近水平DN 20仿仪器流道数值模拟分析

邓茜珊

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163000)

近水平DN 20仿仪器流道数值模拟分析

邓茜珊

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163000)

水平井产出剖面测井仪内流道(DN20)流体流动，对测井精度和解释精度有很大影响，实体实验成本高、耗时长，为此采用FLUENT数值模拟的方法对仪器流道油水两相流动规律进行研究。采用FLUENT对近水平DN20管径进行模拟，模拟获得持水率与实体实验进行校验，获得适合于模型的最佳参数，并考察了影响压差大小的几种因素。模拟结果表明，采用VOF模型，管道前半段长度为500 mm、倾角0.3°，后半段长度为199 mm、倾角-0.2°时，流量介于5～20 m3/d，含水率介于20%～90%时，模拟得到的流型及持水率与实体实验一致；湍流模型、流体密度、粘度、油水两相表面张力对模拟结果影响不大；随着流量、含水率、管道内壁粗糙度、管道长度等的增大，压差均会升高。模型的准确建立可为部分取代实体实验奠定基础，同时丰富了实验数据，对管道内部流体流动规律有了进一步的认知。

测井仪器；产出剖面；数值模拟；微倾斜角度；压差；持水率

0 引 言

FLUENT软件是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动问题的专业CFD软件[1]，它对每一种物理问题的流动特点，采用适合它的数值求解，选择显示或隐式差分格式，在计算速度、稳定性和精度上达到最佳[2]，高效率的解决各个领域的复杂流动的计算问题。

对水平井生产测井, 以往大多研究套管(125 mm)内油水两相流体流动规律，而大庆油田用产出剖面测井仪测量经过仪器集流伞后、进入仪器通道(20 mm)内的流体，流体流型、持水率等规律均会发生巨大变化，对测井精度及解释精度均有影响。因此，不仅需要了解套管内油/水两相流流动的规律, 更需要把握测井仪器内部流体规律，为后期生产测井资料处理解释提供参考。目前对20 mm管径油水两相研究较少。天津大学张煜等人曾对集流后水平油水两相流管进行了数值模拟研究，总结出了集流后20 mm管内瞬态流型达到充分稳定发展的最佳流型时间和管轴向空间位置，并没有验证数值模拟模型的可靠性。

本文采用FLUENT软件对水平DN20仿产出剖面测井仪器内部进行模拟，通过不断修正影响数值模拟的各个参数，将模拟结果与实验进行对比分析，证明模型的可用性和仿真结果的可靠性，为研究流场的物理特性提供了辅助工具。模拟结果表明，流体密度、粘度、油水两相表面张力对模拟结果影响不大，网格大小影响了模型计算精度及计算时间，VOF模型更适用于层流模型，不同的湍流模型只影响流体达到稳定时的距离，管道长度的选择及微倾斜角度的大小是重要影响参数，分别影响了模拟结果的流型及持水率大小。这些参数对模拟结果的影响，为今以后数值计算提供了一定参考价值。

对不同流量及含水率进行模拟，得到持水率与室内实验结果对比，其数据在一定流量、含水率下具有一致性。得到的压差曲线与室内实验具有相同趋势。模拟结果初步验证了数值模拟的可靠性，为部分取代实验奠定基础，对管道内部流体流动规律有进一步的认知，为测井仪器研发和改进以及测井解释完善提供更全面完整的参考数据。

1 研究对象及模型的建立

以0° 流量为5 m3/d，含水率为90%流量点进行模拟，与室内实验对比，对参数进行校正，模拟所用流体材料属性见表1。

设置两个入口，上入口为油，下入口为水，管道整体长度为700 mm。入口边界条件设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口。管道长度的选择及微倾斜角度的大小是影响流体流型及持水率的重要参数[5]，因此考察了管道微倾斜角度、长度的影响。模型网格是影响计算速度和精度的重要参数，因此需要选择合适的网格大小。

表1 流体材料属性

1)倾斜角度

设置管道长700 mm，以距入口处500 mm作为分界点，设置前半段500 mm倾斜角度为0.3°，改变后半段200 mm倾斜角度α分别为-0.1°、-0.2°、-0.3°，其中倾斜管道与水平线顺时针夹角定义为正角度。DN20 mm 管道模型示意图如图1所示，模拟结果见表2。

图1 DN20 mm 管道模型图

由表2可以看出倾斜角向负角度增加时，持水率降低，油水两相液面高度随之降低。当倾斜角度为-0.25°时，持水率远高于实验值，而-0.3°时，持水率远低于实验值，说明管道内部形成的储油区域应介于二者之间，因此,需要进一步通过调整后半段长度，从而调整储油区域。

表2 不同微倾斜角度下，仿真结果与实验结果对比表

2)管道长度

设置前半段管道长度为500 mm，后半段倾角设置为-0.2°，分别考察后半段长度为190、195、197、199、200 mm的影响，与实验流型图进行对比，最终确立管道形状及参数，见表3。

由表3可以看出，随着后半段管道长度增加，持水率降低。当长度为199 mm时，持水率为0.719，与实验所得结果最为接近，而油水两相界面高度也最为接近。由于管道存在微倾斜角度，油相密度小于水相密度，油漂浮在管道上方，在管道内部形成储油空间，随着负角度的增加，储油空间逐渐增大，油相聚集管道上方增多，从而油水界面高度降低。

