抽油桿運動對高分辨率電導含水率計測量持水率影響的數值模擬分析

鄧茜珊，丁慶榮

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163000)

·儀器設備與應用·

抽油桿運動對高分辨率電導含水率計測量持水率影響的數值模擬分析

鄧茜珊，丁慶榮

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163000)

了解抽油桿運動對高分辨率含水率計傳感器內持水率測量的影響，為含水率計現場測井結果的解釋存在誤差提供參考依據。利用FLUENT數值模擬的方法，將動網格技術引入到流場內部的數值模擬中，模擬計算結果與實際測井曲線對比，選擇適合于模型的最佳參數；考察抽油桿運動對含水率計測量結果影響。計算結果表明，持水率隨抽油桿運動呈周期性變化，抽油桿運動是測井資料呈現正弦曲線的一個重要因素；相同條件下，有抽油桿運動測量持水率高于無抽油桿運動測量持水率。

高分辨率含水率計；持水率；抽油桿；數值模擬；動網格

0 引 言

含水率計在油田動態監測中應用廣泛，高分辨率電導含水率計是近幾年大慶油田研發的適用于高含水及特高含水油田新型含水率計，具有測量分辨率高、穩定性和重復性好的優點[1]，但現場應用時，測量結果與井口計量結果之間存在一定誤差。出現誤差的原因包括井內出氣的影響和抽油機啟動后，抽油桿運動的影響。以往對含水率計的研究及標定工作都是在常溫、常壓、模擬裝置中研究。因此，需要研究抽油桿運動對含水率計的影響。

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國內外使用最廣泛的CFD軟件之一。FLUENT不但提供了非常靈活的網格特性，同時用戶可以定義多種邊界條件，如流動入口、出口邊界、壁面邊界條件等，所有邊界條件均可隨時間和空間變化。

本文采用FLUENT軟件提供的動網格技術，對抽油桿運動進行模擬，以高分辨率電導含水率計為研究對象[2，3]，通過計算選擇適合于模型的最佳湍流模型、抽油桿下死點距含水率計出液口距離及沖程長度；對比有、無抽油桿兩種情況下，傳感器內持水率的變化情況；并考察抽油桿運動一個沖程時，儀器內部持水率的實時變化情況，為儀器測井資料解釋奠定基礎。

1 模擬對象及網格劃分、網格自動生成

以高分辨率含水率計為研究對象，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 高分辨率含水率計結構示意圖

模型建立如圖2所示。為減少網格數量，節省計算時間，建模方法采用二維軸對稱模型，右側紅色線條為模型的對稱軸，下入口為速度入口，長度62 mm，油水以不同比例相同速度混合從單一入口處進入管內流動；上出口為動出口，長度5 mm，用于模擬抽油桿的運動所引起流體運動區域變化。模型中所涉及的壁面都為光滑壁面；網格劃分兩類，集流傘部分由于流型變化大，采用邊長為0.5 mm的三角網格提高計算精度；其余采用邊長為1 mm的四方網格。

圖2 模型的建立

在抽油機工作過程中，抽油桿作上下往復運動，抽油桿的運動可視為活塞運動。運動過程中涉及體網格的再生(動網格)。FLUENT中體網格再生方法包括：1)鋪層；2)彈性光順；3)局部重構三種算法[4]。本文采用鋪層法對抽油桿的運動進行模擬。由于動網格區域的邊界需要隨計算時間增長或縮短，需要對動網格區域的邊界條件單獨設置，包括動對稱軸、動壁面、動出口。其中，動對稱軸和動壁面變化類型為Dforming；動出口選用Rigid Body類型變化。當動出口向上運動時，緊靠抽油桿處的網格一層層的增加，計算域逐漸變大，此為抽油桿的上沖程，直至抽油桿達到上死點，之后抽油桿轉變為向下運動，抽油桿處的網格一層層減少，計算流域逐漸變小，此為抽油桿的下沖程。

