新型粉液混配器結(jié)構(gòu)分析與性能優(yōu)化

劉延鑫, 李增亮, 馮 龍, 董祥偉, 張 琦, 孫召成

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中,壓裂作業(yè)是最為常見(jiàn)的增產(chǎn)方式。在此過(guò)程中,壓裂液的配制質(zhì)量是保證壓裂作業(yè)成功的重要因素。壓裂液主要是由一定比例混合的胍膠粉和基液混合而成,其混合的黏度和均勻度是壓裂液質(zhì)量的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[1]。傳統(tǒng)的壓裂液配制方法是先將胍膠粉和基液加入到混合罐中,待其充分溶脹達(dá)到黏度要求后,再進(jìn)行壓裂作業(yè)。采用這種方法得到的壓裂液存在以下問(wèn)題:①壓裂液中膠粉的分散度較低,存在大量粉包團(tuán);②配制時(shí)間較長(zhǎng),影響壓裂作業(yè)效率;③壓裂液在存放和運(yùn)輸過(guò)程中黏度降低。針對(duì)傳統(tǒng)壓裂液混配過(guò)程中存在的缺點(diǎn),國(guó)內(nèi)外一些科研工作者采用射流泵原理進(jìn)行壓裂液混配,實(shí)現(xiàn)壓裂液的動(dòng)態(tài)混配,滿足壓裂過(guò)程中壓裂液用量的需求,同時(shí)根據(jù)吸入膠粉的量可以控制壓裂液的黏度。但是在混配過(guò)程中仍然有粉包團(tuán)產(chǎn)生[2-6],而孔裝結(jié)構(gòu)可以很好地離散粉末等固體[7],因此筆者基于目前使用的混配裝置存在的弊端,采用環(huán)形射流原理,提出一種新型粉液混配器,并在粉末吸入管處設(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。

1 粉液混配器結(jié)構(gòu)和原理

1.1 混配器結(jié)構(gòu)

粉液混配器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由粉末入口、基液入口、基液輸送管、粉末吸出孔、粉末吸出管、混合腔、環(huán)形噴腔結(jié)構(gòu)、喉管和擴(kuò)散管組成。基液通過(guò)基液入口進(jìn)入粉液混配器,流經(jīng)基液輸送管時(shí),由于裝有粉末吸出管而使得流道面積減小,流體流經(jīng)該段區(qū)域和環(huán)形噴腔結(jié)構(gòu)時(shí),流速大大增加,高壓基液由環(huán)形噴腔噴出,將粉末吸出混合,基液與膠粉在喉管混合后,在擴(kuò)散管中進(jìn)一步升壓減速。粉末吸出管的尾部管壁和管的端部開(kāi)有吸出孔,使膠粉與基液能夠充分混合。

圖1 粉液混配器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic drawing of powder liquid mixer

1.2 混配器混合原理

該粉液混配器是利用射流湍動(dòng)擴(kuò)散作用傳遞能量和質(zhì)量的混合反應(yīng)設(shè)備[8]?；航?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,但是固液兩相混合會(huì)損失較大的動(dòng)能。在擴(kuò)散管前端,混合流體完成能量交換,濃度趨于定值,通過(guò)擴(kuò)散管恢復(fù)靜壓然后排出粉液混配器。如果被吸入粉末較少,不能滿足基液的卷吸能力時(shí),會(huì)在喉管前端產(chǎn)生回流,有助于保證混合效果和濃度要求。另外,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[9-12]。

2 混配器中固液兩相混合特性數(shù)值模擬

2.1 多相流模型建立

利用ICEM-CFD軟件對(duì)建立好的流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并采用FLUENT軟件進(jìn)行固液兩相在混配器中混合過(guò)程的數(shù)值模擬?；涸诮?jīng)過(guò)混合腔時(shí)將膠粉吸出,流場(chǎng)產(chǎn)生突變,為保證每一相速度、含氣率等參數(shù)的準(zhǔn)確性,選用Euler多相流模型。同時(shí),考慮渦旋、旋轉(zhuǎn)、黏性方面的因素,湍流模型采用渦黏模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[13]。

2.2 控制方程

基于N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可表示為

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量方程:

(2)

其中

μeff=μ+μt.

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型將控制方程組封閉,基本方程為

k方程:

(3)

ε方程:

(4)

其中

式中,u,v,w為流體速度,m/s;x,y,z分別代表x,y,z方向坐標(biāo);ρ為流體密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;μeff為有效黏度,Pa·s;μ為分子黏度,Pa·s;μt為湍動(dòng)黏度,Pa·s。Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,εk=1.3。

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算固液兩相的速度和體積分?jǐn)?shù)等參數(shù),在選用精度更高的Euler多相流模型時(shí),流動(dòng)控制方程組采用有限差分法,離散格式為二階迎風(fēng)差分格式,結(jié)合多重網(wǎng)格法用FLUENT求解器中的SIMPLE算法耦合壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)[14-16]。

