动态钻井液混合器混合机理研究.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第3 8卷第 1 1 期 ． 一 专题 研究 动态钻井液混合器混合机理研究 孔松涛 雷宗明 李 嗣贵 王 垄 万 云 曾小莲 1 ．重庆科技学院2 ．中海油田服务股份 有限公 司 摘要 钻井液密度动态调节技术是海洋压力控制钻井的重要组成部分 ，其中高效混合器是主 要的部件。利用解析法得到了混合器 内纵 向涡剪应力 的简化计算公式，并以此分析 ，获得 了影响 纵向涡混合的因素；对海水射流在低流量 时对纵 向涡的穿透深度进行 了分析。结果表 明，利用 Y 形射流和纵 向涡配合可以收到很好的混合效果，Y形射流相互切割，破碎流体组分，纵 向涡通过 折叠、拉伸完成重钻井液和海水的高效混合。该项研究为设计钻井液混合器提供 了技术指导。 关键词 混合 射流 纵 向涡 钻井液 随着石油资源的日趋减少和浅水开发技术的成 熟 ，海上钻探热点 已逐渐 南滨海 向海洋深水处转 移。受平台和运输成本的限制 ，在深水表层钻井时 使用的钻井液，采用动态混合调节 的方法制备 ，即 将配好的基浆 重钻井液 、海水 以及添加剂按钻 井要求随时动态混合 ，并准确调节钻井液密度。混 合器要求简单可靠 、无运动部件 、控制方便 ，整个 系统具有很高的可靠性 。在线静态混合就是一种理 想的方法 。在 2组需要混合的组分中，基浆是一种 高粘度 、高密度的非牛顿流体 ，混合难度大，而且 混合过程短，混合效率要求高。混合后钻井液直接 进入作业系统 ，故要求混合均匀，不得在作业过程 中出现分层 、混合不均匀等现象。因此，研究混合 器内高粘度非牛顿流体和海水的混合机理就显得十 分重要 1 混合机理 组分混合过程通常依靠扩散 、对流和剪切 3种 作用来完成。对于高粘度介质而言，分子扩散作用 在钻井液混合中的效应完全可以忽略不计 。对于无 嵌入元件的混合器 ，常规对流作用也不会有明显效 果。湍流虽然可以加大高粘度组 分的对流分 布作 用 ，但基浆 粘度太大 ，其 流动往 往处于结 构流状 态。因此 ，深海浅层钻井液的配置必须从其他方面 着手 。 1 ． 1 纵 向涡 混合 从混合机理上看，强制混合主要包括对流体的 切割 、拉伸和折叠等几种机理。要强化混合效果 ， 特别是高粘度基浆的混合效果 ，必须增加流体内部 微团表面的剪 切力 ，依靠强大的剪切力来撕裂微 团。被撕裂的微 团，通过特殊流道形成射流，在混 合器内形成纵向涡 ，利用基浆和海水在混合器内的 圆周运动来撕裂拉伸和折叠流体微团。 混合腔内，根据试验测得基浆和海水通过射流 元件后 ，速度分布呈抛物线状 ，如图 1 所示。 图 1 数 值计算显 示射流速度分布 由于此速度外形抛物线很挺拔 ，为 了便于计 算 ，将其简化为 2段直线组成 ，如图2所示。 图2 混合 器内基浆射流速度 分布剖 面 因此 ，其速度分布与半径的关系为 基金项 目国家高技术研究发展计划项 目 “ 南海深水油气勘探开发关键技术及装备” 2 0 0 7 A A 0 9 A1 0 3 0 9 A 1 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 l 1 期 孔松涛等 动态钻井液混合 器混合机理研究 ．． 9-- rr 2 r 2≤ r≤ r 0 J 『 0 1 1 ， rr 1 ／ 0≤ r ≤ r 1 其中，r 0 、r ， 、r 分别为射流偏心射人后距离混合器 中心的距离。r 0 为射流中心位置 ，r 、r 为射流最 远和最近影响区域；Y m a x 为射流中心最大流速。 根据 K a s s n e r 湍流圆周运动切应力假设 r JD f Td y r 一 1 2 式中 流体粘度； 流体湍流运动粘性 ； p 流体密度。 对式 1 微分 以 r ≤r ≤r 。 部分为例 ， _ dy r 3 d r r n 一 2 将式 1 、式 3 带人式 2 得 r p ／J m a x 4 通过 上述 变 换 ，除 了基 浆 、海 水 本 身物 性 粘性和湍流运动粘性 对剪切力影响外 ，还可 以 很清楚地知道增加剪切力强化传质混合的方法。 