徐 翠

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

?

·試驗(yàn)研究·

近水平小管徑油水兩相數(shù)值模擬研究

徐 翠

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

目前，對近水平傾斜井主要是通過實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)行研究，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，利用數(shù)值模擬手段進(jìn)一步研究，可以豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，節(jié)省人力和物力。利用模擬軟件fluent采用三種不同條件對Φ20 mm水平小管柱進(jìn)行模擬，尋求更為理想模擬結(jié)果，并以其模型對近水平不同傾斜角度小管柱進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，基于fluent對水平小管柱油水兩相進(jìn)行數(shù)值模擬具有可行性，不同傾斜角度對小管柱內(nèi)的油水兩相的流型、速度和持水率均有影響。

水平小管柱；油水兩相流；傾斜角度；流型

0 引 言

近水平傾斜井在油田開發(fā)中應(yīng)用廣泛，由于傾斜井中油水兩相流流動結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高度隨機(jī)性、不穩(wěn)定性及多態(tài)性，尤其流速及相含率變化規(guī)律十分復(fù)雜[1，2]，流動過程參數(shù)難以測量。造成油水井的地質(zhì)和工程的問題不斷顯現(xiàn)，產(chǎn)液剖面研究資料不完備對傾斜井測井的制約日益凸顯，這需要通過實(shí)驗(yàn)及模擬手段來研究流動規(guī)律，因此，總結(jié)傾斜井油水兩相流動規(guī)律對生產(chǎn)測井具有指導(dǎo)性意義。

目前對近水平傾斜井的研究主要是通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行進(jìn)一步研究，可以豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并且由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，目前對近水平傾斜井的研究主要針對小角度，而對稍大角度的研究很少，因此有必要采用數(shù)值模擬技術(shù)對稍大角度進(jìn)行模擬。

Fluent是目前國際上使用最多、最流行的商用CFD軟件包，廣泛應(yīng)用于流體、熱傳熱和各種化學(xué)反應(yīng)等相關(guān)工業(yè)。大量工程實(shí)踐證明，數(shù)值計算結(jié)果具有可靠性[3]。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，對水平小管柱井進(jìn)行模擬，通過對比流型以及速度誤差，尋求較理想的模擬結(jié)果。對近水平多個傾斜角度小管柱油水兩相進(jìn)行數(shù)值模擬，對流型、速度、及持水率變化進(jìn)行了探討，為小管徑的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬計算方法

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備是用T型接口將油水兩相混合，管道內(nèi)徑為20 mm。因此所設(shè)計的模型應(yīng)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相吻合，并且能夠盡量減少計算時間，提高數(shù)模效率。

1.1 計算模型的選擇、網(wǎng)格模型建立及邊界條件設(shè)置

Fluent中多相流模型包括VOF模型，Mixture模型，Euler模型以及離散模型。VOF模型適用于層流、栓塞流、泡狀流等；Mixture模型適用于離散相混合物的液滴超出10%，并且液滴粒徑分布廣泛的情況；而Euler及離散模型則適用于氣動運(yùn)輸、水力運(yùn)輸?shù)取？紤]各模型適用范圍，本文分別采用VOF和混合模型兩種。

常見的湍流模型包括k-ε(k-epsilon)、RSM模型、LES模型。k-ε模型是一種成熟有效的湍流流動模型，應(yīng)用廣泛；RSM屬于高雷諾數(shù)湍流計算模型；LES模型是目前更為前沿的湍流流動模型。本文選擇RNG k-ε模型。

Gambit是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力的專用的CFD前置處理器，能靈活方便的進(jìn)行幾何修正，自動選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法[4]。本文確定以管徑為20 mm，管長0.8 m，流向網(wǎng)格長度0.5 mm，總網(wǎng)格數(shù)7.5萬的網(wǎng)格尺度來計算，如圖1所示。

