含聚濃度對水力聚結器聚結性能影響研究

邢 雷 蔣明虎 趙立新 李 楓 韓國鑫

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室）

我國大部分油田逐漸進入開發中后期，油井產出液的含水率逐漸升高［1］，如何進一步提高采出液預分離和含油污水的油水分離精度，對油田的經濟開發尤為重要。 旋流聚結技術可通過物理方法實現油滴聚結進而提高油水分離精度，逐漸被應用到油田、化工及環保等領域［2］。 目前，國內外關于旋流聚結的研究，無論是理論分析、結構設計還是試驗測試，多數的連續相介質均以牛頓流體為研究對象［3～6］。趙文君等通過將兩種切向進液旋流器串聯，形成了旋流聚結結構，并采用數值模擬方法對常規油水混合介質的分離性能開展研究［7］。 劉曉敏等提出了一種可強化旋流分離的旋流聚結裝置，并以清水為連續相開展不同增壓方式對油水混合介質分離性能和粒度分布的影響研究［8］。實際上在石油行業內，隨著油田的不斷開發，采出液含水率逐漸增高，大部分油田已經繼一次、二次采油技術后，實施三次采油方法［9］。 三次采油方法主要為聚合物驅油、由堿-聚合物構成的二元驅油，以及由堿-表面活性劑-聚合物構成的三元復合驅油。 其中三元復合驅油技術效果較為明顯，相對于水驅油可提高原油采收率20%以上［10～13］。 但三元復合驅采出液，由于其組分中含聚丙烯酰胺會改變產出液的物理和化學性質，一定程度上增加了地面油水分離及其污水處理難度和成本［14］。

如何在含聚條件下增強油水分離效率，降低含聚污水的處理成本逐漸引起了相關學者的重視。 王志杰等基于冪律流變模型針對含聚濃度在1 000～5 000mg/L范圍內的水力旋流器內部流場特性開展數值模擬和實驗研究，得出了不同含聚濃度條件下的水力旋流器內油滴運移軌跡、速度場和濃度場分布特性，數值模擬與實驗結果表明隨著含聚濃度的增加水力旋流器分離效率明顯降低［15，16］。 卜凡熙采用非牛頓流體模型對水力旋流器內部流場特性開展研究，得出了水力旋流器不同區域的表觀黏度分布情況，提出了一種機械降粘裝置以提高水力旋流器對不同含聚濃度液的分離性能［17］。 這些研究揭示了不同含聚濃度對旋流分離的影響規律，但截至目前，在連續相為不同含聚濃度的非牛頓流體特性條件下，對水力聚結器內油滴碰撞聚結特性和粒度變化情況影響的研究鮮有報道。

為此，筆者基于非牛頓流體模型耦合群體平衡模型開展非牛頓流體條件下水力聚結器的流場分布特性和聚結性能研究，掌握不同含聚濃度對水力聚結性能的影響規律，可為進一步提高化學驅采出液與含油污水的處理精度提供依據和參考。

1 研究對象及網格劃分

如圖1所示，水力聚結器主要由入口腔、螺旋流道、聚結內芯、錐管和出口管組成，圖中所標主要結構參數的尺寸見表1。

圖1 水力聚結器結構及其工作原理示意圖

表1 水力聚結器結構參數

水力聚結器的分離原理為：均勻分布的油水兩相混合介質由入口處軸向進入聚結器內部，流經螺旋流道時原本軸向運動的液流在流道作用下逐漸向切向轉變，在螺旋流道出口處形成切向旋轉流場。 流出螺旋流道后液流開始做繞聚結內芯的旋轉運動并整體在入口壓力的作用下向聚結器底部運移。 由于油水兩相間存在密度差，輕質油相在離心力的作用下徑向由邊壁向軸心移動至聚結內芯表面后做繞柱旋轉，在此過程中離散相油滴由于粒徑及其坐標位置不同致使在運動過程中受到的離心力和徑向力存在差異，導致油滴在運動過程中在切向、徑向和軸向上存在速度差異發生碰撞（圖1），致使小粒徑油滴碰撞聚結成較大粒徑油滴，并沿著聚結內芯表面向出口方向運移。

利用Gambit軟件完成聚結器流體域模型建立，并采用六面體和四面體雙結構網格完成模型的網格劃分。 為準確捕獲邊界特征，網格劃分過程中采用分段式局部加密處理方法， 對入口腔、螺旋流道、錐段和尾管段進行分段劃分，并對螺旋流道進行網格局部加密處理，開展網格無關性檢驗，最終確定最佳網格數量為423 600的流體域模型（圖2）為研究對象。

