多孔降黏裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

鄭國興 趙立新，3 司書言

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；3.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著油田的不斷開采，我國各大油田進(jìn)入了中后期開發(fā)階段，油田含水量逐年升高［1］。 目前，聚驅(qū)技術(shù)作為三次采油的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于我國主力油田［2］。然而，由于聚合物等驅(qū)油化學(xué)劑的大量使用，以及原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量的上升，原油乳狀液類型變得更復(fù)雜，乳化程度更高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，使油水分離極為困難［3］，為后續(xù)油品深加工、采出液升舉回注、長距離集輸?shù)葞砝щy［4，5］。 相關(guān)研究表明［6，7］，隨著聚合物濃度增大，油水分離效率急劇降低。 為了降低聚合物對油水分離效果的影響，提高含油污水的處理效率，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。 文獻(xiàn)［8］利用多種嵌段聚醚進(jìn)行復(fù)配交聯(lián)，篩選優(yōu)化出適合于含聚采出液的高效破乳劑，該破乳劑的使用明顯增強(qiáng)了大慶油田含聚采出液破乳效果；文獻(xiàn)［9］研究出了可使不同濃度、不同類型的聚合物溶液黏度降低至接近水的黏度的處理劑，該處理劑對油品性質(zhì)不敏感，具有廣譜性，可有效提高采出液的破乳脫水及污水處理效果；文獻(xiàn)［10］根據(jù)含聚污水水質(zhì)特征，設(shè)計(jì)了一套改進(jìn)型旋流氣浮分離裝置，在處理不同含油污水的情況下，根據(jù)其自身特性可調(diào)節(jié)合適粒徑的氣泡進(jìn)行處理；文獻(xiàn)［11］模擬現(xiàn)場流程建立了微型動(dòng)態(tài)電脫試驗(yàn)裝置，確定了最佳含聚采出液電脫水處理的最佳工藝參數(shù)；文獻(xiàn)［12］探究了臭氧對油田含聚污水處理的作用效果，發(fā)現(xiàn)臭氧可通過降解聚合物來顯著降低含聚污水黏度，同時(shí)污水的濁度和含油量也會(huì)顯著下降；文獻(xiàn)［13］利用斜管組件對含聚污水除油率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)斜管傾角50°時(shí)除油率比傾角60°高10%，針對含聚污水對斜管除油器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 可以提高對含聚污水的處理效率，保證含聚污水的快速高效處理。 但是目前應(yīng)用于井下含聚工況下的機(jī)械降黏設(shè)備研究較少，因此， 本研究提出一種基于機(jī)械剪切的降黏裝置，通過剪切板上孔隙作用使高黏聚合物大分子鏈斷裂，降低含聚溶液黏度。

趙立新和朱寶軍對標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型、代數(shù)應(yīng)力模型、雷諾應(yīng)力模型和離散相模型進(jìn)行對比，簡要分析各湍流模型的特點(diǎn)，指出k-ε模型適合于簡單的湍流管道模擬，計(jì)算成本更低［14］。 胡海燕等對不同湍流模型模擬無限空間淹沒圓射流的效果進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的模擬效果最好，且滿足指數(shù)分布的速度入口邊界條件較符合實(shí)際情況［15］。 由于所研究的介質(zhì)為聚合物溶液，有相對較高的黏度，且流動(dòng)管道為多孔剪切篩板， 因此選用k-ε模型、mixture混合多相流模型并結(jié)合非牛頓模型進(jìn)行仿真模擬。 此外，由于正交法是一種可考慮多因素間交互作用的實(shí)驗(yàn)方法，可實(shí)現(xiàn)通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到最高生產(chǎn)工藝的效果，很多學(xué)者驗(yàn)證了其可靠性［16，17］。

筆者基于數(shù)值模擬的方法對機(jī)械降黏裝置進(jìn)行研究， 分析其在不同工況條件下的降黏效果， 并采用正交法對機(jī)械降黏裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期為降黏裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其現(xiàn)場應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械降黏是指高黏度大分子在機(jī)械剪切作用下或在地層多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)受到機(jī)械剪切作用，分子鏈段被破壞，因而引起黏度的降低。 筆者基于機(jī)械降黏理論設(shè)計(jì)了一種剪切降黏裝置，用于解決當(dāng)前油水采出液因黏度高而難分離的問題。 在進(jìn)入分離端之前，聚合物驅(qū)油形成由聚合物大分子和油水混合物溶合成的聚合物水溶液。 所設(shè)計(jì)的用于降低油水采出液高黏度的降黏裝置初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。 設(shè)計(jì)原理是，高黏度的聚丙烯酰胺水溶液以一定的初始速度從入口流入降黏裝置，該降黏裝置由多孔剪切板和連接管組成，高黏聚丙烯酰胺水溶液經(jīng)過多層多孔剪切板以一定速度流過后從出口流出降黏裝置。

