林新宇 周洪亮 張磊 孫嘉遠(yuǎn)

1鎮(zhèn)海國(guó)家石油儲(chǔ)備基地有限責(zé)任公司

2大慶榆樹(shù)林油田開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

3中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司

4中石油昆侖燃?xì)庥邢薰疽夯瘹馊A南分公司

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，原油大部分以各種不同穩(wěn)定程度的乳化液形式采出，除了內(nèi)外相組成特性及油水界面性質(zhì)等內(nèi)部因素，外部剪切作用對(duì)油水乳化液體系的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性具有重要影響。盡管實(shí)踐證明，隨著剪切強(qiáng)度增加，乳狀液穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)的認(rèn)識(shí)有一定的局限性，但通過(guò)構(gòu)建等效剪切效應(yīng)模擬制備油水乳化液體系或模擬多相流動(dòng)仍然是研究原油采輸系統(tǒng)相關(guān)科學(xué)及工程問(wèn)題的基本出發(fā)點(diǎn)。特別是考慮氣液比對(duì)實(shí)際采出介質(zhì)乳化行為的影響，對(duì)于真實(shí)反映或再現(xiàn)原油采輸流場(chǎng)特性，以及豐富油田開(kāi)發(fā)中采出液處理理論與技術(shù)具有重要價(jià)值[1-2]。原油采輸過(guò)程中，除了近井地帶地層孔隙、射孔井眼，垂直油管、井口油嘴及地面集輸管道等是多相體系經(jīng)歷不同剪切歷史的最具代表性區(qū)域。因此，本文以原油采輸流場(chǎng)中的典型節(jié)點(diǎn)區(qū)域垂直油管和井口油嘴為對(duì)象，數(shù)值模擬含水率、氣液比工況變化下的流場(chǎng)分布特性，進(jìn)而基于流速分布云圖，分別建立油井采出多相體系在剪切流場(chǎng)中的等效剪切速率計(jì)算方法，并揭示含水率、氣液比對(duì)不同剪切流場(chǎng)中紊流剪切效應(yīng)的影響規(guī)律，該方法的構(gòu)建能夠?yàn)樵筒奢斚到y(tǒng)相關(guān)問(wèn)題研究中油水乳化液體系的模擬制備及多相流動(dòng)相似性模擬提供理論基礎(chǔ)，并促進(jìn)原油集輸及處理領(lǐng)域研究手段及方法的進(jìn)一步發(fā)展[3]。

1 剪切流場(chǎng)物理描述

與固體相比，流體分子間的引力較小，運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈且排列松散，這就決定了流體不能保持一定的形狀，具有較大的流動(dòng)性，而流體在流動(dòng)過(guò)程中所占據(jù)的空間則被稱(chēng)為流場(chǎng)。以管道流動(dòng)為例，其壁面摩擦阻力會(huì)使靠近壁面的連續(xù)流動(dòng)介質(zhì)輸送速度相對(duì)減小，而靠近管道中心的流動(dòng)介質(zhì)受影響較小，能維持原有的輸送速度。當(dāng)相鄰層存在速度差時(shí)，快速流層力圖加快慢速流層，而慢速流層力圖減慢快速流層，這種相互作用隨流層間速度差的增加而加劇，從而使流場(chǎng)速度呈沿管道中心對(duì)稱(chēng)的拋物面形。隨著流動(dòng)介質(zhì)與管道壁面之間距離的增大，流體的速度也逐漸增大。如圖1所示，在垂直于流體流動(dòng)的方向形成速度梯度，這種垂直于流體流動(dòng)方向且具有速度梯度的流場(chǎng)稱(chēng)為剪切流場(chǎng)。

2 原油采輸流場(chǎng)特性模擬

流場(chǎng)特性作為流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的體現(xiàn)，除了反映流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還直接影響著流場(chǎng)剪切速率的大小，因此模擬原油采輸過(guò)程中所經(jīng)歷剪切流場(chǎng)的特性，展開(kāi)對(duì)流場(chǎng)速度分布的分析，是構(gòu)建剪切流場(chǎng)等效剪切速率計(jì)算方法的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

