近水平小管径油水两相数值模拟研究

徐 翠

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)



·试验研究·

近水平小管径油水两相数值模拟研究

徐 翠

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

目前，对近水平倾斜井主要是通过实验和理论进行研究，得到的实验数据有限，利用数值模拟手段进一步研究，可以丰富实验数据，节省人力和物力。利用模拟软件fluent采用三种不同条件对Φ20 mm水平小管柱进行模拟，寻求更为理想模拟结果，并以其模型对近水平不同倾斜角度小管柱进行模拟。结果表明，基于fluent对水平小管柱油水两相进行数值模拟具有可行性，不同倾斜角度对小管柱内的油水两相的流型、速度和持水率均有影响。

水平小管柱；油水两相流；倾斜角度；流型

0 引 言

近水平倾斜井在油田开发中应用广泛，由于倾斜井中油水两相流流动结构呈现高度随机性、不稳定性及多态性，尤其流速及相含率变化规律十分复杂[1，2]，流动过程参数难以测量。造成油水井的地质和工程的问题不断显现，产液剖面研究资料不完备对倾斜井测井的制约日益凸显，这需要通过实验及模拟手段来研究流动规律，因此，总结倾斜井油水两相流动规律对生产测井具有指导性意义。

目前对近水平倾斜井的研究主要是通过实验和理论研究，得到的实验数据有限，利用数值模拟手段进行进一步研究，可以丰富实验数据。并且由于实验设备的局限性，目前对近水平倾斜井的研究主要针对小角度，而对稍大角度的研究很少，因此有必要采用数值模拟技术对稍大角度进行模拟。

Fluent是目前国际上使用最多、最流行的商用CFD软件包，广泛应用于流体、热传热和各种化学反应等相关工业。大量工程实践证明，数值计算结果具有可靠性[3]。本文采用数值模拟技术，对水平小管柱井进行模拟，通过对比流型以及速度误差，寻求较理想的模拟结果。对近水平多个倾斜角度小管柱油水两相进行数值模拟，对流型、速度、及持水率变化进行了探讨，为小管径的进一步研究奠定理论基础。

1 数值模拟计算方法

实验室实验设备是用T型接口将油水两相混合，管道内径为20 mm。因此所设计的模型应与实验设备相吻合，并且能够尽量减少计算时间，提高数模效率。

1.1 计算模型的选择、网格模型建立及边界条件设置

Fluent中多相流模型包括VOF模型，Mixture模型，Euler模型以及离散模型。VOF模型适用于层流、栓塞流、泡状流等；Mixture模型适用于离散相混合物的液滴超出10%，并且液滴粒径分布广泛的情况；而Euler及离散模型则适用于气动运输、水力运输等。考虑各模型适用范围，本文分别采用VOF和混合模型两种。

常见的湍流模型包括k-ε(k-epsilon)、RSM模型、LES模型。k-ε模型是一种成熟有效的湍流流动模型，应用广泛；RSM属于高雷诺数湍流计算模型；LES模型是目前更为前沿的湍流流动模型。本文选择RNG k-ε模型。

Gambit是一具有超强组合建构模型能力的专用的CFD前置处理器，能灵活方便的进行几何修正，自动选择最合适的网格划分算法[4]。本文确定以管径为20 mm，管长0.8 m，流向网格长度0.5 mm，总网格数7.5万的网格尺度来计算，如图1所示。

图1 二维圆管有边界层网格局部图

由于计算机所能计算网格数有限，如果以实际的油水混合物作为入口条件，则油、水在管内需要流动较长的距离才达到分层或稳定，这需要建立很长的网格模型。为节省计算时间，提高效率，对入口的划分采用两种手段1)将入口分为两段：上、下分别进油水混合物、水，如图2(a)；2)将入口分为三段：上、中、下分别为油、油水混合物、水，如图2(b)。图中从红色到蓝色代表油的组分由100%到0%。入口处流量为15 m3/d，对应流速为0.5529 m/s，含水率60%。具体入口条件见表1。

表1 模型入口处具体条件

出口条件采用自由流动边界。水的密度998.2 kg/m3，油的密度780 kg/m3，水的粘度0.001 003 kg/(m·s)，油的粘度0.0024 kg/(m·s)，油水间的界面张力系数为0.017。

图2 入口条件侧面图

1.2 数值模拟计算结果验证

数值模拟毕竟是计算机所做的模拟，是近似于实际情况却又不能严格的说其完全等同于实验，因此需将数值模拟出的数据与相应的实验数据对比，以验证其模型及算法的可靠性。

表2为各模型计算结果。通过计算，流体在流动0.5 m后其流型已达到稳定。表中0.5～0.7 m指流体从入口流动0.5 m后，到0.7 m之间的长度。从表中可以看出模型3的速度误差要明显高于模型1和2，因此采用混合模型不具可行性，模型2和3的误差均在可接受的范围之内，而模型2误差的更小。

表2 各模型流动计算结果

从流型图与实际拍摄流型图作比较，如图3所示，图3为相同条件下，高速摄像拍摄水平小管径流型图，从图中我们可以看出流型为水包油及水层，与模型1、2、3作比较，模型2的流型更为接近。因此，选择模型2为更加理想的方法。

图3 相同条件下，高速摄像拍摄水平小管径流型图

2 数值模拟流型、速度、持水率比较

目前倾斜井在油田中的应用非常广泛，但国内外对近水平条件下油水两相的研究主要以小角度为主，而对稍大倾角的研究十分匮乏，数据更是稀少，因此有必要对稍大角度管柱内油水两相流动情况进行研究[5]。本节探讨了当流量为15 m3/d，含水率为60%时，较大倾角对流型、速度、持水率的影响。

