應(yīng)用于高含水油水兩相流測(cè)量的分流式電磁流量計(jì)的仿真＊

李 麟 劉興斌 張玉輝 周建英

(1.東北石油大學(xué)研究生院 黑龍江大慶) (大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

應(yīng)用于高含水油水兩相流測(cè)量的分流式電磁流量計(jì)的仿真＊

李 麟1劉興斌2張玉輝2周建英2

(1.東北石油大學(xué)研究生院 黑龍江大慶) (大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

文章介紹了一種應(yīng)用電磁法進(jìn)行井下油水兩相流流量測(cè)量的分流式裝置結(jié)構(gòu),通過分走部分油流量的方法,提高了測(cè)量通道內(nèi)的含水率,有利于流量計(jì)的測(cè)量,進(jìn)而達(dá)到拓寬儀器的測(cè)量范圍的目的。利用流體仿真軟件FLUENT對(duì)分流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真,對(duì)各個(gè)流量點(diǎn)下三種不同含水率(70%、80%、90%)分別進(jìn)行仿真研究。對(duì)仿真結(jié)果的分析表明,在其他條件不變的情況下,當(dāng)兩個(gè)下進(jìn)液口的間距為30 mm時(shí),儀器的分流效果最佳。仿真結(jié)果能為分流式電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

油/水兩相流;電磁流量計(jì);仿真;含水率

0 引 言

目前,國(guó)內(nèi)大部分油田已處于高含水和特高含水時(shí)期,傳統(tǒng)的產(chǎn)出剖面測(cè)量方法已經(jīng)不能很好地滿足油田開發(fā)的需求,需要研究新的測(cè)量方法提高測(cè)量精度和可靠性,來解決油水兩相流測(cè)量問題。將電磁法應(yīng)用于井下高含水油水兩相流流量測(cè)量有希望解決產(chǎn)出剖面測(cè)井問題。電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[1],具有可靠性高、精度高的特點(diǎn),其內(nèi)部無活動(dòng)部件和阻流元件,不會(huì)發(fā)生管道堵塞、砂卡、磨損等問題,可以作為渦輪流量計(jì)的補(bǔ)充。

目前,大慶油田已經(jīng)開展了應(yīng)用電磁法進(jìn)行油水兩相流流量測(cè)量的方法研究。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,在高流量高含水率的條件下,可以應(yīng)用電磁法進(jìn)行油水兩相流流量的測(cè)量;但在低流量低含水率時(shí),該方法的使用受限[2]。因此本文提出了一種分流式的結(jié)構(gòu),通過分流部分油來提高測(cè)量通道內(nèi)的含水率,進(jìn)而拓寬原有儀器對(duì)兩相流的適應(yīng)性和測(cè)量范圍。

1 分流式儀器結(jié)構(gòu)及分流法原理

擬采用的儀器安裝在套管內(nèi),其(除傳感器部分)剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括集流傘電機(jī),上、下進(jìn)液口,集流傘,分流管,上、下出液口,封隔器,測(cè)量電極和電路控制等部分。

分流原理為：油水混合物由下向上流動(dòng)時(shí),由于油水之間的密度差異,輕質(zhì)相的油要比水流得快,產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象,油向上漂并在集流傘處堆積,當(dāng)堆積到上進(jìn)液口處時(shí),上層的油將從上進(jìn)液口流入儀器,下方含有少量油的水通過下進(jìn)液口進(jìn)入并流入分流管,從而分流了混合物中的一部分油,提高了測(cè)量電極處測(cè)得的含水率。

儀器中上進(jìn)液口與下進(jìn)液口之間的距離、分流比(分流管的截面積與儀器內(nèi)部截面積之比)和分流管的位置等是影響分流效果的關(guān)鍵因素。本文通過仿真,對(duì)影響分流效果的上進(jìn)液口和下進(jìn)液口之間的距離進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

