壓裂液配制用固液混合裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

盧 毅，趙 敏，臺廣鋒，王小寶

(北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628)①

壓裂液是壓裂作業(yè)施工時使用的工作液，它的主要作用是將地面設(shè)備形成的高壓傳遞到地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑[1-2]。國內(nèi)壓裂液現(xiàn)場連續(xù)混配/配制設(shè)備有固定式和移動式，其中移動式分為撬裝式和車載式。無論是固定式還是移動式配液設(shè)備，整套配液設(shè)備基本由供粉系統(tǒng)、混配系統(tǒng)、液添系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、發(fā)液系統(tǒng)等組成[3-4]。配液過程中，供水系統(tǒng)控制方式、粉料的下料速度和固液混合裝置的結(jié)構(gòu)形式對壓裂液配制質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，其中固液混合裝置是水粉均勻混合的關(guān)鍵設(shè)備[6]。

固液混合裝置主要由工作水流管路、環(huán)形噴嘴、抽吸管路、喉管、殼體等組成，如圖1所示。工作過程中，首先將具有一定壓力的清水泵入至固液混合裝置進(jìn)水口，通過固液混合裝置水流管路加速形成高速水流，從抽吸管噴嘴出口處射入，并形成了一個低壓區(qū)；由于氣體的粘性，高速氣流不斷抽吸管路中膠粉，膠粉在壓力差的作用下，不斷向低壓區(qū)流動，與清水均勻混合，形成一股均勻的混合液；混合液經(jīng)喉管減速后排出。固液混合裝置在工作過程中抽吸管噴嘴出口處具有一定的真空度，實現(xiàn)了對膠粉的抽吸。

圖1 固液混合裝置結(jié)構(gòu)示意

本文通過CFD方法對目前應(yīng)用的固液混合裝置進(jìn)行流場建模及性能評價，得到其內(nèi)部流場分布，通過定性分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的固液混合裝置存在的問題，并提出了2種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。對改進(jìn)后的固液混合裝置分別進(jìn)行定性分析，將其與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)固液混合裝置進(jìn)行比較，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式的固液混合裝置。

1 固液混合裝置流場分析

1.1 數(shù)值模型邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分

定義喉管長度為L，喉管直徑為d，環(huán)形噴嘴面積為S。定義無量綱參數(shù)喉管長徑比N，面積比m，其計算式為:

(1)

(2)

假設(shè)固液混合裝置壁面為理想壁面，忽略壁面厚度；吸入管道和輸運管道內(nèi)流體呈均勻管流分布。取靠近噴嘴部分為計算區(qū)域，在建立計算區(qū)域時適當(dāng)簡化處理。由于軸對稱性，只需要選取混合裝置的軸旋轉(zhuǎn)截面作為研究對象。固液混合裝置模型的邊界條件如圖2所示。

圖2 固液混合裝置邊界條件示意

采用ICEM軟件對混合裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了得到混合裝置邊界條件設(shè)置類型，取配液常用流量進(jìn)行計算，獲得其邊界條件類型。喉管長徑比N=10；固液混合裝置的工作流量Q=180 m3/h ,工作流體為清水；取環(huán)形噴嘴處為入口邊界條件，出口管徑?100 mm。

1.2 流場數(shù)值分析[6-10]

1.2.1 關(guān)閉抽吸流體入口時內(nèi)部流場分析

取喉管長徑比N=10、工作水流量Q=120 m3/h，將抽氣口關(guān)閉時的混合裝置作為模擬對象，進(jìn)行數(shù)值分析。空化現(xiàn)象初始發(fā)生在噴嘴的初端，抽吸管路部分由空化產(chǎn)生的水蒸氣所充斥，在噴嘴附近的管壁由于壓力較低，發(fā)生空化的現(xiàn)象比較嚴(yán)重；由于在喉管壓力后端的壓力逐漸升高，導(dǎo)致氣泡的尺寸變大，最后空泡潰滅。

現(xiàn)結(jié)構(gòu)固液混合裝置的管壁含氣率分布如圖3所示，圖3中橫坐標(biāo)為固液混合裝置坐標(biāo)系中y軸方向數(shù)值，縱坐標(biāo)為管壁上的含氣率。由圖3可知，在抽吸管路內(nèi)，由于重力及抽吸力的作用，抽吸管路幾乎被水蒸氣所充滿，管壁含氣率幾乎為1；在入口與喉管之間的收縮部分含氣率幾乎為0；在噴嘴至出口范圍內(nèi)，氣體的含氣率逐漸升高。在出口的臨界處突然降低而沒有出現(xiàn)緩沖區(qū)，這是因為喉管長度過短及沒有設(shè)置擴(kuò)壓管的原因所造成的。其中，含氣率的陡然降低代表著氣泡的潰滅。

