摘" 要：為研制一種新型的壓裂液混配設(shè)備，迫切需要對(duì)混配設(shè)備的關(guān)鍵核心部件混配器進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。利用HPC集群平臺(tái)上的Altair EDEMTM設(shè)計(jì)一種基于EDEM-CFD耦合方法的新型混配器，采用EDEM-CAE技術(shù)對(duì)液固兩相流散體物料模擬實(shí)驗(yàn)，分析求解固液兩相流的來(lái)源和流動(dòng)方向，對(duì)管道和砂泵產(chǎn)生腐蝕和磨損程度，找到混配器的優(yōu)化方法。結(jié)合仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該混配器性能指標(biāo)得到很大的提高，為改善整車(chē)性能和和改進(jìn)壓裂液混合設(shè)備控制系統(tǒng)提供重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：CFD-DEM耦合方法；液固兩相流；仿真研究；混配器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE937" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0051-04

Abstract： In order to develop a new type of fracturing fluid mixing equipment， there is an urgent need to optimize and improve the mixer， which is the key core component of the equipment. A new type of mixer based on EDEM-CFD coupling method is designed by using Altair EDEM mixer on HPC cluster platform. The simulation experiment of liquid-solid two-phase flow is carried out by EDEM-CAE technology， the source and flow direction of solid-liquid two-phase flow are analyzed and solved， the corrosion and wear degree of pipeline and sand pump are analyzed， and the optimization method of mixer is found. Based on simulation analysis and actual experimental results， the performance index of the mixer has been greatly improved， which provides important parameters for improving the vehicle performance and improving the control system of fracturing fluid mixing equipment.

Keywords： CFD-DEM coupling method; liquid-solid two-phase flow; simulation study; mixer; structure design

壓裂施工作業(yè)是改造油田地層的重要手段之一，壓裂車(chē)是壓裂作業(yè)的主設(shè)備，高壓力大排量的壓裂車(chē)是目前大型石油壓裂施工的首選，而混配車(chē)是為壓裂車(chē)提供輔助功能的一種專(zhuān)用設(shè)備?；炫滠?chē)的主要功能一是大功率混配，二是高效率輸送，具體來(lái)講，就是將壓裂砂和液體配以多種支撐劑，按照一定的比例要求進(jìn)行混合，再以一定的壓力將混合液輸送到壓裂車(chē)的壓裂泵后，進(jìn)一步加壓擠入井底巖層。因此，混配車(chē)的核心部件混配器十分重要，其技術(shù)性能及工作穩(wěn)定性直接影響到壓裂施工作業(yè)。傳統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有一定的時(shí)效延遲性和反饋盲目性。針對(duì)混配器的特點(diǎn)，采用CFD-DEM耦合方法進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化混配器參數(shù)配置，提升混配器性能指標(biāo)，對(duì)研發(fā)新一代混配車(chē)具有重要意義。

1" 石油礦場(chǎng)壓裂混配設(shè)備概述

1.1" 壓裂混配設(shè)備工況環(huán)境

近年來(lái)，石油勘探特別是鉆采作業(yè)過(guò)程中，隨著煤層氣的常規(guī)開(kāi)發(fā)和頁(yè)巖氣逐漸開(kāi)采，油氣井深度越來(lái)越大，深度增速很快。一個(gè)客觀的現(xiàn)狀是絕大多數(shù)油井都是地處山區(qū)、林區(qū)及荒漠等特殊地帶，油井施工的場(chǎng)地面積都較小，工況環(huán)境惡劣，但是鉆采設(shè)備一旦開(kāi)始施工就要連續(xù)工作，而且作業(yè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因而，對(duì)壓裂液供給需求有一套嚴(yán)苛制作和輸送規(guī)范，不僅要保障數(shù)量和質(zhì)量，而且要在時(shí)效和能效上得以保障，研發(fā)制造新型壓裂液混配設(shè)備迫在眉睫，市場(chǎng)前景良好。這些設(shè)備經(jīng)常性的工作狀況就是高壓力大排量，在施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)久持續(xù)的情況下，設(shè)備的磨損程度也會(huì)增大，進(jìn)而影響整體的施工計(jì)劃，施工難度和工況危險(xiǎn)性也隨之增加。因而需要對(duì)混配設(shè)備關(guān)鍵核心部件混配器進(jìn)一步科研攻關(guān)，提升整體性能滿(mǎn)足復(fù)雜工況。為了適應(yīng)鉆采進(jìn)度、工況環(huán)境和氣象條件，壓裂液混配備除具有一定的靈活機(jī)動(dòng)性能外，還需具有一定的智能控制能力，亦需對(duì)系列設(shè)備進(jìn)一步研制開(kāi)發(fā)和升級(jí)改造。

