射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

李家丞，欒伯川

?

射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

李家丞1，欒伯川2

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

通過(guò)數(shù)值模擬方法，運(yùn)用FLUENT模擬射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)部氣液兩相流流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并分析不同氣液比對(duì)泡沫發(fā)生器內(nèi)部氣相體積分布影響。結(jié)果顯示，不同氣液比情況下，射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液兩相流的靜壓和速度分布表現(xiàn)不同。該成果為疏松砂巖油藏以及油田沖砂洗井作業(yè)提供指導(dǎo)，為后續(xù)射流式泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

泡沫發(fā)生器； 氣液兩相流； 數(shù)值模擬； FLUENT模擬

隨著我國(guó)油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，低壓、低滲、稠油油田在開(kāi)采過(guò)程中油層出砂較為嚴(yán)重[1-2]。當(dāng)井底的砂粒堆積到一定程度時(shí)，就會(huì)引起砂埋油層、油井故障，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致躺井。因此，需采用泡沫發(fā)生器對(duì)水平井定期進(jìn)行沖砂作業(yè)，把沉積在井底的砂礫沖洗到地面。

本文研究的泡沫發(fā)生器為射流式泡沫發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，產(chǎn)泡能力強(qiáng)，且能根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況產(chǎn)出不同倍數(shù)的泡沫，因此得到廣泛應(yīng)用[3]。本文通過(guò)CFD模擬流場(chǎng)軟件Fluent對(duì)射流式泡沫發(fā)生器流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算得到了氣液兩相混合流場(chǎng)，并對(duì)流場(chǎng)中的重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，為后續(xù)射流式泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 射流式泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算流場(chǎng)模型

射流式泡沫發(fā)生器是一種基于紊動(dòng)射流理論，利用射流紊動(dòng)擴(kuò)散，在裝置內(nèi)形成高速射流邊界效應(yīng)，形成負(fù)壓，帶動(dòng)吸入室內(nèi)的氣體及發(fā)泡劑流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)射入液體與射入氣體及發(fā)泡劑之間的質(zhì)量、能量和動(dòng)量的交換，最終實(shí)現(xiàn)氣相、液相、發(fā)泡劑完全互溶并產(chǎn)生高倍數(shù)泡沫的裝置。根據(jù)射流式泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及其發(fā)泡原理，構(gòu)建的模型尺寸見(jiàn)表1所列。

表1 射流式泡沫發(fā)生器的基本模型尺寸 mm

為了分析不同氣液比對(duì)射流式泡沫發(fā)生器性能的影響，從而為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)，得到更好的效果，本文采用FLUENT軟件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)用FLLUENT前期處理軟件ICEM對(duì)其物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 射流式泡沫發(fā)生器物理模型及網(wǎng)格劃分

2 射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液兩相流數(shù)學(xué)方程和邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)方程

該射流式泡沫發(fā)生器主要應(yīng)用于油田水平井沖砂作業(yè)，其計(jì)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(dāng)中，因此選用Mixture模型（混合物模型）[4-6]。混合模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，可以模擬相通過(guò)求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程，第2相的體積分?jǐn)?shù)（volume fraction）方程，以及相對(duì)速度方程。混合模型所求解的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）連續(xù)性方程：

（2）動(dòng)量方程：

通過(guò)對(duì)所有相各自的動(dòng)量方程求和得到混合模型的動(dòng)量方程如下：

（3）能量方程：

（4）相對(duì)速度：

2.2 邊界條件和求解設(shè)定

3 不同氣液比泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

為分析射流式泡沫發(fā)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(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值分析，其數(shù)值計(jì)算方案如表2所示。

表2 不同氣液比泡沫發(fā)生器數(shù)值模擬方案

3.1 氣液兩相靜壓分布

根據(jù)方程可知，為分析不同氣液比情況下的射流式泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液兩相靜壓分布，在液相入口流速不變的情況下，可通過(guò)改變氣相的流速來(lái)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(dòng)方向，由于泡沫發(fā)生器喉腔的漸縮結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體流經(jīng)喉腔時(shí)，由于過(guò)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(dá)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(fù)壓區(qū)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(fù)壓有所升高。

3.2 氣液兩相速度分布

射流式泡沫發(fā)生器在形成穩(wěn)定的泡沫流時(shí)，氣相與液相之間的動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化直至達(dá)到平衡狀態(tài)。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(jié)果

射流式泡沫發(fā)生器在喉腔出口處形成高速射流，帶動(dòng)剛進(jìn)入的氣相流入喉管內(nèi)，在吸入室內(nèi)逐步形成負(fù)壓，與射流共同作用下逐漸形成上下兩個(gè)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(guò)氣相進(jìn)入的速度加強(qiáng)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(dòng)壓差減小，使得混合流速度場(chǎng)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(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用氣液兩相流數(shù)學(xué)模型模擬不同氣液比情況下泡沫發(fā)生器內(nèi)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(fù)壓有所升高，且兩相間的動(dòng)壓差減小，使得混合腔內(nèi)氣液兩相相互摻混，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

［1］申瑞臣. 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述[J]. 石油機(jī)械，1993 （5）：52-55.

［2］李治龍，錢武鼎. 我國(guó)油田用泡沫流體綜述[J]. 石油鉆采工藝, 1994, 11 (1): 1-5.

［3］于其海. 泡沫沖砂用射流泡沫發(fā)生器：中國(guó)，98237772[P]. 2005-5-27．

［4］王群星，李軍霞. 基于FLUENT的泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 礦山機(jī)械，2014（11）：94-97.

［5］王瑞金，張凱，王剛. Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［6］林宗虎.多相流體力學(xué)及其工程應(yīng)用[J].自然雜志, 2006, （4）: 200-204.

［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(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].石油礦場(chǎng)機(jī)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(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：多相流體力學(xué)。