张兵强

中国石油西气东输管道公司豫皖管理处，河南郑州 450000

0 引言

目前油田常用的破乳剂加注工艺有滴注工艺、引射注入工艺等，这些传统的加注工艺加注点多设置在管道三通位置，有些甚至直接从压力表接口注入。这些注入方式的共同点就是注入管道的破乳剂随原油乳状液流动，而目前国内多数原油存在黏度高、密度大等特性，在管道中流动均呈层流分布，这就造成了破乳剂和原油乳状液混合困难。如果不经过剧烈搅动或者泵等设备的剪切过程，破乳剂很难均匀到达油水界面膜，从而严重影响了原油破乳脱水效果，导致许多油田存在破乳剂加注量大、破乳效果差、破乳剂更换频繁等难题。

研究发现当破乳剂以逆流高压喷射方式注入时，可以弥补破乳短时间内混合不均匀的缺点，提高破乳效果。逆流高压喷射注入位置见图1。

图1 逆流高压喷射破乳剂加注工艺加注位置示意

1 注入点流场模拟研究

本文以FLUENT为模拟平台，采用SST k-ω湍流模型，对逆流高压喷射和普通破乳剂加注方式进行数值模拟，首先建立逆流注入和普通注入的几何模型，然后对其进行网格划分，最后设定边界条件对其流场进行仿真计算。

1.1 GAMBIT模型建立及网格划分

本文建模的主管道直径100mm，长度1 200mm；注入管道直径20mm，长度300mm，利用GAMBIT对两种加注方式建立几何模型，见图2。

图2 两种加注方式几何模型及网格划分

CFD计算对计算网格有特殊要求，一是必须考虑到近壁的黏性效应，因而采用较密的贴体网格；二是网格的疏密程度应与流场参数的变化梯度大体一致。本文网格划分采用Tgrid法，该方法适合复杂的工程结构，生成四面体和金字塔网格，Tgrid法生成网格过程不需要用户干预，可以划分出网格密度变化很大的网格。并用GAMBIT软件对管道进出口方向进行定性，然后输出后缀为.m sh文件以供在FLUENT中进行模拟计算。

1.2 FLUENT模拟结果分析

本文以某油田原油乳状液（密度0.934 1 t/m3）和WDP-1破乳剂（密度0.902 3 t/m3）为流动介质，主要控制两个进口的流速，根据现场数据将乳状液流速设定为2m/s，根据压力、速度换算关系将破乳剂注入速度设定为6m/s，控制方程采用SST k-ξ湍流模型，采用FLUENT对常规注入方式和逆流高压喷射注入方式进行流场模拟，主要分析流场内液体粒子分布规律、混合后两种介质速度场及流线分布情况。由于建立的是三维模型，为了能够清楚地展现管道内部破乳剂和乳状液的混合情况，在FLUENT中设置观察平面X=0，该平面能清楚观察两种介质混合时的流场，流线分布情况。模拟结果见图3、4。

图3 常规破乳剂注入流场分布情况

图4 逆流高压喷射破乳剂注入流场分布情况

从图3（a）可以看出，常规破乳剂加注方式，乳状液流线和破乳剂流线几乎呈平行分布。图3（b）和（c）则表明，常规破乳剂加注方式的速度场分布均匀，混合物颗粒呈分层状态，破乳剂和乳状液混合程度较低，不利于破乳剂均匀分布到乳化膜表面，因此该加注方式不适合在短距离的站场加注破乳剂。

从图4（a）可以看出，逆流高压注入的破乳剂对管道内部流场影响较大，破乳剂和乳状液速度矢量交汇处流线发生变化，形成湍流漩涡。从图4（b）可以看出，速度交汇处出现了0速度点，根据伯努利方程可知该点速度减小压力必然增加，从而形成了虚拟的驻点，驻点附近可以形成剧烈的湍流漩涡，有利于乳状液和破乳剂在驻点漩涡附近快速混合后继续流动。图4（c）的混合物粒子标识号（Particle ID）流线图表明，经过湍流漩涡搅动后，两种介质混合相对均匀，有利于破乳剂分散到乳状液水滴表面，替换原油中天然乳化剂，降低乳化膜强度，使分散的小水滴聚结沉降。