2 建模及仿真條件

用GAMBIT建立二維剖面模型。其中,模擬井筒的內(nèi)徑為126 mm,儀器外徑為42 mm,儀器流道內(nèi)徑為20 mm,分流比為30%。由于需要通過仿真研究上、下兩個(gè)進(jìn)液口的間距,因此在建立模型時(shí),固定上進(jìn)液口的位置不變,通過改變下進(jìn)液口的位置來改變兩個(gè)進(jìn)液口之間的距離。考慮井下儀器可以實(shí)現(xiàn)的范圍,分別設(shè)置兩個(gè)進(jìn)液口間距為4 mm,20 mm和30 mm。在其它條件相同的情況下,利用FLUENT有限元仿真軟件[3]對(duì)分流式電磁流量計(jì)內(nèi)部油水兩相流流場(chǎng)進(jìn)行二維的仿真研究,分析分流管內(nèi)部的油水比例,從而得到兩個(gè)進(jìn)液口之間的合理距離。

利用FLUENT軟件仿真前需設(shè)置流體的流動(dòng)方式,流體流動(dòng)分為層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)。判斷是層流還是湍流,要看雷諾數(shù)是否超過臨近雷諾數(shù)。一般取臨界雷諾為2320,即：當(dāng) Re＜2320時(shí),管中是層流;當(dāng)Re＞2320時(shí),管中為湍流。雷諾數(shù)的定義為：

式中,ρ為流體的密度,在此為油水兩相的加權(quán)密度;v為流體的流速;l為管道內(nèi)徑,在此為井筒直徑D;η為流體的粘度系數(shù)。

設(shè)流體流量為 q,則流體的流速 v由下面的公式計(jì)算：

由于流體為油水兩相的混合物,含水率都在70%以上,為水包油類型。因此η采用Mcadams公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρO是油的密度,ρW是水的密度,ΨW為含水率,ηO為油的粘度系數(shù),ηW為水的粘度系數(shù)。

仿真實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置為流量為20 m3/d、150 m3/d和300 m3/d,對(duì)每個(gè)流量點(diǎn)的含水率分別設(shè)置為70%,80%和90%,由(1)、(2)和(3)式可得到各個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)點(diǎn)下的雷諾數(shù)。經(jīng)計(jì)算,只有當(dāng)流量為20 m3/d時(shí)三種不同含水率下的油水兩相流的雷諾數(shù)值小于臨界值,可視為層流;其他流量點(diǎn)下的雷諾數(shù)值均大于臨近值,可視為湍流。

3 FLUENT仿真的流場(chǎng)分布

由分流式電磁流量計(jì)的原理知,測(cè)量通道內(nèi)的含水率受上、下進(jìn)液口間距影響,但其不會(huì)影響兩相流的流型和流態(tài),因此本文只給出了上、下兩個(gè)進(jìn)液口間距為30mm時(shí)分流儀器的內(nèi)部流場(chǎng)仿真云圖。如圖2所示。

圖2 兩進(jìn)液口間距為30mm時(shí)的仿真云圖

由仿真云圖可以看出：

1)低流量時(shí),分流管內(nèi)部都只含有少量的油,分流管的加入起到了分流效果;流量較高(大于100 m3/d)的情況下,油水兩相流的流速也較高,流體混合均勻達(dá)到乳化狀態(tài)[4],流動(dòng)過程中在集流傘下方油的堆積現(xiàn)象不明顯,因此分流管中的油含量比低流量時(shí)相應(yīng)含水率情況下的油含量要有所增多。

2)各個(gè)流量點(diǎn)下隨著含水率的增加,油泡的數(shù)量越來越少,尺寸越來越小。

3)層流狀態(tài)下,在油水兩相流進(jìn)入儀器前,油泡為體積較大的塊狀;而在紊流狀態(tài)下,油泡在進(jìn)入儀器前體積較小,且呈現(xiàn)聚集狀態(tài);分流管的存在,對(duì)兩相流動(dòng)有一定的阻礙作用,與底部聚集的油泡相比,其在分流管內(nèi)呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。

利用仿真云圖只能進(jìn)行直觀觀察,難以定量確定哪種結(jié)構(gòu)的分流效果好,因此使用FLUENT軟件中的Report功能來定量計(jì)算分流管內(nèi)的含水率值。在仿真穩(wěn)定后取10個(gè)采樣點(diǎn)(每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)之間流體的流動(dòng)時(shí)間為0.2 s)的平均值作為分流管內(nèi)部的含水率值。表1為計(jì)算的三種結(jié)構(gòu)下分流管內(nèi)部的含水率值。

