李增亮， 馮 龍， 范夢浩， 杜明超

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在油氣田開采過程中，壓裂作業(yè)是最常見的增產(chǎn)方式，而壓裂液的混合效果是保證壓裂作業(yè)效率的重要因素之一。壓裂液是由一定比例的膠粉和基液混合而成的，其混合的均勻度和黏度是評價混合質(zhì)量的主要評判標準[1]。為解決目前在壓裂液混配過程中混合時間長、膠粉吸入量不足、有固體粉包團產(chǎn)生以及黏度不可控等缺點，設(shè)計并研發(fā)出了一種新型孔式環(huán)形射流粉液混合器，該混合器采用環(huán)形射流原理，極大地提高了流量較小時環(huán)形噴嘴處的負壓值，保證了膠粉的吸入量，同時在粉末吸入管處設(shè)計吸出孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使粉末更好的吸出，有效地防止粉包團的產(chǎn)生[2-3]。

由于孔式環(huán)形射流粉液混合器是針對油氣田壓裂混配而研發(fā)的新型設(shè)備，因此目前沒有適用于該混合器的性能測試和分析的實驗裝置，從而難以對其性能參數(shù)以及可靠性等方面進行評估。因此，本文在結(jié)合孔式環(huán)形射流粉液混合器樣機的基礎(chǔ)上，將其改為透明的可視性材料，研制模擬油氣井壓裂作業(yè)現(xiàn)場的實驗臺，用以實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對混合器性能影響的定量評估以及優(yōu)化后的可行性分析。

1 實驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 實驗臺總體結(jié)構(gòu)

孔式環(huán)形射流粉液混合實驗臺主要由基液輸送部分、粉末輸送部分、粉液混合器、動力裝置、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集部分等構(gòu)成，實驗臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 基液輸送部分。該實驗臺的液相源為6 m3的水箱，在水箱上安裝有監(jiān)測液體流量的標定箱以及水位測量儀。

(2) 粉末輸送部分。主要由粉末輸送葉片、粉末儲存器、蝶閥以及控制器等構(gòu)成，通過控制輸送葉片的轉(zhuǎn)速而控制膠粉的輸送量，以保證混合后壓裂液的黏度。

(3) 粉液混合器。為了便于觀察和取樣，在滿足壓力的條件下將混合器部分重新加工為透明材料，同時將環(huán)形噴腔、喉管、擴散管分段安裝，以保證在后續(xù)研究關(guān)鍵尺寸對混合器性能參數(shù)的影響時，可以方便的更換。

(4) 動力裝置。7級臥式離心泵，壓力為1.94 MPa，流量36 m3/h。

(5) 控制系統(tǒng)。以變頻器來控制離心泵的電動機轉(zhuǎn)速，保證壓力和流量的實驗需要，粉末輸送控制器主要是控制膠粉的輸送量滿足黏度要求。

(6) 數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集。包括流量測量、混合器進出口壓力測量、真空度測量、轉(zhuǎn)速測量、扭矩測量、溫度測量、高速攝像機系統(tǒng)等。

1-水箱； 2-壓力傳感器； 3-溫度傳感器； 4-粉液混合器； 5-粉末輸送裝置； 6-真空壓力傳感器； 7-變頻器控制箱； 8-試樣采集口；9-高速攝像系統(tǒng)； 10-蝶閥； 11-渦街流量計； 12-閘閥； 13-減壓閥； 14-離心泵； 15-扭矩傳感器

圖1 實驗臺總體結(jié)構(gòu)

1.2 實驗臺工作原理

該孔式環(huán)形射流粉液混合實驗臺是研究射流湍動擴散作用傳遞能量和質(zhì)量的混合反應(yīng)以及測試混合器關(guān)鍵部分性能參數(shù)的實驗設(shè)備，混合器部分采用透明材料，可以直接觀察環(huán)形噴腔中固液兩相的混合情況[4]。

基液經(jīng)基液輸送管和環(huán)形噴腔加速后，射入混合腔，環(huán)形噴腔產(chǎn)生的壓降使得被吸固體粉末經(jīng)由粉末吸出管進入混合腔，固液兩相由于黏性摩擦而產(chǎn)生卷吸，從而使兩相進行混合并進入喉管，通過紊動擴散作用將能量和動量從基液轉(zhuǎn)移到被吸入的粉末上，此過程中壓力有所回升，該實驗臺能夠很好的捕捉到壓力的變化，并生成實時數(shù)據(jù)曲線，對于研究混合器流量與壓力的變化關(guān)系至關(guān)重要。

如圖2所示，由于粉末吸出管末端采用孔狀結(jié)構(gòu)，防止大量膠粉同時被吸入，增加了混合液的均勻度。同時，各部分采用分段安裝，易于更換不同尺寸的喉管、擴散管和噴嘴，可以方便進行關(guān)鍵部件尺寸對混合器性能參數(shù)的影響的實驗研究[5]。

