【正文】 ..................................................................... 53 第六章 結(jié)論與展望 .................................................................................................... 57 結(jié)論 ............................................................................................................... 57 展望 ............................................................................................................... 57 致 謝 ........................................................................................................................ 60 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 60 附錄 .............................................................................................................................. 63 附錄 1 超聲波測距模塊串口電路原理圖 ........................................................... 63 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果 .............................................................. 64 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第一章 緒論 在石油工程鉆井中，鉆井液攪拌器在鉆井固控過程中發(fā)揮了 極其 重要的作用。 由于 在鉆井過程中對 鉆井液 密度的要求比較嚴(yán)格 ，一旦發(fā)生 鉆井液 性能 失效，往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致 鉆井施工 人 員 傷亡等災(zāi)難性事故，對環(huán)境也會(huì)造成很大的破壞 ， 所以 鉆井液 攪拌器的工作性能和效率是安全生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)之一 。鉆井液 攪拌器的工況性能檢測是本文研究的重點(diǎn)，特別對鉆井 液攪拌器 工況參數(shù) 實(shí)時(shí)性能檢測 方法進(jìn)行探索 。 研究背景 機(jī)械攪拌設(shè)備廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)過程，如流體混合，汽液分離，固液懸浮以及傳熱等過程。而且在工業(yè)過程中起到很重要的作用，這就要求攪拌設(shè)備安全、可靠及易于維護(hù)。為了達(dá)到這一要求必須對攪拌器所能承受的載荷有比較詳細(xì)的了解。攪拌過程是在流場中進(jìn)行動(dòng)力傳遞或者是包括熱量、質(zhì)量等的傳遞過程。攪拌器是 向 介質(zhì)輸入機(jī)械能量，使其形成適宜 流場 的 器件。攪拌器向介質(zhì)輸入機(jī)械能量，介質(zhì)對攪拌葉片必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的流體作用。流體作用是攪拌裝置所受載荷的基礎(chǔ)，而扭矩、彎矩、推理 、軸承的載荷、齒輪箱的載荷等，都是由于流體作用力產(chǎn)生的。 [1] 鉆井液攪拌器是 固控 凈化配套系統(tǒng)的一部分，為了保持鉆井液的均勻性并使固相顆粒懸浮，而對鉆井液進(jìn)行連續(xù)可靠的攪拌。 在石油鉆井施工中，鉆井液被譽(yù)為“鉆井的血液”是鉆井過程正常運(yùn)行部可缺少的物質(zhì)，它能起到平衡地層壓力、攜帶懸浮鉆屑、清洗井底、保護(hù)井壁、冷卻鉆頭、潤滑鉆具及傳遞動(dòng)力等作用。 鉆井液技術(shù)是鉆井系統(tǒng)工程中的一個(gè)重要組成部分。尤其是隨著石油勘探開發(fā)工作的發(fā)展，勘探領(lǐng)域越來越廣，鉆井深度不斷增加，鉆遇的地層日益復(fù)雜，鉆井液作業(yè)越來越得到普遍的重視， 并提出了更嚴(yán)格的要求，鉆井必須使用優(yōu)質(zhì)鉆井液。 鉆井液 攪拌器 工作正常與否對整個(gè)鉆井液系統(tǒng)的影響很大， 可以 保持鉆井液的 均勻性并使固相顆粒懸浮 。 攪拌器 主要用于鉆井液的攪拌混合，以防鉆井液固相顆粒在其罐式循環(huán)系統(tǒng)中沉積，使循環(huán)鉆井液性能穩(wěn)定，混合均 勻，且使鉆井液密度適合鉆井要求，從而能使鉆井液正常循環(huán)。 鉆井液攪拌器在整個(gè)工作狀態(tài)下主要受力方面來自受泥漿反作用力的，對鉆井液密度起到調(diào)控的作用。鉆井液單位體積的質(zhì)量稱為鉆井液的密度。鉆井液的密度主要用來調(diào)節(jié)鉆井液靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力，防止發(fā)生井噴。有鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 2 時(shí)候也 用來平衡地層構(gòu)造應(yīng)力，控制和減輕井塌。