隨動式動態(tài)混合器摻稀混合性能研究

李悅欣，趙春立，張玉柱，何躍，楊雙春

隨動式動態(tài)混合器摻稀混合性能研究

李悅欣1，趙春立1，張玉柱1，何躍2，楊雙春1

（1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油集團西部鉆探井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

針對稠油摻稀過程中原混合器混合效果不佳的問題，選擇滿面式螺旋葉片作為混合元件，增加動力葉輪，以增強葉片對流體的剪切能力和轉動頻率?；贑FD仿真軟件，對影響動態(tài)混合器混合效果的葉片螺距和動力葉輪兩參數(shù)進行數(shù)值模擬分析，并以管內稀油體積分布情況作為評價標準，研究混合過程中混合元件幾何結構的變化對混合器性能的影響規(guī)律。結果表明，葉片螺距過小將阻礙流體在管內流動，導致混合速率降低，過大則會產(chǎn)生流體前竄現(xiàn)象；動力葉輪過少則會降低元件轉動頻率，過多則會阻礙流體向前流動。最后將優(yōu)化后的新型隨動式動態(tài)混合器與原混合器混合性能進行對比，新型隨動式動態(tài)混合器內稀油體積分布更為均勻，能夠更好地增強稠油摻稀混合效果，有利于稠油資源的開采。

稠油摻??； 動態(tài)混合器； 數(shù)值模擬； 螺旋葉片

在稠油摻稀過程中，混合器的混合性能對混合油的質量以及開采效率有重要影響。隨著稠油資源開發(fā)的不斷深入，摻稀過程中稠油上返、井口黏度波動大、混合不均勻等問題頻繁發(fā)生[1?3]，嚴重時導致抽油桿柱斷裂，損害油田的經(jīng)濟效益。近年來，稠油開采過程中原油黏度的升高以及鉆進深度的增加對摻稀混合器的性能提出了更高的要求。目前混合器分為靜態(tài)混合器和動態(tài)混合器兩類。由于靜態(tài)混合器內部元件為靜止狀態(tài)，混合過程中對流體的剪切力極小，難以混合高黏度流體，管內流體極易發(fā)生堵塞，影響稠油的開采效率和采出程度。隨動式動態(tài)混合器對高黏度流體具有極強的分散混合能力，且流體在管內不易發(fā)生堵塞[4?6]，目前在稠油摻稀混合的實際應用中占據(jù)主導地位。

研究表明，混合器內混合元件的幾何結構參數(shù)對其混合性能有重要影響。王宗勇等[7]對不同葉片寬度比下同心雙螺旋靜態(tài)混合器的混合性能進行研究，結果表明在低雷諾數(shù)下，不同葉片寬度比為2/3時，混合效果相較于傳統(tǒng)單螺旋結構的靜態(tài)混合器提升約28%。龔斌等[8]研究了混合元件數(shù)對混合器內速度分布和湍動性能的影響，結果表明當混合元件達到一定數(shù)量后，繼續(xù)增加原件數(shù)量無法進一步提高流體的湍動程度。張呂鴻等[9]采用SMX型靜態(tài)混合器與Kenics型靜態(tài)混合器組合的形式，對其混合過程進行研究，結果表明混合過程中易出現(xiàn)壓降增大和部分返混現(xiàn)象，但混合不均勻度仍能保持在5%以內。王峰等[10]對隨動式動態(tài)混合器轉子間隔排布對混合性能的影響進行了研究，結果表明轉子間隔排布對混合性能及壓力特性均產(chǎn)生較大影響。劉嬌[11]對比了不同排列方式、不同偏心程度葉片對混合性能的影響，相較于單一轉子，多種轉子組合排列具有更好的混合效果，同時偏心距離的增加能夠有效減小阻力損失。靳永紅[12]對混合器葉輪葉片數(shù)和傾角進行了優(yōu)選，提高了稠油和稀油的混合效果。靜態(tài)混合器混合過程流體能量損失大，混合效率低，不利于高黏度稠油的混合，而隨動式動態(tài)混合器無需外加動力即可獲得較高的混合效率，同時混合元件對流體的剪切捏合能力強，適用于高黏度稠油的混合。

