近水平DN 20仿儀器流道數(shù)值模擬分析

鄧茜珊

(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 163000)

近水平DN 20仿儀器流道數(shù)值模擬分析

鄧茜珊

(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 163000)

水平井產(chǎn)出剖面測井儀內(nèi)流道(DN20)流體流動(dòng)，對測井精度和解釋精度有很大影響，實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長，為此采用FLUENT數(shù)值模擬的方法對儀器流道油水兩相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。采用FLUENT對近水平DN20管徑進(jìn)行模擬，模擬獲得持水率與實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)，獲得適合于模型的最佳參數(shù)，并考察了影響壓差大小的幾種因素。模擬結(jié)果表明，采用VOF模型，管道前半段長度為500 mm、傾角0.3°，后半段長度為199 mm、傾角-0.2°時(shí)，流量介于5～20 m3/d，含水率介于20%～90%時(shí)，模擬得到的流型及持水率與實(shí)體實(shí)驗(yàn)一致；湍流模型、流體密度、粘度、油水兩相表面張力對模擬結(jié)果影響不大；隨著流量、含水率、管道內(nèi)壁粗糙度、管道長度等的增大，壓差均會(huì)升高。模型的準(zhǔn)確建立可為部分取代實(shí)體實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)豐富了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對管道內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律有了進(jìn)一步的認(rèn)知。

測井儀器；產(chǎn)出剖面；數(shù)值模擬；微傾斜角度；壓差；持水率

0 引 言

FLUENT軟件是用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)問題的專業(yè)CFD軟件[1]，它對每一種物理問題的流動(dòng)特點(diǎn)，采用適合它的數(shù)值求解，選擇顯示或隱式差分格式，在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度上達(dá)到最佳[2]，高效率的解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算問題。

對水平井生產(chǎn)測井, 以往大多研究套管(125 mm)內(nèi)油水兩相流體流動(dòng)規(guī)律，而大慶油田用產(chǎn)出剖面測井儀測量經(jīng)過儀器集流傘后、進(jìn)入儀器通道(20 mm)內(nèi)的流體，流體流型、持水率等規(guī)律均會(huì)發(fā)生巨大變化，對測井精度及解釋精度均有影響。因此，不僅需要了解套管內(nèi)油/水兩相流流動(dòng)的規(guī)律, 更需要把握測井儀器內(nèi)部流體規(guī)律，為后期生產(chǎn)測井資料處理解釋提供參考。目前對20 mm管徑油水兩相研究較少。天津大學(xué)張煜等人曾對集流后水平油水兩相流管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，總結(jié)出了集流后20 mm管內(nèi)瞬態(tài)流型達(dá)到充分穩(wěn)定發(fā)展的最佳流型時(shí)間和管軸向空間位置，并沒有驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的可靠性。

本文采用FLUENT軟件對水平DN20仿產(chǎn)出剖面測井儀器內(nèi)部進(jìn)行模擬，通過不斷修正影響數(shù)值模擬的各個(gè)參數(shù)，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析，證明模型的可用性和仿真結(jié)果的可靠性，為研究流場的物理特性提供了輔助工具。模擬結(jié)果表明，流體密度、粘度、油水兩相表面張力對模擬結(jié)果影響不大，網(wǎng)格大小影響了模型計(jì)算精度及計(jì)算時(shí)間，VOF模型更適用于層流模型，不同的湍流模型只影響流體達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的距離，管道長度的選擇及微傾斜角度的大小是重要影響參數(shù)，分別影響了模擬結(jié)果的流型及持水率大小。這些參數(shù)對模擬結(jié)果的影響，為今以后數(shù)值計(jì)算提供了一定參考價(jià)值。

對不同流量及含水率進(jìn)行模擬，得到持水率與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，其數(shù)據(jù)在一定流量、含水率下具有一致性。得到的壓差曲線與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)具有相同趨勢。模擬結(jié)果初步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，為部分取代實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，對管道內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律有進(jìn)一步的認(rèn)知，為測井儀器研發(fā)和改進(jìn)以及測井解釋完善提供更全面完整的參考數(shù)據(jù)。

1 研究對象及模型的建立

以0° 流量為5 m3/d，含水率為90%流量點(diǎn)進(jìn)行模擬，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比，對參數(shù)進(jìn)行校正，模擬所用流體材料屬性見表1。

設(shè)置兩個(gè)入口，上入口為油，下入口為水，管道整體長度為700 mm。入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。管道長度的選擇及微傾斜角度的大小是影響流體流型及持水率的重要參數(shù)[5]，因此考察了管道微傾斜角度、長度的影響。模型網(wǎng)格是影響計(jì)算速度和精度的重要參數(shù)，因此需要選擇合適的網(wǎng)格大小。

