李 麟 劉興斌 張玉輝 周建英

(1.東北石油大學研究生院 黑龍江大慶) (大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江大慶)

應用于高含水油水兩相流測量的分流式電磁流量計的仿真＊

李 麟1劉興斌2張玉輝2周建英2

(1.東北石油大學研究生院 黑龍江大慶) (大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江大慶)

文章介紹了一種應用電磁法進行井下油水兩相流流量測量的分流式裝置結構,通過分走部分油流量的方法,提高了測量通道內的含水率,有利于流量計的測量,進而達到拓寬儀器的測量范圍的目的。利用流體仿真軟件FLUENT對分流結構進行了流場仿真,對各個流量點下三種不同含水率(70%、80%、90%)分別進行仿真研究。對仿真結果的分析表明,在其他條件不變的情況下,當兩個下進液口的間距為30 mm時,儀器的分流效果最佳。仿真結果能為分流式電磁流量計的設計起到指導作用。

油/水兩相流;電磁流量計;仿真;含水率

0 引 言

目前,國內大部分油田已處于高含水和特高含水時期,傳統的產出剖面測量方法已經不能很好地滿足油田開發的需求,需要研究新的測量方法提高測量精度和可靠性,來解決油水兩相流測量問題。將電磁法應用于井下高含水油水兩相流流量測量有希望解決產出剖面測井問題。電磁流量計結構簡單[1],具有可靠性高、精度高的特點,其內部無活動部件和阻流元件,不會發生管道堵塞、砂卡、磨損等問題,可以作為渦輪流量計的補充。

目前,大慶油田已經開展了應用電磁法進行油水兩相流流量測量的方法研究。室內實驗表明,在高流量高含水率的條件下,可以應用電磁法進行油水兩相流流量的測量;但在低流量低含水率時,該方法的使用受限[2]。因此本文提出了一種分流式的結構,通過分流部分油來提高測量通道內的含水率,進而拓寬原有儀器對兩相流的適應性和測量范圍。

1 分流式儀器結構及分流法原理

擬采用的儀器安裝在套管內,其(除傳感器部分)剖面結構如圖1所示,包括集流傘電機,上、下進液口,集流傘,分流管,上、下出液口,封隔器,測量電極和電路控制等部分。

分流原理為：油水混合物由下向上流動時,由于油水之間的密度差異,輕質相的油要比水流得快,產生滑脫現象,油向上漂并在集流傘處堆積,當堆積到上進液口處時,上層的油將從上進液口流入儀器,下方含有少量油的水通過下進液口進入并流入分流管,從而分流了混合物中的一部分油,提高了測量電極處測得的含水率。

儀器中上進液口與下進液口之間的距離、分流比(分流管的截面積與儀器內部截面積之比)和分流管的位置等是影響分流效果的關鍵因素。本文通過仿真,對影響分流效果的上進液口和下進液口之間的距離進行優化。

圖1 儀器結構示意圖

2 建模及仿真條件

用GAMBIT建立二維剖面模型。其中,模擬井筒的內徑為126 mm,儀器外徑為42 mm,儀器流道內徑為20 mm,分流比為30%。由于需要通過仿真研究上、下兩個進液口的間距,因此在建立模型時,固定上進液口的位置不變,通過改變下進液口的位置來改變兩個進液口之間的距離。考慮井下儀器可以實現的范圍,分別設置兩個進液口間距為4 mm,20 mm和30 mm。在其它條件相同的情況下,利用FLUENT有限元仿真軟件[3]對分流式電磁流量計內部油水兩相流流場進行二維的仿真研究,分析分流管內部的油水比例,從而得到兩個進液口之間的合理距離。

利用FLUENT軟件仿真前需設置流體的流動方式,流體流動分為層流流動和湍流流動。判斷是層流還是湍流,要看雷諾數是否超過臨近雷諾數。一般取臨界雷諾為2320,即：當 Re＜2320時,管中是層流;當Re＞2320時,管中為湍流。雷諾數的定義為：

式中,ρ為流體的密度,在此為油水兩相的加權密度;v為流體的流速;l為管道內徑,在此為井筒直徑D;η為流體的粘度系數。

設流體流量為 q,則流體的流速 v由下面的公式計算：

由于流體為油水兩相的混合物,含水率都在70%以上,為水包油類型。因此η采用Mcadams公式進行計算：

式中：ρO是油的密度,ρW是水的密度,ΨW為含水率,ηO為油的粘度系數,ηW為水的粘度系數。

仿真實驗點設置為流量為20 m3/d、150 m3/d和300 m3/d,對每個流量點的含水率分別設置為70%,80%和90%,由(1)、(2)和(3)式可得到各個仿真實驗點下的雷諾數。經計算,只有當流量為20 m3/d時三種不同含水率下的油水兩相流的雷諾數值小于臨界值,可視為層流;其他流量點下的雷諾數值均大于臨近值,可視為湍流。

