目前,国内大部分油田已处于高含水和特高含水时期,传统的产出剖面测量方法已经不能很好地满足油田开发的需求,需要研究新的测量方法提高测量精度和可靠性,来解决油水两相流测量问题。将电磁法应用于井下高含水油水两相流流量测量有希望解决产出剖面测井问题。电磁欧宝官方(中国)官方网站结构简单,具有可靠性高、精度高的特点,其内部无活动部件和阻流元件,不会发生管道堵塞、砂卡、磨损等问题,可以作为涡轮欧宝官方(中国)官方网站的补充。
大庆油田已经开展了应用电磁法进行油水两相流流量测量的方法研究。室内实验表明,在高流量高含水率的条件下,可以应用电磁法进行油水两相流流量的测量;但在低流量低含水率时,该方法的使用受限。因此本文提出了一种分流式的结构,通过分流部分油来提高测量通道内的含水率,进而拓宽原有仪器对两相流的适应性和测量范围。
1.分流式仪器结构及分流法原理
拟采用的仪器安装在套管内,其(除传感器部分)剖面结构如图1所示,包括集流伞电机,上、下进液口,集流伞,分流管,上、下出液口,封隔器,测量电极和电路控制等部分。
分流原理为:油水混合物由下向上流动时,由于油水之间的密度差异,轻质相的油要比水流得快,产生滑脱现象,油向上漂并在集流伞处堆积,当堆积到上进液口处时,上层的油将从上进液口流入仪器,下方含有少量油的水通过下进液口进入并流入分流管,从而分流了混合物中的一部分油,提高了测量电极处测得的含水率。
仪器中上进液口与下进液口之间的距离、分流比(分流管的截面积与仪器内部截面积之比)和分流管的位置等是影响分流效果的关键因素。本文通过仿真,对影响分流效果的上进液口和下进液口之间的距离进行优化。
2.建模及仿真条件
用 GAMBIT建立二维剖面模型。其中,模拟井筒的内径为126mm,仪器外径为42mm,仪器流道内径为20mm,分流比为30%。由于需要通过仿真研究上、下两个进液口的间距,因此在建立模型时,固定上进液口的位置不变,通过改变下进液口的位置来改变两个进液口之间的距离。考虑井下仪器可以实现的范围,分别设置两个进液口间距为4m,20mm和30mm。在其它条件相同的情况下,利用 FLUENT有限元仿真软件对分流式电磁欧宝官方(中国)官方网站内部油水两相流流场进行二维的仿真研究,分析分流管内部的油水比例,从而得到两个进液口之间的合理距离。
利用 FLUENT软件仿真前需设置流体的流动方式,流体流动分为层流流动和湍流流动。判断是层流还是湍流,要看雷诺数是否超过临近雷诺数。一般取临界雷诺为2320,即:当Re<2320时,管中是层流;当Re>2320时,管中为湍流。雷诺数的定义为:
Re=pvl/η (1)
式中,P为流体的密度,在此为油水两相的加权密度;v为流体的流速;为l管道内径,在此为井筒直径D; η为流体的粘度系数。
设流体流量为q,则流体的流速由下面的公式计算:
V=4q/πD² (2)
由于流体为油水两相的混合物,含水率都在70%以上,为水包油类型。因此η采用 Mcadams公式进行计算:
η=[ρo(1-ψw)+ρwψw]/[ρo(1-ψw)/ ηo+ρwψw/ηw] (3)
式中:ρo是油的密度,ρw是水的密度,ψw为含水率, ηo为油的粘度系数,w为水的粘度系数。
仿真实验点设置为流量为20m³/d、150m³/d和300m³/d,对每个流量点的含水率分别设置为70%,80%和90%,由(1)、(2)和(3)式可得到各个仿真实验点下的雷诺数。经计算,只有当流量为20m³/d时三种不同含水率下的油水两相流的雷诺数值小于临界值,可视为层流;其他流量点下的雷诺数值均大于临近值,可视为湍流。
3 .FLUENT仿真的流场分布
由分流式电磁欧宝官方(中国)官方网站的原理知,测量通道内的含水率受上、下进液口间距影响,但其不会影响两相流的流型和流态,因此本文只给出了上、下两个进液口间距为30mm时分流仪器的内部流场仿真云图。如图2所示。
由仿真云图可以看出
1)低流量时,分流管内部都只含有少量的油,分流管的加入起到了分流效果;流量较高(大于100m³/d)的情况下,油水两相流的流速也较高,流体混合均匀达到乳化状态,流动过程中在集流伞下方油的堆积现象不明显,因此分流管中的油含量比低流量时相应含水率情况下的油含量要有所增多。
2)各个流量点下随着含水率的增加,油泡的数量越来越少,尺寸越来越小。
3)层流状态下,在油水两相流进入仪器前,油泡为体积较大的块状;而在紊流状态下,油泡在进人仪器前体积较小,且呈现聚集状态;分流管的存在,对两相流动有一定的阻碍作用,与底部聚集的油泡相比,其在分流管内呈现不规则形状。
利用仿真云图只能进行直观观察,难以定量确定哪种结构的分流效果好,因此使用 FLUENT软件中的Report功能来定量计算分流管内的含水率值。在仿真稳定后取10个采样点(每两个采样点之间流体的流动时间为0.2s)的平均值作为分流管内部的含水率值。表1为计算的三种结构下分流管内部的含水率值。由表1可以看出,在三种不同的结构下,分流管内部的含水率皆大于标准配比下的含水率,说明分流管的加入起到了分流效果,低流量时,分流效果尤其明显;当流量较高时,分流效果存在但不明显,这是因为流速较高,油水间的滑脱小,但此时油水混合均匀,接近乳化,其性质与单相水接近,更适合于电磁欧宝官方(中国)官方网站的工作条件;当上进液口和下进液口的间距为30mm时,与较小的间距相比,在相同流量和含水率情况下分流管内部含水率相对较高,即当两个进液口间距为30mm时,分流效果ZUI好。
4.结论
1)分流方法应用于电磁欧宝官方(中国)官方网站能提高测量电极处的含水率,尤其适合在低流量时使用;高流量(大于100m³/d)条件下,由于流速较高,油水间滑脱速度小,分流效果不明显,但此时油水两相的混合均匀,性质与单相水接近,更适合电磁欧宝官方(中国)官方网站的工作条件,因此在高含水油水两相流流量测量上可以采用本文提出的应用电磁法的分流式结构。
2)与较小的间距相比,当上、下进液口间距较大(对于本文所提出的分流式结构,选择30mm)时,分流式电磁欧宝官方(中国)官方网站的分流效果ZUI佳。
综上所述,分流式电磁欧宝官方(中国)官方网站的设计可行,对于本文所提出的分流式结构的电磁欧宝官方(中国)官方网站,当两个进液口间距为30mm时的分流效果ZUI佳。