李慧瑤 李軒宇 張 雨 苗嘉旭 周洋洋 張玉紅 畢海勝

（1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院）

近年來(lái)， 隨著我國(guó)原油消耗量持續(xù)增長(zhǎng)，常規(guī)原油往往供不應(yīng)求，而高黏原油的開采具有管輸困難、且伴隨較大電力消耗的特點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)的降黏措施（如伴熱管加熱、摻輕油等）都存在一定的局限性，因此，低黏液環(huán)輸送技術(shù)的研究對(duì)重質(zhì)油品的廣泛使用具有重要意義。

低黏液環(huán)的形成是油水兩相在螺旋葉片的作用下由于密度的差異，所受離心力不同，密度較大的水沿徑向被推至管道外側(cè)與管壁接觸，而高黏原油則以“油核心”的形式在水環(huán)中心流動(dòng)，不與管壁接觸。 液-液旋流裝置內(nèi)部流動(dòng)為螺旋流，是一種復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，螺旋流可分解為軸向流和強(qiáng)制渦流，在此流動(dòng)中，流線和渦線重合，流體隨螺旋運(yùn)動(dòng)，壓力逐漸降低，動(dòng)壓頭增加，兩相在此過(guò)程中分離。 相關(guān)文獻(xiàn)［2～4］表示，水環(huán)輸送工況在管道內(nèi)的壓降僅為在同流量下輸送純水的2.88倍，處于同一數(shù)量級(jí)，當(dāng)油水黏度相差較大時(shí)，兩相的計(jì)算黏度也有很大降低，如油水黏度比為200時(shí)，計(jì)算黏度僅為油相黏度的0.014 4，且油水黏度比越大，計(jì)算黏度越小。 然而，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于油水重度差異的存在、高速紊流以及裝置的不對(duì)稱性等原因易引起 “油核心”上浮和油水兩相的摻混乳化，最終導(dǎo)致油相與管壁接觸，摩阻增加。 如何保證水環(huán)的穩(wěn)定性、避免兩相界面波的產(chǎn)生是當(dāng)前低黏液環(huán)輸送技術(shù)研究的一個(gè)重要課題。

自1948年CLARK K A提出向高黏原油注水輸送以降低摩阻以來(lái)，低黏液環(huán)減阻運(yùn)輸技術(shù)的研究引起了廣泛關(guān)注，許多學(xué)者對(duì)低黏液環(huán)輸送高黏原油進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。 1959年，RUSSEL T W F和CHARLES M E提出互不相溶兩液體在同心圓管中流動(dòng)的理論模型，對(duì)比單液相輸送模型確定環(huán)狀流在重質(zhì)油品輸送方面有較好的節(jié)能功效，為油水環(huán)狀系統(tǒng)進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)［5］。1961年，CHARLES M E等對(duì)密度相同、黏度不同的原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出流形很大程度上與原油黏度無(wú)關(guān)的結(jié)論［6］。 HASSON D等利用蒸餾水和C2H2Cl2溶液進(jìn)行研究，通過(guò)高速攝像機(jī)測(cè)量管壁液體厚度并分析管內(nèi)核心流流動(dòng)軌跡，驗(yàn)證了無(wú)波浪界面模型預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性［7］。 屠大燕等從流動(dòng)狀態(tài)、流速分布和流量大小方面分析了水環(huán)同心流動(dòng)特性，建立了水環(huán)輸送性能和摩阻壓降關(guān)系式［8］。OOMS G等將流動(dòng)狀態(tài)視為固液界面處理，基于流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論建立了壓力損耗率計(jì)算水環(huán)所需水量的數(shù)值函數(shù)，該函數(shù)預(yù)測(cè)值在較小管徑內(nèi)與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，在較大管徑內(nèi)存在一定誤差［9］。 OLIEMANS R V A等考慮到油芯對(duì)水膜擾動(dòng)的影響，對(duì)穩(wěn)定核心環(huán)狀流理論模型進(jìn)行優(yōu)化，新模型能夠更好地預(yù)測(cè)流速增加時(shí)的壓力梯度［10］。 劉天佑分析了水環(huán)輸送效率的主要影響因素和減阻機(jī)理，建立黏彈性層流水環(huán)臨界速度的計(jì)算公式，提出輸油效率最高的最佳平均速度和油水比［11］。ARNEY M S等通過(guò)改變注入流速證實(shí)注水量與持液率相關(guān)，提出同心環(huán)流動(dòng)模型，得出雷諾數(shù)與摩擦系數(shù)曲線圖，但該曲線在雷諾數(shù)較低的情況下并不理想。 在水環(huán)穩(wěn)定性研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了一定的研究工作。艾克森公司按照7∶11的水油比制備了油包水型乳狀液，成功實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用CAF方法輸送高黏原油［12］。MIESEN R等最早提出利用鈉硅酸鹽溶液提高管壁親水性，防止管壁污染［13］。 李家元等借助黏彈性水溶液、凝膠吸附層和管壁親水化來(lái)保證水環(huán)的平衡穩(wěn)定，以防止油流黏附管壁現(xiàn)象的發(fā)生［14］。 SILVA R C R等提出利用高錳酸鉀對(duì)管道表面進(jìn)行氧化以減小油的接觸角、通過(guò)增加粗糙度提高親水性和兩相壓降來(lái)提高水環(huán)輸送的穩(wěn)定性，但是被氧化的管道表面加之水的存在會(huì)使得管壁容易被腐蝕［15］。 筆者基于FLUENT軟件建立旋流裝置三維模型，模擬裝置內(nèi)水環(huán)輸送的運(yùn)行參數(shù)和影響規(guī)律，為低黏液環(huán)輸送安全平穩(wěn)運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo)。

