基于ANSYS FLUENT的原油低黏液環(huán)輸送數(shù)值模擬與分析

李慧瑤 李軒宇 張 雨 苗嘉旭 周洋洋 張玉紅 畢海勝

（1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司；3.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院）

近年來， 隨著我國原油消耗量持續(xù)增長，常規(guī)原油往往供不應(yīng)求，而高黏原油的開采具有管輸困難、且伴隨較大電力消耗的特點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)的降黏措施（如伴熱管加熱、摻輕油等）都存在一定的局限性，因此，低黏液環(huán)輸送技術(shù)的研究對重質(zhì)油品的廣泛使用具有重要意義。

低黏液環(huán)的形成是油水兩相在螺旋葉片的作用下由于密度的差異，所受離心力不同，密度較大的水沿徑向被推至管道外側(cè)與管壁接觸，而高黏原油則以“油核心”的形式在水環(huán)中心流動，不與管壁接觸。 液-液旋流裝置內(nèi)部流動為螺旋流，是一種復(fù)雜的流動狀態(tài)，螺旋流可分解為軸向流和強(qiáng)制渦流，在此流動中，流線和渦線重合，流體隨螺旋運(yùn)動，壓力逐漸降低，動壓頭增加，兩相在此過程中分離。 相關(guān)文獻(xiàn)［2～4］表示，水環(huán)輸送工況在管道內(nèi)的壓降僅為在同流量下輸送純水的2.88倍，處于同一數(shù)量級，當(dāng)油水黏度相差較大時，兩相的計算黏度也有很大降低，如油水黏度比為200時，計算黏度僅為油相黏度的0.014 4，且油水黏度比越大，計算黏度越小。 然而，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于油水重度差異的存在、高速紊流以及裝置的不對稱性等原因易引起 “油核心”上浮和油水兩相的摻混乳化，最終導(dǎo)致油相與管壁接觸，摩阻增加。 如何保證水環(huán)的穩(wěn)定性、避免兩相界面波的產(chǎn)生是當(dāng)前低黏液環(huán)輸送技術(shù)研究的一個重要課題。

自1948年CLARK K A提出向高黏原油注水輸送以降低摩阻以來，低黏液環(huán)減阻運(yùn)輸技術(shù)的研究引起了廣泛關(guān)注，許多學(xué)者對低黏液環(huán)輸送高黏原油進(jìn)行大量實(shí)驗和數(shù)值模擬。 1959年，RUSSEL T W F和CHARLES M E提出互不相溶兩液體在同心圓管中流動的理論模型，對比單液相輸送模型確定環(huán)狀流在重質(zhì)油品輸送方面有較好的節(jié)能功效，為油水環(huán)狀系統(tǒng)進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)［5］。1961年，CHARLES M E等對密度相同、黏度不同的原油進(jìn)行實(shí)驗研究，得出流形很大程度上與原油黏度無關(guān)的結(jié)論［6］。 HASSON D等利用蒸餾水和C2H2Cl2溶液進(jìn)行研究，通過高速攝像機(jī)測量管壁液體厚度并分析管內(nèi)核心流流動軌跡，驗證了無波浪界面模型預(yù)測值的準(zhǔn)確性［7］。 屠大燕等從流動狀態(tài)、流速分布和流量大小方面分析了水環(huán)同心流動特性，建立了水環(huán)輸送性能和摩阻壓降關(guān)系式［8］。OOMS G等將流動狀態(tài)視為固液界面處理，基于流體動力潤滑理論建立了壓力損耗率計算水環(huán)所需水量的數(shù)值函數(shù)，該函數(shù)預(yù)測值在較小管徑內(nèi)與實(shí)驗值基本吻合，在較大管徑內(nèi)存在一定誤差［9］。 OLIEMANS R V A等考慮到油芯對水膜擾動的影響，對穩(wěn)定核心環(huán)狀流理論模型進(jìn)行優(yōu)化，新模型能夠更好地預(yù)測流速增加時的壓力梯度［10］。 劉天佑分析了水環(huán)輸送效率的主要影響因素和減阻機(jī)理，建立黏彈性層流水環(huán)臨界速度的計算公式，提出輸油效率最高的最佳平均速度和油水比［11］。ARNEY M S等通過改變注入流速證實(shí)注水量與持液率相關(guān)，提出同心環(huán)流動模型，得出雷諾數(shù)與摩擦系數(shù)曲線圖，但該曲線在雷諾數(shù)較低的情況下并不理想。 在水環(huán)穩(wěn)定性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也做了一定的研究工作。艾克森公司按照7∶11的水油比制備了油包水型乳狀液，成功實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用CAF方法輸送高黏原油［12］。MIESEN R等最早提出利用鈉硅酸鹽溶液提高管壁親水性，防止管壁污染［13］。 李家元等借助黏彈性水溶液、凝膠吸附層和管壁親水化來保證水環(huán)的平衡穩(wěn)定，以防止油流黏附管壁現(xiàn)象的發(fā)生［14］。 SILVA R C R等提出利用高錳酸鉀對管道表面進(jìn)行氧化以減小油的接觸角、通過增加粗糙度提高親水性和兩相壓降來提高水環(huán)輸送的穩(wěn)定性，但是被氧化的管道表面加之水的存在會使得管壁容易被腐蝕［15］。 筆者基于FLUENT軟件建立旋流裝置三維模型，模擬裝置內(nèi)水環(huán)輸送的運(yùn)行參數(shù)和影響規(guī)律，為低黏液環(huán)輸送安全平穩(wěn)運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo)。

