基于CFD-DEM耦合方法的壓裂液混配器仿真研究

摘" 要：為研制一種新型的壓裂液混配設備，迫切需要對混配設備的關鍵核心部件混配器進行優化和改進。利用HPC集群平臺上的Altair EDEMTM設計一種基于EDEM-CFD耦合方法的新型混配器，采用EDEM-CAE技術對液固兩相流散體物料模擬實驗，分析求解固液兩相流的來源和流動方向，對管道和砂泵產生腐蝕和磨損程度，找到混配器的優化方法。結合仿真分析和實際實驗結果，該混配器性能指標得到很大的提高，為改善整車性能和和改進壓裂液混合設備控制系統提供重要參數。

關鍵詞：CFD-DEM耦合方法；液固兩相流；仿真研究；混配器；結構設計

中圖分類號：TE937" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0051-04

Abstract： In order to develop a new type of fracturing fluid mixing equipment， there is an urgent need to optimize and improve the mixer， which is the key core component of the equipment. A new type of mixer based on EDEM-CFD coupling method is designed by using Altair EDEM mixer on HPC cluster platform. The simulation experiment of liquid-solid two-phase flow is carried out by EDEM-CAE technology， the source and flow direction of solid-liquid two-phase flow are analyzed and solved， the corrosion and wear degree of pipeline and sand pump are analyzed， and the optimization method of mixer is found. Based on simulation analysis and actual experimental results， the performance index of the mixer has been greatly improved， which provides important parameters for improving the vehicle performance and improving the control system of fracturing fluid mixing equipment.

Keywords： CFD-DEM coupling method; liquid-solid two-phase flow; simulation study; mixer; structure design

壓裂施工作業是改造油田地層的重要手段之一，壓裂車是壓裂作業的主設備，高壓力大排量的壓裂車是目前大型石油壓裂施工的首選，而混配車是為壓裂車提供輔助功能的一種專用設備。混配車的主要功能一是大功率混配，二是高效率輸送，具體來講，就是將壓裂砂和液體配以多種支撐劑，按照一定的比例要求進行混合，再以一定的壓力將混合液輸送到壓裂車的壓裂泵后，進一步加壓擠入井底巖層。因此，混配車的核心部件混配器十分重要，其技術性能及工作穩定性直接影響到壓裂施工作業。傳統設備的設計、制造及現場應用具有一定的時效延遲性和反饋盲目性。針對混配器的特點，采用CFD-DEM耦合方法進行仿真分析，優化混配器參數配置，提升混配器性能指標，對研發新一代混配車具有重要意義。

1" 石油礦場壓裂混配設備概述

1.1" 壓裂混配設備工況環境

近年來，石油勘探特別是鉆采作業過程中，隨著煤層氣的常規開發和頁巖氣逐漸開采，油氣井深度越來越大，深度增速很快。一個客觀的現狀是絕大多數油井都是地處山區、林區及荒漠等特殊地帶，油井施工的場地面積都較小，工況環境惡劣，但是鉆采設備一旦開始施工就要連續工作，而且作業持續時間長。因而，對壓裂液供給需求有一套嚴苛制作和輸送規范，不僅要保障數量和質量，而且要在時效和能效上得以保障，研發制造新型壓裂液混配設備迫在眉睫，市場前景良好。這些設備經常性的工作狀況就是高壓力大排量，在施工作業時間長久持續的情況下，設備的磨損程度也會增大，進而影響整體的施工計劃，施工難度和工況危險性也隨之增加。因而需要對混配設備關鍵核心部件混配器進一步科研攻關，提升整體性能滿足復雜工況。為了適應鉆采進度、工況環境和氣象條件，壓裂液混配備除具有一定的靈活機動性能外，還需具有一定的智能控制能力，亦需對系列設備進一步研制開發和升級改造。

