压裂液配制用固液混合装置结构优化

卢 毅，赵 敏，台广锋，王小宝

(北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628)①

压裂液是压裂作业施工时使用的工作液，它的主要作用是将地面设备形成的高压传递到地层中，使地层破裂形成裂缝并沿裂缝输送支撑剂[1-2]。国内压裂液现场连续混配/配制设备有固定式和移动式，其中移动式分为撬装式和车载式。无论是固定式还是移动式配液设备，整套配液设备基本由供粉系统、混配系统、液添系统、进水系统、发液系统等组成[3-4]。配液过程中，供水系统控制方式、粉料的下料速度和固液混合装置的结构形式对压裂液配制质量产生重要影响，其中固液混合装置是水粉均匀混合的关键设备[6]。

固液混合装置主要由工作水流管路、环形喷嘴、抽吸管路、喉管、壳体等组成，如图1所示。工作过程中，首先将具有一定压力的清水泵入至固液混合装置进水口，通过固液混合装置水流管路加速形成高速水流，从抽吸管喷嘴出口处射入，并形成了一个低压区；由于气体的粘性，高速气流不断抽吸管路中胶粉，胶粉在压力差的作用下，不断向低压区流动，与清水均匀混合，形成一股均匀的混合液；混合液经喉管减速后排出。固液混合装置在工作过程中抽吸管喷嘴出口处具有一定的真空度，实现了对胶粉的抽吸。

图1 固液混合装置结构示意

本文通过CFD方法对目前应用的固液混合装置进行流场建模及性能评价，得到其内部流场分布，通过定性分析现有结构的固液混合装置存在的问题，并提出了2种结构改进方案。对改进后的固液混合装置分别进行定性分析，将其与现有结构固液混合装置进行比较，得到最优结构型式的固液混合装置。

1 固液混合装置流场分析

1.1 数值模型边界条件设置及网格划分

定义喉管长度为L，喉管直径为d，环形喷嘴面积为S。定义无量纲参数喉管长径比N，面积比m，其计算式为:

(1)

(2)

假设固液混合装置壁面为理想壁面，忽略壁面厚度；吸入管道和输运管道内流体呈均匀管流分布。取靠近喷嘴部分为计算区域，在建立计算区域时适当简化处理。由于轴对称性，只需要选取混合装置的轴旋转截面作为研究对象。固液混合装置模型的边界条件如图2所示。

图2 固液混合装置边界条件示意

采用ICEM软件对混合装置进行结构化网格划分。为了得到混合装置边界条件设置类型，取配液常用流量进行计算，获得其边界条件类型。喉管长径比N=10；固液混合装置的工作流量Q=180 m3/h ,工作流体为清水；取环形喷嘴处为入口边界条件，出口管径ø100 mm。

1.2 流场数值分析[6-10]

1.2.1 关闭抽吸流体入口时内部流场分析

取喉管长径比N=10、工作水流量Q=120 m3/h，将抽气口关闭时的混合装置作为模拟对象，进行数值分析。空化现象初始发生在喷嘴的初端，抽吸管路部分由空化产生的水蒸气所充斥，在喷嘴附近的管壁由于压力较低，发生空化的现象比较严重；由于在喉管压力后端的压力逐渐升高，导致气泡的尺寸变大，最后空泡溃灭。

现结构固液混合装置的管壁含气率分布如图3所示，图3中横坐标为固液混合装置坐标系中y轴方向数值，纵坐标为管壁上的含气率。由图3可知，在抽吸管路内，由于重力及抽吸力的作用，抽吸管路几乎被水蒸气所充满，管壁含气率几乎为1；在入口与喉管之间的收缩部分含气率几乎为0；在喷嘴至出口范围内，气体的含气率逐渐升高。在出口的临界处突然降低而没有出现缓冲区，这是因为喉管长度过短及没有设置扩压管的原因所造成的。其中，含气率的陡然降低代表着气泡的溃灭。

图3 现结构固液混合装置管壁含气率分布

由于装置环形喷嘴的渐缩性，工作流体流速陡然增大，使得喉管处产生低于该温度下的临界空化压力，从而导致空化现象的产生。由模拟分析可知，空化的主要发生位置在喷嘴附近，这是由于此段的压力稳定在某一个低压范围，导致空泡得以滞留；随着出口方向压力逐渐增大到空化临界压力以上，含气率骤降。

对固液混合装置参数进行单因次变量分析。取环形喷嘴和喉管的面积比m=0.2，喉管直径d=100 mm ，喉管长径比N分别为2、5、8、11、13，进行流场的模拟计算。为了防止由于空化现象的产生而使得固液混合装置内部压力达到临界压力，不便于进行比较，取较小的供水压力0.2 MPa。

关闭抽吸流体入口工况下，固液混合装置产生真空度曲线如图4所示。固液混合装置所产生的最大真空度随着喉管长径比的增大而先增大再减小，呈现出类似抛物线的曲线，在N=11时固液混合装置产生的真空度最大。

图4 现结构固液混合装置产生负压曲线

1.2.2 打开抽吸流体入口时内部流场分析

设定喉管长径比N=10，进水压力0.4 MPa，面积比m=0.2，工作状态为自然吸气。现结构固液混合装置在工作的过程中，被吸入空气首先由粗径的抽吸管吸入，然后在进入到细径的进气管中，进去固液混合装置腔体内部，在此过程中，被吸入气体由于管径的变化，流速得到提升；但由于管路形状骤变，气体存在一定的局部动能损失。进气管路直径较小造成固液混合装置喷嘴与进气管路之间有着较大的壁面区域，此区域附近的流场分布图如图5所示。

