基于PIV技術的分注工具流場特征研究

王鳳山，李建云，楊志剛，王　聰，朱錦慶

(1.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453；2.大慶油田有限責任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶163154；3.大慶油田有限責任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶163154)

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基于PIV技術的分注工具流場特征研究

王鳳山1，李建云1，楊志剛1，王聰2，朱錦慶3

(1.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453；2.大慶油田有限責任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶163154；3.大慶油田有限責任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶163154)

摘要：采用粒子成像測速(PIV)技術研究聚合物流經分注工具的流場特征，對聚合物相對分子質量為1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量為20、30、50 m3/d的聚合物溶液在分注工具內的流動狀態進行分析，并將計算得出的流量值與真實值進行比較。結果表明：隨著聚合物相對分子質量的增加，聚合物溶液在分注工具內產生的渦流區域面積減小，但渦流中心位置未有明顯變化；隨著流量的增加，聚合物溶液流經分注工具產生的渦流中心位置逐漸上移，溶液流動狀態更不穩定；利用PIV技術計算出的瞬時流量值在20～50 m3/d時與真實值基本吻合，最大誤差為4.73%。該結果為進一步利用PIV技術對化學驅的分注工具的流場分布研究提供技術支撐。

關鍵詞：粒子成像測速；聚合物；分注工具；渦流區域

大慶油田實踐表明：聚合物驅與水驅相比可多提高原油采收率10 %以上，聚合物采出井年產油量高達1 000×104t以上[1-2]。隨著聚合物驅開發的不斷深入，滲透率低、層間矛盾大的二類、三類油層已成為主要開發對象。為了進一步提高聚合物驅采出程度、提高低滲透層使用率、控制高滲透層突進，注聚方式由籠統注入改為分層注入，為此研發了分層注入工藝[3-7]。目前分層工藝的單層壓力調節采用流線型降壓槽的分注工具控制高滲透油層的注入壓力。為了更直接地研究聚合物溶液流經分注工具的流場變化，筆者采用PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像測速技術對聚合物溶液流經分注工具的流場進行測量，通過后處理軟件分析了不同相對分子質量、不同流量下聚合物溶液在分注工具的速度云圖變化，分析結果對聚合物溶液在分注工具內的渦流區域變化有了進一步的揭示，對分注工具流場的仿真計算具有指導意義。

1分注工具組成及工作原理

分注工具由堵塞器(堵塞器由打撈桿、凸輪、連接體組成)和流線型降壓槽2部分組成，通過投撈分注工具，更換流線型降壓槽的槽數，產生不同的節流壓差，調節層段的注入壓力，控制油層的聚合物溶液吸入量，達到緩解層間矛盾、提高油層動用程度的目的。流線型降壓槽槽數越多，節流壓差越大；槽數越少，節流壓差越小。

圖1　分注工具結構示意

2試驗裝置及PIV試驗方案

由于PIV(Particle Image Velocimetry)粒子成像測速技術是利用PIV軟件系統和高速攝像機相結合的一種技術，具有全流場測試、直觀、不干擾流場等優點，并可以利用Tecplot后處理軟件對速度向量的大小及分布情況做進一步分析。該技術已成為目前進行各種流場流動規律研究的重要工具。

2.1試驗裝置

該試驗裝置主要包括流量計、壓力計、激光發射器、攝像頭、數據處理系統、螺桿泵、儲液罐和各種連接設備等。試驗裝置流程如圖2所示。

1—儲液罐；2—螺桿泵；3—閥門；4—壓力計；5—分注工具；6—數據處理系統；7—攝像頭；8—激光發射器；9—流量計；10—回液罐。

2.2試驗材料

聚合物：相對分子質量分別為1 600×104、1 900×104和2 500×104聚合物。

分注工具：流線型降壓槽，槽數為18。

試驗用水：大慶油田某三元示范區配注站注入污水，其離子組成如表1。

表1　試驗用污水離子組成　mg/L

2.3試驗方案

為對比不同聚合物溶液在分注工具內的流場，分別進行聚合物相對分子質量1 600×104、1 900×104、2 500×104，流量為20、30、50 m3/d的聚合物溶液流經分注工具，并利用Tecplot后處理軟件得到速度云圖，對比不同條件下的速度云圖，分析不同相對分子質量和速度聚合物溶液對流場的影響。

