可控定量配注器恒流阀恒流特性数值研究

王超，李明，刘廷峰，梁伟，李啸南，张卫东，逯国成

(1.胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257000；2.中海油田服务有限公司油田生产研究院，天津 300450；3.胜利油田分公司井下作业公司，山东东营 257000)

胜利油田具有丰富的稠油资源，其98%的动用储量是靠蒸汽吞吐开发，而平均采收率并不高。由于储层纵向各层物性及原油黏度的差异，致使各层的吸汽能力差异较大，笼统注汽方式可能造成部分小层注入量不足或过多，无法满足实际配注的要求，从而导致纵向动用不均，严重影响注汽效果。目前胜利油田单56等区块的分层注汽工艺主要采用打孔筛管及均匀注汽配注器来实现，在实际应用过程中仅能满足注气量均匀分布而无法实现各层注汽不同定量的要求。根据分层注汽工艺原理设计的可控定量配注器，可实现各储层间的注汽分配，满足各储层注汽量不同的需求，从而达到分层注汽的目的。

恒流阀作为可控定量配注器的核心部件，它的主要作用在于当油管、地层或气液两相流的压力发生波动时，通过自动调节保持配注器流量在一定范围，进而保证各层的注汽效果。文中利用FLUENT流体力学软件对恒流阀内流场进行了数值模拟研究，以进一步认识阀内流动和确定维持恒流的压差范围。

1 恒流阀工作原理

1.1 横跨恒流阀的压差 (p1-p2)增加关闭孔板

如图1，由于油管中压力的增加或地层压力的减小导致横跨整个恒流阀压差 (p1-p2)的增加，浮子压缩弹簧从而缩小孔板的开度，直至通过孔板的流量恢复与之前一致。

图1 恒流阀结构示意图

1.2 横跨恒流阀的压差 (p1-p2)减小开启孔板

如图1，由于地层压力的增加或油管中压力的减小，弹簧将浮子推出孔板，从而扩大孔板的开度，直至通过孔板的流量恢复与之前一致。

2 恒流阀内流场数值模拟

2.1 恒流阀模型建立

流体在恒流阀腔内是三维流动，考虑到恒流阀腔体结构和流动的对称性，采用二维轴对称的几何模型［1］进行数值模拟，如图2所示。

图2 恒流阀几何模型

2.2 湍流模型及近壁区域的模拟

考虑到流体流动过程中近壁面影响和旋涡对湍流的影响，选用可以模拟低雷诺数和对旋涡计算可靠性更高的RNGk-ε模型［2-4］。流体流动经过缝隙，为考虑近壁面的影响，采用增强的壁面函数［5-7］。

2.3 边界条件

边界条件定义为速度入口和压力出口［8］，假定壁面绝热，壁面与流体之间没有热交换。模拟流体介质为水，为对比不同入口流速和出口压力对恒流阀内部流场的影响，选定3种工况，其边界条件如表1所示。

表1 边界条件参数设置

3 模拟结果分析

3.1 不同出、入口条件下恒流阀内流场

图3、图4所示分别为3种不同工况下的速度矢量场计算结果和流线场。由图中可以看出:3种工况最高流动速度分别为1.39、1.39、16.3 m/s，出现在浮子与固定孔板之间的缝隙处，且在缝隙下游形成回流 (图3、图4所示区域Ⅰ、Ⅱ)。回流是下游区域流动的主要特征，下游区域发生流体的分离现象，形成两个旋涡，一个位于缝隙的拐角处 (区域Ⅰ)，尺度较小;另一个位于缝隙下游 (区域Ⅱ)，尺度较大。从流线的疏密程度可以判定:缝隙拐角处区域Ⅰ的旋涡强度较强，缝隙下游区域Ⅱ的旋涡强度较弱，由回流形成的两个旋涡消耗了主流运动的能量，导致压降和能量的降低。

图3 不同出、入口条件下速度矢量场

图4 不同出、入口条件条件下流线场

图5所示为3种不同工况下的静压场计算结果，其中工况1所示结果为出口表压18 MPa的相对值。浮子与固定孔板缝隙处流体高速喷射，由伯努利方程可知，此处压力降低较快 (图5区域Ⅲ)。旋涡中心压力也较低 (图5区域Ⅰ)。工况1与工况2的压力场变化趋势基本一致，工况3由于流场中旋涡强度和尺度明显增加，产生的压降和能量损失增大，旋涡压降范围也有所扩展。

图5 不同出、入口条件下静压场

3.2 不同弹簧压缩量下恒流阀内流场

如图6所示，为保持入口流速v=0.042 m/s、p2=18 MPa时，不同弹簧压缩量下流线场。

图6 不同弹簧压缩量下流线场

随着浮子逐渐下移，弹簧压缩量不断增加，缝隙尺寸持续减小，流场中旋涡的尺度和强度也跟着发生改变，缝隙拐角处旋涡尺度不断增加，旋涡中心基本保持与浮子下表面平齐且流线不断加密导致旋涡强度增加，而缝隙下游旋涡尺度不断减小，流线持续变疏导致旋涡强度减小。

3.3 恒流阀恒流特性

如图7所示，维持恒流所需出、入口压差Δp的变化范围在900～7 400 Pa之间，且基本呈线性变化。浮子的移动依靠浮子前后压差和弹簧的弹力，由弹力计算公式F=k·ΔL(k为弹簧劲度系数 (常数))可知，弹簧的弹力呈线性变化，因此在不同弹簧压缩量的条件下，维持流量恒定的压差Δp越接近于线性变化，其恒流特性就越好。影响Δp的最关键因素在于缝隙尺寸，而浮子的型面曲线决定了浮子与固定孔板间的缝隙尺寸。如图8所示:出、入口压差在0～900 Pa之间时，流量变化较快，这往往出现在恒流阀的启动过程中，稳定工作状态应避免此压差范围;当压差达到7 400 Pa，弹簧完全压缩，此时再增加出、入口压差Δp，由于缝隙尺寸不变，导致流量持续增加，从而破坏恒流状态。

图7 出、入口压差Δp与弹簧压缩量关系

图8 流量与压差Δp关系

4 结论

利用FLUENT流体力学软件，采用RNGk-ε湍流模型和增强的壁面函数模拟了恒流阀内流场，得到如下结论:

(1)恒流阀内最高流速出现在浮子与固定孔板之间的缝隙处，且在缝隙下游形成回流。下游区域发生流体的分离现象，形成两个旋涡，消耗了主流运动的能量，导致压降和能量的降低。

(2)在维持流量恒定的条件下，随着弹簧压缩量不断增加，缝隙拐角处旋涡尺度不断增加，旋涡中心基本保持与浮子下表面平齐且流线不断加密导致旋涡强度增加，而缝隙下游旋涡尺度不断减小，流线持续变疏导致旋涡强度减小。

(3)对于流体介质为水的阀内流动，维持恒流所需出、入口压差Δp在900～7 400 Pa之间。

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