固井混浆搅拌器的流场分析及影响因素研究

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固井是石油钻采工艺过程中的一个重要环节,固井质量的好坏与油井的使用寿命密切相关。而固井用的水泥浆是在搅拌器中进行混合的,通过搅拌器内搅拌桨叶作用下固体水泥颗粒悬浮于液体中制成悬浊液。因此,水泥浆混合的质量直接影响固井作业的质量,进而对固井时所需要的水泥要求很高。所以提高水泥的混合效果很重要,对固井作业有着很大的现实意义。本文首先通过认识一些多相流的探究,以中石化石油机械有限公司第四机械厂固井水泥车的搅拌系统内水灰混合为背景。利用两相流、湍流等理论对混浆系统中的液固两相的混合分析,分析不同因素对搅拌效果的影响,并通过正交设计方案,替代整体方案找到一种合适的搅拌方案,在搅拌效果的好的前提下,获得的能耗少的水泥浆,即优化搅拌器,使其在混合均匀的基础上,再追求能耗少。本文所做的研究内容如下:(1)对CFD流体动力学模型进行解释说明。明确了固液两相流的分析方案之后,针对搅拌器内部的固液两相流的方案进行模型选择。分析搅拌器里面的湍流强度后,通过雷诺数以及计算机的计算能力判断如何选型。再针对搅拌器里面搅拌流场区域的处理选择参考系进行流场分析。(2)综合考虑搅拌的结构参数和工艺参数,找出影响搅拌效果和搅拌能耗的几个重要因素。将这些重要因素进行正交组合,以极少的组合方案,找到这些因素与搅拌效果和搅拌能耗之间的关系。(3)从流场分析结果中提取平均密度,将这些不同截面的平均密度做方差,方差大小可以判断搅拌效果好与坏;同样提取的扭矩计算出搅拌器的功率,功率代表的能耗,功率越大能耗越多。(4)通过极差分析,可以找到对搅拌效果和搅拌能耗影响因素的主次;通过这些因素和水平的趋势图,可以发现各个因素在小范围的变化规律;通过方差分析,可以找出对搅拌效果和搅拌能耗有无最显著的影响因素以及显著因素。得到的结论如下:(1)对搅拌器内部的流场选择了Mixture模型。此次仿真分析的搅拌器湍流强度较大,雷诺数较高而又顾及到计算机运算能力就选择了标准的k-ε模型。针对搅拌器内部搅拌流场区域的处理选择了多重参考系。(2)在不考虑能耗的条件下,搅拌效果随着转速的提升而提升;叶间距在150~170(mm),随着距离增大搅拌效果变好,170~190(mm)随着距离增大搅拌效果变差;随着轴间距的逐渐减小,搅拌效果变好,但是这种变化的程度很低,小幅度的增加搅拌效果;随着叶片直径的减小,搅拌效果也提升;叶片的宽度越大搅拌效果越明显,但是搅拌效果的幅度也会随着宽度增大而逐渐减小;扇叶的数目,很明显4叶的搅拌效果最好,不管增加还是减小,都降低其搅拌效果。搅拌倾斜角,很明显在10°的时候最佳,但是改变其搅拌倾斜角度,会发现对搅拌效果的增幅减幅影响巨大。搅拌的结构和工艺优化为转速170r/min,叶间距选170mm,轴间距选1100mm,叶片直径选473mm,叶片宽度选60mm,叶片的数目选4,搅拌倾斜角度选10°。(3)在纯粹考虑能耗的情况下,转速越快,搅拌能耗越大,同时提升幅度也很大;叶间距,随着叶间距的变大,能耗反而变小;随着轴间距的变大,能耗减小;叶直径,随着叶片直径的变大,能耗变大,因此;叶宽,随着叶宽增大,能耗变大;随着叶片数目增多能耗加大,但是3叶变成4叶能耗增大及其明显,4叶变5叶能耗增加幅度明显变小;搅拌倾角,5°到10°之间,随着倾斜角的增加能耗减小,10°到15°之间,随着角度增加,能耗变大。因此搅拌的结构优化为转速选择130r/min,叶间距选190mm,轴间距选1200mm,叶片直径选择473mm,叶宽选择40mm,叶数目选择3,倾斜角度选10°。(4)各因素对搅拌效果的影响大小顺序为:叶倾角>转速>叶片数>叶宽>叶直径>轴间距>叶间距;各因素对能耗的影响大小顺序为:搅拌倾角>转速>叶片数>叶宽>轴间距>叶间距>叶片直径;各因素中只有搅拌倾斜角度对搅拌效果有高度显著影响,转速对搅拌效果有显著影响,剩下因素对搅拌效果无显著影响;倾斜角度和转速对能耗有显著影响,其他因素对能耗无显著影响。(5)综合考虑搅拌效果和能耗,搅拌器的结构和工艺优化为转速170r/min,叶间距选190mm,轴间距选1200mm,叶片直径选择473mm,叶宽选择40mm,叶数目选择3,倾斜角度选10°。
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