集流后水平小管徑內含聚油水兩相流流動流體特性仿真研究

摘" 要：含聚油水兩相流流動狀態對當今石油化工含油污水處理起到事實作用，面對含聚油水兩相流流體黏度高、含油率低的問題，對含聚油水-水平小管徑的結構設計展開研究。為了解集流后水平小管徑內的含聚油水兩相流的流型變化及流動特性，對水平小管徑-含聚油水兩相流進行數值模擬研究，得到集流后小管徑油水兩相流的速度折線圖、流型狀態及各相體積分數分布情況，并改進水平井變徑的模型，為含聚高黏度油水兩相流的流動情況的研究提供可靠的理論依據。

關鍵詞：鉆孔爆破；爆炸填塞；失效損傷；數值模擬；參數評估

中圖分類號：TE357" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0025-04

Abstract： The flow state of polymer-containing oil-water two-phase flow plays a practical role in the treatment of oily sewage in today's petrochemical industry. Facing the problems of high viscosity and low oil content of polymer-containing oil-water two-phase flow， the structural design of polymer-containing oil-water-horizontal small pipe diameters is studied. In order to understand the flow pattern changes and flow characteristics of polymer-containing oil-water two-phase flow in the horizontal small diameter after collecting water， a numerical simulation study was carried out on the horizontal small diameter and polymer-containing oil-water two-phase flow. The velocity broken line diagram， flow pattern state and volume fraction distribution of each phase of the oil-water two-phase flow in the small diameter after collecting water were obtained. The model of changing diameter of the horizontal well was improved， which provided a reliable theoretical basis for the study of the flow conditions of polymer-containing high viscosity oil-water two-phase flow.

Keywords： borehole blasting; explosive packing; failure damage; numerical simulation; parameter evaluation

油水兩相流廣泛應用于石油化工、航空航天、化工制造等多個生產工業領域。水平小管徑油水兩相流的研究是當前多相流流動研究的重要課題，陳猛等[1]對水平井油水兩相流電磁波持水率的計算方法及應用展開深入研究，研究結果大大減小了實驗誤差。張落玲等[2]通過實驗模擬裝置對近水平井油水兩相流的流型進行系統的研究，為水平井內油水兩相流的流型特性提供了參考依據。隨著對油田不斷開采，以及注水、注聚驅油的方法廣泛應用，含聚油水的黏度不斷升高和石油生產企業含聚廢水排放量增加，含聚污水的處理早已成為當前面臨的緊迫問題。王振威等[3]對含聚油水混合液體系黏度特性進行研究。李楓等[4]對不同含聚濃度油水兩相流在旋流分離器的流動效率展開分析。Usha[5]和Arshad等[6]對含有聚合物膜的油水兩相流深入探索。為了進一步研究含聚油水兩相流的流動特性，對水平小管徑管內含聚油水兩相流的流動特性展開研究。

目前對集流后水平小管徑-含聚油水兩相流高黏度污水流動狀態的研究相對較少，本文通過Fluent仿真模擬的方法對集流后水平小管徑-含聚油水兩相流展開研究。劉曉宏等[7]采用Fluent仿真模擬的方法對氣液雙流體霧化噴嘴展開研究。王芳芳[8]對天然氣管腐蝕現象運用流體力學提出了新的解決方案。Li等[9]通過FLuent仿真模擬對旋流器的油水相流進行分析，目前，為研究含聚高黏度油水兩相流在水平小管徑的流動狀態，采用CFD仿真模擬的方法，查看水平小管徑含聚油水兩相流的速度場、壓力場、以及流型狀態[10]，為含聚油水兩相流水平流動提供重要的理論指導。

1" 水平井含聚油水兩相流測量原理

為了簡化模型，將小管徑設置為與地面水平的理想狀態，管內對流體的阻力和管內與地面的傳熱忽略不計[11]，針對油水兩相流密度不同且不相容的特點，采用vof模型進行仿真模擬，并設置油、水為不可壓縮連續流體，含聚油水的密度和黏度為固定值。運用水平小管徑內流體的連續方程和動力方程。

水平井油水兩相流的連續方程為

+=τo A ， （1）

+=τw A ， （2）

式中：ρ為密度；A為油水兩相流管內的橫截面積，t為時間；v為平均速度；τo、τw為管內單位時間內每單位產生的質量源項。若有流體產生時，τ為正值，根據質量守恒定律τo=τw。

