近水平DN 20仿儀器流道數值模擬分析

鄧茜珊

(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)

近水平DN 20仿儀器流道數值模擬分析

鄧茜珊

(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)

水平井產出剖面測井儀內流道(DN20)流體流動，對測井精度和解釋精度有很大影響，實體實驗成本高、耗時長，為此采用FLUENT數值模擬的方法對儀器流道油水兩相流動規律進行研究。采用FLUENT對近水平DN20管徑進行模擬，模擬獲得持水率與實體實驗進行校驗，獲得適合于模型的最佳參數，并考察了影響壓差大小的幾種因素。模擬結果表明，采用VOF模型，管道前半段長度為500 mm、傾角0.3°，后半段長度為199 mm、傾角-0.2°時，流量介于5～20 m3/d，含水率介于20%～90%時，模擬得到的流型及持水率與實體實驗一致；湍流模型、流體密度、粘度、油水兩相表面張力對模擬結果影響不大；隨著流量、含水率、管道內壁粗糙度、管道長度等的增大，壓差均會升高。模型的準確建立可為部分取代實體實驗奠定基礎，同時豐富了實驗數據，對管道內部流體流動規律有了進一步的認知。

測井儀器；產出剖面；數值模擬；微傾斜角度；壓差；持水率

0 引 言

FLUENT軟件是用于模擬和分析在復雜幾何區域內的流體流動問題的專業CFD軟件[1]，它對每一種物理問題的流動特點，采用適合它的數值求解，選擇顯示或隱式差分格式，在計算速度、穩定性和精度上達到最佳[2]，高效率的解決各個領域的復雜流動的計算問題。

對水平井生產測井, 以往大多研究套管(125 mm)內油水兩相流體流動規律，而大慶油田用產出剖面測井儀測量經過儀器集流傘后、進入儀器通道(20 mm)內的流體，流體流型、持水率等規律均會發生巨大變化，對測井精度及解釋精度均有影響。因此，不僅需要了解套管內油/水兩相流流動的規律, 更需要把握測井儀器內部流體規律，為后期生產測井資料處理解釋提供參考。目前對20 mm管徑油水兩相研究較少。天津大學張煜等人曾對集流后水平油水兩相流管進行了數值模擬研究，總結出了集流后20 mm管內瞬態流型達到充分穩定發展的最佳流型時間和管軸向空間位置，并沒有驗證數值模擬模型的可靠性。

本文采用FLUENT軟件對水平DN20仿產出剖面測井儀器內部進行模擬，通過不斷修正影響數值模擬的各個參數，將模擬結果與實驗進行對比分析，證明模型的可用性和仿真結果的可靠性，為研究流場的物理特性提供了輔助工具。模擬結果表明，流體密度、粘度、油水兩相表面張力對模擬結果影響不大，網格大小影響了模型計算精度及計算時間，VOF模型更適用于層流模型，不同的湍流模型只影響流體達到穩定時的距離，管道長度的選擇及微傾斜角度的大小是重要影響參數，分別影響了模擬結果的流型及持水率大小。這些參數對模擬結果的影響，為今以后數值計算提供了一定參考價值。

對不同流量及含水率進行模擬，得到持水率與室內實驗結果對比，其數據在一定流量、含水率下具有一致性。得到的壓差曲線與室內實驗具有相同趨勢。模擬結果初步驗證了數值模擬的可靠性，為部分取代實驗奠定基礎，對管道內部流體流動規律有進一步的認知，為測井儀器研發和改進以及測井解釋完善提供更全面完整的參考數據。

1 研究對象及模型的建立

以0° 流量為5 m3/d，含水率為90%流量點進行模擬，與室內實驗對比，對參數進行校正，模擬所用流體材料屬性見表1。

設置兩個入口，上入口為油，下入口為水，管道整體長度為700 mm。入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件設置為壓力出口。管道長度的選擇及微傾斜角度的大小是影響流體流型及持水率的重要參數[5]，因此考察了管道微傾斜角度、長度的影響。模型網格是影響計算速度和精度的重要參數，因此需要選擇合適的網格大小。

表1 流體材料屬性

1)傾斜角度

設置管道長700 mm，以距入口處500 mm作為分界點，設置前半段500 mm傾斜角度為0.3°，改變后半段200 mm傾斜角度α分別為-0.1°、-0.2°、-0.3°，其中傾斜管道與水平線順時針夾角定義為正角度。DN20 mm 管道模型示意圖如圖1所示，模擬結果見表2。

