電控分層注聚流量調節閥設計與結構優化

中圖分類號：TE952 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.011

Design and Structural Optimization of Electrically Controlled Throttle Valve for StratifiedPolymerInjection

HUANG Yuxuan'，NIU Guifengl，WANG Liu'，MA Haifeng2 （1.Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co.， Ltd.，Tianjin 3O0450，China; 2.SchoolofechanicalandElectricalEngineering，SouthwestPetroleum Universityhengdu6o5o，ina）

Abstract：Inviewoftheseriousviscosity loss intheelectricallycontrolledthrottlevalveforstratified polymer injection，as a core component，the throttle valve was taken as the research object，and numerical simulation and structural optimization were carried out. On the basis of an in ?^- depthanalysis of the polymer viscosity loss mechanism，the control variable method was adopted to conduct numerical simulation research on diferent spool structures， groove pitches，groove depths，and valve section lengths.The research finds that the throttle valve with an arc shaped spool has a better viscosity retaining efect compared with throttle valves in other shapes.When the groove pitch of the arc ?- shaped spool is 3O mm; the groove depth is3 mm，and the valve section length is 1.O mm，the viscosityretaining performance reaches the optimal state.Moreover，bycarrying out the viscosity loss tests of the polymer injection working barrel，the viscosity-retaining effect after structural optimization is evaluated. The maximum viscosity loss rate measured for the optimized throtle valve is 8.9% ，and the viscosity loss rate has significantly decreased compared with the 12% viscosity loss rate of other oilfields. The decrease in the viscosity lossrate strongly proves the excellent viscosity -retaining effect of the optimized throttle valve in terms of viscosity retention，laying a solid foundation for the overall performance improvement of the stratified polymer injection tool.

Key words： stratified polymer injection; performance optimization; viscosity loss; numerical simulation

目前我國難以開采的重質原油或復雜油藏較多，傳統的水驅方法已無法適應提高采收率要求，因此三次采油工藝也逐漸成為油田科技革命的重要環節[1-2]。針對此現象，聚合物驅油技術應運而生，通過該種方法能夠很好地驅替剩余油。開采過程中，聚合物流道結構的多變性，聚合物會受到機械剪切降解導致黏度降低進而削弱驅油效果，機械剪切降解導致的黏度損失是現階段石油開采無法達到預期目標的關鍵問題之一[3-9]

為了實現更加精細化的開采，針對聚驅工藝也要求實現分層注入。隨著智能化在油田的推廣應用，衍生了更加快捷的電控分層注入工具。由于聚合物溶液屬于非牛頓流體，在考慮測調效率同時，必須兼顧黏損問題。研究相關文獻，在設計分層注聚工具時，為了降低聚合物流出時所受的剪切力，在節流單元采用了多種結構形式，如流線形梭桿式、內外雙摩阻管，圓柱形、流線型以及環形等[10-I3]。也有通過改進其他配套工具來提升聚合物流體的流動性與保黏率，例如，采用倒梯形縫狀結構的注聚篩管、增大環空安全閥過流通道、優化液控封隔器活塞結構等[14-20]。經過對各種應用結構的深入對比分析發現，在整個注聚驅油流程中，黏度損失貫穿各個環節，而當聚合物流經流量調節閥時，黏度損失表現得尤為突出。

因此，為提高聚合物驅油效率，開展電控分層注聚工具中流量控制閥的黏度損失機理研究。本文主要通過數值模擬仿真，分析常見的四種不同的閥芯結構的黏度損失，之后繼續分析槽間距、槽深、閥節長度對閥芯結構黏損的影響，進而優選最優的閥芯結構，有效降低注聚過程中的黏度損失。

1流量調節機構組成

流量調節機構三維結構如圖1所示。流量調節機構主要由電機、螺桿機構、行程開關、傳動軸、密封裝置、流量調節閥閥芯和流量調節閥閥套組成。當電機工作時，可以帶動螺桿機構運動，螺桿機構把電機的旋轉運動轉化成軸向位移，帶動傳動軸以及流量調節閥閥芯裝置一起軸向位移，進而達到調節開度的目的。

在流量調節機構中流量調節閥作為關鍵部件，是控制流量的關鍵，調節閥一般由周期性變直徑的閥芯與閥套組成，通過電機驅動調節機構中的絲杠螺母實現閥芯的軸向位移，進而調節閥的入口截面大小來達到調節流量的自的。

