海洋修井机泥浆搅拌器设计优化

孟庆元 韩 鹏 刘江歌

（中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452）

0 引 言

在修井机修井过程中，修井液（泥浆液）是整个过程的媒介，通过高压泥浆泵使其在井筒内形成循环，从而冷却钻头、引导钻具的顺利下井，同时携带井内岩屑、稳定井壁，保证井下作业施工的顺利进行。泥浆液质量的优劣直接关系到修井作业能否持续高效的进行，所以在泥浆配置过程中选取合适的搅拌器非常重要。

近年来，渤海油田每年由稳产3 000万m逐步向增产4 000万m奋进。为了满足目前渤海油田快速开发的要求、促进“加快新油田”建设，新建修井机设计形成一套标准化的体系。泥浆搅拌器作为其中的1个设备，在渤海新油田开发过程中，需要直接采用研究成果，快速进入采办、陆地建造及海上安装，加快工程建设速度和提高油田开发效率。

在标准化设计中，HXJ135和HXJ180双井区修井机为了满足修井要求，均需要总容积为180 m泥浆。根据工艺流程的设计，修井机需要设置3个泥浆罐，每个泥浆罐有效容积约60 m，罐体净尺寸（长×宽×高）为6 600 mm× 3 500 mm×2 700 mm。由于罐体长宽尺寸比例较大，所以每个泥浆罐采用2套搅拌器，每套搅拌器需要搅拌的容积尺寸（长×宽×高）为3 300 mm×3 500 mm×2 700 mm。

1 搅拌器设计

1.1 桨型选择

搅拌器不仅要保证罐内泥浆循环量大，而且流场流动范围也要广泛，所以桨型选择尤为重要。常用的桨叶型式有桨式、推进式和涡轮式等，结合修井液的黏性、剪切性和经济性并结合以往项目应用，通常选取桨式叶轮。桨式搅拌器结构简单、易维护，多用于防固体沉降。为了增加循环量、缩短混合时间，搅拌器桨叶数量一般为4片；为了加强轴向流动性能，采用45°倾角的桨叶。

1.2 叶轮层数

修井液属于固体悬浮式流体，作业过程中要求容积循环速率高、湍流度强，故对搅拌器的性能要求较高。此外，泥浆罐有效高度为2 700 mm，间断作业过程中，泥浆罐底部会有大量的泥沙沉积，为了提高作业效率、提高搅拌器性能，采用双层桨叶。据调查，目前海洋修井机搅拌器2个叶轮直径有等径和不等径的情况。

双层桨叶一般分为3种组合分别为：“上大下小”，即上部叶轮直径大于下部叶轮；“上下等径”，即2个叶轮直径相同；“上小下大”，即上部叶轮小于下部叶轮。

1.3 叶片设计

叶轮在搅拌过程中会出现“圆柱状回转区”，此区域内的混合效果很差，致使混合时间较长，不利于搅拌混合，泥浆混合过程中要尽量缩小这个区域，所以桨径并非越大越好。此外，由于配浆时需要较大的剪切作用，并且受到安装强度的限制，桨叶直径也不能太大，一般情况下桨径与罐径比为0.3~0.5。根据泥浆罐尺寸以及上述说明，本文中的大桨叶直径设定为1 000 mm，小桨叶直径为600 mm。2片桨叶上下间距为850 mm，桨叶宽120 mm、厚14 mm。

2 CFD数值模拟分析

2.1 物理模型及简化

海洋修井机泥浆罐是由瓦楞板及工字钢组合焊接而成，内壁不均匀、建模难度大，所以将泥浆罐内壁简化，简化模型见图1。

图1 简化模型

对简化后的装置在GAMBIT软件中生成模型，并对流场部分进行网格划分。为提高模拟的稳定性，网格划分采用适应性较强的四面体非结构化网格 Tet/Hybrid、Type、Tgrid。采用多重考系法（MRF）进行稳态模拟，将整个计算区域分为动区域和静区域两部分，桨叶及其附近流体区域（即动区域）设置旋转坐标系，其他流体区域（静区域）设置静止坐标系，通过交界面（interface）的设置，两部分区域实现动量与能量的交换。搅拌过程中液面与大气接触，设为symmetry边界，泥浆罐体、搅拌器均定义为wall边界，网格图见图2。

图2 网格划分

本文主要研究了在桨叶作用下液体的流动规律。流体在泥浆罐内流动为湍流状况，湍流模型选用标准-模型。流场计算采用MRF法，给定桨叶所在动区域旋转速度，旋转轴设为轴正向，转速为72 r/min；在动区域以外的静区域，设定搅拌轴的转速与旋转坐标系的旋转速度相同。重力加速度= 9.81 m·s，压力—速度耦合采用SIMPLEC算法，对流体相的离散使用二阶迎风差分格式，残差迭代到10时为收敛。

