钻井泥浆罐搅拌器混合过程数值模拟分析

刘 亚 龙芝辉 张仕峰 濮兰天 冯 利 赵燃

(重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331)

钻井泥浆罐搅拌器混合过程数值模拟分析

刘 亚 龙芝辉 张仕峰 濮兰天 冯 利 赵燃

(重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331)

通过数值模拟的方法，分析搅拌罐内的流场规律，研究泥浆罐搅拌器混合系统的混合过程。利用三维数字建模软件AutodeskInventor建立泥浆罐搅拌器三维模型, 应用CFD计算软件的FLUENT软件模拟泥浆罐内钻井液的混合过程，选用标准湍流模式模拟湍流状态。

泥浆罐； 搅拌器； 数值模拟

在钻井液循环系统中，搅拌器是泥浆净化配套系统的组成部分。其作用是充分混合钻井液材料，使其中的固相颗粒保持悬浮，并使钻井液混合物保持均匀状态。实际生产中，搅拌器的混合作用并不理想。工程实践发现，只有通过钻进循环才能使钻井液混合均匀，搅拌器的搅拌作用是避免钻井液中出现固相沉淀[1]。

应用CFD 软件可以较准确地分析流体流动的时变特性，评价搅拌器的整体性能, 并根据流体分析结果发现产品或工程设计中的问题,消除潜在的不利影响。 这样，可以降低产品设计中对实验验证的依赖性,缩减不必要的实验过程，缩短设计周期, 降低成本[2]。本次研究将分析泥浆罐搅拌器混合系统的混合过程，运用FLUENT软件进行模拟，分析评价不同情况下搅拌器的混合效果。基于分析评价结论，对泥浆罐上安装搅拌器的混合系统提出改进建议。

1 搅拌器模型参数设定

以一定比例缩小简化钻井现场泥浆罐搅拌器系统，对其搅拌部分进行三维数值模拟分析。设定罐体边长为200 mm，介质为水和固体小颗粒，选用四斜叶搅拌浆叶及搅拌轴为流场数值模拟分析对象。转速为76 r/min，叶片长度为60 mm,叶片安装离底高度为30 mm，桨叶倾角为60°。

利用三维数字建模软件AutodeskInventor建立泥浆罐搅拌器的三维模型(见图1)。建模过程中对搅拌机的整体结构进行了简化处理，仅模拟搅拌槽、搅拌轴、桨叶叶片等搅拌机的关键零件，而对影响细微的其他零件予以忽略。

图1 泥浆搅拌器的三维模拟图

2 搅拌器数值模拟过程

2.1 网格划分

根据桨叶的结构，对整个搅拌槽建模。将整个计算区域划分为转子区和静子区，区域层间距大小不一。首先对搅拌槽体即静子区进行网格划分。计算区域的几何结构形状比较规则，可以对其进行结构化网格划分。结构化网格中各节点及控制容积的几何信息必须存储起来，但各节点与其相邻点的关系则不必存储，而是依据网格编号规律自动形成。此网格计算过程较简单，便于控制。

模型的静子区采用结构化网格，即六面体网格。图1所示为泥浆搅拌器的三维模拟图。转子区网格的计算区域比较复杂，可进行非结构化网格划分。在非结构化网格中，各节点与其邻点的关系并非固定不变，其联结信息必须显式地确定下来并加以存储。这种网格应用较普遍。由于越靠近搅拌轴，搅拌速度越快，因此，转子区网格间距应设置为1。图2所示为搅拌器的网格图。

图2 搅拌器的网格图

2.2 计算方法

搅拌器流场数值模拟的边界条件包括搅拌体壁面、搅拌轴壁面、搅拌桨叶壁面、动静区域交界面和动静流动区域等参数设置。其中，搅拌体壁面为静态壁面，标准静态壁面函数为默认设置。搅拌轴壁面和搅拌桨叶壁面为动态壁面，其运动方式分别为主动运动和被动运动；因此，搅拌轴壁面设置为绝对运动壁函数，搅拌桨叶运动壁面设置为从动运动壁面函数，并设置相应的搅拌转速[3]。采用有限体积法来求解离散方程，使用SIMPLE算法进行压力-

速度耦合，差分格式采用二阶迎风格式，流动场的计算采用多重参考系法(MRF)[4]。将计算域分为旋转区域和静止区域：旋转区域包括旋转的桨叶和轴，在旋转参考系下进行计算；外部静止区域采用静止参考系。交界面上的速度通过交界面interface来转换，选用标准湍流模式来模拟湍流状态[5]。为保证计算结果的收敛性，数值模拟的时间步长取0.05 s。