圖1 剪切流場(chǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shear flow field

2.1 油井井筒區(qū)域

油水混合體系采出過(guò)程中，垂直鋼制油管管壁會(huì)對(duì)其施加一定的剪切作用，從而促進(jìn)體系的油水混合程度，在上升過(guò)程中流場(chǎng)區(qū)域中有氣相參與時(shí)，垂直管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同的流型，也就會(huì)有不同類(lèi)型的流場(chǎng)出現(xiàn)[4-5]，流體混合物流動(dòng)如圖2所示，圖中L表示井筒深度。

圖2 油井井筒區(qū)域介質(zhì)流動(dòng)Fig.2 Medium flow in the wellbore area

本文模擬了大慶油田某區(qū)塊多口油井井筒內(nèi)油氣水三相的流動(dòng)過(guò)程，油井的井口壓力為0.9 MPa，井筒內(nèi)徑為62 mm，深度為1 000 m。具體生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由于油氣水三相在垂直管道流動(dòng)過(guò)程中存在明顯的三相分界面，因此采用FLUENT 數(shù)值模擬軟件中的VOF 模型及Geo-Reconstruct 算法[6]，并假定入口處各相體積濃度均勻分布，井筒流道與流體接觸壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，從而完成對(duì)不同含水率、不同氣液比工況下的油氣水三相體系流場(chǎng)特性的求解。

表1 油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Production data of oil well

油氣水三相體系在高含水率、不同氣液比工況下的流場(chǎng)分布情況如圖3所示。在垂直油管區(qū)域的剪切流場(chǎng)中，油管中心位置的流速要大于管壁區(qū)域的流速，且在相同含水率工況下，隨著氣液比的增加，管壁中心位置的流速逐漸增大，而管壁區(qū)域的流速幾乎不發(fā)生變化。

由圖4可以看出，油井井筒內(nèi)流體的速度隨著井深的降低而增加，同時(shí)，在相同含水率的工況下，隨著氣液比的升高，體系的流速增大；在含水率20%和60%的工況下，氣液比從240∶1增加到430∶1時(shí)，流速的平均增幅達(dá)到229%和128%；而在含水率為80%的工況下，氣液比從240∶1增加到430∶1時(shí)，流速的平均增幅只有46%。以上情況說(shuō)明在油井井筒區(qū)域，氣相的增多會(huì)增加油氣水三相體系的紊亂程度，而水相的增多則會(huì)大幅度減弱這種效果。

2.2 井口油嘴區(qū)域

在采輸過(guò)程中，井口油嘴主要在電泵井井口使用，分為可變式油嘴和固定式油嘴[7-8]。本文根據(jù)大慶油田所使用的固定油嘴實(shí)際參數(shù)建立模型，如圖5所示，以入口端中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸為管線軸線方向，y軸為垂直管線方向，其中油嘴區(qū)域長(zhǎng)度L2為50 mm，直徑D1為28 mm，油嘴區(qū)域上下游管段的長(zhǎng)度L1和L3均為50 mm，直徑D2為65 mm。入口處多相流體的流量按照表1中的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，出口選擇壓力出口。采用瞬態(tài)的VOF 模型及Geo-Reconstruct算法，壁面速度采用無(wú)滑移邊界條件[9]，進(jìn)而完成對(duì)油氣水三相體系在管道內(nèi)流過(guò)固定式油嘴時(shí)的流場(chǎng)特性的求解。

圖3 油井井筒區(qū)域流場(chǎng)速度分布云圖Fig.3 Cloud image of the velocity distribution in the wellbore area

