井下泡沫發(fā)生器內(nèi)流場數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)選

閆月娟 曹宇航 桑小娜 李 默 李 森

（東北石油大學機械科學與工程學院）

泡沫驅(qū)因具有波及體積大、驅(qū)油效率高的優(yōu)點，已被我國各大油田普遍認可、廣泛應用［1～3］。泡沫發(fā)生器是泡沫驅(qū)作業(yè)的重要部件，其性能好壞直接影響著泡沫驅(qū)的應用效果［4，5］。 目前，我國油田實施泡沫驅(qū)油作業(yè)時普遍采用地面發(fā)泡器發(fā)泡，將生成的泡沫通過管柱注入地層。 這種注入方式，對于一些深井和超深井來說，存在嚴重的泡沫消泡問題， 不能保證井下驅(qū)油泡沫的質(zhì)量。井下泡沫發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)在井下產(chǎn)生泡沫，將所生成的泡沫直接注入地層，因而有效減少了泡沫的消泡，很大程度上改善了泡沫作業(yè)效果，具有良好的研究和開發(fā)價值。 但是，由于井下徑向空間狹小、操作局限，井下泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)既要保證良好的發(fā)泡性能，同時還要保證徑向尺寸滿足要求且具有不容易發(fā)生堵塞的特點。

我國油田用泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但大部分為地面發(fā)泡器。 典型的地面泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)形式有渦輪式、螺旋式、同心管式、孔隙式和擋板式［6］。近些年來，一些專家學者也設(shè)計出了新型的泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)。 如，林日億設(shè)計了同心管與變向螺旋塊組合形式的耐壓耐酸泡沫發(fā)生器［7］；劉承婷等設(shè)計了螺旋擋板式?jīng)_砂洗井泡沫發(fā)生器［8］。相比于地面發(fā)泡器，對井下泡沫發(fā)生器的報道較少，僅在國內(nèi)外的一些專利中有所涉及。 為此，筆者在現(xiàn)有的泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，初選了3 種結(jié)構(gòu)簡單、不容易發(fā)生堵塞的組合式泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)，即射流擋板式、螺旋擋板式和螺旋攪拌式。 應用數(shù)值模擬方法對三者的流體域進行數(shù)值模擬，對比分析不同泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的流動特性，優(yōu)選出適于井下發(fā)泡的泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)。

1 物理模型及計算前處理

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)筆者所選擇的3 種泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前已經(jīng)優(yōu)化好的泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)［9～11］，建立了相應的流體域模型，流體域模型的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

射流擋板式泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)由噴嘴、 接受室、喉管、 擴散管和4 塊等距放置的半圓形擋板組成；螺旋擋板式泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)由焊接在固定桿上的螺旋葉片和4 塊等距放置的半圓形擋板組成；螺旋攪拌式泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)由焊接在固定桿上的等距螺旋葉片和螺旋狀布置且與固定桿橫截面呈7.5°左右升角的8 對攪拌槳片組成。 3 種流體域模型的長度均為300mm，最大外徑均為32mm；氣液相入口形狀和尺寸相同， 氣相入口直徑為20mm，液相入口共8 個，直徑為5mm。 各模型具體尺寸見表1～3。

圖1 泡沫發(fā)生器流體域幾何模型

表1 射流擋板式流體域結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

表2 螺旋擋板式流體域結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

表3 螺旋攪拌式流體域結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

由于3 種流體域幾何模型結(jié)構(gòu)較為復雜，因此利用ANSYS Meshing 分別對3 種流體域結(jié)構(gòu)進行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。 為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，分別進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，當3 種模型的網(wǎng)格數(shù)分別達到32.8 萬、33.4 萬和35.9 萬時，模型進出口的靜壓差值基本保持不變，網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值模擬要求。

