降粘聚結一體化裝置的優化設計及可行性分析

卜凡熙 陳雙慶 蔣明虎 王 勇 官 兵

（東北石油大學a.石油工程學院；b.機械科學與工程學院；c.人事處）

近年來， 世界各國對石油的需求量不斷增加，而石油的儲存量卻日漸減少，油田采出液含水率逐年升高。 為提高原油采收率，新型驅油技術不斷被提出。 聚合物由于自身分子吸附作用和非牛頓流體流變特性， 是一種有效的驅油劑，可將原油采收率提高到50%，比二次注水提高15%～20%［1，2］。 聚合物以其驅油效果好、經濟效益高等優點，在整個驅油工業中扮演著越來越重要的角色。 聚合物作為驅油劑的同時，也是三次采油等新驅油技術的重要成分［3，4］。 然而，聚合物驅油技術實現油田增產增效的同時，也增大了后續分離工藝的難度［5，6］。

旋流器是油田重要的采出液預分離和污水處理裝置，然而聚合物會導致旋流器分離性能變差。 含聚介質對旋流器分離性能的影響主要有兩方面， 一是加劇油滴乳化程度使油滴粒徑減小，二是增大處理液的粘度，以至于旋流器在處理含聚介質時存在“消化不良”現象［7～9］。 目前，針對旋流器處理含聚介質油滴乳化程度加劇的研究以旋流聚結為主。 蔣明虎等設計了一種水力聚結旋流分離裝置，在處理液進行旋流分離前進行聚結增大油滴粒徑，以提高旋流器的分離性能［10］。 趙文君等以同向出流倒錐式旋流器為基礎，模擬了新型旋流聚結裝置，通過對比優選出最佳操作參數［11］。 張津銘等以常規雙錐型液-液旋流器結構為基礎，采用群體平衡模型研究了結構形式對聚結性能的影響［12］。 邢雷等采用CFD-PBM耦合方法對軸入導錐式旋流器內油滴的聚結和破碎行為進行了數值模擬，分析了操作參數對油滴粒徑的影響［13］。 盡管針對高粘度含聚介質對旋流器分離性 能 的 影 響 研 究 較 多［14，15］，但 具 體 解 決 方 案 卻 鮮有提及。

卜凡熙基于聚合物機械剪切降解方法提出一種提高旋流器含聚適用性的降粘裝置，從降低含聚介質粘度出發，提高旋流器對聚合物的適用性［16］。 JOUENNE S等研究表明，聚合物在管道運輸過程中會發生機械降解［17］。SOUTHWICK J G和MANKE C W對聚合物注入過程中流經砂巖、礫石等發生機械降解進行研究［18］。MOUSSA T和TIU C研究表明， 聚合物分子在毛細管入口處受到較高的外延應力，降解最為嚴重，而管的長度對聚合物降解影響較小［19］。

以上研究均證實了聚合物溶液機械剪切降粘的可行性。

筆者從聚合物導致旋流器分離性能變差的根源出發，創新性提出“降粘聚結一體”理念，設計了一種基于機械剪切和旋流原理的降粘聚結裝置［20］。 該裝置基于旋流原理實現在同一裝置內處理液油滴聚結和聚合物降粘，串聯至旋流器前端，以改善旋流器處理含聚介質的“消化不良”現象。 采用數值模擬方法對該裝置的可行性進行驗證，并為“降粘聚結一體”理念在旋流器處理含聚介質的應用和發展中提供建議。

1 降粘聚結一體化裝置

針對旋流器處理含聚介質的 “消化不良”現象，提出降粘聚結一體化裝置（圖1a）。 該裝置串聯在處理含聚介質的旋流器前端，旨在降低聚合物溶液粘度的同時增大油滴粒徑，降低含聚介質粘度和油滴乳化程度對旋流器分離性能的影響。該裝置集機械剪切和旋流原理于一體，在同一裝置內分別實現對油滴的聚結和對聚合物溶液的降粘，避免了對油滴的剪切作用，減弱了油滴的乳化現象。 降粘聚結一體化裝置的降粘聚結外筒和定位套筒通過螺紋連接，其中降粘聚結套管將油滴聚結和聚合物溶液降粘分隔開來，是本裝置的核心部件。

