石 油机械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２０１０年 第３８卷第８期 ．．设计计算 射流式水粉混合器数值模拟分析与结构优化 刘 敏 程心平 牛贵锋 摘要张成富 李孟超 吉 洋 （１．中海油能源发展股份有限公司采油技术服务分公司２．西南石油大学机电工程学院） 针对国内分散溶解装置存在的水粉混合工作性能不理想，无法使聚合物干粉与水充分 接触润湿等不足，采用ＣＦＤ程序中的欧拉两相流模型对射流式水粉混合器进行数值模拟，得到流 体压力分布云图和紊流强度云图，并在模拟的基础上对水嘴直径进行优化。模拟结果表明，混合 的紊流强度最大值出现在水嘴附近，水嘴出口直径１５ ｍｌＴｌ入口形式是一种较好的入口结构形式， 采用这种入口结构可以获得较大的紊流强度，从而获得较好的混合效果。 关键词 水粉混合器 分散溶解装置 聚合物 数值模拟 罐；另一种是射流式水粉混合，利用射流泵原理， ０ 引 言 目前，三次采油技术主要有热力驱油、化学驱 油和混相驱油等方法。聚合物驱油是化学驱油技术 之一，采用的聚合物有聚丙烯酰胺及其改性产品和 共聚物等，它们作为流度控制剂和调剖剂使用¨ ， 笔者所指的聚合物是聚丙烯酰胺。近年来，三次采 油设备一注聚合物装置在国内各油田得到普遍应 供水泵输出一定压力和流量的清水，经文丘里喷射 器时形成负压，吸人经计量下料器的粉剂混合润 湿，然后混合液以文丘里喷射器后端的放大压为动 力被送至熟化罐进一步熟化。 ｌ 射流式水粉混合器结构及原理 射流式水粉混合器利用射流泵原理，结构如图 １所示。射流水流速大时压力较低，在管中形成负 压，这样可以将聚合物粉吸人，减少了鼓风机和溶 解罐，且混合效果好。 用，并在油田的中后期开采中发挥着重要作用。聚 合物分散溶解装置是注聚合物装置中的主要设备， 其主要功能是完成聚合物粉剂的上料、储料、计量 下料、混合、初步溶解和混合液输出等 。分散溶 解装置要保证粉剂计量下料准确，供水精度误差小， 混合均匀，配液浓度稳定（浓度误差不超过±２％）， 不产生“鱼眼”等缺陷。目前，国内该装置存在水 粉混合器的工作性能不理想，无法使聚合物干粉与 水充分接触润湿等不足，必须连接一个混合罐，使 水粉充分接触润湿。供水系统控制方式、计量下料 水 器和混合器形式都将对配置聚合物溶液浓度产生影 响，是分散溶解装置中的技术关键。 图１ 射流式水粉混合器结构示意图 注聚系统中常用的水粉混合方式有２种：一种 是普通式水粉混合，通过鼓风机将聚合物粉吹人溶 解罐，供水泵输出一定压力和流量的清水，清水和 水粉混合器由壳体、进水管、干粉吸入管、分 散导管等组成。清水被水泵输进水粉混合器中，进 入干粉吸入管锥形管头与壳体锥形口形成的环状缝 聚合物粉在溶解罐中混合溶解，经搅拌后进人熟化 隙时，流速陡然增大，以扇面状喷射，形成负压将 基金项目：国家科技重大专项“海上稠油油田化学驱技术示范”（２００８ＺＸ０５０５７—０４）的部分研究内容。喷嘴可调式水粉混合头已获 国家专利，专利号：ＣＮ ２０１２００８７０Ｙ。 ２０１０年第３８卷第８期 刘敏等：射流式水粉混合器数值模拟分析与结构优化 ～３５一 干粉吸人。水粉在混合室快速混合并开始溶解，经 分散导管进入静态混合器。通过调整环状缝隙的大 小可以使水流具有足够的能量将干粉打散，避免干 粉结块产生水包粉现象，提高混合效果，而且形成 的负压既提供干粉输送的动力，又增加干粉与水的 接触面积，确保充分润湿溶解。 射流式水粉混合装置与常规（风送）水粉混 合装置相比，省去了鼓风机、溶解罐、搅拌机、螺 杆泵等，大大简化了母液配置环节，缩短了工艺流 程，减少了工程投资。