水平井的油水兩相流流態(tài)研究與仿真

張　瑜，劉興斌，劉　鑫，姜兆宇,李　雷

(1.東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163000；3.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

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水平井的油水兩相流流態(tài)研究與仿真

張瑜1，劉興斌2，劉鑫3，姜兆宇2,李雷2

(1.東北石油大學 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163000；3.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：油水兩相混合流動是石油開采過程中的常見現(xiàn)象，對其流動規(guī)律進行探究有著重要的科學價值和工程應用價值。應用GAMBIT軟件，建立集流管道長度為600 mm、測量管道長度為1 000 mm的仿真模型，并根據(jù)建立的模型完成網(wǎng)格劃分。應用Fluent軟件，對劃分好的網(wǎng)格在不同油水配比率條件下進行相關數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬計算，對其數(shù)值模擬結果進行Fluent軟件的后處理，并將數(shù)值模擬計算結果進行可視化處理。根據(jù)Fluent軟件后處理得到的數(shù)據(jù)和圖像結果可知，流體在水平管流低流量集流條件下達到流型穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間，隨著流體含水率值的減小而減小，且達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的入口距離至少為20 cm。

關鍵詞：數(shù)值模擬；水平井；油水兩相流

近年來，隨著石油需求量的增大，對油田的開采量以及要求也逐漸增加。在石油工業(yè)中，經(jīng)常會遇到油和水混合流動的現(xiàn)象。水平井相比垂直井的主要區(qū)別是流型的復雜度增加，介質和速度的分布不再對稱，這些都對研究結果產(chǎn)生影響，所以十分有必要對水平井內(nèi)油水兩相流的流動狀態(tài)進行研究。

本文對油水兩相流動的基本參數(shù)進行簡要的介紹，針對集流條件下的水平管流的模型劃分了仿真分析所需要的網(wǎng)格，并應用Fluent軟件對劃分好的網(wǎng)格進行數(shù)值模擬，對比和分析不同工況下流體不同位置和不同時間的流動狀態(tài)仿真結果。

1油水兩相流動的基本參數(shù)

根據(jù)油水兩相流的流變學特性，選擇合適的油水兩相流參數(shù)。因為參數(shù)在建立流動模型時，與最后計算的結果有著緊密的聯(lián)系。而和單相流相比下，流動參數(shù)要更復雜，既要有基本的描述單相流參數(shù)，還要有表示兩相之間關系的相關參數(shù)[1]。下述將列舉其中重要參數(shù)。

在油水兩相流動系統(tǒng)中，流體間由于密度的不同存在相對運動，除了混合流體的整體的流動速度外，還包括流體各相的實際流動速度[2]。單位時間內(nèi)某一相流體通過某一截面的體積Qi比上該相流體在該截面所占的截面積Ai，就是該相流體的實際速度Vi，公式為：

(1)

含水率是指流體單位時間內(nèi)流過的水相的體積含量，而持水率是指流體在某一截面處水相所占的截面積含量。在流體較為穩(wěn)定的情況下，流體的持水率與含水率趨于相等。持水率公式可表示為：

(2)

式中，Yw是流體某一截面處的持水率；Aw是該截面處水相流體所占管道截面的截面面積；A是該截面處管道截面的總面積。

2Fluent軟件概述

CFD商業(yè)軟件Fluent是一種通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，因而Fluent軟件能達到最佳的收斂速度和求解精度[3]。靈活的非結構化網(wǎng)格和基于解的自適應網(wǎng)格技術及成熟的物理模型，使Fluent軟件在轉換與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉機械、材料加工和燃料電池等方面有廣泛應用[4]。

3油水兩相流在Fluent軟件內(nèi)模型仿真

3.1網(wǎng)格劃分

本文使用GAMBIT軟件作為Fluent軟件仿真的網(wǎng)格劃分軟件，網(wǎng)格的劃分對于Fluent軟件仿真過程中的計算結果有很大的影響。針對水平管段油水兩相流體在集流條件下的數(shù)值模擬，建立二維模型的結構尺寸(見圖1)。

