随动式动态混合器掺稀混合性能研究

李悦欣，赵春立，张玉柱，何跃，杨双春

随动式动态混合器掺稀混合性能研究

李悦欣1，赵春立1，张玉柱1，何跃2，杨双春1

（1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油集团西部钻探井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000）

针对稠油掺稀过程中原混合器混合效果不佳的问题，选择满面式螺旋叶片作为混合元件，增加动力叶轮，以增强叶片对流体的剪切能力和转动频率。基于CFD仿真软件，对影响动态混合器混合效果的叶片螺距和动力叶轮两参数进行数值模拟分析，并以管内稀油体积分布情况作为评价标准，研究混合过程中混合元件几何结构的变化对混合器性能的影响规律。结果表明，叶片螺距过小将阻碍流体在管内流动，导致混合速率降低，过大则会产生流体前窜现象；动力叶轮过少则会降低元件转动频率，过多则会阻碍流体向前流动。最后将优化后的新型随动式动态混合器与原混合器混合性能进行对比，新型随动式动态混合器内稀油体积分布更为均匀，能够更好地增强稠油掺稀混合效果，有利于稠油资源的开采。

稠油掺稀； 动态混合器； 数值模拟； 螺旋叶片

在稠油掺稀过程中，混合器的混合性能对混合油的质量以及开采效率有重要影响。随着稠油资源开发的不断深入，掺稀过程中稠油上返、井口黏度波动大、混合不均匀等问题频繁发生[1⁃3]，严重时导致抽油杆柱断裂，损害油田的经济效益。近年来，稠油开采过程中原油黏度的升高以及钻进深度的增加对掺稀混合器的性能提出了更高的要求。目前混合器分为静态混合器和动态混合器两类。由于静态混合器内部元件为静止状态，混合过程中对流体的剪切力极小，难以混合高黏度流体，管内流体极易发生堵塞，影响稠油的开采效率和采出程度。随动式动态混合器对高黏度流体具有极强的分散混合能力，且流体在管内不易发生堵塞[4⁃6]，目前在稠油掺稀混合的实际应用中占据主导地位。

研究表明，混合器内混合元件的几何结构参数对其混合性能有重要影响。王宗勇等[7]对不同叶片宽度比下同心双螺旋静态混合器的混合性能进行研究，结果表明在低雷诺数下，不同叶片宽度比为2/3时，混合效果相较于传统单螺旋结构的静态混合器提升约28%。龚斌等[8]研究了混合元件数对混合器内速度分布和湍动性能的影响，结果表明当混合元件达到一定数量后，继续增加原件数量无法进一步提高流体的湍动程度。张吕鸿等[9]采用SMX型静态混合器与Kenics型静态混合器组合的形式，对其混合过程进行研究，结果表明混合过程中易出现压降增大和部分返混现象，但混合不均匀度仍能保持在5%以内。王峰等[10]对随动式动态混合器转子间隔排布对混合性能的影响进行了研究，结果表明转子间隔排布对混合性能及压力特性均产生较大影响。刘娇[11]对比了不同排列方式、不同偏心程度叶片对混合性能的影响，相较于单一转子，多种转子组合排列具有更好的混合效果，同时偏心距离的增加能够有效减小阻力损失。靳永红[12]对混合器叶轮叶片数和倾角进行了优选，提高了稠油和稀油的混合效果。静态混合器混合过程流体能量损失大，混合效率低，不利于高黏度稠油的混合，而随动式动态混合器无需外加动力即可获得较高的混合效率，同时混合元件对流体的剪切捏合能力强，适用于高黏度稠油的混合。

本文基于CFD仿真软件，对原随动式动态混合器[13]的混合过程进行数值模拟，针对混合过程中出现的混合不连续问题，选用满面式螺旋叶片作为内部混合元件增强管内流体混合的连续性，以稀油体积分布情况为评价指标，针对影响流体剪切能力的螺距和叶轮转动频率的动力叶轮片数进行优化，研究混合过程中混合元件几何结构的变化对混合器性能的影响规律，为随动式动态混合器相关的结构设计和优化提供参考。