圖2 混合器部分結(jié)構(gòu)圖

實驗臺配備了高速攝像機，可以研究膠體粉末在混合器中的流動狀態(tài)以及流體中較大固體顆粒與液體的相對劃移速度對混合器性能的影響，為修正動量方程提供實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗臺控制及測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

孔式環(huán)形射流粉液混合實驗臺在進行實驗時，需要把實時測得的各種參數(shù)，如離心泵出口壓力、流量流體溫度、混合器噴口處負壓值、混合器進出口壓力以及泵軸扭矩等物理量傳輸?shù)接嬎銠C，對其進行參數(shù)曲線的繪制，從而進行數(shù)據(jù)分析[6]。

根據(jù)需要采集參數(shù)選用四種類型的傳感器，采集系統(tǒng)示意圖如圖3所示，傳感器采集的數(shù)據(jù)以模擬信號量(4～20 mA)，通過模擬量采集模塊，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字量的形式進入計算機進行數(shù)據(jù)分析[7-8]。傳感器的各種參數(shù)如下：

(1) 基液流量檢測，型號選用TR縮徑渦街流量計，其精度較高，并且與被測流體間接接觸，保證了使用壽命。其主要參數(shù)如表1所示。

(2) 壓力傳感器采用壓阻式壓力變送器，用于測量混合器進出口端壓力管路壓力。本實驗臺選用的不銹鋼隔離膜片的硅壓阻傳感器檢測放大電路安裝在接線盒內(nèi)，可以方便地對零點、滿量程進行精確調(diào)校遷移等操作,同時具有較好的抗腐蝕性能和抗電磁干擾性[6]。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 粉液混合實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

表2 壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

(3) 真空壓力變送器為擴散硅式，用于測量混合器環(huán)形噴腔的真空壓力值。主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 變送器技術(shù)參數(shù)

(4) 溫度傳感器選用SBWR/Z一體化溫度變送器，測量離心泵出口處溫度管路溫度，以保證液體溫度不會影響混合液的黏度，主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 溫度傳感器技術(shù)參數(shù)

(5) 扭矩傳感器應(yīng)用應(yīng)變片電測技術(shù)在泵軸上組成應(yīng)變橋，通過向應(yīng)變片輸入電源后，可以得到泵軸受到扭矩的電模擬信號,通過該電信號的輸出計算出扭矩值[10]。扭矩傳感器的安裝位置如圖4所示。

圖4 扭矩傳感器安裝位置示意圖

該傳感器可以實現(xiàn)對離心泵負載靜態(tài)和動態(tài)扭矩的測量，并且該扭矩傳感器采用無接觸式傳遞方式對傳感器進行信號輸入及能量導(dǎo)入，測量精度不受轉(zhuǎn)速高低的影響,可進行實時力矩的精確測量。

2.2 電氣系統(tǒng)及軟件設(shè)計

根據(jù)本實驗臺的設(shè)計特點，在上述變頻器以及測量傳感器選取基礎(chǔ)上，進行了整體電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用串行通信接口實現(xiàn)采集模塊和變頻器與上位機之間的點對點通信，其中電流采集模塊將本實驗中傳感器測得的種物理量進行采集,變頻器與驅(qū)動電動機相連接，實現(xiàn)對電動機的調(diào)速控制[9]。

實驗臺在進行數(shù)據(jù)采集并處理的過程中，需要將采集的各種模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機識別的數(shù)字信號，本實驗臺安裝的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為L-M4514，該模塊為多通道模擬量采集模塊，能夠?qū)⒉杉?個特性參數(shù)進行采集并進行A/D轉(zhuǎn)換傳至計算機[10-11]，在選擇通訊接口時采用RS-232接口，接口方式和傳感器接線方式如圖5和圖6所示。

為了控制離心泵的轉(zhuǎn)速，即為了控制整個系統(tǒng)的基液流量，實現(xiàn)對電動機變頻調(diào)速的控制，同時對數(shù)據(jù)進行處理，利用VB變成設(shè)計控制系統(tǒng)，利用MSComm控件，實現(xiàn)通信控制[12]。軟件的控制界面如圖7所示，可以在實驗開始前設(shè)置波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位，并進行COM口選擇。實驗過程中，可以根據(jù)實驗要求改變系統(tǒng)基液的流量，通過數(shù)據(jù)采集得到對流量、壓力(包括壓力及真空度)、溫度等參數(shù)的輸出，并生成實時數(shù)據(jù)曲線。

圖5 RS-232通信接線方式

圖6 傳感器連接方式

圖7 實驗臺控制系統(tǒng)軟件界面

界面使用說明：實驗前，首先進行采集模塊與調(diào)速模塊的通信設(shè)置，設(shè)定波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位和停止位，激活串口按鈕，啟動數(shù)據(jù)傳輸；點擊“run”啟動電機，通過輸入轉(zhuǎn)速值調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，以控制整個系統(tǒng)的流量，實驗結(jié)束后點擊“stop”按鈕；

