多孔降黏裝置結構設計與優化

鄭國興 趙立新，3 司書言

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；3.黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室）

隨著油田的不斷開采，我國各大油田進入了中后期開發階段，油田含水量逐年升高［1］。 目前，聚驅技術作為三次采油的重要技術手段，廣泛應用于我國主力油田［2］。然而，由于聚合物等驅油化學劑的大量使用，以及原油中膠質、瀝青質含量的上升，原油乳狀液類型變得更復雜，乳化程度更高，穩定性增強，使油水分離極為困難［3］，為后續油品深加工、采出液升舉回注、長距離集輸等帶來困難［4，5］。 相關研究表明［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，國內外學者做了大量研究。 文獻［8］利用多種嵌段聚醚進行復配交聯，篩選優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了大慶油田含聚采出液破乳效果；文獻［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［10］根據含聚污水水質特征，設計了一套改進型旋流氣浮分離裝置，在處理不同含油污水的情況下，根據其自身特性可調節合適粒徑的氣泡進行處理；文獻［11］模擬現場流程建立了微型動態電脫試驗裝置，確定了最佳含聚采出液電脫水處理的最佳工藝參數；文獻［12］探究了臭氧對油田含聚污水處理的作用效果，發現臭氧可通過降解聚合物來顯著降低含聚污水黏度，同時污水的濁度和含油量也會顯著下降；文獻［13］利用斜管組件對含聚污水除油率進行實驗研究，發現斜管傾角50°時除油率比傾角60°高10%，針對含聚污水對斜管除油器的結構進行優化， 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。 但是目前應用于井下含聚工況下的機械降黏設備研究較少，因此， 本研究提出一種基于機械剪切的降黏裝置，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準k-ε模型、RNG k-ε模型、代數應力模型、雷諾應力模型和離散相模型進行對比，簡要分析各湍流模型的特點，指出k-ε模型適合于簡單的湍流管道模擬，計算成本更低［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行了比較分析，發現標準k-ε模型的模擬效果最好，且滿足指數分布的速度入口邊界條件較符合實際情況［15］。 由于所研究的介質為聚合物溶液，有相對較高的黏度，且流動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合非牛頓模型進行仿真模擬。 此外，由于正交法是一種可考慮多因素間交互作用的實驗方法，可實現通過較少的實驗次數達到最高生產工藝的效果，很多學者驗證了其可靠性［16，17］。

筆者基于數值模擬的方法對機械降黏裝置進行研究， 分析其在不同工況條件下的降黏效果， 并采用正交法對機械降黏裝置進行結構優化，以期為降黏裝置的結構設計及其現場應用提供理論指導。

1 結構設計

機械降黏是指高黏度大分子在機械剪切作用下或在地層多孔介質中流動時受到機械剪切作用，分子鏈段被破壞，因而引起黏度的降低。 筆者基于機械降黏理論設計了一種剪切降黏裝置，用于解決當前油水采出液因黏度高而難分離的問題。 在進入分離端之前，聚合物驅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。 所設計的用于降低油水采出液高黏度的降黏裝置初始結構如圖1所示。 設計原理是，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 降黏裝置初始結構示意圖

降黏裝置初始結構尺寸如圖2所示，主直徑D為60 mm；Q7對應DN 25法蘭孔中心線；Q8對應DN 50法蘭孔中心線； 初始剪切板中心為一個直徑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量，分別為6、12、18、25、31、37；其他主要結構參數為：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 降黏裝置初始結構尺寸

2 數值模擬方法

2.1 物理模型與網格劃分

采用SolidWorks進行流體域建模， 并采用ICEM進行模型網格劃分。無關性檢驗及網格劃分如圖3所示，以表觀黏度為縱坐標，對比4種水平下的黏度變化。 4種網格（水平1～4）單元數分別為145 281、274 117、410 380、647 716，其中，水平2～4對應的表觀黏度變化緩慢，即水平2以后的網格數對模擬結果的影響可以忽略。 因此，以水平2下的劃分方法進行結構優化數值模擬研究。

圖3 網格無關性檢驗

2.2 CFD計算模型與邊界條件的確定

采用ANSYS FLUENT軟件進行數值模擬，選用壓力基隱式求解器進行穩態求解， 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，動量、湍動能和湍流耗散為二階迎風離散格式，殘差精度控制在10-5，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。

油水兩相介質性質為： 離散相油的密度為889 kg/m3，動力黏度1.06 kg/（m·s）；連續相水的密度為998.2 kg/m3，黏度需要進行流變測量試驗，不同聚合物濃度下的水相黏度見表1，其中，500 mg/L的流變特性參數下，黏度系數k取0.004 92，流變指數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，含油體積分數2%。

表1 剪切速率10 s-1下100～500 mg/L水相黏度值

3 正交法結構優化

3.1 正交試驗設計

目前，多孔剪切板如圖4所示。孔徑A、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。 對此結構采用正交試驗法進行多孔剪切板結構優化，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個結構因素，D為空列對照，每個因素下對應3個水平， 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 數值模擬結果分析

采用FLUENT對正交試驗表中的9組模型方案進行模擬計算， 正交試驗方案及模擬結果見表3。 可以看出，第3組方案A1B3C3D3的降黏效果最好，達到1.943 mPa·s。 但是直觀分析不一定是最優方案，還需要進行因素、水平分析。

因素分析。 極差R的大小決定了各個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，在篩選最優方案時需選取K值較小時對應的水平數。 因此，正交最優水平方案為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客觀的評價標準，因此需要對數據進行方差方案。

表4為顯著性檢驗的方差分析表，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，方差檢驗結果與上述因素水平分析結果一致。

表4 方差分析表

3.3 性能分析

為了更好地解釋正交試驗結果與裝置降黏性能之間的關系，對9組正交結構進行黏度分布、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，根據正交試驗結果，9組結構中正交最優結構為第3組（3#），其中，初始結構為第1組（1#），降黏效果最差為第8組（8#），因此，將這3組進行黏度分布對比分析， 結果如圖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組初始結構的剪切板孔數要比第3組的孔數密集，第1組中每個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，出現這樣結果的原因是剪切板孔數增多，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，在剪切板設計過程中，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

速度體現出流體在剪切板孔中的湍流程度和運動狀態， 不同的速度就會有不同的降黏效果。 圖6為初始結構（1#）、正交最優結構（3#）和正交最差結構（8#）結構中心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域的流動狀態以及不同結構之間的差異。 由上述分析可知，降黏由好到壞排序為：3#、1#、8#，由圖6可知，3#結構速度要遠高于其余兩組。 同時，由入口至出口3組曲線均表現出：入口至剪切板孔區域（h=0～10 mm）速度極速上升，在剪切板孔中時（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，降黏效果越好。

圖6 不同剪切板孔中心速度分布曲線

圖7為正交最優結構 （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，這是因為靠近板孔處過流面積減小，出剪切板孔區域（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。

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，達到0.141 MPa，同時第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 結論

4.1 基于正交試驗分析降黏效果的3個影響因素分別為剪切板孔徑、徑向板距和周向板距，結合黏度、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，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，最優結構將入口黏度4.350 mPa·s降至1.943 mPa·s，壓力損失為0.141 MPa。因此，在實踐中需掌握降黏效果與壓力損耗之間的平衡。