1 管道旋流裝置數(shù)值模擬計算

1.1 多相流模型建立

式（1）中各項依次為：Cij對流項；DT，ij湍流擴(kuò)散項；DL，ij分子黏性擴(kuò)散項；Pij剪應(yīng)力產(chǎn)生項；Gij浮力產(chǎn)生項；φij壓力應(yīng)變項；εij黏性耗散項；Fij系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項。 其中，湍動能k和耗散率ε方程如下：

1.2 旋流裝置模型

該旋流裝置主要由入口、螺旋葉片和旋流腔組成。 工作時，油水混合物在進(jìn)場壓力下進(jìn)入旋流裝置，在壓力和螺旋葉片的聯(lián)合造旋作用下，形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流。 由于油水兩相密度不同且互不相溶， 密度較小的油相在管道核心流動，而水相貼近管壁，環(huán)繞在油相外部，形成水環(huán)。 采用SolidWorks軟件對3種不同結(jié)構(gòu)尺寸的旋流裝置建立模型， 分別探究其油水分離成環(huán)能力， 并分析油水分離成環(huán)的影響因素和具體參數(shù)的改變對于結(jié)果的影響。 裝置具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 裝置參數(shù)設(shè)置

1.3 網(wǎng)格劃分及初始條件設(shè)置

利用Workbench中的meshing模塊對旋流裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 考慮到螺旋葉片段的不規(guī)則性，對螺旋葉片采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。 由于螺旋葉片流道屬于大梯度區(qū)域流動狀況較為復(fù)雜的情況，為保證流場網(wǎng)格的高質(zhì)量和局部網(wǎng)格數(shù)量，選擇加密該段網(wǎng)格，保證該段的光滑性［16］。 文中裝置模型網(wǎng)格數(shù)量維持在35 萬左右， 以傾斜度skewness為網(wǎng)格質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)， 質(zhì)量檢查報告顯示，最大值不超過0.84，超過90%的網(wǎng)格是優(yōu)良，網(wǎng)格劃分良好。 進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的旋流裝置模型如圖1所示。

圖1 旋流裝置網(wǎng)格劃分

文中模擬介質(zhì)為油水混合物，井口壓力為3 MPa，輸油管道直徑為DN200 mm或DN100 mm。油水混合物進(jìn)入旋流裝置入口速度為4 m/s，溫度為20 ℃，其中油水兩相具體參數(shù)見表2。