2聚合物黏損機理

聚合物在配制、配注和驅替過程中，聚合物溶液的黏度受聚合物分子量、配注液濃度、溶液中離子濃度、溶解氧濃度、pH值、礦化度、環境溫度和剪切強度等因素的影響。某些因素引起的表觀黏度下降，在特定的環境下，是因為分子鏈構象發生變化，所以其表觀黏度得以恢復。然而高分子鏈在化學、生物、高溫、剪切、光照等因素作用下，不僅會發生構象變化，而且會引起高分子鏈的斷裂，從而造成其黏度的下降，這一現象在三次采油的聚驅過程中受到了極大的重視[2I-23]。在這些因素中，剪切作用是造成聚合物黏度下降的重要原因。本文主要通過數值模擬分析流道的剪切速率來判斷設計結構的保黏性能。

3調節閥數值模擬分析與結構優化

為了得到最優的流道結構，設計了四種通徑和長度相似的不同形狀的流道結構，分別為三角形閥芯、梭形閥芯、梯形閥芯與圓弧形閥芯，幾何模型如圖2所示。通過數值模擬分析探討不同結構的保黏性能。

3.1 流變模型

在數值模擬分析中，流體流動過程需遵循動量、質量和能量守恒的基本定律。因此，當采用計算流體動力學進行流體特性分析時，研究是基于流體力學的基本控制方程，包括連續性方程和動量方程[10]

1）基本控制方程。在本次數值計算分析中，不考慮熱力學過程，因此基本控制方程中不包括能量方程。假設流量調節閥流道中的物理量不隨時間變化，即為定常不可壓縮流動。同時忽略重力的影響，建立式 （1）～（2） 的基本控制方程。

連續性方程：

式中： σ_：xi 為坐標系中 i 方向的位移分量 _;ρ 為流體密度， |kg/m³;u_i 為方向的流體的速度分量， m/s 。

動量方程：

式中： x_j 為坐標系中j方向的位移分量； u_j 為j方向的流體的速度分量， m/s;p 為壓力， MPa;τ_ij 為黏性應力張量的分量， kg/（m²?s） 。

2）湍流模型。由于各湍流模型適用范圍不同，考慮溶液經過工具流動屬無規則的湍流運動，基于大量文獻調研和經驗積累，采用RNG k-ε 模型。此模型為半經驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率建立。

3）黏度模型。采用CarreauYasuda黏度模型，該模型既可以反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性，能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動性質。

3.2 閥黏損數值模擬

邊界條件設置。 ① 出口條件：選取出口為壓力出口，出口壓力為 0MPa ；水力直徑為 27mm ，湍流強度為 5% 。 ② 入口條件：選取入口為質量入口，選取流量為 300m³/d_? 。針對四種不同結構的調節閥的不同開度，進行數值模擬。

3.2.1 不同閥芯結構數值分析

三角形閥芯和梯形閥芯的流道狹窄處寬度較小，聚合物流經此處的速度較大，所以在此處會有較大的速度梯度，因此相較其他兩種流道會有較大的剪切速率；梭形閥芯的流道存在寬度的突變，速度變化較大，導致速度梯度較大，剪切速率相對圓弧閥芯比較大。圓弧形閥芯的流道變化比較平緩，同時流道狹窄處的寬度較大，速度梯度較小，剪切速率比較低，如圖3所示。

各個開度下的閥芯的平均剪切速率對比如圖4所示，可以看出不同開度下平均剪切速率圓弧形閥芯都是最小的，也說明圓弧形閥芯的保黏效果在四種閥芯形狀中最優。

3.2.2 閥芯結構參數數值分析

分析結果表明，圓弧形的閥芯結構相較于另外的三種結構保黏效果較好。為了進一步探討圓弧閥芯結構對黏度損失的影響，在本節將采用控制變量法，以圓弧形閥芯結構為基礎，探討不同閥芯結構參數對保黏性能的影響。

單節閥芯的結構參數如圖5所示，主要結構參數：L為圓弧形閥芯的槽間距， H 為圓弧形閥芯的槽深，W為圓弧形閥芯的閥節長度。

1）閥芯槽間距對剪切速率影響分析。

將槽間距選定范圍為 26～30mm ，以 1.0mm 依次遞增。不同槽間距閥芯 50% 開度剪切速率云圖如圖6所示。

從圖6可以看出， 50% 開度剪切速率整體變化規律沒有隨著槽間距的改變而改變，具體分析流道的平均剪切速率，各個開度下的閥芯的平均剪切速率對比如圖7所示，從圖7中可以看到槽間距和平均剪切速率基本呈現負相關，隨著槽間距變大，平均剪切速率會降低。

2）閥芯槽深對剪切速率影響分析。

分析結果表明，槽間距為 30mm 的圓弧形閥芯的平均剪切速率最低，保黏效果最好。以圓弧形閥芯結構為基礎，以相同的閥芯節數、相同的閥芯槽間距為基礎，對不同的閥芯槽深的流場流體流動情況進行數值模擬分析。故將槽深選定范圍為1.5＼～3.5mm ，以 0.5mm 依次遞增，