表3 不同管道长度下，仿真结果与实验结果对比表

3)网格大小

网格单元设置过大，相应网格数目过少，计算精度下降。网格单元小，则网格数目多，计算时间过长。网格大小采用2 mm比较适中，总网格数为33 562。几何方法生成网格后，还必须进行光滑处理，对畸变率较大的网格自动进行划分或调整。

2 参数选择

1)多相流模型的选择

FLUENT软件中多相模型包括VOF、Mixture及Eulerian，这三种模型选择的原则为：泡状流、栓塞流、分层流选择VOF模型；均匀流动采用混合模型，粒子流选择欧拉模型。室内实验0° 流量5 m3/d，含水率90%时流型为层流，只有VOF模型适用于分层流[3,4]。

2)湍流模型的选择

湍流模型的任务是给出计算湍流粘性系数的表达式，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续型方程和N-S对于湍流的瞬间运动都仍然适用。根据建立模型所需要的微分方程数目，湍流模型包括Inviscid(零方程模型)、Laminar(一方程模型)、κ-ε(双方程模型)。不同湍流模型得到仿真结果为流体流动稳定时，流型均为层流，并且油相高度均一致，差别只在于油水两相稳定的距离。以下模拟均采用κ-ε模型，求解算法和求解控制参数等参数都保持默认值。

3)油相密度、粘度、油水两相表面张力

其余条件不变，分别改变油相密度，粘度，油水两相界面张力等参数，考察管道内部持水率变化结果见表4。密度分别设置为815、825、835 kg/m3。粘度分别设置为0.008、0.007、0.006 kg/(m·s)。油水两相表面张力分设置为0.002 9、 0.003 4、0.003 9 n/m。

表4 不同油相密度、粘度、油水两相表面张力下，持水率变化表

表4显示，油相密度、粘度、表面张力等参数的改变，管道内持水率略微变化，但变化幅度不大，说明物理参数不是影响持水率变化的重要参数。

3 仿真结果分析

1) 持水率变化

不同流量、含水率下，持水率的实验值与仿真结果对比图版如图2所示，从图2可以看出，模拟算出的持水率曲线与室内实验得到的持水率曲线基本相符，随着含水率升高，持水率增大。低流量时，仿真结果与实验存在较大误差，随着流量增加仿真结果与实验误差逐渐减小。由于低流量对管道微倾斜角的变化较为敏感。流量大于5 m3/d时，模拟结果与实验比较吻合。

图2 不同流量及含水率下持水率的实验值与仿真结果对比

2) 压差变化

(1)模拟数据与实验数据对比

数值模拟的压差测量段为距入口225 mm处，每隔50 mm测量压差，共设置5个压差位置，这5个位置分别命名为1、2、3、4、5。

图3为模拟图版和流量为15 m3/d，含水率在50%～90%时，压差随压差位置变化实验图版。模拟图版给出的压差单位为Pa，实验给出的压差单位为kPa，由于实验室管道长，需要较大压力才能使油水两相顺利流经整个管道。从图3可以看出模拟结果与实验结果具有一致性，压差位置距入口越远，压差增加越大。

图3 模拟图版和不同含水率下压差随压差位置变化实验图版

图4为模拟图版和含水率50%～90%，压差随流量变化实验图版，从图4显示可以看出模拟图版与实验图版趋势上具有一致性，随着流量升高，压差增大，并且流量越大，压差变化越大。低流量时，压差对含水率变化不敏感，流量较高时，压差变化出现明显差异。

(2)壁面粗糙度对压差影响

图4 模拟图版和不同含水率下压差随流量变化实验图版

实验室DN20管道内部粗糙度为0.8 μm，考察了粗糙度为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 μm时压差变化。图5为壁面粗糙度对压差的影响曲线，图5显示，随着粗糙度增加，压差略微增大，由于数值仿真考察的压差段较短，粗糙度对压差产生的影响不明显。

(3)管道长度对压差影响

将模型后半段长度分别设置为100、150、180、195、199、200 mm，设定流量为5 m3/d，含水率为90%，按上述相同条件进行模拟，得到管道长度对压差影响图版如图6所示。

由图6可以看出，随着管道长度增加，压差变大，当管道长度由199 mm增长至200 mm时，压差出现了较大幅度的增大。

管道增长时，管道内部持水率降低，油相粘度大于水相粘度，流体的管内摩擦系数增大，压差增大。

图6 管道长度对压差影响图版

4 结束语

对水平井仪器流道内油水两相流流动特性进行研究，对水平井产出剖面的测量及解释具有重要意义。采用计算流体动力学软件Fluent，对水平DN20 mm分层流进行模拟，对可调参数进行校正，将数值模拟结果与实验结果进行对比，验证了数值模拟模型的正确性，为部分取代实体实验奠定了良好基础，分析模拟结果对管道内流体流动规律有进一步的认知。

[1] 李 勇，刘志友，安亦然. 介绍基数按流体力学通用软件-Fluent [J]. 水动力学研究与进展，2001,16(2):254-258.

[2] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺,等. 液化天然气技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2003:18-20.

[3] 韩占忠. FLUENT-流体工程仿真计算实例与应用.北京理工大学出版社，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] 郑希科，刘兴斌，朴玉琴,等.水平井油水两相管流流量和含水率测量方法实验研究[J].测井技术，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

邓茜珊,女， 1982年生， 工程师，2010年毕业于齐齐哈尔大学分析化学专业，获硕士学位，现主要从事多相流数值模拟和核测井数值模拟研究。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 编辑：高红霞)