1 管道旋流裝置數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 多相流模型建立

式（1）中各項(xiàng)依次為：Cij對(duì)流項(xiàng)；DT，ij湍流擴(kuò)散項(xiàng)；DL，ij分子黏性擴(kuò)散項(xiàng)；Pij剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；Gij浮力產(chǎn)生項(xiàng)；φij壓力應(yīng)變項(xiàng)；εij黏性耗散項(xiàng)；Fij系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)。 其中，湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下：

1.2 旋流裝置模型

該旋流裝置主要由入口、螺旋葉片和旋流腔組成。 工作時(shí)，油水混合物在進(jìn)場(chǎng)壓力下進(jìn)入旋流裝置，在壓力和螺旋葉片的聯(lián)合造旋作用下，形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流。 由于油水兩相密度不同且互不相溶， 密度較小的油相在管道核心流動(dòng)，而水相貼近管壁，環(huán)繞在油相外部，形成水環(huán)。 采用SolidWorks軟件對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)尺寸的旋流裝置建立模型， 分別探究其油水分離成環(huán)能力， 并分析油水分離成環(huán)的影響因素和具體參數(shù)的改變對(duì)于結(jié)果的影響。 裝置具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 裝置參數(shù)設(shè)置

1.3 網(wǎng)格劃分及初始條件設(shè)置

利用Workbench中的meshing模塊對(duì)旋流裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 考慮到螺旋葉片段的不規(guī)則性，對(duì)螺旋葉片采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。 由于螺旋葉片流道屬于大梯度區(qū)域流動(dòng)狀況較為復(fù)雜的情況，為保證流場(chǎng)網(wǎng)格的高質(zhì)量和局部網(wǎng)格數(shù)量，選擇加密該段網(wǎng)格，保證該段的光滑性［16］。 文中裝置模型網(wǎng)格數(shù)量維持在35 萬(wàn)左右， 以傾斜度skewness為網(wǎng)格質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)， 質(zhì)量檢查報(bào)告顯示，最大值不超過(guò)0.84，超過(guò)90%的網(wǎng)格是優(yōu)良，網(wǎng)格劃分良好。 進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的旋流裝置模型如圖1所示。

圖1 旋流裝置網(wǎng)格劃分

文中模擬介質(zhì)為油水混合物，井口壓力為3 MPa，輸油管道直徑為DN200 mm或DN100 mm。油水混合物進(jìn)入旋流裝置入口速度為4 m/s，溫度為20 ℃，其中油水兩相具體參數(shù)見表2。

表2 油水兩相具體參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部壓力場(chǎng)分析

選取液-液旋流裝置區(qū)域x=0的平面作為壓力投影面，對(duì)沿y軸方向的壓力變化進(jìn)行分析，圖2為3種旋流裝置壓力分布云圖。

由圖2可知，3種旋流裝置的壓力分布基本遵循同一規(guī)律，即壓力隨流體不斷在螺旋流道中的旋轉(zhuǎn)而降低，但壓力降低程度卻因螺旋圈數(shù)和裝置結(jié)構(gòu)尺寸的變化而不同。 當(dāng)螺旋圈數(shù)增加時(shí)，壓力降幅增加，并隨旋轉(zhuǎn)所在圈號(hào)越大壓力降低速度越快。對(duì)比A、C型裝置可知，管徑不同導(dǎo)致壓力下降程度不同，入口管徑越大，旋轉(zhuǎn)流量越大，壓力下降程度越大；另外，錐段的存在也對(duì)壓降程度產(chǎn)生影響，對(duì)比B、C型裝置可知，錐段的存在可以減緩壓降程度。