1.2" 壓裂液混配器工作原理

壓裂液混配器作為一種石油礦場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)用于處理散體物料的設(shè)備，其內(nèi)部均勻地分布有提料葉片，這些周向固定在筒體內(nèi)的葉片在隨筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)將壓裂砂、液體和支撐劑從底部提起，逐漸升高到一定高度后，堆積在提料葉片上的壓裂砂、液體配和支撐劑就開(kāi)始從葉片尾端處拋撒下來(lái)，多個(gè)葉片組合作用形成料簾，然后重新落入混配器底部，如此循環(huán)往復(fù)，完成壓裂液的配制。

1.3" 壓裂混配設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)

混配設(shè)備一般由車(chē)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)聯(lián)泵裝置驅(qū)動(dòng)6套液壓系統(tǒng)工作。其中4套閉式系統(tǒng)分別為驅(qū)動(dòng)供液離心泵馬達(dá)、噴射離心泵馬達(dá)、排液離心泵馬達(dá)和散熱器風(fēng)扇馬達(dá)。2套開(kāi)式系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)攪拌裝置的攪拌器馬達(dá)、供液泵系統(tǒng)的液添泵馬達(dá)、粉料輸送系統(tǒng)的粉料輸送器馬達(dá)、破拱馬達(dá)、上料系統(tǒng)的上料機(jī)構(gòu)油缸、粉料罐總成的粉料罐舉升油缸、插板油缸、控制室的起升油缸和流量控制閥擺動(dòng)油缸。清水經(jīng)供液離心泵、噴射離心泵進(jìn)入高能水粉混合系統(tǒng)的粉水混配器、粉料經(jīng)螺旋輸送器，吸粉管線(xiàn)進(jìn)入粉水混配器，清水和粉料在混配器內(nèi)混合后形成高濃度粉水液進(jìn)入攪拌罐，另一部分清水經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入攪拌罐與高濃度粉水液進(jìn)行混合，液添系統(tǒng)將液體添加劑泵送至排液泵吸入管線(xiàn)與攪拌罐排出的粉水液再次混合，形成均勻的壓裂基液，然后由排液泵排至下游設(shè)備。粉料和液體添加劑加入量由自動(dòng)控制系統(tǒng)按配比要求進(jìn)行控制。

1.4" 壓裂混配設(shè)備面臨現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

目前油田普遍采用的水基壓裂液配制方法主要在固定配液站配制，缺乏流動(dòng)性和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的靈活性等問(wèn)題，雖然也有混合型水基壓裂液配制車(chē)，但在大型油田中功能單一，不能實(shí)現(xiàn)多種功能，如混砂、作業(yè)效率低、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大和施工效率低。由于壓裂采用的水質(zhì)各異及多種支撐劑和一定砂量的壓裂液在混砂車(chē)管道、混合罐和砂泵中流動(dòng)，對(duì)管道和砂泵產(chǎn)生腐蝕和磨損，影響其砂泵的使用壽命，對(duì)砂泵的耐磨耐腐蝕性提出了更高的要求。

2" CFD-DEM耦合方法

2.1" 離散單元法（DEM）

混配器內(nèi)部骨料可被看作不同粒徑的球形顆粒組成的散體介質(zhì)，混配器工作過(guò)程適用離散單元法進(jìn)行研究。離散單元法（Discrete Element Method，簡(jiǎn)稱(chēng) DEM）研究的對(duì)象即零散物料、石質(zhì)材料、細(xì)碎型物料和土質(zhì)顆粒等日常所見(jiàn)的顆粒狀物質(zhì)，這些物質(zhì)材料的每個(gè)組成單元，都是離散的、具有相對(duì)獨(dú)立的特性。DEM的核心思想即在拉格朗日坐標(biāo)體系下，針對(duì)每個(gè)顆粒進(jìn)行檢索，計(jì)算由于接觸產(chǎn)生的力（圖1），再運(yùn)用牛頓第二定律進(jìn)行計(jì)算顆粒的加速度/速度和位移的變化，進(jìn)而得到整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。