本文基于CFD仿真軟件，對原隨動式動態(tài)混合器[13]的混合過程進行數(shù)值模擬，針對混合過程中出現(xiàn)的混合不連續(xù)問題，選用滿面式螺旋葉片作為內部混合元件增強管內流體混合的連續(xù)性，以稀油體積分布情況為評價指標，針對影響流體剪切能力的螺距和葉輪轉動頻率的動力葉輪片數(shù)進行優(yōu)化，研究混合過程中混合元件幾何結構的變化對混合器性能的影響規(guī)律，為隨動式動態(tài)混合器相關的結構設計和優(yōu)化提供參考。

1 混合器工作原理

當前在稠油摻稀工藝的應用中，摻稀位置可分為泵上摻稀、泵內摻稀和泵下?lián)较∪N[14?15]。泵下?lián)较r混合器置于抽油泵下方（見圖1），上沖程過程抽油桿加載帶動活塞向上運動，抽油泵內壓力下降，進行吸油，此時環(huán)空摻入稀油和地層采出的稠油一同進入混合器后再進入抽油泵，完成泵內吸液。稀油和稠油流入混合器后充分混合，混合油黏度降低，此舉增強了稠油在油管內的流動性。下沖程過程抽油桿卸載帶動活塞向下運動，泵內壓力升高停止吸油，此時混合器內不再進入流體，泵內油轉入活塞以上油管，完成排液。泵下?lián)较∮行У亟鉀Q了由于地層原油黏度過高造成的原油進泵困難和產(chǎn)量低的問題。由于塔河油田稠油黏度高，因此選用泵下?lián)较〉姆绞綄Τ碛瓦M行開采。

圖1　泵下?lián)较∈疽?/p>

隨動式動態(tài)混合器是應用于稠油油藏摻稀降黏過程的混合設備，其工作原理為：依靠稠油和稀油自身流動能量沖擊混合器內部活動元件，元件發(fā)生運動并反作用于待混合流體，對流體產(chǎn)生極強的剪切捏合作用，達到良好的分散和混合效果[16]。在稠油摻稀過程中，兩相流體的流動均受到重力作用，且模擬流場內流體分布的規(guī)律尚不明確，因此流體混合符合混合模型的流動規(guī)律。

稠油摻稀混合模型的連續(xù)性方程為：

其中，

動量方程可表示為：

第二相（稀油）的體積分數(shù)方程表示為：

稠油與稀油在混合器內產(chǎn)生強制混合，兩種流體均勻分布在混合器內，因此本文選用稀油體積分數(shù)作為混合效果的評價指標。

2 原動態(tài)混合器性能分析

2.1 參數(shù)設定

以塔河油田稠油摻稀數(shù)據(jù)為例，其日產(chǎn)油量約為72 m3，摻入稀油與生產(chǎn)稠油體積比為1∶1，混合器直徑為50 mm，稠油與稀油各項參數(shù)如表1所示。

表1　稠油與稀油各項參數(shù)

2.2 模型的建立

原動態(tài)混合器是一種葉輪自動旋轉的稠油降黏設備。稠油與稀油對混合葉輪產(chǎn)生沖擊，使其產(chǎn)生轉動，在葉輪的作用下稠油與稀油分散混合，該裝置能夠解決井筒流動介質壓降較多的問題，原混合元件結構如圖2所示。根據(jù)原動態(tài)混合器建造幾何模型（見圖3），混合器直徑50.00 mm，稠油入口直徑34.34 mm，混合長度460 mm。

圖2　原混合元件結構

將幾何模型導入CFD仿真軟件，設置混合圓管固定，并對其進行進出口相關設置，設置螺旋葉片方向無法平移但可繞軸旋轉，設置環(huán)境選項中的重力加速度為-9.8 m/s2，模型為多相流模型，兩種流體分別為稠油和稀油，以稠油為第一相，稀油為第二相，按表1進行各項參數(shù)設置，在模型模擬部分設置合理的時間步長和模擬時間等參數(shù)。原動態(tài)混合器在混合過程中出現(xiàn)明顯的分層情況，與文獻[14]中模擬結果一致。

圖3　原動態(tài)混合器結構

原動態(tài)混合器=420 mm截面處稀油體積分數(shù)分布情況如圖4所示。由圖4可知，2.2 s之前，原動態(tài)混合器=420 mm截面處沒有出現(xiàn)稀油油相，2.2～10.0 s截面上稀油體積分數(shù)逐漸升高，直至混合均勻。10.0 s時刻，管內稀油體積分數(shù)分布情況如圖5（a）所示，此時管內混合速率較低，混合不均勻，存在明顯的分層情況。

