于这些低配注量井，若要利用喷嘴结构注入工具实现较高相对分子质量调节范围(40%以上)，必须选择小直径喷嘴(2~3 mm)，但会产生较大压力损失，影响整体注入效果。为了进一步提高ASP复合驱效果，设计了串联多级较大直径喷嘴结构，对ASP复合溶液分子链进行逐级剪切，达到控制压力损失的目的。笔者利用Fluent流体数值计算软件，对不同级数串联喷嘴过流通道的速度分布、压力分布、视黏度分布及平均应变率进行了数值计算[2, 3, 4, 5, 6]，同时分析了各级喷嘴的剪切效果。
1 几何模型建立及边界条件 1.1 几何模型建立单级喷嘴结构分质注入工具为“双曲线+梯形口”形式[2]，几何形状如图 1所示。图中L为喷嘴长度，L1为双曲线入口长度，L2为双曲线与梯形口过渡段长度，L3为梯形出口长度，θ为梯形口角度，D1为喷嘴缩径段直径，D为出/入口直径。
|
| 图 1 单级喷嘴结构分质注入工具几何形状图 Fig.1 Geometry of different medium injection toolwith the configuration of single stage nozzle |
在单级喷嘴基础上，建立了2级、3级和6级直径均为3 mm的喷嘴几何模型，如图 2所示。
|
| 图 2 各级串联喷嘴几何模型 Fig.2 Geometric model of tandem nozzles |
x方向速度u=c、y方向速度v=0。即：
利用数值模拟得到了不同串联级数喷嘴的压力损失，结果如表 1所示。喷嘴的压力损失随串联级数的增加而逐渐增大，但不随串联级数的倍数成倍增大。相同串联级数的喷嘴随着流量的增大，压力损失也逐渐增大。
| 流量/(m3·d-1) | 单级喷嘴/kPa | 2级串联喷嘴/kPa | 3级串联喷嘴/kPa | 6级串联喷嘴/kPa |
| 20 | 619.70 | 804.51 | 1 056.42 | 1 777.96 |
| 30 | 1 139.46 | 1 657.55 | 2 139.47 | 3 480.09 |
| 40 | 2 038.50 | 2 925.77 | 3 730.83 | 5 937.12 |
| 50 | 3 158.06 | 4 538.53 | 5 760.14 | 9 027.47 |
不同串联级数喷嘴的速度分布如图 3所示。由图可以看出，随着串联级数的增加，速度的最大值逐渐增大。对于串联的多级喷嘴，第1级喷嘴内的速度值要小于后几级喷嘴的速度值。从第2级喷嘴开始，喷嘴的速度分布基本一致。 不同串联级数喷嘴的视黏度分布云图如图 4所示。
|
| 图 3 30 m3/d流量下各级喷嘴串联结构速度分布云图 Fig.3 Velocity distribution of tandem nozzles with differentstages under the flow rate of 30 m3/d |
|
| 图 4 30 m3/d流量下不同喷嘴串联结构的视黏度分布云图 Fig.4 Apparent viscosity distribution of tandem nozzles with different stages under the flow rate of 30 m3/d |
由图可以看出，3级喷嘴串联结构的视黏度最大，6级喷嘴串联结构的视黏度最小。各串联结构第1级喷嘴内的视黏度分布基本相同。最小的视黏度值出现在各级喷嘴的扩散段及其下游区域。喷嘴串联后，溶液在后几级喷嘴内的剪切作用逐渐增强，视黏度损失增大。
不同流量、不同级数喷嘴的平均应变率如表 2、表 3、表 4和表 5所示。串联后喷嘴内的平均应变率大于单级喷嘴的平均应变率。对于串联喷嘴，第1级喷嘴的平均应变率最小，从第1级到最后1级喷嘴平均应变率有增大的趋势。从第3级喷嘴开始，喷嘴的平均应变率趋于稳定，数值在小范围内波动。
| 流量/(m3·d-1) | 20 | 30 | 40 | 50 |
| 平均应变率/s-1 | 12 276.35 | 20 615.71 | 24 897.24 | 29 910.98 |
| 流量/(m3·d-1) | 第1级/s-1 | 第2级/s-1 |
| 20 | 16 887.95 | 19 400.84 |
| 30 | 25 510.58 | 29 842.34 |
| 40 | 30 029.81 | 37 704.48 |
| 50 | 34 065.37 | 44 626.41 |
| 流量/(m3·d-1) | 第1级/s-1 | 第2级/s-1 | 第3级/s-1 |
| 20 | 16 870.89 | 19 572.55 | 19 633.29 |
| 30 | 25 423.01 | 30 368.67 | 30 289.42 |
| 40 | 29 644.94 | 37 705.02 | 37 891.67 |
| 50 | 33 713.38 | 44 794.32 | 45 454.21 |
| 流量/(m3·d-1) | 第1级/s-1 | 第2级/s-1 | 第3级/s-1 | 第4级/s-1 | 第5级/s-1 | 第6级/s-1 |
