考虑气液比影响的原油采输流场等效剪切速率计算方法*

林新宇 周洪亮 张磊 孙嘉远

1镇海国家石油储备基地有限责任公司

2大庆榆树林油田开发有限责任公司

3中国石化管道储运有限公司

4中石油昆仑燃气有限公司液化气华南分公司

油田开发过程中，原油大部分以各种不同稳定程度的乳化液形式采出，除了内外相组成特性及油水界面性质等内部因素，外部剪切作用对油水乳化液体系的热力学及动力学稳定性具有重要影响。尽管实践证明，随着剪切强度增加，乳状液稳定性不断增强的认识有一定的局限性，但通过构建等效剪切效应模拟制备油水乳化液体系或模拟多相流动仍然是研究原油采输系统相关科学及工程问题的基本出发点。特别是考虑气液比对实际采出介质乳化行为的影响，对于真实反映或再现原油采输流场特性，以及丰富油田开发中采出液处理理论与技术具有重要价值[1-2]。原油采输过程中，除了近井地带地层孔隙、射孔井眼，垂直油管、井口油嘴及地面集输管道等是多相体系经历不同剪切历史的最具代表性区域。因此，本文以原油采输流场中的典型节点区域垂直油管和井口油嘴为对象，数值模拟含水率、气液比工况变化下的流场分布特性，进而基于流速分布云图，分别建立油井采出多相体系在剪切流场中的等效剪切速率计算方法，并揭示含水率、气液比对不同剪切流场中紊流剪切效应的影响规律，该方法的构建能够为原油采输系统相关问题研究中油水乳化液体系的模拟制备及多相流动相似性模拟提供理论基础，并促进原油集输及处理领域研究手段及方法的进一步发展[3]。

1 剪切流场物理描述

与固体相比，流体分子间的引力较小，运动更加强烈且排列松散，这就决定了流体不能保持一定的形状，具有较大的流动性，而流体在流动过程中所占据的空间则被称为流场。以管道流动为例，其壁面摩擦阻力会使靠近壁面的连续流动介质输送速度相对减小，而靠近管道中心的流动介质受影响较小，能维持原有的输送速度。当相邻层存在速度差时，快速流层力图加快慢速流层，而慢速流层力图减慢快速流层，这种相互作用随流层间速度差的增加而加剧，从而使流场速度呈沿管道中心对称的抛物面形。随着流动介质与管道壁面之间距离的增大，流体的速度也逐渐增大。如图1所示，在垂直于流体流动的方向形成速度梯度，这种垂直于流体流动方向且具有速度梯度的流场称为剪切流场。

2 原油采输流场特性模拟

流场特性作为流体运动过程的体现，除了反映流体的运动规律，还直接影响着流场剪切速率的大小，因此模拟原油采输过程中所经历剪切流场的特性，展开对流场速度分布的分析，是构建剪切流场等效剪切速率计算方法的关键和基础。

图1 剪切流场示意图Fig.1 Schematic diagram of shear flow field

2.1 油井井筒区域

油水混合体系采出过程中，垂直钢制油管管壁会对其施加一定的剪切作用，从而促进体系的油水混合程度，在上升过程中流场区域中有气相参与时，垂直管内会出现不同的流型，也就会有不同类型的流场出现[4-5]，流体混合物流动如图2所示，图中L表示井筒深度。

图2 油井井筒区域介质流动Fig.2 Medium flow in the wellbore area

本文模拟了大庆油田某区块多口油井井筒内油气水三相的流动过程，油井的井口压力为0.9 MPa，井筒内径为62 mm，深度为1 000 m。具体生产数据见表1。由于油气水三相在垂直管道流动过程中存在明显的三相分界面，因此采用FLUENT 数值模拟软件中的VOF 模型及Geo-Reconstruct 算法[6]，并假定入口处各相体积浓度均匀分布，井筒流道与流体接触壁面均采用无滑移边界条件，从而完成对不同含水率、不同气液比工况下的油气水三相体系流场特性的求解。

