聚合物驅(qū)攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

關(guān)天灝，許雪巖，唐 亮

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠太北作業(yè)區(qū)，黑龍江 大慶 163513）

聚合物驅(qū)攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

關(guān)天灝1，許雪巖1，唐 亮2

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠太北作業(yè)區(qū)，黑龍江 大慶 163513）

在聚合物和三次采用過程中，我們需要將聚合物母液和水進(jìn)行充分的混合，然后注入到地面中進(jìn)行驅(qū)油，目前在現(xiàn)場使用的攪拌器不混合效果不是很理想，所以我們需要研發(fā)出一種攪拌器來增強(qiáng)混合效果，以滿足三次采油和聚合物驅(qū)油的要求。在前人研究的基礎(chǔ)上對聚合物驅(qū)攪拌器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選用、設(shè)計(jì)、計(jì)算，并且通過三維模型仿真和數(shù)值模擬進(jìn)行分析裝置的可靠性、安全性、以及混合效果。給出了驅(qū)油的地面工藝流程、聚合物驅(qū)攪拌器的設(shè)計(jì)思路及其工作原理和構(gòu)造形態(tài)。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中采取了計(jì)算分析和仿真分析的方法來對聚合物驅(qū)攪拌器的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)。

聚合物驅(qū)；攪拌器；數(shù)值模擬；有限元分析

經(jīng)過第一、第二次驅(qū)油之后采用聚合物驅(qū)油可以大幅度的提升采油效率，但是驅(qū)油液的混合程度影響著聚合物驅(qū)油的效果，所以在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中我們需要設(shè)計(jì)出一種攪拌器來提升混合效果，為了驗(yàn)證其可靠性和混合效果，我們采取仿真技術(shù)對其進(jìn)行分析。

本文利用 solidworks 對聚合物驅(qū)攪拌器進(jìn)行了有限元分析，在理論符合條件的基礎(chǔ)上來驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的可靠性。

1 聚合物驅(qū)攪拌器模型建立

由于聚合物的母液的粘度大約在 50 mPa?s 左右，經(jīng)過研究選型，我們選取渦輪式攪拌器，由于液體的液面高度過高，在這里我們來設(shè)置多層槳葉來加強(qiáng)溶液的混合效果[1,2]。聚合物母液混合液從進(jìn)料口進(jìn)入攪拌容器內(nèi)，攪拌軸在電動機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動帶動攪拌器槳葉進(jìn)行轉(zhuǎn)動從而在槳葉的帶動下，攪拌器內(nèi)的流體會進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過足夠長的時(shí)間液體進(jìn)行充分混合，再從出料口流出進(jìn)入到熟化裝置中。圖1為攪拌器槳葉單元。

圖 1 聚合物驅(qū)攪拌器槳葉Fig.1 Polymer flooding agitator blades

對于攪拌器槳葉來說，當(dāng)聚合物母液進(jìn)入到攪拌器容器中時(shí)，流體在槳葉的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，槳葉為流體的旋轉(zhuǎn)提供了動力， 是流體在攪拌容器內(nèi)發(fā)生循環(huán)，是的溶液中的流體甚至是懸浮的顆粒能夠得到均勻的混合，而為了達(dá)到均勻混合這一目的我們需要通過強(qiáng)制對流、均需混合器件來實(shí)現(xiàn)，即攪拌器的內(nèi)部構(gòu)件。其中包括電機(jī)、減速器、支撐架、安裝貼板、軸封、聯(lián)軸器、攪拌軸、葉輪。其中攪拌器的類型、轉(zhuǎn)速以及尺寸對攪拌功率在總體流動和湍流脈動之間的分配都是有影響的。另外不同介質(zhì)粘度的攪拌是指流體在流動的時(shí)候?qū)~的阻抗能力。其次攪拌器的內(nèi)部構(gòu)件特別是葉輪等也是影響攪拌的重要因素。

2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分控制能建立對實(shí)體模型劃分網(wǎng)格所需要的各種參數(shù)，如單元形狀、中間節(jié)點(diǎn)位置、單元大小等。這一步是分析中最重要的因素，因?yàn)檫@個(gè)階段是確定生成的模型是否能滿足精度和經(jīng)濟(jì)分析的重要步驟。其網(wǎng)格圖 2 、圖 3 所示。

