基于FLUENT的不同液體流經水嘴的嘴損數值模擬

王衛陽，黃文靜，喬雪嬌，張偉偉

中國石油大學（華東）石油工程學院（山東青島266580）

基于FLUENT的不同液體流經水嘴的嘴損數值模擬

王衛陽，黃文靜，喬雪嬌，張偉偉

中國石油大學（華東）石油工程學院（山東青島266580）

針對油田分層注入不同流體過程中配注工具—水嘴的選擇問題，利用制圖軟件CAD建立水嘴的幾何模型，導入到ANSYS Workbench中，用該軟件中的流體計算軟件模塊—FLUENT對流經水嘴的流體進行了數值模擬，得到流體的壓力和速度云圖。并且對不同密度和黏度的流體流經水嘴的情況進行了模擬研究，得出密度和黏度對水嘴壓損的影響。最后，通過對模擬數據分析，確定了水嘴壓力損耗與流量、水嘴內徑和流體密度的關系式。應用該公式，可在油田分層注入任一流體時計算嘴損，從而快捷、方便地對水嘴進行優選和調配。

水嘴；液體；FLUENT；嘴損數值模擬

分層注水工藝是油田提高產量的重要手段，目前該技術在油田已廣泛應用。在進行分層注水管柱設計時，需要對配水控制工具——配水器進行選擇。配水器主要有堵塞器和水嘴組成，所以在分層注水時要對水嘴進行選擇。目前對分層注水的水嘴選擇方法的研究一般是基于實驗進行，得到選擇水嘴的嘴損曲線圖版，然后進行水嘴的選擇[1-5]。另外，鄭舉[6]等人研究了多水嘴配注技術，得到了計算水嘴壓力損耗（后面簡稱嘴損）的公式；王海勇[7]等人運用計算機編程實現了對水嘴的選擇，趙鵬睿[8]、申曉莉[9]、羅必林[10]等人運用FLUENT軟件對水嘴進行了模擬。這些方法解決了分層注水時對水嘴的選擇問題。然而，隨著油田的進一步開發，為了提高產量，油田逐漸開始分層注入除水以外的其他流體，對于這種情況，現存的水嘴選擇方法就不適用了。

因此，針對油田在分層注入不同流體時水嘴選擇的問題，用FLUENT軟件對流體經過水嘴的過程進行了數值模擬，得到反應流動狀態的壓力和速度云圖并且確定了計算嘴損的公式。該公式可以快速計算出嘴損大小，方便了對水嘴的選擇，對油田分層注入技術的應用有著重要意義。

1 模擬過程

ANSYS作為較為流行的有限元分析軟件，新推出的14.0版本中Workbench工作環境具有很強的建模和網格劃分能力，并能夠與FLUENT等CFD軟件完美結合，實現CAD到CFD的協同工作。本文基于ANSYS Workbench工作環境，采用CAD建立幾何模型，用FLUENT對流經水嘴的液態流體域進行模擬。

1.1 幾何模型建立

根據石油行業標準SY/T 5275-2002《偏心配水工具》的有關規定，利用CAD建立堵塞器的幾何結構模型，然后應用CAD作圖的差集功能得到研究對象—流經堵塞器的計算流體域的幾何模型。流體域的基本尺寸如下：水嘴直徑為x（其中x取值為2mm到7mm，步長為0.2mm），長度為50mm，進出口管徑分別為18mm和12mm，進出口管軸距離為75mm，其他尺寸可參考堵塞器的石油行業標準[11]。經分析，建立堵塞器模型（主要是鄰近水嘴部分）時作如下假設。

1）堵塞器模型只建立從過濾網到流體流出口的這部分，省略提撈桿、打撈套等部分。由于堵塞器的提撈桿、打撈套等對流經水嘴的壓力損失是沒有影響的，所以建模時忽略這些部分是合理的。

2）假設堵塞器內壁壁面是光滑的。在堵塞器使用初期內壁光滑，雖然隨著工作時間的延長，堵塞器內壁會由初期使用時的光滑變得粗糙，產生一定的摩擦，但是對壓損的影響很小，可以忽略不計。