1 从 可以看出， 增加／2 和减小 ／ 0 一 r 都是增加剪切力的方法 ，具体到实际问题，就 是增加射流射人的偏心距离 以及压缩射流的宽度 ， 都是有效的方法； 2 增加 射流 的入 射速 度也是 有效 的方法。 但是，简单增加射流速度 ，会增加泵的功率和带来 设备耐压等级的提高 ，增加设备投资和能源消耗 ， 故不是好办法。另外 ，混合器还要根据井底工况调 整海水和基浆的流量，很难达到一直保持较高流速 的条件。因此 ，还得再另外考虑基浆 、海水不同流 速条件下的强化混合 。 1 ． 2 Y形冲 击混合 Y形冲击混合 由于流体 间强烈 的内摩擦作用 ， 对物质粒子或凝絮体产生变形 、切割和撕裂作用。 Y形冲击混合效率高 ，在一定程度上还可以避免发 生 污垢 堵 塞 管 道 的 问 题_ 1 J 。U n g e r ，D e v a h a s t i n ， N i a m n u y _ 2 - 4 1 等的研究 表明，Y形射流混合机理是 在微小空间或很短的路径 内尽可能产生相互交错 的 微小流面。常规 Y形射流混合 中没有流体的拉伸 与折叠 ，促进混合主要依靠增大 2种流体的接触面 积和增加湍流度来促使分子间 的扩散_ 5 J 。由于射 流对流体折叠 、拉伸效果很差 ，必须利用纵 向涡来 进一步完成混合。由式 4可知 ，如果一种流体 流速过小 ，可能会严重影响混合效果 ，因此，必须 保证一种流体在低流速条件下混合的均匀性 。 实际的射流总是头部速度快，尾部速度慢，沿 其长度方向的速度梯度基本上呈线性分布 。A l l i s o n和 V i t a l i 提 出虚拟源概念 ，即虚拟源是所有 射流出发的原点 ，射流速度沿射流长度方向呈线性 ． 分布，在运动过程中射流微元速度不发生变化。从 而得 出射流侵彻深度的计算公式 、 V o t o f l 一 s 5 、 式中 射人深度 ； 射流头部速度 ； Y i 射流到达重钻井液交汇处的射流速度 ； 射流头部从虚拟原点运行到纵 向涡表 面 的时间 ； s 虚拟原点到纵向涡表面的距离 ； ／ p ， ，其中P 为重钻井液密度，p 为 射流密度 。 取海水人 口速度为 0 ． 5 m ／ s ，计算得到射流头 部速度为 0 ． 9 m ／ s ，带人式 5 计算得到海水射 流射人纵向涡大约 5 m m。加上纵向涡中重钻井液 对海水的粘性带动作用 ，上述射人深度可以满足混 合需要 。 2 计算模型 利用数值计算的方法来研究基浆和海水的混合， 可以大大减少研究费用。用于求解射流混合问题的 基本方程有连续性方程 、Ⅳ _ ．s方程和扩散方程等。 V p v0 6 。 V “ V 7 一OC a u ot Ox O y O z ． 。 ㈩ 其中， 、P 、P 、g、c 。和 D 。 分别是速度 、压 力 、密度 、重力加速度 、浓度和扩散系数 。笔者选 用有限体积法求解不可压变密度三维 N S方程组 ， 对旋转冲击射流进行直接数值模 拟以研究其混合 机理 。 计算模型如图 3所示 ，模型两边分别为基浆和 海水人 口。当模型确定后，改变基浆和海水人 口速 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 l 期 度 ，确定混合效果以研究入E l 速度对混合的影响。 图3 计算模 型 3 射流速度对混合 的影响 3 ． 1 混合器混合效果 混合器需要根据系统指令调整混合后钻井液的 密度，这一调节手段是依靠基浆和海水不同的泵入 量来确定的，即要求混合器在不 同流量下 ，均保持 较高的混合效果。这比常见固定工况的混合器要求 要高得多。 计算基浆和海水分别 以 0～ 4 m ／ s 的速度进入 混合器入口，通过特殊设计的射流元件后 ，两者以 一 定形状 的射流进入混合器腔体混合，混合效果如 图 4 、罔 5所 示 。 ■ oo e o J j 鹱 饕 0 ． 7 5 0 7 0 O 65 ． 60 0． 5 5 ．