本文将数值模拟所得结果，通过截取过中心的纵截面进行对比分析，得出以下结果。

2.2 流场分析

通过对矢量流场观察分析，图3中在泥浆罐的中上部形成了明显的循环流场，泥浆罐的中上部循环量比较大，在靠近2个叶轮的区域形成了明显的“蝴蝶状”区域。总体来看，该种方案泥浆液的混合过程在泥浆罐中上部比较强，靠近罐底处作用比较弱。将图4和图3对比后发现，由于增大了下部叶轮直径，搅拌器的搅拌作用更强，泥浆罐底部循环流场更明显，循环量明显增大。图5泥浆罐的循环流场主要集中在中下部区域，

图3 “上大下小”流场矢量图

图4 “上下等径”流场矢量图

图5 “上小下大”流场矢量图

中下部区域形成明显且有规律的流场，对防止泥沙沉降起到很好的作用。

2.3 速度分析

流场速度的大小是衡量搅拌器搅拌作用强弱的一个依据。本文截取3种数值模拟中靠近罐体中心的一个相同截面进行对比分析，图6中高速区域集中在桨叶附近以及泥浆罐上部，如果泥浆池液位较低时上部叶轮的作用不能充分发挥，造成做功的浪费，而下部搅拌混合效果较差。图7的速度分布比较合理，上下均可兼顾。图8高速区域集中在中偏下部，由于受到上部泥浆的阻力较大所以上部的速度较低，实际应用中如果液位降低，搅拌混合效果会有进一步提升。

图6 “上大下小”速度分布

图7 “上下等径”速度分布

图8 “上小下大”速度分布

3 搅拌功率

本文所研究的搅拌器属于电机驱动机械式搅拌器，搅拌功率由泥浆液的流动状态和湍流程度决定，是泥浆罐尺寸、流体特性、叶轮直径、搅拌器旋转速度和叶轮安装位置的函数。

式中：为搅拌功率，W；N为搅拌功率准数；为搅拌转速，r/s；为系数；为密度，kg/m；为雷诺数；为桨叶直径，m；为傅汝德数；，为指数；为桨叶宽度，m；为泥浆罐内直径，m；为液面的高度，m；为粘度，Pa.s。

由式（1）可以看出计算搅拌功率核心是得出功率准数N，而N可以通过得到。本文机械搅拌部分为45折叶桨，= 1.2 r/s，=1.3×10kg/m，= 0.22 Pa.s，带入式（2）可得大桨叶= 7.1×10，查得N =2.2 ；小桨叶= 2.6×10，查得N′ = 2.5。

所以：“上大下小”叶轮组合的搅拌输出功率为5 379 W；“上下等径”叶轮组合的搅拌输出功率为9 884 W；“上小下大”叶轮组合的搅拌输出功率为5 379 W。

电机功率=搅拌器输出功率+克服传动机构功率+轴封阻力消耗功率+冗余功率等。若采取“上下等径”的组合方案搅拌器电机功率将增加很多，一般情况下修井机会配置7台搅拌器，相比于其他2种方案，功率方面会有很大差别，导致平台用电负荷增加。

4 结 论

通过对搅拌器3种叶轮组合的CFD数值模拟研究以及功率计算，得出以下结论：

（1）“上大下小”叶轮组合

泥浆罐的中上部混合搅拌效果比较好，对于间断性作业，泥浆罐底部泥沙沉积比较严重的情况下搅拌效果较差。如果罐内液位较低，不仅搅拌效果变差，还造成功率的浪费。

（2）“上下等径”叶轮组合

流场形态、搅拌效果较好，但是搅拌器功率会相应升高很多，需要配备大功率电机，导致平台总用电负荷增大；如果罐内液位较低也会造成功率的浪费。

（3）“上小下大”叶轮组合

虽然搅拌流场没有“上下等径”组合流场形态好，但是对罐内中下部区域作用比较强，在间断作业中能有效防止泥沙沉降；结合罐内低液位时的情况，搅拌效果会有很大提升，不仅满足实际使用的要求，并且在低液位时也不会造成功率浪费，这样在电机的选取上更能降低用电负荷，为平台减负。

综上所述，考虑实际作业情况以及遵循节能减排、降本增效的原则，采用“上小下大”的桨叶组合，不仅能够完成日常修井作业的需求，还不会造成资源浪费，所以“上小下大”桨叶组合最优。

本文通过对搅拌器不同桨叶组合的CFD数值模拟及功率计算，确定最优的组合方案，该方案可以为搅拌器的标准化设计提供一定的选型依据，并且对于产品标准化设计、降本增效也具有实际意义。不过，由于在实际中泥浆罐内壁的不平整以及N值的选取可能会有一定误差，所以计算结果也会有一定误差，需要进一步优化。