鉆井液的密度必須符合地質(zhì)和工程的要求，密度過大有很大害處：損害油氣層；降低鉆井速度；過大壓差容易造成壓差卡鉆；容易引起過高的粘切； 容易憋漏地層； 多消耗鉆井液材料及功力；抗污染的能力下降。而密度過低則容易發(fā)生井噴、井塌（尤其負(fù)壓鉆井）及攜屑能力下降等。 [2]鉆井液密度在整個(gè)鉆井過程中是不可忽視的部分，然 而 攪拌器的工況參數(shù)可以間接反應(yīng)出鉆井液密度，所以研究 鉆井液 攪拌器的工況參數(shù)是有實(shí)際價(jià)值。 隨著鉆井工程的日益完善以及對安全性能的要求越來越高，鉆井液在鉆井中必不可少，為使鉆 井液工作正常，在鉆井過程中對 鉆井液 攪拌器工況參數(shù)的檢測必不可少。 本 題目 是 基于 大港油田固控設(shè)備工況參數(shù)系統(tǒng)研究課題 預(yù)研內(nèi)容 。 國內(nèi)外研究情況 攪拌設(shè)備 使用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣 ， 但對攪拌操作的科學(xué)研究 有限 。攪拌器雖是鉆井過程中的基本設(shè)備 ，但實(shí)際上它所影響因素較復(fù)雜 。 自 70 年代以來，我國各油氣田開始引進(jìn)、研制鉆井裝備的同時(shí)，也各自研制設(shè)計(jì)油田固控設(shè)備。但是由于各固控設(shè)備制造廠的設(shè)備性能和技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一，特別是近些年來引進(jìn)的國外設(shè)備的性能缺乏基礎(chǔ)測試研究，導(dǎo)致目前固控設(shè)備的配套和使用存在一定程度的盲目 性，造成固控設(shè)備使用效果差、利用率低的現(xiàn)象。所以，科學(xué)的分析各種固控設(shè)備分離固相的能力，對確定鉆井固控工藝流程，選擇和制定固控設(shè)備配套方案有十分重要的意義。 攪拌器作為固控設(shè)備之中的配套設(shè)備，在整個(gè)固控過程中也起到了很大的輔助作用。 但對固控設(shè)備之中的攪拌器研究的投入 不足 ，鉆井液 攪拌器的使用過程中對其性能參數(shù)的測試 較少 ，從而減少了其使用壽命和工作效率。 攪拌混合設(shè)備是一種應(yīng)用范圍廣泛、品種繁多的流體機(jī)械，適用于油田化工、醫(yī)藥、冶金等多種領(lǐng)域。 由于應(yīng)用廣泛，同時(shí)攪拌設(shè)備的研究也得到了很大的發(fā)展，很多國家致力于研究 新型攪拌器，以適應(yīng)工業(yè)需要。攪拌器的類型得到了發(fā)展的同時(shí)，攪拌器的性能參數(shù)的研究也得到了提升， 單這種參數(shù)性能的研究只是建立在單方面設(shè)備的測試。 國外的固控設(shè)備水平以美國的 SWACO、 BRANDT等公司為代表，質(zhì)量和性能處于世界首位，國外特別重視整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置和整個(gè)系統(tǒng)的效率評價(jià) 。 [3]我國也逐漸生成出高性能的攪拌器，比如華北第一石油機(jī)械廠 ZJC 系列鉆井液攪拌器、青州市南張石油機(jī)械廠 NJ 型泥漿攪拌機(jī)、川中石油機(jī)械有限公司新型注漿攪拌器，但國內(nèi)對簡單機(jī)械鉆井液攪拌器的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng) 尚未 出現(xiàn) 在 市面 上 。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 近年來，隨 著 國內(nèi)外 數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，攪拌槳以及攪拌軸的流體動(dòng)力性能計(jì)算已經(jīng)有了驚人的進(jìn)步，并已經(jīng)有了專門應(yīng)用于攪拌領(lǐng)域的軟件， 人們提供了各種攪拌器的數(shù)學(xué)模型，及其攪拌介質(zhì)的模擬流場，模擬出流場對攪拌器的影響。但 由于攪拌過程中環(huán)境以及力的復(fù)雜性，理論計(jì)算的結(jié)果可靠 性有限 。國內(nèi)外生產(chǎn)攪拌器的廠家比較多，對其理論數(shù)據(jù)的驗(yàn)證只能通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算來核實(shí)，特別是對石油工況下攪 拌器的參數(shù)研究少之甚少。 此外 近年來我國提出節(jié)約型社會(huì)，對攪拌器的實(shí)時(shí)工況研究可以減少能源損耗。 綜 上所述，本論文 在實(shí)驗(yàn)室模擬工況下 對攪拌器的 工況參數(shù)的研究 具 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 。 研究方法及意義 首先對國內(nèi)外 攪拌與混合設(shè)備 的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，針對 攪拌設(shè)備各個(gè)部件 受力的特征，設(shè)立了關(guān)鍵部位的檢測， 然后再 逐一對每個(gè)部位載荷的測量方法對比研究，提出 較 適合的檢測手段。將測量方案分三步進(jìn)行，首先針對 攪拌設(shè)備 真實(shí)載荷的重要性，先研究 攪拌器扭矩 的測量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌設(shè)備扭矩的 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 攪拌設(shè)備 的測量方法要基于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、不影響運(yùn)行的原則，測量方案要使測量設(shè)備簡單，直接安裝在 攪拌軸且不影響攪拌設(shè)備的正常運(yùn)行 ，獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，傳 輸方式便捷 的原則 。