敬加強(qiáng)，黃婉妮，宋學(xué)華，羅佳琪，宋揚(yáng)，戢慧，羅遒漢，王思汗

（1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2 油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3 新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4 新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區(qū)，新疆 吉木薩爾 831700；5 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

稠油是全球石油烴類能源中的重要組成部分，也是我國重要的石油資源，國內(nèi)的稠油資源開發(fā)前景廣闊[1-2]。在油藏環(huán)境下，含水稠油的流動(dòng)性較為良好，但稠油流至井筒中以后，因稠油流動(dòng)阻力增大而難以舉升，造成采輸上的困難[3]。稠油油田在開采中后期，含水率會(huì)逐年增加，降低原油采收率，導(dǎo)致油田因快速進(jìn)入非盈利生產(chǎn)階段而被迫停產(chǎn)，這會(huì)使井下的原油儲(chǔ)量得不到充分開采，采出水過多也會(huì)給環(huán)境帶來很多不利影響，增加地面水處理設(shè)施和費(fèi)用。

目前，國內(nèi)對于稠油開采的常規(guī)井筒減阻工藝主要有化學(xué)降黏、摻稀油、摻污水、電加熱和熱流體循環(huán)[4-5]。這五種常規(guī)工藝雖然在現(xiàn)場中應(yīng)用廣泛，但這些方法使稠油在井筒中的舉升過程中存在處理量過多、摻入量大或能量損耗高等問題。關(guān)于井筒內(nèi)潤滑減阻的研究卻很少，并且國內(nèi)尚未應(yīng)用于現(xiàn)場，目前尚處于探索階段，而潤滑元件可以使稠油在舉升過程中形成環(huán)狀流來實(shí)現(xiàn)稠油潤滑減阻輸送。

王帥等[6]以自來水和0#柴油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，使油水兩相流通過旋流裝置后在管內(nèi)形成關(guān)于軸線對稱的環(huán)狀流；郭省學(xué)[7]通過高效旋流裝置，將油水兩相在管內(nèi)分隔成關(guān)于軸線對稱的環(huán)狀流，并研究繪制出理想相分隔狀態(tài)下各相表觀速度圖。然而，王帥等[6-8]僅從相含率方面分析了旋流流體，蔣明虎等[9-12]也僅分析了含油率低的低黏原油旋流分離情況，幾乎沒有文獻(xiàn)考慮到旋流分離和低黏液環(huán)潤滑兩種技術(shù)的結(jié)合，僅查找到一些相關(guān)專利[13-15]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

基于設(shè)計(jì)的潤滑元件通過軸向旋流分離出油水，將部分水相回注地層，保持地層中的壓力，剩余的低含油率水相作為低黏液環(huán)，將油相與壁面分隔開，降低原油輸送阻力。元件工作時(shí)，其內(nèi)部油水混合液流動(dòng)情況見圖1。

圖1 油水混合液流線

1.2 導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線參數(shù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線的設(shè)計(jì)方式采用等高圓弧段連接等高直線段，形成過渡型流道。導(dǎo)流葉片之間設(shè)有中間棒，中間棒兩端分別設(shè)有穩(wěn)流錐和中心錐，使流體在流道內(nèi)先經(jīng)過穩(wěn)流后再改變流動(dòng)方向，降低流體經(jīng)過導(dǎo)流葉片時(shí)湍流導(dǎo)致的液滴剪切破碎現(xiàn)象，增強(qiáng)油水兩相的分離效果。導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線展開后的平面示意圖見圖2。

圖2 導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線

1.3 幾何模型建立

為了便于觀察潤滑元件結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)要求，考察所形成的低黏液環(huán)結(jié)構(gòu)是否理想及穩(wěn)定，模型的結(jié)構(gòu)見圖3。其中，截面Ⅰ為溢流出口截面，截面Ⅱ?yàn)榕潘豁敳拷孛妗?/p>

圖3 模型結(jié)構(gòu)

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為提高計(jì)算精度，如圖4所示，潤滑元件采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格，旋流腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用操作簡單的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而溢流管段和底流管段是較為規(guī)則的圓柱體，可用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。流體流經(jīng)導(dǎo)流葉片和排水孔時(shí)速度變化劇烈，對這兩處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

