稠油摻稀井下靜態(tài)混合器數(shù)值仿真研究

王旭 趙春立 韓萬里 周妍妤

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500;2.南陽市機(jī)械制造有限公司，河南 南陽 473000)

中西部油田稠油開采中均采用了摻稀降黏工藝，但摻稀降黏技術(shù)中存在稀油和稠油混合不均勻的情況［1-3］。SK型靜態(tài)混合器是一種可在較寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行流體混合的新型高效管狀混合設(shè)備。在稠油摻稀降黏中使用SK型靜態(tài)混合器，能夠明顯提高稀油與稠油的混合均勻程度，提高降黏效果［4］。近年來，國(guó)內(nèi)外利用CFD技術(shù)對(duì)SK型靜態(tài)混合器的研究逐漸增多，并取得了一系列具有應(yīng)用價(jià)值的科研成果［5-10］。但大多研究未考慮兩相混合問題［7］，有些以水為介質(zhì)，與稠油摻稀工況有很大差異［8］。熊志楊等人運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究了SK型靜態(tài)混合器中氣液兩相流的三維流場(chǎng)，認(rèn)為氣液兩相流體通過混合單元時(shí)湍動(dòng)增強(qiáng)從而達(dá)到強(qiáng)化混合的效果［9］。然而稠油摻稀降黏工藝中使用靜態(tài)混合器的報(bào)道卻寥寥可數(shù)，并且現(xiàn)有報(bào)道中只考慮了稠油與稀油的多相流流動(dòng)，沒有考慮在摻稀過程中稀油與稠油的互溶，這與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況有一定出入。

本次研究應(yīng)用 CFD方法，通過 k-ε模型和Levich漩渦擴(kuò)散模型控制稠油和稀油的互溶過程，模擬研究稠油摻稀中SK型靜態(tài)混合器的內(nèi)部流體流場(chǎng)。

1 物理模型

1.1 摻稀降黏模型

針對(duì)套管摻入及油管采油的反摻稀作業(yè)工況，對(duì)SK型靜態(tài)混合器工作原理進(jìn)行模擬。圖1為摻稀降黏模型示意圖?；旌掀靼惭b于油管底部，摻稀混合模型中套管長(zhǎng)度取1 000 mm，內(nèi)徑62 mm，油管長(zhǎng)度取4 500 mm，內(nèi)徑38 mm，外徑44 mm，混合器元件從油管底部向上500 mm處開始排布。

圖1 摻稀降黏模型示意圖

1.2 混合器原件結(jié)構(gòu)

目前，石油行業(yè)常用的靜態(tài)混合器主要是SK型靜態(tài)混合器。圖2為SK型靜態(tài)混合器元件模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖。該元件直徑76 mm，元件長(zhǎng)度114 mm，徑長(zhǎng)比為1∶1.5。此混合器中，混合元件扭轉(zhuǎn)角度為180°，與緊鄰的混合原件成90°角對(duì)接，交替周期排列，分別在流道中為流體提供左向和右向旋轉(zhuǎn)力。

圖2 SK型靜態(tài)混合器元件模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值求解

2.1 控制方程

在高溫狀態(tài)下，稠油流動(dòng)往往表現(xiàn)為牛頓流體。將稠油與稀油的混合流動(dòng)按照多相流模型進(jìn)行計(jì)算，稠油設(shè)為第1相，稀油為第2相。作為對(duì)k-ε模型和RNG模型的補(bǔ)充，在FLUENT模型中提供了一種叫帶旋流修正的k-ε模型。Realizable模型滿足某種數(shù)學(xué)約束，和湍流的物理模型是一致的。因此，在求解該湍流問題時(shí)采用Realizable k-ε模型，其連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

Relibazle k-ε模型的輸運(yùn)方程為:

式中:ε—耗散率;

k—湍動(dòng)能;

Gk—由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

Gb—由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

YM—可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);

C1、C2、C1ε、C2ε、C3ε— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

σk、σε— 與湍動(dòng)能k、耗散率ε分別對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);

