Моделирование течения стратифицированной мультидисперсионной эмульсионной среды

О проекте

  • Моделирование течения стратифицированной мультидисперсионной эмульсионной среды
  • ООО «БашНИПИнефть»
  • Нефтегаз
  • 2016 год

Моделирование течения стратифицированной мультидисперсионной эмульсионной среды

Особенностью дисперсных сред, в частности, нефтяных эмульсий, является тот факт, что их вязкость зависит от объемной концентрации дисперсной фазы, т.е. с увеличением дисперсной фазы вязкость несущей фазы увеличивается. Внутренняя динамика эмульсионной среды при течении в каналах связана с рядом физических процессов (не принимая в учёт химические), среди которых следует выделить перераспределение дисперсной фазы в несущей среде и коагуляцию и диссипацию дисперсных частиц, что в конечном итоге значительно усложняет динамику поведения системы в целом.

Физико-химические свойства пластовой продукции в значительной степени оказывают влияние на энергоэффективность различных систем добычи и сбора–подготовки нефти и газа, что выражается в повышении гидравлического сопротивления, снижении эффективности сепарации и КПД насосных агрегатов. Изменения реологических свойств, а именно эффективной вязкости пластовой продукции, во многом связано с морфологической структурой эмульсионной среды. Таким образом, важное значение приобретает решение задачи получения распределения групп размеров глобул.

Учитывая необходимость снижения удельной стоимости, приходящейся на тонну добываемой продукции скважин, возникает необходимость в реализации решений, позволяющих более эффективно использовать имеющийся парк оборудования и системы сбора–подготовки нефти и газа. Следовательно, выбор надежных инструментов для моделирования и анализа позволяет обеспечить понимание и решение задачи оптимизации многофазных потоков в практике нефтедобывающих компаний.

С целью создания эффективной модели, позволяющей проводить численные эксперименты для оценки распределения групп размеров глобул воды в эмульсионной среде после прохождения ступени центробежного насоса, компания ООО «БашНИПИнефть» (научно-исследовательский и проектный институт в составе научно-проектного блока ПАО «НК «Роснефть». Профильная деятельность – разведка и разработка нефтяных месторождений, проектирование объектов нефтедобычи, научное и технологическое сопровождение процессов добычи нефти и газа) обратилась к специалистам «МЦД». На основе результатов моделирования заказчик хотел добиться проведения более точной оценки энергозатрат на транспортирование продукции скважин.

Исследование, проведенное специалистами «МЦД», посвящено решению задачи по прогнозированию локальной плотности числа дисперсных частиц и их распределения по размерам (в обратной эмульсии – вода в нефти) на основании начального распределения их размеров, полученных путем прямого замера и усреднения групп размеров.

Для решения поставленных задач специалисты компании «МЦД» выбрали пакетный программный комплекс Ansys CFD, реализующий численное решение задач гидрогазодинамики.

Упрощения к начальному распределению групп размеров глобул воды в нефти были приняты исходя из прямого замера (с применением оценки по числу Вебера равновесного размера капли дисперсной фазы в турбулентном потоке) и экстраполированы по нормальному закону до значений характерных размеров, равным порядка 200 мкм.

Фотография пробы продукции скважины на просвет
Рисунок 1. Фотография пробы продукции скважины на просвет

Учитывая, что нефтяные эмульсии можно отнести к плотным дисперсным фазам с массовым содержанием дисперсной фазы в широком диапазоне значений (от 0 до 100%), то наиболее адекватным подходом к моделированию в данном случае является Эйлеров – Эйлеров подход, т.е. обе фазы (нефть, вода) рассматриваются как сплошные среды.

Для моделирования полидисперсных потоков в Ansys, а именно учёта распределения размеров глобул дисперсной фазы, применяется модель равновесного распределения (population balance model (PBM)), включающая в себя дополнительные уравнения, описывающие изменение распределения размеров за счёт слияния, распада и массообмена (два типа моделей MUSIG и DQMOM).

Применение модели MUSIG к мультифазным течениям сводится к учёту межфазового взаимодействия в зависимости от размера частиц, т.е. описание неоднородности дисперсной фазы в потоке путём решения N отдельных полей скоростей (поля скоростей групп) для дисперсной фазы.

Модель MUSIG позволяет определить распределения размера частиц (гистограмму) и на основании распределения размера проводить расчёт локального размера и плотности поверхности интерфейса для более точного моделирования межфазного взаимодействия.

В качестве расчётной модели была принята геометрическая модель рабочего колеса установки электроприводного центробежного насоса. При этом для обеспечения наглядности в расчетную модель был внесен ряд изменений, а именно добавлены приемный и выпускной участки круглого сечения.

Геометрическая модель рабочих ступеней установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН) 5–125
Рисунок 2. Геометрическая модель рабочих ступеней установки электроприводного центробежного насоса (УЭЦН) 5–125

Проточная часть насоса сформирована исходя из условия обеспечения соосности входа и выхода расчетной области, что положительно сказывается на скорости сходимости решения.

Построение сеточной модели было реализовано в сеточном генераторе Ansys Mesher, основным требованием, предъявляемым к расчетной сетке, было обеспечение разрешения физических эффектов, проходящих внутри расчетной области.

Сеточная модель проточной части ступени УЭЦН 5–125
Рисунок 3. Сеточная модель проточной части ступени УЭЦН 5–125

В результате расчетов был сформирован унифицированный подход к реализации в программном комплексе Ansys расчётной модели рабочего процесса в ступени электроцентробежного насоса при течении двухфазной дисперсной системы, с учётом механизмов перераспределения концентраций дисперсной фазы. Результаты выполненного моделирования позволяют заказчику проводить более точную оценку энергозатрат на транспортирование продукции скважин.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00