关天灏，许雪岩，唐 亮

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318； 2. 大庆油田有限责任公司第五采油厂太北作业区，黑龙江 大庆 163513）

聚合物驱搅拌器的结构设计与分析

关天灏1，许雪岩1，唐 亮2

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318； 2. 大庆油田有限责任公司第五采油厂太北作业区，黑龙江 大庆 163513）

在聚合物和三次采用过程中，我们需要将聚合物母液和水进行充分的混合，然后注入到地面中进行驱油，目前在现场使用的搅拌器不混合效果不是很理想，所以我们需要研发出一种搅拌器来增强混合效果，以满足三次采油和聚合物驱油的要求。在前人研究的基础上对聚合物驱搅拌器的结构进行选用、设计、计算，并且通过三维模型仿真和数值模拟进行分析装置的可靠性、安全性、以及混合效果。给出了驱油的地面工艺流程、聚合物驱搅拌器的设计思路及其工作原理和构造形态。在设计的过程当中采取了计算分析和仿真分析的方法来对聚合物驱搅拌器的构造进行设计。

聚合物驱；搅拌器；数值模拟；有限元分析

经过第一、第二次驱油之后采用聚合物驱油可以大幅度的提升采油效率，但是驱油液的混合程度影响着聚合物驱油的效果，所以在实际生产当中我们需要设计出一种搅拌器来提升混合效果，为了验证其可靠性和混合效果，我们采取仿真技术对其进行分析。

本文利用 solidworks 对聚合物驱搅拌器进行了有限元分析，在理论符合条件的基础上来验证实际生产时的可靠性。

1 聚合物驱搅拌器模型建立

由于聚合物的母液的粘度大约在 50 mPa∙s 左右，经过研究选型，我们选取涡轮式搅拌器，由于液体的液面高度过高，在这里我们来设置多层桨叶来加强溶液的混合效果[1,2]。聚合物母液混合液从进料口进入搅拌容器内，搅拌轴在电动机的带动下转动带动搅拌器桨叶进行转动从而在桨叶的带动下，搅拌器内的流体会进行旋转，经过足够长的时间液体进行充分混合，再从出料口流出进入到熟化装置中。图1为搅拌器桨叶单元。

图 1 聚合物驱搅拌器桨叶Fig.1 Polymer flooding agitator blades

对于搅拌器桨叶来说，当聚合物母液进入到搅拌器容器中时，流体在桨叶的带动下进行旋转，桨叶为流体的旋转提供了动力， 是流体在搅拌容器内发生循环，是的溶液中的流体甚至是悬浮的颗粒能够得到均匀的混合，而为了达到均匀混合这一目的我们需要通过强制对流、均需混合器件来实现，即搅拌器的内部构件。其中包括电机、减速器、支撑架、安装贴板、轴封、联轴器、搅拌轴、叶轮。其中搅拌器的类型、转速以及尺寸对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都是有影响的。另外不同介质粘度的搅拌是指流体在流动的时候对桨叶的阻抗能力。其次搅拌器的内部构件特别是叶轮等也是影响搅拌的重要因素。

2 网格划分

网格划分控制能建立对实体模型划分网格所需要的各种参数，如单元形状、中间节点位置、单元大小等。这一步是分析中最重要的因素，因为这个阶段是确定生成的模型是否能满足精度和经济分析的重要步骤。其网格图 2 、图 3 所示。

图 2 网格参数图Fig.2 Grid parameter map

图 3 搅拌桨叶网格图Fig.3 Stirring paddle grid graph

3 有限元分析

聚合物驱搅拌器的扇叶形状属于不规则形状，所以我们对桨叶进行整体实体建模，材料为 Q345B。对结果进行处理分析的时候，分别得到桨叶位移、应力分析和应变图，如图 4、5所示，我们只需要检验桨叶的最大应力是否在所能承受的范围内和安全系数即可。搅拌器扇叶材料为 Q345B 焊接到扇叶板上，在扇叶的同侧加载 500 N 的液体阻力，加载应力如图4所示。

图 4 搅拌器桨叶应力图Fig.4 Agitator blade stress map

图 5 搅拌器桨叶位移图Fig.5 Agitator blade displacement map

最大应力出现在扇叶靠近轴部分，为 54 MPa，取安全系数 1.5，小于 Q345B 许用应力 230 MPa，符合强度要求。

4 结果分析

聚合物驱搅拌器属于径向流搅拌器，液体在桨叶之间产生高速的径向流速，流动方向垂直于搅拌轴方向，在撞到搅拌容器筒壁后，会沿着径向分成两股流体，一股是向上的，一股向下的，最后回到桨叶处在循环流动。又由于桨叶的页面具有非常强大的轴向流动，是向上循环的液体透过叶片缝隙流入到下循环液体中，属于典型的轴径混流搅拌器，混合效果非常好[3]。

图 6 速度分布截面图Fig.6 Sectional view of the velocity distribution

由图6的轴截面的轴向速度分布图可以看出，在聚合物驱搅拌器的下部有着明显的径向流动，即搅拌器在径向上速度逐渐增大，这说明了聚合物驱搅搅拌器有着充分的搅拌速度，作为流体运动的通道，最后以一个很大的速度排除流体[4]。湍流的粘度和长度都是在搅拌容器的上部较大，在低端较小，由于聚合物驱油对母液的粘度有一定的要求，所以我们在搅拌的同时应该注意流体的粘度降解不要太大，由于底部的桨叶旋转的作用，对流体发生了剪切的作用所以流体的粘度变低，从图6可以看出粘度降低范围在所允许的范围之内，符合聚合物驱油的要求[5]。

［ 1］ 胡 博 仲 ， 刘 恒 ， 李 林.聚 合 物 驱 采 油工 程 [M].石 油 工 业 出 版 社 ，1997:200-227.

［2］王伟，张书斌.利用三维 CAD 技术实现搅拌器快速设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2003,2 (9)：73-74.

［3］张林进，叶旭初.搅拌器内湍流场的 CFD 模拟研究[J].南京工业大学学报，2005,27 (2)：59-63.

［4］姜培正.过程流体机械[M].北京：化学工业出版社，2004.

［5］钟丽，黄雄斌，贾志刚.用 CFD 研究搅拌器的功率曲线[M].北京化工大学学报，2003, 30(5)：4-8.

Structure Design and Analysis of Polymer Flooding Agitator

GUAN Tian-hao1，XU Xue-yan1, TANG Liang2
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. Daqing Oil Field Company No.5 Oil Production Plant, Heilongjiang Daqing 163513，China）

During polymer flooding, polymer mother liquor and water need be thoroughly mixed and then injected into the ground to carry out flooding, currently blenders used in the field have not good mixing effect, and so new blender need be developed to enhance the mixing effect in order to meet EOR polymer flooding requirements. In this paper, based on previous studies, selection, design and calculation of the polymer flooding agitator were discussed, and the reliability, security and mixing effect of the device were analyzed through a three-dimensional simulation analysis and numerical simulation. The ground flooding process was obtained as well as design ideas, principle and structural features of the polymer flooding agitator. The calculated analysis and simulation analysis were used to design the structure of the polymer flooding blender.

Polymer flooding; Agitator; Numerical simulation; Finite element analysis

TE 357

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1245-02

国家科技支撑计划项目，项目号：2012BAH28F03。

2014-05-09

杜永军（1962-），男，黑龙江大庆人，教授，博士学位，研究方向：机电一体化。