基于FLUENT的不同液體流經(jīng)水嘴的嘴損數(shù)值模擬

王衛(wèi)陽(yáng)，黃文靜，喬雪嬌，張偉偉

中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）

基于FLUENT的不同液體流經(jīng)水嘴的嘴損數(shù)值模擬

王衛(wèi)陽(yáng)，黃文靜，喬雪嬌，張偉偉

中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院（山東青島266580）

針對(duì)油田分層注入不同流體過(guò)程中配注工具—水嘴的選擇問(wèn)題，利用制圖軟件CAD建立水嘴的幾何模型，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，用該軟件中的流體計(jì)算軟件模塊—FLUENT對(duì)流經(jīng)水嘴的流體進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到流體的壓力和速度云圖。并且對(duì)不同密度和黏度的流體流經(jīng)水嘴的情況進(jìn)行了模擬研究，得出密度和黏度對(duì)水嘴壓損的影響。最后，通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)分析，確定了水嘴壓力損耗與流量、水嘴內(nèi)徑和流體密度的關(guān)系式。應(yīng)用該公式，可在油田分層注入任一流體時(shí)計(jì)算嘴損，從而快捷、方便地對(duì)水嘴進(jìn)行優(yōu)選和調(diào)配。

水嘴；液體；FLUENT；嘴損數(shù)值模擬

分層注水工藝是油田提高產(chǎn)量的重要手段，目前該技術(shù)在油田已廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行分層注水管柱設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)配水控制工具——配水器進(jìn)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(shí)要對(duì)水嘴進(jìn)行選擇。目前對(duì)分層注水的水嘴選擇方法的研究一般是基于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，得到選擇水嘴的嘴損曲線(xiàn)圖版，然后進(jìn)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(shù)，得到了計(jì)算水嘴壓力損耗（后面簡(jiǎn)稱(chēng)嘴損）的公式；王海勇[7]等人運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)水嘴的選擇，趙鵬睿[8]、申曉莉[9]、羅必林[10]等人運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)水嘴進(jìn)行了模擬。這些方法解決了分層注水時(shí)對(duì)水嘴的選擇問(wèn)題。然而，隨著油田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，為了提高產(chǎn)量，油田逐漸開(kāi)始分層注入除水以外的其他流體，對(duì)于這種情況，現(xiàn)存的水嘴選擇方法就不適用了。

因此，針對(duì)油田在分層注入不同流體時(shí)水嘴選擇的問(wèn)題，用FLUENT軟件對(duì)流體經(jīng)過(guò)水嘴的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到反應(yīng)流動(dòng)狀態(tài)的壓力和速度云圖并且確定了計(jì)算嘴損的公式。該公式可以快速計(jì)算出嘴損大小，方便了對(duì)水嘴的選擇，對(duì)油田分層注入技術(shù)的應(yīng)用有著重要意義。

1 模擬過(guò)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(huán)境具有很強(qiáng)的建模和網(wǎng)格劃分能力，并能夠與FLUENT等CFD軟件完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CAD到CFD的協(xié)同工作。本文基于ANSYS Workbench工作環(huán)境，采用CAD建立幾何模型，用FLUENT對(duì)流經(jīng)水嘴的液態(tài)流體域進(jìn)行模擬。

1.1 幾何模型建立

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5275-2002《偏心配水工具》的有關(guān)規(guī)定，利用CAD建立堵塞器的幾何結(jié)構(gòu)模型，然后應(yīng)用CAD作圖的差集功能得到研究對(duì)象—流經(jīng)堵塞器的計(jì)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(zhǎng)為0.2mm），長(zhǎng)度為50mm，進(jìn)出口管徑分別為18mm和12mm，進(jìn)出口管軸距離為75mm，其他尺寸可參考堵塞器的石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。經(jīng)分析，建立堵塞器模型（主要是鄰近水嘴部分）時(shí)作如下假設(shè)。

1）堵塞器模型只建立從過(guò)濾網(wǎng)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(duì)流經(jīng)水嘴的壓力損失是沒(méi)有影響的，所以建模時(shí)忽略這些部分是合理的。

2）假設(shè)堵塞器內(nèi)壁壁面是光滑的。在堵塞器使用初期內(nèi)壁光滑，雖然隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，堵塞器內(nèi)壁會(huì)由初期使用時(shí)的光滑變得粗糙，產(chǎn)生一定的摩擦，但是對(duì)壓損的影響很小，可以忽略不計(jì)。

3）根據(jù)水嘴壓損曲線(xiàn)圖版制作方法，取堵塞器過(guò)濾網(wǎng)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(jì)算流體域的三維模型（以水嘴內(nèi)徑4mm為例）。

堵塞器三維圖如圖1所示，其中圖1左側(cè)為堵塞器的三維線(xiàn)框圖，右側(cè)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(jì)算流體域模型三維圖，其中左側(cè)為計(jì)算流體域三維線(xiàn)框圖，右側(cè)為計(jì)算流體域三維概念圖。

1.2 模型導(dǎo)入

將CAD建立的計(jì)算控制流體域模型，導(dǎo)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(jì)算的區(qū)域，以滿(mǎn)足下步工作要求。