2.1 不同倾角下流型比较

以相同方法，相同的流速，对倾角为±5°、±7°、±10°的小管径井进行模拟，以0°和±7°为例，对流型进行比较，如图4～6所示分别为倾角0°、+7°、-7°流型图。影响流型的因素包括流体的密度、粘度、管径、倾角及各相流量等，其中流量和倾角起主要作用。从图中可以看出，±7°流型图与0°相比界面更加不稳定，波形更为复杂，并且油相的底部出现滚动逆流的现象，这主要是由重力产生的，揭示了倾斜管柱内油水两相流动流型明显不同于水平情况。

图4 水平小管柱流型图

图5 倾角+7°流型图

图6 倾角-7°流型图

2.2 倾角对管流速度的影响

对不同倾斜角度两相流速度分布进行比较，如图7所示为管柱某点处，倾斜角度分别对油、水速度的影响；如图8所示为不同倾斜角度下，在0.6 m处径向速度分布对比图，图中纵坐标H代表坐标点距油管底部的距离。由于油的密度小于水的密度，图中曲线上半部分主要代表油的速度，而曲线下半部分为水速。从两图中均可看出随着倾斜角度向正方向偏移，油速由于受到浮力影响逐渐增大，而水速受到重力作用逐渐减小，说明倾角对管道内流体的流动速度分布具有较大影响。从图8中可以看出倾角为0°时油速比水速小，这是由于油的粘度高于水的粘度，从而管壁对油的粘滞力大于对水的粘滞力，因此油速小于水速。当倾角为7°时，油速和水速基本相同，这是由于油受到的浮力、重力以及沿着管壁斜向下粘滞力，这三者的合力与水受到的合力基本相同。从图中还可以看到大多曲线的中上部位都有凹陷处，分析这部分处于油水混合界面，油与水之间存在相对的阻力造成的。

图7 倾角对油、水速度的影响

图8 不同倾角，0.6 m处径向速度比较

2.3 倾角对持水率影响

如图9所示为各倾角下0.5～0.7 m区间内持水率变化图。从图中可以看出角度对持水率有较大影响，当倾角为-10°时，持水率为最低，当角度为+10°时，持水率最大，持水率随着正角度的增加而呈现增大的趋势。并且当倾斜角度为+7°时，持水率为0.601 3，持水率与含水率之比为1.002 1，说明+7°倾角时油水两相速度基本相同，滑脱速度影响不大，这与之前有相同的结论。结合图8，可以看出当油速小于水速时，持水率/含水率<1；当油速大于水速时，持水率/含水率>1。

图9 各倾角下0.5～0.7 m区间内持水率变化曲线

3 结 论

本文对水平小管柱油水两相流进行数值模拟，通过与相应实验数据对比，寻求了最佳模拟方案，对±10°之内不同倾斜角度下流型、流速、持水率的分析，得到其变化规律，结论如下：

1)选用两段作为入口条件，VOF作为多相流模型，模拟结果更佳。

2)与水平小管柱相比，有倾角变化时，其流型更加复杂，界面更加不稳定，油相底部出现滚动逆流现象，这主要是由重力产生。

3)流量及含水率一定的条件下，倾角对油水两相平均速度影响不大，而对单一相影响较大。径向上，油速随着角度向正方向偏转而逐渐增大，水速逐渐减小。在0°时油速比水速小，这主要由油和水的粘度不同引起的。

4)流量及含水率一定，随着倾角向正角度增加，持水率增大。当流量为15 m3/d，含水率为60%，倾角为+7°时，持水率与含水率之比为1.002 1，油水两相速度基本相同，滑脱速度影响不大。

[1] Mobbs S D,Lucas G P.A turbulence model for inclined,bubbly flows[J].Applied Scientific Research,1993,18(1):263-268.

[2] Lucas G P.Modelling velocity profiles ininclined multiphase flow to provide a priori information for flow imaging[J].The Chemical Engineering Journal,1995,56(3):167-173.

[3] 刘文明，金仲康，郑 源，等.大型供水泵站数值模拟及水力优化[J].给水排水，2009,35(6)：54-57.

[4] 樊勇保，李晓娇，李 玲，等.基于fluent的高炉风口流场和温度场模拟[J].计算机应用技术，2009，24(4)：324-326.

[5] 宋 薇.水平管气水两相弹状流流动特性仿真研究[D]. 天津大学，2010.

Numerical Simulation Research on Nearly Horizontal Small Diameter Oil-water Two Phase

XU Cui

(DaqingLoggingandTestingServicesCompany,DaQing,Heilongjiang163153,China)

The experimental data is limited from the study of nearly horizontal slant well, the numerical simulation study can enrich the experimental data, and save cost. In order to search ideal simulation result, the Φ20mm small string was used to simulated under three different conditions based on software FLUENT for simulating, and use the model to simulate the different angle of nearly horizontal small string. The results show that it is feasible to use the FLUENT software to simulate the small string in oil-water two phase, and the different angle can affect flow pattern in the small string of oil-water two phase, and also can affect the speed and the water holdup.

horizontal small string; oil-water two phase flow; angle of inclination; flow pattern

徐 翠，女，1986年生，2009年毕业于大庆石油学院计算机科学与技术专业，现主要从事实验检测工作。E-mail: 497106441@qq.com

TE35

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2096-0077(2016)05-0021-04

2016-05-03 编辑：韩德林)