圖 2 網(wǎng)格參數(shù)圖Fig.2 Grid parameter map

圖 3 攪拌槳葉網(wǎng)格圖Fig.3 Stirring paddle grid graph

3 有限元分析

聚合物驅(qū)攪拌器的扇葉形狀屬于不規(guī)則形狀，所以我們對槳葉進(jìn)行整體實(shí)體建模，材料為 Q345B。對結(jié)果進(jìn)行處理分析的時(shí)候，分別得到槳葉位移、應(yīng)力分析和應(yīng)變圖，如圖 4、5所示，我們只需要檢驗(yàn)槳葉的最大應(yīng)力是否在所能承受的范圍內(nèi)和安全系數(shù)即可。攪拌器扇葉材料為 Q345B 焊接到扇葉板上，在扇葉的同側(cè)加載 500 N 的液體阻力，加載應(yīng)力如圖4所示。

圖 4 攪拌器槳葉應(yīng)力圖Fig.4 Agitator blade stress map

圖 5 攪拌器槳葉位移圖Fig.5 Agitator blade displacement map

最大應(yīng)力出現(xiàn)在扇葉靠近軸部分，為 54 MPa，取安全系數(shù) 1.5，小于 Q345B 許用應(yīng)力 230 MPa，符合強(qiáng)度要求。

4 結(jié)果分析

聚合物驅(qū)攪拌器屬于徑向流攪拌器，液體在槳葉之間產(chǎn)生高速的徑向流速，流動方向垂直于攪拌軸方向，在撞到攪拌容器筒壁后，會沿著徑向分成兩股流體，一股是向上的，一股向下的，最后回到槳葉處在循環(huán)流動。又由于槳葉的頁面具有非常強(qiáng)大的軸向流動，是向上循環(huán)的液體透過葉片縫隙流入到下循環(huán)液體中，屬于典型的軸徑混流攪拌器，混合效果非常好[3]。

圖 6 速度分布截面圖Fig.6 Sectional view of the velocity distribution

由圖6的軸截面的軸向速度分布圖可以看出，在聚合物驅(qū)攪拌器的下部有著明顯的徑向流動，即攪拌器在徑向上速度逐漸增大，這說明了聚合物驅(qū)攪攪拌器有著充分的攪拌速度，作為流體運(yùn)動的通道，最后以一個(gè)很大的速度排除流體[4]。湍流的粘度和長度都是在攪拌容器的上部較大，在低端較小，由于聚合物驅(qū)油對母液的粘度有一定的要求，所以我們在攪拌的同時(shí)應(yīng)該注意流體的粘度降解不要太大，由于底部的槳葉旋轉(zhuǎn)的作用，對流體發(fā)生了剪切的作用所以流體的粘度變低，從圖6可以看出粘度降低范圍在所允許的范圍之內(nèi)，符合聚合物驅(qū)油的要求[5]。

［ 1］ 胡 博 仲 ， 劉 恒 ， 李 林.聚 合 物 驅(qū) 采 油工 程 [M].石 油 工 業(yè) 出 版 社 ，1997:200-227.

［2］王偉，張書斌.利用三維 CAD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)攪拌器快速設(shè)計(jì)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,2 (9)：73-74.

［3］張林進(jìn)，葉旭初.攪拌器內(nèi)湍流場的 CFD 模擬研究[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,27 (2)：59-63.

［4］姜培正.過程流體機(jī)械[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］鐘麗，黃雄斌，賈志剛.用 CFD 研究攪拌器的功率曲線[M].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003, 30(5)：4-8.

Structure Design and Analysis of Polymer Flooding Agitator

GUAN Tian-hao1，XU Xue-yan1, TANG Liang2
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Daqing Oil Field Company No.5 Oil Production Plant, Heilongjiang Daqing 163513，China）

During polymer flooding, polymer mother liquor and water need be thoroughly mixed and then injected into the ground to carry out flooding, currently blenders used in the field have not good mixing effect, and so new blender need be developed to enhance the mixing effect in order to meet EOR polymer flooding requirements. In this paper, based on previous studies, selection, design and calculation of the polymer flooding agitator were discussed, and the reliability, security and mixing effect of the device were analyzed through a three-dimensional simulation analysis and numerical simulation. The ground flooding process was obtained as well as design ideas, principle and structural features of the polymer flooding agitator. The calculated analysis and simulation analysis were used to design the structure of the polymer flooding blender.

Polymer flooding; Agitator; Numerical simulation; Finite element analysis

TE 357

： A文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 1671-0460（2014）07-1245-02

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號：2012BAH28F03。

2014-05-09

杜永軍（1962-），男，黑龍江大慶人，教授，博士學(xué)位，研究方向：機(jī)電一體化。