鉆井液固控攪拌系統(tǒng)模擬優(yōu)化

胡兆文 柴曉玲 馬學強 岳建靈 何亞城 戰(zhàn)妍嬌

(山東科技大學機械電子工程學院)

石油鉆井工程中，鉆井液攪拌器是重要的固控設(shè)備之一，作用是對固控罐內(nèi)鉆井液進行混合，保證鉆井液中固相物質(zhì)最大限度地均勻分布[1]。查閱資料發(fā)現(xiàn)，實際鉆井工程中鉆井液的混合主要通過攪拌器的攪拌和泥漿槍的沖擊沉積作用來實現(xiàn)，攪拌器選型僅依據(jù)計算軸轉(zhuǎn)率確定。軸轉(zhuǎn)率只考慮固控罐的容積和攪拌器的排量，沒有考慮不同形式固控罐內(nèi)流場的特點。方形罐和圓弧罐內(nèi)的混合流場因為罐體形式的不同，固液混合效果也不同。固控罐大倉內(nèi)多臺攪拌器的轉(zhuǎn)向和小倉內(nèi)攪拌器的布置形式對混合效果影響較大。為減少固控罐內(nèi)的攪拌盲區(qū)、提高混合效果，針對目前固控罐單倉方形結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生攪拌盲區(qū)、不利于攪拌器混合和大倉多臺攪拌器(圖1)同時啟動時流場相互干擾問題，提出改變大倉攪拌器轉(zhuǎn)向、增加小倉擋板方法來提高固控罐內(nèi)固液混合效果，并利用流場模擬軟件進行數(shù)值模擬分析，以獲得攪拌流場的速度分布和固相濃度分布，從而為優(yōu)化鉆井液固控攪拌系統(tǒng)、改善固液混合效果提供技術(shù)支持[2]。

圖1 大倉多臺攪拌器常規(guī)布置

1 建立幾何模型

建立三維模型，其中大倉尺寸8 000 mm×2 800 mm×2 800 mm，單倉攪拌區(qū)域尺寸3 000 mm×2 800 mm×2 800 mm，槳葉直徑均為1 000 mm，采用斜葉式攪拌器，槳葉與豎直方向成60°夾角，攪拌器距罐低200 mm[3]；采用4塊擋板，分別位于單倉四角，擋板尺寸1 150 mm×300 mm×10 mm，擋板距隔倉間隙400 mm，在不考慮倉內(nèi)其他管道設(shè)備占用攪拌區(qū)域的前提下建立幾何模型?？紤]到計算成本，網(wǎng)格劃分均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，限制網(wǎng)格總數(shù)在30萬～50萬。有限元模型見圖2、圖3。

圖2 無擋板有限元模型

2 數(shù)值模擬過程

模擬過程設(shè)固液兩相流，主相為水，第二相為粒度0.1 mm的石英砂，密度2 650 kg/m3，攪拌器轉(zhuǎn)速58 r/min。固相初始狀態(tài)為距倉底部100 mm以下區(qū)域石英砂，體積分數(shù)為100%。攪拌器旋轉(zhuǎn)采用下壓流體方式，與實際運行中攪拌器轉(zhuǎn)向相符，充分混合后固相體積濃度3.57%。采用非穩(wěn)態(tài)流場進行計算，考慮重力影響。攪拌流場的混合效果主要受徑向流和軸向流影響，因此通過對比分析攪拌器旋轉(zhuǎn)30 s后兩種不同模型流場的攪拌區(qū)域徑向和軸向速度分布、固相濃度分布，驗證大倉改變攪拌器轉(zhuǎn)向和增加小倉擋板對固液混合效果的影響。

圖3 有擋板有限元模型

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 大固控倉模擬

分別在平行攪拌軸和垂直攪拌槳葉中心提取2個平面，30 s后同工況下，相同轉(zhuǎn)向和相反轉(zhuǎn)向的攪拌器所形成的固控罐速度矢量流場見圖4、圖5，固相濃度分布見圖6、圖7。

圖4 相同轉(zhuǎn)向速度矢量流場

圖5 相反轉(zhuǎn)向速度矢量流場

由圖4可以看出，當攪拌器下壓流體時，以罐底方向為視角，左右攪拌槳葉均為順時針旋轉(zhuǎn)。在固控倉兩端均形成小型的不對稱軸向旋流，左端旋流較大，不利于固相的交換。這是由于轉(zhuǎn)向相同時，兩攪拌器之間的徑向流動方向相反，流體在此處碰撞，能量相互抵消，流速降低，無法形成軸向流。圖5左端槳葉順時針旋轉(zhuǎn)，右端槳葉逆時針旋轉(zhuǎn)，在攪拌器左右兩端形成對稱的較大的上下旋流，兩攪拌器中間的流場徑向流明顯。

