海洋修井機泥漿攪拌器設計優(yōu)化

孟慶元 韓 鵬 劉江歌

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452）

0 引 言

在修井機修井過程中，修井液（泥漿液）是整個過程的媒介，通過高壓泥漿泵使其在井筒內(nèi)形成循環(huán)，從而冷卻鉆頭、引導鉆具的順利下井，同時攜帶井內(nèi)巖屑、穩(wěn)定井壁，保證井下作業(yè)施工的順利進行。泥漿液質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到修井作業(yè)能否持續(xù)高效的進行，所以在泥漿配置過程中選取合適的攪拌器非常重要。

近年來，渤海油田每年由穩(wěn)產(chǎn)3 000萬m逐步向增產(chǎn)4 000萬m奮進。為了滿足目前渤海油田快速開發(fā)的要求、促進“加快新油田”建設，新建修井機設計形成一套標準化的體系。泥漿攪拌器作為其中的1個設備，在渤海新油田開發(fā)過程中，需要直接采用研究成果，快速進入采辦、陸地建造及海上安裝，加快工程建設速度和提高油田開發(fā)效率。

在標準化設計中，HXJ135和HXJ180雙井區(qū)修井機為了滿足修井要求，均需要總?cè)莘e為180 m泥漿。根據(jù)工藝流程的設計，修井機需要設置3個泥漿罐，每個泥漿罐有效容積約60 m，罐體凈尺寸（長×寬×高）為6 600 mm× 3 500 mm×2 700 mm。由于罐體長寬尺寸比例較大，所以每個泥漿罐采用2套攪拌器，每套攪拌器需要攪拌的容積尺寸（長×寬×高）為3 300 mm×3 500 mm×2 700 mm。

1 攪拌器設計

1.1 槳型選擇

攪拌器不僅要保證罐內(nèi)泥漿循環(huán)量大，而且流場流動范圍也要廣泛，所以槳型選擇尤為重要。常用的槳葉型式有槳式、推進式和渦輪式等，結(jié)合修井液的黏性、剪切性和經(jīng)濟性并結(jié)合以往項目應用，通常選取槳式葉輪。槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡單、易維護，多用于防固體沉降。為了增加循環(huán)量、縮短混合時間，攪拌器槳葉數(shù)量一般為4片；為了加強軸向流動性能，采用45°傾角的槳葉。

1.2 葉輪層數(shù)

修井液屬于固體懸浮式流體，作業(yè)過程中要求容積循環(huán)速率高、湍流度強，故對攪拌器的性能要求較高。此外，泥漿罐有效高度為2 700 mm，間斷作業(yè)過程中，泥漿罐底部會有大量的泥沙沉積，為了提高作業(yè)效率、提高攪拌器性能，采用雙層槳葉。據(jù)調(diào)查，目前海洋修井機攪拌器2個葉輪直徑有等徑和不等徑的情況。

雙層槳葉一般分為3種組合分別為：“上大下小”，即上部葉輪直徑大于下部葉輪；“上下等徑”，即2個葉輪直徑相同；“上小下大”，即上部葉輪小于下部葉輪。

1.3 葉片設計

葉輪在攪拌過程中會出現(xiàn)“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，此區(qū)域內(nèi)的混合效果很差，致使混合時間較長，不利于攪拌混合，泥漿混合過程中要盡量縮小這個區(qū)域，所以槳徑并非越大越好。此外，由于配漿時需要較大的剪切作用，并且受到安裝強度的限制，槳葉直徑也不能太大，一般情況下槳徑與罐徑比為0.3~0.5。根據(jù)泥漿罐尺寸以及上述說明，本文中的大槳葉直徑設定為1 000 mm，小槳葉直徑為600 mm。2片槳葉上下間距為850 mm，槳葉寬120 mm、厚14 mm。

2 CFD數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型及簡化

海洋修井機泥漿罐是由瓦楞板及工字鋼組合焊接而成，內(nèi)壁不均勻、建模難度大，所以將泥漿罐內(nèi)壁簡化，簡化模型見圖1。

圖1 簡化模型

對簡化后的裝置在GAMBIT軟件中生成模型，并對流場部分進行網(wǎng)格劃分。為提高模擬的穩(wěn)定性，網(wǎng)格劃分采用適應性較強的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 Tet/Hybrid、Type、Tgrid。采用多重考系法（MRF）進行穩(wěn)態(tài)模擬，將整個計算區(qū)域分為動區(qū)域和靜區(qū)域兩部分，槳葉及其附近流體區(qū)域（即動區(qū)域）設置旋轉(zhuǎn)坐標系，其他流體區(qū)域（靜區(qū)域）設置靜止坐標系，通過交界面（interface）的設置，兩部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動量與能量的交換。攪拌過程中液面與大氣接觸，設為symmetry邊界，泥漿罐體、攪拌器均定義為wall邊界，網(wǎng)格圖見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分

本文主要研究了在槳葉作用下液體的流動規(guī)律。流體在泥漿罐內(nèi)流動為湍流狀況，湍流模型選用標準-模型。流場計算采用MRF法，給定槳葉所在動區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)軸設為軸正向，轉(zhuǎn)速為72 r/min；在動區(qū)域以外的靜區(qū)域，設定攪拌軸的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)坐標系的旋轉(zhuǎn)速度相同。重力加速度= 9.81 m·s，壓力—速度耦合采用SIMPLEC算法，對流體相的離散使用二階迎風差分格式，殘差迭代到10時為收斂。