ρ—流體密度;

ui—時(shí)均速度;

μ—流體動(dòng)力黏度;

μt— 湍動(dòng)黏度;

Sk、Sε— 用戶定義的源項(xiàng)。

在井下高溫條件下，稠油呈可流動(dòng)的液態(tài)，稠油與稀油的混合可以視為一種伴隨著相間質(zhì)量傳遞的液-液擴(kuò)散過程?？紤]相間傳質(zhì)過程中流體動(dòng)力學(xué)的影響，將分子擴(kuò)散和對(duì)流傳遞與“渦流擴(kuò)散”結(jié)合起來，在模型中加入Levich的漩渦擴(kuò)散模型:

式中:K—傳質(zhì)系數(shù);

D—相互擴(kuò)散系數(shù);

σe—當(dāng)量表面張力;

u—湍動(dòng)強(qiáng)度;

σ—標(biāo)準(zhǔn)偏差。

根據(jù)以上原理，運(yùn)用UDF技術(shù)向計(jì)算模型中加入Levich漩渦擴(kuò)散模型，以控制稠油摻稀時(shí)稠油和稀油的互溶過程。

2.2 物性參數(shù)與邊界條件

將稠油與稀油的入口均設(shè)為速度入口，混合油從油管流出口設(shè)為壓力出口，出口壓力30 MPa。新疆X井日產(chǎn)液量150 t，其中稀油日注入量78.7 t，密度為734.6 kg/m3，黏度為20 mPa·s;稠油密度為1 208.9 kg/m3，其黏度為 5 000 mPa·s。邊界保持無滑移。

3 數(shù)值仿真與結(jié)果分析

3.1 混合器流場(chǎng)分析

(1)非線性流動(dòng)分析。圖3為混合油速度流線圖。在混合油未進(jìn)入混合器之前，混合油的流速很低，呈現(xiàn)直線流動(dòng);當(dāng)混合油通過混合器單元之后，流動(dòng)方向發(fā)生變化，速度增強(qiáng)。在混合器流道內(nèi)，混合油被不斷地撕裂、拉伸、旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)非線性流動(dòng)態(tài)勢(shì)?；旌掀鞯募尤朐斐刹⒓觿×嘶旌嫌偷姆蔷€性流動(dòng)，使混合程度增強(qiáng)。

(2)渦流運(yùn)動(dòng)分析。在徑向截面上，混合油在混合器內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)渦流形態(tài)，在未進(jìn)入混合器之前則沒有該趨勢(shì)，如圖4所示。在未進(jìn)入混合器時(shí)，混合油的流動(dòng)方向都是向著油管中心，并且在徑向截面上的速度分量很小;當(dāng)通過混合單元之后，混合油的速度增快，徑向截面上的速度分量也隨之加大，并且產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)?；旌嫌偷臏u旋流動(dòng)可以促進(jìn)混合油中不同組分的混合。

(3)流動(dòng)的不均勻性分析。造成混合物流動(dòng)的不均勻性是使用混合器的主要目的。在通過混合器單元時(shí)，混合油表現(xiàn)出了極強(qiáng)的流動(dòng)不均勻性。這種不均勻性主要表現(xiàn)為同一時(shí)刻、不同位置以及同一位置、不同時(shí)刻的流速均不相同。

圖3 混合油速度流線圖

圖4 某時(shí)刻模型內(nèi)徑向界面速度矢量圖

圖5為混合物流動(dòng)速度云圖?？梢钥闯?，在同一時(shí)刻、不同位置上的混合油速度是不同的;即使是在同一位置，隨著時(shí)間的推移，混合油的速度也是不同的，流動(dòng)呈現(xiàn)極強(qiáng)的不均勻性。流動(dòng)的不均勻性可以防止混合油在混合器流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻塞流道，為混合油在混合器單元內(nèi)的流動(dòng)提供保障。

