分流式摻稀混配器的研制及性能試驗(yàn)

任向海，朱蓮花，張 園，彭振華，丁 雯

(1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊 830011)

塔河油田碳酸鹽巖油藏以重質(zhì)油為主，兼有輕、中質(zhì)油和少量凝析油，屬于典型的高黏、高凝、重質(zhì)油藏，地質(zhì)儲(chǔ)量十分豐富[1]。稠油在地層條件下具有較好的流動(dòng)性，但是進(jìn)入井筒后在沿井筒向上流動(dòng)過程中，隨著溫度降低，黏度升高，流動(dòng)性變差，易導(dǎo)致油井無法投產(chǎn)或維持正常生產(chǎn)[2]。摻稀降黏是稠油開采的一種方式，將稀油從油套環(huán)空注入，到達(dá)摻稀點(diǎn)后與稠油混合并進(jìn)入油管，達(dá)到降黏目的。目前，塔河油田普遍采用“尾管/篩管摻稀法”進(jìn)行摻稀降黏，即從套管摻入稀油，稀油與稠油一起從尾管口或者篩管同時(shí)進(jìn)入抽油泵，但該方法屬于自然混合，由于稀油與稠油的混合不均勻，降黏效果差，并且不能保證稠油和稀油按一定比例進(jìn)入井筒，易形成段塞流，造成抽油泵故障等問題。目前，一般在吸入口增加攪拌裝置來提高稀油和稠油的混合均勻程度，但是不能保證稀油和稠油的摻混比例。因此，有必要研發(fā)新型摻稀混配器，以提高稀油與稠油的混合均勻程度，保證稀油和稠油按比例進(jìn)入泵筒，降低油管內(nèi)段形成段塞流的概率，提高稠油井的生產(chǎn)效率。

筆者分析了現(xiàn)有摻稀混配工具的工作原理，發(fā)現(xiàn)目前摻稀混配工具的缺陷是在同一個(gè)入口同時(shí)吸入稀油和稠油，無法保證稀油和稠油以固定的比例吸入。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種分流式摻稀混配器，并借鑒前人評(píng)價(jià)混配效果的模型，利用數(shù)值模擬方法分析了分流式摻稀混配器吸入口直徑、孔眼層數(shù)、開孔角度對(duì)混配效果的影響，確定了分流式摻稀混配器的最佳參數(shù)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了混配器的性能。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

分流式摻稀混配器由上接頭、下接頭、本體、稀油吸入口和稠油入口組成，如圖1所示。稠油和稀油的黏度不同，其進(jìn)入孔道產(chǎn)生的阻力也不同。分流式摻稀混配器利用該原理把稠油通道和稀油通道分開設(shè)置，在圓柱形管體上按照一定的吸入口直徑、層數(shù)和開孔角度，形成稀油通道，將油管設(shè)置為稠油入口，以保證稠油和稀油的混合比例。

圖1 分流式摻稀混配器的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the shunting dilute mixer

正常生產(chǎn)時(shí)，抽油泵產(chǎn)生抽汲壓力，當(dāng)稠油黏度一定時(shí)，分流式摻稀混配器分別通過稀油吸入口和稠油入口按比例吸入稀油和稠油，吸入的稠油流經(jīng)稀油時(shí)與稀油混合(見圖2)，在上升過程中形成混合均勻的原油，順利入泵。

圖2 分流式摻稀混配器工作原理示意Fig.2 Schematic of operating principle of the shunting dilute mixer

分流式摻稀混配器將稀油吸入口和稠油入口分開設(shè)置，減少了稀油和稠油吸入過程中的相互干擾。當(dāng)稠油黏度增大時(shí)，由于其流動(dòng)阻力增大，稠油流入量減小，稀油吸入量增大，實(shí)現(xiàn)稠油和稀油吸入量的智能調(diào)整，降低了摻稀生產(chǎn)過程中稠油單獨(dú)進(jìn)入泵筒堵塞油管的概率。該混配器利用稀油射流的動(dòng)能沖擊稠油進(jìn)行摻混，能量利用率高，對(duì)壓力降影響小。 同時(shí)，稀油集中在油管管壁附近，削弱了稠油對(duì)管壁的附著力，能夠降低因附壁效應(yīng)形成稠油段塞的概率。

分流式摻稀混配器安裝在抽油泵下端(見圖3)，混配器下端安裝一定長(zhǎng)度的尾管，尾管下端設(shè)計(jì)成喇叭口。生產(chǎn)過程中稀油從稀油吸入口吸入，稠油通過底部的尾管吸入，稠油和稀油在混配器內(nèi)混合。按照稠油和稀油最佳的混合比，根據(jù)稠油和稀油的阻力設(shè)計(jì)稀油和稠油吸入口的面積，以保證稀油和稠油按一定比例混合，使稀油和稠油入泵前混合均勻。