圖3 現(xiàn)結(jié)構(gòu)固液混合裝置管壁含氣率分布

由于裝置環(huán)形噴嘴的漸縮性，工作流體流速陡然增大，使得喉管處產(chǎn)生低于該溫度下的臨界空化壓力，從而導(dǎo)致空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。由模擬分析可知，空化的主要發(fā)生位置在噴嘴附近，這是由于此段的壓力穩(wěn)定在某一個低壓范圍，導(dǎo)致空泡得以滯留；隨著出口方向壓力逐漸增大到空化臨界壓力以上，含氣率驟降。

對固液混合裝置參數(shù)進(jìn)行單因次變量分析。取環(huán)形噴嘴和喉管的面積比m=0.2，喉管直徑d=100 mm ，喉管長徑比N分別為2、5、8、11、13，進(jìn)行流場的模擬計算。為了防止由于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生而使得固液混合裝置內(nèi)部壓力達(dá)到臨界壓力，不便于進(jìn)行比較，取較小的供水壓力0.2 MPa。

關(guān)閉抽吸流體入口工況下，固液混合裝置產(chǎn)生真空度曲線如圖4所示。固液混合裝置所產(chǎn)生的最大真空度隨著喉管長徑比的增大而先增大再減小，呈現(xiàn)出類似拋物線的曲線，在N=11時固液混合裝置產(chǎn)生的真空度最大。

圖4 現(xiàn)結(jié)構(gòu)固液混合裝置產(chǎn)生負(fù)壓曲線

1.2.2 打開抽吸流體入口時內(nèi)部流場分析

設(shè)定喉管長徑比N=10，進(jìn)水壓力0.4 MPa，面積比m=0.2，工作狀態(tài)為自然吸氣?，F(xiàn)結(jié)構(gòu)固液混合裝置在工作的過程中，被吸入空氣首先由粗徑的抽吸管吸入，然后在進(jìn)入到細(xì)徑的進(jìn)氣管中，進(jìn)去固液混合裝置腔體內(nèi)部，在此過程中，被吸入氣體由于管徑的變化，流速得到提升；但由于管路形狀驟變，氣體存在一定的局部動能損失。進(jìn)氣管路直徑較小造成固液混合裝置噴嘴與進(jìn)氣管路之間有著較大的壁面區(qū)域，此區(qū)域附近的流場分布圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)結(jié)構(gòu)固液混合裝置局部流速分布

由圖5可以看出，由于固液混合裝置噴嘴與進(jìn)氣管路間較大的壁面區(qū)域的存在，導(dǎo)致此處流場的流速較為緩慢，且有較大程度的回流及旋流現(xiàn)象的存在。

在固液混合裝置工作過程中，由于被抽吸物料為瓜爾膠粉，其有可能在此區(qū)域與水及水蒸氣進(jìn)行混合形成黏度很大的結(jié)塊，影響固液混合裝置的正常工作，甚至導(dǎo)致固液混合裝置的堵塞。

2 固液混合裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為避免固液混合裝置堵塞現(xiàn)象的發(fā)生及減小被抽吸物料動能的損失，并考慮減少物料及抽吸氣體在進(jìn)料管路的動能損失，以及減小固液混合裝置噴嘴與進(jìn)料管路之間的壁面距離2個方面，采用進(jìn)料口擴(kuò)張及噴嘴收縮2種改進(jìn)方案，2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 固液混合裝置兩種改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意

3 兩種結(jié)構(gòu)固液混合裝置流場分析[11-15]

3.1 抽吸真空度分析

對固液混合裝置參數(shù)進(jìn)行單因次變量分析，分析其在各喉管長度下所產(chǎn)生的負(fù)壓。取環(huán)形噴嘴和喉管的面積比m=0.2，喉管長度與喉管直徑之比N分別為2、5、8、11、13進(jìn)行流場模擬計算。由于抽吸流體入口關(guān)閉，為了防止由于空化現(xiàn)象的產(chǎn)生而使得固液混合裝置內(nèi)部壓力達(dá)到臨界壓力，不便于進(jìn)行比較分析，取較小的供水壓力0.2 MPa。2種不同結(jié)構(gòu)固液混合裝置產(chǎn)生的負(fù)壓分別如圖7～8所示。

圖7 進(jìn)料管擴(kuò)張型抽吸管路入口負(fù)壓曲線

圖8 噴嘴收縮型抽吸管路入口負(fù)壓曲線

由圖7～8可見，在面積比m=0.2、進(jìn)水壓力為0.2 MPa的工況下，隨著喉管長度的增加，固液混合裝置所產(chǎn)生的負(fù)壓呈現(xiàn)出類似拋物線的曲線。進(jìn)料管擴(kuò)張型抽吸管路入口真空度最大值出現(xiàn)在N=5，最大真空度為0.79；而噴嘴收縮型抽吸管路入口真空度最大值出現(xiàn)在N=11，最大真空度為0.88。