圖4 網(wǎng)格劃分

如表1 所示，對潤滑元件進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)劃分的網(wǎng)格數(shù)為761544 時(shí)，既可以保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，又可以縮短模擬時(shí)間，提高運(yùn)算效率。傾斜度在0.8 以內(nèi)，可以被大多數(shù)求解器接受，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量相對較好。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.5 數(shù)值模型

1.5.1 湍流模型

雷諾應(yīng)力模型（RSM）可針對各向異性流動(dòng)[16]，則油水混合液在潤滑元件內(nèi)的流動(dòng)過程采用RSM 模型，便于模擬元件可能出現(xiàn)的強(qiáng)旋流場情況，其雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程見式(1)。

式中，Dijr為湍流擴(kuò)散項(xiàng)；DijL為分子擴(kuò)散項(xiàng)；Pij為應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gij為浮力產(chǎn)生項(xiàng)；φij為壓力應(yīng)變項(xiàng)；εij為湍流耗散項(xiàng)；Fij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)[17]。

1.5.2 多相流模型

潤滑元件內(nèi)部流動(dòng)情況與旋流分離器較為相近，因此混合多相流模型（Mixture）比其他模型更適合模擬潤滑元件內(nèi)部流場，故采用Mixture 模型作為多相流模型。

Mixture模型連續(xù)性方程見式(2)[18]。

其中，油水混合液的平均流速見式(3)[19]，混合液的密度見式(4)[20]。

對油水兩相流的動(dòng)量方程求和，所得Mixture模型的動(dòng)量方程見式(5)[21]。

其中，油水混合液的黏度見式(6)，油水兩相流的漂移速度見式(7)和式(8)。

1.6 邊界條件設(shè)定

采用Mixture 混合多相流模型和RSM 雷諾應(yīng)力模型，便于更好地預(yù)測復(fù)雜流動(dòng)過程。以潤滑元件充滿油相體積分?jǐn)?shù)為15%的油水混合液作為元件流場計(jì)算的初始條件，保持入口流量為4.24m3/h，即設(shè)置潤滑元件入口速度為0.6m/s，連續(xù)相為水，密度為998.2kg/m3，黏度為0.001003Pa·s，分散相為白油介質(zhì)，自定義創(chuàng)建Materials，并設(shè)定其密度為902kg/m3，黏度為1.05532Pa·s。邊界條件有：①入口設(shè)置為速度入口（Velocity_Inlet）；②溢流口和底流口設(shè)置為自由出流（Outflow），兩出口分流比均為0.5；③其余設(shè)為無滑移壁面。

1.7 速度分析

如圖5所示，經(jīng)過元件分離出大量水后形成的水環(huán)軸向速度增至1.25m/s，且形成穩(wěn)定的水環(huán)潤滑管壁，有利于采輸過程中的減阻輸送；徑向速度幾乎為0，說明其水環(huán)成形效果穩(wěn)定，重力對其影響甚微；切向速度最大為1m/s，能夠保證油水環(huán)狀流流出元件后，油水在之后的一段管道中仍然存在離心力作用，保證油水界面清晰。

圖5 溢流口速度分布

2 單因素分析

2.1 外出口角度

導(dǎo)流葉片外出口角度是影響流體在潤滑元件的旋流腔中流場分布的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，適當(dāng)減小外出口角度有利于增大切向速度。但是角度過小會(huì)使?jié)櫥?nèi)部形成較嚴(yán)重的湍流，導(dǎo)致壓降損失劇增?？梢酝ㄟ^改變外出口角度模擬元件內(nèi)部流場，見圖6。

由圖6(a)分析得出，外出口角度的增大會(huì)使溢流出口中心油核的油相體積分?jǐn)?shù)顯著降低，環(huán)狀流流型逐漸消失。當(dāng)外出口角度增至20°時(shí)，油核油相體積分?jǐn)?shù)突然驟降至51.49%，而管壁處低黏液環(huán)含油率升高至9.368%，成環(huán)效果變差；排水腔頂部聚集的油量隨之劇增；溢流口壓降[圖6(b)]隨著外出口角度增大而逐漸下降，但增至15°之后壓降突然驟降。這是因?yàn)橥獬隹诮谴笥?5°時(shí)，流體進(jìn)旋流腔獲得的離心力不足以將油水兩相徹底分離，而在其小于15°時(shí)，流體出導(dǎo)流葉片時(shí)的流動(dòng)面過窄，流速過大，造成壓降急劇增大的現(xiàn)象。綜上可見，外出口角度值控制在10°～15°時(shí)成環(huán)效果良好。