1 混合器工作原理

当前在稠油掺稀工艺的应用中，掺稀位置可分为泵上掺稀、泵内掺稀和泵下掺稀三种[14⁃15]。泵下掺稀时混合器置于抽油泵下方（见图1），上冲程过程抽油杆加载带动活塞向上运动，抽油泵内压力下降，进行吸油，此时环空掺入稀油和地层采出的稠油一同进入混合器后再进入抽油泵，完成泵内吸液。稀油和稠油流入混合器后充分混合，混合油黏度降低，此举增强了稠油在油管内的流动性。下冲程过程抽油杆卸载带动活塞向下运动，泵内压力升高停止吸油，此时混合器内不再进入流体，泵内油转入活塞以上油管，完成排液。泵下掺稀有效地解决了由于地层原油黏度过高造成的原油进泵困难和产量低的问题。由于塔河油田稠油黏度高，因此选用泵下掺稀的方式对稠油进行开采。

图1　泵下掺稀示意

随动式动态混合器是应用于稠油油藏掺稀降黏过程的混合设备，其工作原理为：依靠稠油和稀油自身流动能量冲击混合器内部活动元件，元件发生运动并反作用于待混合流体，对流体产生极强的剪切捏合作用，达到良好的分散和混合效果[16]。在稠油掺稀过程中，两相流体的流动均受到重力作用，且模拟流场内流体分布的规律尚不明确，因此流体混合符合混合模型的流动规律。

稠油掺稀混合模型的连续性方程为：

其中，

动量方程可表示为：

第二相（稀油）的体积分数方程表示为：

稠油与稀油在混合器内产生强制混合，两种流体均匀分布在混合器内，因此本文选用稀油体积分数作为混合效果的评价指标。

2 原动态混合器性能分析

2.1 参数设定

以塔河油田稠油掺稀数据为例，其日产油量约为72 m3，掺入稀油与生产稠油体积比为1∶1，混合器直径为50 mm，稠油与稀油各项参数如表1所示。

表1　稠油与稀油各项参数

2.2 模型的建立

原动态混合器是一种叶轮自动旋转的稠油降黏设备。稠油与稀油对混合叶轮产生冲击，使其产生转动，在叶轮的作用下稠油与稀油分散混合，该装置能够解决井筒流动介质压降较多的问题，原混合元件结构如图2所示。根据原动态混合器建造几何模型（见图3），混合器直径50.00 mm，稠油入口直径34.34 mm，混合长度460 mm。

图2　原混合元件结构

将几何模型导入CFD仿真软件，设置混合圆管固定，并对其进行进出口相关设置，设置螺旋叶片方向无法平移但可绕轴旋转，设置环境选项中的重力加速度为-9.8 m/s2，模型为多相流模型，两种流体分别为稠油和稀油，以稠油为第一相，稀油为第二相，按表1进行各项参数设置，在模型模拟部分设置合理的时间步长和模拟时间等参数。原动态混合器在混合过程中出现明显的分层情况，与文献[14]中模拟结果一致。

图3　原动态混合器结构

原动态混合器=420 mm截面处稀油体积分数分布情况如图4所示。由图4可知，2.2 s之前，原动态混合器=420 mm截面处没有出现稀油油相，2.2～10.0 s截面上稀油体积分数逐渐升高，直至混合均匀。10.0 s时刻，管内稀油体积分数分布情况如图5（a）所示，此时管内混合速率较低，混合不均匀，存在明显的分层情况。

图4　原动态混合器Z=420 mm截面处稀油体积分数分布情况

原动态混合器混合元件结构单一，叶轮在流体的冲击作用下转动频率较低，管内极易出现分层情况，混合均匀程度差，在实际生产过程中将会影响混合油的品质。针对以上问题，本文选择能够进行连续混合作用的满面式螺旋叶片作为混合元件，增强对流体的“剪切⁃捏合”能力，并增加动力叶轮，增强混合元件转动频率，提高混合速率，其结构如图6所示。