圖1 DN20 mm 管道模型圖

由表2可以看出傾斜角向負角度增加時，持水率降低，油水兩相液面高度隨之降低。當傾斜角度為-0.25°時，持水率遠高于實驗值，而-0.3°時，持水率遠低于實驗值，說明管道內部形成的儲油區域應介于二者之間，因此,需要進一步通過調整后半段長度，從而調整儲油區域。

表2 不同微傾斜角度下，仿真結果與實驗結果對比表

2)管道長度

設置前半段管道長度為500 mm，后半段傾角設置為-0.2°，分別考察后半段長度為190、195、197、199、200 mm的影響，與實驗流型圖進行對比，最終確立管道形狀及參數，見表3。

由表3可以看出，隨著后半段管道長度增加，持水率降低。當長度為199 mm時，持水率為0.719，與實驗所得結果最為接近，而油水兩相界面高度也最為接近。由于管道存在微傾斜角度，油相密度小于水相密度，油漂浮在管道上方，在管道內部形成儲油空間，隨著負角度的增加，儲油空間逐漸增大，油相聚集管道上方增多，從而油水界面高度降低。

表3 不同管道長度下，仿真結果與實驗結果對比表

3)網格大小

網格單元設置過大，相應網格數目過少，計算精度下降。網格單元小，則網格數目多，計算時間過長。網格大小采用2 mm比較適中，總網格數為33 562。幾何方法生成網格后，還必須進行光滑處理，對畸變率較大的網格自動進行劃分或調整。

2 參數選擇

1)多相流模型的選擇

FLUENT軟件中多相模型包括VOF、Mixture及Eulerian，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；均勻流動采用混合模型，粒子流選擇歐拉模型。室內實驗0° 流量5 m3/d，含水率90%時流型為層流，只有VOF模型適用于分層流[3,4]。

2)湍流模型的選擇

湍流模型的任務是給出計算湍流粘性系數的表達式，無論湍流運動多么復雜，非穩態的連續型方程和N-S對于湍流的瞬間運動都仍然適用。根據建立模型所需要的微分方程數目，湍流模型包括Inviscid(零方程模型)、Laminar(一方程模型)、κ-ε(雙方程模型)。不同湍流模型得到仿真結果為流體流動穩定時，流型均為層流，并且油相高度均一致，差別只在于油水兩相穩定的距離。以下模擬均采用κ-ε模型，求解算法和求解控制參數等參數都保持默認值。

3)油相密度、粘度、油水兩相表面張力

其余條件不變，分別改變油相密度，粘度，油水兩相界面張力等參數，考察管道內部持水率變化結果見表4。密度分別設置為815、825、835 kg/m3。粘度分別設置為0.008、0.007、0.006 kg/(m·s)。油水兩相表面張力分設置為0.002 9、 0.003 4、0.003 9 n/m。

表4 不同油相密度、粘度、油水兩相表面張力下，持水率變化表

表4顯示，油相密度、粘度、表面張力等參數的改變，管道內持水率略微變化，但變化幅度不大，說明物理參數不是影響持水率變化的重要參數。

3 仿真結果分析

1) 持水率變化

不同流量、含水率下，持水率的實驗值與仿真結果對比圖版如圖2所示，從圖2可以看出，模擬算出的持水率曲線與室內實驗得到的持水率曲線基本相符，隨著含水率升高，持水率增大。低流量時，仿真結果與實驗存在較大誤差，隨著流量增加仿真結果與實驗誤差逐漸減小。由于低流量對管道微傾斜角的變化較為敏感。流量大于5 m3/d時，模擬結果與實驗比較吻合。

圖2 不同流量及含水率下持水率的實驗值與仿真結果對比

2) 壓差變化

(1)模擬數據與實驗數據對比

數值模擬的壓差測量段為距入口225 mm處，每隔50 mm測量壓差，共設置5個壓差位置，這5個位置分別命名為1、2、3、4、5。

圖3為模擬圖版和流量為15 m3/d，含水率在50%～90%時，壓差隨壓差位置變化實驗圖版。模擬圖版給出的壓差單位為Pa，實驗給出的壓差單位為kPa，由于實驗室管道長，需要較大壓力才能使油水兩相順利流經整個管道。從圖3可以看出模擬結果與實驗結果具有一致性，壓差位置距入口越遠，壓差增加越大。