3）根據水嘴壓損曲線圖版制作方法，取堵塞器過濾網處的壓力為嘴前壓力值，流體出口處為嘴后壓力值。

圖1 堵塞器模型

為了更好理解所用的模擬模型，給出堵塞器和計算流體域的三維模型（以水嘴內徑4mm為例）。

堵塞器三維圖如圖1所示，其中圖1左側為堵塞器的三維線框圖，右側為堵塞器的三維概念圖，直徑最小部分即直徑為4mm的水嘴。圖2為計算流體域模型三維圖，其中左側為計算流體域三維線框圖，右側為計算流體域三維概念圖。

1.2 模型導入

將CAD建立的計算控制流體域模型，導入到ANSYS Workbench后，利用Workbench中的Mesh組件定義模型的入口、出口、壁面，即定義計算的區域，以滿足下步工作要求。

圖2 計算流體域模型

1.3 網格劃分

對模擬計算來說，高質量的網格是計算精度的重要保證。為了保證網格質量，提高計算精度，網格劃分過程中應盡可能提高效率、增加穩定性和正確性的網格劃分技巧。Workbench 14.0有強大的網格劃分功能。采用四面體非結構性網格，并在截面變化大的結構處進行網格加密，生成節點數86 974個，單元數454 971個。雖然四面體網格計算速度慢些，但是計算精度相對于六面體結構性網格要高。

1.4 FLUENT模擬

設定入口邊界為速度入口類型，入口速度根據流量的不同具體設定，入口溫度298K，湍流強度為10%和水力直徑18mm；設定出口邊界為壓力出口邊界，出口壓力為30MPa，出口溫度為298K，湍流強度10%和水力直徑12mm。湍流黏性采用標準k-ε模型，采用SIMPLE算法進行壓力解耦。

2 模擬結果顯示及分析

2.1 結果顯示

對不同配注量的水流經不同型號水嘴的情況進行模擬，得到流體域的壓力、速度云圖以及壓力分布曲線圖。通過對結果分析，得到該方法的模擬結果同計算水嘴嘴損常用公式得到的壓力損失相比誤差在5%左右。這說明建立的流體域幾何模型比較合理，該幾何模型可以用于其他流體流動情況的模擬。本文只給出一種情況的結果，即在常溫狀態下，注水量為50m3/d，水嘴內徑為6mm的流體壓力和速度云圖（圖3、圖4）。另外，通過模擬得到壓力隨著流體流經堵塞器的壓力分布曲線，如圖5所示。

圖3 壓力云圖

結合圖3、圖4和圖5，可以看出壓降主要出現在水嘴的入口處，在水嘴出口處靜壓力有所回升。這種現象符合伯努利原理[11]，在入口處流體靜壓之所以減小，是因為流體流動的局部阻力損失和流速增大造成的加速度損失，兩者綜合影響的結果。而在水嘴出口處，流體流經的截面積突然擴大，速度減小，盡管也出現局部阻力損失，但與之相比流體加速度損失較多，所以流體靜壓反而有所回升。

圖4 速度云圖

圖5 水通過水嘴的壓力變化圖

2.2 物性對壓降的影響

為得到流體物性對流經水嘴壓降的影響，不改變幾何模型，只改變流體密度和黏度大小，然后分別模擬流動過程。通過對數據分析，得到流體密度和黏度變化對壓降的影響，如圖6所示。

從圖6中可以看出，分別按照相對變化率為-20%~20%的變化幅度，改變流體的黏度和密度大小。結果表明：流體黏度的變化對壓降大小幾乎沒有影響，而流體密度的變化對壓降的影響較大。隨著密度的增加，壓降幾乎成線性增長。該規律完全符合流體力學中流體經過標準節流裝置[12]時壓差只與流體物性中的密度有關，與流體其他物性無關的特點。

2.3 液體嘴流關系式建立

由流體力學基本原理可知，流體經過標準節流裝置(孔板、噴嘴、文丘里管)時，節流件前后的靜壓力差Δp(簡稱壓差)與體積流量q之間具有確定的函數關系[12]，其關系如式（1）所示：

式中：q為通過標準節流裝置的流量，m3/d；A0為標準節流裝置(孔板、噴嘴、文丘里管)的過流截面積為節流件前后的靜壓力差，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；δ為與節流裝置過流直徑相關的系數。