圖1 降粘聚結一體化裝置

結合圖1，以油田含聚高粘度污水為例，對降粘聚結一體化裝置的工作原理進行說明：含油污水由雙切向入口進入降粘聚結裝置內形成強力旋流，在離心力的作用下，重質相聚合物水溶液向邊壁運移。聚合物水溶液在剪切梯臺的作用下進行機械剪切降粘，使聚合物溶液的粘度降低。最后在增壓剪切梯臺的作用下實現強力降粘，由排水口排出。 輕質相油相在一次旋流聚結的作用下向中心軸線處運移，進入降粘聚結套管內，避免接受外部降粘剪切梯臺的剪切，在聚結導流板上碰撞進而實現二次聚結。聚結導流板在實現油滴聚結的同時起到增壓加速的作用。經二次聚結后的油滴聚集到引油桿實現油滴的碰撞聚結，靠近引油桿附近的高濃度油束進入引油管中由排油口排出。未進入引油管的外圍低濃度油束在降粘聚結套管的錐段內進行三次旋流聚結由排油口排出。該降粘聚結一體化裝置結構簡單、緊湊，占地空間小，無運動部件，可應用于井下和海洋平臺等特殊工況，與旋流器串聯可以提高處理含聚介質的能力。

2 研究方法

2.1 正交試驗結構優化

為提高裝置的降粘聚結效果，采用正交試驗方法對其結構進行優化。 以水相（聚合物溶液）出口處的粘度和油相出口處的油滴粒徑為目標對本裝置進行正交試驗結構優化。 由于本裝置內部無運動部件，無外部能量供給，僅靠損失壓降來獲取降粘聚結的動力，因此減小裝置的壓降也是此次優化的目標。

如圖1b所示，試驗選取7個因素A、B、C、D、E、F、G，每個因素設定3個水平，并按照錯亂順序隨機排序，以避免試驗中的人為誤差。 因素水平表見表1。

表1 因素水平表

2.2 旋流器選型

筆者選取一種軸入式螺旋流道導流式旋流器，其結構如圖2所示，并將該旋流器與降粘聚結一體化裝置進行串聯研究。

圖2 軸入式螺旋流道導流式旋流器結構

旋流器主要由螺旋流道、旋流腔、錐段及倒錐等部分組成，具體結構參數如下：

旋流器主直徑 50 mm

溢流口直徑 8 mm

底流口直徑 25 mm

增壓剪切梯臺長 30 mm

螺旋流道長 57 mm

旋流腔長 70 mm

錐段長 239 mm

倒錐長 150 mm

底流管長 50 mm

螺旋流道數量 5

2.3 流體域簡化與網格劃分

對串聯降粘聚結一體化裝置的旋流器進行數值模擬，首先建立流體域模型。 為了簡化模型和網格劃分，省略法蘭連接過程，實現降粘聚結一體化裝置與旋流器的直接對接，如圖3所示。

圖3 流體域簡化模型

采用Gambit軟件進行流體域網格劃分， 選擇六面體網格［21，22］。進行網格數量無關性檢驗，劃分5個網格水平分別為202 470、315 711、457 801、598 243、713 562。 采用相同邊界條件進行數值模擬，當網格數量增加到598 243時旋流器分離效率不再隨網格數量發生變化，因此選用該網格水平進行數值模擬。

2.4 數值模擬方法

采 用 冪 律 流 體 模 型［23］和 群 體 平 衡 模 型［24］對串聯前后的旋流器進行數值模擬對比研究。 含油濃度設置為2%，入口油滴粒徑設置為0.01 mm。旋流器入口采用速度入口形式， 旋流器處理量4 m3/h。出口選用自由出口形式，溢流分流比為20%。根據不同濃度聚合物溶液的流變特性方程（表2［25］）對不同濃度聚合物溶液進行模擬參數設置。

表2 不同濃度聚合物溶液的流變特性方程

2.5 試驗驗證

為保證數值模擬結果的準確性，開展相關室內試驗，對模擬結果進行驗證。 首先，根據儲液罐的容積進行不同濃度聚合物溶液的配制，與數值模擬研究濃度保持一致， 分別為100、200、400、600、800、1 000 mg/L。 操作參數與數值模擬保持一致， 處理量為4 m3/h， 通過入口流量計進行控制。溢流口分流比為20%，由溢流口和底流口流量計監控。含油量為2%，通過油泵定量泵入，經靜態混合器混合后進入分離工藝。 最后，采用壓力表監測溢流口壓降，采用紅外分光測油儀測定底流含油濃度，對數值模擬結果進行驗證。

3 結果與討論

3.1 數值模擬結果驗證

由圖4可知， 隨著水力旋流器溢流分流比的增大，溢流口壓降逐漸減小，模擬值與試驗值的總體趨勢相似，多項式擬合度R2為0.925 07；由圖5可以看出，隨著聚合物溶液濃度的增大，底流口含油濃度逐漸增大，模擬值與試驗值的總體趨勢相似，多項式擬合度R2為0.972 30；通過對旋流器溢流口壓降和底流口含油濃度的模擬值和試驗值的比較，驗證了數值模擬結果的可靠性。