圖1　模型結構尺寸

依照圖1尺寸在GAMBIT軟件中建立二維結構化網(wǎng)格(見圖2)，網(wǎng)格左側設為速度入口，右側為出口條件，區(qū)域內(nèi)為流體。

圖2　二維網(wǎng)格模型

3.2仿真結果

本文應用Fluent軟件對集流管徑20 cm的水平管流進行了數(shù)值模擬，定義水密度為998.2 kg/m3，黏度為0.039 271 2 Pa·s；油密度為879.6 kg/m3，黏度為0.01 Pa·s。模擬總流量為10 m3/d，入口含水率值變化為10%～90%，每種工況相差含水率值為10%。下述簡要列出了幾種工況下，油水兩相流在集流管段的不同時刻、不同位置的流動狀態(tài)。

1)初始總流量為10 m3/d，含水率值為90%。集流條件下油水兩相流的不同時刻的瞬時流動狀態(tài)如圖3所示，圖3中從上到下的時刻依次為30、60、90、120和180 s。根據(jù)圖3中流體的瞬時流動狀態(tài)可以得出，由于流體在管道中受到重力的作用，較輕的油相位于較重的水相上方，且由于流速較慢，流體在管道內(nèi)呈現(xiàn)分層流動，即層流狀態(tài)。油相位于上部，只有在油管內(nèi)隨著時間逐漸累積到一定程度，才能進入位于中間的較細的集流管段內(nèi)。對比集流管段內(nèi)流體的流動狀態(tài)可以看出，120和180 s時刻時，管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)差異很小基本可以忽略，說明流體在120 s時刻時流體的流動狀態(tài)已經(jīng)基本穩(wěn)定。

圖3　含水10%不同時刻時水平油水兩相流油相含率分布圖

為了更清晰地觀察集流管段的油水兩相流的分布狀態(tài)，本文應用Fluent軟件的后處理功能，在仿真結果圖內(nèi)設置監(jiān)測線，監(jiān)測不同位置處持水率分布情況。設置監(jiān)測線分別位于距離集流管段入口5、10、15、20和30 cm處。不同監(jiān)測線在時間為120 s時持水率的分布狀況如圖4所示。從圖4中可以看出，在20和30 cm處流體中油相含率在不同高度處的分布幾乎一樣，而5、10和15 cm處油相分布高度明顯低于20和30 cm處，沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可以證明，流體在集流條件下，最少要距離入口20 cm才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　含水90% 不同入口距離油相含率分布圖

2)初始總流量為10 m3/d，含水率值為50%。集流條件下油水兩相流不同時刻的瞬時流動狀態(tài)如圖5所示，圖5中從上到下的時刻依次為30、60和90 s。根據(jù)圖5中的流體的瞬時流動狀態(tài)可以看出，流體在管道內(nèi)仍然呈現(xiàn)為層流狀態(tài)。對比可以看出，60和90 s時，管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)差異很小，基本可以忽略，說明流體在60 s時流體的流動狀態(tài)已經(jīng)基本穩(wěn)定。含水率值為50% 的工況與含水率為90% 的工況相比，水平管段內(nèi)油水兩相流流型達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間有明顯的縮短。

圖5　含水50% 不同時刻水平油水兩相流油相含率分布圖

應用Fluent軟件對于工況為流量10 m3/d、含水率值為50% 的情況下的仿真結果進行后處理，得到的距離集流管段入口處5、10、20和30 cm處的油相含率分布圖如圖6所示。圖6中橫坐標為管道內(nèi)垂直高度，縱坐標為油相的含相率，可以看出流體在20和30 cm處流體中油相含率在不同高度處的分布幾乎一樣，而5和10 cm處油相分布高度明顯低于20和30 cm處，沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)。即在集流條件下，最少要距離入口20 cm處才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。這一仿真結果與流量為10 m3/d、含水率值為90% 條件下的仿真結果一致。

圖6　含水50%不同入口距離油相含率分布圖

3)初始總流量為10 m3/d、含水率值為10%。集流條件下油水兩相流不同時刻的瞬時流動狀態(tài)如圖7所示，圖7中從上到下的時刻依次為30、60和90 s。根據(jù)圖7中的流體的瞬時流動狀態(tài)可以看出，流體在管道內(nèi)仍然呈現(xiàn)為層流狀態(tài)。對比可以看出60和90 s時，管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)差異很小，基本可以忽略，說明流體在60 s時流體的流動狀態(tài)已經(jīng)基本穩(wěn)定。

