抽油杆运动对高分辨率电导含水率计测量持水率影响的数值模拟分析

邓茜珊，丁庆荣

(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)

·仪器设备与应用·

抽油杆运动对高分辨率电导含水率计测量持水率影响的数值模拟分析

邓茜珊，丁庆荣

(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)

了解抽油杆运动对高分辨率含水率计传感器内持水率测量的影响，为含水率计现场测井结果的解释存在误差提供参考依据。利用FLUENT数值模拟的方法，将动网格技术引入到流场内部的数值模拟中，模拟计算结果与实际测井曲线对比，选择适合于模型的最佳参数；考察抽油杆运动对含水率计测量结果影响。计算结果表明，持水率随抽油杆运动呈周期性变化，抽油杆运动是测井资料呈现正弦曲线的一个重要因素；相同条件下，有抽油杆运动测量持水率高于无抽油杆运动测量持水率。

高分辨率含水率计；持水率；抽油杆；数值模拟；动网格

0 引 言

含水率计在油田动态监测中应用广泛，高分辨率电导含水率计是近几年大庆油田研发的适用于高含水及特高含水油田新型含水率计，具有测量分辨率高、稳定性和重复性好的优点[1]，但现场应用时，测量结果与井口计量结果之间存在一定误差。出现误差的原因包括井内出气的影响和抽油机启动后，抽油杆运动的影响。以往对含水率计的研究及标定工作都是在常温、常压、模拟装置中研究。因此，需要研究抽油杆运动对含水率计的影响。

FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内外使用最广泛的CFD软件之一。FLUENT不但提供了非常灵活的网格特性，同时用户可以定义多种边界条件，如流动入口、出口边界、壁面边界条件等，所有边界条件均可随时间和空间变化。

本文采用FLUENT软件提供的动网格技术，对抽油杆运动进行模拟，以高分辨率电导含水率计为研究对象[2，3]，通过计算选择适合于模型的最佳湍流模型、抽油杆下死点距含水率计出液口距离及冲程长度；对比有、无抽油杆两种情况下，传感器内持水率的变化情况；并考察抽油杆运动一个冲程时，仪器内部持水率的实时变化情况，为仪器测井资料解释奠定基础。

1 模拟对象及网格划分、网格自动生成

以高分辨率含水率计为研究对象，其结构示意图如图1所示。

图1 高分辨率含水率计结构示意图

模型建立如图2所示。为减少网格数量，节省计算时间，建模方法采用二维轴对称模型，右侧红色线条为模型的对称轴，下入口为速度入口，长度62 mm，油水以不同比例相同速度混合从单一入口处进入管内流动；上出口为动出口，长度5 mm，用于模拟抽油杆的运动所引起流体运动区域变化。模型中所涉及的壁面都为光滑壁面；网格划分两类，集流伞部分由于流型变化大，采用边长为0.5 mm的三角网格提高计算精度；其余采用边长为1 mm的四方网格。

图2 模型的建立

在抽油机工作过程中，抽油杆作上下往复运动，抽油杆的运动可视为活塞运动。运动过程中涉及体网格的再生(动网格)。FLUENT中体网格再生方法包括：1)铺层；2)弹性光顺；3)局部重构三种算法[4]。本文采用铺层法对抽油杆的运动进行模拟。由于动网格区域的边界需要随计算时间增长或缩短，需要对动网格区域的边界条件单独设置，包括动对称轴、动壁面、动出口。其中，动对称轴和动壁面变化类型为Dforming；动出口选用Rigid Body类型变化。当动出口向上运动时，紧靠抽油杆处的网格一层层的增加，计算域逐渐变大，此为抽油杆的上冲程，直至抽油杆达到上死点，之后抽油杆转变为向下运动，抽油杆处的网格一层层减少，计算流域逐渐变小，此为抽油杆的下冲程。

