分流式電導(dǎo)含水率計(jì)兩相流流場數(shù)值模擬*

劉興斌 許建暉 黃春輝 胡金海 羅淑艷

1大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司 2東北石油大學(xué)研究生院

分流式電導(dǎo)含水率計(jì)兩相流流場數(shù)值模擬*

劉興斌1許建暉2黃春輝2胡金海2羅淑艷2

1大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司 2東北石油大學(xué)研究生院

分流比的大小為分流管截面積與分流管截面積、環(huán)形空間截面積和的比值。分流比是影響分流效果的關(guān)鍵之一。利用FLUENT有限元仿真軟件，對分流20%、30%和40%三種分流比，分別在流量為80、60、40、20、15和10 m3/d，含水率為60%～98%的各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了流場仿真。結(jié)果表明，分流方法應(yīng)用于電導(dǎo)含水率計(jì)是可行的；分流式電導(dǎo)含水率計(jì)在特高含水時(shí)，分辨率依然明顯；分流比為30%時(shí)，分流式電導(dǎo)含水率計(jì)的分流效果最佳。

電導(dǎo)含水率計(jì)；分流比；FLUENT仿真；含水率

引言

阻抗式過環(huán)空找水儀采用電導(dǎo)法測量含水率[1]，現(xiàn)有的過環(huán)空阻抗式找水儀已在大慶油田內(nèi)部獲得了大力推廣和應(yīng)用。但是，隨著儀器的廣泛應(yīng)用，由于儀器自身的局限性，尤其是在特高含水的情況下儀器的測量精度明顯不夠，而分流式電導(dǎo)含水率計(jì)通過分走部分水以提高在特高含水下的測量精度。本文所涉及的分流式電導(dǎo)含水率計(jì)分流原理為：油水混合物從下向上流動(dòng)時(shí)，首先由集流器集流，而后從上進(jìn)液口進(jìn)入傳感器環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行油水含水率的測量。由于油的密度小于水的密度，產(chǎn)生油水之間的滑脫現(xiàn)象，油的流速要高于水的流速，油向上漂并在集流器頂端處堆積，當(dāng)油堆積到進(jìn)液口處時(shí)由上進(jìn)液口處流入傳感器。流體中的一部分水則由分流口流入內(nèi)部進(jìn)液筒（分流通道）流出儀器，而沒有被阻抗傳感器檢測到，從而分走了油水混合物中的一部分水，降低了特高含水下的含水率，從而提高了儀器在特高含水下的測量分辨率。

分流比的大小為分流管截面積與分流管截面積與環(huán)形空間截面積和的比值。分流比是影響分流效果的關(guān)鍵之一。利用FLUENT有限元仿真軟件，分析流量計(jì)內(nèi)分流管對測量的影響，進(jìn)而從理論上得到最優(yōu)的分流比。

1 建模和網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT建立模型，利用FLUENT有限元仿真軟件進(jìn)行仿真[2]，由于只需看流場，所以模型中不包括渦輪及傳感器。用GAMBIT建模和劃分網(wǎng)格之后的圖形（以分流40%為例），如圖1所示。所建模型的儀器外徑為28 mm。

用FLUENT對20%、30%和40%三種分流比，分別在流量為80、60、40、20、15和10 m3/d，含水率為60%～98%的各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了流場仿真。

圖1 建模及網(wǎng)格劃分圖

2 FLUENT仿真流場分布

從分流比為40%、30%和20%的分流儀器內(nèi)部流場仿真[3]對比分析可以看出，在三種分流比下，儀器內(nèi)部的流場分布總體趨勢是一致的。

（1）由于分流管對兩相流動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，分流管管壁兩側(cè)的上升管內(nèi)油水兩相流型[4]不是分散油泡，分散孤立的油泡已不存在，油泡大部分被拉長沿管壁流動(dòng)。在管壁附近的區(qū)域內(nèi)，油的體積分?jǐn)?shù)增加，而分流管中的油泡明顯少于環(huán)形空間所含油，由于在分流管內(nèi)部油的平均含量相對于分流管外部油的平均含量要小，分流管的使用阻抗傳感器測量到的混相值得到了增加，從而使儀器測量的儀器響應(yīng)明顯降低，低于正常的儀器響應(yīng)值，拉大了不同含水率儀器響應(yīng)之間的距離，因此實(shí)現(xiàn)了儀器在特高含水下的測量分辨率。

