邢 雷 蔣明虎 趙立新 李 楓 韓國鑫

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

我國大部分油田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，油井產(chǎn)出液的含水率逐漸升高［1］，如何進(jìn)一步提高采出液預(yù)分離和含油污水的油水分離精度，對(duì)油田的經(jīng)濟(jì)開發(fā)尤為重要。 旋流聚結(jié)技術(shù)可通過物理方法實(shí)現(xiàn)油滴聚結(jié)進(jìn)而提高油水分離精度，逐漸被應(yīng)用到油田、化工及環(huán)保等領(lǐng)域［2］。 目前，國內(nèi)外關(guān)于旋流聚結(jié)的研究，無論是理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是試驗(yàn)測試，多數(shù)的連續(xù)相介質(zhì)均以牛頓流體為研究對(duì)象［3～6］。趙文君等通過將兩種切向進(jìn)液旋流器串聯(lián)，形成了旋流聚結(jié)結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)常規(guī)油水混合介質(zhì)的分離性能開展研究［7］。 劉曉敏等提出了一種可強(qiáng)化旋流分離的旋流聚結(jié)裝置，并以清水為連續(xù)相開展不同增壓方式對(duì)油水混合介質(zhì)分離性能和粒度分布的影響研究［8］。實(shí)際上在石油行業(yè)內(nèi)，隨著油田的不斷開發(fā)，采出液含水率逐漸增高，大部分油田已經(jīng)繼一次、二次采油技術(shù)后，實(shí)施三次采油方法［9］。 三次采油方法主要為聚合物驅(qū)油、由堿-聚合物構(gòu)成的二元驅(qū)油，以及由堿-表面活性劑-聚合物構(gòu)成的三元復(fù)合驅(qū)油。 其中三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)效果較為明顯，相對(duì)于水驅(qū)油可提高原油采收率20%以上［10～13］。 但三元復(fù)合驅(qū)采出液，由于其組分中含聚丙烯酰胺會(huì)改變產(chǎn)出液的物理和化學(xué)性質(zhì)，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(qiáng)油水分離效率，降低含聚污水的處理成本逐漸引起了相關(guān)學(xué)者的重視。 王志杰等基于冪律流變模型針對(duì)含聚濃度在1 000～5 000mg/L范圍內(nèi)的水力旋流器內(nèi)部流場特性開展數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同含聚濃度條件下的水力旋流器內(nèi)油滴運(yùn)移軌跡、速度場和濃度場分布特性，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)水力旋流器內(nèi)部流場特性開展研究，得出了水力旋流器不同區(qū)域的表觀黏度分布情況，提出了一種機(jī)械降粘裝置以提高水力旋流器對(duì)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(duì)旋流分離的影響規(guī)律，但截至目前，在連續(xù)相為不同含聚濃度的非牛頓流體特性條件下，對(duì)水力聚結(jié)器內(nèi)油滴碰撞聚結(jié)特性和粒度變化情況影響的研究鮮有報(bào)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(jié)器的流場分布特性和聚結(jié)性能研究，掌握不同含聚濃度對(duì)水力聚結(jié)性能的影響規(guī)律，可為進(jìn)一步提高化學(xué)驅(qū)采出液與含油污水的處理精度提供依據(jù)和參考。

1 研究對(duì)象及網(wǎng)格劃分

如圖1所示，水力聚結(jié)器主要由入口腔、螺旋流道、聚結(jié)內(nèi)芯、錐管和出口管組成，圖中所標(biāo)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸見表1。

圖1 水力聚結(jié)器結(jié)構(gòu)及其工作原理示意圖

表1 水力聚結(jié)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

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

圖2 水力聚結(jié)器網(wǎng)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(duì)水力聚結(jié)器性能的影響，需掌握含聚濃度對(duì)連續(xù)相介質(zhì)流變特性的影響關(guān)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(jù)SY/T 6576—2003《用于提高石油采收率的聚合物評(píng)價(jià)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(nèi)加入600mL蒸餾水，控制溫度為30℃，打開攪拌器設(shè)置攪拌轉(zhuǎn)速，將3.39gPAM干粉均勻?yàn)⒅翢瓋?nèi)，2min后將攪拌器調(diào)至50r/min持續(xù)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(zhuǎn)流變儀 （型號(hào)為Kinexus Pro，角速度范圍為10nrad/s～500rad/s）對(duì)不同含聚目的液的流變特性進(jìn)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(xiàn)出冪律流體中的假塑性流體特性。 描述冪律流體的流變規(guī)律方程可表示為：