圖3 模擬圖版和不同含水率下壓差隨壓差位置變化實驗圖版

圖4為模擬圖版和含水率50%～90%，壓差隨流量變化實驗圖版，從圖4顯示可以看出模擬圖版與實驗圖版趨勢上具有一致性，隨著流量升高，壓差增大，并且流量越大，壓差變化越大。低流量時，壓差對含水率變化不敏感，流量較高時，壓差變化出現明顯差異。

(2)壁面粗糙度對壓差影響

圖4 模擬圖版和不同含水率下壓差隨流量變化實驗圖版

實驗室DN20管道內部粗糙度為0.8 μm，考察了粗糙度為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 μm時壓差變化。圖5為壁面粗糙度對壓差的影響曲線，圖5顯示，隨著粗糙度增加，壓差略微增大，由于數值仿真考察的壓差段較短，粗糙度對壓差產生的影響不明顯。

(3)管道長度對壓差影響

將模型后半段長度分別設置為100、150、180、195、199、200 mm，設定流量為5 m3/d，含水率為90%，按上述相同條件進行模擬，得到管道長度對壓差影響圖版如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著管道長度增加，壓差變大，當管道長度由199 mm增長至200 mm時，壓差出現了較大幅度的增大。

管道增長時，管道內部持水率降低，油相粘度大于水相粘度，流體的管內摩擦系數增大，壓差增大。

圖6 管道長度對壓差影響圖版

4 結束語

對水平井儀器流道內油水兩相流流動特性進行研究，對水平井產出剖面的測量及解釋具有重要意義。采用計算流體動力學軟件Fluent，對水平DN20 mm分層流進行模擬，對可調參數進行校正，將數值模擬結果與實驗結果進行對比，驗證了數值模擬模型的正確性，為部分取代實體實驗奠定了良好基礎，分析模擬結果對管道內流體流動規律有進一步的認知。

[1] 李 勇，劉志友，安亦然. 介紹基數按流體力學通用軟件-Fluent [J]. 水動力學研究與進展，2001,16(2):254-258.

[2] 顧安忠，魯雪生，汪榮順,等. 液化天然氣技術[M]. 北京：機械工業出版社, 2003:18-20.

[3] 韓占忠. FLUENT-流體工程仿真計算實例與應用.北京理工大學出版社，2010: 304-305.

[4] Hirt,Nichols. Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries[J]. Journal of Computer Physics,1981,39(1):201-225.

[5] 鄭?？?，劉興斌，樸玉琴,等.水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實驗研究[J].測井技術，2010:34(4):324-326.

Numerical Simulation of Near-horizontal DN 20 Flow Channel in Simulation Instruments

DENG Xishan

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

The fluid flow in the flow channel (DN20) of the production profile logging tool for horizontal well greatly influences logging precision and interpretation accuracy. The real experiment has high cost and long time. Thus, the flow law of oil-water two-phase in the flow channel of the tool is studied by FLUENT numerical simulation. The near-horizontal DN20 channel is simulated by FLUENT to obtain water holdup, which is verified with the real experiment to get the optimal parameters suitable for the model, and the factors to influence the differential pressure are studied. The simulation results show that the flow pattern simulated and water holdup are consistent with the real experiment when the VOF model is used, and the length of the first half of the pipeline is 500mm and the inclination is 0.3 °, and the second half of the length is 199mm, the inclination is -0.2 °, the flow rate is between 5～20 m3/d, the water content is between 20%～90%. The turbulent flow model, fluid density, viscosity, and surface tension between oil and water phases have little influence on the simulation results. The diffevential pressures inerease with the increasing of the flow, water content, roughness of inner wall of channel, channel length, etc. The accurate modeling provides a solid foundation for partial substitution of real experiment, which enriches the experimental data and the flow law of the fluid in the channel is recognized further.

well logging tool; production profile; numerical simulation；micro inclination angle; pressure difference；water holdup

鄧茜珊,女， 1982年生， 工程師，2010年畢業于齊齊哈爾大學分析化學專業，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。E-mail：dxs0830@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)04-0096-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.025

2016-11-08 編輯：高紅霞)