射流式泡沫發生器內部流場的數值模擬

李家丞，欒伯川

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射流式泡沫發生器內部流場的數值模擬

李家丞1，欒伯川2

（1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 遼河油田公司鉆井工程部，遼寧 盤錦 124010）

通過數值模擬方法，運用FLUENT模擬射流式泡沫發生器內部氣液兩相流流場運動規律，并分析不同氣液比對泡沫發生器內部氣相體積分布影響。結果顯示，不同氣液比情況下，射流式泡沫發生器內氣液兩相流的靜壓和速度分布表現不同。該成果為疏松砂巖油藏以及油田沖砂洗井作業提供指導，為后續射流式泡沫發生器結構設計提供理論依據。

泡沫發生器； 氣液兩相流； 數值模擬； FLUENT模擬

隨著我國油田開采進入中后期，低壓、低滲、稠油油田在開采過程中油層出砂較為嚴重[1-2]。當井底的砂粒堆積到一定程度時，就會引起砂埋油層、油井故障，嚴重時則會導致躺井。因此，需采用泡沫發生器對水平井定期進行沖砂作業，把沉積在井底的砂礫沖洗到地面。

本文研究的泡沫發生器為射流式泡沫發生器，其結構簡單，安裝維護方便，產泡能力強，且能根據油田現場實際情況產出不同倍數的泡沫，因此得到廣泛應用[3]。本文通過CFD模擬流場軟件Fluent對射流式泡沫發生器流場結構進行建模，計算得到了氣液兩相混合流場，并對流場中的重要的動力學參數進行了分析，為后續射流式泡沫發生器結構的改進和優化提供理論依據。

1 射流式泡沫發生器結構參數和計算流場模型

射流式泡沫發生器是一種基于紊動射流理論，利用射流紊動擴散，在裝置內形成高速射流邊界效應，形成負壓，帶動吸入室內的氣體及發泡劑流動，實現射入液體與射入氣體及發泡劑之間的質量、能量和動量的交換，最終實現氣相、液相、發泡劑完全互溶并產生高倍數泡沫的裝置。根據射流式泡沫發生器的結構及其發泡原理，構建的模型尺寸見表1所列。

表1 射流式泡沫發生器的基本模型尺寸 mm

為了分析不同氣液比對射流式泡沫發生器性能的影響，從而為其結構優化提供指導，得到更好的效果，本文采用FLUENT軟件對其內部流場進行數值模擬，應用FLLUENT前期處理軟件ICEM對其物理模型進行網格劃分，如圖1所示。

圖1 射流式泡沫發生器物理模型及網格劃分

2 射流式泡沫發生器內氣液兩相流數學方程和邊界條件

2.1 數學方程

該射流式泡沫發生器主要應用于油田水平井沖砂作業，其計算流體為氣液兩相流，氣相與液相充分混合，以小氣泡的形式分布于液相當中，因此選用Mixture模型（混合物模型）[4-6]。混合模型是一種簡化的多相流模型，可以模擬相通過求解混合相的動量、連續性和能量方程，第2相的體積分數（volume fraction）方程，以及相對速度方程。混合模型所求解的數學模型如下：

（1）連續性方程：

（2）動量方程：

通過對所有相各自的動量方程求和得到混合模型的動量方程如下：

（3）能量方程：

（4）相對速度：

2.2 邊界條件和求解設定

3 不同氣液比泡沫發生器內部流場數值模擬

為分析射流式泡沫發生器不同氣液比下氣液兩相靜壓分布和速度分布，可采用相同的計算模型進行數值分析，其數值計算方案如表2所示。

表2 不同氣液比泡沫發生器數值模擬方案

3.1 氣液兩相靜壓分布

根據方程可知，為分析不同氣液比情況下的射流式泡沫發生器內氣液兩相靜壓分布，在液相入口流速不變的情況下，可通過改變氣相的流速來控制含氣量[7]。在不同含氣量（20%，30%，40%，50%含氣量）條件下，氣液兩相靜壓分布如圖2所示。

沿氣液兩相流動方向，由于泡沫發生器喉腔的漸縮結構，當液體流經喉腔時，由于過流斷面逐漸減小，液相流速增大，靜壓降低；在喉腔出口處，流速達到峰值，形成高速射流，攜帶走周圍氣體，使得吸入室的靜壓急劇下降，形成負壓區域。從圖2（a）-（d）可以看出隨著含氣量的增大，液相入口處的靜壓逐漸降低，而在出口附近的最低負壓有所升高。

3.2 氣液兩相速度分布

射流式泡沫發生器在形成穩定的泡沫流時，氣相與液相之間的動能相互轉化直至達到平衡狀態。不同含氣量（20%~50%含氣量）條件下，氣液兩相速度分布如圖3所示。

圖2 不同氣液比下氣液兩相靜壓分布模擬結果

射流式泡沫發生器在喉腔出口處形成高速射流，帶動剛進入的氣相流入喉管內，在吸入室內逐步形成負壓，與射流共同作用下逐漸形成上下兩個渦旋方向相反的渦流。隨著含氣量的增大，氣相入口速度逐步增大，喉腔出口處的流速減小，射流影響范圍減小，通過氣相進入的速度加強氣液兩相相互摻混；另外，隨著氣相入口流速增大，其與液相之間的動壓差減小，使得混合流速度場逐步趨于均勻化[8]。

圖3 不同氣液比下氣液兩相速度分布模擬結果

4 結束語

應用氣液兩相流數學模型模擬不同氣液比情況下泡沫發生器內氣液兩相流靜壓分布和速度分布情況，得出了隨著含氣量的增大，液相入口處的靜壓逐漸降低，在喉腔出口附近的最低負壓有所升高，且兩相間的動壓差減小，使得混合腔內氣液兩相相互摻混，達到動態平衡。

［1］申瑞臣. 泡沫發生器結構設計綜述[J]. 石油機械，1993 （5）：52-55.

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［4］王群星，李軍霞. 基于FLUENT的泡沫發生器內部流場數值模擬研究[J]. 礦山機械，2014（11）：94-97.

［5］王瑞金，張凱，王剛. Fluent技術基礎與應用實例[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

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［7］shii M.Two-fluid model for two phase flow[J]. Multiphase Science and Technology, Honisphere Publishing Corpor- ation, New York,1990.

［8］李松巖，李兆敏，李賓飛，等. 泡沫發生器內部流場的數值模擬[J].石油礦場機械，2009（2）：5-11.

Numerical Simulation of Internal Flow Field in Jet-type Foam Generator

1,2

（1. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China; 2. Liaohe Oilfield Company Drilling Engineering Department, Liaoning Panjin 124010, China）

Through the numerical simulation method, FLUENT was used to simulate the flow pattern of the gas-liquid two-phase flow field, and the influence of different gas-liquid ratio on the gas volume distribution in the generator was analyzed. The results showed that the gas pressure and the velocity distribution of the gas-liquid two-phase flow in the jet-type foam generator were different under different gas-liquid ratio. The results can provide guidance for development of loose sandstone reservoirs and operation of sand washing in low pressure oilfields, and canalso provide the theoretical basis for design of jet-type foam generator.

foam generator; gas-liquid two-phase flow; numerical simulation; FLUENT simulation

TQ 018

A

1004-0935（2017）09-0920-04

2017-05-18

李家丞（1993-），男，碩士研究生，東北石油大學石油與天然氣工程專業，研究方向：多相流體力學。