圖7　含水10% 不同時刻水平油水兩相流油相含率分布圖

對于工況為流量10 m3/d、含水率值為10% 的情況下的仿真結果進行后處理， 得到的距離集流管段入口處5、10、20和30 cm處的油相含率分布圖如圖8所示。從圖8中可以看出，流體在20和30 cm處流體中油相含率在不同高度處的分布幾乎一樣，已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。即在集流條件下，最少要距離入口20 cm處才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。這一仿真結果與流量為10 m3/d、含水率值為90%和50% 條件下的仿真結果一致。

圖8　含水10%不同入口距離油相含率分布圖

通過對流量為10 m3/d，其他含水率條件下的仿真分析可以得出，流體在含水率值為70%~90%時，流體在集流管段內(nèi)時間達到120 s時就達到了穩(wěn)定流動的狀態(tài)；在含水率值為10%~60%時，流體在集流管段的穩(wěn)定時間則縮短到60 s，從而可以看出，流體的穩(wěn)定時間是隨著流體入口處含水率的減少而逐漸縮短的，而流體達到穩(wěn)定狀態(tài)時距離集流管段入口處的距離為20 cm。

4結語

本文應用Fluent仿真軟件對水平管集流條件下的油水兩相流體幾種工況下的瞬時流動狀態(tài)進行了仿真。從仿真的結果和對結果的分析可以看出：在流量較低的情況下，流體在集流管道內(nèi)呈現(xiàn)層流狀態(tài)(ST流型)；在流量不變，含水率逐漸降低的過程中，油水界面的豎直高度逐漸降低，水相所占集流管段體積逐漸減??；在前方油管長度為0.5 m，集流管段長度為1 m，在流量為10 mm3/d的條件下，流體在集流條件下達到流型穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間隨著流體含水率值的減小而減小，且穩(wěn)定時間至少為120 s；而流型穩(wěn)定狀態(tài)所需要的入口距離至少為20 cm。

參考文獻

[1] Trallero J L，Sarica C，Brill J P. A study of oil-water flow patterns in horizontal pipes [J].Society of Petroleum Engineers, 1996, 36609:363-374.

[2] Angeli P，Hewitt G F. Flow structure in horizontal oil-water flow[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2000, 26:1117-1140.

[3] 姚海元，宮敬. 水平管內(nèi)油水兩相流流型轉換特性[J]. 化工學報，2005，56(9):1649-1653.

[4] 吳鐵軍，郭烈錦，劉文紅，等. 水平管內(nèi)油水兩相流流型及其轉換規(guī)律研究[J]. 工程熱物理學報，2002，23(4):491-494.

責任編輯彭光宇

The Research and Simulation of Oil-water Two-phase Flow in Horizontal Well Flow

ZHANG Yu1， LIU Xingbin2， LIU Xin3， JIANG Zhaoyu2， LI Lei2

(1.College of Electronic Science，Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Daqing Logging&Testing Services Company, Daqing 163453, China; 3.Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：The oil-water two-phase mixture flow is common phenomenon in the process of oil production, and exploring the flow pattern has important scientific value and engineering application value. Use GAMBIT software to build the simulation model which has a current collecting pipe length 600 mm and a measurement pipeline length 1 000 mm, and it is according the established model to mesh. Then the Fluent software is used to simulation calculation the grid at the different oil water ratio, and postprocess the results used by Fluent software. Then visualize the results of numerical simulatio, according to the results of the Fluent software to get the results of the data and images of postprocessing. The low flow concentration needs to reach the steady state flow time decreases with the decrease of moisture content values in the fluid level, and reaches the entrance to the steady state distance of at least 20 cm.

Key words:numerical simulation， horizontal well， oil-water two-phase flow

收稿日期：2015-05-15

作者簡介：張瑜(1990-)，女，碩士研究生，主要從事基于傳感器的測井技術等方面的研究。

中圖分類號：TE 357.8

文獻標志碼:A