胡兆文 柴晓玲 马学强 岳建灵 何亚城 战妍娇

(山东科技大学机械电子工程学院)

石油钻井工程中，钻井液搅拌器是重要的固控设备之一，作用是对固控罐内钻井液进行混合，保证钻井液中固相物质最大限度地均匀分布[1]。查阅资料发现，实际钻井工程中钻井液的混合主要通过搅拌器的搅拌和泥浆枪的冲击沉积作用来实现，搅拌器选型仅依据计算轴转率确定。轴转率只考虑固控罐的容积和搅拌器的排量，没有考虑不同形式固控罐内流场的特点。方形罐和圆弧罐内的混合流场因为罐体形式的不同，固液混合效果也不同。固控罐大仓内多台搅拌器的转向和小仓内搅拌器的布置形式对混合效果影响较大。为减少固控罐内的搅拌盲区、提高混合效果，针对目前固控罐单仓方形结构容易产生搅拌盲区、不利于搅拌器混合和大仓多台搅拌器(图1)同时启动时流场相互干扰问题，提出改变大仓搅拌器转向、增加小仓挡板方法来提高固控罐内固液混合效果，并利用流场模拟软件进行数值模拟分析，以获得搅拌流场的速度分布和固相浓度分布，从而为优化钻井液固控搅拌系统、改善固液混合效果提供技术支持[2]。

图1 大仓多台搅拌器常规布置

1 建立几何模型

建立三维模型，其中大仓尺寸8 000 mm×2 800 mm×2 800 mm，单仓搅拌区域尺寸3 000 mm×2 800 mm×2 800 mm，桨叶直径均为1 000 mm，采用斜叶式搅拌器，桨叶与竖直方向成60°夹角，搅拌器距罐低200 mm[3]；采用4块挡板，分别位于单仓四角，挡板尺寸1 150 mm×300 mm×10 mm，挡板距隔仓间隙400 mm，在不考虑仓内其他管道设备占用搅拌区域的前提下建立几何模型。考虑到计算成本，网格划分均采用非结构化网格，限制网格总数在30万～50万。有限元模型见图2、图3。

图2 无挡板有限元模型

2 数值模拟过程

模拟过程设固液两相流，主相为水，第二相为粒度0.1 mm的石英砂，密度2 650 kg/m3，搅拌器转速58 r/min。固相初始状态为距仓底部100 mm以下区域石英砂，体积分数为100%。搅拌器旋转采用下压流体方式，与实际运行中搅拌器转向相符，充分混合后固相体积浓度3.57%。采用非稳态流场进行计算，考虑重力影响。搅拌流场的混合效果主要受径向流和轴向流影响，因此通过对比分析搅拌器旋转30 s后两种不同模型流场的搅拌区域径向和轴向速度分布、固相浓度分布，验证大仓改变搅拌器转向和增加小仓挡板对固液混合效果的影响。

图3 有挡板有限元模型

3 模拟结果与分析

3.1 大固控仓模拟

分别在平行搅拌轴和垂直搅拌桨叶中心提取2个平面，30 s后同工况下，相同转向和相反转向的搅拌器所形成的固控罐速度矢量流场见图4、图5，固相浓度分布见图6、图7。

图4 相同转向速度矢量流场

图5 相反转向速度矢量流场

由图4可以看出，当搅拌器下压流体时，以罐底方向为视角，左右搅拌桨叶均为顺时针旋转。在固控仓两端均形成小型的不对称轴向旋流，左端旋流较大，不利于固相的交换。这是由于转向相同时，两搅拌器之间的径向流动方向相反，流体在此处碰撞，能量相互抵消，流速降低，无法形成轴向流。图5左端桨叶顺时针旋转，右端桨叶逆时针旋转，在搅拌器左右两端形成对称的较大的上下旋流，两搅拌器中间的流场径向流明显。

图6 相同转向时固控仓固相浓度分布

图7 相反转向时固控仓固相浓度分布

从图6、图7可以看出，固控仓的左端固相浓度较大，大部分区域固相浓度在5%左右，右端固相浓度较小，浓度在3%左右；转向相反时，固控仓内整体固相浓度在3%～4%，与设置的平均浓度3.57%接近。说明搅拌器转向相反可以使固液两相混合更加均匀，同时也与径向流和轴向流速度矢量分布形成对应关系。

3.2 小固控仓模拟

3.2.1 速度分布

垂直于搅拌轴在搅拌器中心区域截取1个平面，观察无挡板和有挡板两种模型的小固控仓内径向速度矢量分布，结果分别见图8、图9，轴向速度分布分别见图10、图11。

图8 无档板径向速度分布

由图8可以看出，无挡板时小固控仓混合液径向速度由搅拌桨叶附近向四周递减扩散，速度分层明显，受切向流影响较大，使搅拌器中间液位下降，形成搅拌器中心区域的低凹的漩涡，漩涡处容易混入空气，影响钻井液质量。在隔仓的4个角区域产生低速漩涡，容易堆积固相，压缩桨叶产生的旋转流动区域，不利于固液混合。

图9 有挡板径向速度分布

图10 无挡板轴向速度分布

图11 有挡板轴向速度分布

由图9可以看出，在小固控仓内增加挡板，桨叶附近最高速度4.02 m/s，桨叶带动的高速流冲撞挡板时一部分产生回流，另一部分绕过挡板，在仓角流动，带出仓角的介质，有利于固液混合，同时挡板区域的旋流也增加了整个搅拌区域的旋转流动区域。

由图10、图11可以看出，两种模型均产生上下翻转的轴向流，搅拌器下端的速度均比上端大，原因是最初固相物质堆积在仓底，搅拌器采用下压流场方式旋转，起到增加固相流速的作用，缩短混合时间。无挡板时，桨叶下端的速度较小，容易造成固相堆积。有挡板时，从桨叶中心向仓壁形成较大速度的轴向流动，但在桨叶下端速度较低，轴向流动不明显，属搅拌盲区。

3.2.2 固相浓度分布

无挡板和有挡板两种模型的小固控仓内固相浓度分布分别见图12、图13。

图12 无挡板固相浓度分布

图13 有挡板固相浓度分布

由图12、图13可以看出，搅拌30 s后，两种模型的桨叶中下部固相含量均达到最高，无挡板时最大固相体积浓度为30%，仓底固相浓度均在20%以上；有挡板时，桨叶底部最大固相浓度为11.8%，仓内浓度在3.5%～4.7%，固液混合效果较好。此外，两种模型中固相均沿仓壁向上扩散，在搅拌器下部形成一个凹形区域，这与搅拌器形成的轴向旋流对应，同时还可以看出搅拌桨叶的底部是两种形式流场内的搅拌盲区。

4 结 论

(1)方形大固控仓设置相同转向的多台搅拌器，相邻搅拌器之间的介质流向相反，造成能量抵消，固控仓的左端固相浓度为5%，右端固相浓度为3%；转向相反时，大固控仓内固相浓度为3%～4%，固相分布均匀。

(2)方形小固控仓单台搅拌器在固控仓的四角和搅拌桨叶的下端存在搅拌盲区，容易造成固相沉积，仓底固相浓度均在20%以上；增加挡板后，桨叶底部固相浓度低于11.8%，仓内浓度在3.5%～4.7%，固液混合效果较好。

(3)方形大固控仓内相邻搅拌器转向相反时可避免搅拌器之间的流动干扰；在方形小固控仓的搅拌器四周布置挡板，可有效减少死角搅拌盲区的固相沉积，有利于固液混合，提高钻井液质量。