圖3 分流式摻稀混配器管柱結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of pipe string structure of the shunting dilute mixer

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

分流式摻稀混配器是一種靜態(tài)稠油摻稀混配工具，其結(jié)構(gòu)參數(shù)影響稀油和稠油的混合效果，因此，利用數(shù)值模擬方法分析稀油吸入口直徑、孔眼層數(shù)和開孔角度對(duì)混合效果的影響，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化分流式摻稀混配器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。分析混配器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)稀油和稠油混合效果的影響時(shí)，將文獻(xiàn)[3]中的“不均勻度系數(shù)”作為評(píng)價(jià)稠油和稀油混合效果的指標(biāo)。

考慮到稀油與稠油混合油中稀油與稠油的體積比很難測(cè)量，而混合油的黏度與稀油的體積分?jǐn)?shù)有一定的關(guān)系[4-5]，因此通過測(cè)量混合油的黏度評(píng)價(jià)稠油與稀油混合的不均勻度。稀油與稠油在油井同一水平面混合后的最大黏度和最小黏度的差越小，說明混合效果越好。當(dāng)不均勻度系數(shù)為0.01～0.05時(shí)，可以認(rèn)為混配器的摻混效果良好。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

在高溫狀態(tài)下，稠油流動(dòng)往往表現(xiàn)為牛頓流體。稠油與稀油的混合流動(dòng)符合多相流動(dòng)規(guī)律，將稠油設(shè)為第1相，稀油設(shè)為第2相。作為對(duì)κ-ε模型和RNG模型的補(bǔ)充，F(xiàn)luent軟件提供了一種帶旋流修正的κ-ε模型，即Realizableκ-ε模型。由于Realizableκ-ε模型滿足的數(shù)學(xué)約束，和湍流的物理模型是一致的。因此，采用Realizableκ-ε模型求解稠油和稀油摻混時(shí)的湍流問題。

在井下高溫條件下，稠油呈可流動(dòng)的液態(tài)，稠油與稀油的混合可以視為一種伴隨著相間質(zhì)量傳遞的液-液擴(kuò)散過程?？紤]相間傳質(zhì)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的影響，將分子擴(kuò)散和對(duì)流傳遞與“渦流擴(kuò)散”結(jié)合起來，在稠油和稀油的多相流模型中加入Levich漩渦擴(kuò)散模型，控制摻稀時(shí)稠油和稀油的互溶過程[6]。

2.3 稀油吸入口直徑對(duì)混合效果的影響

分流式摻稀混配器稀油吸入口直徑對(duì)摻稀效果的影響較大：一方面它能夠控制射流能量的利用率，另一方面它能夠控制稀油體積分?jǐn)?shù)。模擬計(jì)算稀油吸入口直徑分別為4，5，6，7和8 mm時(shí)的稀油體積分?jǐn)?shù)和不均勻度系數(shù)，結(jié)果見圖4。

圖4 吸入口直徑與稀油體積分?jǐn)?shù)和不均勻度系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the aperture diamet and thin oil volume fraction and non-uniformity coefficient

由圖4可知：在外部壓差不變的情況下，稀油和稠油混合不均勻度系數(shù)與稀油吸入口直徑呈二次函數(shù)關(guān)系，直徑為6.0 mm時(shí)，不均勻度系數(shù)最大，因此，在設(shè)計(jì)混配器時(shí)建議稀油吸入口直徑避開該區(qū)間；稀油體積分?jǐn)?shù)隨著稀油吸入口直徑增大呈線性增大。

2.4 稀油吸入口分布對(duì)混合效果的影響

在稀油吸入口直徑確定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)摻入稀油總量越多，稀油射入稠油的深度越深，稀油與稠油的混配效果也就越好，因此確定射流區(qū)域稀油吸入口層數(shù)與射流深度乘積最大時(shí)的層數(shù)為混配器的稀油吸入口最佳層數(shù)。模擬了稀油吸入口沿混配器軸線方向不同排布層數(shù)時(shí)的射流深度，結(jié)果見圖5。

圖5 吸入口層數(shù)與射流深度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the aperture tapping layer numbers and jet depth

由圖5可知，射流深度隨稀油吸入口層數(shù)增加呈對(duì)數(shù)形式減弱，吸入口層數(shù)與射流深度的乘積在稀油吸入口為4層排布時(shí)達(dá)到最大，因此確定混配器吸入口沿混合器軸線4層排布時(shí)為最佳排布。

