范開峰， 王衛(wèi)強， 孫 策， 石海濤， 萬宇飛

（1.遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001；2.中國石油大學（北京），北京102249）

油水兩相流動因所處的流動條件不同而具有多種流型［1］?，F階段，我國大部分陸上油田已進入開發(fā)后期［2］，為了提高采收率，往往采用注水方法開采［3－4］，因此油水兩相流普遍存在于地面集輸管網和長距離輸送管道中［5］。隨著石油開采向沙漠、海洋等地域擴展，所開采原油大多為高黏原油，并且含水率往往很高，研究不同含水率下油水兩相流混輸流型、壓降等問題對于合理選擇油品輸送方式具有重要作用。在油品輸送過程中，典型的突變管徑管道應用較為廣泛，運用計算流體力學軟件研究不同含水率油水兩相流在突擴管道和突縮管道中的流動特性可以為管路的實際生產運行提供參考。

1 幾何模型與網格劃分

1.1 幾何模型

選用二維幾何模型，管道水平布置，其結構及尺寸分布如圖1所示，長度單位為m。

1.2 網格劃分

采用規(guī)則四邊形網格結構對管道模型進行劃分，對突擴和突縮處網格采取加密處理（如圖2所示）。

圖1 突擴管與突縮管幾何模型Fig.1 The geometry model of sudden expansion pipe and sudden contraction pipe

圖2 突擴管與突縮管局部網格放大圖Fig.2 The local grid view of sudden expansion pipe and sudden contraction pipe

2 問題描述與模型設置

2.1 問題描述

所研究問題基礎參數以新疆某油田實際油品物性參數為參考［6］，原油為中質稠油，密度為930kg／m3，黏度為0.926Pa·s。原油含水率分別取50%、60%、70%、80%，管道左側為速度入口，右側設為自由出流出口，其中入口流速取0.8m／s。

2.2 模型設置

采用VOF模型求解油水兩相流流動，它是一種在固定的歐拉網格下的表面跟蹤方法，通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分數來模擬多相流動［7］，具有模擬精度高、能夠處理復雜邊界和適用范圍廣等特點。湍流模型選用標準k－ε方程，對于湍流不能充分發(fā)展的壁面區(qū)域選擇標準壁面函數進行修正。由于含水率從50%到80%不等，故在選取相時將水作為基本相，原油作為第二相。

3 求解控制方程

油水兩相流瞬態(tài)數值模擬要遵守質量守恒、動量守恒、能量守恒等基本控制方程。針對油水兩相流中的主要問題，忽略相間能量交換，不啟用能量控制方程。除此之外，方程求解時啟用了標準k－ε方程，對于未充分發(fā)展的湍流區(qū)域采用標準壁面函數處理。

3.1 質量守恒方程

油水兩相各自質量守恒方程為：

式中：ρo、ρw分別代表油相和水相密度，A 為水平管截面面積，v為平均速度，Γo、Γw為管道中單位時間內每一單位體積產生的質量源項。若有流體產生時，Γ為正值，根據質量守恒有：Γo＝－Γw。

3.2 動量守恒方程

式中：下角標I代表油水交界面；β是管道與水平方向的夾角；s是界面長度。當Γw＞0時，＾v＝vo，當Γw＜0時，＾v＝vw；對于水相，其界面剪切應力τI為正數，對于油相，τI為負數。

3.3 標準k－ε方程

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產生項；Gb是由浮力影響引起的湍動能k的產生項；YM代表可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數，默認數值分別為1.44、1.92、0.09；σk、σε分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數，默認值分別為1.0、1.3；Sk、Sε為用戶定義的源項。

4 模擬結果及分析

4.1 油水兩相分布云圖分析

對于油水兩相流動，主要分析了工程技術人員較為關心的兩相分布情況和壓力分布規(guī)律，給出了含水率從50%變化到80%工況下突擴管和突縮管內油水兩相的分布情況（見圖3、4），所給坐標為油的體積分數范圍從0到1。此外，還繪制了管道內沿程壓力分布曲線（見圖5、圖6）。