流道內的剪切速率隨著槽深的增加而減少，如圖8所示。槽深為 1.5mm 時，流道較窄處的剪切速率明顯大于其他槽深時的剪切速率。分析原因為隨著槽深的加深流道內部的平均速度減少，導致流道內部的速度梯度減少，所以流道的剪切速率減少。

當槽間距為 30mm 不同槽深閥芯部分速度矢量圖，如圖9所示。可以看到隨著槽深的增加，流道中心處的低速區域增加，所以隨著槽深的增加，流道的整體速度在降低，同時可以看到在槽深為 3.5mm 時，流道的下半部分出現了渦流現象，渦流與流入的聚合物發生內摩擦，會產生較大的剪切，所以該處的渦流會導致槽深為 3.5mm 的閥芯有較大的剪切速率。

不同槽深的平均剪切速率對比，如圖10所示。可以看到槽深和平均剪切速率基本呈現負相關，隨著槽深變大，平均剪切速率會降低，但是在 3.5mm 槽深處出現上升與上述規律一致。除此之外可以看到平均剪切速率隨著開度的變大而減小，在 25% 開度下的閥芯平均剪切速率明顯大于 100% 開度下的。

3）閥節長度對剪切速率影響分析。

分析結果表明，槽間距為 30mm ，槽深為 3.0mm 處的圓弧形閥芯的平均剪切速率最低，保黏效果最好。以圓弧形閥芯結構為基礎，以相同的閥芯節數、相同的閥芯槽間距與相同的槽深為基礎，對不同的閥節長度的流場流體流動情況進行數值模擬分析。將閥節長度選定范圍為 1.0～3.0mm ，以 0.5mm 依次遞增。

可以看出閥節長度處的剪切速率由于流速較快的原因處于較高值，如圖11所示。當閥節長度增加，流道內處于剪切速率較高值的長度也隨之增加，導致流道的整體剪切速率增加。

可以看出不同閥節長度的流道變窄處的速度都是大于其他的處的流速，如圖12所示，同時隨著閥節長度的增加，流道較窄處的高速區域增加，所以隨著閥節長度的增加，流道的整體速度在升高，同時流道的中心區域低速區越容易出現渦流現象，渦流與流入的聚合物發生內摩擦，產生較大的剪切，所以閥節長度較大會導致閥芯有較大的剪切速率。

不同閥節長度平均剪切速率對比如圖13所示，可以看出閥節長度和平均剪切速率基本呈現正相關，隨著閥節長度變大，平均剪切速率會增大。除此之外可以看到平均剪切速率隨著開度的變大而減小，在 25% 開度下閥芯的平均剪切速率明顯大于100% 開度下的。

4 現場試驗

試驗采用兩套 20m³ 的注聚泵，在不同流量及開度的情況下取工具前、后的聚合物溶液進行試驗，并對聚合物溶液黏度的變化進行分析。其中聚合物為高分子聚丙烯酰胺，配制質量濃度 1200mg/L ，環境溫度 20°C ，溶解熟化時間 30min ，測得聚合物母液黏度 40～50mPa?s 為驗證圓弧形流量調節閥的保黏性能，搭建了模擬試驗裝置，試驗主要由注聚泵人模塊、配液模塊、熟化罐、工作筒組成循環流程，過程中可根據聚合物黏度損失情況將廢液排至廢液罐。

針對注聚工作筒的黏損率進行試驗研究，得到了不同流量及開度下的注聚工作筒的黏損率如圖14所示。可以看出黏損率隨著入口流量的增大而增大，隨著開度的增大而減小，最高的黏損率出現在入口流量為 12.5m³/h ，開度為 25% 的情況下，此時黏損率為 8.9% 。相較于其他油田的 12% 的黏損率有明顯下降。

5 結論

1）通過對三角形、梯形、梭形、圓弧形四種閥

芯結構進行參數建模，并利用CFD軟件進行仿真模擬研究，發現圓弧形狀流道比較平滑，同時閥芯流道較窄處的寬度較寬，計算結果表明圓弧結構閥芯平均剪切速率相較其他三種閥芯結構較小，理論保黏效果最優。

2）對圓弧結構閥芯的槽間距、槽深、閥節長度等關鍵參數進行了仿真模擬研究，選出對于該結構的最優解為槽間距 30mm 槽深 3.0mm 、閥節長度1.0mm ，保黏性能最好。

3）通過開展帶圓弧結構閥芯的聚驅工作筒黏損試驗研究，測試得到水嘴開度保持在 25% 時，人口流量為 12.5m³/h ，最大黏損率為 8.9% ，黏損率相較于其他油田的 12% 的黏損率有顯著下降。驗證了仿真優化得到的最優解保黏效果高于現有的分層注聚工具。

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