2 参数选择

高分辨率含水率计的实时持水率测井曲线呈现很强的波动规律性，如图3所示。其中，纵坐标持水率为测井得到的实时混相值与全水值之比。为了使模型模拟结果呈现好的波动规律，从而说明模型的正确性，需要对模型参数进行探讨。

图3 含水率计持水率测井曲线

以流量10 m3/d，含水率70%作为研究点，抽油杆冲次设置为10次/min。

1)多相流模型的选择，FLUENT软件中多相模型包括VOF，Mixture及Eulerian3种，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[5]；均匀流动采用混合模型，粒子流选择欧拉模型。对于含水率计的流动区域，包括油、水两相，油相主要以油泡形式存在于管道内，因此选择VOF模型最佳。油相密度：830 kg/m3，粘度：0.003 32 kg/m·s ；水相密度：998 kg/m3，粘度：0.001 003 kg/m·s 。

2)湍流模型选择，由于流体在仪器内部的流动状态呈不规则状态，局部速度、压力等物理量在时间、空间中发生不规则的变化，符合湍流的特征，因此在计算过程中需选择湍流模型。 FLUENT软件中提供的模型包括：(1)层流(Laminar)模型；(2)k-ε模型；(3)雷诺应力模型(RSM模型)；(4)大涡模型。其中k-ε模型包括：(1)k-εRNG模型；(2)k-ε标准模型；(3)k-ε可实现化模型三种。设置了以上几种湍流模型，分别对模型进行计算，考察传感器内持水率随时间变化情况。

3)抽油杆下死点距含水率计出液口距离的选择，分别设置下死点距仪器出液口距离为1m、3m、5m时，考察传感器内持水率随时间变化情况。

4)冲程长度的影响，考察抽油杆长度分别为20cm、40cm、60cm时，持水率随时间变化曲线。

通过对以上不同参数模拟计算，分别考察流体流动100～125s内，传感器持水率随时间变化。数值模拟得到的持水率随时间波动曲线如图4所示，图中红色曲线为对实时曲线进行的滤波曲线。当湍流模型为k-εRNG，抽油杆下死点距含水率计出液口距离为5m，冲程为20cm时，滤波曲线具有很好的波动性，与实际测井曲线更加接近。

图4 数值模拟传感器内持水率随时间波动曲线

3 仿真结果分析

3.1 传感器内持水率在一个冲程内变化规律

为清晰地观察一个冲程内仪器内部流体流动随抽油杆运动变化情况，将下死点与分流管顶部距离设置为10cm，以流量20m3，含水率80%为研究点，考察抽油杆运动一个冲程，仪器内传感器持水率实时变化。

图5 传感器持水率实时变化曲线

传感器内持水率实时变化曲线如图5所示，从176.65～182s这6s的时间内，抽油杆恰好运动一个周期，对比曲线从176.65～179.77s为抽油杆上冲程过程，传感器内持水率呈现上升趋势。由于随着抽油杆运动，对仪器内部油水两相产生作用力，由于油的密度小于水的密度，对油的速度影响大于水的影响，滑脱速度变大，持水率变大。抽油杆进行下冲程运动时持水率降低。由于抽油杆对油水两相产生向下作用力，使油水之间的滑脱速度变小，持水率逐渐降低。

3.2 有无抽油杆影响

分别从两方面考察有抽油杆抽动和没有抽油杆抽动时的差异： 1)流量为40m3/d，含水率为70%，有无抽油杆两种情况下，传感器内持水率随时间变化曲线，滤波后曲线的变化情况。2)含水率为70%，流量分别为10m3/d、20m3/d、40m3/d时一定时间内传感器内持水率的差异。

流量为40m3/d，含水率为70%，有抽油杆和无抽油杆时持水率变化曲线如图6所示。 无抽油杆运动时，油水两相流动呈现不规则波动性，由于油相以油泡形式存在于传感器内。有抽油杆运动比无抽油杆运动时得到的曲线正弦性更明显，抽油杆的运动是形成正弦曲线的重要因素。