5 0 0 45 0 40 0 35 0l3 O 图 4基浆组分云图 图 5 沿 混 合 器轴 心基 浆的 浓 度 变化 情 况 从数值计算结果来看 ，采用旋转流圆周运动特 性设计的混合器具有很好的混合效果。图4直观显 示 ，在基浆和海水流出混合器时候 ，已经混合得十 分均匀 ，在混合器尾部 ，浓度梯度 已经变得非常 小 ，图 5也反应出基浆浓度在混合器尾部 ，基本上 没有变化 ，即已经混合得十分均匀。 3 ． 2 入 口流量对混合效果的影响 取混合器出 口处重钻井液浓度的均方差为混合 均匀程度标示 ，冈6显示海水不同入口条件下 ，混 合器出 口的混合均匀程度。 收 露 惫 珂 衄 】 蜒 摆 口 丑 一 图6海水入 口速度与混合 均匀程度 的关系 由图可知 ，南于射流和纵 向涡的作用 ，混合器 对组分入 口的流量不敏感 ，即混合器可以在很大的 流量 变化 范罔 内工 作 。 4 结 论 1 提出利用 Y形射流和纵 向涡加强混合的 思路。Y形射流相互切割，破碎流体组分 ，纵向涡 通过折叠 、拉伸完成重钻井液和海水的高效混合 。 2 推 导m了纵 向涡混合 剪切力 简化公式 ， 得到了影响纵向涡混合的因素，为设计钻井液混合 器提供了技术指导。 3 计算 了在某一个组分低流量时射流对纵 向涡的穿透深度 ，并用数值模拟方法计算了混合器 出口混合程度 ，表 明 Y形射流和纵 向涡加强混合 的思路正确可行。 [ 2 ] 参考文献 下转第 3 8页 一 一 一 ～ 一 ～ ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 ～ ～ 一 ～ 一 一 ～ 一 三 ．～ ～ ～ 一 ㈣ M 一 魄 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ ～ 一 一 一一 一 ～ 一 ～ ～ 一 ～ 一 一 ～ 一～ ～ 一一一 一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1期 为了消耗负载电动机的电能，没计吸收电阻网 络 ，能够保证负载电动机所输 出的电能被有效可靠 地吸收 这 样就 相 当 于发 电机 具 有 _ _r能 量 释放 回 路 ，保证使片 j 要求下电动机的可靠运行 。 5 人机交互软件设计 软件设计主要包括 2方面内容，即设备控制和 设备状态 永 ．． 设 备控制主要包括平 台驱动、平台动力模拟输 入 涡轮驱动 、模拟负载驱动和测 试台架转动。 设备状态显示主要是将平 台、涡轮 、盘 阀和驱动电 动机等设备的运行状况参数通过传感器采集 ，经过 适当处理后显示给操作者。以工控机作为硬件基础 ， 采』 { j 面向对象的语言 V B ． n e t 进行编程，实现了上述 功能。其r f 1 ，平台驱动 、涡轮驱动 、模拟 负载驱动 的控制及反馈信号 由] 二 控机通过串行端 口发送和接 收；经处理电路加丁的传感器信号由并 口发送至工 控机，旱明给操作者；测试台架转动控制信号也是 通过并 口来实现传输的。软件客户端增加 r 动画的 表现形式，并形成简洁、美观和大方的风格。 6现场 应用 通过 下抱紧装置将稳定平台安装到测试台架 L，其输入轴与动力模拟电动机相连 ，输 出轴与负 载装置相 连 。 测试台架模拟内容井斜 9 0 。 ，精度 0 ． 5 。 ， 方位反转 ，转速 0～ 3 0 0 r ／ rai n ，精度 1 r ／ rai n 稳定平台测试台架 自2 0 0 7年 1 0月起，进行了 3 0余次的稳定平台测试工作。测 试过程巾，测试 台架能够准确模拟井斜的产生和变化以及钻铤的转 速变化 ，使稳定平台的缺陷提前在地而试验环节得 以发现并改进 ，节约了大量试验经费。 7 结 论 1 现场应用表 明，稳 定平 台测 试台架结构 设计合理 ，强度足够 ；其功能满足了稳定平台的测 试需 要 。 2 测试 台 架通过 机 、电、液一 体化 设计 ， 实现了全程 自动化控制。 3 采用铝制桁架 ，为稳定平 台提供了所需的 无磁环境 ，转角、转速测量系统以及负载模拟系统 为观察稳定平台输 出提供 了精确输 出窗 口，人机交 互软件提供的井斜 、方位以及转速等参数的动态显 示更大大提高了控制的精确性以及操作的方便性。 