油气水流量测量仪的混合器设计及仿真研究.pdf

2 0 1 1年 9月 第 2 6卷 第 5期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u rna l o f X i a l l S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n S e p．2 01 1 V0 1 ． 26 No． 5 文章编号 1 6 7 3 436 4 X 2 0 1 1 0 5 - 0 0 5 6 4 3 4 油气水流 量测量仪 的混合器设计及仿真研 究 吴 征 ， 张瑞萍2 ， 刘 彤2 ， 崔之健 1 ． 中国地质大学 北京能源学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 西安石油大学 机械工程学院， ．陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 3 ． 西安石油大学 石油工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 为了保证油气水流量测量的精度 ， 研制 了一种不 占用中心通道 的静 态混合 器， 仿真和试验表 明 ， 在产生很 小压差的情况下， 混合 器可以达到 良好的混合效果 ， 为油气水流量精确测量提供 了有 效 的均相 方 法． 关键词 油气水流量仪 ； 混合器； 结构设计；仿真实验 中图分类号 T E 9 3 8 ． 5 文献标识码 A 智能完井系统 中， 需要对各生产层的流量进行 测量 ， 井下流量测量的技术难度主要体现在 ① 井下流体多为油气水三相流 ， 流型复杂， 对精确测量 带来 了很大 困难 ； ②不同流体相之 间有滑动现象 ， 严 重影响了测量精度； ③在斜井、 多分支井、 水平井中， 流体静压不足 ， 对测量结果带来了严重 的误差． 为了 解决上述 问题 ， 需要对油气水三相流进行混合 ， 但现 有的混合器 多 占用 中心通道 4 。 ， 一方 面影 响测试 仪器 的下 入通道 ， 另一方 面带 来 了较大 的生 产压 差 ． 本文设计 了一种不 占用 中心通道 的混合器 ， 通过设计 、 仿真和试验， 证实了该混合器有 良好的混 合效果， 为油气水的均相提供了一种有效的方法． 1 混合器 的设计 本文设计的混合器利用生产井的油管与套管所 形成的环形空间作为油 、 气 、 水三相混合装置的混合 空间 ， 三相混合装置不 占用油、 气 、 水管道通径 ， 加大 了油 、 气 、 水在管道 中的流动空间 ， 使其能够充分混 合均匀 ， 且不影响生产井 中油管和套管的正常工作． 混合器如图 1所示． 1 ． 上接 头； 2 ． 下接头； 31 ． 扰流套 1 ； 3 2 ． 扰流套 2 ； 3 3 ． 扰流套 3 ； 34 ． 扰流 套4； 4 ． A型扰流盘 ； 5 ． B型扰流盘 图 1 混合器的机械设计图 Fi g ． 1 S c he m a t i c d i a g r a m o f t h e m i x e r 2 混合器的仿 真 应用 F L U E N T软件 j ， 建立 了理论模 型 ， 对 所 设计的静态混合器进行仿真． 2 ． 1 计算模型的确定 所模拟的三相介质 ， 在管道内的各种流型 中相 与相之间存在着明显的分界 面， 因此针对所研究的 问题选定 V O F V o l u m e F r a c t i o n o f t h e P h a s e 多相流 模型． V O F模 型依靠 2种或多种 流体 或相 ， 没有 互相穿插． 对增加到模型里 的每一附加相 ， 引进一个 变量 即计算单元里的相的容积 比率。 在每个控制容 积内， 所有相的体积分数之和为 1 ． 所有变量及其属 性的区域被各相共享并且代表 了容积平 均值 ， 只要 每一相的容积比率在每一位置是可知的， 这样 ， 在任 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 - 0 2 基金项目国家科技重大专项 编号 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 3 资助 作者简介 吴征 1 9 7 0 ． ， 男 ， 高级工程师 ， 博士研究生， 主要从事油气田开发工程研究． E - m a i l w u z h e n g p e t r o c h i n a ． c o n 、 吴征等 油气水流量测量仪的混合器设计及仿真研究 一5 7一 何给定单元 内的变量及其属性或者纯 粹代表 了一 相 ， 或者代表 了相 的混合 ， 这取决于容积 比率值． 