孔式環(huán)形射流粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建

李增亮， 馮 龍， 范夢(mèng)浩， 杜明超

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在油氣田開(kāi)采過(guò)程中，壓裂作業(yè)是最常見(jiàn)的增產(chǎn)方式，而壓裂液的混合效果是保證壓裂作業(yè)效率的重要因素之一。壓裂液是由一定比例的膠粉和基液混合而成的，其混合的均勻度和黏度是評(píng)價(jià)混合質(zhì)量的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[1]。為解決目前在壓裂液混配過(guò)程中混合時(shí)間長(zhǎng)、膠粉吸入量不足、有固體粉包團(tuán)產(chǎn)生以及黏度不可控等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研發(fā)出了一種新型孔式環(huán)形射流粉液混合器，該混合器采用環(huán)形射流原理，極大地提高了流量較小時(shí)環(huán)形噴嘴處的負(fù)壓值，保證了膠粉的吸入量，同時(shí)在粉末吸入管處設(shè)計(jì)吸出孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使粉末更好的吸出，有效地防止粉包團(tuán)的產(chǎn)生[2-3]。

由于孔式環(huán)形射流粉液混合器是針對(duì)油氣田壓裂混配而研發(fā)的新型設(shè)備，因此目前沒(méi)有適用于該混合器的性能測(cè)試和分析的實(shí)驗(yàn)裝置，從而難以對(duì)其性能參數(shù)以及可靠性等方面進(jìn)行評(píng)估。因此，本文在結(jié)合孔式環(huán)形射流粉液混合器樣機(jī)的基礎(chǔ)上，將其改為透明的可視性材料，研制模擬油氣井壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合器性能影響的定量評(píng)估以及優(yōu)化后的可行性分析。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

孔式環(huán)形射流粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由基液輸送部分、粉末輸送部分、粉液混合器、動(dòng)力裝置、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集部分等構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 基液輸送部分。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液相源為6 m3的水箱，在水箱上安裝有監(jiān)測(cè)液體流量的標(biāo)定箱以及水位測(cè)量?jī)x。

(2) 粉末輸送部分。主要由粉末輸送葉片、粉末儲(chǔ)存器、蝶閥以及控制器等構(gòu)成，通過(guò)控制輸送葉片的轉(zhuǎn)速而控制膠粉的輸送量，以保證混合后壓裂液的黏度。

(3) 粉液混合器。為了便于觀察和取樣，在滿足壓力的條件下將混合器部分重新加工為透明材料，同時(shí)將環(huán)形噴腔、喉管、擴(kuò)散管分段安裝，以保證在后續(xù)研究關(guān)鍵尺寸對(duì)混合器性能參數(shù)的影響時(shí)，可以方便的更換。

(4) 動(dòng)力裝置。7級(jí)臥式離心泵，壓力為1.94 MPa，流量36 m3/h。

(5) 控制系統(tǒng)。以變頻器來(lái)控制離心泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證壓力和流量的實(shí)驗(yàn)需要，粉末輸送控制器主要是控制膠粉的輸送量滿足黏度要求。

(6) 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集。包括流量測(cè)量、混合器進(jìn)出口壓力測(cè)量、真空度測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量、扭矩測(cè)量、溫度測(cè)量、高速攝像機(jī)系統(tǒng)等。

1-水箱； 2-壓力傳感器； 3-溫度傳感器； 4-粉液混合器； 5-粉末輸送裝置； 6-真空壓力傳感器； 7-變頻器控制箱； 8-試樣采集口；9-高速攝像系統(tǒng)； 10-蝶閥； 11-渦街流量計(jì)； 12-閘閥； 13-減壓閥； 14-離心泵； 15-扭矩傳感器

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理

該孔式環(huán)形射流粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)是研究射流湍動(dòng)擴(kuò)散作用傳遞能量和質(zhì)量的混合反應(yīng)以及測(cè)試混合器關(guān)鍵部分性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，混合器部分采用透明材料，可以直接觀察環(huán)形噴腔中固液兩相的混合情況[4]。

基液經(jīng)基液輸送管和環(huán)形噴腔加速后，射入混合腔，環(huán)形噴腔產(chǎn)生的壓降使得被吸固體粉末經(jīng)由粉末吸出管進(jìn)入混合腔，固液兩相由于黏性摩擦而產(chǎn)生卷吸，從而使兩相進(jìn)行混合并進(jìn)入喉管，通過(guò)紊動(dòng)擴(kuò)散作用將能量和動(dòng)量從基液轉(zhuǎn)移到被吸入的粉末上，此過(guò)程中壓力有所回升，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠很好的捕捉到壓力的變化，并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，對(duì)于研究混合器流量與壓力的變化關(guān)系至關(guān)重要。