自行设计制造的高压水射流 器可使干粉与水在动态中混合均匀，有效地避免了 聚合物凝结成团和“鱼眼”超标等问题。自动控 制系统可实现聚合物母液配制全过程的自动控制， 整套装置具有体积小、质量轻、结构简单、流程紧 凑、价格适宜、安装方便及自动化程度高等特点。 ２ 射流式水粉混合器计算模型建立 ２．１ 模型选择 模拟水粉两相混合时，选择ＣＦＤ程序中的欧 拉（Ｅｕｌｅｒｉａｎ）两相流模型 。，该模型可以用来模 拟多相流及相互作用物质的相态，相态可以是液 体、气体和固体。湍流模型使用修正的，ｃ— 模型。 控制紊流流动的基本方程组可以用式（１）来 表示。 ｆ】 ：（ｐ（ ）＋ｄｉｖ（ｐｕ４，）＝ｄｉＶ（Ｆｇｒａｄ４，）＋ｓ（１） 其中， 表示因变量，如Ｕ， ，Ｗ，Ｐ，Ｋ， 等，厂和Ｓ分别表示对应于（ｂ的坐标变换系数和源 项。紊流流动控制方程组有以下特点：①封闭性， 即未知量数目等于独立的微分方程的数目；②非线 性，即存在未知量和它们的导数的非一次项；③耦 合性，即各个方程不相互独立，因变量交错地存在 于各个方程中；④形式相同，即各个方程都可以表 示成通用方程。 基本方程的特征性决定了它的求解方法，封闭 性表示方程组可解；非线性和耦合性表明了方程的 复杂性，它决定了一般情况下基本方程不能用解析 的方法去求解，只能用数值的方法求解，不能直接 求解；方程的形式相同表明，可以探索建立求解的 通用程序 。 ２．２数值模拟计算的基本思路 采用数值方法求解流体力学基本方程时，一般 面临的是有强烈非线性的偏微分方程组，数值求解 较为复杂。首先要对时均的Ⅳ一ｓ方程进行离散化， 离散时把方程的压力梯度归并到源项中，压力本身 是未知量，没有控制方程，它与速度的关系隐含在 连续性方程中，需要与速度一起加以求解，如果压 力场是正确的，则据此压力场解的速度必须满足连 续性方程。但一般对于给定的压力场，求得的速度 场未必能满足连续性方程，即质量守恒的要求，必 须对给定的压力场加以修正，这就成了速度和压力 的耦合问题。解决该问题通常采用的方法是压力校 正法，即把由定量方程的离散形式所规定的压力和 速度的关系式代人连续性方程的离散形式，从而得 出压力的修正方程。 笔者利用ＣＦＤ程序进行模拟计算。该程序使 用基于有限体积剖分的Ｓｉｍｌｐｌｅ类算法 Ｊ。采用程 序中的Ｇａｍｂｉｔ模块控制由体积网格划分器所生成 的单元网格，即生成三角形单元面网格，见图２。 图２射流式水粉混合器模型网格 在每个网格控制体内对各控制方程进行积 分 ，控制方程组的每一个守恒方程都可写成相 同的方程形式，即对流项：扩散项＋源项，按照 Ｓｉｍｐｌｅ类算法，可写成统一的标量形式，而后对其 中的对流项和扩散项采用混合差分格式，对源项做 线性化处理，可得到对任一体积单元，计算点Ｐ 上的任一物理量 的方程的一般离散形式为： Ｐ Ｐ＝ Ｅ ＋ ＋ （ ＋ ５ ｓ＋ ￡＋ （ ＋ｂ （２） 其中， 、ｂ为系数，下标Ｐ表示计算点，Ｅ、 、 Ｎ、Ｓ、Ｌ、Ｈ分别为其相邻的东、西、北、南、 上、下点。然后，对离散后的差分方程采用压力校 正方程校正速度的Ｓｉｍｐｌｅ算法进行求解 Ｊ。 ３ 计算结果分析与结构优化 ３．１边界条件 根据设计方案，建立射流式水粉混合器模型。 该装置有２个人口，进水口和进粉口，模型左边人 口为进水口，通过一定压力和速度的清水，经过一 个水嘴，产生负压，负压吸附上部进粉口的聚合物 粉末进人腔内充分混合，最后流出进人熟化罐。 边界条件的合理确定对数值计算的成败至关重 一３６一 石 油机械 ２０１０年第３８卷第８期 要。水粉混合器两相内流场的边界条件有以下几种。 （１）输入边界条件。输入边界条件对水粉混 合器ＣＦＤ数值模拟结果有较大影响，它包含了计 算所需要的信息，主要有：①介质组成成分和相关 物性参数；②介质进入方式，包括各成分体积分 数、速度大小；③各成分的温度；④介质进入时的 湍流状况描述。 （２）输出边界条件。将水粉混合器进粉口和混 合后出口均设定为与大气相连，即相对压力为０。 （３）水粉混合器器壁。设定所有的器壁为静 止不动。 ３．２计算分析与结构优化 射流式水粉混合头进水流量６０ ｍ’／ｈ，聚合物 的下人量为５００ ｋｇ／ｈ，密度与水大致相等，通过改 变水嘴出口直径（１５～３０ ｍｍ依次增加１ ｍｍ）计 算水粉混合头腔内的流场、流速、压力及紊流强度 等。计算时采用Ｋ一 模型和欧拉两相流模型。 冰＼越骥鹾 ３．２．１ 水嘴出口直径１５ ｍｍ水粉混合器 １ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ 计算条件：①水嘴出口直径１５ ｍｍ；②进粉口 ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ ｅ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ＋＋＋＋＋＋３ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２流量５００ ｋｗｈ；③进水口流量６０ Ｉｌｌ ／ｈ；④出口压 力０ ＭＰａ。 图３为水粉混合器内压力分布云图。从图可以 看出，随着液体从入口向水嘴流动，压力逐渐减 小，在水嘴处突变。从数值模拟结果还可以看出， 水嘴后半部分产生负压，压力变化幅度较大，有利 于混合过程的进行，压力梯度保持了一定的高值， 为水粉的进一步混合提供了条件。 压力分布云图 强度云图。从图可知， 图４水粉混合器紊流强度云图 水粉混合器紊流强度在水嘴附近较大，即能量 损失较大区，这与压力梯度分布云图反映的情况相 同。另外，两者在充分发展的混合区段近似均匀分 布。这种分布规律与上文所分析的压力分布一致， 在定性上具有一定的合理性。 从图５可知，聚合物粉相最大紊流强度为 ９．８７，最小紊流强度为０．０６３。依此可计算出，水 嘴出口直径为１５ ｍｍ的水粉混合器中水相最大速 度为１０７ ｍ／ｓ，在进粉口处产生１．２ ＭＰａ的负压， 从而充分吸附聚合物粉末，并混合均匀，聚合物粉 相最大速度为８５．７ ｍ／ｓ。 ２ １ Ｏ Ｏ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ 水粉混合器横截面位置／ｍｍ ｅ ｅ ｅ ｅ ＋＋＋＋ ２ ２ ０ ｅ ＋６２一 石 油机械 ２０１０年第３８卷第８期 考虑钻井和完井过程造成井筒附近产层的污染，对 比，其工艺简单、安全可靠，不需要其他大型辅助 本次射孔措施进行优化，采用可控负压ＳｂＴＬ配套深 设备，减少了施工成本。 穿透射孔弹技术，射开石炭系地层５ ０８０～５ ０８７ ｍ （２）可控负压射孔技术对于油气井均有很好 与５ １５３～５ １５６ １ＴＩ、５ １６２～５ １６７．５ ｍ合采后，初期 的增产效果，持别是对于气井，采用可控负压射孔 日产油９７ ｔ，不含水。自喷生产至２００９年７月见水， 后增产效果非常显著，具有较好的推广应用前景。 见水时油压９ ＭＰａ，套压１０．９ ＭＰａ，日产液８７．８ ｔ， 日产油２０．９ ｔ，含水质量分数７６．２％。截至２００９年 参考文献 １０月初，该井石炭系累计产液６．６９×１０ ｔ，产油 ［１］ 冯跃平，潘迎德，黄友梅．射孔对产层的损害机理 ５．２７×１０ ｔ，产水０．４３ Ｘ１０ ｔ。 及评价标准［Ｊ］．天然气工业，１９９１，ｌ１（６）：５７ 该井成功应用可控负压射孔技术，射孔过程不 —６Ｏ． 但没产生二次污染，还通过深穿透射孔解除了井筒 ［２］ 张绍槐，罗平亚．