表1 流體材料屬性

1)傾斜角度

設(shè)置管道長700 mm，以距入口處500 mm作為分界點(diǎn)，設(shè)置前半段500 mm傾斜角度為0.3°，改變后半段200 mm傾斜角度α分別為-0.1°、-0.2°、-0.3°，其中傾斜管道與水平線順時(shí)針夾角定義為正角度。DN20 mm 管道模型示意圖如圖1所示，模擬結(jié)果見表2。

圖1 DN20 mm 管道模型圖

由表2可以看出傾斜角向負(fù)角度增加時(shí)，持水率降低，油水兩相液面高度隨之降低。當(dāng)傾斜角度為-0.25°時(shí)，持水率遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)值，而-0.3°時(shí)，持水率遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)值，說明管道內(nèi)部形成的儲(chǔ)油區(qū)域應(yīng)介于二者之間，因此,需要進(jìn)一步通過調(diào)整后半段長度，從而調(diào)整儲(chǔ)油區(qū)域。

表2 不同微傾斜角度下，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

2)管道長度

設(shè)置前半段管道長度為500 mm，后半段傾角設(shè)置為-0.2°，分別考察后半段長度為190、195、197、199、200 mm的影響，與實(shí)驗(yàn)流型圖進(jìn)行對比，最終確立管道形狀及參數(shù)，見表3。

由表3可以看出，隨著后半段管道長度增加，持水率降低。當(dāng)長度為199 mm時(shí)，持水率為0.719，與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果最為接近，而油水兩相界面高度也最為接近。由于管道存在微傾斜角度，油相密度小于水相密度，油漂浮在管道上方，在管道內(nèi)部形成儲(chǔ)油空間，隨著負(fù)角度的增加，儲(chǔ)油空間逐漸增大，油相聚集管道上方增多，從而油水界面高度降低。

表3 不同管道長度下，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

3)網(wǎng)格大小

網(wǎng)格單元設(shè)置過大，相應(yīng)網(wǎng)格數(shù)目過少，計(jì)算精度下降。網(wǎng)格單元小，則網(wǎng)格數(shù)目多，計(jì)算時(shí)間過長。網(wǎng)格大小采用2 mm比較適中，總網(wǎng)格數(shù)為33 562。幾何方法生成網(wǎng)格后，還必須進(jìn)行光滑處理，對畸變率較大的網(wǎng)格自動(dòng)進(jìn)行劃分或調(diào)整。

2 參數(shù)選擇

1)多相流模型的選擇

FLUENT軟件中多相模型包括VOF、Mixture及Eulerian，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；均勻流動(dòng)采用混合模型，粒子流選擇歐拉模型。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)0° 流量5 m3/d，含水率90%時(shí)流型為層流，只有VOF模型適用于分層流[3,4]。

2)湍流模型的選擇

湍流模型的任務(wù)是給出計(jì)算湍流粘性系數(shù)的表達(dá)式，無論湍流運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)型方程和N-S對于湍流的瞬間運(yùn)動(dòng)都仍然適用。根據(jù)建立模型所需要的微分方程數(shù)目，湍流模型包括Inviscid(零方程模型)、Laminar(一方程模型)、κ-ε(雙方程模型)。不同湍流模型得到仿真結(jié)果為流體流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，流型均為層流，并且油相高度均一致，差別只在于油水兩相穩(wěn)定的距離。以下模擬均采用κ-ε模型，求解算法和求解控制參數(shù)等參數(shù)都保持默認(rèn)值。

3)油相密度、粘度、油水兩相表面張力

其余條件不變，分別改變油相密度，粘度，油水兩相界面張力等參數(shù)，考察管道內(nèi)部持水率變化結(jié)果見表4。密度分別設(shè)置為815、825、835 kg/m3。粘度分別設(shè)置為0.008、0.007、0.006 kg/(m·s)。油水兩相表面張力分設(shè)置為0.002 9、 0.003 4、0.003 9 n/m。

表4 不同油相密度、粘度、油水兩相表面張力下，持水率變化表

表4顯示，油相密度、粘度、表面張力等參數(shù)的改變，管道內(nèi)持水率略微變化，但變化幅度不大，說明物理參數(shù)不是影響持水率變化的重要參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

1) 持水率變化

不同流量、含水率下，持水率的實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果對比圖版如圖2所示，從圖2可以看出，模擬算出的持水率曲線與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的持水率曲線基本相符，隨著含水率升高，持水率增大。低流量時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在較大誤差，隨著流量增加仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差逐漸減小。由于低流量對管道微傾斜角的變化較為敏感。流量大于5 m3/d時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較吻合。

圖2 不同流量及含水率下持水率的實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果對比

2) 壓差變化

(1)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

數(shù)值模擬的壓差測量段為距入口225 mm處，每隔50 mm測量壓差，共設(shè)置5個(gè)壓差位置，這5個(gè)位置分別命名為1、2、3、4、5。