（2）隨著含水率的增加，各個(gè)流量下油泡的數(shù)量越來越少，油泡的半徑總體上也越來越小，雖然在80m3/d、60 m3/d、40 m3/d時(shí)分流管內(nèi)有分油，但隨著含水率的增加，分流管中的油泡越來越少了，且分流管內(nèi)的油泡相對于分流管外環(huán)形區(qū)域的油泡要少，即在高流量時(shí)提高了分流法含水率計(jì)測量得到的混相值，在20 m3/d、15 m3/d、10 m3/d時(shí)可以看到分流管中已經(jīng)基本看不到油泡了。

3 不同分流比下的環(huán)形空間含水率

為了確定效果較好的分流比，現(xiàn)繪三種分流比情況下的環(huán)形空間含水率圖版。圖2、圖3、圖4分別為分流比為40%、30%和20%時(shí)各個(gè)環(huán)形空間含水率圖版。此環(huán)形空間含水率是通過FLUENT仿真軟件的report功能直接得出的，由于FLUENT得到的只是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)值，所以取仿真穩(wěn)定后的10個(gè)采樣點(diǎn)的平均值作為環(huán)形空間含水率，而每兩個(gè)采樣點(diǎn)之間流體的流動(dòng)時(shí)間約為0.2 s。

圖2 分流40%時(shí)環(huán)形空間含水率

圖3 分流30%時(shí)環(huán)形空間含水率

由圖2、圖3和圖4可以看出，三種分流比下所測得的含水率皆小于標(biāo)準(zhǔn)配比含水率，說明在一定程度上都起到了分流效果。但由圖5可以看出，分流比30%時(shí)，在相同流量和含水率情況下環(huán)形空間的含水率相對于分流40%和20%的儀器要小，所以分流比為30%時(shí)比分流為40%和20%時(shí)分流效果明顯。

圖4 分流20%時(shí)環(huán)形空間含水率

圖5 不同分流比下的環(huán)形空間含水率

4 結(jié)論

通過利用FLUENT仿真軟件對分流式電導(dǎo)含水率計(jì)內(nèi)部的流場分布進(jìn)行仿真，可以得到如下結(jié)論：分流方法應(yīng)用于電導(dǎo)含水率計(jì)是可行的；分流式電導(dǎo)含水率計(jì)在特高含水時(shí)，分辨率依然明顯；分流比為30%時(shí)，分流式電導(dǎo)含水率計(jì)的分流效果最佳。

綜上所述，可以確定分流法式電導(dǎo)含水率計(jì)的最佳分流比為30%。

[1]劉興斌．多相流測井方法和新型傳感器研究[D]．北京：中國石油大學(xué)大慶油田博士后科研工作站．

[2]豐存禮，劉成，張敏華．商業(yè)軟件Gambit和Fluent在化工中的應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2005，3（15）：22-24．

[3]張騰，張征．基于Fluent的冷卻器腔內(nèi)流場的數(shù)值分析[J]．節(jié)能技術(shù)，2009，6（16）：156-160．

[4]陳禾，余海燕．微流體速度流型影響因素?cái)?shù)值模擬分析[J]．現(xiàn)代儀器，2007，1（11）：142-146．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.008

基金論文：國家重大專項(xiàng)“復(fù)雜油氣藏測井綜合評價(jià)技術(shù)、配套裝備與處理解釋軟件”的子課題“多相流測井配套技術(shù)及成像測井技術(shù)研究”（2008ZX0520）。

劉興斌：教授級高級工程師，1996年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司總工程師。

（0459）4961378、dlts_liuxb@petrochina.com.cn

（欄目主持 楊 軍）