圖4 溢流分流比-溢流口壓降關系曲線

圖5 聚合物溶液濃度-底流口含油濃度關系曲線

3.2 正交試驗結果分析

選取降粘聚結一體化裝置出口處的油滴粒徑、 聚合物溶液粘度和壓降3個指標進行正交試驗， 采用濃度為800 mg/L的聚合物溶液進行流變特性參數設置，入口油滴粒徑為0.01 mm，對18組試驗進行數值模擬，計算結果見表3。

表3 正交試驗表

（續表3）

本試驗為三指標正交試驗， 對試驗中的每一個指標進行直觀分析計算， 再進行三指標直觀分析。 常用的方法為綜合平衡法和綜合評分法， 由于此處無法確定綜合評分法每個指標的權重， 所以采用綜合平衡法進行多指標直觀分析（表4）。

表4 三指標正交試驗結果直觀分析

通過正交試驗分析得到最優尺寸為：引油管長20 mm、引油管內徑8 mm、引油錐管高40 mm、引油錐管角13°、導流葉片數量4個、增壓剪切梯臺長2.5 mm、大錐段長50 mm。通過對降粘聚結一體化裝置最優方案進行重新建模模擬，得出降粘聚結效果云圖如圖6所示。

圖6 最優方案降粘聚結效果云圖

經最優結構處理后， 入口處平均粘度由13.11 mPa·s 降低至4.19 mPa·s，平均油滴粒徑由0.01 mm增大至0.37 mm，壓降均值為39.73 kPa。

3.3 降粘聚結一體化裝置與旋流器串聯分析

3.3.1 油相體積分數

由圖7可知，隨著聚合物溶液濃度的升高，匯集在旋流器中心軸線處的油相體積分數逐漸減小。 串聯降粘聚結一體化裝置后，匯集在中心軸線處的油相體積分數升高， 且隨著聚合物溶液濃度升高油相體積分數增量越明顯，肉眼逐漸可見。

圖7 串聯降粘聚結一體化裝置前后油相體積分數分布云圖

為進一步研究旋流器內油相體積分數分布情況，對串聯降粘聚結一體化裝置前后旋流器溢流口油相體積分數分布曲線（圖8）進行研究。 對比圖8a、b可以看出， 隨著聚合物溶液濃度的升高，溢流口油相體積分數逐漸減小。 串聯降粘聚結一體化裝置后溢流口油相體積分數均大幅高于串聯降粘聚結一體化裝置前，且聚合物溶液濃度越高，油相體積分數差值越大。 由此可見，串聯降粘聚結一體化裝置后極大地增大了旋流器溢流口的油相體積分數。

圖8 串聯降粘聚結一體化裝置前后旋流器溢流口油相體積分數分布曲線

3.3.2 分離效率

采用質量效率公式對旋流器效率進行計算［25］：

其中，Em為質量效率，F為分流比，Cd和Ci分別為入口和底流口含油濃度。

由圖9可以看出， 串聯降粘聚結一體化裝置后旋流器分離效率明顯升高。 隨著聚合物溶液濃度的升高效率增幅變大，即使聚合物溶液濃度高達1 000 mg/L，分離效率也有70%，比串聯前提升了25%。由此可見，降粘聚結一體化裝置提高了旋流器處理含聚污水的能力。

圖9 質量分離效率對比曲線

4 結論

4.1 降粘聚結一體化裝置可以實現對油田含聚介質的降粘和聚結。 經該裝置處理后，平均粘度由13.11 mPa·s降低至4.19 mPa·s， 平均油滴粒徑由0.01 mm增大至0.37 mm。

4.2 旋流器串聯降粘聚結一體化裝置后，溢流口處的油相體積分數升高，分離效率增大。 在研究范圍內，分離效率增幅隨著聚合物溶液濃度升高而增大。 當聚合物溶液濃度達到1 000 mg/L時分離效率提升了25%。

4.3 從油田含聚介質粘度高、乳化程度大對旋流器分離性能產生影響的兩個根源因素出發，創新性提出“降粘聚結一體”理念，并針對含聚介質粘度高、 乳化程度大的兩個方面同時進行改善，以提高旋流器的分離性能。 “降粘聚結一體”理念可為其他學者后續研究提供參考，在未來研究中可進行裝置獨立結構創新，研發降粘聚結及多場耦合完整分離體系。

4.4 從結構創新、優化及操作參數優化等方面提高旋流器的分離性能是旋流器增效的方法。 本研究從處理液性質出發，通過改變處理液的特性參數提高旋流器的分離性能，為旋流器增效提供新思路。