圖1 降黏裝置初始結(jié)構(gòu)示意圖

降黏裝置初始結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，主直徑D為60 mm；Q7對應(yīng)DN 25法蘭孔中心線；Q8對應(yīng)DN 50法蘭孔中心線； 初始剪切板中心為一個(gè)直徑2 mm的孔，并由此中心孔往外緣排列；Q1～Q6分別代表剪切孔中心線直徑， 分別為8、16、24、32、40、48 mm；N1～N6分別為每圈的剪切孔數(shù)量，分別為6、12、18、25、31、37；其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：D1=0.333D，D2=0.233D，D3=0.300D，D4=0.033D，d=1.167D，d1=0.500D，L1=3.917D，L2=2.433D，L3=0.167D，L4=2.233D，L5=3.667D，L6=1.933D，L7=0.333D，H=1.983D，H1=0.250D。

圖2 降黏裝置初始結(jié)構(gòu)尺寸

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks進(jìn)行流體域建模， 并采用ICEM進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。無關(guān)性檢驗(yàn)及網(wǎng)格劃分如圖3所示，以表觀黏度為縱坐標(biāo)，對比4種水平下的黏度變化。 4種網(wǎng)格（水平1～4）單元數(shù)分別為145 281、274 117、410 380、647 716，其中，水平2～4對應(yīng)的表觀黏度變化緩慢，即水平2以后的網(wǎng)格數(shù)對模擬結(jié)果的影響可以忽略。 因此，以水平2下的劃分方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

2.2 CFD計(jì)算模型與邊界條件的確定

采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，選用壓力基隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解， 選用Standard k-ε湍流模型和mixture混合多相流模型；壁面邊界條件壁面不可滲漏，無滑移條件，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散為二階迎風(fēng)離散格式，殘差精度控制在10-5，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。

油水兩相介質(zhì)性質(zhì)為： 離散相油的密度為889 kg/m3，動(dòng)力黏度1.06 kg/（m·s）；連續(xù)相水的密度為998.2 kg/m3，黏度需要進(jìn)行流變測量試驗(yàn)，不同聚合物濃度下的水相黏度見表1，其中，500 mg/L的流變特性參數(shù)下，黏度系數(shù)k取0.004 92，流變指數(shù)n取0.903 87。選用速度入口（velocity-inlet）和自由出口（outflow）為邊界條件，入口流量為4 m3/h，入口速度0.392 m/s，含油體積分?jǐn)?shù)2%。

表1 剪切速率10 s-1下100～500 mg/L水相黏度值

3 正交法結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，多孔剪切板如圖4所示?？讖紸、徑向板距B、周向板距C是多孔剪切板剪切降黏的主要因素。 對此結(jié)構(gòu)采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行多孔剪切板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本研究選用的正交表為L9（33）正交表，其中，A、B、C分別代表3個(gè)結(jié)構(gòu)因素，D為空列對照，每個(gè)因素下對應(yīng)3個(gè)水平， 多孔剪切板因素水平見表2。

表2 多孔剪切板因素水平表

表3 單層剪切板正交表

圖4 初始單層剪切板因素示意圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用FLUENT對正交試驗(yàn)表中的9組模型方案進(jìn)行模擬計(jì)算， 正交試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果見表3。 可以看出，第3組方案A1B3C3D3的降黏效果最好，達(dá)到1.943 mPa·s。 但是直觀分析不一定是最優(yōu)方案，還需要進(jìn)行因素、水平分析。

因素分析。 極差R的大小決定了各個(gè)因素對黏度的影響程度，R值越大，對黏度影響越大。 分析可得RA＞RC＞RB＞RD，因此孔徑A對黏度的影響最大。

水平分析。 根據(jù)K值分析可得A因素列K1＜K2＜K3，B因素列K3＜K2＜K1，C因素列K3＜K2＜K1，而K值越小，表明該水平的降黏效果越好，在篩選最優(yōu)方案時(shí)需選取K值較小時(shí)對應(yīng)的水平數(shù)。 因此，正交最優(yōu)水平方案為A1B3C3D3，即第3組方案。

直觀分析、因素分析和水平分析的結(jié)果均一致， 而在前面的直觀分析和因素水平分析中，極差的大小并沒有一個(gè)客觀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差方案。

表4為顯著性檢驗(yàn)的方差分析表，其中，孔徑A對黏度有顯著性影響， 徑向板距B和周向板距C對黏度無顯著性影響，方差檢驗(yàn)結(jié)果與上述因素水平分析結(jié)果一致。

表4 方差分析表

3.3 性能分析

為了更好地解釋正交試驗(yàn)結(jié)果與裝置降黏性能之間的關(guān)系，對9組正交結(jié)構(gòu)進(jìn)行黏度分布、速度分布和壓力損失變化特性分析。