1.2 邊界條件及計算模型選擇

以塔河油田某井實施泡沫驅(qū)的實際工況為例： 井深4 000m， 井下壓力40MPa， 井下溫度140℃。 向該井注入泡沫時，發(fā)泡液為水與耐高溫起泡劑的混合基液（起泡劑質(zhì)量濃度為3%），發(fā)泡液的注入流量為2.76m3/d， 井下氮氣的體積為發(fā)泡液的2 倍。 筆者采用氣液兩相流的混合模型對發(fā)泡器內(nèi)部的氣液流場進行模擬［12］。 由于發(fā)泡液中發(fā)泡劑的質(zhì)量濃度較小，因此以水相代替混合基液作為主相，次級相選擇為氮氣，設(shè)定氣體粒徑為100μm［13］。 通過查閱AP1700 物質(zhì)物性平臺，該工況下水的密度為946.203 7kg/m3，黏度為0.206 547mPa·s， 氮氣的密度為263.837 2kg/m3，黏度為3.00963×10-5Pa·s。 氣液相的入口邊界條件選擇速度入口，入口速度根據(jù)實際工況下氮氣與發(fā)泡液的流量均設(shè)置為4.88m/s，出口設(shè)定為自由出流。 考慮重力對發(fā)泡效果的影響，設(shè)置重力加速度為9.81m/s2，方向為x 正方向。

選用雙精度壓力基準算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，湍流計算模型選擇標準k-ε 模型，SIMPLEC算法用于進行速度壓力耦合，采用有限體積法對控制方程進行離散，壓力項采用PRESTO! 方法，體積百分含量采用QUICK 方法，動量、湍動能和湍流耗散率采用二階迎風格式進行離散，壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù)處理， 為無滑移邊界條件，收斂精度設(shè)為10-6［14］。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在泡沫發(fā)生器的設(shè)計過程中， 應考慮以下幾方面的因素：氣液兩相呈高速、紊態(tài)流動；盡量使得液體分散，以增大氣液接觸面積；適當?shù)丶哟髾C械攪拌作用，使得泡沫的粒徑更均勻。 因此，在泡沫發(fā)生器內(nèi)部不僅要使得氣液兩相獲得較大的流速，還要保證氣液相之間獲得足夠的擾動，增加氣液相之間的接觸面積，以利于泡沫的形成。

2.1 跡線分布

泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場的跡線分布如圖2 所示。 為了能夠較為直觀地展現(xiàn)跡線分布情況，分別取流體域全局、中分面和板間與槳葉間橫截面上的跡線分布進行說明。

圖2 泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場的跡線分布

從射流擋板式的跡線分布（圖2a）可以看出，氣液兩相經(jīng)過擋板時，在擋板后部產(chǎn)生了較為明顯的渦旋，但是渦旋內(nèi)部的流線相對較少，流體大部分呈波浪狀流態(tài)在板間流動，板間橫截面上沒有形成橫向渦旋； 從螺旋擋板式的跡線分布（圖2b）可以看出，氣液相經(jīng)過螺旋葉片時形成了較為穩(wěn)定的螺旋流動， 螺旋流繼續(xù)經(jīng)過擋板時，流體呈螺旋流態(tài)在擋板間流動，從流體域中分面和板間橫截面上的局部放大圖可以看出，流體在擋板后部產(chǎn)生了較大的渦旋，渦旋內(nèi)部的流線較多，說明大部分流體經(jīng)過該渦旋實現(xiàn)混合，但在橫截面方向僅有螺旋流動并沒有形成多渦旋流動；從螺旋攪拌式的跡線分布（圖2c）可以看出，與螺旋擋板式類似，氣液兩相在螺旋葉片位置形成了較為穩(wěn)定的螺旋流，螺旋流繼續(xù)經(jīng)過攪拌槳片位置時，螺旋在多對槳片的分流作用下逐漸被削弱，在流體域的泡沫出口段，氣液相呈微弱的螺旋流動。 從流體域中分面和槳葉間橫截面上可以看出，氣液相在該結(jié)構(gòu)的槳葉前后軸向位置和徑向位置上均形成了多個不規(guī)則的小尺度渦旋，這些旋渦造成的宏觀不穩(wěn)定性，可以加速氣液間的混合，促進泡沫的形成。