3 模拟结果及分析

通过模拟，可直观地观察泥浆罐上搅拌器的混合过程及效果，分析搅拌过程中的钻井液混合流动规律。

从速度分布云图模拟结果来看，初期速度云图中只有叶片附近的流体以一定速度移动，接着流体速度云图慢慢上移；后期云图中显示，整个搅拌器内的流体都在流动。搅拌罐内形成一个较大的搅拌场，从这一过程中可以看出搅拌器对钻井液混合过程的促进作用。图3所示为模拟初期泥浆罐搅拌器正剖面速度分布云图。图4所示为模拟后期泥浆罐搅拌器正剖面速度分布云图。

接着分析该模拟结果的流体力学规律。观察泥浆罐搅拌器轴正剖面的速度矢量云图,认为该流型为轴流式，搅拌流场为轴对称，循环通道通畅，搅拌罐内形成一个较大的搅拌场，流体从自由液面流下，途径搅拌叶轮冲击容器底部，再沿着容器壁面流向自由液面。如此形成一个循环，主体循环较好。在叶片转动过程中，从轮毂到轮缘的叶片径向压力由低变高，叶片的做功能力逐渐增强。这样导致叶片内侧产生低压区，也在叶片上下形成涡流，从而促进了泥浆混合。图5所示为泥浆罐搅拌器轴正剖面速度矢量云图。

图4 模拟后期泥浆罐搅拌器正剖面速度分布云图

观察泥浆罐搅拌器径向横截面速度矢量分布云图，认为方形泥浆罐的4个方角附近及罐体底部流体存在低速区，容易产生悬浮固相颗粒的堆积，从而影响泥浆罐搅拌器的混合效果。若搅拌器的外形为圆柱体，会有更好的混合效果，不易产生悬浮固体的堆积。图6所示为泥浆罐搅拌器径向横截面速度矢量云图。

图5 泥浆罐搅拌器轴正剖面速度矢量云图

图6 泥浆罐搅拌器径向横截面速度矢量云图

4 结 语

利用三维数字建模软件AutodeskInventor建立泥浆罐搅拌器的三维模型, 应用CFD计算软件模拟泥浆罐内钻井液的混合过程,选用标准湍流模式来模拟湍流，分析搅拌罐内的流场规律。模拟结果显示，泥浆罐流场为轴流式，搅拌流场为轴对称，循环区域较大，主体循环较好。方形泥浆罐4个方角附近及罐体底部的流体存在低速区，钻井使用过程中需要定时清理该区域泥浆罐堆积的固相颗粒。

[1] 李秉跃,刘潇潇.钻机固控系统设备配置的研究[J].甘肃科技，2009,25(7)：62-63.

[2] 雷晶.基于FLUENT软件搅拌器的流体模拟[J].油气田地面工程,2010,29 (8)：26-27.

[3] 白晓莉，唐克伦，李辉，等.基于Fluent的搅拌器三维流场数值模拟及其实验研究[J].机械工程师，2015(4)：17-21.

[4] KASAT G R,KHOPKAR A R,RANADE V V,et al.CFD Simulation of Liquid-phase Mixing in Solid-Liquid Stirred Reactor[J].Chemical Engineering Science,2008,63(15):3877-3885.

[5] 潘中永,李帅，张华，等.搅拌罐内纸浆悬浮液内部流动数值模拟[J].排灌机械工程学报，2011，29(3)：204-208.

Numerical Simulation Analysis of Mixing Process of Drilling Mud Slurry Tank Mixer

LIUYaLONGZhihuiZHANGShifengPULantianFENGLiZHAORan

(Oil and Gas Engineering Academy of Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331, China)

Through numerical simulation, the flowing rule about flow field in the agitator tank is analyzed and the mixing process of slurry tank mixing system is studied. The slurry tank mixer 3D model is simulated by Autodesk Inventor 3D modeling software and mixing process of the drilling fluid in the slurry tank is simulated with the help of CFD software FLUENT; the standard turbulence model is selected to simulate turbulent flows.

mud tank; agitator; numerical simulation

2016-04-10

国家自然科学基金项目“大斜度井段带螺旋槽井壁环空岩屑运移机理研究”(51404050)；重庆科技学院校内科研基金项目“钻井泥浆液罐搅拌器混合过程数值模拟分析”(YKJCX2014024)

刘亚(1989 — )，女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为油气井工程。

TE928

A

1673-1980(2016)06-0053-03