2 喷嘴类型选择

逆流高压喷射加注工艺注入点弯管出口的形状对破乳剂雾化效果影响巨大，所谓的雾化就是在高压能量的作用下，液体被破碎成微小颗粒的物理过程。破乳剂加注过程中雾化程度越高越有利于破乳剂均匀分布到油水界面，提高破乳效果，同时也可以降低破乳剂的用量，节约生产成本。

为了选择雾化效果更好的喷管类型，本文对渐缩式喷管和缩放式喷管进行了模拟研究。渐缩式喷管尺寸为φ20mm×10mm，φ20mm×5mm；缩放式喷管尺寸为φ20mm×10mm×20mm。通过模拟渐缩和缩放喷管在加注破乳剂时对管道内部流场的影响，而后根据流线分布情况以及速度场分布情况，选择合适的喷管类型。φ20mm×10mm和φ20mm×10mm×20mm喷管的模拟结果见图5。

图5 两种类型喷管紊流能量云图

对比图5（a）、（b） 可知，渐缩喷管和缩放喷管在最小直径相同的情况下，渐缩喷管引起的紊流强度达136m2/s2，而缩放喷管产生的紊流强度只有40.6m2/s2，模拟结果表明同等条件下渐缩喷管产生的紊流强度远大于缩放喷管。图6（a）、（b）则表明渐缩喷管形成的锥形喷雾头几乎布满整个管道，而缩放喷管形成的锥形喷雾头仅仅在管道中心位置。综上所述，渐缩喷管对破乳剂的雾化效果更好，因此本文选择渐缩喷管加注破乳剂。

图6 液体颗粒标识号流线分布

为了进一步确定渐缩喷管收缩比例对破乳剂注入效果的影响，本文对不同收缩比例的渐缩喷管进行了对比实验，模拟实验结果见图5（a）、图6（b）和图7。

图7 φ20mm×5mm渐缩喷管模拟结果

对比图5（a）和图7（a）可知，渐缩喷管出口直径越小，形成的紊流能量越大，出口直径从10mm减小到5mm时，紊流强度从136m2/s2增加到了150m2/s2，增加幅度有限，同时随着收缩比例增加，加注位置对加注泵的压力要求也不断提高。对比图6（a）和图7（b）可知，渐缩喷管出口直径越小形成的紊流漩涡越大，在不考虑经济性情况下，这是理想的变化趋势，但是收缩比例过大可导致液流对喷嘴冲蚀磨损过大，喷嘴更换频繁，同时对加注泵性能要求更高，最终导致加注成本急剧增加。因此综合破乳剂分布效果和经济性，建议选择渐缩喷管收缩出口直径在5～10mm之间，不宜过小。

3 加注点模块化设计

由于逆流高压喷射加注方式的特殊性，其加注位置必须进行专门设计加工以满足加高压逆流喷射工艺的需求，现对其详细加工尺寸进行三维构造，采用的两个方案见图8。

图8 破乳剂加注点三维构造示意

方案一：注入点装置采用整体铸造技术一次成型，在主管道两端焊接DN100mm法兰片，采用法兰连接集输管道，喷嘴和注入管道采用螺纹连接。

方案二：适合于口径较大管道，采用和主管道等径三通在三通上焊接对应法兰，并在法兰盲板上开孔焊接加注喷管，该加注装置具有成本低，维修方便等优点。

4 结论

本文提出了一种全新的逆流高压喷射破乳剂注入方式，并利用FLUENT软件以某油井乳状液和WDP-1破乳剂为流动介质，对常规注入方式和逆流高压喷射注入方式进行了模拟，结果表明逆流高压喷射破乳剂加注方式在主管道中形成的紊流漩涡加剧了破乳剂和乳状液混合，有利于破乳剂分散到乳化膜表面，破坏乳状液的稳定性，加快水滴聚结沉降。同时对加注喷管类型进行了选择，模拟了不同类型喷管对破乳剂和乳状液混合流场分布的影响，模拟结果表明，采用渐缩喷管加注破乳剂效果优于缩放式喷管，并确定了喷管出口直径宜控制在5～10mm之间。

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