圖1 二維圓管有邊界層網(wǎng)格局部圖

由于計算機(jī)所能計算網(wǎng)格數(shù)有限，如果以實(shí)際的油水混合物作為入口條件，則油、水在管內(nèi)需要流動較長的距離才達(dá)到分層或穩(wěn)定，這需要建立很長的網(wǎng)格模型。為節(jié)省計算時間，提高效率，對入口的劃分采用兩種手段1)將入口分為兩段：上、下分別進(jìn)油水混合物、水，如圖2(a)；2)將入口分為三段：上、中、下分別為油、油水混合物、水，如圖2(b)。圖中從紅色到藍(lán)色代表油的組分由100%到0%。入口處流量為15 m3/d，對應(yīng)流速為0.5529 m/s，含水率60%。具體入口條件見表1。

表1 模型入口處具體條件

出口條件采用自由流動邊界。水的密度998.2 kg/m3，油的密度780 kg/m3，水的粘度0.001 003 kg/(m·s)，油的粘度0.0024 kg/(m·s)，油水間的界面張力系數(shù)為0.017。

圖2 入口條件側(cè)面圖

1.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果驗(yàn)證

數(shù)值模擬畢竟是計算機(jī)所做的模擬，是近似于實(shí)際情況卻又不能嚴(yán)格的說其完全等同于實(shí)驗(yàn)，因此需將數(shù)值模擬出的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，以驗(yàn)證其模型及算法的可靠性。

表2為各模型計算結(jié)果。通過計算，流體在流動0.5 m后其流型已達(dá)到穩(wěn)定。表中0.5～0.7 m指流體從入口流動0.5 m后，到0.7 m之間的長度。從表中可以看出模型3的速度誤差要明顯高于模型1和2，因此采用混合模型不具可行性，模型2和3的誤差均在可接受的范圍之內(nèi)，而模型2誤差的更小。

表2 各模型流動計算結(jié)果

從流型圖與實(shí)際拍攝流型圖作比較，如圖3所示，圖3為相同條件下，高速攝像拍攝水平小管徑流型圖，從圖中我們可以看出流型為水包油及水層，與模型1、2、3作比較，模型2的流型更為接近。因此，選擇模型2為更加理想的方法。

圖3 相同條件下，高速攝像拍攝水平小管徑流型圖

2 數(shù)值模擬流型、速度、持水率比較

目前傾斜井在油田中的應(yīng)用非常廣泛，但國內(nèi)外對近水平條件下油水兩相的研究主要以小角度為主，而對稍大傾角的研究十分匱乏，數(shù)據(jù)更是稀少，因此有必要對稍大角度管柱內(nèi)油水兩相流動情況進(jìn)行研究[5]。本節(jié)探討了當(dāng)流量為15 m3/d，含水率為60%時，較大傾角對流型、速度、持水率的影響。

2.1 不同傾角下流型比較

以相同方法，相同的流速，對傾角為±5°、±7°、±10°的小管徑井進(jìn)行模擬，以0°和±7°為例，對流型進(jìn)行比較，如圖4～6所示分別為傾角0°、+7°、-7°流型圖。影響流型的因素包括流體的密度、粘度、管徑、傾角及各相流量等，其中流量和傾角起主要作用。從圖中可以看出，±7°流型圖與0°相比界面更加不穩(wěn)定，波形更為復(fù)雜，并且油相的底部出現(xiàn)滾動逆流的現(xiàn)象，這主要是由重力產(chǎn)生的，揭示了傾斜管柱內(nèi)油水兩相流動流型明顯不同于水平情況。

圖4 水平小管柱流型圖

圖5 傾角+7°流型圖

圖6 傾角-7°流型圖

2.2 傾角對管流速度的影響

對不同傾斜角度兩相流速度分布進(jìn)行比較，如圖7所示為管柱某點(diǎn)處，傾斜角度分別對油、水速度的影響；如圖8所示為不同傾斜角度下，在0.6 m處徑向速度分布對比圖，圖中縱坐標(biāo)H代表坐標(biāo)點(diǎn)距油管底部的距離。由于油的密度小于水的密度，圖中曲線上半部分主要代表油的速度，而曲線下半部分為水速。從兩圖中均可看出隨著傾斜角度向正方向偏移，油速由于受到浮力影響逐漸增大，而水速受到重力作用逐漸減小，說明傾角對管道內(nèi)流體的流動速度分布具有較大影響。從圖8中可以看出傾角為0°時油速比水速小，這是由于油的粘度高于水的粘度，從而管壁對油的粘滯力大于對水的粘滯力，因此油速小于水速。當(dāng)傾角為7°時，油速和水速基本相同，這是由于油受到的浮力、重力以及沿著管壁斜向下粘滯力，這三者的合力與水受到的合力基本相同。從圖中還可以看到大多曲線的中上部位都有凹陷處，分析這部分處于油水混合界面，油與水之間存在相對的阻力造成的。