表1 油井生产数据Tab.1 Production data of oil well

油气水三相体系在高含水率、不同气液比工况下的流场分布情况如图3所示。在垂直油管区域的剪切流场中，油管中心位置的流速要大于管壁区域的流速，且在相同含水率工况下，随着气液比的增加，管壁中心位置的流速逐渐增大，而管壁区域的流速几乎不发生变化。

由图4可以看出，油井井筒内流体的速度随着井深的降低而增加，同时，在相同含水率的工况下，随着气液比的升高，体系的流速增大；在含水率20%和60%的工况下，气液比从240∶1增加到430∶1时，流速的平均增幅达到229%和128%；而在含水率为80%的工况下，气液比从240∶1增加到430∶1时，流速的平均增幅只有46%。以上情况说明在油井井筒区域，气相的增多会增加油气水三相体系的紊乱程度，而水相的增多则会大幅度减弱这种效果。

2.2 井口油嘴区域

在采输过程中，井口油嘴主要在电泵井井口使用，分为可变式油嘴和固定式油嘴[7-8]。本文根据大庆油田所使用的固定油嘴实际参数建立模型，如图5所示，以入口端中心为坐标原点，x轴为管线轴线方向，y轴为垂直管线方向，其中油嘴区域长度L2为50 mm，直径D1为28 mm，油嘴区域上下游管段的长度L1和L3均为50 mm，直径D2为65 mm。入口处多相流体的流量按照表1中的油井生产数据进行设置，出口选择压力出口。采用瞬态的VOF 模型及Geo-Reconstruct算法，壁面速度采用无滑移边界条件[9]，进而完成对油气水三相体系在管道内流过固定式油嘴时的流场特性的求解。

图3 油井井筒区域流场速度分布云图Fig.3 Cloud image of the velocity distribution in the wellbore area

图4 油井井筒区域速度分布Fig.4 Velocity distribution in the wellbore area

图5 计算实体模型Fig.5 Calculation physical model

模拟结果如图6所示，流体从上游管道区域进入油嘴开始，速度迅速增大，进入油嘴下游管道区域后，速度开始逐渐减小，且在相同含水率工况下，油嘴区域的流体速度随气液比的升高而增大，而在相同气液比的工况下，油嘴区域的流体速度随含水率的升高而降低。流体离开油嘴区域时，已形成的流速核心区会逐渐衰减直至消失，且衰减速度随着含水率的升高逐渐变快。

图6 井口油嘴区域流场速度分布云图Fig.6 Cloud image of the velocity distribution in the wellhead choke area

图7 井口油嘴区域速度分布Fig.7 Velocity distribution in the wellhead choke area

图7为不同工况下的井口油嘴区域速度分布，无论是油嘴区域还是上下游的管输区域，在相同含水率工况下，油气水三相体系的流速随气液比的升高而增大。在含水率为20%和60%的工况下，气液比从100∶1增加到430∶1时，流速的平均增幅都为53%，而含水率为80%的工况下，平均增幅有所增大，达到71%；在相同气液比的工况下，体系的流速随含水率的升高而降低，且流速最大值出现的位置随着含水率的升高逐渐靠后；在气液比为100∶1和430∶1的工况下，含水率从20%增加到80%时，流速的平均减幅分别为4%和9%，而在气液比为240∶1的工况下，平均减幅有所增大，达到18%。

3 气液比影响下的等效剪切速率计算

基于流场特性模拟结果可知，与原油含水率一样，气液比在不同程度上影响着体系所经受的紊流剪切程度，不同气液比体系在同一剪切流场、相同气液比体系在不同剪切流场中的紊流剪切程度必然不尽相同，构建考虑气液比影响的原油采输流场等效剪切速率计算方法则是实现对这些区域紊流剪切程度定量区分及模拟的有效途径[10]。

油气井采出液多相流体随着温度的变化往往是非牛顿流体，流动结构复杂，根据非牛顿流体管壁处剪切速率的求解过程，结合采输过程典型区域的流场特性，建立适合于典型区域剪切流场等效剪切速率的计算模型：