参考文献 张绍愧 ，狄勤丰 ．用旋转导 向钻井系统钻 大位移井 [ J ]．石油学报，2 0 0 0 ，2 l 1 7 6 8 0 ． 苏义腑 ，窦修荣 ，王家进 ．旋转 导 向钻井 系统的功 能 、特性和典型结 构 J ] ．石 油钻采 工艺 ，2 0 0 3 ， 2 5 4 57 ． 杨剑锋 ，张绍槐 ．旋转导 向闭环钻井 系统[ J ]．石 油钻采工艺 ，2 0 0 3 ，2 5 1 l 一 5 ． 韩来聚 ，_ _E 瑞和，刘新华 ，等 ．调制式旋 转导 向钻 井系统稳定平 控制原理及性能分析 [ J ]．石油大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，2 8 5 4 9 5 1 ，6 0 ． 肖什红 ，梁政 ．旋转 导向钻井技术 发展现状及展 望 [ J ]．石油机械，2 0 0 6 ，3 4 4 6 6 7 O ． 第一作者简介 孙峰 ， T 程师 ，生 于 1 9 7 5年 ，2 0 0 4 年毕1 『 【， 于中同石油大学 华 东 石油 工程学 院 ，获硕十学 位 ，现 从事井下] - 具及测量仪器研究T作。地址 2 5 7 0 1 7 ⋯东省东营市 。Em a i l s u n n y u p e y a h o o ． c o in ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 3 本文编辑赵连禄 E E 蔓 E 蔓 蔓 昱 芒 气 芒 曼 E 蔓 蔓 芒 芒 蔓 E 蔓 气 蔓 文 芒 _I 上接第 1 0页 [ 4 ] N i a m n u y C ，D e v a h a s t i n S ． E f t e t S o t g e o m e t r y a n d o p e r a t i n g e o ml i t i o n s o n t h e mi x i ng be ha vi m o t a l l i nl i ne i m p i n g i n g s t r e a m mi x e r[ J j． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c i e li t e，2 0 05，6 0 1 7 01一l 7 08 ． [ 5 ] 关晖 ，吴锤结 ，涂善 东 ． Y形 冲击射 流做混 合器 流场结构和分割强度的数值模拟 [ J ]．华东理 I 二 大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ，3 4 3 4 3 8 4 4 6 ． [ 6 ] 隋树元，王树t l 1 ．终点效应学 [ M]．北京围防 T业 f { { 版社 ，2 0 0 0 ． 1 7 j A l l i s o n I _1 E ，V i t a l i R ． A F l e W m e t h o d f e o m p u t i n g p e n e t r a t i o n v a r i a b l e s f o r s h a p e dc h a r g e j e t s[ R ]． B a l l i s t i c He s e m’c h L a b o r a t o D , R e p o ， N o ． 1 1 8 4， 1 9 6 3 ． 第一作者简介 孑 L 捡涛 ，副教授 ，生于 1 9 6 9年 ，2 0 0 7 年毕业于郑州大学工程热 物理 专业 ，获 T学博 十学位 ，现 从事流体流动、石油装备方向的研究_T作。地址 4 0 1 3 3 1 重庆市沙 坪 坝 区。 电话 0 2 3 6 5 0 2 3 7 4 4 。Em a i l k s t t o m ．corn 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 本文编辑南丽华 ]J] J] ] J I二 寸_