3 FLUENT仿真的流場分布

由分流式電磁流量計的原理知,測量通道內的含水率受上、下進液口間距影響,但其不會影響兩相流的流型和流態,因此本文只給出了上、下兩個進液口間距為30mm時分流儀器的內部流場仿真云圖。如圖2所示。

圖2 兩進液口間距為30mm時的仿真云圖

由仿真云圖可以看出：

1)低流量時,分流管內部都只含有少量的油,分流管的加入起到了分流效果;流量較高(大于100 m3/d)的情況下,油水兩相流的流速也較高,流體混合均勻達到乳化狀態[4],流動過程中在集流傘下方油的堆積現象不明顯,因此分流管中的油含量比低流量時相應含水率情況下的油含量要有所增多。

2)各個流量點下隨著含水率的增加,油泡的數量越來越少,尺寸越來越小。

3)層流狀態下,在油水兩相流進入儀器前,油泡為體積較大的塊狀;而在紊流狀態下,油泡在進入儀器前體積較小,且呈現聚集狀態;分流管的存在,對兩相流動有一定的阻礙作用,與底部聚集的油泡相比,其在分流管內呈現不規則形狀。

利用仿真云圖只能進行直觀觀察,難以定量確定哪種結構的分流效果好,因此使用FLUENT軟件中的Report功能來定量計算分流管內的含水率值。在仿真穩定后取10個采樣點(每兩個采樣點之間流體的流動時間為0.2 s)的平均值作為分流管內部的含水率值。表1為計算的三種結構下分流管內部的含水率值。

由表1可以看出,在三種不同的結構下,分流管內部的含水率皆大于標準配比下的含水率,說明分流管的加入起到了分流效果,低流量時,分流效果尤其明顯;當流量較高時,分流效果存在但不明顯,這是因為流速較高,油水間的滑脫小,但此時油水混合均勻,接近乳化,其性質與單相水接近,更適合于電磁流量計的工作條件;當上進液口和下進液口的間距為30 mm時,與較小的間距相比,在相同流量和含水率情況下分流管內部含水率相對較高,即當兩個進液口間距為30 mm時,分流效果最好。

表1 三種結構下分流管內部的含水率值

4 結 論

通過FLUENT軟件對分流式電磁流量計內部流場分布進行二維仿真研究,可以得到如下結論：

1)分流方法應用于電磁流量計能提高測量電極處的含水率,尤其適合在低流量時使用;高流量(大于100 m3/d)條件下,由于流速較高,油水間滑脫速度小,分流效果不明顯,但此時油水兩相的混合均勻,性質與單相水接近,更適合電磁流量計的工作條件,因此在高含水油水兩相流流量測量上可以采用本文提出的應用電磁法的分流式結構。

2)與較小的間距相比,當上、下進液口間距較大(對于本文所提出的分流式結構,選擇30 mm)時,分流式電磁流量計的分流效果最佳。

綜上所述,分流式電磁流量計的設計可行,對于本文所提出的分流式結構的電磁流量計,當兩個進液口間距為30mm時的分流效果最佳。

[1] 崔洪辰,張 奎.電磁流量計在高含水原油計量中的應用[J].油氣田地面工程,2002,21(4)

[2] 張玉輝,劉興斌,單福軍,等.電磁法測量高含水油水兩相流流量實驗研究[J].測井技術,2011,35(3)

[3] 韓占忠,王 敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社,2008

[4] 吳 龍.大慶油田高含蠟含水原油的粘度測算[J].油氣田地面工程,1985,4(5)

Simulation of a shunt electromagnetic flowmeter applied to high water-cut oil-water two-phase flow.

Li Lin,Liu Xingbin,Zhang Yuhui and Zhou Jianying.

This paper introduces a structure which can be used for the device adopting electromagnetic method to measure oilwater two-phase′s flux,through shunting the oil,the water cut in the tube will be increase,which is benefit to electromagnetic flow meter to get accurate measurement results,by this,the measuring range of the instrument will be broaden.The simulation data under three different water cut(70%,80%,90%)has been acquired by using the simulation soft-ware FLUENT,the analysis based on simulation results show that keeping other conditions unchanged,the best shunt effect can be obtained when the inlet port spacing is 30 millimeter.This conclusion will play a role in directing the design and manufacture of the electromagnetic flow meter with shunt structure.

oil-water two-phase;electromagnetic flow meter;simulation;water cut

P631.8+1

B

1004-9134(2011)06-0016-03

國家重大專項“復雜油氣藏測井綜合評價技術、配套裝備與處理解釋軟件”中的子課題“多相流測井配套技術及成像測井技術研究”(2008ZX05020)

李 麟,女,1986年生,東北石油大學在讀碩士研究生,研究方向為油水兩相流檢測與新型傳感器理論與技術。郵編：163318

2011-08-30

姜 婷)

PI,2011,25(6)：16～18

·方法研究·