2.2" 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）

壓裂液混配器作用的對(duì)象主要是顆粒液固兩相流，而非單一的固體散料或液體，應(yīng)用飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD方法，基于數(shù)值模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程，研究顆粒液固兩相流動(dòng)是一種非常高效的途徑。CFD的基本特征是數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以得到流體控制方程的近似解。CFD軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型，由前處理、求解器和后處理3部分組成，軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換。

2.3" 計(jì)算流體力學(xué)-離散單元法（CFD-DEM）

基于拉格朗日法建立的歐拉-拉格朗日模型（CFD-DEM）是目前描述該類(lèi)液固流動(dòng)系統(tǒng)主要的數(shù)值模擬方法。由于CFD-DEM法可跟蹤單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)信息，模擬顆粒與顆粒之間，顆粒與容器之間的碰撞，模擬顆粒在流體介質(zhì)中的堆積和分離現(xiàn)象，模擬顆粒和流場(chǎng)的相互影響，計(jì)算顆粒受到的流體力等相互作用，已在業(yè)內(nèi)得到了一定的應(yīng)用。CFD-DEM模型最常見(jiàn)的控制方程都基于A類(lèi)模型（顆粒受力直接包含了壓力梯度力），Ishii形式的動(dòng)量方程應(yīng)用較多，計(jì)算流程主要包括初始化、流體相計(jì)算和顆粒相計(jì)算。針對(duì)具體的工程應(yīng)用，CFD計(jì)算速度的提高主要依賴(lài)于高效的線(xiàn)性方程組求解器和合適的流體方程求解算法，DEM計(jì)算速度的提高主要依賴(lài)于高效的碰撞搜索算法，CFD-DEM模擬的計(jì)算結(jié)果受CFD網(wǎng)格質(zhì)量、離散格式、顆粒碰撞參數(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)、曳力模型和耦合方法等多種因素的影響。

3" 仿真方法分析

綜上分析，基于CFD-DEM耦合方法，對(duì)混配設(shè)備（車(chē)、撬）的核心部件壓裂液混配器進(jìn)行創(chuàng)新研究，通過(guò)作業(yè)載荷分析、物料運(yùn)輸過(guò)程仿真、多種物料攪拌和混合效果仿真、設(shè)備作業(yè)效率分析、結(jié)構(gòu)磨損分析及物料破碎仿真等計(jì)算過(guò)程，從結(jié)構(gòu)的集成和采用新材料及新工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，提升產(chǎn)品性能，掌握核心技術(shù)，為企業(yè)制造出新一代壓裂液混配器產(chǎn)品提出技術(shù)參考；通過(guò)升級(jí)壓裂液混配設(shè)備（車(chē)、撬）電液控制系統(tǒng)、自動(dòng)配液控制系統(tǒng)，制造出新型的石油鉆采專(zhuān)用智能壓裂液混配設(shè)備。

3.1" 仿真環(huán)境搭建

在高性能計(jì)算集群平臺(tái)上（4核4路AMD 皓龍 8347處理器，計(jì)算節(jié)點(diǎn)為刀片式，操作系統(tǒng)采用SuSE Enterprise Linux X86_64版，管理系統(tǒng)采用曙光機(jī)群Gridview），以高性能計(jì)算為契合點(diǎn)，針對(duì)機(jī)械模擬過(guò)程中的并行問(wèn)題，選擇openmpi、mpich等mpi軟件，對(duì)8核、16核并行測(cè)試并行效率。確定并行核數(shù)后利用Altair EDEMTM，基于EDEM-CFD耦合方法仿真設(shè)計(jì)新型混配泵，基于EDEM-CAE技術(shù)的設(shè)備設(shè)計(jì)散體物料模擬測(cè)試。

3.2" 仿真方案分析

3.2.1" 混配器機(jī)械結(jié)構(gòu)