圖4 油井井筒區(qū)域速度分布Fig.4 Velocity distribution in the wellbore area

圖5 計(jì)算實(shí)體模型Fig.5 Calculation physical model

模擬結(jié)果如圖6所示，流體從上游管道區(qū)域進(jìn)入油嘴開(kāi)始，速度迅速增大，進(jìn)入油嘴下游管道區(qū)域后，速度開(kāi)始逐漸減小，且在相同含水率工況下，油嘴區(qū)域的流體速度隨氣液比的升高而增大，而在相同氣液比的工況下，油嘴區(qū)域的流體速度隨含水率的升高而降低。流體離開(kāi)油嘴區(qū)域時(shí)，已形成的流速核心區(qū)會(huì)逐漸衰減直至消失，且衰減速度隨著含水率的升高逐漸變快。

圖6 井口油嘴區(qū)域流場(chǎng)速度分布云圖Fig.6 Cloud image of the velocity distribution in the wellhead choke area

圖7 井口油嘴區(qū)域速度分布Fig.7 Velocity distribution in the wellhead choke area

圖7為不同工況下的井口油嘴區(qū)域速度分布，無(wú)論是油嘴區(qū)域還是上下游的管輸區(qū)域，在相同含水率工況下，油氣水三相體系的流速隨氣液比的升高而增大。在含水率為20%和60%的工況下，氣液比從100∶1增加到430∶1時(shí)，流速的平均增幅都為53%，而含水率為80%的工況下，平均增幅有所增大，達(dá)到71%；在相同氣液比的工況下，體系的流速隨含水率的升高而降低，且流速最大值出現(xiàn)的位置隨著含水率的升高逐漸靠后；在氣液比為100∶1和430∶1的工況下，含水率從20%增加到80%時(shí)，流速的平均減幅分別為4%和9%，而在氣液比為240∶1的工況下，平均減幅有所增大，達(dá)到18%。

3 氣液比影響下的等效剪切速率計(jì)算

基于流場(chǎng)特性模擬結(jié)果可知，與原油含水率一樣，氣液比在不同程度上影響著體系所經(jīng)受的紊流剪切程度，不同氣液比體系在同一剪切流場(chǎng)、相同氣液比體系在不同剪切流場(chǎng)中的紊流剪切程度必然不盡相同，構(gòu)建考慮氣液比影響的原油采輸流場(chǎng)等效剪切速率計(jì)算方法則是實(shí)現(xiàn)對(duì)這些區(qū)域紊流剪切程度定量區(qū)分及模擬的有效途徑[10]。

油氣井采出液多相流體隨著溫度的變化往往是非牛頓流體，流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)非牛頓流體管壁處剪切速率的求解過(guò)程，結(jié)合采輸過(guò)程典型區(qū)域的流場(chǎng)特性，建立適合于典型區(qū)域剪切流場(chǎng)等效剪切速率的計(jì)算模型：

非牛頓流體層流：

非牛頓流體紊流：

式中：v為油氣水三相體系平均流速，m/s；D為典型區(qū)域直徑，m；Cf為常數(shù)，層流時(shí)Cf=1；n為流動(dòng)特性指數(shù)，無(wú)因次；ReMR為Metzner-Reed 雷諾數(shù)；a、b為常數(shù)，其取值與n有關(guān)，見(jiàn)表2。

