水平井熱示蹤流速測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬*

韓連福, 李靜茹, 侯昱東, 付長(zhǎng)鳳, 劉興斌

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司人才開(kāi)發(fā)院 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

油水兩相流測(cè)量是石油工業(yè)亟待解決的重要難題，雖已得到廣泛研究，但目前仍沒(méi)有研制出能可靠運(yùn)行、故障率低的低流速、高含水的油水兩相流流速測(cè)量?jī)x器，因此仍需要長(zhǎng)期攻關(guān)?；谟退畠上嗔髁魉贉y(cè)量的研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出將熱示蹤的原理應(yīng)用于水平井、高含水、低產(chǎn)液、含砂油井流速測(cè)量方向的研究[1-2]。熱示蹤流速測(cè)量?jī)x主要由熱源和傳感器陣列組成[3]，其熱源的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳感器位置的參數(shù)對(duì)流速的測(cè)量精度影響較大。因此優(yōu)化儀器的設(shè)計(jì)參數(shù)，減少內(nèi)置器件對(duì)管道內(nèi)流體的影響，可以提高熱示蹤流速測(cè)量?jī)x器的精度[4]。模擬優(yōu)化熱示蹤流速測(cè)量?jī)x模型，分析水平管道內(nèi)油水兩相流流動(dòng)和傳熱的機(jī)理，對(duì)熱示蹤流速測(cè)量?jī)x在井下的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 流速測(cè)量原理

1.1 水平油水兩相流傳熱原理

熱示蹤流速測(cè)量?jī)x在流體管道的傳熱機(jī)制有3種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射[5]。在不流動(dòng)的液體中發(fā)生的傳熱現(xiàn)象主要是熱傳導(dǎo)作用，在流動(dòng)的液體或氣體中發(fā)生的傳熱現(xiàn)象主要是熱對(duì)流或熱輻射作用。熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的熱源部件在管道內(nèi)與流體的傳熱主要涉及熱對(duì)流，不考慮熱傳導(dǎo)和熱輻射對(duì)流體溫度的影響[6]。

熱對(duì)流是一種取決于流體運(yùn)動(dòng)的傳熱現(xiàn)象，只能在流動(dòng)的流體中發(fā)生。傳熱問(wèn)題通常涉及液體與固體壁直接接觸時(shí)的傳熱，有效液體與固體壁之間的傳熱過(guò)程稱為對(duì)流傳熱，其特征在于，在壁表面附近總是有一層液膜，液膜的傳熱取決于導(dǎo)熱率，而液層外的熱傳遞主要取決于對(duì)流[7]。流動(dòng)是液體和氣體傳熱的主要方法，氣體熱對(duì)流比液體熱對(duì)流更為明顯[8]。

對(duì)流換熱的計(jì)算表達(dá)式如下：

Qa=aA(Tw-Tf)

(1)

qa=a(Tw-Tf)

(2)

式中：Qa為單位時(shí)間換熱量，W；qa為單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的換熱量，W/m2；Tw為固體溫度，℃；Tf為流體溫度，℃；a為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；A為對(duì)流換熱面積，m2。對(duì)流傳熱系數(shù)a不是物理屬性參數(shù)，與多個(gè)因素相關(guān)聯(lián)，例如流體運(yùn)動(dòng)的原因、流動(dòng)狀態(tài)、是否存在相變、流體的物理性質(zhì)、流體的形狀和相對(duì)位置[9]。

1.2 熱示蹤法測(cè)量流速原理

在流道上游和下游各放置一個(gè)溫度傳感器，距離為l，隨著流體的流動(dòng)，來(lái)自管道上游方向的溫度信號(hào)流經(jīng)傳感器并被上游傳感器和下游傳感器捕捉，傳感器內(nèi)的信號(hào)敏感器會(huì)對(duì)流體內(nèi)部的隨機(jī)流動(dòng)噪聲產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制作用[10]，隨著調(diào)制作用信號(hào)敏感器的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，上游傳感器和下游傳感器的信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后解調(diào)出流動(dòng)噪聲信號(hào)x(t)和y(t)。