圖2 水力聚結器網格劃分

2 含聚樣液配置及流變特性分析

為了研究不同含聚濃度對水力聚結器性能的影響，需掌握含聚濃度對連續相介質流變特性的影響關系。 配置不同含聚濃度的溶液，聚合物選用水解聚丙烯酰胺PAM干粉， 分子量為1 200萬。 依據SY/T 6576—2003《用于提高石油采收率的聚合物評價的推薦作法》確定聚合物母液配置方法［18，19］：以1 000mL燒杯作為攪拌容器，向燒杯內加入600mL蒸餾水，控制溫度為30℃，打開攪拌器設置攪拌轉速，將3.39gPAM干粉均勻灑至燒杯內，2min后將攪拌器調至50r/min持續攪拌30min后即獲得高濃度的聚合物母液。 采用稀釋母液的方 法 獲 取 含 聚 濃 度 分 別 為200、400、600、800、1 000mg/L的含聚目的液。

采用馬爾文旋轉流變儀 （型號為Kinexus Pro，角速度范圍為10nrad/s～500rad/s）對不同含聚目的液的流變特性進行測量分析。 流變分析獲得不同含聚濃度目的液的流變特性曲線如圖3所示。

圖3 不同含聚濃度目的液流變特性曲線

由圖3可以看出， 含聚目的液呈現出冪律流體中的假塑性流體特性。 描述冪律流體的流變規律方程可表示為：

式中 K——冪律系數，Pa·sn；

n——冪律指數；

τ——剪切應力；

γ——剪切速率。

其中K值是黏度的度量，流體黏度越大K值也越高；n值是非牛頓性的度量，表示該流體與牛頓流體的偏離程度，n也稱為非牛頓指數，n值越低或越高，曲線也越彎曲，非牛頓流體也越強。 當n=1時為牛頓流體，K即為黏度； 當n≠1時為膨脹流體；剪切速率一定時，n值可當作常數。 在分析介質非牛頓流體特性對聚結器的聚結性能影響時，將測量結果（圖3）按照式（1）進行擬合，從擬合結果中獲取冪律系數K與冪律指數n值。 同時，設置黏度最小值為0.1μPa·s， 黏度最大值為當剪切速率γ=1s-1時含聚目的液的黏度值， 以此來完成數值模擬所需非牛頓流體數學模型的修正。

3 數值模擬方法

水力聚結器內油水兩相間模擬計算采用多相流混合模型（Mixture）。 數值模擬時的油相密度為880kg/m3， 水相黏度遵從測得的含聚目的液非牛頓流體分布特性。 油相體積分數為2%，油水間界面張力為0.037N/m。 入口邊界條件為速度入口（Velocity）， 出口邊界條件為自由出口（Outflow）。選用雙精度壓力基準算法隱式求解器穩態求解，湍流計算模型為Reynolds應力方程模型（Reynolds Stress Model，RSM），SIMPLEC算法用于進行速度壓力耦合，墻壁為無滑移邊界條件，動量、湍動能和湍流耗散率為二階迎風離散格式，收斂精度設為10-6，壁面為不可滲漏、無滑移邊界條件。 對聚結器內的油滴粒度變化及其分布特性進行計算時，加載群體平衡模型，設置入口油滴粒徑分布在0～100μm，將群體平衡模型與非牛頓流體模型耦合迭代計算，以此求解聚結器內的非牛頓流體條件下離散相油滴的聚并破碎特性。

4 結果分析

4.1 含聚濃度對黏度的影響

水力聚結器內的黏度分布直接影響油滴的運動行為和對油滴的剪切強度，進而影響聚結性能。 數值模擬得出不同含聚濃度時聚結器軸向截面介質黏度分布云圖如圖4所示。 由圖4可以看出， 當含聚濃度為200mg/L時聚結器內連續相介質黏度在2.00～2.75mPa·s范圍內變化， 隨著含聚濃度的增加聚結器內介質黏度值液逐漸增大。 同時，在含聚濃度較高時聚結器入口處介質黏度值最大，當液流進入到螺旋流道時在流場的剪切作用下含聚介質出現明顯的剪切變稀現象，當液流流出螺旋流道后流場趨于穩定時介質黏度又有所增加。

圖4 不同含聚濃度時聚結器內黏度分布云圖

為了對不同含聚濃度條件下水力聚結器內介質黏度變化進行定量對比分析，數值模擬得出過分析截面S軸心的截線上連續相黏度值分布對比情況如圖5所示。 由圖5可以看出，當含聚濃度為200mg/L時介質黏度分布在2.00mPa·s上下，當含聚濃度增大到1 000mg/L時分析截面處的黏度最大值為6.18mPa·s， 隨著含聚濃度的逐漸增加，分析截面處的黏度值呈明顯的升高趨勢。 從邊壁到聚結內芯位置，不同含聚濃度條件下的黏度值均呈現出先升高后降低的趨勢，這是因為水力聚結器的壁面處存在較大的速度梯度，致使剪切應力增大而黏度值降低。