换 句话说 ， 在单元中， 如果第 q 相流体的容积 比率记为 ，那么 。 有可能等于0 ， 也有可能等于 1 ， 或者 0 g 1 ． 2 ． 2 控制方程的建立 流体的流动受物理守恒定律 的支配 ， 包括 质量 守恒定律 、 动量守恒定律 、 能量守恒定律． 对混合器 的流体力学性能的模拟， 不考虑相间的传质和能量 的传递， 因此控制方程仅包括连续性方程和动量守 恒方程 ， 对于处于湍流状态的流动， 还需引人湍流输 运方程． 1 连续性方程 V 0 ， 1 该方程为质量守恒方程 的一般形式 ， 适用于可 压和不可压流动． 2 动量守恒方程 曼 ．上 v p u u 一 v P v f p g i F ， 2 其中， P为静压， 为应力张量，JD 和 分别为 方 向上的重力体积力和外部体积力 如离散相相互作 用产生的升力 ． 为模型的其他相关源项， 包括相 间的相互作用力， 各相与混合元件的摩擦力等． 应力 张量求算式为 【 一 扩 ㈩ 3 湍流方程 标准k s 方程是典型的两方程模型， 是目 前使 用最为广泛的湍流模型， 能够比较好地应用于环流 、 渠道流、 边壁射流和 自由湍流等复杂流动 ， 其许多模 化项是建立在假设各 向同性 的基础之上的． 模 型中 的 k和 是 2个基本未知量 ， 相对应的输运方程为 毒 差 】 G a ￡ a a L ＼， 。 ，r ，， a J G 6 一J D 一 S ； 4 舞 毒 [ 丝o J 1 Ox j】 a a a L ＼ 。 ‘ 】 G l 詈 G G 3 G 6 一 G 2 } S 5 式 4 和式 5 中的湍动黏度 可表示成 k 和8的 函数 ， 即 ， 1 k 6 式中， G 是由平均速度梯度 引起的湍动能 k的产生 项 ， 其值可由 G 薏 誊 薏 7 计算． 对于等温不可压缩流体 ， 由于浮力引起 的湍动 能 k的产生项 G 和可压湍流中脉动扩张的 的值 均为零， 对可压流体的流动计算中与浮力相关的系 数 c ， 也为零． 当不考虑用户 自定义源项时， S 0 ， S 0 ． 在标准 k - 8 模型中， 根据 L a u n d e r 等的推荐值及 其他学者的实验验证， 模型常数 C 、 、 o r 、 C 、 C 2 的取 值 为 C 0 ． 0 9 、 k1 ． 0 、 1 ． 3 、 C 1 1 ． 4 4、 C2 1 ． 9 2 ． 2 ． 3物理模型的建立 静态混合器的物理模型采用 A U T O C A D 2 0 0 6绘 图软件绘制 ， 如图 2所示． 图 2混合器的物理模型 Fi g． 2 Ph y s i c a l mo de l o f m i x e r 采用均相测量的方法， 因此在测量前将流体进 行充分 的 昆 合． 本文设计采用静态 昆 合器来实现对 三相流测量前的混合． 其最大特点是混合过程中不 占用流体的主要通道 ， 而且要在很短 的时间 内达到 较好的混合效果． 因而静态混合器 的设计主要是在 保证流体连续高效地混合的条件下还要使其压力降 不致过高． 2 ． 4 网格划分 模 型的网格划分采用 F L U E N T前处理器 G A M． B I T软件 ， 模型网格见图 3 ． 图 3静态混合器网格 Fi g． 3 G r i d d i v i s i o n o f m i x e r 对于 3 D模型， G A MB I T常用的网格单元主要有 四面体单元、 六面体单元和五面体单元 ， 其中五面体 单元还可分为棱锥形 或楔形 和金字塔形单元． 静 态混合器 由于混合元件的存在 ， 使得模型较为复杂， 因此在划分网格时采用混合网格 T G r i d 进行划分， 网格单元为 T e t ／ H y b r i d 网格主要 由四面体组成 ， 个 别位置可以有六面体、 锥体或楔形体 ． 经过网格划 西安石油大学学报 自然科学版 分得到 1 6 ． 9万多网格单元． 2 ． 5 边界条件 2 ． 5 ． 1 进 口边界条件 三相介质的进 口边界类型 均采用速度进 口边界 ， 即 V l ， i水 ， 柴油 ， 空 气 ， 方向与进 口截面垂直． 湍动强度可按经验公式 ，0 ． 1 6 R e 8 计算． 式 中 R e 。 为按水力直径 D 计算得到的雷诺 数． 水力直径 对于圆管， 水力直径 D 取圆管直径， 其他形状取等效直径． 2 ． 5 ． 2出口边界条件 1 出口边界取完全 发展的流动条件 ， 边界类 型为压力出口边界． 2 出 口压力 表压设 为 0 ， 方 向与 出 口截 面垂 直． 3 出口无 回流 ， 因此出 口湍动强度 为 0， 出 口 水力直径取 圆管直径 ． 2 ． 5 ． 3 其他相关设置模拟过程采用 F L U E N T 6 ． 2 流体力学软件包分离式求解器． 操作参考压力设 为 大气压． 