1.2" 壓裂液混配器工作原理

壓裂液混配器作為一種石油礦場現場作業用于處理散體物料的設備，其內部均勻地分布有提料葉片，這些周向固定在筒體內的葉片在隨筒體旋轉時會將壓裂砂、液體和支撐劑從底部提起，逐漸升高到一定高度后，堆積在提料葉片上的壓裂砂、液體配和支撐劑就開始從葉片尾端處拋撒下來，多個葉片組合作用形成料簾，然后重新落入混配器底部，如此循環往復，完成壓裂液的配制。

1.3" 壓裂混配設備機械結構

混配設備一般由車臺發動機提供動力，通過聯泵裝置驅動6套液壓系統工作。其中4套閉式系統分別為驅動供液離心泵馬達、噴射離心泵馬達、排液離心泵馬達和散熱器風扇馬達。2套開式系統分別驅動攪拌裝置的攪拌器馬達、供液泵系統的液添泵馬達、粉料輸送系統的粉料輸送器馬達、破拱馬達、上料系統的上料機構油缸、粉料罐總成的粉料罐舉升油缸、插板油缸、控制室的起升油缸和流量控制閥擺動油缸。清水經供液離心泵、噴射離心泵進入高能水粉混合系統的粉水混配器、粉料經螺旋輸送器，吸粉管線進入粉水混配器，清水和粉料在混配器內混合后形成高濃度粉水液進入攪拌罐，另一部分清水經流量調節閥進入攪拌罐與高濃度粉水液進行混合，液添系統將液體添加劑泵送至排液泵吸入管線與攪拌罐排出的粉水液再次混合，形成均勻的壓裂基液，然后由排液泵排至下游設備。粉料和液體添加劑加入量由自動控制系統按配比要求進行控制。

1.4" 壓裂混配設備面臨現實問題

目前油田普遍采用的水基壓裂液配制方法主要在固定配液站配制，缺乏流動性和現場作業的靈活性等問題，雖然也有混合型水基壓裂液配制車，但在大型油田中功能單一，不能實現多種功能，如混砂、作業效率低、作業人員勞動強度大和施工效率低。由于壓裂采用的水質各異及多種支撐劑和一定砂量的壓裂液在混砂車管道、混合罐和砂泵中流動，對管道和砂泵產生腐蝕和磨損，影響其砂泵的使用壽命，對砂泵的耐磨耐腐蝕性提出了更高的要求。

2" CFD-DEM耦合方法

2.1" 離散單元法（DEM）

混配器內部骨料可被看作不同粒徑的球形顆粒組成的散體介質，混配器工作過程適用離散單元法進行研究。離散單元法（Discrete Element Method，簡稱 DEM）研究的對象即零散物料、石質材料、細碎型物料和土質顆粒等日常所見的顆粒狀物質，這些物質材料的每個組成單元，都是離散的、具有相對獨立的特性。DEM的核心思想即在拉格朗日坐標體系下，針對每個顆粒進行檢索，計算由于接觸產生的力（圖1），再運用牛頓第二定律進行計算顆粒的加速度/速度和位移的變化，進而得到整個系統的狀態。

2.2" 計算流體動力學（CFD）

壓裂液混配器作用的對象主要是顆粒液固兩相流，而非單一的固體散料或液體，應用飛速發展的計算機技術和CFD方法，基于數值模擬較復雜或較理想的過程，研究顆粒液固兩相流動是一種非常高效的途徑。CFD的基本特征是數值模擬和計算機實驗，可以得到流體控制方程的近似解。CFD軟件一般都能推出多種優化的物理模型，由前處理、求解器和后處理3部分組成，軟件之間可以方便地進行數值交換。