圖5 不同含聚濃度條件下分析截面處的黏度值對比

4.2 含聚濃度對速度場的影響

由于水力聚結器內的油滴聚結過程主要是因速度差導致的，因此速度場分布也是影響聚結性能的主要因素。 數值模擬得出不同含聚濃度條件下分析截面處的切向速度分布曲線對比如圖6所示。 由圖6可以看出，由聚結器的邊壁到軸心方向切向速度分布呈現出先升高后降低的趨勢，其中在邊壁和聚結內芯中心區域處切向速度達到最大值， 隨著徑向位置的減小切向速度逐漸降低。 同時，隨著含聚濃度的升高切向速度值呈明顯的降低趨勢，不同含聚濃度條件下的切向速度在徑向位置±35～±15范圍內出現了明顯的差異，這是因為含聚濃度越大介質黏度值越大，致使在相同進液量條件下含聚濃度高的介質所受切向運動的粘滯阻力越大切向速度逐漸降低。 這種切向速度運動差異直接影響油滴在聚結器內所受的離心力大小，進而影響其聚結性能。 結合圖7所示的不同含聚濃度條件下分析截面處的油相體積分數對比可以看出，充分說明切向速度值與油相向軸心的聚結程度成正相關，研究范圍內隨著含聚濃度的增加油相向聚結內芯處聚集程度逐漸降低，從而降低油滴在聚結器內的碰撞幾率。

圖6 不同含聚濃度條件下分析截面處的切向速度對比

圖7 不同含聚濃度條件下分析截面處的油相體積分數對比

4.3 含聚濃度對油滴粒徑分布影響

為了分析含聚濃度和含聚介質的剪切變稀特性對聚結器內油滴聚結性能的影響，模擬得出不同含聚濃度時聚結器內的油滴粒徑分布云圖（圖8）。 由圖8可以看出，在含聚條件下聚結器內油滴粒徑分布最大值仍然出現在聚結器出口附近聚結內芯的近壁區域，但隨著含聚濃度的逐漸升高，聚結器出口區域粒徑最大值逐漸降低。

圖8 不同含聚濃度時聚結器內油滴粒徑分布云圖

為了進一步分析含聚濃度對聚結器出口粒徑的影響，統計得出不同含聚濃度時聚結器出口截面油滴粒徑分布頻率如圖9所示。

圖9 不同含聚濃度時聚結器出口截面油滴粒徑分布頻率

由圖9可以看出， 在研究的含聚范圍內聚結器出口粒徑最大值均大于550μm， 隨著含聚濃度的逐漸升高聚結器出口處油滴最大粒徑逐漸減小，同時小粒徑分布增加。

這是因為連續相介質隨著含聚濃度的增大黏度逐漸升高，而在旋轉流場內油滴受到的剪切應力τ：

式中 C——與流量成正比的常數；

m——冪律指數，相同截面位置m值相同；

r——油滴距軸心位置；

μ——連續相黏度。

由式（2）可以看出，當連續相黏度升高時，油滴在流場內所受剪切作用力逐漸加大，增大了油滴的破碎機率， 致使聚結器的聚結性能逐漸降低。

為了研究不同含聚濃度對水力聚結器聚結性能影響，加工水力聚結器室內試驗樣機，構建室內聚結性能試驗測試系統（圖10）。 試驗時，分別配置不同含聚濃度的聚合物溶液作為連續相（參數值與數值模擬時一致），采用重負荷齒輪油作為離散相，緩沖罐內混合后由螺桿泵泵入聚結器入口，在聚結器出口取樣通過馬爾文粒度儀完成粒度測量與分析。

圖10 聚結性能室內試驗系統示意圖

取不同含聚濃度時聚結器出口處油滴粒徑測量結果的平均值與數值模擬結果進行對比，結果如圖11所示。 由圖11可以看出，隨著含聚濃度的增加聚結器出口處的油滴粒徑分布無論模擬值還是試驗值均呈減小的趨勢， 當含聚濃度為100mg/L時， 試驗測得的聚結器出口處平均粒徑為421.52μm；當含聚濃度增大到1 000mg/L時，聚結器出口平均粒徑降低到278.34μm，呈現出明顯降低的趨勢，充分說明含聚濃度的升高不僅會降低油相向軸心的聚集程度，同時也會增大流場對油滴的剪切致使油滴聚結效果有所降低。 含聚濃度分布在100～1 000mg/L范圍內時，聚結器出口處的平均粒徑均高于入口粒徑均值，呈現出較好的聚結效果。

圖11 不同含聚濃度聚結器出口平均粒徑模擬與試驗值對比

5 結論

5.1 隨著聚合物濃度的逐漸升高，連續相介質黏度逐漸增大，水力聚結器內隨著徑向位置的減小介質黏度先升高后降低， 含聚濃度由200mg/L增大到1 000mg/L時，聚結器內分析截面黏度最大值由2.12mPa·s增大到6.20mPa·s。

5.2 相同入口條件下，聚合物濃度越高聚結器內聚結區域的切向速度值越小，致使油滴向軸心聚結程度降低，減少了油滴間的碰撞幾率同時連續相介質黏度的升高也會增大流場對油滴的剪切強度，致使聚結器性能有所降低。

5.3 當含聚濃度由100mg/L增大到1 000mg/L時，聚結器出口處的粒徑試驗值由421.52μm減小到278.34μm，說明在含聚條件下水力聚結器仍可起到較好的聚結效果，數值模擬結果與試驗結果呈現出了相同的規律性。