混合設(shè)備的主要功能是將液體與各種支撐劑和壓裂砂按一定比例混合，然后在一定壓力下將混合液體輸送到壓裂設(shè)備的壓裂泵中，壓裂泵將混合液壓入井底地層。為了提高油井產(chǎn)量，延長(zhǎng)油井壽命，國(guó)內(nèi)外許多大油田都采用了大出砂量、大出砂率和大排量的壓裂技術(shù)，依據(jù)不同的地層使用石英砂或各種陶粒，以降低施工摩阻，提高造縫能力，這樣就會(huì)導(dǎo)致砂泵的磨損加大，報(bào)廢率提高，修復(fù)更換砂泵難度加大，增加生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響混砂車(chē)的施工效率，對(duì)壓裂液混配器進(jìn)行仿真分析（圖2），優(yōu)化混配器參數(shù)從而提升混配效率，對(duì)降低混配設(shè)備整體能耗水平，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.2" 顆粒材料參數(shù)分析

混配器作為一種散體物料處理設(shè)備，對(duì)于散料粒徑的設(shè)置分布模式，無(wú)論是正態(tài)分布還是隨機(jī)分布，其實(shí)都適用于各種不同的仿真工況需求，通用EDEM材料模型庫(kù)，基于多年工程經(jīng)驗(yàn)及物料參數(shù)，仿真過(guò)程可以快速確定物料多種參數(shù)取值范圍、設(shè)備的物理特性其相互作用參數(shù)（表1）。在確定剪切模量、粒子大小和形狀，標(biāo)定體積密度，虛擬測(cè)試并迭代改進(jìn)參數(shù)后，就可以進(jìn)行材料參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)。

3.2.3" 特殊顆粒建模分析

基于混配器的結(jié)構(gòu)分析，利用多球面組合建立復(fù)雜顆粒模型與CFD聯(lián)合模擬顆粒流體系統(tǒng)開(kāi)展仿真分析。確定仿真方案后，對(duì)顆粒參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定仿真、顆粒級(jí)配進(jìn)行選擇，并利用仿真模型進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)初選，確定葉片基本結(jié)構(gòu)，自定義特殊顆粒接觸力學(xué)模型、體力模型等，實(shí)現(xiàn)針對(duì)工況的建模要求，如顆粒熱脹、破碎、團(tuán)聚和電磁力等;自定義結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)、變形和熱屬性等，復(fù)雜工況模擬擴(kuò)展離散元方法的應(yīng)用領(lǐng)域。采用顆粒凍結(jié)技術(shù)、動(dòng)態(tài)計(jì)算域技術(shù)等特殊加速技術(shù)，針對(duì)大型儲(chǔ)料設(shè)備、大型料床的物料生成與作業(yè)過(guò)程進(jìn)行加速，大大提升仿真效率，通過(guò)分區(qū)統(tǒng)計(jì)、屬性傳感器、分區(qū)顏色顯示、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)分區(qū)顯示、切片顯示內(nèi)部和視頻結(jié)果輸出等步驟實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)。

4" 仿真方案優(yōu)化

將壓裂液混配器三維數(shù)模導(dǎo)入到CFD-EDEM軟件中進(jìn)行前處理。因?yàn)橛?jì)算對(duì)象是封閉的固液流體域，為了確?；炫淦鞯耐暾浴⒎忾]性，混配器內(nèi)部殼體部分只提取與內(nèi)部特殊物料接觸最多的表面，將其他端面做封閉處理；全部的提料葉片固定在殼體的相對(duì)位置，液體噴嘴也要安置在恰當(dāng)?shù)牡胤?，這樣當(dāng)滾子在設(shè)置的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，提料葉片、液體噴嘴會(huì)隨著滾子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為一個(gè)密閉容器的混配器，在仿真計(jì)算中WALL類(lèi)型即為SPH粒子，混合好的加砂液或加砂酸液輸送給壓裂車(chē)，這一步驟是通過(guò)模擬方法來(lái)實(shí)現(xiàn)；混配器內(nèi)輸送過(guò)程中，砂泵葉輪前端面與泵殼吸入口端面及葉輪后端面與右襯板之間有間隙，間隙當(dāng)中有大量砂粒通過(guò)，即MOVINGWALL類(lèi)型的SPH粒子；當(dāng)葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，砂粒與砂泵的吸入端面和右襯板摩擦，泵殼的吸入端面和右襯板變薄，葉輪前面、泵殼吸入端面和葉輪后面與砂泵右襯板之間的間隙增大，砂泵的排量和壓力逐漸減小，即FLUID類(lèi)型的SPH粒子。