圖4　原動態(tài)混合器Z=420 mm截面處稀油體積分數(shù)分布情況

原動態(tài)混合器混合元件結構單一，葉輪在流體的沖擊作用下轉動頻率較低，管內極易出現(xiàn)分層情況，混合均勻程度差，在實際生產(chǎn)過程中將會影響混合油的品質。針對以上問題，本文選擇能夠進行連續(xù)混合作用的滿面式螺旋葉片作為混合元件，增強對流體的“剪切?捏合”能力，并增加動力葉輪，增強混合元件轉動頻率，提高混合速率，其結構如圖6所示。

3 新型動態(tài)混合器

3.1 新型動態(tài)混合器結構

以滿面式螺旋葉片為混合元件的新型隨動式動態(tài)混合器結構，主要由混合圓管、動力葉輪、螺旋葉片等組成（見圖7），具體結構參數(shù)如表2所示。滿面式螺旋葉片環(huán)繞在中心軸上，轉動時能夠對流體起到連續(xù)的剪切和運輸作用，減少流體流動過程中的能量損失，適用于流動性較差的高黏度流體的混合過程。環(huán)空注入的稀油和稠油分別通過各自入口進入混合圓管，動力葉輪和螺旋葉片同時固定在中心軸上，動力葉輪依靠流體的沖擊產(chǎn)生轉動并通過中心軸向攪拌葉輪傳遞扭矩，螺旋葉片在轉動過程中對流體產(chǎn)生剪切分流作用，對稠油和稀油進行混合，最終混合油從出口流出。

圖5　混油過程中稀油體積分數(shù)分布情況

圖6　新型混合元件結構

圖7　新型動態(tài)混合器結構

對葉片螺距為50 mm的新型混合器摻稀混合過程進行模擬。相同時間內，管內稀油體積分數(shù)分布情況如圖5（b）所示，此時管內混合速率仍然較低，但管內稀油體積分數(shù)分布較為連續(xù)，不存在明顯的分層情況。為了提高新型動態(tài)器的混合效率，下一步將影響流體剪切能力的螺距和影響葉輪轉動頻率的動力葉輪片數(shù)進行優(yōu)化。

3.2 葉片螺距對混合效果的影響

為了分析葉片螺距對摻稀混合效果的影響，對管內稀油體積分數(shù)分布情況進行對比分析。在混合時間相同的情況下，螺距分別為30、40、50、60 mm的螺旋葉片在摻稀混合條件下稀油體積分數(shù)分布截面圖如圖8所示。

表2　新型動態(tài)混合器的結構尺寸

圖8　不同螺距下管內的稀油體積分數(shù)分布情況

從圖8可以看出，稀油由環(huán)形入口進入管內，在混合葉片的作用下與稠油分散混合，均勻混合區(qū)域不斷增加。相同時間內，當葉片螺距為30 mm時，管內混合速率較低，出口處稀油含量較少，但不易產(chǎn)生稀油突進，保證了混合油的質量。當葉片螺距為40 mm時，管內稀油分散更為均勻，出口處稀油體積分數(shù)更趨近于0.5，此時兩種流體混合效果最佳，且在混合過程中不易產(chǎn)生稀油突進等問題。當葉片螺距為50 mm或60 mm時，由于葉片間距較大，稀油在混合過程中容易發(fā)生聚集或前竄現(xiàn)象，無法充分混合，影響混合油的質量。

3.3 動力葉輪對混合效果的影響

為了分析動力葉輪對摻稀混合效果的影響，對管內稀油體積分數(shù)分布情況進行對比分析。在相同混合時間，且混合元件螺距均為40 mm時，葉輪數(shù)量分別為4、5、6、7的螺旋葉片在摻稀混合條件下稀油體積分數(shù)分布截面圖如圖9所示。從圖9可以看出，當動力葉輪葉片數(shù)量為4或5時，不能有效帶動混合元件轉動，導致混合圓管中后部存在稀油體積分數(shù)分布不均勻的區(qū)域，且出口處稀油體積分數(shù)在0.25～0.40，影響混合油的質量。當葉片數(shù)為6時，出口處稀油體積分數(shù)更接近于0.5，圓管中后部混合均勻，稀油體積分數(shù)變化穩(wěn)定。當葉片數(shù)為7時，動力葉輪的存在對流體的流動起到一定的阻礙作用，流體在葉輪前方產(chǎn)生聚集，影響混合速率。因此，當混合元件螺距為40 mm，動力葉輪葉片數(shù)量為6時，稀油體積分數(shù)分布更為均勻，混合油質量更好。

