抽油桿運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率電導(dǎo)含水率計(jì)測(cè)量持水率影響的數(shù)值模擬分析

鄧茜珊，丁慶榮

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163000)

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

抽油桿運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率電導(dǎo)含水率計(jì)測(cè)量持水率影響的數(shù)值模擬分析

鄧茜珊，丁慶榮

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163000)

了解抽油桿運(yùn)動(dòng)對(duì)高分辨率含水率計(jì)傳感器內(nèi)持水率測(cè)量的影響，為含水率計(jì)現(xiàn)場測(cè)井結(jié)果的解釋存在誤差提供參考依據(jù)。利用FLUENT數(shù)值模擬的方法，將動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)引入到流場內(nèi)部的數(shù)值模擬中，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)井曲線對(duì)比，選擇適合于模型的最佳參數(shù)；考察抽油桿運(yùn)動(dòng)對(duì)含水率計(jì)測(cè)量結(jié)果影響。計(jì)算結(jié)果表明，持水率隨抽油桿運(yùn)動(dòng)呈周期性變化，抽油桿運(yùn)動(dòng)是測(cè)井資料呈現(xiàn)正弦曲線的一個(gè)重要因素；相同條件下，有抽油桿運(yùn)動(dòng)測(cè)量持水率高于無抽油桿運(yùn)動(dòng)測(cè)量持水率。

高分辨率含水率計(jì)；持水率；抽油桿；數(shù)值模擬；動(dòng)網(wǎng)格

0 引 言

含水率計(jì)在油田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，高分辨率電導(dǎo)含水率計(jì)是近幾年大慶油田研發(fā)的適用于高含水及特高含水油田新型含水率計(jì)，具有測(cè)量分辨率高、穩(wěn)定性和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)[1]，但現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，測(cè)量結(jié)果與井口計(jì)量結(jié)果之間存在一定誤差。出現(xiàn)誤差的原因包括井內(nèi)出氣的影響和抽油機(jī)啟動(dòng)后，抽油桿運(yùn)動(dòng)的影響。以往對(duì)含水率計(jì)的研究及標(biāo)定工作都是在常溫、常壓、模擬裝置中研究。因此，需要研究抽油桿運(yùn)動(dòng)對(duì)含水率計(jì)的影響。

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)外使用最廣泛的CFD軟件之一。FLUENT不但提供了非常靈活的網(wǎng)格特性，同時(shí)用戶可以定義多種邊界條件，如流動(dòng)入口、出口邊界、壁面邊界條件等，所有邊界條件均可隨時(shí)間和空間變化。

本文采用FLUENT軟件提供的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)抽油桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，以高分辨率電導(dǎo)含水率計(jì)為研究對(duì)象[2，3]，通過計(jì)算選擇適合于模型的最佳湍流模型、抽油桿下死點(diǎn)距含水率計(jì)出液口距離及沖程長度；對(duì)比有、無抽油桿兩種情況下，傳感器內(nèi)持水率的變化情況；并考察抽油桿運(yùn)動(dòng)一個(gè)沖程時(shí)，儀器內(nèi)部持水率的實(shí)時(shí)變化情況，為儀器測(cè)井資料解釋奠定基礎(chǔ)。

1 模擬對(duì)象及網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格自動(dòng)生成

以高分辨率含水率計(jì)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高分辨率含水率計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

模型建立如圖2所示。為減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建模方法采用二維軸對(duì)稱模型，右側(cè)紅色線條為模型的對(duì)稱軸，下入口為速度入口，長度62 mm，油水以不同比例相同速度混合從單一入口處進(jìn)入管內(nèi)流動(dòng)；上出口為動(dòng)出口，長度5 mm，用于模擬抽油桿的運(yùn)動(dòng)所引起流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域變化。模型中所涉及的壁面都為光滑壁面；網(wǎng)格劃分兩類，集流傘部分由于流型變化大，采用邊長為0.5 mm的三角網(wǎng)格提高計(jì)算精度；其余采用邊長為1 mm的四方網(wǎng)格。

圖2 模型的建立

在抽油機(jī)工作過程中，抽油桿作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽油桿的運(yùn)動(dòng)可視為活塞運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中涉及體網(wǎng)格的再生(動(dòng)網(wǎng)格)。FLUENT中體網(wǎng)格再生方法包括：1)鋪層；2)彈性光順；3)局部重構(gòu)三種算法[4]。本文采用鋪層法對(duì)抽油桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。由于動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的邊界需要隨計(jì)算時(shí)間增長或縮短，需要對(duì)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的邊界條件單獨(dú)設(shè)置，包括動(dòng)對(duì)稱軸、動(dòng)壁面、動(dòng)出口。其中，動(dòng)對(duì)稱軸和動(dòng)壁面變化類型為Dforming；動(dòng)出口選用Rigid Body類型變化。當(dāng)動(dòng)出口向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，緊靠抽油桿處的網(wǎng)格一層層的增加，計(jì)算域逐漸變大，此為抽油桿的上沖程，直至抽油桿達(dá)到上死點(diǎn)，之后抽油桿轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)，抽油桿處的網(wǎng)格一層層減少，計(jì)算流域逐漸變小，此為抽油桿的下沖程。

