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        基于FLUENT的流量控制閥優(yōu)化設(shè)計及試驗

        2020-02-27 03:22:32
        石油礦場機(jī)械 2020年1期
        關(guān)鍵詞:模型

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300452)①

        水平井的開發(fā)方式大幅提高了油井泄油面積和開發(fā)效率,但同時也伴隨著許多問題,例如儲層非均質(zhì)性、流體黏度差異等導(dǎo)致的底水錐進(jìn),水平井沿程阻力損失導(dǎo)致的跟趾效應(yīng)等因素引起的油層出水現(xiàn)象,嚴(yán)重影響著水平井的高效開采[1]。

        自適應(yīng)流量控制閥作為油氣田穩(wěn)油控水的一項新技術(shù),已在國內(nèi)外不同的油氣藏開展了廣泛的現(xiàn)場應(yīng)用,一定程度上延緩了水平井見水時間及含水上升速度,起到了良好的增產(chǎn)效果[2-3]。但是,水平井控水具有井筒結(jié)構(gòu)多樣、流體性質(zhì)復(fù)雜、生產(chǎn)制度差異大等技術(shù)難點(diǎn),需針對特定工況開展合理化的裝置優(yōu)化設(shè)計,最大程度提高裝置使用效果。開展水平井流量控制閥優(yōu)化設(shè)計對延長水平井低含水采油期、均衡產(chǎn)液剖面、提高控水增油效果和提高油田采收率有著重要意義。

        1 初始模型建立

        常見浮盤式流量控制閥采用浮盤來調(diào)節(jié)過流面積實現(xiàn)流體控制,在不同流體性質(zhì)和流動條件下可自動調(diào)節(jié)浮盤的位置,實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)[4-5]。

        在ANSYS軟件中建立初始仿真計算模型,利用對純水(1 mPa·s)和純油(400 mPa·s)進(jìn)行仿真初步模擬,壓力云圖如圖1~2所示。當(dāng)介質(zhì)為低黏度的水時,浮盤處于上方,過流通道減??;當(dāng)介質(zhì)為高黏度的油時,浮盤處于下方,過流面積增大。

        圖1 水介質(zhì)條件下壓力云圖

        圖2 油介質(zhì)條件下壓力云圖

        2 仿真方法研究

        2.1 模型維度選擇

        FLUENT軟件可以從二維和三維空間模擬流體流動問題,表1是采用初始原理模型,采取相同的求解器設(shè)置,分別使用三維、二維仿真模型得到的仿真結(jié)果。

        表1 3D和2D模型仿真結(jié)果對比

        從表1的模擬數(shù)據(jù)可以看出,在相同輸入條件下,高黏度的油和水的流量比最高為4.4倍,3D和2D模型仿真結(jié)果有很高的相似性,而兩者差異甚小。二維模型較三維模型極大地簡化了仿真過程,且二維仿真模型可以通過點(diǎn)集的方式把幾何點(diǎn)輸入到ICEM中,通過創(chuàng)建線面的方法,建立形式簡單的仿真模型,所以后續(xù)采用2D模型進(jìn)行裝置的優(yōu)化設(shè)計。

        2.2 湍流模型的選擇

        湍流模型主要有S-A模型,k-ε模型,K-w模型和雷諾應(yīng)力模型,而能夠很好地適用本裝置的只有k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型。k-ε模型廣泛地被應(yīng)用到工程仿真計算中,它能夠很好地處理可壓縮和不可壓縮流體的湍流仿真計算。模型中的修正系數(shù)通過大量試驗數(shù)據(jù)擬合而成,可以處理包括浮力、壓縮性、粘性加熱等多種物理現(xiàn)象[6-8]。

        3 結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

        經(jīng)過分析,可能影響浮盤型流量控制閥控流性能的參數(shù)主要包括浮盤尺寸、入口尺寸、出口尺寸3個方面。

        3.1 浮盤尺寸

        為模擬不同浮盤尺寸對控水效果的影響,在3 MPa壓差下,分別選取15.0 、17.5、20 .0 mm 3種浮盤尺寸,進(jìn)行控水效果分析。如圖3是不同浮盤尺寸下的流量與黏度關(guān)系曲線。

        由上圖3得:

        1) 浮盤尺寸越大,對應(yīng)的黏度敏感范圍越大。

        2) 在黏度敏感范圍內(nèi),同一黏度下,浮盤尺寸越小,流體流量越大。

        3) 隨著黏度不斷增大,3種尺寸裝置分別在200、400、500 mPa·s黏度達(dá)到最大開度。由于粘滯阻力,黏度超過此值后流量逐漸減小。

        圖3 不同浮盤尺寸下的流量與黏度關(guān)系

        為保證裝置發(fā)揮最大控水性能,結(jié)合目標(biāo)A油田常見的200 mPa·s原油黏度,選取15.0 mm浮盤尺寸。

        3.2 入口直徑

        當(dāng)入口直徑較大時,流體大部處于層流狀態(tài),油與水的流動過程中,內(nèi)摩擦損耗降低,油水流動粘滯阻力差別變小,同壓差下油水流量比值變??;當(dāng)入口直徑較小時,入口的減壓作用增強(qiáng),實際作用到浮盤上的壓力變小,浮盤的作用減弱,同壓差下油水流量比值變小。仿真中分別設(shè)置入口直徑為5~10 mm,計算壓力為3 MPa,流體分別為200 mPa·s油和水的條件下的過流排量,求解不同入口尺寸、同壓差下油水流量比。該值越大,表明裝置控水性能越強(qiáng)。計算結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同入口尺寸下油水流量比

