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新型三次采油用静态混合器组合的性能研究张吕鸿董佳鑫周雪松2，姜斌1，3，张芳1（1.天津大学化工学院，天津300072；2.中国昆仑工程公司，北京100037；3.天津大学精馏技术国家工程研究中心，天津300072）程度上影响着采油效率。针对目前油田常用静态混合器能耗较高、混合效果不好等问题，开发了一种新型静态混合器组合。基于计算流体力学理论，通过数值模拟与。
SMX型静态混合器的混合单元为4片金属板条构成的“多X型”元件结构，其金属板条构成混合元件，其结构如所示。SMX型静态混合器内径为50mm，管内混合元件个数为10个，元件长径比为1.5，安装时，两相邻元件同样互相交错90.放置。
两段静态混合器的划分网格方法类似，不同区域采用不同的网格尺度，首先对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，再对管壁周围流场生成尺寸较大的四面体非结构网格。采用Gambit 2.3.16进行网格的划分，经过网格无关性验证之后，选取计算较快的网格方案。为Kenics型与SMX型静态混合器的网格，其网格总数为130x104，f1如其中Kenics型静态混合器采用结构型网格，网格数为3xl4，SMX型静态混合器采用非结构型网格，网格数为1x104. 2.2控制方程在聚合物驱油过程中，流体流经静态混合器组合时，处于层流状态，流动过程遵守质量守恒定律和动量守恒定律，在数学上具体体现为连续性方程和动量方程，其表达式为⑴~式⑷即为Navier-Stokes方程（N-S方程），它是以速度分量和压力表示的流体运动方程。N-S方程是现代流体力学的主干方程，几乎所有流体流动问题的研究工作都是以N-S方程为基础的。
2.3边界条件及求解方法进口采用速度人口条件，并假定在人口面上均匀流动，需要设定人口速度。出口采用自由流出口条件。
对于黏性流体，一般采用黏附条件，即认为壁面处流体速度与壁面处的速度相同。近壁区采用标准壁面函数，对于壁面设定为无滑移、无渗透。
本研究使用有限体积法对聚合物流体混合流场数学模型进行离散，对流项采用二阶上迎风格式进行离散。与一阶离散格式相比，二阶上迎风离散格式的计算精度有很大的提高。对离散后方程组进行求解时，由于压力梯度是以源项的形式出现在动量方程中，而压力本身没有控制方程，这就导致速度-压力关联问题的产生。为了解决这个问题，本研究中的压力-速度关联采用压力修正方法（SIMPLE方法），这种方法先依次求解各个方向的速度场，然后利用质量守恒方程使假定的压力场随迭代的不断进行而得到改进。本文使用Fluent14.0三维解算器对模型进行求解。
2.4物性参数本文考察的聚合物溶液即超高分子质量部分水解聚丙烯酰胺溶液（HPAM），其相对分子质量为2.5x107，质量浓度为5溶液经过计量泵的输送进人到聚合物储罐当中。当，压力降不是很大，且下降幅度均匀，无不良区域。
当聚合物流体流量增大，或水与聚合物溶液的流量比例增加时，流体流经静态混合器组合的压降也随之增大，如所示，当水与聚合物溶液的流量比固定时，随着流量的不断增加，溶液通过混合器组合两端的压降也不断增加，这是由于流量增加后，液相在静态混合器组合内的流动效果更加剧烈，混合器组合的内部单元对流体的阻滞作用更强，从而造成压降增大；在相同流量下，当水与聚合物溶液的流量比增加时，流体也表现出了同样的现象。
4.2混合效果分析衡量静态混合器功效的*重要指标就是混合器的混合效果，因此本文研究的重点是探讨不同流量下Kenics型与SMX型静态混合器组合的混合效果。
分别为聚合物溶液流经Kenics型与SMX型静态混合器时，混合器轴截面的浓度分布。由可以看出，流体在连续流经混合元件后，浓度差逐渐减小，在混合器出口处可以将两股流体混合均匀。
Kenics型与SMX型混合器内聚合物浓度分布为量化评估静态混合器的混合效果，这里引人不均匀度的概念。在混合器出口同一截面不同位置同时取样，得到其体积分数灼（i=1，2，3，），其算数平均值歹=/n，标准偏差艺（利用不均匀度系数/能表示出物料混合的均匀程度，当不均匀系数/=1°%~5%时，可认为被混物料已混合均匀。
而在静态混合器的混合。由图可知，在水与聚合物溶液在流量比保持不变时，随着注人流量的不断增加，水与聚合物溶液的混合不均匀度也逐渐增大。这是由于随着流量的增大，水相与聚合物溶液在混合器组合内的混合时间进一步缩短，同不同水与聚合物流量比下混合不均匀度随流量的变化关系5与油田三次采油常用静态混合器的性能对比为了进一步验证这种新型静态混合器组合的性能，本研究将该新型静态混合器组合同我国某油田三次采油厂所使用的两种静态混合器进行了对比，对比结果如表3所示。
如表3所示，在3种静态混合器具有相同混合单元数及长度的情况下，当通人质量浓度及流量相同的同种聚合物溶液时，K型静态混合器两端的压降*小，新型静态混合器组合的压降次之，X型混合器的压降*大，能耗*高。虽然静态混合器组合的压降略大于K型混合器，但仍远低于工业要求的压降*大值。对比3种静态混合器的混合性能，可以发现，新型混合器组合具有*小的混合不均度，X型静态混合器次之，K型混合器的混合不均度*高。同时，从表3中可以看出，组合型静态混合器的降解率小于工业要求的5%，对聚合物的机械剪切降解作用较弱。因此，本文提出的静态混合器组合效果较好，对聚合物的机械降解作用较弱，较好地保证了聚合物的黏弹性质，同时能耗较低。综合考虑能耗与混合效果，本研究提出的静态混合器组合具有较突出的优点，非常适合用于三次采油用聚合物等高黏流体的混合过程。
静态混合器类型混合单元数混合器长度/mm聚合物质量浓度/（mg聚合物相对分子质量体积流量/压降/kPa混合不均匀度/%降解率/ K型X型Kenics型与SMX型组合6结论本文结合计算流体力学的方法研究了一种可用于混合高黏弹性聚合物的新型静态混合器组合。通过数值模拟与实验测试，并将模拟结果与实验值及工业数据进行有效对比，得出以下结论。
随着流体流量的增加，流体在静态混合器组合内的流动效果更加剧烈，混合器组合的内部单元对流体的阻滞作用更强，流体流经静态混合器组合的压降也随之增大，但仍能保持在合理范围，并未超过工业要求。
随着聚合物溶液与水的流量的增加，水相与聚合物溶液在混合器组合内的混合时间进一步缩短，同时液相在混合器内运动更加剧烈，甚至造成部分返混，从而造成混合不均度有所上升，但混合不均度仍能保持在5%以内，该混合器组合仍然具有良好的混合效果。
本研究将数值模拟结果同实验值进行了对比，结果表明，数值模拟结果与实验值拟合较好，偏差较小，模拟结果较准确。另外，本研究将本文提出的静态混合器组合同某油田三次采油站所使用的两种静态混合器进行了性能对比。对比发现，本静态混合器组合的混合性能较好，对聚合物的机械剪切降解作用较弱，同时能耗较低，非常适合用于油田采出水与聚合物溶液的混合过程。