2.5 稀油吸入口開孔角度對(duì)混合效果的影響

開孔角度是稀油吸入口與水平面之間的夾角，是影響稀油和稠油混合均勻程度的一項(xiàng)重要參數(shù)，因此優(yōu)化稀油吸入口的開孔角度是提高摻稀混配效果的一個(gè)途徑。在0°～50°之間取7個(gè)開孔角度，模擬計(jì)算不同開孔角度下的不均勻度系數(shù)，結(jié)果見圖6。

圖6 不均勻度系數(shù)與吸入口開孔角度的關(guān)系Fig.6 Relationship between non-uniformity coefficient and the pore tapping angle

從圖6可以看出，隨著開孔角度增大，不均勻度系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，開孔角度在30°～35°時(shí)不均勻度系數(shù)較小。因此,開孔角度在30°～35°時(shí)，同等條件下可獲得較好的摻稀混配效果。為使分流式摻稀混配器獲得較低的不均勻度系數(shù)，同時(shí)維持較大的稀油體積分?jǐn)?shù)，稀油吸入口直徑選8.0 mm，吸入口沿混配器軸線4層排布，開孔角度選33°。

3 性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證分流式摻稀混配器的混配效果，分別用黏度1 120.0和1.2 mPa·s的原油代替稠油和稀油，利用圖7所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行室內(nèi)混配試驗(yàn)。為了便于觀察稀油與稠油的混合程度，用不同直徑的透明塑料管代替油管和套管。試驗(yàn)中油管徑向上的稀油與稠油混合的不均勻度無法直觀測(cè)量，但由文獻(xiàn)[3]中的評(píng)價(jià)方法可知，可以利用黏度來評(píng)價(jià)不均勻度，因此可以通過定點(diǎn)測(cè)量流體黏度來確定分布不均勻度系數(shù)。把2種不同黏度的試驗(yàn)用油按不同體積比混合測(cè)試其黏度，繪制混合油液黏度與稀油體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線(見圖8)，對(duì)其進(jìn)行擬合，得到混合油黏度與稀油體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系式：

圖7 試驗(yàn)裝置示意Fig.7 Schematic of test device

圖8 混合油中稀油體積分?jǐn)?shù)與黏度的擬合關(guān)系曲線Fig.8 Matching curve between the volume fraction of thin oil in the mixture and viscosity

φx=-0.141lnμ+0.927

(1)

式中：φx為稀油的體積分?jǐn)?shù)；μ為混合油的黏度，mPa·s。

試驗(yàn)開始前調(diào)節(jié)稠油液面高度,使其比稠油入口高約100 mm，讓稀油充滿剩余油套環(huán)空；打開閥門3開始試驗(yàn)，調(diào)節(jié)閥門1和2，使稀油和稠油穩(wěn)定摻入；在仿真油管的同一個(gè)截面上設(shè)置4個(gè)取樣點(diǎn)，待采樣點(diǎn)處混合油顏色穩(wěn)定后，從每個(gè)取樣點(diǎn)各取1個(gè)樣品(分別編號(hào)1#、2#、3#和4#)，測(cè)試其黏度，結(jié)果見表1。

通過對(duì)比4個(gè)采樣點(diǎn)的黏度，確定混配器的不均勻度系數(shù)，并利用式(1)計(jì)算出摻入稀油的體積分?jǐn)?shù)，從而計(jì)算出稀油與稠油的體積比，結(jié)果見表1。

表1 不同稀油與稠油體積比下的不均勻度系數(shù)

由表1可知，在不同稀油與稠油體積比條件下，4個(gè)取樣點(diǎn)的黏度差別很小，不均勻度系數(shù)較小，說明分流式摻稀混配器在不同摻稀比生產(chǎn)條件下都能獲得較好的混配效果。這表明將混配器稀油吸入口直徑設(shè)計(jì)為8.0 mm、分布層數(shù)設(shè)計(jì)為4層、開孔角度設(shè)計(jì)為33°合理可行。

4 結(jié) 論

1) 分流式摻稀混配器將稀油吸入口和稠油入口分開，降低了稠油的附壁能力和稠油與稀油吸入時(shí)的干擾，提高了稀油與稠油的混合均勻度。

2) 分流式摻稀混配器的不均勻度系數(shù)與稀油吸入口直徑呈二次函數(shù)關(guān)系，與稀油吸入口開孔角度呈二次函數(shù)關(guān)系。

3)通過數(shù)值模擬將分流式摻稀混配器稀油吸入口直徑、孔眼層數(shù)及開孔角度優(yōu)化為直徑8.0 mm、4層分布和開孔角度33°，此時(shí)可獲得最佳的混合均勻度。