稠油掺稀降粘开采时, 存在稠油与稀油混合不均匀的问题, 而混合器是目前掺稀降粘工艺中提高混合效果的主要工具。首先分析了掺稀降粘机理和混合机理, 因此, 要提高掺稀混合效果, 就需要在掺稀管柱中增加混合元件。针对目前存在的几种混合器, 根据有无自由旋转的叶轮分为静态混合器和动态混合器, 而静态混合器容易造成流道堵塞, 混合效果受流体流速影响较大等问题, 现有动态混合器存在旋转动力不足, 搅拌效果不好等问题。新型混合器设计有旋转动力叶轮和搅拌叶轮, 旋转动力叶轮在流体的冲击下旋转提供动力, 搅拌叶轮在旋转动力叶轮的带动下主动旋转。通过仿真对比分析发现, 从速度迹线和稀油体积分数分布曲线来看, 新型混合器比自动旋转动态混合器有更强的混合效果。

塔河油田稠油探明的稠油储量累计约7.8亿吨, 占全国稠油资源总储量的48.75%。油层原油粘度为 (24~46) m Pa.s, 地面原油粘度最高可达1800000m Pa.s (50℃) 。经过多年的试验、评价与淘汰, 塔河油田逐渐形成了以“掺稀降粘”为主的采油工艺[1]林日亿, 李兆敏, 王景瑞.塔河油田超深井井筒掺稀降粘技术研究[J].石油学报, 2006, 27 (3) :115-119. (Lin Ri-yi, Li Zhao-min, Wang Jing-rui.Technology of blending diluting oil in ultra-deep wellbore of Tahe Oilfield[J].Acta Petrolei Sinica, 2006, 27 (3) :115-119.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">[1]。但在应用掺稀降粘工艺采油时, 存在稠油与稀油混合不均匀的问题。为了提高掺稀混合效果, 塔河油田引进了井下混合器, 稠油掺稀井下混合器能在一定程度上提高了稠油与稀油的混合效果, 但由于研究还处于初步产品的试验阶段, 性能上还存在一定的局限[[2]李琴, 彭银华, 黄志强.电泵井采油注水一体化管柱研制与应用[J].石油矿场机械, 2013, 42 (7) :81-84. (Li Qin, Peng Yin-hua, Huang Zhi-qiang.Research and application of single electric pump well water injection-production integration technique[J].Oil Field Equipment, 2013, 42 (7) :81-84.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">2,[3]鄢宇杰, 李永寿, 邱小庆.塔河油田掺稀降黏技术研究及应用[J].石油地质与工程, 2012, 26 (6) :108-110. (Yan Yu-jie, Li Yong-shou, Qiu Xiao-qing.Research and application of blending diluting oil technology of tahe oilfield[J].Petroleum Geology and Engineering, 2012, 26 (6) :108-110.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">3,[4]闫少武.塔河油田特超稠油举升设备的技术改进与应用[J].油气田地面工程, 2011, 30 (9) :88-89. (Yan Shao-wu.Technology improvement and application of lifting equipment for super heavy oil in Tahe oilfield[J].Oil-Gasfield Surface Engineering, 2011, 30 (9) :88-89.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">4]。目前, 国内有关稠油掺稀井下混合器的研究较少[[5]李琴, 彭云, 黄志强.稠油掺稀井下动态混合器数值模拟研究[J].石油机械, 2014, 42 (4) :72-76. (Li Qin, Peng Yun, Huang Zhi-qiang.Numerical simulation study of heavy oil mixed with thin oil by dynamic mixer in downhole[J].China Petroleum Machinery, 2014, 42 (4) :72-76." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">5,[6]刘成文, 魏洪波, 李兆敏.旋流式混合器对油管掺稀降粘效果影响的数值模拟[J].科学技术与工程, 2012, 12 (16) :3848-3851. (Liu Cheng-wen, Wei Hong-bo, Li Zhao-min.Numerical simulation of the influence of swirl mixer on effect of blending dilute oil through oil tube[J].Science Technology and Engineering, 2012, 12 (16) :3848-3851.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">6], 主要集中在混合器的应用方面, 国外还没有相关方面的研究报导。在石油、化工、医药、食品等领域, 混合器被广泛用于混合、反应、分散、传质、乳化等, 都取得了良好的效果, 研究主要涉及结构设计与优化、混合效果影响因素分析和评价。由于混合器内部包含有混合元件, 致使混合器流道的流型非常复杂, 国内外学者主要采用CFD来研究混合器内流场特性[[7]O.Byrde, M.L.Sawley.Optimization of a Kenics static mixer for non-creeping flow conditions[J].Chemical Engineering Journal, 1999, 72 (2) :163-169." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">7,[8]Hobbs DM., Muzzio FJ., Swanson PD.Numerical characterization of low Reynolds number flow in the Kenics static mixer[J].Chemical Engineering Science, 1998, 53 (8) :1565-1584." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">8,[9]艾志久, 黄涛, 唐荣武.