表2 油水兩相具體參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部壓力場分析

選取液-液旋流裝置區(qū)域x=0的平面作為壓力投影面，對沿y軸方向的壓力變化進(jìn)行分析，圖2為3種旋流裝置壓力分布云圖。

由圖2可知，3種旋流裝置的壓力分布基本遵循同一規(guī)律，即壓力隨流體不斷在螺旋流道中的旋轉(zhuǎn)而降低，但壓力降低程度卻因螺旋圈數(shù)和裝置結(jié)構(gòu)尺寸的變化而不同。 當(dāng)螺旋圈數(shù)增加時，壓力降幅增加，并隨旋轉(zhuǎn)所在圈號越大壓力降低速度越快。對比A、C型裝置可知，管徑不同導(dǎo)致壓力下降程度不同，入口管徑越大，旋轉(zhuǎn)流量越大，壓力下降程度越大；另外，錐段的存在也對壓降程度產(chǎn)生影響，對比B、C型裝置可知，錐段的存在可以減緩壓降程度。

圖2 3種旋流裝置壓力分布云圖

2.2 速度矢量圖分析

油水混合物進(jìn)入旋流裝置后做螺旋流運(yùn)動，可將其分為3種速度分量——軸向運(yùn)動、 徑向運(yùn)動與切向運(yùn)動。 在這3種速度分量中， 最容易測定、占比最大的，同時也是最為重要的是切向運(yùn)動速度，旋流裝置需要一定的切向速度來使油水分離，因此，切向速度可作為評定油水分離的重要指標(biāo)。 利用FLUNET后處理功能建立多個區(qū)域截面的矢量圖。 選取不同裝置不同截面處的3類切向速度（圖3），主要為A型y=-700 mm處的流道后段速度，B型y=-1100 mm處的螺旋流道段切向速度和C型y=-1200 mm處的旋流段出口切向速度。

圖3 3種旋流裝置切向速度矢量圖

由圖3可見， 無論是螺旋流道中還是之后流段，切向速度所呈現(xiàn)的規(guī)律大致相同，即隨著觀測點(diǎn)距離軸心越來越遠(yuǎn)， 切向速度越來越大，后在邊界層迅速下降為0。 通過對比3種裝置可知，流體自有錐段的B型裝置流道流出后， 由于馬上進(jìn)入半徑逐漸縮小的錐段結(jié)構(gòu)，螺旋流動在此過程中維持地較為完整，切向速度相比于其他裝置下降緩慢。

2.3 流體運(yùn)動跡線分析

借助FLUENT軟件的Pathlines功能，3種旋流裝置流體從入口至出口的運(yùn)動軌跡如圖4所示，跡線圖以速度大小為導(dǎo)向。

圖4 3種旋流裝置流體運(yùn)動軌跡圖

由圖4可知， 入口處的不穩(wěn)定軌跡是由入口流體與管壁碰撞而引起流向的改變所導(dǎo)致的。在螺旋流道段，3種裝置的流體運(yùn)動狀況基本一致， 大都是繞流道螺旋運(yùn)動， 但當(dāng)沖出流道之后，其螺旋運(yùn)動很快出現(xiàn)差別。 A、C型裝置流動趨勢大體一致， 即螺旋運(yùn)動的螺旋間距會隨著流動越來越大， 直到流體運(yùn)動由螺旋狀恢復(fù)為軸向運(yùn)動，且螺旋裝置螺旋圈數(shù)越多，裝置后端螺旋間距越小，跡線越密集，螺旋運(yùn)動穩(wěn)定性越高。 而具有獨(dú)特錐段結(jié)構(gòu)的B型裝置，錐端的存在使得沖出流道的流體能夠較完整地維持螺旋運(yùn)動， 但由于其流經(jīng)錐段后涌入管徑較小的直管道，速度增加，油水混合物的分離情況變差，水環(huán)成形不理想。

2.4 兩相分布云圖分析

以A裝置為基礎(chǔ)， 模擬不同入口速度下的油水分離情況、輸送穩(wěn)定性和油核心偏離情況。 由圖5可見，當(dāng)入口速度為2 m/s時，油水摻混比較嚴(yán)重，雖然已形成油核心，但無法保證一段時間的穩(wěn)定輸送；當(dāng)入口速度為4 m/s時，稠油核心流動比較明顯，水環(huán)輸送的初始形態(tài)已經(jīng)形成；當(dāng)入口速度增大到6 m/s時， 水環(huán)-稠油核心流動穩(wěn)定性加強(qiáng)，但是出現(xiàn)了偏心現(xiàn)象，出現(xiàn)偏心的原因除了油水密度的差異外，裝置的不對稱性和入口速度也有較大影響，隨著入口速度的增大，偏心現(xiàn)象加重，油品最終接觸到管壁，水環(huán)連續(xù)性遭到破壞，最終管壁出現(xiàn)附著稠油，水環(huán)輸送被破壞。 因此，選擇裝置入口速度4 m/s為宜。