3.3.1 黏度場分布

由黏度分布云圖能夠更直觀地觀測出多孔剪切板的降黏效果，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，9組結(jié)構(gòu)中正交最優(yōu)結(jié)構(gòu)為第3組（3#），其中，初始結(jié)構(gòu)為第1組（1#），降黏效果最差為第8組（8#），因此，將這3組進(jìn)行黏度分布對比分析， 結(jié)果如圖5所示。對比3組截面y=0處的黏度云圖可知， 第8組的孔徑相比其余兩組較大，因此孔隙處的黏度比其余兩組黏度大， 單孔中間處的黏度要大于邊壁處的黏度，但是剪切板出口處黏度還是要低于入口處黏度；第1組初始結(jié)構(gòu)的剪切板孔數(shù)要比第3組的孔數(shù)密集，第1組中每個(gè)孔隙的黏度也比較低，但是其剪切板出口處黏度略有回升， 而第3組剪切板出口處黏度仍保持較低黏度值，出現(xiàn)這樣結(jié)果的原因是剪切板孔數(shù)增多，過流面積增大，流速相對減小，所以第1組的降黏效果要比第3組的降黏效果差。 因此，在剪切板設(shè)計(jì)過程中，既要考慮孔徑，同等條件下還需考慮單孔流速要滿足剪切要求。

圖5 黏度分布云圖

3.3.2 速度場分布

速度體現(xiàn)出流體在剪切板孔中的湍流程度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 不同的速度就會(huì)有不同的降黏效果。 圖6為初始結(jié)構(gòu)（1#）、正交最優(yōu)結(jié)構(gòu)（3#）和正交最差結(jié)構(gòu)（8#）結(jié)構(gòu)中心r=0處速度分布曲線，能直觀反映出剪切板入口至出口這段區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)以及不同結(jié)構(gòu)之間的差異。 由上述分析可知，降黏由好到壞排序?yàn)椋?#、1#、8#，由圖6可知，3#結(jié)構(gòu)速度要遠(yuǎn)高于其余兩組。 同時(shí)，由入口至出口3組曲線均表現(xiàn)出：入口至剪切板孔區(qū)域（h=0～10 mm）速度極速上升，在剪切板孔中時(shí)（h=10～20 mm）速度一致且保持最高速度不變，剪切板孔至出口區(qū)域（h=20～30 mm）速度緩慢下降，但最低速度仍要高于初始速度。 由此可見，速度越高，剪切板孔與聚合物溶液的剪切程度越強(qiáng)，降黏效果越好。

圖6 不同剪切板孔中心速度分布曲線

圖7為正交最優(yōu)結(jié)構(gòu) （3#） 在不同徑向板孔（r=0、8、16、24 mm）中軸向位置速度分布曲線，可以看出， 不同徑向孔徑中心的速度曲線規(guī)律一致：在剪切板孔之前（h=0～7 mm）速度緩慢上升，在靠近板孔位置（h=7～10 mm）速度由0.39 m/s劇增至9.00 m/s以上，這是因?yàn)榭拷蹇滋庍^流面積減小，出剪切板孔區(qū)域（h=20～30 mm）速度由最高降至2.00 m/s。 4條曲線按徑向位置由內(nèi)到外，速度曲線緩慢下降，r=0 mm處速度曲線最高，r=24 mm處速度曲線最低，但變化相對較小。 由此可見， 剪切板同一平面上的剪切效果大致相同，越靠近中心處降黏效果越略好一點(diǎn)。

圖7 不同徑向剪切板孔中心速度分布曲線

3.3.3 壓力損失分布

在降黏過程中， 剪切板會(huì)有一定的壓力損失，不同模型方案下的壓力損失和黏度曲線如圖8所示，可以看出，前3組的壓力損失相對較大，其余組別壓力損失均較小，其中，第3組壓力損失最大，達(dá)到0.141 MPa，同時(shí)第3組降黏效果也最好，平均降黏至1.943 mPa·s。

圖8 9組模型方案壓力損失與表觀黏度對比

4 結(jié)論

4.1 基于正交試驗(yàn)分析降黏效果的3個(gè)影響因素分別為剪切板孔徑、徑向板距和周向板距，結(jié)合黏度、速度和壓力分布特性對比分析，確定了多孔剪切板降黏特性的主要影響因素為剪切板孔徑。

4.2 通過對不同剪切板孔中心速度場分析可見，速度越高，剪切板孔與聚合物溶液的剪切程度越強(qiáng)，降黏效果越好。

4.3 通過黏度、速度及壓力損失分布等流場特性對比分析，最優(yōu)結(jié)構(gòu)將入口黏度4.350 mPa·s降至1.943 mPa·s，壓力損失為0.141 MPa。因此，在實(shí)踐中需掌握降黏效果與壓力損耗之間的平衡。