黃芷薇 宋康康 邢麗麗

（長江大學機械結構強度與振動研究所，荊州 434023）

隨著油氣行業(yè)的發(fā)展，壓裂在油氣開采方面起著越來越重要的作用[1]。作為壓裂的主要設備，混砂車的主要作用是為混砂車提供混合好的壓裂液，經(jīng)壓裂泵加壓后擠入井底巖層[2]。要想造出高質量的儲層縫隙，要求混砂裝置能夠將壓裂液與支撐劑快速均勻地進行混合，保證支撐劑在混砂裝置出口端分布均勻。

混砂車性能直接影響壓裂施工作業(yè)效果，從而影響原油增產(chǎn)措施效率及原油的產(chǎn)量，其穩(wěn)定性、可靠性和安全性影響著壓裂施工作業(yè)的整體工作效率。目前，針對壓裂混砂攪拌裝置的研究主要集中在不同槳葉葉型及槳葉所處位置對攪拌效果的影響[3-6]，對于混合時間及混合均勻度評判標準的研究較少，但可參考其他類型攪拌裝置進行研究。本文借此對混砂攪拌裝置混合效果進行進一步的研究。

本文利用Fluent軟件對攪拌罐的內筒入水口數(shù)量進行改進優(yōu)化，目的在于得到混合時間更短、混合均勻度更高的混砂車攪拌罐結構，為攪拌罐的設計提供理論指導。

1 三維模型及網(wǎng)格劃分

以某企業(yè)混砂車攪拌罐為例進行優(yōu)化，以期得到混合時間更短、攪拌均勻度更高的攪拌罐結構[7]。某企業(yè)混砂車攪拌罐結構如圖1所示。水通過進水口進入外筒與內筒之間的環(huán)形空間，然后由上、中、下3層每層各6個進水口進入攪拌區(qū)域。進砂口設置在最上端，砂相和水相經(jīng)過攪拌槳攪拌混合，混合后形成的混合液由底部排出口排出。其中，上葉輪設置導流裝置，在便于液體形成上下的循環(huán)流動，從罐頂進入的部分砂粒隨著導流裝置被快速導入攪拌罐底部進行混合，保證了混砂的效率。固相砂粒和液相水在攪拌區(qū)內進行充分的攪拌混合，形成壓裂液排出混砂罐經(jīng)過壓裂設備進行壓裂作業(yè)。

對模型進行網(wǎng)格劃分時，因為攪拌罐形狀不規(guī)則，所以采用非結構化網(wǎng)格。將攪拌罐分為靜止區(qū)域和攪拌區(qū)域兩部分，靠近攪拌槳的部分攪拌速度較快，該部分的流體流動變化劇烈。為了保證計算的精度，需對此部分進行加密處理。最終共劃分網(wǎng)格數(shù)量為 875 623網(wǎng)格單位。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 流體力學模型

石英砂與清水的混合類型屬于固-液兩相流動，故需要引入多相流模型對其進行描述。Fluent中常用的多相流模型有VOF、Mixture、Eulerian等?？紤]到石英砂與清水之間存在不同的速度，本文采用Mixture模型模擬固液兩相流動。根據(jù)混砂攪拌系統(tǒng)的實際工作狀況，攪拌系統(tǒng)的流場規(guī)律需滿足質量守恒方程及動量守恒方程。

式（1）中：ρ為液體密度；t為攪拌時間；u、v和w是速度矢量在x、y和z方向上的分量。式（2）中：p和t分別表示微元上的壓力和粘性應力的分量，g和F為微元上的體積力。

2.2 數(shù)值模擬設置

攪拌罐攪拌流體的流動屬于旋轉參考系中的流動，因此采用滑移網(wǎng)格模型?；旌弦簽樯?水固液兩相，屬于固液懸浮攪拌，采用多相流Mixture模型。攪拌過程屬于復雜的旋轉流動，故采用Realizable k-ε湍流模型。

2.3 邊界條件的設定

攪拌罐的轉速設定為300 r·min-1，液相設定為水，固相砂粒視為擬流體。采用多重參考系模型（MRF）將反應區(qū)分成旋轉及靜止兩個部分，攪拌器附近區(qū)域在旋轉參考系下計算，其他區(qū)域使用靜止參考系，交界面上的速度通過交界面interface轉換。進砂口與進水口設為velocity-inlet，攪拌罐內筒上入水口數(shù)量設為18，排出口設為pressure-outlet，出口壓力設為0，含砂比為30%，進砂速度和進水速度根據(jù)需求設定。

3 仿真結果及分析

3.1 有無內筒對比

對攪拌罐是否存在內筒兩種結構的內部流場進行數(shù)值模擬，得到排出口平均密度隨時間變化的曲線圖如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，增加內筒對混合時間并沒有太大的改進效果。再對比排出口密度云圖得到圖4，可以看出，存在內筒的情況下，排出口的最大密度與最小密度之間差值更小，即排出口密度更均勻。

3.2 內筒上入水口數(shù)量

根據(jù)上述分析可以得出，內筒的存在能起到提高混合均勻度的作用。對此進行進一步分析，討論內筒上入水口的數(shù)量對混合均勻度和混合效率的影響。為研究內筒上入水口數(shù)量對混合效率的影響，在保證入水口分布均勻的情況下，改變攪拌罐內筒上入水口數(shù)量，分別設置為6個、12個、18個及24個，以混合時間和排出口的密度分布為指標描述對混合效果的影響。對比分析結果如圖5所示。

根據(jù)圖5可以得出，入水口數(shù)量不同時，達到基本混合均勻情況的時間相差并不大?；旌蠒r間的定義與試驗一樣，采用國際上通用的95%規(guī)則，即取當固相濃度達到最終穩(wěn)定濃度值的±5%時作為混合時間。入水口數(shù)量不同時，達到基本混合均勻情況的混合時間都在9.2 s左右。

不同入水口數(shù)量排出口密度分布圖如圖6所示。根據(jù)圖6可以看出，在入水口數(shù)量不同時，排出口的固相體積分數(shù)均在30%左右，即固液混合基本均勻。此外，隨著入水口數(shù)量的增加，排出口最大與最小處的密度差值逐漸減小，即排出口密度更均勻。

4 結論

（1）根據(jù)仿真結果得出結論，存在入水口的結構能使入水更加均勻，顯著提高排出口均勻度，從而提高混合效果。

（2）不同入水口數(shù)量對達到混合均勻情況下的混合時間影響不大，但對混合均勻度影響較大，入水口數(shù)量越多，混合越均勻。