混合器的轉(zhuǎn)速參數(shù)可以提前設(shè)置，打開(kāi)液固兩相流模型、黏性阻力模型和表面張力模型，在計(jì)算出每個(gè)齒輪和軸承、葉片轉(zhuǎn)速的情況下，砂土的摩擦和酸的腐蝕將加速泵殼吸入端面和右襯板變薄。計(jì)算的物理時(shí)間保持不變，保證混合器在整個(gè)模擬過(guò)程中旋轉(zhuǎn)15次，計(jì)算時(shí)間設(shè)定為30 s。

為保障砂泵的使用壽命，通過(guò)左襯板和右襯板表面均安裝耐酸耐磨橡膠，左右襯板通過(guò)螺栓固定在相應(yīng)的位置來(lái)增加砂泵葉輪、襯板的耐磨性，從而延長(zhǎng)砂泵的使用壽命，在這種情況下，計(jì)算規(guī)模相似，使用相同的硬件資源，每個(gè)案件可以在3 d內(nèi)完成。

后處理基于EDEM-CAE技術(shù)的設(shè)備設(shè)計(jì)散體物料模擬測(cè)試，傳統(tǒng)的CFD解與流體形狀、速度云、剖面、流線(xiàn)、矢量、時(shí)變曲線(xiàn)和時(shí)域平均流場(chǎng)相似，可以得到SPH顆粒。從以上分析可以看出，仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。通過(guò)模擬分析求解了固體或液體的來(lái)源和流動(dòng)方向，找到了問(wèn)題的根源，為進(jìn)一步建模提供了理論依據(jù)，并為新型混配設(shè)備產(chǎn)品的制造提供了重要的參考依據(jù)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，基于上述仿真分析，為開(kāi)發(fā)智能壓裂液混配設(shè)備的電液控制系統(tǒng)、自動(dòng)配液控制系統(tǒng)提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、使用方便、操作簡(jiǎn)便且可使用多種復(fù)雜工況的一體式智能控制方案，在產(chǎn)品上采用控制面板形式，面板上安裝常用的柴油機(jī)儀表、顯示器、電位計(jì)和控制按鈕等功能，顯示排出泵壓力、噴射泵壓力、吸入泵壓力、冷卻風(fēng)扇壓力、輔助系統(tǒng)壓力及系統(tǒng)氣壓，直觀觀察到液壓、氣動(dòng)的壓力值，方便判斷系統(tǒng)是否存在故障，也用于設(shè)定混配濃度、排量等重要參數(shù)，形成了成套的系列產(chǎn)品。

5" 結(jié)束語(yǔ)

本文的實(shí)際案例顯示，基于CFD-DEM耦合方法創(chuàng)新性地應(yīng)用于壓裂液混配器仿真研究，依據(jù)模擬分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際測(cè)試中的驗(yàn)證參數(shù)，證明新型混配器在仿真中的效果與實(shí)際情況接近，滿(mǎn)足壓裂液混配設(shè)備工況的分析要求，為產(chǎn)品制造提供了重要的參考依據(jù)，極大地縮短了產(chǎn)品研制時(shí)間，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)綜合效益，亦為企業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)快速開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新產(chǎn)品提供了有效的解決方案，解決了實(shí)驗(yàn)中難以預(yù)測(cè)和解決的實(shí)際工程問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任立波，韓吉田.基于CFD-DEM耦合并行算法的錐形噴動(dòng)床內(nèi)離散顆粒數(shù)值模擬[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，44（5）：993-998.

[2] 王顯旺，吳明福.剛?cè)狁詈系腁GV車(chē)體動(dòng)力學(xué)仿真[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（32）： 24-26，30.

[3] 劉曉東.基于EDEM-CFD耦合的烘干滾筒換熱仿真[Z].Altair EDEM在工程機(jī)械的多場(chǎng)景應(yīng)用大賽作品，2021.

[4] 曹寓，林騰蛟，田文昌.基于動(dòng)網(wǎng)格的齒輪噴油潤(rùn)滑流場(chǎng)仿真分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2017，30（3）：18-22.

[5] 陳剛.為什么需要CFD+DEM耦合方法分析顆粒兩相流[Z].Altair CFD專(zhuān)欄，2022.

[6] 黃凱.基于CFD-DEM耦合計(jì)算的離心泵性能研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2021.