0 引言

聚合物驱主要是通过增加水相黏度，降低水油流度比，从而扩大注入水在油层中的波及体积来提高采收率^[1-2]。聚合物驱在陆上油田得到了广泛应用，已成为提高油藏采收率中成熟的三次采油技术。2003年，中国海洋石油总公司首次在渤海油田开展了聚合物驱单井注入试验^[3]，取得了良好的试验效果。随着海上油田开发的进行，聚合物驱技术必将在海上油田大规模推广应用。

聚合物溶液注入前，需将已配置的高浓度聚合物母液与高压水进行混合形成目标液，然后通过注聚泵注入地层。聚合物溶液属于非牛顿流体^[4]，溶液具有较高的黏度，若在注入前混合不当，其驱替将受到很大的影响^[5]。静态混合器因能耗较低，混合性能较好，被广泛应用于油田聚合物驱过程^[6-8]。目前，陆上油田高浓度聚合物母液与高压水的混合采用“三通+静态混合器”的混合方式，即母液和水在三通中预混后再进入静态混合器进行混合。为了保证母液和水的混合效果，陆上油田静态混合器的出口端到注入井井口往往设置几百米甚至几千米的管道供母液和水进一步混合，从而使聚合物目标液达到注入要求^[9]。

海上平台高浓度聚合物母液和高压水的混合方式同陆上油田一样，由于海上平台其空间和承重有限^[10-11]，静态混合器出口到井口仅存在几十米的管道供母液和水混合。为了提高母液和水的混合效果，本文设计了一种由过水分配板、导水铜管和过聚分配板组成的分流型预混器，通过分流型预混器将高浓度聚合物母液和高压水的“一对一”混合调整为“多对多”混合，增加高浓度聚合物母液和高压水的混合接触面积，加速两者的混合。笔者采用数值模拟的方法对分流型预混器内流体的流速分布及混合效果进行了分析，并将模拟结果与现场测试数据进行了对比验证。

1 分流型预混器结构设计 1.1 结构

为了提高高浓度聚合物母液和高压水的混合效率，设计出一种分流型预混器。该分流型预混器主要由高压水入口、T形结构主体、过水分配板、聚合物母液入口、导水铜管、过聚分配板及预混器出口组成，具体结构如图 1所示。

1.2 工作原理

分流型预混器的核心结构由过水分配板、导水铜管和过聚分配板组成，导水铜管一端镶嵌在过水分配板上，另一端与过聚分配板配合形成高效混合单元(见图 2)。高效混合单元中导水铜管内过高压水，过聚分配板与导水铜管配合形成的环空过高浓度聚合物母液。高浓度聚合物母液和高压水通过混合单元后形成母液环抱着水的混合接触方式，整个分流型预混器共有91个这样的高效混合单元，将现场普通三通管道内高浓聚合物母液与高压水的“一对一”混合调整为“多对多”混合，增加了水聚混合接触面积，提高了两者的混合效果。预混器内部结构没有突起或者锋利的棱角，尽可能地减少了混合元件对聚合物分子链的机械剪切。

1.3 主要技术参数

根据现场作业要求，分流型预混器整体耐压25 MPa，其他技术参数如表 1所示。

2 分流型预混器流场数值模拟 2.1 物理模型

建立数学模型之前，需要建立其物理模型。由于混合区内部结构较复杂，需考虑分流型预混器内流体对混合效果的影响，所以建立了三维整体模型。对现场三通和分流型预混器进行了模拟，为了研究方便并有效地分析混合效果，将模型延长0.60 m后再进行网格细化。图 3为现场三通和分流型预混器的物理模型。

分流型预混器和现场三通的网格划分方法类似，不同区域采用不同的网格尺度。首先使混合单元等重点区域表面生成尺寸较小、质量较高的面网格，再使管壁周围流场生成尺寸较大的四面体非结构网格，最后采用ICEM进行网格划分。经过网格无关性验证之后，选取计算较快的网格方案。

2.2 计算模型及求解方法

Mixture多相流模型是一种简化的双流体模型，基于短空间上局部平衡的假定来求解混合相的动量方程、连续性方程以及第二相的体积分数、滑移速度和漂移速度。采用Mixture模型，设高压水相为主相，高浓度聚合物母液相为第二相，且无相间滑移速度^[12]。Mixture模型连续性方程为：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ_m是混合相密度，kg/m³；v_m是混合相平均速度，m/s；ρ_k是第k相密度，kg/m³；v_k是第k相平均速度，m/s；ø_k是第k相体积分数。

Mixture模型动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得，表示为：

(4)

(5)

式中：p是流体域边界元表面压力，Pa；g是重力加速度，m/s²；μ_m是混合相黏度，mPa·s；F是体积力，N；μ_k是第k相黏度，mPa·s。

第q相的体积分数方程为：

(6)

式中：v_q是第q相平均速度，m/s；ø_q是第k相体积分数；v_dr，q是第q相的相对速度，m/s。

湍流模型选择标准k-ε模型。在Fluent平台上，采用三维单精度分离解算器，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，体积分数方程采用QUICK格式，其余皆采用二阶迎风格式。使用残差作为迭代计算的监视器。