通過以上觀察分析，混合器的加入使原本呈現(xiàn)直線流動(dòng)的混合油產(chǎn)成了非線性流動(dòng)，并且大大加強(qiáng)了流動(dòng)的不均勻性;渦流的產(chǎn)生提高了混合油的混合均勻程度，在混合器的扭轉(zhuǎn)作用下，混合油被撕裂、拉伸或折疊，強(qiáng)制混合到了一起，混合程度得到提高。

3.2 混合器單元數(shù)量敏感性分析

(1)每組混合單元中數(shù)量的確定。標(biāo)準(zhǔn)的SK型靜態(tài)混合器，緊鄰混合單元之間呈90°夾角?；旌蠁卧臄?shù)量對(duì)混合效果有很大影響，然而出于工藝方面的考慮，單元數(shù)量不可能無限制增加。在此取9個(gè)混合單元為一組，建立摻稀模型，分別分析流經(jīng)每個(gè)混合單元的混合油的湍動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 混合物流動(dòng)速度云圖

根據(jù)模擬結(jié)果得到通過每個(gè)混合單元后的平均湍動(dòng)強(qiáng)度，如表1所示?；旌线^程是在強(qiáng)制對(duì)流作用下通過主體擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散，最終達(dá)到分子級(jí)均勻混合，流體的湍動(dòng)強(qiáng)度越高，越能夠促進(jìn)兩相流體的混合過程。因此，可以將湍動(dòng)強(qiáng)度作為混合器混合效果的評(píng)價(jià)依據(jù)。

混合油通過混合單元所獲得的湍動(dòng)強(qiáng)度，呈震蕩曲線形式，湍動(dòng)強(qiáng)度隨著通過的混合單元數(shù)增加而增強(qiáng)，在通過第8個(gè)混合單元后湍動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后又有所下降。即在本次模擬中，通過第8個(gè)混合單元后湍動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)理想效果。通過2個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)之后，流體在靜態(tài)混合器中的湍動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到峰值。

(2)混合器組數(shù)敏感性分析。將混合器單元2個(gè)周期作為1組，分別建立1—4組混合器單元的摻稀模型，在相同外部條件下對(duì)這4組模型進(jìn)行模擬計(jì)算，然后取同一時(shí)間點(diǎn)各組模型出口處的湍動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行研究。表2為同一時(shí)間點(diǎn)各組模型出口處平均湍動(dòng)強(qiáng)度。

表2 同一時(shí)間點(diǎn)各組出口處平均湍動(dòng)強(qiáng)度表 %

在混合油進(jìn)入混合器后，通過第1組混合單元，出口處的湍動(dòng)到達(dá)一個(gè)峰值，之后通過第2組混合單元，湍動(dòng)不能保持下去而快速降低;在通過第3組混合單元后達(dá)到最大值，之后在第4組混合單元湍動(dòng)又有所降低。由此可以得出結(jié)論，混合油流過第3組即6個(gè)周期后的湍動(dòng)強(qiáng)度最高。

結(jié)果表明，混合器對(duì)于流體的湍動(dòng)增強(qiáng)不是無限制的，綜合隨著混合元件數(shù)量的增加，混合器內(nèi)流體湍動(dòng)的增強(qiáng)與減弱呈現(xiàn)周期態(tài)勢(shì)，但隨著混合器數(shù)量的增加，恢復(fù)或者破壞這種湍動(dòng)所需要的時(shí)間越短。這與文獻(xiàn)［8］中的結(jié)論相吻合。

4 結(jié)語

(1)模型仿真表明，混合器的加入使原本呈現(xiàn)直線流動(dòng)的混合油變成了非線性流動(dòng)，渦流強(qiáng)度增強(qiáng)，并且提高了流動(dòng)的不均勻性，促進(jìn)混合程度提高。

(2)混合器對(duì)其內(nèi)部流體的湍動(dòng)增強(qiáng)作用很明顯，通過第2個(gè)周期的混合單元后湍動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)峰值，推薦將2個(gè)周期的混合單元作為一組進(jìn)行使用。

(3)將2個(gè)周期的混和單元作為一組，仿真得知3組混合單元能夠達(dá)到的湍動(dòng)強(qiáng)度最高，推薦將3組混合單元一起使用。

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