如圖2所示，由于粉末吸出管末端采用孔狀結(jié)構(gòu)，防止大量膠粉同時(shí)被吸入，增加了混合液的均勻度。同時(shí)，各部分采用分段安裝，易于更換不同尺寸的喉管、擴(kuò)散管和噴嘴，可以方便進(jìn)行關(guān)鍵部件尺寸對(duì)混合器性能參數(shù)的影響的實(shí)驗(yàn)研究[5]。

圖2 混合器部分結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備了高速攝像機(jī)，可以研究膠體粉末在混合器中的流動(dòng)狀態(tài)以及流體中較大固體顆粒與液體的相對(duì)劃移速度對(duì)混合器性能的影響，為修正動(dòng)量方程提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔式環(huán)形射流粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要把實(shí)時(shí)測(cè)得的各種參數(shù)，如離心泵出口壓力、流量流體溫度、混合器噴口處負(fù)壓值、混合器進(jìn)出口壓力以及泵軸扭矩等物理量傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)曲線的繪制，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[6]。

根據(jù)需要采集參數(shù)選用四種類型的傳感器，采集系統(tǒng)示意圖如圖3所示，傳感器采集的數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)量(4～20 mA)，通過(guò)模擬量采集模塊，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字量的形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[7-8]。傳感器的各種參數(shù)如下：

(1) 基液流量檢測(cè)，型號(hào)選用TR縮徑渦街流量計(jì)，其精度較高，并且與被測(cè)流體間接接觸，保證了使用壽命。其主要參數(shù)如表1所示。

(2) 壓力傳感器采用壓阻式壓力變送器，用于測(cè)量混合器進(jìn)出口端壓力管路壓力。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用的不銹鋼隔離膜片的硅壓阻傳感器檢測(cè)放大電路安裝在接線盒內(nèi)，可以方便地對(duì)零點(diǎn)、滿量程進(jìn)行精確調(diào)校遷移等操作,同時(shí)具有較好的抗腐蝕性能和抗電磁干擾性[6]。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 粉液混合實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

表2 壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

(3) 真空壓力變送器為擴(kuò)散硅式，用于測(cè)量混合器環(huán)形噴腔的真空壓力值。主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 變送器技術(shù)參數(shù)

(4) 溫度傳感器選用SBWR/Z一體化溫度變送器，測(cè)量離心泵出口處溫度管路溫度，以保證液體溫度不會(huì)影響混合液的黏度，主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 溫度傳感器技術(shù)參數(shù)

(5) 扭矩傳感器應(yīng)用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)在泵軸上組成應(yīng)變橋，通過(guò)向應(yīng)變片輸入電源后，可以得到泵軸受到扭矩的電模擬信號(hào),通過(guò)該電信號(hào)的輸出計(jì)算出扭矩值[10]。扭矩傳感器的安裝位置如圖4所示。

圖4 扭矩傳感器安裝位置示意圖

該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離心泵負(fù)載靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)量，并且該扭矩傳感器采用無(wú)接觸式傳遞方式對(duì)傳感器進(jìn)行信號(hào)輸入及能量導(dǎo)入，測(cè)量精度不受轉(zhuǎn)速高低的影響,可進(jìn)行實(shí)時(shí)力矩的精確測(cè)量。

2.2 電氣系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在上述變頻器以及測(cè)量傳感器選取基礎(chǔ)上，進(jìn)行了整體電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用串行通信接口實(shí)現(xiàn)采集模塊和變頻器與上位機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其中電流采集模塊將本實(shí)驗(yàn)中傳感器測(cè)得的種物理量進(jìn)行采集,變頻器與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制[9]。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并處理的過(guò)程中，需要將采集的各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為L(zhǎng)-M4514，該模塊為多通道模擬量采集模塊，能夠?qū)⒉杉?個(gè)特性參數(shù)進(jìn)行采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換傳至計(jì)算機(jī)[10-11]，在選擇通訊接口時(shí)采用RS-232接口，接口方式和傳感器接線方式如圖5和圖6所示。

為了控制離心泵的轉(zhuǎn)速，即為了控制整個(gè)系統(tǒng)的基液流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用VB變成設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用MSComm控件，實(shí)現(xiàn)通信控制[12]。軟件的控制界面如圖7所示，可以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)置波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位以及停止位，并進(jìn)行COM口選擇。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變系統(tǒng)基液的流量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集得到對(duì)流量、壓力(包括壓力及真空度)、溫度等參數(shù)的輸出，并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。

圖5 RS-232通信接線方式

圖6 傳感器連接方式

圖7 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件界面

界面使用說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)前，首先進(jìn)行采集模塊與調(diào)速模塊的通信設(shè)置，設(shè)定波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位，激活串口按鈕，啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸；點(diǎn)擊“run”啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)輸入轉(zhuǎn)速值調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制整個(gè)系統(tǒng)的流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后點(diǎn)擊“stop”按鈕；

