混合器结构设计及多物理场仿真研究

发布时间：2018-01-18 04:24

本文关键词：混合器结构设计及多物理场仿真研究　出处：《长江大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：石油钻井井深几百米、上千米、乃至万米。井下环境恶劣套管与水泥浆必须经历高压高温等环境,同时也要防止油气等井下其余介质腐蚀和影响,相应的还要避免采油过程的酸化处理、压裂等一系列作业的各种检验。固井的目的是:封隔疏松、易塌、易漏等复杂地,封隔油、气、水层,防止互相窜漏。因此,固井水泥浆混合的质量直接影响固井作业的完成质量,所以对固井水泥浆的要求也越来越高。因此,提高水泥浆的混合质量以及混合效率,对固井作业有着很大的现实意义。针对目前对固井水泥浆的质量要求日益严格,本文通过了解国内外固井车混浆系统、多相流相关研究,探究设计出了有利于水泥浆预混合的混合头。分别对混合头的清水入口尺寸、速度以及干灰入口速度和分水顶针角度、分水顶针与清水出口之间的间距进行CFD了模拟仿真确定有利于水泥浆混合的最佳方案。之后又对搅拌器的转速以及同轴上两桨叶的间距和两个搅拌轴的距离等操作参数、尺寸参数、位置参数进行了模拟仿真,优化了搅拌器结构更加有利于水泥浆的搅拌混合。最终对混合头与搅拌器内流场进行了整体CFD数值模拟与水泥浆单独在搅拌器中搅拌混合做对比,分别分析其搅拌时间为1min、1.5min时水泥浆混合状况最终探究其对混合效率的影响。本文通过对混合有以及搅拌器的CFD流畅仿真得到了以下结论:(1)FLUENT在欧拉-欧拉坐标系下可建立以下三种模型:Volume of Fluid模型,Mixture模型和Eulerian模型。综合分析三种多相流模型的适应条件,最终对于混合头的多相流模拟模型选择Eulerian模型,对于搅拌器内多相流的模拟选择Mixture模型。对于湍流模型的选用,本文探究的混合头与搅拌器内流体湍流强度较大,雷诺数高同时又考虑计算机计算能力要求选择标准的k-ε模型。关于搅拌罐内搅拌浆区域的处理选择了多重参考系的方法。(2)对混合头的整体结构进行了设计,运用CFD流体软件对其进行数值模拟计算。分别模拟了清水入口直径为50mm、60mm、70mm的情况下对混合效果的影响,最终选择清水入口为60mm为最佳尺寸。同时又对分水顶针不同角度30°、45°、60°模拟分析探究对水泥浆混合效果的影响,最终选择分水顶针角度为45°为最佳角度。接着又对分水顶针距离清水出口的间距进行了模拟仿真间距分别为5mm、10mm、15mm,最终选择清水出口与分水顶针的最佳间距为5mm。最终选择清水入口直径为60mm、分水顶针角度为45°、分水顶针与清水出口的距离为5mm这一组组合。在选择此组合条件下在保证混合头的处理量的前提下探究清水入口与干灰入口的进口速度分别为8m/s、2m/s为进口操作参数。(3)对四机厂现有结构搅拌器进行了流场数值模拟,分别探究了在不同转速100rpm、150rpm、200rpm、250rpm、300rpm下对混合性能的影响。转速在100~200rpm之间时对水泥浆混合影响显著,转速200~250rpm之间时影响程度变化不明显,转速在250~300rpm时几乎对水泥浆的混合没有影响。最终综合考虑搅拌效率与能耗得出正常工作的转速在150~200rpm之间,最高转速为250rpm。又探究了同一轴上的两桨叶之间的距离分别为150mm、170mm、190mm、210mm,通过模拟得出最佳间距为190mm时对水泥浆的混合有较好的影响。最后分析探究了两搅拌轴之间的距离对混合的影响,分别对间距为575mm、555mm、535mm、515mm、495mm、475mm进行了模拟分析,通过对模拟结果的处理,最终两搅拌轴间距在575时对水泥浆的混合影响最佳。(4)对通过混合头预混合的水泥浆在搅拌器中进行搅拌模拟分析,将混合头与搅拌器内流场进行整体分析。之后在分别提取经过混合头预混合的水泥浆和没有经过预混合的水泥浆在搅拌1min、1.5min后的模拟结果作对比。最终可以明显的得出经过混合头预混合的水泥浆混合效果较佳,体现出了混合头在水泥浆混合时的作用。
[Abstract]:In order to improve the mixing quality and mixing efficiency of cement slurry , this paper presents the best solution for cement slurry mixing . The influence of the distance between the two stirring shafts on the mixing performance of the cement slurry was studied . The results showed that the optimum distance between the water inlet and the water outlet was 5 mm , 10 mm and 15 mm . The results showed that the optimum distance between the two impellers was 5 mm , 10 mm and 15 mm .

【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE925.2

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