三相流在渐变管内的流动特性研究

张 勇，卢秋羽，邢 雷，蒋明虎

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)(2.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

随着国内大部分油田进入开采的中后期[1], 注水开采成为目前最常用的稳产增产方法[2-3]。压裂注水开采会造成采出液含水率的升高，同时容易携砂，这对井液在井筒内的运动及举升至地面后的集输都造成不小的影响[4-5]。特别是在集输环节，油、水、砂三相混合介质在运移过程中随管径、压力、流速等的变化表现出的特性对集输系统的能耗及安全有着重要影响。

本文采用混合物模型，以输油管道中的渐扩管结构为研究对象，对扩张比以及入口雷诺数对油水砂三相介质在管内的流动特性及分布影响进行数值模拟分析。

1 模型的建立和网格划分

渐扩管结构形式及主要参数尺寸如图1所示，取L1=225mm，L2=100mm，L3=225mm，小管直径D1=50mm，大管直径D2=100mm。考虑到重力的关系会导致内部流场呈非对称关系，因此对模型进行整体模拟。以K表征扩张比，用来表示变径程度的大小，公式如下：

K=D2/D1

(1)

图1 渐扩管模型图

本文采用Meshing软件对渐扩管进行网格划分，由于结构性网格相对于非结构性网格来说，具有精度高、计算速度快、收敛性强等优点，且考虑到模型比较规则简单,所以本文直接采用六面体结构化网格对渐扩管进行网格划分[6]。最终统计出渐扩管流体域模型的网格总数为26 000个，结果显示网格有效率达99.7%。图2为渐扩管流体域模型网格划分图。

图2 渐扩管流体域模型网格划分

2 仿真与分析

2.1 边界条件研究对象

本文在数值模拟时，为了系统分析雷诺数对三相流场的影响，设置渐扩管的入口条件为速度入口，出口条件为压力出口。以大庆油田的采出液为对象，入口混合液成分主相为水，离散相为油相及砂相，设置油、水、砂的物性参数见表1。

2.2 不同雷诺数的影响

数值模拟时首先固定渐扩管的扩张比K=3，分别对雷诺数(Re)为300,600,900,1 200时的入口条件进行模拟分析，得出图3所示的渐扩管内轴

向上的速度分布曲线。

表1 研究介质的物性参数

图3 不同雷诺数下渐扩管速度分布图

由图3可以看出，在管径扩大处速度出现了负值，说明液流由小径端突然流至管道扩大区域时，部分液流改变了原来的运动方向，产生了回流，形成回流区。不同雷诺数下的速度分布规律基本相似，但随着雷诺数的增大，对流场的影响范围也在扩大，流体到达主流区的时间越长，回流的速度也在不断增大，回流现象更加明显，该模拟现象与理论分析[7]结果吻合。

扩张比K=3时，不同雷诺数下油相体积分数分布如图4所示。从图中可以看出，随着雷诺数的增加管道内渐阔区域的顶部油相体积分数减小，这是因为当雷诺数较小时，管道内湍流作用较小、回流现象也不明显，此时油相由于密度较小浮于管道顶部区域。随着雷诺数的增加湍流作用逐渐增强，扰乱了油相分布，致使顶部油相浓度降低。

图4 不同雷诺数下油相分布云图

图5为图1截面A-A′处的油相体积分数分布曲线，入口雷诺数越小，管道顶部的油体积分数越大，油相越容易附着于壁面不易向前流动，油相滞留在壁面的现象更加明显。

图5 不同雷诺数下截面A-A′处的油相体积分数曲线

图6为不同雷诺数砂相体积分数分布云图，由图可以看出，随着雷诺数的逐渐增大，砂相随着主流束向前流动现象越明显，但多数砂相在管道下方区域运动。

图6 不同雷诺数下截面A-A′处的砂相体积分数分布云图

不同雷诺数下渐扩管轴向压力分布如图7所示。从图中可以看出，不同速度下的渐扩管轴向压力分布趋势是相同的，在管径变化之前，轴向压力随着距离的增加而急剧下降，在管径突变处轴向压力迅速增大后基本保持平稳，且入口雷诺数越大轴向压力变化幅度越高。

图7 不同雷诺数下渐扩管轴向压力变化图

2.3 不同扩张比的影响

在速度v=6m/s的前提下，对不同扩张比的渐扩管进行模拟分析，扩张比K值分别为2，3，4和5。图8为不同扩张比油相体积分数分布云图，从图中可以看出，随着扩张比的增加上端壁面处油相聚集的现象更加明显，当扩张比增加到4时底部的油相分布明显减少。这是因为在速度值不变的前提下随着扩张比的增加回流现象越发明显，油相越容易附着于壁面，不利于油相的输运，涡旋的存在会使主流出现能量损失的现象，而且涡旋尺度越大强度越剧烈，主流消耗的能量越多，通过渐扩管的能量损失也越大。

图8 不同扩张比油相体积分数分布云图

不同扩张比砂相体积分数分布云图如图9所示，从图中可以看出，扩张比对砂相流动的影响较大，扩张比较小时砂相基本随着流体向前流动没有沉积，扩张比越大砂相沉积现象越明显，容易造成集输管线的阻塞及结垢现象。

图9 不同扩张比砂相体积分数分布云图

3 结束语

本文以渐扩管为研究对象，分析了雷诺数及扩张比对渐扩管内油、水、砂混合液流动特性的影响并进行了数值模拟分析，得出渐扩管内流场的分布规律。模拟结果显示，在管径扩大处容易产生回流现象，且回流区长度与强度均随着速度和扩张比的增加而增大。当扩张比一定时，速度越小油相附着能力越大，油相在管道上壁堆积现象越明显，砂相在管道底部沉积越多；当入口雷诺数一定时，增大管径可增大油相在管道上壁的堆积，砂相的沉积率越大，越不容易随着流体向前流动。渐扩管沿程压降随雷诺数的增大呈上升趋势，增大集输能耗。随着扩张比的增加油相聚集在上壁面的现象越明显，同时管道底部的砂相沉积率也随之增加。

参考文献：

[1] 钱益斌，杨利民.管道内油水两相流动研究进展[J].化工进展，2009，28(4)：566-573.

[2] 朱红钧，曹妙渝，陈小榆，等.突变管段油水两相流的流动模拟[J].油气储运，2010，29(3)：192-193，196.

[3] 朱红钧，曹妙渝，陈小榆，等.油水两相流管路流动的模拟研究[J].石油工业计算机应用，2008(4)：27-29.

[4] 宗艳波.倾斜及水平油水两相管流流动特性测量[D].天津：天津大学，2009.

[5] 韩文亮,王光谦,韩军. 固液两相流管道水击防护措施的计算分析[J]. 管道技术与设备,2000(3):1-5.

[6] 朱晓星,孙志林.基于非均匀网格二维突扩流Lattice-Boltzmann方法模拟[J].浙江大学学报(理学版),2004,31(4):460-464.

[7] 赵妍.应用FLUENT对管路细部流场的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2004.