式中 K——冪律系數(shù)，Pa·sn；

n——冪律指數(shù)；

τ——剪切應(yīng)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(shù)，n值越低或越高，曲線也越彎曲，非牛頓流體也越強(qiáng)。 當(dāng)n=1時(shí)為牛頓流體，K即為黏度； 當(dāng)n≠1時(shí)為膨脹流體；剪切速率一定時(shí)，n值可當(dāng)作常數(shù)。 在分析介質(zhì)非牛頓流體特性對(duì)聚結(jié)器的聚結(jié)性能影響時(shí)，將測量結(jié)果（圖3）按照式（1）進(jìn)行擬合，從擬合結(jié)果中獲取冪律系數(shù)K與冪律指數(shù)n值。 同時(shí)，設(shè)置黏度最小值為0.1μPa·s， 黏度最大值為當(dāng)剪切速率γ=1s-1時(shí)含聚目的液的黏度值， 以此來完成數(shù)值模擬所需非牛頓流體數(shù)學(xué)模型的修正。

3 數(shù)值模擬方法

水力聚結(jié)器內(nèi)油水兩相間模擬計(jì)算采用多相流混合模型（Mixture）。 數(shù)值模擬時(shí)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?jǐn)?shù)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(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，湍流計(jì)算模型為Reynolds應(yīng)力方程模型（Reynolds Stress Model，RSM），SIMPLEC算法用于進(jìn)行速度壓力耦合，墻壁為無滑移邊界條件，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率為二階迎風(fēng)離散格式，收斂精度設(shè)為10-6，壁面為不可滲漏、無滑移邊界條件。 對(duì)聚結(jié)器內(nèi)的油滴粒度變化及其分布特性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，加載群體平衡模型，設(shè)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(jì)算，以此求解聚結(jié)器內(nèi)的非牛頓流體條件下離散相油滴的聚并破碎特性。

4 結(jié)果分析

4.1 含聚濃度對(duì)黏度的影響

水力聚結(jié)器內(nèi)的黏度分布直接影響油滴的運(yùn)動(dòng)行為和對(duì)油滴的剪切強(qiáng)度，進(jìn)而影響聚結(jié)性能。 數(shù)值模擬得出不同含聚濃度時(shí)聚結(jié)器軸向截面介質(zhì)黏度分布云圖如圖4所示。 由圖4可以看出， 當(dāng)含聚濃度為200mg/L時(shí)聚結(jié)器內(nèi)連續(xù)相介質(zhì)黏度在2.00～2.75mPa·s范圍內(nèi)變化， 隨著含聚濃度的增加聚結(jié)器內(nèi)介質(zhì)黏度值液逐漸增大。 同時(shí)，在含聚濃度較高時(shí)聚結(jié)器入口處介質(zhì)黏度值最大，當(dāng)液流進(jìn)入到螺旋流道時(shí)在流場的剪切作用下含聚介質(zhì)出現(xiàn)明顯的剪切變稀現(xiàn)象，當(dāng)液流流出螺旋流道后流場趨于穩(wěn)定時(shí)介質(zhì)黏度又有所增加。

圖4 不同含聚濃度時(shí)聚結(jié)器內(nèi)黏度分布云圖

為了對(duì)不同含聚濃度條件下水力聚結(jié)器內(nèi)介質(zhì)黏度變化進(jìn)行定量對(duì)比分析，數(shù)值模擬得出過分析截面S軸心的截線上連續(xù)相黏度值分布對(duì)比情況如圖5所示。 由圖5可以看出，當(dāng)含聚濃度為200mg/L時(shí)介質(zhì)黏度分布在2.00mPa·s上下，當(dāng)含聚濃度增大到1 000mg/L時(shí)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(jié)內(nèi)芯位置，不同含聚濃度條件下的黏度值均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，這是因?yàn)樗劢Y(jié)器的壁面處存在較大的速度梯度，致使剪切應(yīng)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(duì)比