对控制方程的离散 ， 时间项采用 隐格式 ； 对 流项采用一 阶迎风格式 ； 压力 一速度耦合方程的求 解采用 P I S O算法 ； 压力项采用 P R E S T O算法． 开始 计算时， 欠 松弛 因子 采用 F L U E N T 6 ． 2提供 的默认 值 ， 即压力为 0 ． 3 、 动量为 0 ． 7 、 湍动能和耗散率均为 0 ． 8， 其他项为 1 ． 当计算所用物理量 如连续性、 速度、 体积分 数 、 湍动能和耗散率等 的残差降至 1 O 以下 时， 可 认为计算收敛． 3 仿 真结果与分析 模拟的工况是对水 、 柴油和空气 的质量 流量通 过换算得到恒定的进 口速度 ， 分别 为 0 ． 5 ， 0 ． 4 ， 0 ． 2 m／s ． 1 压力损失 图 4为静态混合器 X Z轴 向截 面的压力分布云 图， 图中不同灰度体现了混合流体的压力变化情况． 由图4中可以看 出， 流体在进入混合元件前 ， 压 力变化不大且相对 比较稳定 ， 在进入混合元件的初 始阶段压力值最高， 之后压力值逐渐降低， 原因是流 体稳定流动到混合元件时， 突然受到混合元件的阻 力作用 ， 产生了较大的压力梯度． 流体在流经混合元 件时被不断地切割 ， 向前 流动 的速度和方 向均发生 改变 ， 且在流动的过程 中受 到混合元件 的摩擦 阻力 作用 ， 从而产生了压力损失． 从混合器进 口到出 口， 压力损失约为 1 1 5 P a ， 符合实验所要求的压差范围 图 4 混合流体压力分布云 图 Fi g ． 4 Fl u i d p r e s s ur e d i s t r i b u t i o n i n XZ p l a n e o f mi x e r 2 速度分布 流体在流进混合器混合元件区域前与流出混合 元件之后的速度相对比较大， 而在 昆 合元件所处的 中间段 ， 由于管径增大及混合元件的阻力作用 ， 流体 的流速逐渐减小． 受混合元件的阻力影响 ， 在靠近管 壁的区域 ， 流体 的速度 明显小于混合器中心 区域 的 速度． 流体在流经混合元件时被不断地切 割成多股 流体 ， 对各相流体的混合起到了贡献作用． 图 5是在 V O F多相流模 型下计算得 到混合 物从进 口到 出 口 的速度分布云图． 曛 j 一 嚣篇 记 铝躬站 酊 勰旺 协 ∞ ■■藤 趱■■■■■■■ 吴征等 油气水流量测量仪的混合器设计及仿真研究 一5 9 一 道底部也有一定的分布 ， 出现这 种现象 的原因是在 建立控制方程的时候 ， 假设模拟的介质均为牛顿型 流体 ， 且流体是不可压缩的 ， 因此忽略了气体的可压 缩性 ， 造成 了模拟结果出现偏差． l ■0 0 0 e 0 o 水 柴 油 图 6各相流体 分布 Fi g ． 6 Di s t r i bu tio n o f d i ffe r e nt p ha s e flu i d s 从宏观上看， 各相流体在静态混合器出口处截 面上的分布较为均匀． 水相几乎充满整个管道， 而柴 油相与空气相 的体积分率较小 ， 呈颗粒及小块状均 匀地分布于水 中， 达到了混合 的效果． 4 结 论 所研制的混合器利用通道外的多个不 同形状 的 扰流盘对液体进行混合 ， 根据仿真及通过透明管段 对混合效果的观测 ， 证明其} 昆 合效果 良好． 混合器的 最大特点是不占用 中心通道 ， 且混合产生的生产压 差仅为 l 1 5 P a ． 上接第5 5页 [ 7 ] 邵维志 ， 丁娱娇， 肖斐 ， 等． 利用 谱形态确定 截止 值的方法探索[ J ] ． 测井技术， 2 0 0 9 ， 3 3 5 4 3 0 - 4 3 5 ． S H A O We i z h i ， D I N G Y u - j i a o ， X I A O F e i ， e t a1． O n t h e me t h o d o f d e t e r mi n g c u t o ff v a l u e w i t h t h e s p e c t r u m c h a r a c t e ri s t i c s [ J ] ． We l l L o g g i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9， 3 3 5 4 3 0 -43 5 ． [ 8 ] Ma i A， K a n t z a s A． O n t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f c a r b o n a t e r e s e r v o i r s u s i n g l o w fi e l d N MR t o o l s [ C] ． S P E 7 5 6 8 7， 2 O 02． 