2.3 边界条件

基于加工要求选择入口为流量入口，且充满整个流道，出口处为压力出口，管壁设定无滑移。计算时为等温条件，入口流量根据实际生产要求选择高浓度聚合物母液流量Q₁=75 m³/d，高压水流量Q₂=325 m³/d，出口处压力为0，壁面处法向速度(v_n)等于切向速度(v_s)且都为0。

3 结果分析与讨论 3.1 速度云图

图 4为现场三通和分流型预混器内X截面的速度分布云图。从图 4可以看出：现场三通管道内下部流速明显高于上部流体的流速，说明其混合效果不理想；分流型预混器管道内的流体速度分布相对均匀，说明混合器内聚合物母液同高压水进行了充分混合，受黏滞力影响，壁面流速较慢。

现场三通管道上层为高浓度聚合物母液，其黏度高，流动阻力大导致其流速慢；管道下层为高压水，其黏度低，流动阻力小导致其沿着管道下部高速流动；管道中部聚合物母液和高压水接触混合使得流速相对较缓。分流型预混器管道内流体流速分布均匀，因为分流型预混器内的过水分配和过聚分配板对母液和水进行了分流，形成多个聚包水的高效混合单元，母液和水实现了高效混合，避免了低黏度的水和高黏度的聚合物在管道内的分层，使得管道内两股流体均匀流动。

3.2 混合效果

衡量分流型预混器功效的最重要指标就是其混合效果，可以通过分析分流型预混器管道内聚合物的体积分数来判断其混合效果。

图 5为现场三通和分流型预混器管道内X截面聚合物的体积分数分布情况。由图 5可以看出：总长度为0.60 m的三通通道内上部主要为高浓度聚合物母液，下部为高压水，整个管道内高浓度聚合物母液和高压水均未有效混合；而分流型预混器管道内高浓度聚合物母液和高压水在较短距离内产生了高效混合，没有出现高浓度聚合物聚集在一起的现象。

图 6为现场三通和分流型预混器管道内Z截面距出口不同距离聚合物的体积分数分布情况。由图 6可以看出：现场三通出口总长0.60 m管道内高浓度聚合物母液与高压水混合效果较差，存在明显的水聚界面，只有中间部分水聚实现混合；分流型预混器出口0.02 m处高浓度聚合物母液和高压水均匀分布在管柱内，存在水聚界面，还未有效混合；分流型预混器出口0.60 m处聚合物体积分数分布均匀，高浓度聚合物母液和高压水之间实现了高效混合。

分析认为：现场三通管道内高浓度聚合物母液和高压水直接混合，两者接触面积小，只有接触部分水聚实现混合，大部分的水和聚合物孤立地分布在管柱上、下两层；分流型预混器内部的分配板将聚合物母液和水均匀分成多股流体，避免了聚合物母液和水出现上、下分层流动；此外过聚分配板和导水铜管配合形成的高效混合单元内形成的聚包水环流结构增大了水聚接触面积，大大增强了水聚混合效果。

4 分流型预混器现场试验

根据室内模拟结果设计并加工出工业分流型预混器。2019年4月，将渤海A油田B平台B1井静态混合器前的三通更换为分流型预混器，组成“分流型预混器+静态混合器”的混合工艺，与平台上的B2井(“三通+静态混合器”的混合工艺)开展同条件下的对比试验，试验结果如图 7所示。

由图 7可知：采用“三通+静态混合器”的混合工艺混合时，井口聚合物目标液质量浓度在869~1 591 mg/L内波动，波动范围大；采用“分流型预混器+静态混合器”的混合工艺时，井口聚合物目标液质量浓度在1 094~1 269 mg/L内波动，波动范围小。这说明加装分流型预混器后井口聚合物目标液质量浓度波动幅度明显减小，高浓度聚合物母液和高压水混合效果较好。

对试验数据做进一步处理，用井口聚合物目标液质量浓度的不均匀度来评价高浓度聚合物母液和高压水的混合效果。样品的不均匀度ζ的计算式为：

(7)

式中：m为样品数量；μ_i为第i个样品的质量浓度，mg/L；μ为样品的平均质量浓度，mg/L。

将所测样品的质量浓度值带入式(7)进行计算，得到“三通+静态混合器”混合工艺井口聚合物目标液质量浓度的不均匀度为20.01%，“分流型预混器+静态混合器”混合工艺井口聚合物目标液质量浓度不均匀度为5.81%。由此可看出分流型预混器将高浓度聚合物母液和高压水的混合均匀度提高了14.29百分点。

5 结论

(1) 流场数值模拟结果表明，分流型预混器可在短距离(0.60 m)内实现高浓度聚合物母液和高压水的高效混合。

(2) 现场测试结果表明，海上平台静态混合器前加装分流型预混器后，高浓度聚合物母液和高压水的混合不均匀度小于6%，满足聚合物驱的配注要求。

(3) 设计的分流型预混器结构简单、安装方便，其可靠性和混合效果在海上平台测试中已被验证，其排量可根据客户需求定制。