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(jī)修井過(guò)程中，修井液（泥漿液）是整個(gè)過(guò)程的媒介，通過(guò)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(dǎo)鉆具的順利下井，同時(shí)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(jìn)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(jìn)行，所以在泥漿配置過(guò)程中選取合適的攪拌器非常重要。

近年來(lái)，渤海油田每年由穩(wěn)產(chǎn)3 000萬(wàn)m逐步向增產(chǎn)4 000萬(wàn)m奮進(jìn)。為了滿足目前渤海油田快速開(kāi)發(fā)的要求、促進(jìn)“加快新油田”建設(shè)，新建修井機(jī)設(shè)計(jì)形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的體系。泥漿攪拌器作為其中的1個(gè)設(shè)備，在渤海新油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要直接采用研究成果，快速進(jìn)入采辦、陸地建造及海上安裝，加快工程建設(shè)速度和提高油田開(kāi)發(fā)效率。

在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中，HXJ135和HXJ180雙井區(qū)修井機(jī)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(shè)計(jì)，修井機(jī)需要設(shè)置3個(gè)泥漿罐，每個(gè)泥漿罐有效容積約60 m，罐體凈尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為6 600 mm× 3 500 mm×2 700 mm。由于罐體長(zhǎng)寬尺寸比例較大，所以每個(gè)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(zhǎng)×寬×高）為3 300 mm×3 500 mm×2 700 mm。

1 攪拌器設(shè)計(jì)

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(chǎng)流動(dòng)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(jìn)式和渦輪式等，結(jié)合修井液的黏性、剪切性和經(jīng)濟(jì)性并結(jié)合以往項(xiàng)目應(yīng)用，通常選取槳式葉輪。槳式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)，多用于防固體沉降。為了增加循環(huán)量、縮短混合時(shí)間，攪拌器槳葉數(shù)量一般為4片；為了加強(qiáng)軸向流動(dòng)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(guò)程中要求容積循環(huán)速率高、湍流度強(qiáng)，故對(duì)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(guò)程中，泥漿罐底部會(huì)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(jī)攪拌器2個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)

葉輪在攪拌過(guò)程中會(huì)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(shí)間較長(zhǎng)，不利于攪拌混合，泥漿混合過(guò)程中要盡量縮小這個(gè)區(qū)域，所以槳徑并非越大越好。此外，由于配漿時(shí)需要較大的剪切作用，并且受到安裝強(qiáng)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(shuō)明，本文中的大槳葉直徑設(shè)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(jiǎn)化

海洋修井機(jī)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(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化模型

對(duì)簡(jiǎn)化后的裝置在GAMBIT軟件中生成模型，并對(duì)流場(chǎng)部分進(jìn)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(yīng)性較強(qiáng)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域兩部分，槳葉及其附近流體區(qū)域（即動(dòng)區(qū)域）設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他流體區(qū)域（靜區(qū)域）設(shè)置靜止坐標(biāo)系，通過(guò)交界面（interface）的設(shè)置，兩部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)量與能量的交換。攪拌過(guò)程中液面與大氣接觸，設(shè)為symmetry邊界，泥漿罐體、攪拌器均定義為wall邊界，網(wǎng)格圖見(jiàn)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(dòng)規(guī)律。流體在泥漿罐內(nèi)流動(dòng)為湍流狀況，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)-模型。流場(chǎng)計(jì)算采用MRF法，給定槳葉所在動(dòng)區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為軸正向，轉(zhuǎn)速為72 r/min；在動(dòng)區(qū)域以外的靜區(qū)域，設(shè)定攪拌軸的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(duì)流體相的離散使用二階迎風(fēng)差分格式，殘差迭代到10時(shí)為收斂。

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

2.2 流場(chǎng)分析

通過(guò)對(duì)矢量流場(chǎng)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(chǎng)，泥漿罐的中上部循環(huán)量比較大，在靠近2個(gè)葉輪的區(qū)域形成了明顯的“蝴蝶狀”區(qū)域。總體來(lái)看，該種方案泥漿液的混合過(guò)程在泥漿罐中上部比較強(qiáng)，靠近罐底處作用比較弱。將圖4和圖3對(duì)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(qiáng)，泥漿罐底部循環(huán)流場(chǎng)更明顯，循環(huán)量明顯增大。圖5泥漿罐的循環(huán)流場(chǎng)主要集中在中下部區(qū)域，

圖3 “上大下小”流場(chǎng)矢量圖

圖4 “上下等徑”流場(chǎng)矢量圖

圖5 “上小下大”流場(chǎng)矢量圖

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

2.3 速度分析

流場(chǎng)速度的大小是衡量攪拌器攪拌作用強(qiáng)弱的一個(gè)依據(jù)。本文截取3種數(shù)值模擬中靠近罐體中心的一個(gè)相同截面進(jìn)行對(duì)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(shí)上部葉輪的作用不能充分發(fā)揮，造成做功的浪費(fèi)，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(shí)際應(yīng)用中如果液位降低，攪拌混合效果會(huì)有進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械式攪拌器，攪拌功率由泥漿液的流動(dòng)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(zhǔn)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(jì)算攪拌功率核心是得出功率準(zhǔn)數(shù)N，而N可以通過(guò)得到。本文機(jī)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(jī)功率=攪拌器輸出功率+克服傳動(dòng)機(jī)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(jī)功率將增加很多，一般情況下修井機(jī)會(huì)配置7臺(tái)攪拌器，相比于其他2種方案，功率方面會(huì)有很大差別，導(dǎo)致平臺(tái)用電負(fù)荷增加。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)攪拌器3種葉輪組合的CFD數(shù)值模擬研究以及功率計(jì)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(duì)于間斷性作業(yè)，泥漿罐底部泥沙沉積比較嚴(yán)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(fèi)。

（2）“上下等徑”葉輪組合

流場(chǎng)形態(tài)、攪拌效果較好，但是攪拌器功率會(huì)相應(yīng)升高很多，需要配備大功率電機(jī)，導(dǎo)致平臺(tái)總用電負(fù)荷增大；如果罐內(nèi)液位較低也會(huì)造成功率的浪費(fèi)。

（3）“上小下大”葉輪組合

雖然攪拌流場(chǎng)沒(méi)有“上下等徑”組合流場(chǎng)形態(tài)好，但是對(duì)罐內(nèi)中下部區(qū)域作用比較強(qiáng)，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(shí)的情況，攪拌效果會(huì)有很大提升，不僅滿足實(shí)際使用的要求，并且在低液位時(shí)也不會(huì)造成功率浪費(fèi)，這樣在電機(jī)的選取上更能降低用電負(fù)荷，為平臺(tái)減負(fù)。

綜上所述，考慮實(shí)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(huì)造成資源浪費(fèi)，所以“上小下大”槳葉組合最優(yōu)。

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