2.2 速度分布

泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場的速度分布如圖3 所示。 射流擋板式的速度分布如圖3a 所示，氣體經(jīng)過噴嘴時形成高速流，最大速度達到23.36m/s，帶動接受室內(nèi)的液體共同流入喉管。 流體在喉管位置由于存在紊流擴散作用，使得混合相的流速降低。 流體繼續(xù)以垂直于擋板速度流經(jīng)擋板時，由于受到擋板的阻礙作用，流體在擋板前的流速為11～14m/s，在擋板后的流速為1～2m/s，且低速區(qū)占到流體域的一半， 擋板對流體的阻礙作用明顯。 氣液相在該結(jié)構(gòu)的喉管和擋板位置的流速較大，因此湍流強度較高，但是氣液兩相在該結(jié)構(gòu)內(nèi)部并沒有得到充分的擾動， 速度分布極不均勻，因此不利于氣液充分接觸生成泡沫。 螺旋擋板式的速度分布如圖3b 所示， 氣液兩相經(jīng)過螺旋葉片后形成強螺旋流，速度最高達到16.25m/s，且在螺旋流道內(nèi)保持良好，使得螺旋流經(jīng)過擋板時維持了一定的螺旋流速，相較射流擋板結(jié)構(gòu)減小了擋板對流體的阻礙， 擋板后低速區(qū)范圍減小，流速影響范圍更廣，氣液相在該位置形成了較為強烈的渦旋，有利于氣液相間的接觸。 螺旋攪拌式的速度分布如圖3c 所示， 氣液相在螺旋葉片位置的速度分布與螺旋擋板式基本相同。 螺旋流經(jīng)過槳片位置時，由于槳片面積較小，且呈螺旋狀多對錯落布置，進一步減小了對流體的阻礙作用，使得流體保持了一定的螺旋流速，相鄰兩對槳葉前后流體最大速度的差值僅為1.5m/s左右。 槳片對流體的分流作用更加明顯，促進了槳葉間小尺度渦旋的形成。 同時，該結(jié)構(gòu)出口處的速度分布相比于其他兩種分布的更加均勻，因此有利于泡沫在管柱中的輸送。

圖3 泡沫發(fā)生器內(nèi)部速度矢量分布

2.3 氣液相分布

泡沫發(fā)生器內(nèi)部氣液相分布的均勻程度可以反映泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)對氣液的摻混效果。 泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場中的氣相體積分數(shù)分布如圖4 所示，其分布規(guī)律驗證了跡線和速度場分析的正確性。

圖4 模型中分面上的氣相體積分數(shù)分布

從圖4 可以看出射流擋板式的流場中存在較為明顯的氣液交界面， 氣液相沒有很好地摻混。 氣相射流后受擋板擾流呈波浪式流動，在擋板后因存在渦旋流動氣液相混合加強，但因為流速和氣量較少對混合的貢獻較少，氣液相混合效果不佳。 螺旋擋板式對氣液相的摻混效果較好，流體在螺旋葉片位置由于螺旋流的流速較高，湍流脈動較強，具有一定混合效果。 流體繼續(xù)經(jīng)過擋板位置時，由于螺旋流的存在和擋板間所形成的渦旋促進了氣液相間的混合，氣液分布逐漸均勻，較射流擋板式有了很大改善，在尾部擋板的后面流體的氣相體積分數(shù)基本不發(fā)生變化。 相比于螺旋擋板式，螺旋攪拌式對氣液兩相的摻混效果更好，流體經(jīng)過螺旋葉片之后，相較于螺旋擋板式結(jié)構(gòu)，在多組攪拌槳片的剪切攪拌作用下形成了更多不規(guī)則的小尺度渦旋， 且流動更加均勻，促進了氣液混合，使得氣液相在前4 對槳葉位置已經(jīng)摻混得比較均勻。 后4 對槳葉可以對所形成的泡沫進一步剪切細化，提高泡沫質(zhì)量。

3 種泡沫發(fā)生器在出口位置的氣相體積分數(shù)分布對比曲線如圖5 所示。 從圖中可以看出，射流擋板式出口位置氣相體積分數(shù)波動最大，螺旋攪拌式出口截面的氣相體積分數(shù)波動最小，更加接近66.7%（氣液比2∶1）。表明螺旋攪拌式相比于其他兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)泡效果更好。