2 參數選擇

高分辨率含水率計的實時持水率測井曲線呈現很強的波動規律性，如圖3所示。其中，縱坐標持水率為測井得到的實時混相值與全水值之比。為了使模型模擬結果呈現好的波動規律，從而說明模型的正確性，需要對模型參數進行探討。

圖3 含水率計持水率測井曲線

以流量10 m3/d，含水率70%作為研究點，抽油桿沖次設置為10次/min。

1)多相流模型的選擇，FLUENT軟件中多相模型包括VOF，Mixture及Eulerian3種，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[5]；均勻流動采用混合模型，粒子流選擇歐拉模型。對于含水率計的流動區域，包括油、水兩相，油相主要以油泡形式存在于管道內，因此選擇VOF模型最佳。油相密度：830 kg/m3，粘度：0.003 32 kg/m·s ；水相密度：998 kg/m3，粘度：0.001 003 kg/m·s 。

2)湍流模型選擇，由于流體在儀器內部的流動狀態呈不規則狀態，局部速度、壓力等物理量在時間、空間中發生不規則的變化，符合湍流的特征，因此在計算過程中需選擇湍流模型。 FLUENT軟件中提供的模型包括：(1)層流(Laminar)模型；(2)k-ε模型；(3)雷諾應力模型(RSM模型)；(4)大渦模型。其中k-ε模型包括：(1)k-εRNG模型；(2)k-ε標準模型；(3)k-ε可實現化模型三種。設置了以上幾種湍流模型，分別對模型進行計算，考察傳感器內持水率隨時間變化情況。

3)抽油桿下死點距含水率計出液口距離的選擇，分別設置下死點距儀器出液口距離為1m、3m、5m時，考察傳感器內持水率隨時間變化情況。

4)沖程長度的影響，考察抽油桿長度分別為20cm、40cm、60cm時，持水率隨時間變化曲線。

通過對以上不同參數模擬計算，分別考察流體流動100～125s內，傳感器持水率隨時間變化。數值模擬得到的持水率隨時間波動曲線如圖4所示，圖中紅色曲線為對實時曲線進行的濾波曲線。當湍流模型為k-εRNG，抽油桿下死點距含水率計出液口距離為5m，沖程為20cm時，濾波曲線具有很好的波動性，與實際測井曲線更加接近。

圖4 數值模擬傳感器內持水率隨時間波動曲線

3 仿真結果分析

3.1 傳感器內持水率在一個沖程內變化規律

為清晰地觀察一個沖程內儀器內部流體流動隨抽油桿運動變化情況，將下死點與分流管頂部距離設置為10cm，以流量20m3，含水率80%為研究點，考察抽油桿運動一個沖程，儀器內傳感器持水率實時變化。

圖5 傳感器持水率實時變化曲線

傳感器內持水率實時變化曲線如圖5所示，從176.65～182s這6s的時間內，抽油桿恰好運動一個周期，對比曲線從176.65～179.77s為抽油桿上沖程過程，傳感器內持水率呈現上升趨勢。由于隨著抽油桿運動，對儀器內部油水兩相產生作用力，由于油的密度小于水的密度，對油的速度影響大于水的影響，滑脫速度變大，持水率變大。抽油桿進行下沖程運動時持水率降低。由于抽油桿對油水兩相產生向下作用力，使油水之間的滑脫速度變小，持水率逐漸降低。

3.2 有無抽油桿影響

分別從兩方面考察有抽油桿抽動和沒有抽油桿抽動時的差異： 1)流量為40m3/d，含水率為70%，有無抽油桿兩種情況下，傳感器內持水率隨時間變化曲線，濾波后曲線的變化情況。2)含水率為70%，流量分別為10m3/d、20m3/d、40m3/d時一定時間內傳感器內持水率的差異。

流量為40m3/d，含水率為70%，有抽油桿和無抽油桿時持水率變化曲線如圖6所示。 無抽油桿運動時，油水兩相流動呈現不規則波動性，由于油相以油泡形式存在于傳感器內。有抽油桿運動比無抽油桿運動時得到的曲線正弦性更明顯，抽油桿的運動是形成正弦曲線的重要因素。