對于突擴管道，含水率從50%變化到80%時，兩相分布主要為水包油流型，油作為分散相分布在水中。含水率80%時，油以油滴形式均勻分布于水中，但是在管徑突擴處由于稠油的黏滯性在突擴后沿管壁形成一段油膜，含水率70%時也出現這種情況，但是油膜厚度相對較小，長度略有增加。含水率達到60%和50%時，在管道突擴后距離突擴處約1 m后出現油膜潤濕壁面情況。并且含水率為50%時，由于油的體積分數比較大并且黏度較高，油相會堆積，使得油和水相間流動?？偟膩碚f，含水率為70%和80%時壁面主要由水潤濕，流動阻力較小，而含水率為50%和60%時，壁面被油相潤濕，流動阻力相對較大。含水率從50%變化到80%時，在突擴雙肩處會出現對稱的渦流，渦流內流體主要由水填充。

圖3 不同含水率情況下突擴管內油水兩相分布云圖Fig.3 The oil－water distribution in sudden expansion pipe under the condition of different water content

圖4 不同含水率情況下突縮管內油水兩相流分布云圖Fig.4 The oil－water distribution in sudden contraction pipe tunder he condition of different water content

突縮管道內含水率從50%變化到80%時，其兩相分布規(guī)律與突擴管道內兩相分布規(guī)律類似。但4種工況下，出現流型都為水包油流型且都為水潤濕壁面。含水率為80%時，油以油滴形式均勻分布在水中，當含水率達到50%時，同樣會出現油水相間流動的情況。當油水兩相流經突縮處進入小管徑管道后，分散在水中的油滴會進一步聚集融合，形成體積更大一些的油團，這主要是由于油滴之間的表面張力造成的。

4.2 壓力分析

在不同含水率下，管內壓力變化趨勢相同并且沿程壓力數值波動小。為便于分析和說明壓力分布情況，取含水率為60%的情況進行分析，結果如圖5、6所示。

圖5 含水率60%時突擴管道沿程壓力曲線Fig.5 The pipe pressure curve in sudden expansion pipe when water rate is 60%

圖6 含水率60%時突縮管道沿程壓力曲線Fig.6 The pipe pressure curve in sudden contraction pipe when water rate is 60%

由圖5可知，突擴管道內壓力呈現出先減小，在突擴處壓力又漸漸上升，進而又沿程下降的趨勢，這與文獻［3］、［8］中對于突擴管模擬所得結論一致。在管徑較小的0.5m管段內，壓力下降率為1 100 Pa／m，隨后在突擴管段0.35m長度內壓力以571 Pa／m的速率上升，這主要是由于流體進入突擴管道后部分速度能頭轉化為壓力能頭，在0.85m至2.5m管段內，由于沿程摩阻損失，壓力以76Pa／m的速率下降。

由圖6可知，突縮管內壓力呈現一直減小的趨勢。在突縮處前的管徑較大管段內，壓力減小速率較小，只有370Pa／m。在突縮處，由于流體進入管徑較小的管段內后流速是之前的4倍，一部分壓力能頭轉化為速度能頭，導致管內壓力急劇下降，瞬間下降了約1 500Pa。油水兩相流進入管徑較小的管段后，受摩阻影響，壓力以1 833Pa／m的速率線性減小。

5 結論

（1）管道內的油水兩相流的分布情況為水包油型流型，突擴管道內含水率為80%和70%時主要為水潤濕壁面，含水率為60%和50%時主要是油潤濕壁面，而在突縮管內4種工況下都為水潤濕壁面。

（2）突擴管和突縮管內的油水兩相流沿程壓力分布規(guī)律與普通直管道內壓力分布有較大不同，在管徑突變處壓力呈現出較大的波動變化，在突擴管道內是先增大后減小，而在突縮管道內則是急劇下降。

（3）對于開采原油中稠油較多和含水率高的現狀，研究結論對于認識稠油集輸管網中突擴管和突縮管內油水兩相流流動規(guī)律，優(yōu)化突擴管道和突縮管道結構，以及減少流動的能量損失問題都具有一定的參考價值。

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