數(shù)據(jù)采集過(guò)程按照?qǐng)D8所示，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以選擇監(jiān)視框下方的“溫度”“流量”“壓力”以及“扭矩”等物理量，完成數(shù)據(jù)采集后，可以選擇“停止采集”并保存數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 不同流量下混合效果實(shí)驗(yàn)

該新型粉液混合器的主要性能參數(shù)為環(huán)形噴口處的負(fù)壓值，因此，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，對(duì)負(fù)壓值與流量之間的關(guān)系研究是重要的基礎(chǔ)理論研究，同時(shí)與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能夠驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。圖9所示為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真形成的負(fù)壓與流量關(guān)系曲線對(duì)比圖[13-14]。由圖可見(jiàn)，數(shù)值模擬過(guò)程中，負(fù)壓值隨著流量的變化較為明顯，當(dāng)流量為27 m3/h時(shí)，達(dá)到最大0.1 MPa；而實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)曲線顯示，較數(shù)值模擬曲線，實(shí)驗(yàn)曲線變化較緩，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中，存在結(jié)構(gòu)因素對(duì)曲線變化形成了一定影響，但是曲線的總體變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬曲線相同。兩種曲線的擬合度能夠達(dá)到約80%。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅可以研究負(fù)壓值與流量關(guān)系，而且可以去修正數(shù)值模型。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖9 負(fù)壓與流量關(guān)系曲線

3.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果實(shí)驗(yàn)

前期研究結(jié)果表明，環(huán)形噴腔直徑、喉管直徑、出口段直徑、收縮角、擴(kuò)散角、喉管長(zhǎng)度與直徑比值等以上幾個(gè)因素是影響混合效果的主要因素[15]。因此可以通過(guò)組合實(shí)驗(yàn)(例如正交實(shí)驗(yàn))的方法分析以上幾個(gè)因素的主次關(guān)系，對(duì)孔式環(huán)形射流粉液混合器后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

以表1 所示數(shù)據(jù)為例，保持環(huán)形噴腔直徑(Db=60 mm)、出口段直徑(Dd=95 mm)、收縮角(α=17°)、擴(kuò)散角(β=6°)以及喉管長(zhǎng)度與直徑比值2.65不變，分別改變喉管的直徑，得到負(fù)壓與流量關(guān)系如圖10所示。

由圖10可以得到喉管直徑Dt=50 mm對(duì)負(fù)壓的影響最為明顯，其余喉管直徑尺寸隨著流量增加對(duì)負(fù)壓值的影響并不明顯。同理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求改變其他的尺寸，可以得到以上因素對(duì)混合效果影響的主次關(guān)系。

表5 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖10 不同影響因素負(fù)壓值與流量關(guān)系

3.3 膠粉顆粒在混合器中流動(dòng)狀態(tài)及混合器動(dòng)量方程組修正系數(shù)的推導(dǎo)

在推導(dǎo)動(dòng)量及能量修正系數(shù)時(shí)，考慮射流泵喉管進(jìn)出口段及喉管等各主要控制斷面的速度、壓力及濃度的不均勻分布，以及流體與粉末顆粒速度差難以計(jì)算得到，因此，借助高速攝像機(jī)來(lái)修正方程組，方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：α為喉管進(jìn)口函數(shù)；φ1為噴嘴流速系數(shù)；φ2為喉管流速系數(shù)；φ3為擴(kuò)散管流速系數(shù)；φ4為喉管入口流速系數(shù)；k1、k2分別為喉管進(jìn)口斷面工作和被吸流體流速分布不均影響的動(dòng)量修正系數(shù)；μ1、μ1、μ1分別為表示噴嘴出口斷面、喉管入口及出口斷面速度滑移的修正系數(shù)；δ為喉管出口斷面動(dòng)量修正系數(shù)。

以上修正系數(shù)均需要流體與膠粉顆粒的速度差求得，在計(jì)算流體與膠粉速度差時(shí)，由下式得到流體速度

v1=Q/A

(5)

式中：Q為流量；A為流道橫截面積。而顆粒的速度v2可以由高速攝像機(jī)直接測(cè)得，因此相對(duì)速度Δv=v1-v2，從而可以得到修正后的混合器動(dòng)量方程。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)孔式環(huán)形射流粉液混合器研究現(xiàn)狀，搭建了混合模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，填補(bǔ)了孔式環(huán)形射流粉液混合器實(shí)驗(yàn)研究的空白。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行不同流量混合效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究流量與負(fù)壓值的關(guān)系；同時(shí)，可以研究混合器不同關(guān)鍵尺寸，包括環(huán)形噴腔直徑、喉管直徑、出口段直徑、收縮角、擴(kuò)散角以及喉管長(zhǎng)度與直徑比值等參數(shù)對(duì)混合器的影響，得到混合器動(dòng)量和能量方程的修正系數(shù)，對(duì)混合器的后續(xù)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也為油氣田的開(kāi)采壓裂作業(yè)提供了技術(shù)支持，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。