图5 现结构固液混合装置局部流速分布

由图5可以看出，由于固液混合装置喷嘴与进气管路间较大的壁面区域的存在，导致此处流场的流速较为缓慢，且有较大程度的回流及旋流现象的存在。

在固液混合装置工作过程中，由于被抽吸物料为瓜尔胶粉，其有可能在此区域与水及水蒸气进行混合形成黏度很大的结块，影响固液混合装置的正常工作，甚至导致固液混合装置的堵塞。

2 固液混合装置结构改进

为避免固液混合装置堵塞现象的发生及减小被抽吸物料动能的损失，并考虑减少物料及抽吸气体在进料管路的动能损失，以及减小固液混合装置喷嘴与进料管路之间的壁面距离2个方面，采用进料口扩张及喷嘴收缩2种改进方案，2种改进结构如图6所示。

图6 固液混合装置两种改进结构示意

3 两种结构固液混合装置流场分析[11-15]

3.1 抽吸真空度分析

对固液混合装置参数进行单因次变量分析，分析其在各喉管长度下所产生的负压。取环形喷嘴和喉管的面积比m=0.2，喉管长度与喉管直径之比N分别为2、5、8、11、13进行流场模拟计算。由于抽吸流体入口关闭，为了防止由于空化现象的产生而使得固液混合装置内部压力达到临界压力，不便于进行比较分析，取较小的供水压力0.2 MPa。2种不同结构固液混合装置产生的负压分别如图7～8所示。

图7 进料管扩张型抽吸管路入口负压曲线

图8 喷嘴收缩型抽吸管路入口负压曲线

由图7～8可见，在面积比m=0.2、进水压力为0.2 MPa的工况下，随着喉管长度的增加，固液混合装置所产生的负压呈现出类似抛物线的曲线。进料管扩张型抽吸管路入口真空度最大值出现在N=5，最大真空度为0.79；而喷嘴收缩型抽吸管路入口真空度最大值出现在N=11，最大真空度为0.88。

3.2 流态分布分析

分别对所提出的进料管扩张型和喷嘴收缩型固液混合装置进行内部流态对比分析。设定喉管长度与直径比N=10，进水压力0.4 MPa，面积比m=0.2，工作状态为自然吸气，其喷嘴附近流速分布如图9～10所示。

图9 进料管扩张型结构喷嘴附近流速分布

由图9可以看出，进料管扩张型固液混合装置仍然存在着与原有固液混合装置类似的问题。在进料管的扩张区域附近，依然存在着局部低流速区域，但低流速区域存在面积小于原有结构固液混合装置，且靠近进料管附近回流基本已经消除。其内部流场流态分布优于原有结构固液混合装置，但仍存在着一定的缺陷。

由图10可以看出，喷嘴收缩型结构形式固液混合装置在工作过程中，进料管附近区域附近不存在低流速流场分布及回流现象。这在一定程度上降低了在工作过程中粉料堵塞的可能性较低。

图10 喷嘴收缩型结构喷嘴附近流速分布

4 不同结构固液混合装置性能对比评价

采用工程上常用的调试工况下所产生真空度大小和生产工况下的流场分布对抽吸粉质物料所带来影响两种方式，对喷嘴收缩型、进料管扩张型及原有结构3种不同结构形式的固液混合装置进行分析。3种结构形式固液混合装置产生的负压大小对比如图11所示。

图11 不同结构形式固液混合装置产生负压大小对比

如图11所示，在其他工况相同的条件下，喷嘴收缩型固液混合装置在喉管长径比N>5的工况下，所产生的真空度明显优于其他2种结构形式的固液混合装置，并且压力变化趋势较为稳定及平滑；进料管扩张型固液混合装置在喉管长径比所产生的抽吸真空度效果较差，原有固液混合装置则介于两者之间。以固液混合装置所产生真空度最高为评判标准，喷嘴收缩型固液混合装置效果最为理想，原有结构固液混合装置次之，进料管扩张型固液混合装置效果最为不理想。

对3种结构形式固液混合装置进行内部流态对比分析，所提出2种改进结构形式固液混合装置流场在总体分布上均优于原有结构固液混合装置，但进料管扩张型结构型式固液混合装置在进料管扩张区域依然存在着一定程度的低流速区域及小范围程度的回流，在粘性物料进料速率快或抽吸负压不足时，有可能导致在低速回流区产生物料的粘结，影响固液混合装置的正常工作。以引发物料抽吸堵塞可能性为评价指标，喷嘴收缩型固液混合装置效果最为理想，进料管扩张型次之，原有结构固液混合装置最不理想。因此优选喷嘴收缩型固液混合装置为最佳结构。

5 结论

1) 利用Fluent软件对现有结构的固液混合装置进行流场分析知，存在低速回流区的缺陷。基于此提出了固液混合装置的进料管扩张型及喷嘴收缩型2种结构改进方案。

2) 利用数值模拟方法进行流场分析，通过对所建立的多个模型的定性对比分析，结果表明喷嘴收缩型固液混合装置的进料管路附近不存在低速回流区，且其产生抽吸真空度最大，为最佳结构方案。