圖2 3種旋流裝置壓力分布云圖

2.2 速度矢量圖分析

油水混合物進(jìn)入旋流裝置后做螺旋流運(yùn)動(dòng)，可將其分為3種速度分量——軸向運(yùn)動(dòng)、 徑向運(yùn)動(dòng)與切向運(yùn)動(dòng)。 在這3種速度分量中， 最容易測(cè)定、占比最大的，同時(shí)也是最為重要的是切向運(yùn)動(dòng)速度，旋流裝置需要一定的切向速度來(lái)使油水分離，因此，切向速度可作為評(píng)定油水分離的重要指標(biāo)。 利用FLUNET后處理功能建立多個(gè)區(qū)域截面的矢量圖。 選取不同裝置不同截面處的3類切向速度（圖3），主要為A型y=-700 mm處的流道后段速度，B型y=-1100 mm處的螺旋流道段切向速度和C型y=-1200 mm處的旋流段出口切向速度。

圖3 3種旋流裝置切向速度矢量圖

由圖3可見， 無(wú)論是螺旋流道中還是之后流段，切向速度所呈現(xiàn)的規(guī)律大致相同，即隨著觀測(cè)點(diǎn)距離軸心越來(lái)越遠(yuǎn)， 切向速度越來(lái)越大，后在邊界層迅速下降為0。 通過(guò)對(duì)比3種裝置可知，流體自有錐段的B型裝置流道流出后， 由于馬上進(jìn)入半徑逐漸縮小的錐段結(jié)構(gòu)，螺旋流動(dòng)在此過(guò)程中維持地較為完整，切向速度相比于其他裝置下降緩慢。

2.3 流體運(yùn)動(dòng)跡線分析

借助FLUENT軟件的Pathlines功能，3種旋流裝置流體從入口至出口的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，跡線圖以速度大小為導(dǎo)向。

圖4 3種旋流裝置流體運(yùn)動(dòng)軌跡圖

由圖4可知， 入口處的不穩(wěn)定軌跡是由入口流體與管壁碰撞而引起流向的改變所導(dǎo)致的。在螺旋流道段，3種裝置的流體運(yùn)動(dòng)狀況基本一致， 大都是繞流道螺旋運(yùn)動(dòng)， 但當(dāng)沖出流道之后，其螺旋運(yùn)動(dòng)很快出現(xiàn)差別。 A、C型裝置流動(dòng)趨勢(shì)大體一致， 即螺旋運(yùn)動(dòng)的螺旋間距會(huì)隨著流動(dòng)越來(lái)越大， 直到流體運(yùn)動(dòng)由螺旋狀恢復(fù)為軸向運(yùn)動(dòng)，且螺旋裝置螺旋圈數(shù)越多，裝置后端螺旋間距越小，跡線越密集，螺旋運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性越高。 而具有獨(dú)特錐段結(jié)構(gòu)的B型裝置，錐端的存在使得沖出流道的流體能夠較完整地維持螺旋運(yùn)動(dòng)， 但由于其流經(jīng)錐段后涌入管徑較小的直管道，速度增加，油水混合物的分離情況變差，水環(huán)成形不理想。

2.4 兩相分布云圖分析

以A裝置為基礎(chǔ)， 模擬不同入口速度下的油水分離情況、輸送穩(wěn)定性和油核心偏離情況。 由圖5可見，當(dāng)入口速度為2 m/s時(shí)，油水摻混比較嚴(yán)重，雖然已形成油核心，但無(wú)法保證一段時(shí)間的穩(wěn)定輸送；當(dāng)入口速度為4 m/s時(shí)，稠油核心流動(dòng)比較明顯，水環(huán)輸送的初始形態(tài)已經(jīng)形成；當(dāng)入口速度增大到6 m/s時(shí)， 水環(huán)-稠油核心流動(dòng)穩(wěn)定性加強(qiáng)，但是出現(xiàn)了偏心現(xiàn)象，出現(xiàn)偏心的原因除了油水密度的差異外，裝置的不對(duì)稱性和入口速度也有較大影響，隨著入口速度的增大，偏心現(xiàn)象加重，油品最終接觸到管壁，水環(huán)連續(xù)性遭到破壞，最終管壁出現(xiàn)附著稠油，水環(huán)輸送被破壞。 因此，選擇裝置入口速度4 m/s為宜。