2.3" 計算流體力學-離散單元法（CFD-DEM）

基于拉格朗日法建立的歐拉-拉格朗日模型（CFD-DEM）是目前描述該類液固流動系統主要的數值模擬方法。由于CFD-DEM法可跟蹤單個顆粒的運動信息，模擬顆粒與顆粒之間，顆粒與容器之間的碰撞，模擬顆粒在流體介質中的堆積和分離現象，模擬顆粒和流場的相互影響，計算顆粒受到的流體力等相互作用，已在業內得到了一定的應用。CFD-DEM模型最常見的控制方程都基于A類模型（顆粒受力直接包含了壓力梯度力），Ishii形式的動量方程應用較多，計算流程主要包括初始化、流體相計算和顆粒相計算。針對具體的工程應用，CFD計算速度的提高主要依賴于高效的線性方程組求解器和合適的流體方程求解算法，DEM計算速度的提高主要依賴于高效的碰撞搜索算法，CFD-DEM模擬的計算結果受CFD網格質量、離散格式、顆粒碰撞參數、時間步長、曳力模型和耦合方法等多種因素的影響。

3" 仿真方法分析

綜上分析，基于CFD-DEM耦合方法，對混配設備（車、撬）的核心部件壓裂液混配器進行創新研究，通過作業載荷分析、物料運輸過程仿真、多種物料攪拌和混合效果仿真、設備作業效率分析、結構磨損分析及物料破碎仿真等計算過程，從結構的集成和采用新材料及新工藝對產品進行優化，提升產品性能，掌握核心技術，為企業制造出新一代壓裂液混配器產品提出技術參考；通過升級壓裂液混配設備（車、撬）電液控制系統、自動配液控制系統，制造出新型的石油鉆采專用智能壓裂液混配設備。

3.1" 仿真環境搭建

在高性能計算集群平臺上（4核4路AMD 皓龍 8347處理器，計算節點為刀片式，操作系統采用SuSE Enterprise Linux X86_64版，管理系統采用曙光機群Gridview），以高性能計算為契合點，針對機械模擬過程中的并行問題，選擇openmpi、mpich等mpi軟件，對8核、16核并行測試并行效率。確定并行核數后利用Altair EDEMTM，基于EDEM-CFD耦合方法仿真設計新型混配泵，基于EDEM-CAE技術的設備設計散體物料模擬測試。

3.2" 仿真方案分析

3.2.1" 混配器機械結構

混合設備的主要功能是將液體與各種支撐劑和壓裂砂按一定比例混合，然后在一定壓力下將混合液體輸送到壓裂設備的壓裂泵中，壓裂泵將混合液壓入井底地層。為了提高油井產量，延長油井壽命，國內外許多大油田都采用了大出砂量、大出砂率和大排量的壓裂技術，依據不同的地層使用石英砂或各種陶粒，以降低施工摩阻，提高造縫能力，這樣就會導致砂泵的磨損加大，報廢率提高，修復更換砂泵難度加大，增加生產成本，嚴重影響混砂車的施工效率，對壓裂液混配器進行仿真分析（圖2），優化混配器參數從而提升混配效率，對降低混配設備整體能耗水平，提升產品質量。

3.2.2" 顆粒材料參數分析

混配器作為一種散體物料處理設備，對于散料粒徑的設置分布模式，無論是正態分布還是隨機分布，其實都適用于各種不同的仿真工況需求，通用EDEM材料模型庫，基于多年工程經驗及物料參數，仿真過程可以快速確定物料多種參數取值范圍、設備的物理特性其相互作用參數（表1）。在確定剪切模量、粒子大小和形狀，標定體積密度，虛擬測試并迭代改進參數后，就可以進行材料參數標定試驗。

3.2.3" 特殊顆粒建模分析

基于混配器的結構分析，利用多球面組合建立復雜顆粒模型與CFD聯合模擬顆粒流體系統開展仿真分析。確定仿真方案后，對顆粒參數進行標定仿真、顆粒級配進行選擇，并利用仿真模型進行葉片結構初選，確定葉片基本結構，自定義特殊顆粒接觸力學模型、體力模型等，實現針對工況的建模要求，如顆粒熱脹、破碎、團聚和電磁力等;自定義結構體運動、變形和熱屬性等，復雜工況模擬擴展離散元方法的應用領域。采用顆粒凍結技術、動態計算域技術等特殊加速技術，針對大型儲料設備、大型料床的物料生成與作業過程進行加速，大大提升仿真效率，通過分區統計、屬性傳感器、分區顏色顯示、動態統計、動態分區顯示、切片顯示內部和視頻結果輸出等步驟實現計算機仿真設計。