4.2 含聚濃度對(duì)速度場的影響

由于水力聚結(jié)器內(nèi)的油滴聚結(jié)過程主要是因速度差導(dǎo)致的，因此速度場分布也是影響聚結(jié)性能的主要因素。 數(shù)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(duì)比如圖6所示。 由圖6可以看出，由聚結(jié)器的邊壁到軸心方向切向速度分布呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其中在邊壁和聚結(jié)內(nèi)芯中心區(qū)域處切向速度達(dá)到最大值， 隨著徑向位置的減小切向速度逐漸降低。 同時(shí)，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(nèi)出現(xiàn)了明顯的差異，這是因?yàn)楹蹪舛仍酱蠼橘|(zhì)黏度值越大，致使在相同進(jìn)液量條件下含聚濃度高的介質(zhì)所受切向運(yùn)動(dòng)的粘滯阻力越大切向速度逐漸降低。 這種切向速度運(yùn)動(dòng)差異直接影響油滴在聚結(jié)器內(nèi)所受的離心力大小，進(jìn)而影響其聚結(jié)性能。 結(jié)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?jǐn)?shù)對(duì)比可以看出，充分說明切向速度值與油相向軸心的聚結(jié)程度成正相關(guān)，研究范圍內(nèi)隨著含聚濃度的增加油相向聚結(jié)內(nèi)芯處聚集程度逐漸降低，從而降低油滴在聚結(jié)器內(nèi)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(duì)比

圖7 不同含聚濃度條件下分析截面處的油相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

4.3 含聚濃度對(duì)油滴粒徑分布影響

為了分析含聚濃度和含聚介質(zhì)的剪切變稀特性對(duì)聚結(jié)器內(nèi)油滴聚結(jié)性能的影響，模擬得出不同含聚濃度時(shí)聚結(jié)器內(nèi)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(jié)器內(nèi)油滴粒徑分布最大值仍然出現(xiàn)在聚結(jié)器出口附近聚結(jié)內(nèi)芯的近壁區(qū)域，但隨著含聚濃度的逐漸升高，聚結(jié)器出口區(qū)域粒徑最大值逐漸降低。

圖8 不同含聚濃度時(shí)聚結(jié)器內(nèi)油滴粒徑分布云圖

為了進(jìn)一步分析含聚濃度對(duì)聚結(jié)器出口粒徑的影響，統(tǒng)計(jì)得出不同含聚濃度時(shí)聚結(jié)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(shí)聚結(jié)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(nèi)聚結(jié)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(jié)器出口處油滴最大粒徑逐漸減小，同時(shí)小粒徑分布增加。

這是因?yàn)檫B續(xù)相介質(zhì)隨著含聚濃度的增大黏度逐漸升高，而在旋轉(zhuǎn)流場內(nèi)油滴受到的剪切應(yīng)力τ：

式中 C——與流量成正比的常數(shù)；

m——冪律指數(shù)，相同截面位置m值相同；

r——油滴距軸心位置；

μ——連續(xù)相黏度。

由式（2）可以看出，當(dāng)連續(xù)相黏度升高時(shí)，油滴在流場內(nèi)所受剪切作用力逐漸加大，增大了油滴的破碎機(jī)率， 致使聚結(jié)器的聚結(jié)性能逐漸降低。

為了研究不同含聚濃度對(duì)水力聚結(jié)器聚結(jié)性能影響，加工水力聚結(jié)器室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)，構(gòu)建室內(nèi)聚結(jié)性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)（圖10）。 試驗(yàn)時(shí)，分別配置不同含聚濃度的聚合物溶液作為連續(xù)相（參數(shù)值與數(shù)值模擬時(shí)一致），采用重負(fù)荷齒輪油作為離散相，緩沖罐內(nèi)混合后由螺桿泵泵入聚結(jié)器入口，在聚結(jié)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(jié)性能室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

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

圖11 不同含聚濃度聚結(jié)器出口平均粒徑模擬與試驗(yàn)值對(duì)比

5 結(jié)論

5.1 隨著聚合物濃度的逐漸升高，連續(xù)相介質(zhì)黏度逐漸增大，水力聚結(jié)器內(nèi)隨著徑向位置的減小介質(zhì)黏度先升高后降低， 含聚濃度由200mg/L增大到1 000mg/L時(shí)，聚結(jié)器內(nèi)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(jié)器內(nèi)聚結(jié)區(qū)域的切向速度值越小，致使油滴向軸心聚結(jié)程度降低，減少了油滴間的碰撞幾率同時(shí)連續(xù)相介質(zhì)黏度的升高也會(huì)增大流場對(duì)油滴的剪切強(qiáng)度，致使聚結(jié)器性能有所降低。

5.3 當(dāng)含聚濃度由100mg/L增大到1 000mg/L時(shí)，聚結(jié)器出口處的粒徑試驗(yàn)值由421.52μm減小到278.34μm，說明在含聚條件下水力聚結(jié)器仍可起到較好的聚結(jié)效果，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出了相同的規(guī)律性。