圖5 A型裝置不同入口速度下x=0平面水相分布圖

3 旋流裝置低黏液環(huán)的穩(wěn)定措施

3.1 改變內(nèi)壁面親水性

同一種固體表面，潤濕性較好的流體會驅(qū)逐另一種潤濕性較差的流體。 而在輸送過程中，由于油相不是固定的在核心流動，當(dāng)油品的黏度降低、包裹水環(huán)發(fā)生劇烈紊流或受到擾動時，油相將可能會分散出油顆粒，而這些顆粒中徑向速度較大的會沖出水環(huán)到達(dá)管壁。 管壁的材質(zhì)往往是親油疏水的鋼鐵材料，隨著稠油的輸送，以上情況不斷發(fā)生， 管壁上不斷附著油滴或油顆粒，即使水沖洗掉這些附著油，也會留下痕跡，隨時間的積累，集聚的油品會越來越多，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性被破壞。

因此，可以把管壁換成親水性材料，或在管道輸送前通入一系列潤滑劑形成水溶液對管壁進(jìn)行親水化處理，當(dāng)水環(huán)浸潤管壁后，油相即使在劇烈擾動后沖出水環(huán)也不能附著于管壁或管壁的親水性也會決定著水相很快會沖洗掉油相。

3.2 添加聚丙烯酰胺（PAM）溶液

實(shí)驗研究在低黏液環(huán)輸送高黏原油時，加入聚丙烯酰胺溶液可以起到對液環(huán)的穩(wěn)定作用。 設(shè)計在水溶液中加入200 ppm（1 ppm=10-6）的聚丙烯酰胺溶液，來觀察這種高分子聚物對水環(huán)減阻和穩(wěn)定性的影響。 通過與不增添PAM高分子添加劑的水環(huán)輸送對比，發(fā)現(xiàn)增加聚丙烯酰胺稀溶液的壓力損耗要比對照組減小50%， 主要原因是油水界面的摻混引起乳化被抑制，水環(huán)發(fā)生湍流擾動的可能性降低，同時，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，兩組實(shí)驗的流動阻力為同一數(shù)量級，因此可以得出：添加聚丙烯酰胺溶液的主要作用是降低油核心發(fā)生偏心的概率和抑制油水界面波，從而達(dá)到增加水環(huán)輸送的穩(wěn)定性的效果。

4 結(jié)束語

在螺旋葉片式旋流裝置中，流體隨螺旋流動的進(jìn)行，壓力逐漸降低，切向速度沿徑向逐漸增大，動壓頭增加，兩相在此過程中分離，形成水以環(huán)狀形式在四周流動，高黏原油在管道中心流動的水環(huán)輸送形式。

對3種不同結(jié)構(gòu)、 能夠互成對照的旋流裝置進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示單純的螺旋運(yùn)動能夠保證油水分離，但增加了油水界面的擾動，穩(wěn)定性不能得到較好地維持，同時發(fā)現(xiàn)螺旋圈數(shù)的適當(dāng)增加會增加壓力損失但也使得切向速度增加，保證了油水分離效果和穩(wěn)定性；對旋流段出口后段進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)存在偏心現(xiàn)象，認(rèn)為裝置的不對稱性也是導(dǎo)致油相偏心運(yùn)動的一個重要原因。 若管壁未經(jīng)任何處理，一旦發(fā)生偏心現(xiàn)象，黏油便會附著管壁， 并隨著時間的積累和旋流引起的界面擾動，附著現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最終會使水環(huán)穩(wěn)定性遭到破壞。 因此需改善管道內(nèi)壁的親水化措施，并在油水分離后的管段加入聚丙烯酰胺溶液抑制油水界面波，防止油水摻混。