圖2 計(jì)算流體域模型

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)模擬計(jì)算來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的網(wǎng)格是計(jì)算精度的重要保證。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分過(guò)程中應(yīng)盡可能提高效率、增加穩(wěn)定性和正確性的網(wǎng)格劃分技巧。Workbench 14.0有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能。采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，并在截面變化大的結(jié)構(gòu)處進(jìn)行網(wǎng)格加密，生成節(jié)點(diǎn)數(shù)86 974個(gè)，單元數(shù)454 971個(gè)。雖然四面體網(wǎng)格計(jì)算速度慢些，但是計(jì)算精度相對(duì)于六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格要高。

1.4 FLUENT模擬

設(shè)定入口邊界為速度入口類(lèi)型，入口速度根據(jù)流量的不同具體設(shè)定，入口溫度298K，湍流強(qiáng)度為10%和水力直徑18mm；設(shè)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(qiáng)度10%和水力直徑12mm。湍流黏性采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力解耦。

2 模擬結(jié)果顯示及分析

2.1 結(jié)果顯示

對(duì)不同配注量的水流經(jīng)不同型號(hào)水嘴的情況進(jìn)行模擬，得到流體域的壓力、速度云圖以及壓力分布曲線(xiàn)圖。通過(guò)對(duì)結(jié)果分析，得到該方法的模擬結(jié)果同計(jì)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(shuō)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(dòng)情況的模擬。本文只給出一種情況的結(jié)果，即在常溫狀態(tài)下，注水量為50m3/d，水嘴內(nèi)徑為6mm的流體壓力和速度云圖（圖3、圖4）。另外，通過(guò)模擬得到壓力隨著流體流經(jīng)堵塞器的壓力分布曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖3 壓力云圖

結(jié)合圖3、圖4和圖5，可以看出壓降主要出現(xiàn)在水嘴的入口處，在水嘴出口處?kù)o壓力有所回升。這種現(xiàn)象符合伯努利原理[11]，在入口處流體靜壓之所以減小，是因?yàn)榱黧w流動(dòng)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(jié)果。而在水嘴出口處，流體流經(jīng)的截面積突然擴(kuò)大，速度減小，盡管也出現(xiàn)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(guò)水嘴的壓力變化圖

2.2 物性對(duì)壓降的影響

為得到流體物性對(duì)流經(jīng)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(dòng)過(guò)程。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，得到流體密度和黏度變化對(duì)壓降的影響，如圖6所示。

從圖6中可以看出，分別按照相對(duì)變化率為-20%~20%的變化幅度，改變流體的黏度和密度大小。結(jié)果表明：流體黏度的變化對(duì)壓降大小幾乎沒(méi)有影響，而流體密度的變化對(duì)壓降的影響較大。隨著密度的增加，壓降幾乎成線(xiàn)性增長(zhǎng)。該規(guī)律完全符合流體力學(xué)中流體經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置[12]時(shí)壓差只與流體物性中的密度有關(guān)，與流體其他物性無(wú)關(guān)的特點(diǎn)。

2.3 液體嘴流關(guān)系式建立

由流體力學(xué)基本原理可知，流體經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴、文丘里管)時(shí)，節(jié)流件前后的靜壓力差Δp(簡(jiǎn)稱(chēng)壓差)與體積流量q之間具有確定的函數(shù)關(guān)系[12]，其關(guān)系如式（1）所示：

式中：q為通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量，m3/d；A0為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴、文丘里管)的過(guò)流截面積為節(jié)流件前后的靜壓力差，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；δ為與節(jié)流裝置過(guò)流直徑相關(guān)的系數(shù)。

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

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，得到系數(shù)δ與水嘴直徑d的關(guān)系如圖7所示。系數(shù)δ與水嘴內(nèi)徑的關(guān)系為δ= 1.127 7d-0.111。

將δ代入公式（1），得：

變化公式（2），得到計(jì)算嘴損的公式為：

根據(jù)公式（3）可以直接計(jì)算不同流體流經(jīng)水嘴時(shí)的嘴損大小。可知嘴損的大小只與水嘴的直徑、流經(jīng)水嘴的流量和流體的密度有關(guān)。該公式可用來(lái)計(jì)算不同流體流經(jīng)水嘴的壓損，對(duì)油田進(jìn)行分層注入不同流體時(shí)水嘴的選擇有重要意義。

圖7 系數(shù)δ與水嘴直徑d的關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）結(jié)合CAD建模，用FLUENT對(duì)流經(jīng)水嘴的單相液體情況進(jìn)行模擬，得到流體流動(dòng)過(guò)程中的壓力和速度云圖以及壓力變化曲線(xiàn)圖，可以比較直觀地看出不同流體流經(jīng)水嘴的流動(dòng)狀態(tài)，這是用實(shí)驗(yàn)得不到的。

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

3）確定了不同流體通過(guò)水嘴時(shí)嘴損的計(jì)算公式。該式可以直接計(jì)算水嘴壓損，對(duì)分層注入井中解決水嘴調(diào)配問(wèn)題，有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

4）在該研究的基礎(chǔ)上，油田就可以解決分層注入如液態(tài)CO2、液態(tài)N2等流體時(shí)水嘴的選擇、調(diào)配等問(wèn)題。

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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(wèi)陽(yáng)（1972-），男，博士，副教授，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方向研究。