新型超稠油取樣器的二維數(shù)值模擬

修麗群

摘 要：目前常規(guī)超稠油取樣器通常是短管與管線相接進行局部取樣，樣品含水率誤差大；并且由于取樣器暴露在室外冬季易凍堵。為完善取樣技術(shù)，設(shè)計了一款新型球形閥旋轉(zhuǎn)取樣器，通過球形閥的旋轉(zhuǎn)將管道中一段區(qū)域內(nèi)的流體完整取出，有效減小取樣誤差，并且取樣過程不影響管道正常運行，還可充分利用管道中流體的溫度，避免發(fā)生凍堵現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬分析含水率、流體速度、油品粘度及球形閥旋轉(zhuǎn)速度對樣品含水率誤差的影響。通過計算分析可得適用于該取樣器的最佳工況條件，對該新型超稠油取樣器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用及推廣有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān) 鍵 詞：取樣器；凍堵；含水率誤差；數(shù)值模擬

中圖分類號：TQ 018 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1896-04

Abstract： Currently conventional super heavy oil sampler is to use short tube to connect the pipe to subsample， which can make error because of the uneven distribution of fluid in the pipeline. Since the sample is exposed to the outdoor partly， heat of the fluid is easy to dissipate in the sampling process， causing frozen blocking phenomenon. To improve the sampling technique， a new type of ball valve rotary sampler has been designed， which can take out the fluid of the entire region of the pipe section by rotating the ball valve， reducing the sampling error effectively. And the sampling process does not affect the normal operation of the pipeline， it can also take advantage of the temperature of the fluid， avoiding frozen phenomenon. Through calculation and analysis， the best working condition for the new this sampler can be found.

Key words： sampler； frozen block； moisture content error； numerical simulation

目前超稠油管道中常用的取樣器是短管與管線搭接而成的，取樣位置固定且片面，造成取樣誤差；取樣器局部暴露在室外，流體溫度易散失造成凍堵現(xiàn)象[1-4]。國內(nèi)外許多學(xué)者對于超稠油取樣器的改進多是從改變保溫層材質(zhì)或是改變?nèi)游恢贸霭l(fā)，未能有顯著效果[5，6]。本文設(shè)計的新型超稠油取樣器，在球形閥的基礎(chǔ)上進行了一系列的優(yōu)化設(shè)計，克服了常規(guī)取樣器取樣位置片面，不易保溫的缺點。該取樣器作為管道中的一部分，可通過球形閥旋轉(zhuǎn)將管道內(nèi)一段完整流體取出，有效減小取樣誤差；并且在取樣過程中可充分利用管道中流體的熱量防止超稠油遇冷形成凍堵。此外，該取樣器內(nèi)部有兩條相互垂直的流通通道，球形閥取樣旋轉(zhuǎn)90°后，管道中的流體可通過垂直通道通過取樣器，不影響管道正常運行。本文將該取樣器簡化為二維模型，通過數(shù)值模擬對取樣過程中球形閥內(nèi)被困流體的油水相分布進行分析，運用單一變量法改變超稠油的含水率、流動速度、油品粘度及取樣器取樣時的旋轉(zhuǎn)速度，分析所取樣品的含水率誤差，比較不同工況下該取樣器的取樣效果。本文的研究，對該新型取樣器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用及推廣有一定的指導(dǎo)作用。

1 取樣器結(jié)構(gòu)和原理

利用SolidWorks建立新型超稠油取樣器模型（見圖1）。

該取樣器可安裝在油品正常流動的管道之中，在無需取樣時，油品從油品入口流入取樣器內(nèi)，從油品出口流出取樣器，此時該取樣器僅為管道中的一部分，不影響油田正常生產(chǎn)。當(dāng)需要對其進行取樣時，扳動手柄使球形閥轉(zhuǎn)動90°，此時閥內(nèi)被困的一定量油品跟隨其同步轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)取樣閥門，使取樣出口與閥內(nèi)腔連通，在壓力和動能作用下，油品從取樣出口流出完成取樣工作。在取樣過程中球形閥的油品流道正對油品進口，此時管道中的油品可以通過閥體上下兩端的流道流過取樣器，這樣在取樣過程中不會影響管道中油品的正常流動。

2 數(shù)值計算

2.1 模型的建立及網(wǎng)格的劃分

新型超稠油取樣器的三維模型構(gòu)造復(fù)雜，直接進行數(shù)值模擬比較繁瑣，且取樣過程為水平旋轉(zhuǎn)運動，取樣器取樣部分和管道都是圓柱體。因此，將三維模型簡化為二維模型，為了達到計算目的和動網(wǎng)格的相關(guān)要求，建立超稠油取樣器簡化的二維模型。