2 參數(shù)選擇

高分辨率含水率計(jì)的實(shí)時(shí)持水率測(cè)井曲線呈現(xiàn)很強(qiáng)的波動(dòng)規(guī)律性，如圖3所示。其中，縱坐標(biāo)持水率為測(cè)井得到的實(shí)時(shí)混相值與全水值之比。為了使模型模擬結(jié)果呈現(xiàn)好的波動(dòng)規(guī)律，從而說明模型的正確性，需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行探討。

圖3 含水率計(jì)持水率測(cè)井曲線

以流量10 m3/d，含水率70%作為研究點(diǎn)，抽油桿沖次設(shè)置為10次/min。

1)多相流模型的選擇，F(xiàn)LUENT軟件中多相模型包括VOF，Mixture及Eulerian3種，這三種模型選擇的原則為：泡狀流、栓塞流、分層流選擇VOF模型[5]；均勻流動(dòng)采用混合模型，粒子流選擇歐拉模型。對(duì)于含水率計(jì)的流動(dòng)區(qū)域，包括油、水兩相，油相主要以油泡形式存在于管道內(nèi)，因此選擇VOF模型最佳。油相密度：830 kg/m3，粘度：0.003 32 kg/m·s ；水相密度：998 kg/m3，粘度：0.001 003 kg/m·s 。

2)湍流模型選擇，由于流體在儀器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)呈不規(guī)則狀態(tài)，局部速度、壓力等物理量在時(shí)間、空間中發(fā)生不規(guī)則的變化，符合湍流的特征，因此在計(jì)算過程中需選擇湍流模型。 FLUENT軟件中提供的模型包括：(1)層流(Laminar)模型；(2)k-ε模型；(3)雷諾應(yīng)力模型(RSM模型)；(4)大渦模型。其中k-ε模型包括：(1)k-εRNG模型；(2)k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型；(3)k-ε可實(shí)現(xiàn)化模型三種。設(shè)置了以上幾種湍流模型，分別對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，考察傳感器內(nèi)持水率隨時(shí)間變化情況。

3)抽油桿下死點(diǎn)距含水率計(jì)出液口距離的選擇，分別設(shè)置下死點(diǎn)距儀器出液口距離為1m、3m、5m時(shí)，考察傳感器內(nèi)持水率隨時(shí)間變化情況。

4)沖程長度的影響，考察抽油桿長度分別為20cm、40cm、60cm時(shí)，持水率隨時(shí)間變化曲線。

通過對(duì)以上不同參數(shù)模擬計(jì)算，分別考察流體流動(dòng)100～125s內(nèi)，傳感器持水率隨時(shí)間變化。數(shù)值模擬得到的持水率隨時(shí)間波動(dòng)曲線如圖4所示，圖中紅色曲線為對(duì)實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行的濾波曲線。當(dāng)湍流模型為k-εRNG，抽油桿下死點(diǎn)距含水率計(jì)出液口距離為5m，沖程為20cm時(shí)，濾波曲線具有很好的波動(dòng)性，與實(shí)際測(cè)井曲線更加接近。

圖4 數(shù)值模擬傳感器內(nèi)持水率隨時(shí)間波動(dòng)曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 傳感器內(nèi)持水率在一個(gè)沖程內(nèi)變化規(guī)律

為清晰地觀察一個(gè)沖程內(nèi)儀器內(nèi)部流體流動(dòng)隨抽油桿運(yùn)動(dòng)變化情況，將下死點(diǎn)與分流管頂部距離設(shè)置為10cm，以流量20m3，含水率80%為研究點(diǎn)，考察抽油桿運(yùn)動(dòng)一個(gè)沖程，儀器內(nèi)傳感器持水率實(shí)時(shí)變化。

圖5 傳感器持水率實(shí)時(shí)變化曲線

傳感器內(nèi)持水率實(shí)時(shí)變化曲線如圖5所示，從176.65～182s這6s的時(shí)間內(nèi)，抽油桿恰好運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，對(duì)比曲線從176.65～179.77s為抽油桿上沖程過程，傳感器內(nèi)持水率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。由于隨著抽油桿運(yùn)動(dòng)，對(duì)儀器內(nèi)部油水兩相產(chǎn)生作用力，由于油的密度小于水的密度，對(duì)油的速度影響大于水的影響，滑脫速度變大，持水率變大。抽油桿進(jìn)行下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)持水率降低。由于抽油桿對(duì)油水兩相產(chǎn)生向下作用力，使油水之間的滑脫速度變小，持水率逐漸降低。

3.2 有無抽油桿影響

分別從兩方面考察有抽油桿抽動(dòng)和沒有抽油桿抽動(dòng)時(shí)的差異： 1)流量為40m3/d，含水率為70%，有無抽油桿兩種情況下，傳感器內(nèi)持水率隨時(shí)間變化曲線，濾波后曲線的變化情況。2)含水率為70%，流量分別為10m3/d、20m3/d、40m3/d時(shí)一定時(shí)間內(nèi)傳感器內(nèi)持水率的差異。