参 考 文 献 [ 1 ] Mu b a r a k S M， P h a m T R， S h a m r a n i ， e t a 1 ． U s i n g d o w n h o l e c o n t r o l v alv e s t o s u s t a i n o i l p r o d u c t i o n f r o m t h e fi s t ma x i mu m r e s e r o i r c o n t a c t ， mul t i l a t e r a l a n d s ma r t we l l i n G h a w a r F i e l d c a s e s t u d y [ C ] ． I P T C 1 1 6 3 0 ． [ 2 ] C h a c o n A， Mc C u t c h e o n J B， S c h o u D W， e t a1． N a K i k a F i e l d e x p e rie n c e s i n t h e u s e o f i n t e l l i g e n t we l l t e c h n o l o gy t o i m p r o v e r e s e rv o i r m a n a g e m e n t [ C ] ． I P T C 1 1 7 8 4 ． [ 3 ] 肖世新， 高正明， 黄雄斌． 改进型 R o s s 静态混合器牛顿 流体流动 的实验 与数值模拟 [ J ] ． 过程 工程学报 ， 2 0 0 6 ， 6 1 6 1 0 ． X I AO S h i x i n， GAO Z h e n g mi n g， HU ANG Xi o n g b i n ． E x p e r i me n t a l s t u d y a n d n u me r i c als i mu l a t i o n of n e w t o n i a n fl u i d f l o w i n a m o d i fi e d r o s s s t a t i c m i x e r f J ] ． T h e C h i n e s e J o u rnal o f P r o c e s s E n gi n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 6 1 6 1 0 ． [ 4 ] 沈红梅， 顾瑶． 管内气液两相流动的绕流圆柱压差一 涡 轮流量测量[ J ] ． 化工学报 ， 1 9 9 5， 4 6 4 5 0 1 - 0 6 ． S HEN Ho n g me i ， G U F a n ． Me asu r e me n t o f g a s l i q u i d fl o w i n d u c t w i t h r o u n d c i n d e r p r e s s u r e d rop t u r b i n e m e t e r [ J ] ． J o u r n al of C h e mi c al I n d u s t r y a n d E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 4 6 4 5 0 1 -06 ． [ 5 ] 刘彤． 三相流检测实验系统研究[ D] ． 西安 西安石油 大学 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ] 藕原新吾． 静态混合器 [ M] ． 王德成 ， 马保东 ， 译． 北 京 纺织工业出版社， 1 9 8 5 1 ． 2 ． 责任编辑 张新 宝 。 。 “ l _ 1 ． I- “ 一 。 。 。 ． 1 I ． ⋯ 李军， 张超谟， 唐小梅， 等． 核磁共振资料在碳酸盐岩 储层评价中的应用 [ J ] ． 江汉石油学院学报， 2 0 0 4 ， 2 6 1 4 8 ． 5 O ． L I J u n， Z HANG C h a o mo， T ANG Xi a o me i ， e t a 1 ． Ap p l i e a t i o n of n u c l e a r ma g n e t i c r e s o n anc e N MRd a t a i n c a r - b o n a t e r e s e rv o i r e v a l u a t i o n [ J ] ． J o u r n a l of J i a n g h a n P e t r o - l e u m I n s t i t u t e ， 2 0 0 4， 2 6 1 4 8 _ 5 0 ． 责任编辑 贺元旦 气 空 上