分別對水嘴直徑從2mm（以0.2mm步長）逐漸增大到7mm的計算流體域幾何模型進行模擬。分析模擬得到的數據，確定不確定系數δ的值。

通過對數據分析，得到系數δ與水嘴直徑d的關系如圖7所示。系數δ與水嘴內徑的關系為δ= 1.127 7d-0.111。

將δ代入公式（1），得：

變化公式（2），得到計算嘴損的公式為：

根據公式（3）可以直接計算不同流體流經水嘴時的嘴損大小。可知嘴損的大小只與水嘴的直徑、流經水嘴的流量和流體的密度有關。該公式可用來計算不同流體流經水嘴的壓損，對油田進行分層注入不同流體時水嘴的選擇有重要意義。

圖7 系數δ與水嘴直徑d的關系圖

3 結論

1）結合CAD建模，用FLUENT對流經水嘴的單相液體情況進行模擬，得到流體流動過程中的壓力和速度云圖以及壓力變化曲線圖，可以比較直觀地看出不同流體流經水嘴的流動狀態，這是用實驗得不到的。

2）流體物性影響水嘴的嘴損大小。其中，密度對嘴損有較大影響，而流體的黏度對嘴損數值幾乎沒有影響。

3）確定了不同流體通過水嘴時嘴損的計算公式。該式可以直接計算水嘴壓損，對分層注入井中解決水嘴調配問題，有實際的指導意義。

4）在該研究的基礎上，油田就可以解決分層注入如液態CO2、液態N2等流體時水嘴的選擇、調配等問題。

[1]張琪.采油工程原理與設計[M].東營:中國石油大學出版社,2000:241-243.

[2]采油專業標準化委員會.配水嘴嘴損曲線圖版制作方法: SY/T 5906-2012[S].北京:石油工業出版社,2012.

[3]蔣秀芳.用實驗的方法求解配水器水嘴嘴損方程[J].江漢石油職工大學學報,2011,24(3):49-52.

[4]韓洪升,付金輝,王春光,等.分層注水井配水嘴嘴損曲線規律實驗研究[J].石油地質與工程,2008,22(2):79-81.

[5]呂鵬.油田注水井分層注水中水嘴大小的研究與計算[J].湘潭師范學院學報(自然科學版),2008,30(1):57-58.

[6]鄭舉,劉長龍,徐興安,等.多水嘴配注技術嘴損試驗研究[J].石油礦場機械,2014,43(7):37-41.

[7]王海勇,于曉杰.運用計算機編制程序選擇注水水嘴[J].吐哈油氣,2002,7(4):382-385.

[8]趙鵬睿,呂敬波.分層注水水嘴的應用[J].油氣田地面工程, 2014,33(6):38-39.

[9]申曉莉,于九政,王子建.新型小流量水嘴的設計與數值模擬[J].石油鉆采工藝,2013,35(1):83-86.

[10]羅必林,巨亞鋒,申曉莉,等.分層注水可調水嘴調節能力仿真計算與分析[J].石油天然氣學報,2014,36(9):141-146. [11]袁恩熙.工程流體力學[M].北京:石油工業出版社,2007: 54-57.

[12]張華,趙文柱.熱工測量儀表[M].北京:冶金工業出版社, 2013:226-229.

To correctly solve the selection of injection tool nozzle in oilfield layered injection,the geometric model of the nozzle is constructed using CAD drawing software,and it is introduced into ANSYS Workbench.The flow of different fluids in the nozzle is numerically simulated by using FLUENT module for fluid calculation in ANSYS Workbench software,and the pressure and velocity contours of the fluids are obtained.The effects of fluid density and viscosity on the pressure loss of the nozzle are got through the simulation of the flow of the fluids with different density and viscosity through the nozzle.The relational formula between the pressure loss and flow rate,nozzle diameter and fluid density is determined through the analysis of simulation data,and using the formula can calculate the nozzle pressure loss and quickly and conveniently optimize and deploy the nozzle in the oilfield layered injection.

nozzle;liquid;FLUENT;numerical simulation of nozzle pressure loss

梅

2015-07-17

王衛陽（1972-），男，博士，副教授，主要從事油氣田開發方向研究。