2個(gè)溫度傳感器距離已知，當(dāng)流體動(dòng)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，上游傳感器和下游傳感器解調(diào)出的噪聲函數(shù)分別為x(t)和y(t)，2個(gè)函數(shù)存在時(shí)間差τ，互相關(guān)運(yùn)算關(guān)系如式(3)所示:

(3)

互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算關(guān)系式Rxy(τ)曲線所對(duì)應(yīng)的τ0為2個(gè)噪聲信號(hào)時(shí)間差，可由式(4)計(jì)算出流體的傳播速度[11]：

v=l/τ0

(4)

式中：v為流體的速度，m/s；l為流道上游和下游溫度傳感器之間的距離，m。

2 水平熱示蹤流速測(cè)量?jī)x物理模型

針對(duì)熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的應(yīng)用環(huán)境，選擇水平管道內(nèi)徑為 30 mm的小管徑，水平管道長(zhǎng)度為 0.5 m，在管道內(nèi)部距離入口處設(shè)置長(zhǎng)方體熱源。加熱流場(chǎng)幾何模型如圖1 所示，其長(zhǎng)寬高表示為L(zhǎng)、W、H，管道內(nèi)流體為水和油，并考慮流體為不可壓縮的牛頓型流體。

圖1 加熱流場(chǎng)幾何模型

3 數(shù)值模擬

3.1 不同熱源材料模擬結(jié)果分析

熱示蹤流速測(cè)量?jī)x內(nèi)熱源材料的選擇會(huì)影響管道內(nèi)標(biāo)記熱流的分布情況，在熱源材料選擇研究中將研究長(zhǎng)方體形熱源的不同材料屬性對(duì)傳熱性能的影響。

熱源材料分別選擇銅、鋁、鎳、鋼、金5種材料，在相同的加熱功率300 W和相同的流速背景條件下利用管道熱源后方中心位置處的溫度傳感器采集最高溫度信號(hào)。5種材料熱源加熱溫度變化情況如圖2所示，可知在同一物性條件下的溫度傳感器采集到的最高溫度信號(hào)會(huì)隨著管道內(nèi)的流體流速的增加而逐漸降低。在流速范圍為0.081 8～0.164 m/s時(shí)，溫度傳感器探測(cè)到的溫度信號(hào)里面，鋁質(zhì)長(zhǎng)方體形熱源采集到的不同流速的溫度信號(hào)最高溫度均高于其他材料采集到的最高溫度信號(hào)。在0.164～0.491 m/s流速之間，溫度傳感器探測(cè)到的鋁質(zhì)熱源采集到的最高溫度信號(hào)和金質(zhì)熱源采集到的最高溫度信號(hào)幾乎相同而且高于其他材質(zhì)的最高溫度，但是由于金質(zhì)熱源的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁質(zhì)熱源，所以在熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的熱源材料應(yīng)該選用鋁質(zhì)熱源。

圖2 5種材料熱源加熱溫度變化

3.2 溫度傳感器陣列放置最佳位置

經(jīng)過(guò)熱源加熱后，流道溫度場(chǎng)沿著管道中心線的位置呈現(xiàn)中心對(duì)稱分布。在流道溫度場(chǎng)的橫截面上，流道中心點(diǎn)的溫度最高并且沿著半徑方向向周圍逐漸遞減，由此可見(jiàn)，流場(chǎng)內(nèi)橫截面溫度場(chǎng)的溫度最高點(diǎn)在中心線上，故徑向應(yīng)將溫度傳感器放置在中心線上。