4" 仿真方案優化

將壓裂液混配器三維數模導入到CFD-EDEM軟件中進行前處理。因為計算對象是封閉的固液流體域，為了確保混配器的完整性、封閉性，混配器內部殼體部分只提取與內部特殊物料接觸最多的表面，將其他端面做封閉處理；全部的提料葉片固定在殼體的相對位置，液體噴嘴也要安置在恰當的地方，這樣當滾子在設置的速度運轉時，提料葉片、液體噴嘴會隨著滾子一起轉動。

作為一個密閉容器的混配器，在仿真計算中WALL類型即為SPH粒子，混合好的加砂液或加砂酸液輸送給壓裂車，這一步驟是通過模擬方法來實現；混配器內輸送過程中，砂泵葉輪前端面與泵殼吸入口端面及葉輪后端面與右襯板之間有間隙，間隙當中有大量砂粒通過，即MOVINGWALL類型的SPH粒子；當葉輪高速轉動時，砂粒與砂泵的吸入端面和右襯板摩擦，泵殼的吸入端面和右襯板變薄，葉輪前面、泵殼吸入端面和葉輪后面與砂泵右襯板之間的間隙增大，砂泵的排量和壓力逐漸減小，即FLUID類型的SPH粒子。

混合器的轉速參數可以提前設置，打開液固兩相流模型、黏性阻力模型和表面張力模型，在計算出每個齒輪和軸承、葉片轉速的情況下，砂土的摩擦和酸的腐蝕將加速泵殼吸入端面和右襯板變薄。計算的物理時間保持不變，保證混合器在整個模擬過程中旋轉15次，計算時間設定為30 s。

為保障砂泵的使用壽命，通過左襯板和右襯板表面均安裝耐酸耐磨橡膠，左右襯板通過螺栓固定在相應的位置來增加砂泵葉輪、襯板的耐磨性，從而延長砂泵的使用壽命，在這種情況下，計算規模相似，使用相同的硬件資源，每個案件可以在3 d內完成。

后處理基于EDEM-CAE技術的設備設計散體物料模擬測試，傳統的CFD解與流體形狀、速度云、剖面、流線、矢量、時變曲線和時域平均流場相似，可以得到SPH顆粒。從以上分析可以看出，仿真分析與實驗結果吻合得很好。通過模擬分析求解了固體或液體的來源和流動方向，找到了問題的根源，為進一步建模提供了理論依據，并為新型混配設備產品的制造提供了重要的參考依據。

在實際工程應用中，基于上述仿真分析，為開發智能壓裂液混配設備的電液控制系統、自動配液控制系統提供了一種結構簡單、集成度高、使用方便、操作簡便且可使用多種復雜工況的一體式智能控制方案，在產品上采用控制面板形式，面板上安裝常用的柴油機儀表、顯示器、電位計和控制按鈕等功能，顯示排出泵壓力、噴射泵壓力、吸入泵壓力、冷卻風扇壓力、輔助系統壓力及系統氣壓，直觀觀察到液壓、氣動的壓力值，方便判斷系統是否存在故障，也用于設定混配濃度、排量等重要參數，形成了成套的系列產品。

5" 結束語

本文的實際案例顯示，基于CFD-DEM耦合方法創新性地應用于壓裂液混配器仿真研究，依據模擬分析結果并結合實際測試中的驗證參數，證明新型混配器在仿真中的效果與實際情況接近，滿足壓裂液混配設備工況的分析要求，為產品制造提供了重要的參考依據，極大地縮短了產品研制時間，降低了企業生產成本，提高了企業綜合效益，亦為企業應用計算機技術快速開發和驗證新產品提供了有效的解決方案，解決了實驗中難以預測和解決的實際工程問題。

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