表2 常數(shù)a、b取值Tab.2 Value of constant a and b

非牛頓流體層流和紊流通過(guò)Metzner-Reed雷諾數(shù)進(jìn)行劃分，Metzner-Reed雷諾數(shù)表達(dá)式為：

式中：ρ為油氣水三相體系平均密度，kg/m3；K為稠度系數(shù)，表示流體黏稠程度，Pa·sn。

3.1 油井井筒區(qū)域

根據(jù)油井井筒區(qū)域剪切流場(chǎng)特性模擬結(jié)果，結(jié)合公式（1）～（3），可得到不同含水率、不同氣液比工況下的油井井筒區(qū)域流場(chǎng)等效剪切速率分布，如圖8所示。油井井筒區(qū)域的等效剪切速率隨著井深的減少而增加，且在一半井深的位置處開(kāi)始趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明油井井筒區(qū)域剪切流場(chǎng)的高剪切作用主要發(fā)生在垂直井筒的上半部分；相同含水率的工況下，隨著氣液比的升高，流場(chǎng)等效剪切速率增加，剪切作用增強(qiáng)，而在氣液比一定時(shí)，含水率對(duì)等效剪切速率大小沒(méi)有明顯的影響；在含水率為20%和60%的工況下，氣液比從240:1增加到430:1時(shí)，等效剪切速率的平均增幅分別為122%和157%，而在含水率80%的工況下，等效剪切速率的平均增幅只有84%。

3.2 井口油嘴區(qū)域

根據(jù)井口油嘴區(qū)域剪切流場(chǎng)特性模擬結(jié)果，結(jié)合公式（1）～（3），可得到不同含水率、不同氣液比工況下的井口油嘴區(qū)域流場(chǎng)等效剪切速率分布，如圖9所示。流場(chǎng)等效剪切速率在長(zhǎng)度30 m處開(kāi)始大幅度增加，在50到100 m的范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，而后開(kāi)始降低，這表明隨著井口油嘴區(qū)域流場(chǎng)的剪切作用遠(yuǎn)大于其上下游的管輸區(qū)域；相同含水率的工況下，井口油嘴區(qū)域流場(chǎng)等效剪切速率隨著氣液比的升高而增加，這表明隨著氣相的增加，體系的紊亂程度不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致流場(chǎng)的剪切作用不斷增強(qiáng)，而在相同氣液比工況下，含水率對(duì)等效剪切速率大小沒(méi)有明顯的影響；在含水率為20%和60%的工況下，等效剪切速率的平均增幅分別為53%和54%，相差不大，而在含水率80%的工況下，氣液比從240∶1增加到430∶1時(shí)，等效剪切速率的平均增幅有所增長(zhǎng)，達(dá)到了76%。

圖8 油井井筒區(qū)域等效剪切速率分布Fig.8 Equivalent shear rate distribution in the wellbore area

圖9 井口油嘴區(qū)域等效剪切速率分布Fig.9 Equivalent shear rate distribution in the wellhead choke area

4 結(jié)論

（1）針對(duì)原油采輸流場(chǎng)中的油井井筒區(qū)域和井口油嘴區(qū)域，基于數(shù)值模擬得到的典型節(jié)點(diǎn)區(qū)域含水率、氣液比工況變化下的流場(chǎng)分布特性，建立一種油井采出多相體系在剪切流場(chǎng)中的等效剪切速率計(jì)算方法。

（2）綜合原油采輸流場(chǎng)特性模擬結(jié)果可知，在垂直井筒區(qū)域，相同含水率的工況下，體系的流速隨氣液比的升高而增大，且在含水率為80%的工況下，氣液比從240∶1增加到430∶1時(shí)，流速平均增幅為46%；在井口油嘴區(qū)域，相同含水率工況下，體系的流速隨氣液比的升高而增大，而在相同氣液比的工況下，體系的流速隨含水率的升高而降低，且在氣液比430∶1的工況下，含水率從20%增加到80%時(shí)，流速的平均減幅為9%。

（3）分析采輸過(guò)程典型區(qū)域剪切流場(chǎng)等效剪切速率計(jì)算結(jié)果可知，在垂直井筒區(qū)域，相同含水率的工況下，流場(chǎng)等效剪切速率隨著氣液比的升高而增加，在高含水率80%的工況下，氣液比從240∶1增加到430∶1時(shí)，等效剪切速率平均增幅為84%；在井口油嘴區(qū)域，相同含水率的工況下，流場(chǎng)等效剪切速率同樣隨著氣液比的升高而增加，在高含水率80%的工況下，隨著氣液比的增加，等效剪切速率平均增幅為76%。