混砂车搅拌罐流场分析方法.pdf

石油机械
2011年第39卷增刑
CHNA PETROLEUM MACHINERY
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设计计算
混砂车搅拌罐流场分析方法
周思柱陈翔吴汉川2祝克强黄天成
(1.长江大学机椃工程学院2.江汉石油管理局第四机城厂)
摘要为了设计大排量的混砂车搅拌罐,使其在现场能满足快速将压發液搅拌均匀的工艺要
求,运用流场分析软件 Fluent对其进行数值模拟,利用Pro/E建立揽拌罐的几何模型,采用四面
体网格划分方法,并对叶片附近区域进行网格加密处理。结果表明,随着时间的增加,搅拌罐内
混合液密度逐渐趋于均匀;运用uent软件对搅拌罐流场进行数值模拟,避免了理论计算与现场
试验的不足,可以很好地指导工程实践。
关键词搅拌罐压裂液 Fluent数值模拟
匀,对搅拌罐内部结构及尺寸,搅拌桨结构及尺寸
和导流板布置等都有严格的要求。
设计难点:一方面由于流体力学理论不完善,
随着油田开发进入中后期,如何提高原油采收对于复杂的湍流模型,一般采取经验或半经验公
率成为越来越迫切的问题。压裂工艺在一定程度上式(2-3,而搅拌罐搅拌桨在实际工况下高速搅拌,
可以提高原油采收率山。压裂时利用液体传递压使得在搅拌罐内流场始终处于湍流状态,加大了理
力的作用,用压裂机组将具有一定粘度的液体论研究难度:另一方面,如果采用试验法进行搅拌
压裂液)以大排量沿井筒注人油气层,油层就在罐流场研究“-,针对不同的工况,搅拌罐内部结
最薄弱的地方开始破裂形成一条或数条裂缝
构及尺寸与搅拌桨结构及尺寸都有不同,所需做的
压裂设备主要包括:压裂车、混砂车、管汇车试验组数很多,所需的人力、物力较大
和仪表车。压裂机组在施工过程中通过压裂管汇车
将整个机组连接在一起,通过压裂仪表车对作业全2 Fluent筒介与运用
过程进行监控并进行施工分析和记录。混砂车将混
砂液和各种添加剂搅拌后通过管汇输送到压裂车泵
基于上述难点,笔者提出运用 Fluent软件对混
车,压裂泵车在一定压力、排量条件下将压裂液注砂车搅拌罐流场进行模拟分析。运用 Fluent软件对
入油井生产层,实现地层压裂。由于混砂车中搅拌流场进行模拟,有以下好处:
罐搅拌出来的压裂液在压裂T艺中起着重要的作
(1)时间短。相对于现场试验, Fluent建模时
用,所以混砂车在压裂机组中起核心作用,而搅拌间比实际生产拌罐时问大大缩短
罐又在混砂车中起着核心作用。因此,研究混砂车
(2)试验成本低。在计算机上运行 Fluent软
搅拌罐的流场具有重要的现实意义。
件只需要花费一些时间和电量,而现场做试验则需
花费大量人力、物力,另外试验所用的压裂液不好
1混砂车搅拌罐设计难点及要点
处理
(3)检测安全。在压裂作业中,压裂试验现
设计要点:根据压裂工艺的要求,排量达到场有一定的危险性,通过 Fluent 7模拟可以预见现场
12~16m3/min,如何在最短的时间内实现攬拌均试验难以观测的部分。
基金项目:国家科技重大专项“3000型成套压裂装备研制及应用示范工程”(2017X05048);国家“863”计划项目“2500型大型
数控成套压裂装备的研制”(2009A063601)。
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石油机械
2011年第39卷增刊
匀,压裂液的实际密度与理论计算密度1180kg
3数值模拟计算
m3基本保持一致。
3.1几何模型建立
利用三维设计软件Pro/E建立混砂车搅拌罐的
几何模型,如图1所示。水从入水口进入环形空
间,然后由上、下2层进入搅拌区,其中由上层进
入搅拌罐的水由导流板引入,由下层进入搅拌区的
水由罐底的6个孔进人。砂从入砂口以一定的速度
进人搅拌区,经过搅拌桨的搅拌,形成压裂液后从
出口流出。
入砂口
攪拌桨
出口
入水口
图1混砂车搅拌几何模型
3.2网格划分
将Pvo/E建立的模型以.sp格式保存,并将其
导人 Gambit i进行网格划分?。对搅拌叶片附近区
域进行网格加密处理,采用四面体网格,共划分
60046个节点,2090886个网格单元。
3.3边界条件设置
叶轮在搅拌罐中搅拌混合固液两相流,多相流
计算采用欧拉模型。由于搅拌过程属于复杂的旋转
流动,可采用RNGK-湍流模型”进行分析计算
将叶片设置为壁面,旋转区域面设置为内部面,入
水口的边界条件设置为速度入口,入砂口边界条件
82单位:kgm
设置为速度人口,出水口设置为压力出口,区域设
d.第15s
置为流体,然后导出mesh文件。
图2不同时刻流场的密度云图
4数值计算结果及分析
5结论
数值模拟的目标函数是:在一定转速、含
(1)由流场的密度云图可知,随着时间的增
砂比的条件下,以最短的时间实现输出的压裂液密加,搅拌罐内混合液的密度分布逐渐趋于均匀;当
度分布均匀。
时间达到15s时,搅拌罐出口处压裂液已基本均
图2表示不同时刻流场的密度云图。由图可以匀,压裂液的实际密度与理论计算密度1180kg
发现,随着时间的増加,搅拌罐内混合液的密度分m3基本保持一致。
布逐渐趋于均匀,当时间超过7.5s以后,攬拌罐
(2)运用 Fluent软件对搅拌罐流场进行数值
内混合液的密度分布趋向于动态平衡;搅拌罐出口模拟,避免了理论计算与现场试验的不足,可以很
混合液的密度分布随着时间的增加越来越均匀;当好地指导工程实践。
时间达到15s时,搅拌罐出口处压裂液已基本均
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