| 20 | 16 850.18 | 19 438.63 | 19 764.94 | 19 605.12 | 19 689.84 | 19 639.24 |
| 30 | 25 428.64 | 29 938.95 | 30 910.65 | 30 496.24 | 30 630.22 | 30 444.65 |
| 40 | 30 013.43 | 36 720.40 | 38 515.39 | 38 384.11 | 38 503.18 | 37 986.53 |
| 50 | 33 680.60 | 44 202.74 | 45 884.31 | 45 849.70 | 46 426.01 | 45 406.51 |
为了解决较低配注量下压力损失过大而影响注入效果的问题，通过对比单级直径2 mm的喷嘴注入工具与多级直径3 mm的喷嘴注入工具的压力损失和平均应变率，结果发现，采用较大直径多级串联的形式可降低压力损失，如表 6和表 7所示。
| 流量/(m3·d-1) | 单级喷嘴/s-1 | 2级串联喷嘴/s-1 | 3级串联喷嘴/s-1 | 6级串联喷嘴/s-1 |
| 20 | 4 113.82 | 5 056.91 | 5 917.39 | 7 921.54 |
| 30 | 6 195.09 | 7 550.00 | 8 976.45 | 12 323.32 |
| 40 | 8 210.95 | 9 895.18 | 11 562.39 | 15 517.96 |
| 50 | 9 910.98 | 12 327.55 | 14 260.77 | 18 989.18 |
| 流量/(m3·d-1) | 压力损失/kPa | 平均应变率/s-1 |
| 20 | 2 484.53 | 6 260.25 |
| 30 | 5 013.88 | 8 908.62 |
| 40 | 8 107.48 | 10 986.16 |
| 50 | 12 088.94 | 13 471.56 |
由表 1、表 6和表 7可知：
(1)在流量为30 m3/d的情况下，直径为2 mm的喷嘴压力损失为5 013.88 kPa，平均应变率为8 908.62 s-1；3级直径为3 mm的喷嘴串联工具压力损失为2 139.47 kPa，平均应变率为8 976.457 s-1。3级直径为3 mm的喷嘴串联效果优于单级直径为2 mm的喷嘴。
(2)在流量为20 m3/d的情况下，3级直径为3 mm的喷嘴串联工具平均应变率略小于直径为2 mm的单级喷嘴。
(3)在流量分别为40和50 m3/d的情况下，3级直径为3 mm的喷嘴串联工具平均应变率略大于单级直径为2 mm的喷嘴，数值差别不大。
分析原因认为，通过多级喷嘴的串联可以在不显著增加压力损失的情况下，增大视黏度损失。串联后各级喷嘴的射流扩散和衰减受到限制，使流道内的湍流强度增大，导致溶液受到的剪切作用增强，进而产生较大的视黏度损失。由于速度的变化幅度变小，导致溶液流经多级喷嘴结构时的压力损失小于各个喷嘴的累加值。
4 结论及建议(1)相同喷嘴直径条件下，喷嘴级数越多，ASP复合溶液的压力损失和视黏度损失越大。
(2)分析串联级数对ASP复合溶液流经喷嘴结构的流场压力损失及平均应变率可知，3级喷嘴的剪切效果与3级以上喷嘴产生的剪切效果相差不大，3级喷嘴串联为最优组合。
(3)通过对比不同流量下，单级直径为2 mm的喷嘴注入工具与多级直径为3 mm的喷嘴注入工具的压力损失和平均应变率，多级较大直径喷嘴串联剪切效果优于单级小直径喷嘴剪切效果。
(4)建议对喷嘴直径及级数进行更深入的优化组合，以便为现场测试提供理论依据。
| [1] | 韩宇,吕玲玲,蔡萌,等.ASP复合溶液在偏心配注器喷嘴中流动流场的数值分析[C]//采油工程文集.北京:[s.n.],2014. |
| [2] | 孙玉豹.带有淹没射流的圆柱腔室分层配注器中流场的数值模拟[D].大庆:大庆石油学院,2009. |
| [3] | 孟令尊,崔海清,崔金哲,等.非牛顿流体在配注器波纹杆环空中流动的数值模拟[J].大庆石油学院学报,2006,30(3):30-33. |
| [4] | 崔海清,宋兴良,裴晓含,等.聚丙烯酰胺水溶液在内管带有等距环槽的同心环空中流动的压降[J].大庆石油学院学报,2006,30(2):38-40. |
| [5] | Wu G H,Chen C K,Ju S H.On the flow of a polymer melt passing over a transverse slot[J].Journal of Polymer Engineering,1999,19(3):175-196. |
| [6] | 孟令尊,崔海清,王常斌,等.分层配注器波纹环空流场的数值模拟[J].石油机械,2006,34(2):15-17. |
| [7] | 傅德燕,马延文.计算流体力学[M].北京:高等教育出版社,2004. |
| [8] | 李秋生.Newton流体在内管带有等距环槽的同心环空中流动的速度分布[D].大庆:东北石油大学,2011. |