圖5 3 種泡沫發(fā)生器在出口位置的氣相體積分數(shù)分布

2.4 壓力分布

泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的靜壓分布如圖6所示。 從圖中可以看出，射流擋板式泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)在噴嘴位置的節(jié)流效應較強，氣體的壓力損失較大。 在噴嘴出口位置，由于氣體的流速高，使得喉管和液相入口的靜壓值相對較低，更加有利于液體的進入。 在擴散管至第1 塊擋板位置，由于流道的擴大和擋板的阻擋作用，使得流體的流速降低，靜壓值增大。 流體繼續(xù)經(jīng)過其他擋板時，靜壓力逐漸降低。 螺旋擋板式和螺旋攪拌式由于在螺旋葉片位置的結(jié)構(gòu)相同， 因此壓力變化相似。但是， 由于螺旋攪拌式的攪拌槳葉呈螺旋狀布置，且槳片尺寸較小，相比于螺旋擋板式的擋板結(jié)構(gòu)對螺旋流所產(chǎn)生的阻礙作用更小，因此壓力損失低。

圖6 模型中分面上的靜壓分布云圖

泡沫發(fā)生器沿軸向方向上靜壓值的變化曲線如圖7 所示。 從圖中可以看出，射流段壓降為0.06MPa， 射流結(jié)構(gòu)每級擋板壓降約為0.02MPa，總體壓力損失最大，為0.12MPa；螺旋擋板式和螺旋攪拌式由于螺旋葉片結(jié)構(gòu)相同，因此氣液相在x=100mm 以前靜壓值的變化趨勢相似，壓降約為0.035MPa。 但是在x=100mm 以后，由于螺旋擋板相較于攪拌槳對流體的阻礙作用更強，螺旋擋板式的壓力損失較大，螺旋攪拌式的壓力損失較小。螺旋擋板式結(jié)構(gòu)的整體壓力損失為0.11MPa，螺旋攪拌式結(jié)構(gòu)的整體壓力損失為0.09MPa。

圖7 泡沫發(fā)生器沿軸向方向上靜壓值的變化曲線

3 結(jié)論

3.1 單一的射流或者螺旋結(jié)構(gòu)都不能使得氣液兩相得到有效混合。 氣體介質(zhì)在射流結(jié)構(gòu)的噴嘴位置節(jié)流效應較強，高速的氣體射流使得氣液之間存在明顯的交界面， 不利于氣液相間的摻混。螺旋結(jié)構(gòu)可以使得氣液相形成穩(wěn)定的螺旋流態(tài)，但由于螺旋流道內(nèi)沒有其他的擾流部件，因此氣液相間沒有得到有效的摻混。

3.2 射流擋板式對氣液相的摻混效果較差，流體在擋板間主要呈波浪狀流態(tài)流動，在擋板后部渦旋位置的流體較少， 流體沒有得到充分的混合。螺旋擋板式和螺旋攪拌式對氣液相的摻混效果較好。 氣液相經(jīng)過螺旋葉片之后形成高速螺旋流，螺旋流繼續(xù)經(jīng)過擋板位置時產(chǎn)生了較大的渦旋，渦旋內(nèi)部的流線較為密集，說明大部分流體經(jīng)過該渦旋實現(xiàn)混合；高速螺旋流經(jīng)過攪拌槳片時保持了一定的螺旋流速，同時氣液相在槳片位置形成了多尺度、不規(guī)則的渦旋，促進了氣液相間的混合。

3.3 螺旋攪拌式相比于其他兩種泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)，在具有良好的發(fā)泡效果的同時，壓力損失小。 且在前4 對槳片就已經(jīng)將氣液摻混得比較均勻，其余多對槳葉的攪拌剪切可以使得所形成的泡沫細小致密以提高泡沫質(zhì)量，因此更適合作為井下泡沫發(fā)生器的泡沫發(fā)生結(jié)構(gòu)。