圖7 傾角對油、水速度的影響

圖8 不同傾角，0.6 m處徑向速度比較

2.3 傾角對持水率影響

如圖9所示為各傾角下0.5～0.7 m區(qū)間內(nèi)持水率變化圖。從圖中可以看出角度對持水率有較大影響，當(dāng)傾角為-10°時，持水率為最低，當(dāng)角度為+10°時，持水率最大，持水率隨著正角度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。并且當(dāng)傾斜角度為+7°時，持水率為0.601 3，持水率與含水率之比為1.002 1，說明+7°傾角時油水兩相速度基本相同，滑脫速度影響不大，這與之前有相同的結(jié)論。結(jié)合圖8，可以看出當(dāng)油速小于水速時，持水率/含水率<1；當(dāng)油速大于水速時，持水率/含水率>1。

圖9 各傾角下0.5～0.7 m區(qū)間內(nèi)持水率變化曲線

3 結(jié) 論

本文對水平小管柱油水兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，通過與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，尋求了最佳模擬方案，對±10°之內(nèi)不同傾斜角度下流型、流速、持水率的分析，得到其變化規(guī)律，結(jié)論如下：

1)選用兩段作為入口條件，VOF作為多相流模型，模擬結(jié)果更佳。

2)與水平小管柱相比，有傾角變化時，其流型更加復(fù)雜，界面更加不穩(wěn)定，油相底部出現(xiàn)滾動逆流現(xiàn)象，這主要是由重力產(chǎn)生。

3)流量及含水率一定的條件下，傾角對油水兩相平均速度影響不大，而對單一相影響較大。徑向上，油速隨著角度向正方向偏轉(zhuǎn)而逐漸增大，水速逐漸減小。在0°時油速比水速小，這主要由油和水的粘度不同引起的。

4)流量及含水率一定，隨著傾角向正角度增加，持水率增大。當(dāng)流量為15 m3/d，含水率為60%，傾角為+7°時，持水率與含水率之比為1.002 1，油水兩相速度基本相同，滑脫速度影響不大。

[1] Mobbs S D,Lucas G P.A turbulence model for inclined,bubbly flows[J].Applied Scientific Research,1993,18(1):263-268.

[2] Lucas G P.Modelling velocity profiles ininclined multiphase flow to provide a priori information for flow imaging[J].The Chemical Engineering Journal,1995,56(3):167-173.

[3] 劉文明，金仲康，鄭 源，等.大型供水泵站數(shù)值模擬及水力優(yōu)化[J].給水排水，2009,35(6)：54-57.

[4] 樊勇保，李曉嬌，李 玲，等.基于fluent的高爐風(fēng)口流場和溫度場模擬[J].計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2009，24(4)：324-326.

[5] 宋 薇.水平管氣水兩相彈狀流流動特性仿真研究[D]. 天津大學(xué)，2010.

Numerical Simulation Research on Nearly Horizontal Small Diameter Oil-water Two Phase

XU Cui

(DaqingLoggingandTestingServicesCompany,DaQing,Heilongjiang163153,China)

The experimental data is limited from the study of nearly horizontal slant well, the numerical simulation study can enrich the experimental data, and save cost. In order to search ideal simulation result, the Φ20mm small string was used to simulated under three different conditions based on software FLUENT for simulating, and use the model to simulate the different angle of nearly horizontal small string. The results show that it is feasible to use the FLUENT software to simulate the small string in oil-water two phase, and the different angle can affect flow pattern in the small string of oil-water two phase, and also can affect the speed and the water holdup.

horizontal small string; oil-water two phase flow; angle of inclination; flow pattern

徐 翠，女，1986年生，2009年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)主要從事實(shí)驗(yàn)檢測工作。E-mail: 497106441@qq.com

TE35

A

2096-0077(2016)05-0021-04

2016-05-03 編輯：韓德林)