2.4試驗步驟

1)提前調配聚合物溶液，并加入到儲液罐中。

2)開通各個閥門后開泵，穩定后觀察流量計讀數，使其滿足試驗所需流量值。

3)氣體被排干凈以后，向儲液罐中加入示蹤粒子，比例大約為每1 L溶液100 mg示蹤粒子。

4)打開激光主機，高速攝像機以及控制整個PIV系統的計算機，調整到合適的試驗參數。

5)采集數據，重復2～4步驟，直到每組試驗數據均采集完成，采集完一組后，保存好圖像及向量文件；試驗結束，在Tecplot中查看相應結果。

3數據處理方法

由于紊流中的各物理量均是隨機函數，因此應考慮用處理隨機現象的統計方法進行數據處理。統計平均法是處理紊流運動的一個基本方法，常用的2種方法是時間平均法和系綜平均法。系綜平均法雖然具有對恒定流動和非恒定流動均適用的優越性，但實際應用中由于一個變量的概率密度函數常常是事先不知道，需通過重復大量的試驗資料來求統計的平均值，對試驗次數有一定要求；而時間平均法是從一次試驗在一個時段內測的的數據中求平均值，對于試驗次數要求少，為了節約時間和材料，處理試驗中的的速度、流量等物理量時，均采用時間平均法。

通過高速攝像機對不同流場進行連續拍攝，流場圖像經相關數據處理系統計算，得到向量文件和速度矢量圖，再通過Tecplot后處理軟件將每個向量文件處理成速度云圖。在拍攝流場圖像的同時，結合測量儀器記錄下被測液體每一秒鐘的瞬時流量，然后求平均值，得到PIV技術計算的流量值。

4PIV測試試驗結果分析

利用PIV技術和Tecplot軟件進行處理后，得到聚合物溶液在分注工具流動過程的速度云圖和矢量圖，對比不同相對分子質量、流量下速度云圖變化，計算了PIV技術計算的流量值，并與室內試驗結果進行比較。

聚合物溶液(相對分子質量1 600×104，質量濃度 2 000 mg/L)流經分注工具的速度矢量如圖3所示，箭頭的長短代表速度的大小。從圖3中可以看出，分注工具凹槽處出現順時針渦流區域，渦流中心速度最小，且渦流區域整體速度較進口速度明顯變小，凹槽上層溶液速度方向穩定，速度大小變化不明顯。

圖3　流量20 m3/d時聚合物溶液流經分注工具的速度矢量圖

圖4為流量20 m3/d時，聚合物相對分子質量分別為1 600×104、1 900×104、2 500×104，質量濃度為2 000 mg/L的聚合物溶液流經分注工具的速度云圖(左側為進液口，右側為出液口)。云圖上不同區域里顏色的深淺代表不同的速度大小，在同一幅圖中，上方長方形區深灰色表示最大速度，三角區的深色表示速度為0。從圖4中可以更清晰觀察到渦流區域速度值變化程度，渦流中心區域為深色區域，代表速度較小甚至為0；代表速度較大的長方形內深灰色區域主要出現在環空孔隙最小處，上層溶液雖速度方向保持一致，但速度大小還是有變化，進液口處速度較大值的深灰-灰白-深灰區域呈現長條帶狀。

a　相對分子質量1 600×104，質量濃度2 000 mg/L

b　相對分子質量1 900×104，質量濃度2 000 mg/L

c　相對分子質量2 500×104，質量濃度2 000 mg/L

從圖4可以看出，代表速度較大的長條帶狀區域面積沒有隨著相對分子質量的變化而有明顯的波動，而代表速度較慢的三角區域深色面積隨著相對分子質量的增大而減小或顏色變淡，分析認為，由于相對分子質量的增加，聚合物分子鏈尺寸增大，聚合物分子鏈微觀空間結構更加緊密穩定，造成聚合物分子鏈不易卷曲，溶液流動狀態不易改變；流體粘性增強，流動狀態的改變所需能量更大，形成渦流更為困難，因此相對分子質量的增加減少了渦流區域面積，但對于渦流中心位置的影響不明顯。

