稠油掺稀井下静态混合器数值仿真研究

王旭 赵春立 韩万里 周妍妤

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500;2.南阳市机械制造有限公司，河南 南阳 473000)

中西部油田稠油开采中均采用了掺稀降黏工艺，但掺稀降黏技术中存在稀油和稠油混合不均匀的情况［1-3］。SK型静态混合器是一种可在较宽雷诺数范围内进行流体混合的新型高效管状混合设备。在稠油掺稀降黏中使用SK型静态混合器，能够明显提高稀油与稠油的混合均匀程度，提高降黏效果［4］。近年来，国内外利用CFD技术对SK型静态混合器的研究逐渐增多，并取得了一系列具有应用价值的科研成果［5-10］。但大多研究未考虑两相混合问题［7］，有些以水为介质，与稠油掺稀工况有很大差异［8］。熊志杨等人运用计算流体力学的方法研究了SK型静态混合器中气液两相流的三维流场，认为气液两相流体通过混合单元时湍动增强从而达到强化混合的效果［9］。然而稠油掺稀降黏工艺中使用静态混合器的报道却寥寥可数，并且现有报道中只考虑了稠油与稀油的多相流流动，没有考虑在掺稀过程中稀油与稠油的互溶，这与现场的实际情况有一定出入。

本次研究应用 CFD方法，通过 k-ε模型和Levich漩涡扩散模型控制稠油和稀油的互溶过程，模拟研究稠油掺稀中SK型静态混合器的内部流体流场。

1 物理模型

1.1 掺稀降黏模型

针对套管掺入及油管采油的反掺稀作业工况，对SK型静态混合器工作原理进行模拟。图1为掺稀降黏模型示意图。混合器安装于油管底部，掺稀混合模型中套管长度取1 000 mm，内径62 mm，油管长度取4 500 mm，内径38 mm，外径44 mm，混合器元件从油管底部向上500 mm处开始排布。

图1 掺稀降黏模型示意图

1.2 混合器原件结构

目前，石油行业常用的静态混合器主要是SK型静态混合器。图2为SK型静态混合器元件模型及网格结构图。该元件直径76 mm，元件长度114 mm，径长比为1∶1.5。此混合器中，混合元件扭转角度为180°，与紧邻的混合原件成90°角对接，交替周期排列，分别在流道中为流体提供左向和右向旋转力。

图2 SK型静态混合器元件模型及网格结构图

2 数值求解

2.1 控制方程

在高温状态下，稠油流动往往表现为牛顿流体。将稠油与稀油的混合流动按照多相流模型进行计算，稠油设为第1相，稀油为第2相。作为对k-ε模型和RNG模型的补充，在FLUENT模型中提供了一种叫带旋流修正的k-ε模型。Realizable模型满足某种数学约束，和湍流的物理模型是一致的。因此，在求解该湍流问题时采用Realizable k-ε模型，其连续性方程为:

动量方程为:

Relibazle k-ε模型的输运方程为:

式中:ε—耗散率;

k—湍动能;

Gk—由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

Gb—由于浮力引起的湍动能k的产生项;

YM—可压湍流中脉动扩张的贡献;

C1、C2、C1ε、C2ε、C3ε— 经验常数;

σk、σε— 与湍动能k、耗散率ε分别对应的普朗特数;

ρ—流体密度;

ui—时均速度;

μ—流体动力黏度;

μt— 湍动黏度;

Sk、Sε— 用户定义的源项。

在井下高温条件下，稠油呈可流动的液态，稠油与稀油的混合可以视为一种伴随着相间质量传递的液-液扩散过程。考虑相间传质过程中流体动力学的影响，将分子扩散和对流传递与“涡流扩散”结合起来，在模型中加入Levich的漩涡扩散模型:

式中:K—传质系数;

D—相互扩散系数;

σe—当量表面张力;

u—湍动强度;

σ—标准偏差。

根据以上原理，运用UDF技术向计算模型中加入Levich漩涡扩散模型，以控制稠油掺稀时稠油和稀油的互溶过程。

2.2 物性参数与边界条件

将稠油与稀油的入口均设为速度入口，混合油从油管流出口设为压力出口，出口压力30 MPa。新疆X井日产液量150 t，其中稀油日注入量78.7 t，密度为734.6 kg/m3，黏度为20 mPa·s;稠油密度为1 208.9 kg/m3，其黏度为 5 000 mPa·s。边界保持无滑移。