保护储集层技术［Ｍ］．北京： 附近钻井和完井造成的污染，提高了渗透率，射孔 石油工业出版社，１９９３：２８５—２９８． 后该井获得了较高的日产量，这充分证明可控负压 射孔技术比常规射孔更具优越性。 第一作者简介：唐玉成，工程师，生于１９７５年，１９９８ 年毕业于大庆石油学院采油工程专业，现从事机械采油工 ５ 结 论 艺研究工作。地址：（４５７１７２）河南省濮阳县。电话：（０３９３） ４８５１７０９。 （１）可控负压射孔技术是一项射孔完井的新 收稿日期：２０１０—０５—１１ 工艺，与其他要完成同一地质工程要求的工艺相 （本文编辑刘锋） （上接第３６页） ［２］ 于新哉，李淑玲，乔学武，等．聚合物分散溶解装 ４ 结 论 置的特点及应用［Ｊ］．石油机械，２００３，３１（４）： ４１—４４． （１）根据水粉混合器工作时内部流体的特点 周永，吴应湘，郑之初，等．油水分离技术之一 直管和螺旋管的数值模拟［Ｊ］．水动力学研究与进 和计算流体力学理论，以修正的，ｃ— 模型为基础， 展Ａ辑，２００４，１９（４）：５４０—５４６． 按照流体流动情况给出水粉混合器网格形式，根据 ［４］ 李振国．除油型水力旋流分离器内部流场的数值计 试验和现场实际操作情况确定模型的边界条件。 算［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００２． （２）对水粉混合器做了分析，利用数值模拟 ［５］ Ｖａｎｄｏｏｒｍａｉｌ Ｊ Ｐ．Ｒａｉｔｈｂｙ Ｇ Ｄ．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ 计算模拟了水粉混合器的内部流场，得到了流体压 ＳＩＭＰＬＥ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗｓ 力分布云图和紊流强度云图。从理论分析和模拟结 ｆ Ｊ ｆ．Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９８４（７）：１４７—１６３． 果可知，混合的紊流强度最大值出现在水嘴附近。 ［６］ Ｗｏｌｂｅｒｔ Ｄ，Ａｕｒｅｌｌｅ Ｙ．Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ— （３）对水嘴出口不同直径的射流式水粉混合 ｌｉｑｕｉｄ ｈｙｄｒｏｃｙｅｌｏｎｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｒａｊｅｅｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａ Ｉ Ｃｈ Ｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９５，４１（６）：１３９５—１４０２． 器的混合效果进行了比较分析，结果表明，水嘴出 口直径１５ ｍｉｌ１人口形式是一种较好的人口结构形 式，采用这种人口结构可以获得较大的紊流强度， 第一作者简介：刘敏，女，高级工程师，生于１９７１ 从而获得较好的混合效果。 年，１９９３年毕业于西南石油学院矿机专业，现从事海上油 参考文献 田采油工艺及配套工具的开发工作。地址：（３００４５２）天津市 塘沽区。电话：（０２２）２５８０８６０２。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕｍｉｎ２＠ｃｎｏ— ［１］ 王健，郑焰，冯玉军，等．新型缔合聚合物驱 ｏｅ．ｃｏｉｎ．ｃｎ。 油剂性能评价［Ｊ］．油田化学，１９９９，１６（２）： 收稿日期：２０１０—０３—２５ １４９—１５２． （本文编辑王刚庆）