内置叶片型静态混合器结构优化研究[J].机械设计与制造, 2011 (3) :123-125. (Ai Zhi-jiu, Huang Tao, Tang Rong-wu.Study on optimized structure of built-in blade-type static mixer[J].Machinery Design&Manufacture, 2011 (3) :123-125.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">9,[10]Thakur R.K., Vial Ch., Nigam K.D.P..Static mixers in the process industries-A review, Trans IChem E, 2003, 81 (7) :787-826." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">10,[11]禹言芳, 王丰, 孟辉波.旋流静态混合器内瞬态流动特性研究进展[J].化工进展, 2013, 32 (2) :255-262. (Yu Yan-fang, Wang Feng, Meng Hui-bo.Research progress of the characteristics of instantaneous flow in static mixer with twisted-leaves[J].Chemical Industry and Engineering Progress, 2013, 32 (2) :255-262." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">11,[12]Cheng J C, Yang C, Mao Z S.CFD-PBE simulation of premixed continuous precipitation incorporating nucleation growth and aggregation in a stirred tank with multi-class method[J].Chem.Eng.Sci., 2012, 68 (1) :469-480." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">12]。经调研分析, 应用于稠油掺稀的井下混合器主要分为静态混合器与动态混合器。而静态混合器主要有:螺旋叶型静态混合器、虹吸式旋进旋涡混合器和喷射式高效混合器等。而动态混合器主要有:自动旋转动态混合器、自增压式井下混配器和井下高效混合器。从掺稀混合降粘机理出发, 对现有混合器的结构、混合机理和应用情况进行分析, 对比各种结构的优缺点, 设计一种新型的动态混合器, 达到提高掺稀混合效果的目的。2 掺稀降粘混合机理2.1 掺稀降粘机理塔河油田稠油的高粘度是由稠油中沥青质含量高引起的。其稠油胶质沥青质含量 (30~48) %, 其中沥青质含量 (22.2~40.4) %。沥青粒子间由于“氢键作用”形成了特殊的分子聚集体, 而稠油中重金属元素和杂原子形成的络合物又强化了分子间通过氢键形成的缔合作用。一般来说, 稠油中胶质和沥青质含量高, 稠油粘度相对大。根据相似相容原理, 在稠油中掺入稀油, 减少稠油中沥青的质量分数, 从而减少可溶沥青粒子相互缠结的程度, 达到降低原油粘度的目的[13]柳荣伟, 陈侠玲, 周宁.稠油降粘技术及降粘机理研究进展[J].精细石油化工进展, 2008, 9 (4) :20-25. (Liu Rong-wei, Chen Xia-ling, Zhou Ling.Study on Viscosity-reducing Techniques and Mechanisms for Viscous Crude Oils[J].Avances in Fine Petrochemicals, 2008, 9 (4) :20-25.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">[13]。因此掺稀效果的好坏取决于稠油和稀油混合程度的高低, 混合程度越高, 掺稀效果越好。2.2 混合器混合机理通常两种或多种液体之间通过分子扩散、对流和剪切三种作用来实现混合。对于高粘度低速流动的稠油和稀油而言, 分子扩散作用在稠油与稀油的混合中所表现的效果不够明显。对于无嵌入元件的混合器, 常规对流作用也不会有明显效果。湍流虽然可以加大高粘度组分的对流分布作用, 但稠油粘度过大时, 其流动往往处于结构流状态[[14]孔松涛, 雷宗明, 李嗣贵.动态钻井液混合器混合机理研究[J].石油机械, 2010, 38 (11) :8-10, 38. (Kong Song-tao, Lei Zong-ming, Li Si-gui.Research on the mixing mechanism of the dynamic drilling fluid mixer[J].China Petroleum Machinery, 2010, 38 (11) :8-10, 38.)" style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">14,[15]武道吉, 张永吉.湍流混合动力学机理研究[J].水科学进展, 2003, 14 (6) :706-709. (Wu Dao-ji, Zhang Yong-ji.Kinetics mechanism of rapid mixing in turbulence[J].Advances in Water Science, 2003, 14 (6) :706-709." style="padding: 0px; margin: 0px 2px; color: rgb(47, 139, 214); cursor: pointer; outline: none;">15]。因此, 要提高掺稀混合效果, 就需要在掺稀管柱中增加混合元件, 对流体进行剪切、拉伸和折叠等作用, 破坏流体的结构流状态, 并通过混合元件的搅拌作用, 在混合器内形成纵向涡旋, 利用稠油和稀油在混合器内的圆周运动来促进稠油与稀油之间的扩散。3 静态混合器所谓静态混合器, 即在混合器中不存在运动部件。静态混合器是利用管道内固定安装的各种异型叶片或模板, 形成特殊流道来改变流动介质的流动状态, 从而实现不同流动介质之间的良好分散与充分混合。3.1 螺旋叶型静态混合器螺旋叶型静态混合器结构, 如图1所示。主要元件为多段固定的板状螺旋叶片, 安装在壳体内, 相邻段的螺旋叶片分别为左旋和右旋。当流体介质进入混合器后, 螺旋叶片不断强制改变流体流向, 通过左旋叶片和右旋叶片使流体流向交替变换, 从而对流体产生不断的扰动, 使混合器内的流体介质进行不断的对流与扩散, 起到促进液体径向混合的作用。与此同时, 由于螺旋叶片的作用, 流体自身在一段叶片内还将产生一定的螺旋流动, 有利于液体介质之间的扩散, 从而形成更加完善的径向环流混合作用, 实现流体介质之间更加均匀的混合。