3.2 流態(tài)分布分析

分別對所提出的進(jìn)料管擴(kuò)張型和噴嘴收縮型固液混合裝置進(jìn)行內(nèi)部流態(tài)對比分析。設(shè)定喉管長度與直徑比N=10，進(jìn)水壓力0.4 MPa，面積比m=0.2，工作狀態(tài)為自然吸氣，其噴嘴附近流速分布如圖9～10所示。

圖9 進(jìn)料管擴(kuò)張型結(jié)構(gòu)噴嘴附近流速分布

由圖9可以看出，進(jìn)料管擴(kuò)張型固液混合裝置仍然存在著與原有固液混合裝置類似的問題。在進(jìn)料管的擴(kuò)張區(qū)域附近，依然存在著局部低流速區(qū)域，但低流速區(qū)域存在面積小于原有結(jié)構(gòu)固液混合裝置，且靠近進(jìn)料管附近回流基本已經(jīng)消除。其內(nèi)部流場流態(tài)分布優(yōu)于原有結(jié)構(gòu)固液混合裝置，但仍存在著一定的缺陷。

由圖10可以看出，噴嘴收縮型結(jié)構(gòu)形式固液混合裝置在工作過程中，進(jìn)料管附近區(qū)域附近不存在低流速流場分布及回流現(xiàn)象。這在一定程度上降低了在工作過程中粉料堵塞的可能性較低。

圖10 噴嘴收縮型結(jié)構(gòu)噴嘴附近流速分布

4 不同結(jié)構(gòu)固液混合裝置性能對比評價

采用工程上常用的調(diào)試工況下所產(chǎn)生真空度大小和生產(chǎn)工況下的流場分布對抽吸粉質(zhì)物料所帶來影響兩種方式，對噴嘴收縮型、進(jìn)料管擴(kuò)張型及原有結(jié)構(gòu)3種不同結(jié)構(gòu)形式的固液混合裝置進(jìn)行分析。3種結(jié)構(gòu)形式固液混合裝置產(chǎn)生的負(fù)壓大小對比如圖11所示。

圖11 不同結(jié)構(gòu)形式固液混合裝置產(chǎn)生負(fù)壓大小對比

如圖11所示，在其他工況相同的條件下，噴嘴收縮型固液混合裝置在喉管長徑比N>5的工況下，所產(chǎn)生的真空度明顯優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)形式的固液混合裝置，并且壓力變化趨勢較為穩(wěn)定及平滑；進(jìn)料管擴(kuò)張型固液混合裝置在喉管長徑比所產(chǎn)生的抽吸真空度效果較差，原有固液混合裝置則介于兩者之間。以固液混合裝置所產(chǎn)生真空度最高為評判標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴收縮型固液混合裝置效果最為理想，原有結(jié)構(gòu)固液混合裝置次之，進(jìn)料管擴(kuò)張型固液混合裝置效果最為不理想。

對3種結(jié)構(gòu)形式固液混合裝置進(jìn)行內(nèi)部流態(tài)對比分析，所提出2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式固液混合裝置流場在總體分布上均優(yōu)于原有結(jié)構(gòu)固液混合裝置，但進(jìn)料管擴(kuò)張型結(jié)構(gòu)型式固液混合裝置在進(jìn)料管擴(kuò)張區(qū)域依然存在著一定程度的低流速區(qū)域及小范圍程度的回流，在粘性物料進(jìn)料速率快或抽吸負(fù)壓不足時，有可能導(dǎo)致在低速回流區(qū)產(chǎn)生物料的粘結(jié)，影響固液混合裝置的正常工作。以引發(fā)物料抽吸堵塞可能性為評價指標(biāo)，噴嘴收縮型固液混合裝置效果最為理想，進(jìn)料管擴(kuò)張型次之，原有結(jié)構(gòu)固液混合裝置最不理想。因此優(yōu)選噴嘴收縮型固液混合裝置為最佳結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

1) 利用Fluent軟件對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的固液混合裝置進(jìn)行流場分析知，存在低速回流區(qū)的缺陷?；诖颂岢隽斯桃夯旌涎b置的進(jìn)料管擴(kuò)張型及噴嘴收縮型2種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

2) 利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行流場分析，通過對所建立的多個模型的定性對比分析，結(jié)果表明噴嘴收縮型固液混合裝置的進(jìn)料管路附近不存在低速回流區(qū)，且其產(chǎn)生抽吸真空度最大，為最佳結(jié)構(gòu)方案。