圖3為模擬圖版和流量為15 m3/d，含水率在50%～90%時(shí)，壓差隨壓差位置變化實(shí)驗(yàn)圖版。模擬圖版給出的壓差單位為Pa，實(shí)驗(yàn)給出的壓差單位為kPa，由于實(shí)驗(yàn)室管道長，需要較大壓力才能使油水兩相順利流經(jīng)整個(gè)管道。從圖3可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性，壓差位置距入口越遠(yuǎn)，壓差增加越大。

圖3 模擬圖版和不同含水率下壓差隨壓差位置變化實(shí)驗(yàn)圖版

圖4為模擬圖版和含水率50%～90%，壓差隨流量變化實(shí)驗(yàn)圖版，從圖4顯示可以看出模擬圖版與實(shí)驗(yàn)圖版趨勢上具有一致性，隨著流量升高，壓差增大，并且流量越大，壓差變化越大。低流量時(shí)，壓差對含水率變化不敏感，流量較高時(shí)，壓差變化出現(xiàn)明顯差異。

(2)壁面粗糙度對壓差影響

圖4 模擬圖版和不同含水率下壓差隨流量變化實(shí)驗(yàn)圖版

實(shí)驗(yàn)室DN20管道內(nèi)部粗糙度為0.8 μm，考察了粗糙度為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 μm時(shí)壓差變化。圖5為壁面粗糙度對壓差的影響曲線，圖5顯示，隨著粗糙度增加，壓差略微增大，由于數(shù)值仿真考察的壓差段較短，粗糙度對壓差產(chǎn)生的影響不明顯。

(3)管道長度對壓差影響

將模型后半段長度分別設(shè)置為100、150、180、195、199、200 mm，設(shè)定流量為5 m3/d，含水率為90%，按上述相同條件進(jìn)行模擬，得到管道長度對壓差影響圖版如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著管道長度增加，壓差變大，當(dāng)管道長度由199 mm增長至200 mm時(shí)，壓差出現(xiàn)了較大幅度的增大。

管道增長時(shí)，管道內(nèi)部持水率降低，油相粘度大于水相粘度，流體的管內(nèi)摩擦系數(shù)增大，壓差增大。

圖6 管道長度對壓差影響圖版

4 結(jié)束語

對水平井儀器流道內(nèi)油水兩相流流動(dòng)特性進(jìn)行研究，對水平井產(chǎn)出剖面的測量及解釋具有重要意義。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，對水平DN20 mm分層流進(jìn)行模擬，對可調(diào)參數(shù)進(jìn)行校正，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的正確性，為部分取代實(shí)體實(shí)驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)，分析模擬結(jié)果對管道內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律有進(jìn)一步的認(rèn)知。

[1] 李 勇，劉志友，安亦然. 介紹基數(shù)按流體力學(xué)通用軟件-Fluent [J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2001,16(2):254-258.

[2] 顧安忠，魯雪生，汪榮順,等. 液化天然氣技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003:18-20.

[3] 韓占忠. FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用.北京理工大學(xué)出版社，2010: 304-305.

[4] Hirt,Nichols. Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries[J]. Journal of Computer Physics,1981,39(1):201-225.

[5] 鄭?？?，劉興斌，樸玉琴,等.水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實(shí)驗(yàn)研究[J].測井技術(shù)，2010:34(4):324-326.

Numerical Simulation of Near-horizontal DN 20 Flow Channel in Simulation Instruments

DENG Xishan

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

The fluid flow in the flow channel (DN20) of the production profile logging tool for horizontal well greatly influences logging precision and interpretation accuracy. The real experiment has high cost and long time. Thus, the flow law of oil-water two-phase in the flow channel of the tool is studied by FLUENT numerical simulation. The near-horizontal DN20 channel is simulated by FLUENT to obtain water holdup, which is verified with the real experiment to get the optimal parameters suitable for the model, and the factors to influence the differential pressure are studied. The simulation results show that the flow pattern simulated and water holdup are consistent with the real experiment when the VOF model is used, and the length of the first half of the pipeline is 500mm and the inclination is 0.3 °, and the second half of the length is 199mm, the inclination is -0.2 °, the flow rate is between 5～20 m3/d, the water content is between 20%～90%. The turbulent flow model, fluid density, viscosity, and surface tension between oil and water phases have little influence on the simulation results. The diffevential pressures inerease with the increasing of the flow, water content, roughness of inner wall of channel, channel length, etc. The accurate modeling provides a solid foundation for partial substitution of real experiment, which enriches the experimental data and the flow law of the fluid in the channel is recognized further.

well logging tool; production profile; numerical simulation；micro inclination angle; pressure difference；water holdup

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

P631.8+1

A

2096-0077(2017)04-0096-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.025

2016-11-08 編輯：高紅霞)