        計算結(jié)果表明,隨著入口直徑的增大,控水效果呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢,入口尺寸存在1個合理的取值。針對此模型,該取值設(shè)計為7 mm,此時對應(yīng)最高的油水流量比為9.2。

        3.3 出口過流面積

        經(jīng)過分析,出口在流量控制閥結(jié)構(gòu)中起到導(dǎo)流的作用,基本不產(chǎn)生節(jié)流效果,出口的過流面積≥內(nèi)部最小過流面積,故出口尺寸對控水效果基本沒有影響。

        4 性能參數(shù)仿真分析

        4.1 入口壓力及黏度的影響

        采用以上優(yōu)化分析后的模型,設(shè)定壓差分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa,黏度分別為1、30、50、100、200、250 mPa·s,分析流量控制閥在不同壓差和黏度工況條件下的流量,仿真結(jié)果如表2所示。

        表2 不同壓差及黏度條件下裝置流量

        分析表2得出:

        1) 隨著壓差增大,流體的流速變大,單位時間內(nèi)流過流量控制閥的流量增多,流率增大。

        2) 隨著黏度增大,流體流量增大,體現(xiàn)了裝置對黏度的敏感性,黏度超過200 mPa·s時流量不再增加,增幅較小,說明流體黏度超過200 mPa·s時,裝置的敏感性變?nèi)趸蛳А?/p>

        3) 黏度超過200 mPa·s后,該裝置流道已達(dá)到最大,表現(xiàn)為節(jié)流特性。

        4.2 流體密度的影響

        分別選取密度為1.00、0.94、0.85 g/cm3的流體在壓差為3 MPa,黏度分別為30 mPa·s和200 mPa·s的條件下進(jìn)行仿真研究,計算結(jié)果如表3所示。

        表3 不同密度及黏度條件下流體流量

        1) 在相同黏度和壓差下,密度越小,流體流量越小。

        2) 黏度為30 mPa·s、密度為1~0.85 g/cm3時,流量減小0.2 m3/h,變化率6%。

        3) 黏度200 mPa·s,密度為1~0.85 g/cm3時,流量減小0.7 m3/h,變化率9%。

        綜合以上分析:密度對流量控制閥流量的影響相對較小。

        5 試驗評估

        為驗證流量控制閥的仿真計算結(jié)果,搭建控流試驗裝置,測試其在純水和不同黏度純油情況下的過流性能[9]。試驗裝置主要由柱塞泵、攪拌罐、流量計、壓力傳感器和測試段等組成,如圖5所示。通過調(diào)節(jié)測試段的排量,分別測試測試段的入口壓力p1、出口壓力p2和排量Q,測試段壓差△p=p1-p2。

        圖5 流量控制閥地面測試流程

        采用高黏度原油加柴油稀釋的方式配置試驗所需不同黏度的油。采用黏度為220、188、122、90、60、20 mPa·s的油對流量控制閥進(jìn)行了性能測試。

        試驗過程采用純數(shù)字采集系統(tǒng),每間隔相同時間采集一次數(shù)據(jù),采集壓力及流量數(shù)據(jù)各持續(xù)5 min,將采集的數(shù)據(jù)按照指數(shù)回歸法繪制性能參數(shù)曲線,如圖6所示。

        圖6 純液態(tài)通過流量控制閥的壓差與排量關(guān)系

        測試結(jié)果表明:

        1) 在相同壓差下,介質(zhì)黏度越高,排量越大,表現(xiàn)出明顯的自適應(yīng)控水增油特性。

        2) 對比表1中初始模型計算結(jié)果及表2中優(yōu)化仿真計算結(jié)果,流量控制閥的油水流入控制比從初始模型的4.4倍提高到8.5倍,試驗結(jié)果與優(yōu)化后計算數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同,實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果偏差10.2%左右,證明所采用的模擬計算方法較好地完成了流量控制閥的優(yōu)化設(shè)計。

        6 結(jié)論

        1) 基于FLUENT流體分析軟件對流量控制閥進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。浮盤尺寸影響其黏度適用范圍,入口尺寸影響其控水性能。結(jié)合實際應(yīng)用條件,可通過改變裝置結(jié)構(gòu),形成針對性強(qiáng)的流量控制閥,實現(xiàn)最佳的流量控制比。

        2) 流體黏度和壓差對流量控制閥的控水過流效果影響明顯。流體密度對流量的影響較小。

        3) 通過試驗裝置對優(yōu)化設(shè)計的流量控制閥進(jìn)行驗證試驗。結(jié)果表明,所采用的仿真計算方法精確度較高,所設(shè)計的流量控制閥的最高油水控制比達(dá)到8.5倍,在水平井控水工藝中具有較高應(yīng)用價值[10]。

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