3 新型动态混合器

3.1 新型动态混合器结构

以满面式螺旋叶片为混合元件的新型随动式动态混合器结构，主要由混合圆管、动力叶轮、螺旋叶片等组成（见图7），具体结构参数如表2所示。满面式螺旋叶片环绕在中心轴上，转动时能够对流体起到连续的剪切和运输作用，减少流体流动过程中的能量损失，适用于流动性较差的高黏度流体的混合过程。环空注入的稀油和稠油分别通过各自入口进入混合圆管，动力叶轮和螺旋叶片同时固定在中心轴上，动力叶轮依靠流体的冲击产生转动并通过中心轴向搅拌叶轮传递扭矩，螺旋叶片在转动过程中对流体产生剪切分流作用，对稠油和稀油进行混合，最终混合油从出口流出。

图5　混油过程中稀油体积分数分布情况

图6　新型混合元件结构

图7　新型动态混合器结构

对叶片螺距为50 mm的新型混合器掺稀混合过程进行模拟。相同时间内，管内稀油体积分数分布情况如图5（b）所示，此时管内混合速率仍然较低，但管内稀油体积分数分布较为连续，不存在明显的分层情况。为了提高新型动态器的混合效率，下一步将影响流体剪切能力的螺距和影响叶轮转动频率的动力叶轮片数进行优化。

3.2 叶片螺距对混合效果的影响

为了分析叶片螺距对掺稀混合效果的影响，对管内稀油体积分数分布情况进行对比分析。在混合时间相同的情况下，螺距分别为30、40、50、60 mm的螺旋叶片在掺稀混合条件下稀油体积分数分布截面图如图8所示。

表2　新型动态混合器的结构尺寸

图8　不同螺距下管内的稀油体积分数分布情况

从图8可以看出，稀油由环形入口进入管内，在混合叶片的作用下与稠油分散混合，均匀混合区域不断增加。相同时间内，当叶片螺距为30 mm时，管内混合速率较低，出口处稀油含量较少，但不易产生稀油突进，保证了混合油的质量。当叶片螺距为40 mm时，管内稀油分散更为均匀，出口处稀油体积分数更趋近于0.5，此时两种流体混合效果最佳，且在混合过程中不易产生稀油突进等问题。当叶片螺距为50 mm或60 mm时，由于叶片间距较大，稀油在混合过程中容易发生聚集或前窜现象，无法充分混合，影响混合油的质量。

3.3 动力叶轮对混合效果的影响

为了分析动力叶轮对掺稀混合效果的影响，对管内稀油体积分数分布情况进行对比分析。在相同混合时间，且混合元件螺距均为40 mm时，叶轮数量分别为4、5、6、7的螺旋叶片在掺稀混合条件下稀油体积分数分布截面图如图9所示。从图9可以看出，当动力叶轮叶片数量为4或5时，不能有效带动混合元件转动，导致混合圆管中后部存在稀油体积分数分布不均匀的区域，且出口处稀油体积分数在0.25～0.40，影响混合油的质量。当叶片数为6时，出口处稀油体积分数更接近于0.5，圆管中后部混合均匀，稀油体积分数变化稳定。当叶片数为7时，动力叶轮的存在对流体的流动起到一定的阻碍作用，流体在叶轮前方产生聚集，影响混合速率。因此，当混合元件螺距为40 mm，动力叶轮叶片数量为6时，稀油体积分数分布更为均匀，混合油质量更好。