圖6 無抽油桿運動與抽油桿運動時持水率曲線

含水率為70%，流量分別為10m3/d、20m3/d、40m3/d時，有抽油桿運動、沒有抽油桿運動模擬得到的持水率以及實驗所得數據見表1。

表1 標準含水率70%，不同流量下，有、無抽油桿 模擬與實驗持水率對比

無抽油桿與實驗數據對比，隨著流量的增加，持水率均增加，趨勢顯示了一致性，當流量較高時，實驗所得與模擬所得數據并無差別，隨著流量降低，差距變大。由于室內實驗得到的低流量持水率主要受滑脫效應影響，而數值模擬沒有準確地定義兩相界面的物理和幾何特性，因此VOF模型對界面張力的處理與真實情況有出入，導致模擬與實驗差異變大。將有抽油桿與無抽油桿實驗數據對比，有抽油桿運動得到持水率均大于沒有抽油桿數據，并且隨著流量增大，差異變大，由于油相密度較小，作用在油相與水相的作用力相同的情況下，油相運動速度增加的更大，持水率升高。

4 結 論

1)使用FLUENT軟件建立數值模擬模型，以流量10 m3/d，含水率70%為研究點，多相流模型選用VOF，湍流模型為k-εRNG模型，抽油桿下死點距含水率計出液口距離為5m，沖程長度為20cm時，濾波后曲線體現較好的正弦波動性，與實際測井曲線相近。

2)當抽油桿進行上沖程運動時，持水率逐漸變高；抽油桿進行下沖程時，持水率逐漸降低，抽油桿運動是測井資料呈現正弦曲線的一個重要因素。

3)隨著流量增加，模擬得到的數據與室內實驗得到的數據均增加，趨勢具有一致性。與當流量較高時，計算得到的無抽油桿和室內實驗數據相吻合，當流量較低時，由于滑脫速度的影響，出現較大差異。有抽油桿比無抽油桿計算得到的持水率更高。

[1] 丁慶榮,王 敏,劉興斌,等.基于分流法高分辨率阻抗式含水率計實驗研究[J].石油儀器,2013:27(4):29-32.

[2] 冉 磊.基于分流法的高分辨率含水率計現場應用分析[J].石油儀器, 2012:26(1):51-54.

[3] 楊志剛,馬慶華,王鵬程,等.基于FLUENT的分流法電導含水率計不同湍流模型仿真與實驗比較[J].石油儀器,2012:26(6):10-12.

[4] 隋洪濤,李鵬飛,馬世虎,等.精通CFD動網格工程仿真與案例實戰[M].北京:人民郵電出版社.2013:21-22.

[5]Hirt,Nichols.VolumeofFluid(VOF)MethodfortheDynamicsofFreeBoundaries[J].JournalofComputationelPhysics,1981,39(1):201-225.

Numerical Simulation Analysis on Influences of Sucker Rod Morement on Water Holdup Measurement with the High-resolution Conductance Water-cut Meter

DENG Xishan， DING Qingrong

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

Studying on the influence of the sucker rod movement on water holdup measurement with the high resolution conductance water cut meter can provide the references for correcting errors in the interpretations of logging results. The dynamic grid technology is introduced into the flow field numerical simulation, and by means of the FLUENT numerical simulation, the simulation and calculation results are compared with the actual logging curve, then the optimum parameters for the model are chosen, and the influence of the sucker rod movement on the moisture content measurement is investigated. The results show that the water holdup is periodically changed with the movement of the sucker rod, which is an important factor of the sine curve presentation of the logging results. With the same conditions, the measurement of the water holdup with the sucker rod movement is higher than without it.

water cut meter；water holdup；sucker rod; numerical simulation; dynamic mesh technique

鄧茜珊，女，1982年生，2010年畢業于齊齊哈爾大學，獲碩士學位，現主要從事多相流數值模擬和核測井數值模擬研究工作。E-mail：dxs0830@163.com

TE33

A

2096-0077(2017)01-0080-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.019

2016-05-16 編輯：高紅霞)