動量守恒方程，又稱動量方程。油相和水相的動量方程分別為

+-τo A=-τo so+τI sI-ρo gAo sinβ-+pIO ， （3）

+-τw A=-τw sw+τI sI-ρw gAw sinβ-+pIO ， （4）

式中：下角標I代表交界面，β是管道與水平方向的夾角，S是界面長度。

當τwgt;0時，=vo，當τwlt;0時，=vw；對于水相，界面剪切應力為τIgt;0，對于油相，界面剪切應力為τIlt;0[12-13]。

2" 含聚油水兩相流水平小管徑的物理模型及數值仿真

2.1" 含聚油水兩相流水平小管徑的物理模型

本文研究含聚油水兩相流在水平小管徑內運動，幾何模型的具體尺寸見表1，具體模型如圖1所示，含聚油水兩相流從左側大管徑管道流入，經過變徑，從右側小管徑流出，底部大圓筒為流體的進口（inlet），頂部小圓筒為流體的出口（outlet），其他圓筒側面為壁面（wall）。

2.2" 含聚油水兩相流水平小管徑的網格劃分

為保證網格質量達到仿真模擬的要求，采用Fluent Meshing對集流后水平井含聚油水兩相流的模型進行區域離散化分。網格主要以八面體的形式呈現，共劃分107 189個網格區域。網格設置結果如圖2所示。

2.3" 水平小管徑含聚油水兩相流Fluent模擬邊界條件設定

對集流后水平井含聚油水兩相流進行仿真模擬時，邊界條件的設置對模型的收斂情況影響很大。采用vof模型，選擇Realizable k-epsilon湍流模型，為研究集流后水平井含聚油水兩相流的流動狀態，邊界條件設置如下。

1）入口邊界條件：選擇速度進口（velocity-inlet），流體流量為Q=30方/d，經計算可知入口速度為0.028 5 m/s；水的密度為ρ=998.2 kg·m-3，黏度為μ=1.003×10-3 mpa·s；含油率為4%。

2）出口邊界條件設置：底流口設置選擇自由流動出口（outflow）。

3）壁面條件：無滑移邊界，默認各變量在壁面處的取值為0，壁面粗糙度默認為0.5。

4）其他設置：耦合方式采用SIMPLE求解方法。

3 模擬仿真結果與分析

3.1 水平小管徑含聚油水兩相流流體軌跡

水平井管內含聚油水兩相流的流線圖分布反映流體在管內的運動軌跡和瞬態速度的方向。油水兩相流在集流后水平井管內，從底流口流入，頂端小管徑流出，流體速度為30方/d。水平井管內含聚油水兩相流的流線圖分布如圖3所示。

為了更加直觀地分析水平井在各個階段的流動速度的變化，水平井含聚油水兩相流管內軸向上的速度變化，如圖4所示。水平井經過2次變徑，含聚油水兩相流的速度逐次增高。

3.2" 水平小管徑含聚油水兩相流壓力分布

壓力云圖反映流體在水平井管內各個方向上所受壓力的大小。在物理建模中，建立x=0的縱截面，以便分析油水兩相流在管徑內的流場壓力變化分布情況，如圖5所示。流體在水平井的流速為30方/d，含油率為4%。可以觀察到流體沿著水平小管徑流動，流體在變徑處壓力驟然變小，進入小管徑又呈緩慢遞減的趨勢。

3.3" 水平小管徑含聚油水兩相流相分布

水平井管內含聚油水兩相流的相分布云圖反映管內含聚油水兩相流油的體積分數，即含聚油和水的分布情況。在物理建模中，建立x=0的縱截面，流體速度30方/天，含油率為4%，不同時刻油相分布云圖如圖6所示。

4nbsp; 結束語

本文采用Fluent對水平井含聚油水兩相流的物理模型進行仿真模擬。仿真結果表明：從流線上看，集流后水平井含聚油水兩相流從入口流入，經過變徑到細小管徑流出，速度逐漸變大。從壓力云圖上看，流體在集流后水平井含聚油水兩相流在變徑處壓力驟然變小，進入小管徑又呈緩慢遞減的趨勢。從油的體積分數上看，含聚油水兩相流在水平井小管徑內，20 s時，油相流到水平井變徑處，60 s時，油相在水平變徑處聚集增多，120 s時油相向頂部小管徑內流動，180 s時油和水呈分層的現象，即達到穩定狀態。

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