3 数值仿真与结果分析

3.1 混合器流场分析

(1)非线性流动分析。图3为混合油速度流线图。在混合油未进入混合器之前，混合油的流速很低，呈现直线流动;当混合油通过混合器单元之后，流动方向发生变化，速度增强。在混合器流道内，混合油被不断地撕裂、拉伸、旋转，呈现非线性流动态势。混合器的加入造成并加剧了混合油的非线性流动，使混合程度增强。

(2)涡流运动分析。在径向截面上，混合油在混合器内的流动呈现涡流形态，在未进入混合器之前则没有该趋势，如图4所示。在未进入混合器时，混合油的流动方向都是向着油管中心，并且在径向截面上的速度分量很小;当通过混合单元之后，混合油的速度增快，径向截面上的速度分量也随之加大，并且产生涡流运动。混合油的涡旋流动可以促进混合油中不同组分的混合。

(3)流动的不均匀性分析。造成混合物流动的不均匀性是使用混合器的主要目的。在通过混合器单元时，混合油表现出了极强的流动不均匀性。这种不均匀性主要表现为同一时刻、不同位置以及同一位置、不同时刻的流速均不相同。

图3 混合油速度流线图

图4 某时刻模型内径向界面速度矢量图

图5为混合物流动速度云图。可以看出，在同一时刻、不同位置上的混合油速度是不同的;即使是在同一位置，随着时间的推移，混合油的速度也是不同的，流动呈现极强的不均匀性。流动的不均匀性可以防止混合油在混合器流道内流动时阻塞流道，为混合油在混合器单元内的流动提供保障。

通过以上观察分析，混合器的加入使原本呈现直线流动的混合油产成了非线性流动，并且大大加强了流动的不均匀性;涡流的产生提高了混合油的混合均匀程度，在混合器的扭转作用下，混合油被撕裂、拉伸或折叠，强制混合到了一起，混合程度得到提高。

3.2 混合器单元数量敏感性分析

(1)每组混合单元中数量的确定。标准的SK型静态混合器，紧邻混合单元之间呈90°夹角。混合单元的数量对混合效果有很大影响，然而出于工艺方面的考虑，单元数量不可能无限制增加。在此取9个混合单元为一组，建立掺稀模型，分别分析流经每个混合单元的混合油的湍动强度。

图5 混合物流动速度云图

根据模拟结果得到通过每个混合单元后的平均湍动强度，如表1所示。混合过程是在强制对流作用下通过主体扩散、涡流扩散和分子扩散，最终达到分子级均匀混合，流体的湍动强度越高，越能够促进两相流体的混合过程。因此，可以将湍动强度作为混合器混合效果的评价依据。

混合油通过混合单元所获得的湍动强度，呈震荡曲线形式，湍动强度随着通过的混合单元数增加而增强，在通过第8个混合单元后湍动强度达到峰值，随后又有所下降。即在本次模拟中，通过第8个混合单元后湍动强度达到一个理想效果。通过2个周期的旋转之后，流体在静态混合器中的湍动强度达到峰值。

(2)混合器组数敏感性分析。将混合器单元2个周期作为1组，分别建立1—4组混合器单元的掺稀模型，在相同外部条件下对这4组模型进行模拟计算，然后取同一时间点各组模型出口处的湍动强度进行研究。表2为同一时间点各组模型出口处平均湍动强度。

表2 同一时间点各组出口处平均湍动强度表 %

在混合油进入混合器后，通过第1组混合单元，出口处的湍动到达一个峰值，之后通过第2组混合单元，湍动不能保持下去而快速降低;在通过第3组混合单元后达到最大值，之后在第4组混合单元湍动又有所降低。由此可以得出结论，混合油流过第3组即6个周期后的湍动强度最高。

结果表明，混合器对于流体的湍动增强不是无限制的，综合随着混合元件数量的增加，混合器内流体湍动的增强与减弱呈现周期态势，但随着混合器数量的增加，恢复或者破坏这种湍动所需要的时间越短。这与文献［8］中的结论相吻合。

4 结语

(1)模型仿真表明，混合器的加入使原本呈现直线流动的混合油变成了非线性流动，涡流强度增强，并且提高了流动的不均匀性，促进混合程度提高。

(2)混合器对其内部流体的湍动增强作用很明显，通过第2个周期的混合单元后湍动强度达到一个峰值，推荐将2个周期的混合单元作为一组进行使用。

(3)将2个周期的混和单元作为一组，仿真得知3组混合单元能够达到的湍动强度最高，推荐将3组混合单元一起使用。

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