圖9　不同葉片數(shù)下管內稀油體積分數(shù)分布情況

3.4 與原混合器混合效果對比分析

在相同的實驗條件下，對混合元件螺距為40 mm，動力葉輪葉片數(shù)量為6的新型動態(tài)混合器與原動態(tài)混合器進行對比分析。原動態(tài)混合器和新型動態(tài)混合器同一時刻下管內稀油體積分數(shù)分布情況對比圖和=420 mm截面處稀油體積分數(shù)分布曲線分別如圖10、11所示，在相同混合時間內，原動態(tài)混合器管內稀油體積分數(shù)分布均勻程度較差，稀油體積分數(shù)在0.345～0.530變化，而新型動態(tài)混合器管內稀油體積分數(shù)分布更為均勻，稀油體積分數(shù)普遍保持在0.485～0.515。

圖10　管內稀油體積分數(shù)分布情況對比

圖11　Z=420 mm截面處稀油體積分數(shù)分布

4 結 論

本文對葉片螺距和動力葉輪對滿面式螺旋葉片為混合元件的新型隨動式動態(tài)混合器的混合性能的影響情況進行了數(shù)值模擬，并對其結構進行了優(yōu)化分析，以稀油體積分數(shù)分布情況作為評價指標，得到以下結論：

（1）原動態(tài)混合器葉輪結構較為單一，存在混合速率較低，管內分層等情況，新型動態(tài)混合器采用滿面式螺旋葉片作為混合元件并增加動力葉輪，能夠增強混合元件轉動頻率，提高混合速率，有效解決管內分層問題。

（2）當葉片螺距較小時會阻礙流體在管內的流動，導致混合速率較低，若達到生產(chǎn)需求則需要更長的混合時間；當葉片螺距較大時，不能對待混合流體進行充分混合，流體容易發(fā)生聚集或前竄現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的質量。

（3）動力葉輪過少會降低混合元件的轉動頻率，產(chǎn)生混合不均勻的現(xiàn)象；而動力葉輪過多則會阻礙待混合流體向前流動。

（4）當螺旋葉片螺距為40 mm，動力葉輪葉片數(shù)為6時，相較于原動態(tài)混合器，新型隨動式動態(tài)混合器具有更好的混合效果，該結構有利于提高稠油資源的開采效率和采出程度，可解決稠油摻稀設備混合不均勻的問題，同時為隨動式動態(tài)混合器相關的結構設計和優(yōu)化提供參考。

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Study on Dilute Performance of Follow?Up Dynamic Mixer

Li Yuexin1， Zhao Chunli1， Zhang Yuzhu1， He Yue2， Yang Shuangchun1

（1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China；2.CNPC West Drilling Downhole Operation Company， Kelamayi Xinjiang 834000，China）

Because of the ineffective dilution process of heavy oil of the primary mixers, the face type spiral blade was selected as the mixing element and the dynamic impeller was added as well, in order to enhance the shear capacity and rotation frequency of the blade. The two parameters of blade pitch and power impeller that effect the mixing effect of the dynamic mixer were numerically simulated and analyzed using the CFD simulation software. Taking the volume distribution of thin oil in the tube as the evaluation standard, the influence of geometric structure of the mixing element to performances of the mixer during the mixing process was studied. The results show that if the blade pitch is too small, it will hinder the flow of fluid in the tube causing the decrease of mixing rate, and if it is too large, it will cause the fluid forward channeling. Much fewer power impellers will reduce the frequency of component rotation, but much more ones will hinder the forward flow of fluid. Finally, the mixing performance of the novel optimized follow?up dynamic mixer was compared with the original mixer. The volume distribution of the thin oil in the new follow?up dynamic mixer is more uniform, which can greatly enhance the mixing effect of thick oil, and is also beneficial to the exploitation of heavy oil resources.

Heavy oil mixed with dilute； Dynamic mixer； Numerical simulation； Spiral blade

TE35

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.011

1006?396X（2021）04?0066?06

http://journal.lnpu.edu.cn

2021?01?29

2021?03?09

遼寧省2020年教育廳項目（L2020026）；中石油2017年度科技創(chuàng)新基金（2017D?5007?0201）。

李悅欣（1997?），女，碩士研究生，從事油氣田開發(fā)工程方面研究；E?mail：295392990@qq.com。

趙春立（1982?），男，博士，講師，從事提高采收率方面研究；E?mail：zhaochunli@lnpu.edu.cn。

（編輯 王戩麗）