圖6 不同外出口角度的內(nèi)部流場分布

2.2 導(dǎo)流葉片厚度

導(dǎo)流葉片厚度會(huì)影響液體出導(dǎo)流葉片后的流動(dòng)面積，葉片過薄會(huì)使流通面積過大，導(dǎo)致速度過小，離心力不足，致使成環(huán)效果變差。改變導(dǎo)流葉片厚度對元件內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，見圖7。

由圖7(a)分析得出，隨著導(dǎo)流葉片厚度的增大，溢流出口中心油核的油相體積分?jǐn)?shù)整體上呈現(xiàn)遞增趨勢，但增幅不大；通過排水孔排出的水含有的殘余油相在排水腔頂部有所聚集，但隨著葉片厚度的增大，排水腔頂部聚集的油量逐漸降低；溢流口壓降[圖7(b)]隨著導(dǎo)流葉片厚度的增大而增大，且增幅逐漸變大。綜上可見，雖然葉片厚度為6mm時(shí)水環(huán)形成效果會(huì)比5mm 時(shí)稍好，但是壓降卻增加了20kPa，綜合成環(huán)效果和壓降損失兩方面考慮，5mm 會(huì)更好一些。說明導(dǎo)流葉片厚度控制在4～6mm以內(nèi)成環(huán)效果良好，并且壓降損失較小。

圖7 不同導(dǎo)流葉片厚度的內(nèi)部流場分布

2.3 中間棒直徑

中間棒直徑會(huì)影響液體進(jìn)入旋流腔的流動(dòng)面積，流量一定時(shí)，中間棒直徑過小會(huì)使液體流入旋流腔的流動(dòng)面積增大，從而速度降低，使切向速度、軸向速度和徑向速度等速度分量值也隨之降低。不同中間棒直徑的內(nèi)部流場見圖8。

由圖8(a)分析得出，隨著中間棒直徑的增大，溢流出口中心油核的油相體積分?jǐn)?shù)整體上呈現(xiàn)先遞增而后有所下降的趨勢；排水腔頂部聚集的油量很少，且?guī)缀醪浑S中間棒直徑變化；溢流口的壓降[圖8(b)]隨著中間棒直徑的增大而逐漸增大。綜上可見，當(dāng)中間棒直徑增至25mm時(shí)，之后的溢流口油核油相體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，說明將中間棒直徑控制在20～30mm 時(shí)有利于油核聚集，成環(huán)效果良好，而中間棒直徑過大會(huì)導(dǎo)致出導(dǎo)流葉片后的流體分離效果變差，而壓降損失反而劇增。

圖8 不同中間棒直徑的內(nèi)部流場分布

2.4 旋流腔長度

實(shí)現(xiàn)油水兩相分離主要是通過油水混合液流在旋流腔內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，不同旋流腔長度的內(nèi)部流場分布見圖9。

由圖9(a)分析得出，隨著旋流腔長度逐漸增加，溢流出口中心油核的油相體積分?jǐn)?shù)整體上呈現(xiàn)遞減趨勢；但是，旋流腔長度的遞增反而導(dǎo)致排水腔頂部聚集的油量逐漸增加；隨旋流腔長度的增加，溢流口壓降[圖9(b)]也逐漸減小，但當(dāng)其長度增至250mm 之后，壓降損失則無明顯變化。綜上可見，將旋流腔的長度控制在200～250mm 時(shí)，潤滑元件能夠在壓降損耗低的前提下形成相對穩(wěn)定的油水環(huán)狀流，且邊壁低黏液環(huán)油相含率極低，有利于低黏液環(huán)潤滑。

圖9 不同旋流腔長度的內(nèi)部流場分布

2.5 中心錐長度

中心錐用于消除空氣柱，使分離出來的油滴聚集并匯入溢流管中，中心錐過短會(huì)使內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流中分離出的油滴聚集時(shí)間過長而后發(fā)散，致使大量油滴從排水孔排出，導(dǎo)致成環(huán)效果不好。但中心錐過長會(huì)使旋轉(zhuǎn)流在排水孔附近的流場不穩(wěn)定，不同中心錐長度的內(nèi)部流場分布見圖10。