流量為40m3/d，含水率為70%，有抽油桿和無抽油桿時(shí)持水率變化曲線如圖6所示。 無抽油桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，油水兩相流動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)性，由于油相以油泡形式存在于傳感器內(nèi)。有抽油桿運(yùn)動(dòng)比無抽油桿運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的曲線正弦性更明顯，抽油桿的運(yùn)動(dòng)是形成正弦曲線的重要因素。

圖6 無抽油桿運(yùn)動(dòng)與抽油桿運(yùn)動(dòng)時(shí)持水率曲線

含水率為70%，流量分別為10m3/d、20m3/d、40m3/d時(shí)，有抽油桿運(yùn)動(dòng)、沒有抽油桿運(yùn)動(dòng)模擬得到的持水率以及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)含水率70%，不同流量下，有、無抽油桿 模擬與實(shí)驗(yàn)持水率對(duì)比

無抽油桿與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，隨著流量的增加，持水率均增加，趨勢(shì)顯示了一致性，當(dāng)流量較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得與模擬所得數(shù)據(jù)并無差別，隨著流量降低，差距變大。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的低流量持水率主要受滑脫效應(yīng)影響，而數(shù)值模擬沒有準(zhǔn)確地定義兩相界面的物理和幾何特性，因此VOF模型對(duì)界面張力的處理與真實(shí)情況有出入，導(dǎo)致模擬與實(shí)驗(yàn)差異變大。將有抽油桿與無抽油桿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，有抽油桿運(yùn)動(dòng)得到持水率均大于沒有抽油桿數(shù)據(jù)，并且隨著流量增大，差異變大，由于油相密度較小，作用在油相與水相的作用力相同的情況下，油相運(yùn)動(dòng)速度增加的更大，持水率升高。

4 結(jié) 論

1)使用FLUENT軟件建立數(shù)值模擬模型，以流量10 m3/d，含水率70%為研究點(diǎn)，多相流模型選用VOF，湍流模型為k-εRNG模型，抽油桿下死點(diǎn)距含水率計(jì)出液口距離為5m，沖程長度為20cm時(shí)，濾波后曲線體現(xiàn)較好的正弦波動(dòng)性，與實(shí)際測(cè)井曲線相近。

2)當(dāng)抽油桿進(jìn)行上沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，持水率逐漸變高；抽油桿進(jìn)行下沖程時(shí)，持水率逐漸降低，抽油桿運(yùn)動(dòng)是測(cè)井資料呈現(xiàn)正弦曲線的一個(gè)重要因素。

3)隨著流量增加，模擬得到的數(shù)據(jù)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)均增加，趨勢(shì)具有一致性。與當(dāng)流量較高時(shí)，計(jì)算得到的無抽油桿和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，當(dāng)流量較低時(shí)，由于滑脫速度的影響，出現(xiàn)較大差異。有抽油桿比無抽油桿計(jì)算得到的持水率更高。

[1] 丁慶榮,王 敏,劉興斌,等.基于分流法高分辨率阻抗式含水率計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[J].石油儀器,2013:27(4):29-32.

[2] 冉 磊.基于分流法的高分辨率含水率計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用分析[J].石油儀器, 2012:26(1):51-54.

[3] 楊志剛,馬慶華,王鵬程,等.基于FLUENT的分流法電導(dǎo)含水率計(jì)不同湍流模型仿真與實(shí)驗(yàn)比較[J].石油儀器,2012:26(6):10-12.

[4] 隋洪濤,李鵬飛,馬世虎,等.精通CFD動(dòng)網(wǎng)格工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社.2013:21-22.

[5]Hirt,Nichols.VolumeofFluid(VOF)MethodfortheDynamicsofFreeBoundaries[J].JournalofComputationelPhysics,1981,39(1):201-225.

Numerical Simulation Analysis on Influences of Sucker Rod Morement on Water Holdup Measurement with the High-resolution Conductance Water-cut Meter

DENG Xishan， DING Qingrong

(LoggingandTestingServicesCompany，DaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing,Heilongjiang163000,China)

Studying on the influence of the sucker rod movement on water holdup measurement with the high resolution conductance water cut meter can provide the references for correcting errors in the interpretations of logging results. The dynamic grid technology is introduced into the flow field numerical simulation, and by means of the FLUENT numerical simulation, the simulation and calculation results are compared with the actual logging curve, then the optimum parameters for the model are chosen, and the influence of the sucker rod movement on the moisture content measurement is investigated. The results show that the water holdup is periodically changed with the movement of the sucker rod, which is an important factor of the sine curve presentation of the logging results. With the same conditions, the measurement of the water holdup with the sucker rod movement is higher than without it.

water cut meter；water holdup；sucker rod; numerical simulation; dynamic mesh technique

鄧茜珊，女，1982年生，2010年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事多相流數(shù)值模擬和核測(cè)井?dāng)?shù)值模擬研究工作。E-mail：dxs0830@163.com

TE33

A

2096-0077(2017)01-0080-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.019

2016-05-16 編輯：高紅霞)