图9　不同叶片数下管内稀油体积分数分布情况

3.4 与原混合器混合效果对比分析

在相同的实验条件下，对混合元件螺距为40 mm，动力叶轮叶片数量为6的新型动态混合器与原动态混合器进行对比分析。原动态混合器和新型动态混合器同一时刻下管内稀油体积分数分布情况对比图和=420 mm截面处稀油体积分数分布曲线分别如图10、11所示，在相同混合时间内，原动态混合器管内稀油体积分数分布均匀程度较差，稀油体积分数在0.345～0.530变化，而新型动态混合器管内稀油体积分数分布更为均匀，稀油体积分数普遍保持在0.485～0.515。

图10　管内稀油体积分数分布情况对比

图11　Z=420 mm截面处稀油体积分数分布

4 结 论

本文对叶片螺距和动力叶轮对满面式螺旋叶片为混合元件的新型随动式动态混合器的混合性能的影响情况进行了数值模拟，并对其结构进行了优化分析，以稀油体积分数分布情况作为评价指标，得到以下结论：

（1）原动态混合器叶轮结构较为单一，存在混合速率较低，管内分层等情况，新型动态混合器采用满面式螺旋叶片作为混合元件并增加动力叶轮，能够增强混合元件转动频率，提高混合速率，有效解决管内分层问题。

（2）当叶片螺距较小时会阻碍流体在管内的流动，导致混合速率较低，若达到生产需求则需要更长的混合时间；当叶片螺距较大时，不能对待混合流体进行充分混合，流体容易发生聚集或前窜现象，影响产品的质量。

（3）动力叶轮过少会降低混合元件的转动频率，产生混合不均匀的现象；而动力叶轮过多则会阻碍待混合流体向前流动。

（4）当螺旋叶片螺距为40 mm，动力叶轮叶片数为6时，相较于原动态混合器，新型随动式动态混合器具有更好的混合效果，该结构有利于提高稠油资源的开采效率和采出程度，可解决稠油掺稀设备混合不均匀的问题，同时为随动式动态混合器相关的结构设计和优化提供参考。

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Study on Dilute Performance of Follow⁃Up Dynamic Mixer

Li Yuexin1， Zhao Chunli1， Zhang Yuzhu1， He Yue2， Yang Shuangchun1

（1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；2.CNPC West Drilling Downhole Operation Company， Kelamayi Xinjiang 834000，China）

Because of the ineffective dilution process of heavy oil of the primary mixers, the face type spiral blade was selected as the mixing element and the dynamic impeller was added as well, in order to enhance the shear capacity and rotation frequency of the blade. The two parameters of blade pitch and power impeller that effect the mixing effect of the dynamic mixer were numerically simulated and analyzed using the CFD simulation software. Taking the volume distribution of thin oil in the tube as the evaluation standard, the influence of geometric structure of the mixing element to performances of the mixer during the mixing process was studied. The results show that if the blade pitch is too small, it will hinder the flow of fluid in the tube causing the decrease of mixing rate, and if it is too large, it will cause the fluid forward channeling. Much fewer power impellers will reduce the frequency of component rotation, but much more ones will hinder the forward flow of fluid. Finally, the mixing performance of the novel optimized follow⁃up dynamic mixer was compared with the original mixer. The volume distribution of the thin oil in the new follow⁃up dynamic mixer is more uniform, which can greatly enhance the mixing effect of thick oil, and is also beneficial to the exploitation of heavy oil resources.

Heavy oil mixed with dilute； Dynamic mixer； Numerical simulation； Spiral blade

TE35

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2021.04.011

1006⁃396X（2021）04⁃0066⁃06

http://journal.lnpu.edu.cn

2021⁃01⁃29

2021⁃03⁃09

辽宁省2020年教育厅项目（L2020026）；中石油2017年度科技创新基金（2017D⁃5007⁃0201）。

李悦欣（1997⁃），女，硕士研究生，从事油气田开发工程方面研究；E⁃mail：295392990@qq.com。

赵春立（1982⁃），男，博士，讲师，从事提高采收率方面研究；E⁃mail：zhaochunli@lnpu.edu.cn。

（编辑 王戬丽）