圖5 A型裝置不同入口速度下x=0平面水相分布圖

3 旋流裝置低黏液環(huán)的穩(wěn)定措施

3.1 改變內(nèi)壁面親水性

同一種固體表面，潤(rùn)濕性較好的流體會(huì)驅(qū)逐另一種潤(rùn)濕性較差的流體。 而在輸送過(guò)程中，由于油相不是固定的在核心流動(dòng)，當(dāng)油品的黏度降低、包裹水環(huán)發(fā)生劇烈紊流或受到擾動(dòng)時(shí)，油相將可能會(huì)分散出油顆粒，而這些顆粒中徑向速度較大的會(huì)沖出水環(huán)到達(dá)管壁。 管壁的材質(zhì)往往是親油疏水的鋼鐵材料，隨著稠油的輸送，以上情況不斷發(fā)生， 管壁上不斷附著油滴或油顆粒，即使水沖洗掉這些附著油，也會(huì)留下痕跡，隨時(shí)間的積累，集聚的油品會(huì)越來(lái)越多，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性被破壞。

因此，可以把管壁換成親水性材料，或在管道輸送前通入一系列潤(rùn)滑劑形成水溶液對(duì)管壁進(jìn)行親水化處理，當(dāng)水環(huán)浸潤(rùn)管壁后，油相即使在劇烈擾動(dòng)后沖出水環(huán)也不能附著于管壁或管壁的親水性也會(huì)決定著水相很快會(huì)沖洗掉油相。

3.2 添加聚丙烯酰胺（PAM）溶液

實(shí)驗(yàn)研究在低黏液環(huán)輸送高黏原油時(shí)，加入聚丙烯酰胺溶液可以起到對(duì)液環(huán)的穩(wěn)定作用。 設(shè)計(jì)在水溶液中加入200 ppm（1 ppm=10-6）的聚丙烯酰胺溶液，來(lái)觀察這種高分子聚物對(duì)水環(huán)減阻和穩(wěn)定性的影響。 通過(guò)與不增添PAM高分子添加劑的水環(huán)輸送對(duì)比，發(fā)現(xiàn)增加聚丙烯酰胺稀溶液的壓力損耗要比對(duì)照組減小50%， 主要原因是油水界面的摻混引起乳化被抑制，水環(huán)發(fā)生湍流擾動(dòng)的可能性降低，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩組實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)阻力為同一數(shù)量級(jí)，因此可以得出：添加聚丙烯酰胺溶液的主要作用是降低油核心發(fā)生偏心的概率和抑制油水界面波，從而達(dá)到增加水環(huán)輸送的穩(wěn)定性的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在螺旋葉片式旋流裝置中，流體隨螺旋流動(dòng)的進(jìn)行，壓力逐漸降低，切向速度沿徑向逐漸增大，動(dòng)壓頭增加，兩相在此過(guò)程中分離，形成水以環(huán)狀形式在四周流動(dòng)，高黏原油在管道中心流動(dòng)的水環(huán)輸送形式。

對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)、 能夠互成對(duì)照的旋流裝置進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示單純的螺旋運(yùn)動(dòng)能夠保證油水分離，但增加了油水界面的擾動(dòng)，穩(wěn)定性不能得到較好地維持，同時(shí)發(fā)現(xiàn)螺旋圈數(shù)的適當(dāng)增加會(huì)增加壓力損失但也使得切向速度增加，保證了油水分離效果和穩(wěn)定性；對(duì)旋流段出口后段進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)存在偏心現(xiàn)象，認(rèn)為裝置的不對(duì)稱性也是導(dǎo)致油相偏心運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要原因。 若管壁未經(jīng)任何處理，一旦發(fā)生偏心現(xiàn)象，黏油便會(huì)附著管壁， 并隨著時(shí)間的積累和旋流引起的界面擾動(dòng)，附著現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最終會(huì)使水環(huán)穩(wěn)定性遭到破壞。 因此需改善管道內(nèi)壁的親水化措施，并在油水分離后的管段加入聚丙烯酰胺溶液抑制油水界面波，防止油水摻混。