ICEM提供了多種網(wǎng)格劃分方法，結(jié)合取樣器二維模型，將模型劃分為三個部分，分別采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方式，直接進行面網(wǎng)格劃分，再將兩個弧形曲面定義為Interface，使得二維模型可以流通（見圖2）。

2.2 邊界條件的設(shè)定

對于邊界條件的定義，F(xiàn)LUENT提供了更為全面的定義方法，在ICEM中對邊界條件的定義主要是定義邊界條件的種類。此例中定義二維模型流體入口為速度入口邊界條件，流體出口為自由流邊界條件，弧形曲面為交界面，其余部分認為墻壁邊界。

2.3 選擇計算模型

選擇VOF模型，基于VOF模型依靠的是兩相（多相）流體之間沒有互相穿插這一事實，由于取樣器中為油水混合物，為了檢測油水界面的變化情況選擇VOF模型。對于增加到模型里的每一附加相，模型引進一個變量來表示此附加相。即計算網(wǎng)格單元里相的容積比率，在每個控制容積內(nèi)，所有相的體積分數(shù)之和為1，采用標準k-?模型進行湍流計算，得到的計算結(jié)果較準確。

3 結(jié)果分析

采用單一變量法進行計算，分別改變樣品含水率、流體入口速、樣品粘度、球形閥轉(zhuǎn)速，進而分析取樣誤差的變化規(guī)律，其基本參數(shù)如表1所示。

利用ANSYS軟件cfd-post模塊中的計算命令，對二維模型中旋轉(zhuǎn)部分內(nèi)流體油水相分布中含水率取平均值，通過（所得含水率-初始含水率）/初始含水率，取絕對值得到含水率誤差。通過數(shù)據(jù)整理得出的取樣器不同工況下的含水誤差關(guān)系曲線（見圖7—圖10）。

結(jié)合圖3可知：當(dāng)管道內(nèi)流體初始含水率低于30%時，水的體積分數(shù)較小，成顆粒狀存在超稠油中，取樣過程中受擾動導(dǎo)致樣品含水率誤差升高；當(dāng)初始含水率增加時，油水分布趨于均衡，含水率誤差有下降趨勢，含水率增加到30%以上時，含水率誤差降到1%以下，且隨含水率的增加取樣誤差趨于平緩。

結(jié)合圖4可知：入口流體速度較小時，油水分布比較均衡，取樣過程中受到擾動較小，含水率誤差很低；隨著入口流速的逐步增加，擾動加劇，油水分布平衡被打破，含水率誤差急劇上升；當(dāng)?shù)饺肟谒俣仍龃蟮?.1 m/s左右時，含水率誤差達到峰值；隨著速度的增加而快速的下降，當(dāng)速度大于0.15 m/s時含水率誤差低于0.1%，可以忽略不計。從整體來看，由不同入口速度變化造成的含水率誤差基本都在0.5%以下，速度的變化對于取樣的含水率誤差影響不大。

結(jié)合圖5可知：不同粘度下油水相分布圖變化不大，同時誤差關(guān)系曲線顯示流體粘度對于誤差的影響比較小，基本低于1%以下，因此含水率誤差受粘度的影響不是很明顯，只體現(xiàn)出粘度增加會導(dǎo)致誤差略微增長的趨勢。

結(jié)合圖6可知：由轉(zhuǎn)速為15°/s的油水分布圖可觀察到，此時油水間受到擾動較為劇烈，因此含水率誤差在較低轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)較大的誤差；之后隨著轉(zhuǎn)速的增加而迅速降低，當(dāng)取樣器轉(zhuǎn)動速度達到50°/s左右時，油水分布趨于平穩(wěn)，不在隨著轉(zhuǎn)速的增加發(fā)生明顯變化，含水率一直穩(wěn)定在1%以下。

4 結(jié) 論

（1）在超稠油開采初期應(yīng)用新型取樣器時，所取得樣品含水率誤差因含水率較低而誤差較大，當(dāng)含水率在大于30%，誤差降低到1%且趨于平穩(wěn)。該取樣器適用于開采中期或后期較高含水的超稠油采樣。

（2）超稠油輸送的速度和粘度對該取樣器的取樣誤差影響較小，均低于1%，且隨速度和粘度的變化而產(chǎn)生的變化波動不大，基本趨于平緩。

（3）應(yīng)用該取樣器進行取樣時，旋轉(zhuǎn)過慢會導(dǎo)致取樣誤差增大，通過分析得出將取樣的旋轉(zhuǎn)速度控制在30 ～60°/s之間較為理想。

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