圖5為聚合物溶液相對分子質量2 500×104和質量濃度2 000 mg/L時，聚合物溶液在不同流量下，流經分注工具的速度云圖。從圖5中可以看出，隨著流量的增加，代表速度較大的長條帶狀深灰區域面積明顯增大，進液口深灰帶狀變長，流量大小對于渦流區域面積的變化不明顯，但對于渦流中心位置影響明顯，隨著流量的增大，凹槽部位的渦流中心位置越來越向上偏移，在圖5中表現形式是三角區內深色區域越來越上移，即渦流中心位置開始上移，造成長條深灰色區域與三角深色區域之間距離縮短，相應的聚合物溶液在分注工具流動的速度梯度也相應增大，溶液整體流動的大小、方向變化幅度更大，更易破壞聚合物分子鏈空間結構，降低聚合物溶液黏度，影響驅油效果。

a　流量30 m3/d時

b　流量50 m3/d時

室內試驗真實注入流量與利用PIV技術計算得到瞬時流量值對比如表2所示。從表2中可以看出，在流量20～50 m3/d時，利用PIV技術得到瞬時流量值與真實注入流量基本相同，誤差最大僅為4.73%，滿足理論計算要求。

表2　不同組分聚合物動態流場理論流量與真實流量對比

5結論

1)利用PIV技術成功模擬聚合物溶液流經分注工具的速度矢量圖，并利用后處理軟件得到速度云圖。隨著聚合物相對分子質量的增大，渦流區域面積變大明顯；隨著流量的增大，渦流中心位置上移。

2)利用PIV技術得到瞬時流量值，與真實值進行對比，表明在流量20～50 m3/d時理論計算值與真實值基本吻合。

3)根據PIV技術得到的速度云圖顯示，與相對分子質量相比，流量的增大更易影響聚合物溶液黏度，若在大流量情況下，為保證聚合物溶液黏度，則需優化現有分注工具結構參數，減少渦流中心位置上移。

參考文獻：

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Based on the Technology of PIV Flow Field Characteristics of the Research in Layered Injection Tools and Experiment Comparison

WANG Fengshan1，LI Jianyun1，YANG Zhigang1，WANG Cong2，ZHU Jinqing3

(1 .OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163453，China；2.No.9OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China；3.No.6OilProductionCompany，DaqingOilfieldCompanyLtd.，Daqing163154，China)

Abstract：The application of particle imaging velocimetry technology research flow field characteristics of polymer flows through layered injection tools.The flow of the polymer solution was analyzed in layered injection tools，when polymer relative molecular weight is 1 600×104，1 900×104，and 1 900×104，the flow rate is 20，30 and 50 m3/d，and calculation flow rate results and actual values are compared.The results show that：1) With the increase of polymer molecular weight，the eddy area produced by polymer solution in the layered injection tools is reduced，but the eddy center position did not change obviously；2) with the increase of flow rate，the eddy center position produced by polymer solution in the layered injection tools gradually move up，solution flow state is less stable；3) Using PIV technology to calculate the instantaneous flow values under flow 20 to 50 m3/d and roughly tallying with the actual value，maximum error is 4.73%.The results for the further using PIV technology of the research of chemical flooding in the flow field distribution in layered injection tools provides technical support.

Keywords：particle image velocimetry；polymer；layered injection tool；eddy area

文章編號：1001-3482(2016)06-0016-04

收稿日期：2015-12-21

基金項目：中國天然氣股份公司重大專項“二類油層聚合物驅進一步提高采收率配套技術”(2008E-1207-1)

作者簡介：王鳳山(1962-)，男，教授級高級工程師，博士，現主要從事采油工程方面的研究。

中圖分類號：TE934.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.004