圖6 相同轉(zhuǎn)向時固控倉固相濃度分布

圖7 相反轉(zhuǎn)向時固控倉固相濃度分布

從圖6、圖7可以看出，固控倉的左端固相濃度較大，大部分區(qū)域固相濃度在5%左右，右端固相濃度較小，濃度在3%左右；轉(zhuǎn)向相反時，固控倉內(nèi)整體固相濃度在3%～4%，與設(shè)置的平均濃度3.57%接近。說明攪拌器轉(zhuǎn)向相反可以使固液兩相混合更加均勻，同時也與徑向流和軸向流速度矢量分布形成對應關(guān)系。

3.2 小固控倉模擬

3.2.1 速度分布

垂直于攪拌軸在攪拌器中心區(qū)域截取1個平面，觀察無擋板和有擋板兩種模型的小固控倉內(nèi)徑向速度矢量分布，結(jié)果分別見圖8、圖9，軸向速度分布分別見圖10、圖11。

圖8 無檔板徑向速度分布

由圖8可以看出，無擋板時小固控倉混合液徑向速度由攪拌槳葉附近向四周遞減擴散，速度分層明顯，受切向流影響較大，使攪拌器中間液位下降，形成攪拌器中心區(qū)域的低凹的漩渦，漩渦處容易混入空氣，影響鉆井液質(zhì)量。在隔倉的4個角區(qū)域產(chǎn)生低速漩渦，容易堆積固相，壓縮槳葉產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流動區(qū)域，不利于固液混合。

圖9 有擋板徑向速度分布

圖10 無擋板軸向速度分布

圖11 有擋板軸向速度分布

由圖9可以看出，在小固控倉內(nèi)增加擋板，槳葉附近最高速度4.02 m/s，槳葉帶動的高速流沖撞擋板時一部分產(chǎn)生回流，另一部分繞過擋板，在倉角流動，帶出倉角的介質(zhì)，有利于固液混合，同時擋板區(qū)域的旋流也增加了整個攪拌區(qū)域的旋轉(zhuǎn)流動區(qū)域。

由圖10、圖11可以看出，兩種模型均產(chǎn)生上下翻轉(zhuǎn)的軸向流，攪拌器下端的速度均比上端大，原因是最初固相物質(zhì)堆積在倉底，攪拌器采用下壓流場方式旋轉(zhuǎn)，起到增加固相流速的作用，縮短混合時間。無擋板時，槳葉下端的速度較小，容易造成固相堆積。有擋板時，從槳葉中心向倉壁形成較大速度的軸向流動，但在槳葉下端速度較低，軸向流動不明顯，屬攪拌盲區(qū)。

3.2.2 固相濃度分布

無擋板和有擋板兩種模型的小固控倉內(nèi)固相濃度分布分別見圖12、圖13。

圖12 無擋板固相濃度分布

圖13 有擋板固相濃度分布

由圖12、圖13可以看出，攪拌30 s后，兩種模型的槳葉中下部固相含量均達到最高，無擋板時最大固相體積濃度為30%，倉底固相濃度均在20%以上；有擋板時，槳葉底部最大固相濃度為11.8%，倉內(nèi)濃度在3.5%～4.7%，固液混合效果較好。此外，兩種模型中固相均沿倉壁向上擴散，在攪拌器下部形成一個凹形區(qū)域，這與攪拌器形成的軸向旋流對應，同時還可以看出攪拌槳葉的底部是兩種形式流場內(nèi)的攪拌盲區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)方形大固控倉設(shè)置相同轉(zhuǎn)向的多臺攪拌器，相鄰攪拌器之間的介質(zhì)流向相反，造成能量抵消，固控倉的左端固相濃度為5%，右端固相濃度為3%；轉(zhuǎn)向相反時，大固控倉內(nèi)固相濃度為3%～4%，固相分布均勻。

(2)方形小固控倉單臺攪拌器在固控倉的四角和攪拌槳葉的下端存在攪拌盲區(qū)，容易造成固相沉積，倉底固相濃度均在20%以上；增加擋板后，槳葉底部固相濃度低于11.8%，倉內(nèi)濃度在3.5%～4.7%，固液混合效果較好。

(3)方形大固控倉內(nèi)相鄰攪拌器轉(zhuǎn)向相反時可避免攪拌器之間的流動干擾；在方形小固控倉的攪拌器四周布置擋板，可有效減少死角攪拌盲區(qū)的固相沉積，有利于固液混合，提高鉆井液質(zhì)量。