本文將數(shù)值模擬所得結(jié)果，通過截取過中心的縱截面進行對比分析，得出以下結(jié)果。

2.2 流場分析

通過對矢量流場觀察分析，圖3中在泥漿罐的中上部形成了明顯的循環(huán)流場，泥漿罐的中上部循環(huán)量比較大，在靠近2個葉輪的區(qū)域形成了明顯的“蝴蝶狀”區(qū)域?？傮w來看，該種方案泥漿液的混合過程在泥漿罐中上部比較強，靠近罐底處作用比較弱。將圖4和圖3對比后發(fā)現(xiàn)，由于增大了下部葉輪直徑，攪拌器的攪拌作用更強，泥漿罐底部循環(huán)流場更明顯，循環(huán)量明顯增大。圖5泥漿罐的循環(huán)流場主要集中在中下部區(qū)域，

圖3 “上大下小”流場矢量圖

圖4 “上下等徑”流場矢量圖

圖5 “上小下大”流場矢量圖

中下部區(qū)域形成明顯且有規(guī)律的流場，對防止泥沙沉降起到很好的作用。

2.3 速度分析

流場速度的大小是衡量攪拌器攪拌作用強弱的一個依據(jù)。本文截取3種數(shù)值模擬中靠近罐體中心的一個相同截面進行對比分析，圖6中高速區(qū)域集中在槳葉附近以及泥漿罐上部，如果泥漿池液位較低時上部葉輪的作用不能充分發(fā)揮，造成做功的浪費，而下部攪拌混合效果較差。圖7的速度分布比較合理，上下均可兼顧。圖8高速區(qū)域集中在中偏下部，由于受到上部泥漿的阻力較大所以上部的速度較低，實際應用中如果液位降低，攪拌混合效果會有進一步提升。

圖6 “上大下小”速度分布

圖7 “上下等徑”速度分布

圖8 “上小下大”速度分布

3 攪拌功率

本文所研究的攪拌器屬于電機驅(qū)動機械式攪拌器，攪拌功率由泥漿液的流動狀態(tài)和湍流程度決定，是泥漿罐尺寸、流體特性、葉輪直徑、攪拌器旋轉(zhuǎn)速度和葉輪安裝位置的函數(shù)。

式中：為攪拌功率，W；N為攪拌功率準數(shù)；為攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；為系數(shù)；為密度，kg/m；為雷諾數(shù)；為槳葉直徑，m；為傅汝德數(shù)；，為指數(shù)；為槳葉寬度，m；為泥漿罐內(nèi)直徑，m；為液面的高度，m；為粘度，Pa.s。

由式（1）可以看出計算攪拌功率核心是得出功率準數(shù)N，而N可以通過得到。本文機械攪拌部分為45折葉槳，= 1.2 r/s，=1.3×10kg/m，= 0.22 Pa.s，帶入式（2）可得大槳葉= 7.1×10，查得N =2.2 ；小槳葉= 2.6×10，查得N′ = 2.5。

所以：“上大下小”葉輪組合的攪拌輸出功率為5 379 W；“上下等徑”葉輪組合的攪拌輸出功率為9 884 W；“上小下大”葉輪組合的攪拌輸出功率為5 379 W。

電機功率=攪拌器輸出功率+克服傳動機構(gòu)功率+軸封阻力消耗功率+冗余功率等。若采取“上下等徑”的組合方案攪拌器電機功率將增加很多，一般情況下修井機會配置7臺攪拌器，相比于其他2種方案，功率方面會有很大差別，導致平臺用電負荷增加。

4 結(jié) 論

通過對攪拌器3種葉輪組合的CFD數(shù)值模擬研究以及功率計算，得出以下結(jié)論：

（1）“上大下小”葉輪組合

泥漿罐的中上部混合攪拌效果比較好，對于間斷性作業(yè)，泥漿罐底部泥沙沉積比較嚴重的情況下攪拌效果較差。如果罐內(nèi)液位較低，不僅攪拌效果變差，還造成功率的浪費。

（2）“上下等徑”葉輪組合

流場形態(tài)、攪拌效果較好，但是攪拌器功率會相應升高很多，需要配備大功率電機，導致平臺總用電負荷增大；如果罐內(nèi)液位較低也會造成功率的浪費。

（3）“上小下大”葉輪組合

雖然攪拌流場沒有“上下等徑”組合流場形態(tài)好，但是對罐內(nèi)中下部區(qū)域作用比較強，在間斷作業(yè)中能有效防止泥沙沉降；結(jié)合罐內(nèi)低液位時的情況，攪拌效果會有很大提升，不僅滿足實際使用的要求，并且在低液位時也不會造成功率浪費，這樣在電機的選取上更能降低用電負荷，為平臺減負。

綜上所述，考慮實際作業(yè)情況以及遵循節(jié)能減排、降本增效的原則，采用“上小下大”的槳葉組合，不僅能夠完成日常修井作業(yè)的需求，還不會造成資源浪費，所以“上小下大”槳葉組合最優(yōu)。

本文通過對攪拌器不同槳葉組合的CFD數(shù)值模擬及功率計算，確定最優(yōu)的組合方案，該方案可以為攪拌器的標準化設計提供一定的選型依據(jù)，并且對于產(chǎn)品標準化設計、降本增效也具有實際意義。不過，由于在實際中泥漿罐內(nèi)壁的不平整以及N值的選取可能會有一定誤差，所以計算結(jié)果也會有一定誤差，需要進一步優(yōu)化。