由表1可以看出,在三種不同的結(jié)構(gòu)下,分流管內(nèi)部的含水率皆大于標(biāo)準(zhǔn)配比下的含水率,說明分流管的加入起到了分流效果,低流量時(shí),分流效果尤其明顯;當(dāng)流量較高時(shí),分流效果存在但不明顯,這是因?yàn)榱魉佥^高,油水間的滑脫小,但此時(shí)油水混合均勻,接近乳化,其性質(zhì)與單相水接近,更適合于電磁流量計(jì)的工作條件;當(dāng)上進(jìn)液口和下進(jìn)液口的間距為30 mm時(shí),與較小的間距相比,在相同流量和含水率情況下分流管內(nèi)部含水率相對(duì)較高,即當(dāng)兩個(gè)進(jìn)液口間距為30 mm時(shí),分流效果最好。

表1 三種結(jié)構(gòu)下分流管內(nèi)部的含水率值

4 結(jié) 論

通過FLUENT軟件對(duì)分流式電磁流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)分布進(jìn)行二維仿真研究,可以得到如下結(jié)論：

1)分流方法應(yīng)用于電磁流量計(jì)能提高測(cè)量電極處的含水率,尤其適合在低流量時(shí)使用;高流量(大于100 m3/d)條件下,由于流速較高,油水間滑脫速度小,分流效果不明顯,但此時(shí)油水兩相的混合均勻,性質(zhì)與單相水接近,更適合電磁流量計(jì)的工作條件,因此在高含水油水兩相流流量測(cè)量上可以采用本文提出的應(yīng)用電磁法的分流式結(jié)構(gòu)。

2)與較小的間距相比,當(dāng)上、下進(jìn)液口間距較大(對(duì)于本文所提出的分流式結(jié)構(gòu),選擇30 mm)時(shí),分流式電磁流量計(jì)的分流效果最佳。

綜上所述,分流式電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)可行,對(duì)于本文所提出的分流式結(jié)構(gòu)的電磁流量計(jì),當(dāng)兩個(gè)進(jìn)液口間距為30mm時(shí)的分流效果最佳。

[1] 崔洪辰,張 奎.電磁流量計(jì)在高含水原油計(jì)量中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2002,21(4)

[2] 張玉輝,劉興斌,單福軍,等.電磁法測(cè)量高含水油水兩相流流量實(shí)驗(yàn)研究[J].測(cè)井技術(shù),2011,35(3)

[3] 韓占忠,王 敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2008

[4] 吳 龍.大慶油田高含蠟含水原油的粘度測(cè)算[J].油氣田地面工程,1985,4(5)

Simulation of a shunt electromagnetic flowmeter applied to high water-cut oil-water two-phase flow.

Li Lin,Liu Xingbin,Zhang Yuhui and Zhou Jianying.

This paper introduces a structure which can be used for the device adopting electromagnetic method to measure oilwater two-phase′s flux,through shunting the oil,the water cut in the tube will be increase,which is benefit to electromagnetic flow meter to get accurate measurement results,by this,the measuring range of the instrument will be broaden.The simulation data under three different water cut(70%,80%,90%)has been acquired by using the simulation soft-ware FLUENT,the analysis based on simulation results show that keeping other conditions unchanged,the best shunt effect can be obtained when the inlet port spacing is 30 millimeter.This conclusion will play a role in directing the design and manufacture of the electromagnetic flow meter with shunt structure.

oil-water two-phase;electromagnetic flow meter;simulation;water cut

P631.8+1

B

1004-9134(2011)06-0016-03

國(guó)家重大專項(xiàng)“復(fù)雜油氣藏測(cè)井綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、配套裝備與處理解釋軟件”中的子課題“多相流測(cè)井配套技術(shù)及成像測(cè)井技術(shù)研究”(2008ZX05020)

李 麟,女,1986年生,東北石油大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)橛退畠上嗔鳈z測(cè)與新型傳感器理論與技術(shù)。郵編：163318

2011-08-30

姜 婷)

PI,2011,25(6)：16～18

·方法研究·