數(shù)據(jù)采集過程按照圖8所示，在數(shù)據(jù)采集過程中可以選擇監(jiān)視框下方的“溫度”“流量”“壓力”以及“扭矩”等物理量，完成數(shù)據(jù)采集后，可以選擇“停止采集”并保存數(shù)據(jù)。

3 實驗臺測試及數(shù)據(jù)分析

3.1 不同流量下混合效果實驗

該新型粉液混合器的主要性能參數(shù)為環(huán)形噴口處的負壓值，因此，在結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，對負壓值與流量之間的關(guān)系研究是重要的基礎(chǔ)理論研究，同時與數(shù)值仿真結(jié)果進行對比，能夠驗證數(shù)值模擬的準確性。圖9所示為實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真形成的負壓與流量關(guān)系曲線對比圖[13-14]。由圖可見，數(shù)值模擬過程中，負壓值隨著流量的變化較為明顯，當流量為27 m3/h時，達到最大0.1 MPa；而實驗得到的數(shù)據(jù)曲線顯示，較數(shù)值模擬曲線，實驗曲線變化較緩，說明在實驗中，存在結(jié)構(gòu)因素對曲線變化形成了一定影響，但是曲線的總體變化趨勢與數(shù)值模擬曲線相同。兩種曲線的擬合度能夠達到約80%。因此，通過實驗不僅可以研究負壓值與流量關(guān)系，而且可以去修正數(shù)值模型。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖9 負壓與流量關(guān)系曲線

3.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對混合效果實驗

前期研究結(jié)果表明，環(huán)形噴腔直徑、喉管直徑、出口段直徑、收縮角、擴散角、喉管長度與直徑比值等以上幾個因素是影響混合效果的主要因素[15]。因此可以通過組合實驗(例如正交實驗)的方法分析以上幾個因素的主次關(guān)系，對孔式環(huán)形射流粉液混合器后續(xù)的改進和優(yōu)化提供實驗依據(jù)。

以表1 所示數(shù)據(jù)為例，保持環(huán)形噴腔直徑(Db=60 mm)、出口段直徑(Dd=95 mm)、收縮角(α=17°)、擴散角(β=6°)以及喉管長度與直徑比值2.65不變，分別改變喉管的直徑，得到負壓與流量關(guān)系如圖10所示。

由圖10可以得到喉管直徑Dt=50 mm對負壓的影響最為明顯，其余喉管直徑尺寸隨著流量增加對負壓值的影響并不明顯。同理，根據(jù)實驗要求改變其他的尺寸，可以得到以上因素對混合效果影響的主次關(guān)系。

表5 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)實驗數(shù)據(jù)表

圖10 不同影響因素負壓值與流量關(guān)系

3.3 膠粉顆粒在混合器中流動狀態(tài)及混合器動量方程組修正系數(shù)的推導(dǎo)

在推導(dǎo)動量及能量修正系數(shù)時，考慮射流泵喉管進出口段及喉管等各主要控制斷面的速度、壓力及濃度的不均勻分布，以及流體與粉末顆粒速度差難以計算得到，因此，借助高速攝像機來修正方程組，方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：α為喉管進口函數(shù)；φ1為噴嘴流速系數(shù)；φ2為喉管流速系數(shù)；φ3為擴散管流速系數(shù)；φ4為喉管入口流速系數(shù)；k1、k2分別為喉管進口斷面工作和被吸流體流速分布不均影響的動量修正系數(shù)；μ1、μ1、μ1分別為表示噴嘴出口斷面、喉管入口及出口斷面速度滑移的修正系數(shù)；δ為喉管出口斷面動量修正系數(shù)。

以上修正系數(shù)均需要流體與膠粉顆粒的速度差求得，在計算流體與膠粉速度差時，由下式得到流體速度

v1=Q/A

(5)

式中：Q為流量；A為流道橫截面積。而顆粒的速度v2可以由高速攝像機直接測得，因此相對速度Δv=v1-v2，從而可以得到修正后的混合器動量方程。

4 結(jié) 語

本文針對孔式環(huán)形射流粉液混合器研究現(xiàn)狀，搭建了混合模擬測試實驗臺，填補了孔式環(huán)形射流粉液混合器實驗研究的空白。通過該實驗臺可以進行不同流量混合效果的對比實驗，研究流量與負壓值的關(guān)系；同時，可以研究混合器不同關(guān)鍵尺寸，包括環(huán)形噴腔直徑、喉管直徑、出口段直徑、收縮角、擴散角以及喉管長度與直徑比值等參數(shù)對混合器的影響，得到混合器動量和能量方程的修正系數(shù)，對混合器的后續(xù)研究及優(yōu)化設(shè)計提供了實驗依據(jù)，同時也為油氣田的開采壓裂作業(yè)提供了技術(shù)支持，具有良好的實際應(yīng)用價值。