由圖10(a)分析得出，隨著中心錐長度的增加，溢流出口中心油核的油相體積分?jǐn)?shù)整體上呈現(xiàn)遞減趨勢，排水腔頂部聚集的油量反而遞增；隨中心錐長度的增加，溢流口壓降[圖10(b)]先減小而后遞增。綜上可見，中心錐長度為300mm 時(shí)，油核油相體積分?jǐn)?shù)僅為52.91%，而邊壁低黏液環(huán)增至8.353%，當(dāng)中心錐長度為150～250mm 時(shí)，成環(huán)效果相當(dāng)，都有利于低黏液環(huán)潤滑，但中心錐為200mm 時(shí)的壓降損失較小，說明中心錐過長或者過短均會(huì)提高元件的能量損耗。

圖10 不同中心錐長度的內(nèi)部流場分布

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)研究可以進(jìn)一步了解潤滑元件操作參數(shù)等對成環(huán)效果的影響。實(shí)驗(yàn)流程如圖11 所示，自來水由水泵泵送至靜態(tài)混合器，根據(jù)水流量計(jì)示數(shù)來計(jì)量和調(diào)節(jié)；白油由油泵泵送至靜態(tài)混合器，根據(jù)油流量計(jì)示數(shù)來計(jì)量和調(diào)節(jié)；靜態(tài)混合器將油水充分混合后輸送至潤滑元件；油水混合液自下而上經(jīng)過潤滑元件，通過透明管段觀測流型變化；底流出口排出分離水，并通過底流出口處流量計(jì)控制和調(diào)節(jié)分流比。由油流量計(jì)、水流量計(jì)、壓差表以及數(shù)據(jù)采集柜臺等組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過電腦軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測各類儀表示數(shù)，并具有同步記錄存儲(chǔ)功能。潤滑元件上方的透明管段長0.7m，內(nèi)徑25mm，采用壓差表測定潤滑元件入口和溢流口兩點(diǎn)間壓差，壓差表的引壓管與管道壁面高度貼合，連接點(diǎn)內(nèi)部光滑，采用高速攝像機(jī)捕捉元件上方的立管內(nèi)流型。在溫度約為20℃時(shí)開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中需要控制油水比一定，通過調(diào)節(jié)總流量，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集油水流量和壓差等數(shù)據(jù)，然后與模擬所得結(jié)果作對比分析。

圖11 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)之前潤滑元件模擬所設(shè)定的參數(shù)，將入口流速保持在0.42～0.68m/s（即入口流量為3.0～4.8m3/h），溢流分流比保持在0.5，元件入口的油相含率保持在15%左右，實(shí)驗(yàn)所用水與白油的密度與黏度見1.6節(jié)。實(shí)驗(yàn)安排見表2。

表2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)安排

3.1 入口流速對壓降的影響

圖12(a)是在分流比和油水比固定的情況下，潤滑元件入口流速增加時(shí)，元件兩端壓降的模擬值與實(shí)測值的對比圖，數(shù)值模擬分析得到的壓降曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的曲線均呈現(xiàn)上升的趨勢，不同的是壓降的模擬值整體要比實(shí)測值高一些，但如圖12(b)所示，兩者相對誤差在25%的可接受范圍以內(nèi)，因此模擬的潤滑元件壓降結(jié)果可用作室內(nèi)實(shí)驗(yàn)參考，以改進(jìn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的裝置和操作過程。

圖12 壓降-入口流速模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比

3.2 入口流速對流型的影響

圖13(a)～(j)為不同流速的油水兩相流自下而上經(jīng)過潤滑元件溢流口處時(shí)，其上方的豎直管段內(nèi)流型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬云圖的對比。通過觀測潤滑元件溢流口上方透明管段內(nèi)的油水流型，當(dāng)潤滑元件入口的油水混合液流速在0.42～0.45m/s之間，觀察到溢流口上方的管段內(nèi)油水界面不太清晰，沒有形成明顯的油芯，在此期間伴隨著油量與水量的同時(shí)增大，透明管段內(nèi)逐漸形成油核。但是油核形態(tài)不穩(wěn)定，并且大部分仍然與管壁緊貼，沒有達(dá)到流固界面潤滑的目的。