2.3 模型網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.3.1 網(wǎng)格劃分

建立粉液混配器流道模型,建立流道模型采用的結(jié)構(gòu)尺寸為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)初步模型尺寸,并利用ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到末端混合段流動(dòng)特性的復(fù)雜性,在網(wǎng)格劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并對(duì)末端開(kāi)孔位置網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,如圖2所示。

圖2 粉末吸出管網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division of powder suction pipe

考慮到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成時(shí),若只采用三角形或四面體網(wǎng)格,不能很好地處理黏性問(wèn)題,所以采用混合網(wǎng)格,即先貼體生成能用于黏性計(jì)算的四邊形或三棱柱網(wǎng)格然后以此為邊界生成三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。設(shè)定全局網(wǎng)格最大單元為3,加密部分最大尺寸為1,最終共劃分2 988 903個(gè)網(wǎng)格。

2.3.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

驗(yàn)證整體網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性,以混合腔處產(chǎn)生的負(fù)壓作為驗(yàn)證參數(shù),設(shè)定全局網(wǎng)格最大單元分別為5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2,得到網(wǎng)格數(shù)量約為(50.28、65.98、90.38、127.81、188.99、298.89、512.77、994.16)×104,以總體網(wǎng)格數(shù)量為橫坐標(biāo),混合腔處的負(fù)壓為縱坐標(biāo)繪制曲線,見(jiàn)圖3。從圖3中可以看到,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于200×104時(shí),負(fù)壓值趨于穩(wěn)定,說(shuō)明整體網(wǎng)格數(shù)量大于200×104后,對(duì)模擬后的參數(shù)影響很小。為了保證計(jì)算的高效性,取網(wǎng)格數(shù)量為298.89×104,其對(duì)應(yīng)的全局網(wǎng)格最大單元為3。

圖3 整體網(wǎng)格數(shù)量與負(fù)壓值關(guān)系Fig.3 Relationship between total grid number and negative pressure value

2.4 邊界條件確定

模擬過(guò)程中,設(shè)定邊界條件如下:①入口邊界,速度入口(velocity inlet),入口算法采用Special synthesizer算法。根據(jù)實(shí)際情況基液流速設(shè)定為3.5m/s,流量為0.028 m3/s,膠粉進(jìn)入的速度設(shè)定為0 m/s;②出口邊界,出口采用自由流出邊界條件,過(guò)程中不考慮熱量傳遞影響;③壁面要求,管道壁面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件。

2.5 模擬結(jié)果

混配器的速度分布和壓力分布如圖4、5所示。因粉末進(jìn)口與大氣相連,故該進(jìn)口處壓力為大氣壓,從圖5中也可以看出,該出口壓力約為0.1 MPa。結(jié)合圖4、5可以看出,液相在流經(jīng)混合腔時(shí),由于截面積減小導(dǎo)致流速加快,該流域流速可以達(dá)到4 m/s,該區(qū)域壓力約為0.012 6 MPa。因加速區(qū)域的壓力小于大氣壓力,所以形成相對(duì)負(fù)壓區(qū),從而得到該區(qū)域負(fù)壓值為大氣壓與該區(qū)域壓力的差值,約為0.087 4 MPa,說(shuō)明能夠?qū)⒐滔嘤行У匚?當(dāng)混合流體流經(jīng)喉管處時(shí)流速繼續(xù)增加,壓力降低,混合物在喉管進(jìn)一步均勻混合,最終通過(guò)擴(kuò)散管進(jìn)行降速增壓。

圖4 速度分布Fig.4 Velocity distributions

圖5 壓力分布Fig.5 Pressure distributions

圖6 固液兩相混合效果Fig.6 Mixing effect of solid-liquid two phase

圖6為固液兩相分布。從圖6中可以得出,液體流經(jīng)粉末吸出管時(shí)與固相混合,由側(cè)面和下方吸出。同時(shí),通過(guò)圖6中的擴(kuò)散管截面可以看出,固液兩相的混合顏色較為均勻。在喉管尾端垂直于軸向做截面A-A,并利用Line/Rake surface指令在截面上取水平X和豎直Y兩條直線如圖7所示。分析這兩條垂線可以反映膠粉(固相)在整個(gè)截面的相體積分?jǐn)?shù)[17-18]。繪制膠粉在這兩條線上的相體積分?jǐn)?shù),如圖8所示。圖中固相在這兩條線上體積分?jǐn)?shù)為定值32.3%,說(shuō)明這兩個(gè)方向上分布均勻,進(jìn)而可以判斷在該截面固液兩相的理論混合均勻度較高。該混配器理論上具有很好的混合效果。

圖7 截面示意圖Fig.7 Sketch map of cross section

圖8 X線和Y線上固相體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Solid-phase volume fraction on line X and Y

3 試驗(yàn)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Test system

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。上部管線接粉末輸送器,膠粉由上部罐體加入,通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌后輸送到混配器中?；炫淦髑安拷舆M(jìn)液口,主要通過(guò)離心泵提供高壓流體,混合液流經(jīng)混配器后回到蓄水池,在蓄水池觀察壓裂液的混合效果。試驗(yàn)臺(tái)上裝有電磁流量計(jì)、壓力表及真空壓力傳感器,可以實(shí)時(shí)地測(cè)量管線中流體流量,同時(shí),也可以得到混配器中各部分的壓力,以保證膠粉的吸入效果。