由于熱源在管道內(nèi)占據(jù)一定的體積，因此熱源的存在會(huì)阻礙流體的流動(dòng)，致使管道內(nèi)流體湍流動(dòng)能的變化[12]，從而破壞了管道內(nèi)流體穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，會(huì)使在管道后方放置的用來(lái)采集溫度信號(hào)的溫度傳感器在捕捉溫度信號(hào)時(shí)產(chǎn)生誤差[13]。湍流動(dòng)能值在熱源放置的中心位置處達(dá)到最大，如圖3所示。由湍流動(dòng)能圖分析可知，在0.161～0.491 m/s的流速范圍內(nèi)湍流強(qiáng)度在管道內(nèi)距離入口200 mm處均趨向于零。由于流體流經(jīng)熱源后，距離熱源位置越遠(yuǎn)，熱流場(chǎng)越容易受到熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的影響，降低溫度傳感器捕捉溫度信號(hào)的能力，因此管道內(nèi)距離入口200 mm位置處，應(yīng)該為湍流動(dòng)能條件下的放置溫度傳感器的最佳位置。由以上分析可知，熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的捕捉溫度信號(hào)的溫度傳感器應(yīng)安裝在距流道入口200 mm的中心線位置處。

圖3 流道中心線湍流強(qiáng)度

4 試 驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示，系統(tǒng)由油相管路、水相管路和砂相管路和三相管路控制閥及熱示蹤流速測(cè)量?jī)x構(gòu)成。打開(kāi)控制閥，油水砂經(jīng)過(guò)穩(wěn)流段穩(wěn)定后，通過(guò)熱示蹤流速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，最后流體流到分離罐中進(jìn)行油水分離。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

制作的水平熱示蹤流速測(cè)量?jī)x內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。試驗(yàn)條件如下：管徑為30 mm、加熱功率為387.5 W、流速范圍為0.049 1～0.393 m/s、含水率范圍為95%～100%。

圖5 水平熱示蹤流速測(cè)量?jī)x內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.2 流速測(cè)量精度分析

為考察儀器在水平井中的測(cè)量精度，含水率以1%為步進(jìn)，從95%增加到100%，流速以0.032 7 m/s為步進(jìn)，從0.049 1 m/s到0.393 m/s。為降低偶然性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在同一條件下進(jìn)行了15次試驗(yàn)，將平均值作為測(cè)量結(jié)果，相對(duì)誤差較大的部分試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，含水率96%和含水率98%曲線和理論測(cè)量曲線基本吻合，從定性角度講，儀器的測(cè)量精度較高。含水率為96%時(shí)，流速測(cè)量結(jié)果在0.393 m/s時(shí)出現(xiàn)最大偏差，最大偏差為0.01 m/s，此時(shí)誤差為2.6%，但最大相對(duì)誤差的點(diǎn)出現(xiàn)在流速在0.376 m/s，其值為3.9%；含水率為98%的時(shí)，流速測(cè)量結(jié)果在0.393 m/s時(shí)出現(xiàn)最大偏差，最大偏差為0.147 m/s，此時(shí)測(cè)量誤差為3.8%，此誤差也是最大誤差。由以上分析可知，系統(tǒng)的最大誤差為3.9%，測(cè)量精度較高。

圖6 不同含水率下儀器測(cè)量結(jié)果

5 結(jié) 論

1)溫度傳感器探測(cè)到的鋁質(zhì)熱源采集到的最高溫度信號(hào)和金質(zhì)熱源采集到的最高溫度信號(hào)幾乎相同而且高于其他材質(zhì)的最高溫度，但是由于金質(zhì)熱源的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁質(zhì)熱源，所以熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的熱源材料應(yīng)該選用鋁質(zhì)材料。

2)管徑為30 mm的熱示蹤流速測(cè)量?jī)x的捕捉溫度信號(hào)的溫度傳感器應(yīng)安裝在距流道入口200 mm的中心線位置處。

3)當(dāng)流速為0.049 1～0.393 m/s時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的最大誤差為3.9%，測(cè)量精度較高，滿足油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。