圖13 流型-入口流速模擬云圖與實(shí)驗(yàn)圖像對比

當(dāng)入口流速為0.48～0.62m/s時(shí)，溢流口能夠形成明顯的油水環(huán)狀流流型，觀察到溢流口上方的管段內(nèi)油水界面逐漸清晰，形成明顯的油芯。入口流速為0.48m/s時(shí)，肉眼能夠觀察到一段完整的油芯，油芯呈螺旋狀蜿蜒上升，與管壁僅有少許接觸，流動(dòng)時(shí)有部分白油以絲狀形式從油芯中分離進(jìn)入水中，并且僅有少量油滴分散在水中；入口流速為0.51m/s 時(shí)，水中的絲狀油相減少，肉眼只觀察到少量分散的油滴；入口流速增至0.54m/s 時(shí)，油水界面清晰，油芯仍然呈螺旋狀上升，并且肉眼觀察到水中不存在明顯的分散油滴；入口流速上升至0.57m/s 時(shí)，油芯聚集程度進(jìn)一步上升，油芯呈上方彎曲的柱狀，形成明顯的油水環(huán)狀流；入口流速為0.59m/s 時(shí)，油芯呈筆直上升的柱狀，形成標(biāo)準(zhǔn)的油水環(huán)狀流流型，并且油核與管壁徹底分離開來；入口流速為0.62m/s 時(shí)，油芯變粗，整體上仍然呈筆直的柱狀，外部水環(huán)變窄，油芯在向四周管壁靠近而不接觸。

入口流速為0.65m/s 時(shí)，油芯開始向四周水相以螺旋環(huán)繞的形式發(fā)散絲狀油相，油水界面開始變模糊；入口流速為0.68m/s 時(shí)，油芯周圍的絲狀油相部分貼近管壁，肉眼觀察到水環(huán)中存在大量圍繞油芯做螺旋上升運(yùn)動(dòng)的絲狀油相，此時(shí)環(huán)狀流遭受污染破壞。

當(dāng)入口流速達(dá)到0.65m/s以上時(shí)，由于旋流場內(nèi)湍流作用增強(qiáng)，導(dǎo)致油滴顆粒破碎嚴(yán)重，粒徑更小，加之離心力過大，油相以絲狀和顆粒狀形式發(fā)散至水中，環(huán)狀流外觀因此被破壞，而數(shù)值模擬時(shí)的油滴顆粒直徑固定，導(dǎo)致其油相分布云圖與透明管段內(nèi)觀察到的現(xiàn)象不符。由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中油滴大小和形狀并不均一，液滴粒徑選用規(guī)定工況下的平均大小，所得模擬結(jié)果與大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，因此高流速下的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不符可視為異常情況。

4 結(jié)論與建議

（1）潤滑元件外出口角度為10°～15°，導(dǎo)流葉片厚度為4～6mm，中間棒直徑為20～30mm，旋流腔長度為200～250mm，中心錐長度為150～250mm時(shí)，能夠形成良好的環(huán)狀流流型，實(shí)現(xiàn)稠油的潤滑輸送。

（2）潤滑元件適用于油水混合液流速范圍在0.54～0.65m/s 以內(nèi)的情況，該流速范圍內(nèi)的潤滑輸送效果良好。

（3）流速超過0.65m/s 時(shí)，液滴破碎嚴(yán)重，會(huì)使分散相粒徑迅速減小，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大誤差，之后研究高流速情況時(shí)應(yīng)將液滴粒徑變化這一因素考慮進(jìn)去。

（4）此次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了潤滑元件的潤滑效果，建議之后采用現(xiàn)場油樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，以更貼近實(shí)際情況。

符號說明

l0—— 導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線包弧長，mm

h—— 導(dǎo)流葉片準(zhǔn)線高度，mm

h0—— 導(dǎo)流葉片圓弧段準(zhǔn)線高度，mm

β1—— 導(dǎo)流葉片外準(zhǔn)線出口角，（°）

β2—— 導(dǎo)流葉片內(nèi)準(zhǔn)線出口角，（°）

αo—— 油相體積分?jǐn)?shù)

αw—— 水相體積分?jǐn)?shù)

ρo—— 油相密度，kg/m3

ρw—— 水相密度，kg/m3

ρm—— 油水混合液密度，kg/m3

μo—— 油相黏度，Pa·s

μw—— 水相黏度，Pa·s

μm—— 油水混合液黏度，Pa·s

—— 油相實(shí)際流速，m/s

—— 水相實(shí)際流速，m/s

—— 油水混合液平均流速，m/s

下角標(biāo)

o—— 油相

w—— 水相

m—— 油水混合液