图6 无抽油杆运动与抽油杆运动时持水率曲线

含水率为70%，流量分别为10m3/d、20m3/d、40m3/d时，有抽油杆运动、没有抽油杆运动模拟得到的持水率以及实验所得数据见表1。

表1 标准含水率70%，不同流量下，有、无抽油杆 模拟与实验持水率对比

无抽油杆与实验数据对比，随着流量的增加，持水率均增加，趋势显示了一致性，当流量较高时，实验所得与模拟所得数据并无差别，随着流量降低，差距变大。由于室内实验得到的低流量持水率主要受滑脱效应影响，而数值模拟没有准确地定义两相界面的物理和几何特性，因此VOF模型对界面张力的处理与真实情况有出入，导致模拟与实验差异变大。将有抽油杆与无抽油杆实验数据对比，有抽油杆运动得到持水率均大于没有抽油杆数据，并且随着流量增大，差异变大，由于油相密度较小，作用在油相与水相的作用力相同的情况下，油相运动速度增加的更大，持水率升高。

4 结 论

1)使用FLUENT软件建立数值模拟模型，以流量10 m3/d，含水率70%为研究点，多相流模型选用VOF，湍流模型为k-εRNG模型，抽油杆下死点距含水率计出液口距离为5m，冲程长度为20cm时，滤波后曲线体现较好的正弦波动性，与实际测井曲线相近。

2)当抽油杆进行上冲程运动时，持水率逐渐变高；抽油杆进行下冲程时，持水率逐渐降低，抽油杆运动是测井资料呈现正弦曲线的一个重要因素。

3)随着流量增加，模拟得到的数据与室内实验得到的数据均增加，趋势具有一致性。与当流量较高时，计算得到的无抽油杆和室内实验数据相吻合，当流量较低时，由于滑脱速度的影响，出现较大差异。有抽油杆比无抽油杆计算得到的持水率更高。

[1] 丁庆荣,王 敏,刘兴斌,等.基于分流法高分辨率阻抗式含水率计实验研究[J].石油仪器,2013:27(4):29-32.

[2] 冉 磊.基于分流法的高分辨率含水率计现场应用分析[J].石油仪器, 2012:26(1):51-54.

[3] 杨志刚,马庆华,王鹏程,等.基于FLUENT的分流法电导含水率计不同湍流模型仿真与实验比较[J].石油仪器,2012:26(6):10-12.

[4] 隋洪涛,李鹏飞,马世虎,等.精通CFD动网格工程仿真与案例实战[M].北京:人民邮电出版社.2013:21-22.

[5]Hirt,Nichols.VolumeofFluid(VOF)MethodfortheDynamicsofFreeBoundaries[J].JournalofComputationelPhysics,1981,39(1):201-225.

Numerical Simulation Analysis on Influences of Sucker Rod Morement on Water Holdup Measurement with the High-resolution Conductance Water-cut Meter

DENG Xishan， DING Qingrong

(LoggingandTestingServicesCompany，DaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing,Heilongjiang163000,China)

Studying on the influence of the sucker rod movement on water holdup measurement with the high resolution conductance water cut meter can provide the references for correcting errors in the interpretations of logging results. The dynamic grid technology is introduced into the flow field numerical simulation, and by means of the FLUENT numerical simulation, the simulation and calculation results are compared with the actual logging curve, then the optimum parameters for the model are chosen, and the influence of the sucker rod movement on the moisture content measurement is investigated. The results show that the water holdup is periodically changed with the movement of the sucker rod, which is an important factor of the sine curve presentation of the logging results. With the same conditions, the measurement of the water holdup with the sucker rod movement is higher than without it.

water cut meter；water holdup；sucker rod; numerical simulation; dynamic mesh technique

邓茜珊，女，1982年生，2010年毕业于齐齐哈尔大学，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工作。E-mail：dxs0830@163.com

TE33

A

2096-0077(2017)01-0080-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.019

2016-05-16 编辑：高红霞)