非牛顿流体层流：

非牛顿流体紊流：

式中：v为油气水三相体系平均流速，m/s；D为典型区域直径，m；Cf为常数，层流时Cf=1；n为流动特性指数，无因次；ReMR为Metzner-Reed 雷诺数；a、b为常数，其取值与n有关，见表2。

表2 常数a、b取值Tab.2 Value of constant a and b

非牛顿流体层流和紊流通过Metzner-Reed雷诺数进行划分，Metzner-Reed雷诺数表达式为：

式中：ρ为油气水三相体系平均密度，kg/m3；K为稠度系数，表示流体黏稠程度，Pa·sn。

3.1 油井井筒区域

根据油井井筒区域剪切流场特性模拟结果，结合公式（1）～（3），可得到不同含水率、不同气液比工况下的油井井筒区域流场等效剪切速率分布，如图8所示。油井井筒区域的等效剪切速率随着井深的减少而增加，且在一半井深的位置处开始趋于平稳，这说明油井井筒区域剪切流场的高剪切作用主要发生在垂直井筒的上半部分；相同含水率的工况下，随着气液比的升高，流场等效剪切速率增加，剪切作用增强，而在气液比一定时，含水率对等效剪切速率大小没有明显的影响；在含水率为20%和60%的工况下，气液比从240:1增加到430:1时，等效剪切速率的平均增幅分别为122%和157%，而在含水率80%的工况下，等效剪切速率的平均增幅只有84%。

3.2 井口油嘴区域

根据井口油嘴区域剪切流场特性模拟结果，结合公式（1）～（3），可得到不同含水率、不同气液比工况下的井口油嘴区域流场等效剪切速率分布，如图9所示。流场等效剪切速率在长度30 m处开始大幅度增加，在50到100 m的范围内趋于稳定，而后开始降低，这表明随着井口油嘴区域流场的剪切作用远大于其上下游的管输区域；相同含水率的工况下，井口油嘴区域流场等效剪切速率随着气液比的升高而增加，这表明随着气相的增加，体系的紊乱程度不断增强，导致流场的剪切作用不断增强，而在相同气液比工况下，含水率对等效剪切速率大小没有明显的影响；在含水率为20%和60%的工况下，等效剪切速率的平均增幅分别为53%和54%，相差不大，而在含水率80%的工况下，气液比从240∶1增加到430∶1时，等效剪切速率的平均增幅有所增长，达到了76%。

图8 油井井筒区域等效剪切速率分布Fig.8 Equivalent shear rate distribution in the wellbore area

图9 井口油嘴区域等效剪切速率分布Fig.9 Equivalent shear rate distribution in the wellhead choke area

4 结论

（1）针对原油采输流场中的油井井筒区域和井口油嘴区域，基于数值模拟得到的典型节点区域含水率、气液比工况变化下的流场分布特性，建立一种油井采出多相体系在剪切流场中的等效剪切速率计算方法。

（2）综合原油采输流场特性模拟结果可知，在垂直井筒区域，相同含水率的工况下，体系的流速随气液比的升高而增大，且在含水率为80%的工况下，气液比从240∶1增加到430∶1时，流速平均增幅为46%；在井口油嘴区域，相同含水率工况下，体系的流速随气液比的升高而增大，而在相同气液比的工况下，体系的流速随含水率的升高而降低，且在气液比430∶1的工况下，含水率从20%增加到80%时，流速的平均减幅为9%。

（3）分析采输过程典型区域剪切流场等效剪切速率计算结果可知，在垂直井筒区域，相同含水率的工况下，流场等效剪切速率随着气液比的升高而增加，在高含水率80%的工况下，气液比从240∶1增加到430∶1时，等效剪切速率平均增幅为84%；在井口油嘴区域，相同含水率的工况下，流场等效剪切速率同样随着气液比的升高而增加，在高含水率80%的工况下，随着气液比的增加，等效剪切速率平均增幅为76%。