3.2 試驗(yàn)步驟

影響粉液混配器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括環(huán)形噴射口直徑、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[19-20]。除了結(jié)構(gòu)影響因素外,泵的排量對(duì)混合也有一定影響。理論上混配器結(jié)構(gòu)尺寸不變,在一定范圍內(nèi),隨著泵排量增加產(chǎn)生的負(fù)壓值會(huì)增大[21],但是在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)排量大于0.032 m3/s時(shí)負(fù)壓值無(wú)明顯變化。將泵的排量作為定值,在設(shè)定排量時(shí)選擇了工況下的穩(wěn)定值0.028 m3/s。

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行均勻度判斷時(shí),采用觀察取樣,并將取樣的混合液與現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)進(jìn)行比較。先將加入的胍膠粉進(jìn)行染色,同時(shí)圖1中環(huán)形噴腔、喉管和擴(kuò)散管均采用透明材料加工,當(dāng)混合流體經(jīng)過(guò)該透明管一部分時(shí),先通過(guò)觀察染色后的胍膠粉在液體中的分散程度,初步判斷混合流體流經(jīng)該區(qū)域后的混合效果。另外,混合流體最終會(huì)流入水箱,可以在水箱中進(jìn)一步觀察混合膠粉的分散度,并取樣進(jìn)行對(duì)比,以判斷是否達(dá)到滿足要求的混合均勻度。

表1為粉液混配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果。由表1可知,改變上述6個(gè)影響因素的參數(shù)需要分別設(shè)計(jì)不同尺寸的混配器結(jié)構(gòu)共25組,這樣不僅在加工過(guò)程中費(fèi)時(shí)費(fèi)料,而且在更換不同結(jié)構(gòu)時(shí)非常不方便。因此,在設(shè)計(jì)混配器時(shí)將基液輸送管、環(huán)形噴腔和喉管、擴(kuò)散管部分設(shè)計(jì)為分段安裝(圖1),加工時(shí)根據(jù)尺寸要求每部分僅須加工5套,這樣在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)根據(jù)表1中的不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 粉液混配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化正交試驗(yàn)表

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)選

結(jié)構(gòu)優(yōu)選過(guò)程主要從兩方面進(jìn)行,一方面通過(guò)數(shù)值模擬的方法,對(duì)不同結(jié)構(gòu)的粉液混配器進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同尺寸下產(chǎn)生的負(fù)壓。另一方面,結(jié)合搭建的試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,針對(duì)篩選確定的粉液混配器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),選用L25(56)正交表進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)影響粉液混配器效率的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選[22-24]。表1中每組試驗(yàn)測(cè)得的負(fù)壓值與數(shù)值模擬得到的負(fù)壓值比值為0.7～0.83,說(shuō)明實(shí)際負(fù)壓能夠達(dá)到理論值的70%～83%。

正交試驗(yàn)時(shí),將粉液混配器的6個(gè)影響因素分別標(biāo)號(hào)為A、B、C、D、E、F,每個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)5組不同的尺寸。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得到極差R。

綜合正交試驗(yàn)結(jié)果,從R的差值可以得到理論影響因素,從大到小依次為喉管直徑、收縮角、出口段直徑、喉管長(zhǎng)度與直徑比值擴(kuò)散角和環(huán)形噴射口直徑。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)選之后得到混配器的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。根據(jù)優(yōu)選后的尺寸加工混配器各部分結(jié)構(gòu),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得到試驗(yàn)負(fù)壓值為0.072 8 MPa,在表1的各組數(shù)據(jù)中負(fù)壓值是最高的,與正交試驗(yàn)優(yōu)選的數(shù)值吻合良好,證明優(yōu)選混配器的方法可行。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),在負(fù)壓區(qū)域的一個(gè)觀察口,如圖10所示,能夠很好地將膠粉吸入并且無(wú)反流現(xiàn)象。壓裂液在水池中的混合效果如圖11所示。從顏色分布情況看,完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)混合均勻度的工藝要求,說(shuō)明優(yōu)選的結(jié)構(gòu)尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 Picture of test site

圖11 壓裂液混合效果Fig.11 Mixing effect of fracturing fluid

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的環(huán)形射流粉液混配器在環(huán)形噴嘴與壁面處產(chǎn)生環(huán)形射流,同時(shí)在混合腔中產(chǎn)生較大的負(fù)壓將粉末吸出,能夠有效地防止混合過(guò)程中粉包團(tuán)的產(chǎn)生。同時(shí)可以保證粉液混配過(guò)程的連續(xù)性,混合效果較常規(guī)結(jié)構(gòu)有很大提高。

(2)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性,試驗(yàn)結(jié)果能夠達(dá)到理論值的83.3%。同時(shí),明確了不同關(guān)鍵尺寸對(duì)于粉液混配器性能的影響,并得到了較為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸,其中影響因素從大到小依次為喉管直徑、收縮角、出口段直徑、喉管長(zhǎng)度與直徑比值擴(kuò)散角和環(huán)形噴射口直徑。

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