再研究 攪拌設(shè)備的真實(shí)輸出功率的 測量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌器 的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 攪拌器真實(shí)輸出功率 的測量方法要基于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、不影響運(yùn)行的原則 下 ，測量方案要使測量設(shè)備簡單，測量系統(tǒng)安裝調(diào)試 方便 ，開發(fā)成本低，同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，傳輸方式便捷，不影響 攪拌設(shè)備 的運(yùn)行。最后 研究攪拌軸的扭矩與攪拌器輸出功 率之間的關(guān)系、扭矩與鉆井液 密度之間的關(guān)系，通過研究二者之間的關(guān)系，得到攪拌器的工況效率。 上述工作為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出 鉆井液 攪拌器檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的 檢 測 鉆井液 攪拌器 各分支結(jié)構(gòu)的運(yùn)行，并對 攪拌器 各分支機(jī)構(gòu)的工作效率和安全性做出評價(jià)。 分析可知 攪拌器 的工作是由很多分支結(jié)構(gòu)來完成的，其中具有重要作用的有動(dòng)力系統(tǒng)， 攪拌系統(tǒng)、攪拌容器。對電動(dòng)機(jī)、攪拌軸的 實(shí)時(shí) 檢 測系統(tǒng)可以 檢 測主要受力系統(tǒng)的受力數(shù)據(jù) 。通過對各個(gè)攪拌系統(tǒng)的檢測， 使 攪拌器 的運(yùn)行 更加 安全有效。 ， 通過整個(gè)檢測系統(tǒng) 發(fā)現(xiàn)和協(xié)調(diào) 攪拌容器中泥漿的密度差值反饋出泥漿密度， 鉆井液 攪拌器得到的泥漿密度和間接測量得到的密度進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，更能實(shí)時(shí)有效地檢測整個(gè)鉆井液的密度，對整個(gè)鉆井的安全運(yùn)行起到了一定的作用。 攪拌和混合設(shè)備 的制造和使用歷史 已很長 ， 攪拌器在各個(gè)行 業(yè)都得到了 不斷的在改進(jìn)、應(yīng)用、改進(jìn)的過程中完善其功能和適用性。 鉆井液 攪拌器 在改進(jìn)過程會(huì)碰到這樣一個(gè)問題：如何 在現(xiàn)場高惡劣的環(huán)境下 系統(tǒng)測量 攪拌器 各系統(tǒng)之間的鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 4 參數(shù)關(guān)系，以使 攪拌器 的設(shè)計(jì)更合理，使用更方便，效率更高？在這個(gè)問題的引導(dǎo)下，展開針對 攪拌器 測量方法的研究， 攪拌器 的工作是由 一些 分支結(jié)構(gòu)來完成的，具有重要作用的有動(dòng)力系統(tǒng)， 攪拌軸系統(tǒng)，攪拌容器 等，如何使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致， 高效安全呢？這就需要一個(gè)整體的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，而這方面所作的工作 變得很有意義。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 攪拌器工況參數(shù)檢測 是為了在 高惡劣、機(jī)械振動(dòng)劇烈的工作環(huán)境下對攪拌器的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢 測 ， 從而使整個(gè)鉆井過程能夠正常運(yùn)行。 由于 鉆井過程中對鉆井液的要求比較嚴(yán)格，任何環(huán)節(jié)都要配合整個(gè)鉆井的順利進(jìn)行。攪拌器是為了保持鉆井液的均勻性，簡而言之是為了保持整個(gè)鉆井液密度的均勻性， 也是影響整個(gè)鉆井工程成敗的因素之一。 攪拌器在整個(gè)井場屬于簡單機(jī)械， 目前尚無 專門儀器來進(jìn)行檢測，攪拌器的受力情況主要來自鉆井液的反作用力。 論文 采用檢測攪拌軸的受力 、檢測攪拌軸轉(zhuǎn)速、檢測鉆井液液面高度 的方法進(jìn)行研究。 攪 拌器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 （ 1） 安全性：針對 攪拌器運(yùn)行現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)境 的特殊因素，采用多學(xué)科領(lǐng)域安全環(huán)保技術(shù)，確保實(shí)驗(yàn)條件與 現(xiàn)場 環(huán)境的 一致 性； （ 2） 可靠性：測控系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，性能穩(wěn)定，可以在 鉆井高惡劣的環(huán)境 內(nèi)長期工作； （ 3） 通用性：在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對象的共性，使裝置具有較強(qiáng)的通用性，可以在各種類型的 攪拌設(shè)備中 推廣應(yīng)用； （ 4） 擴(kuò)展性：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮預(yù)留空間，滿足系統(tǒng) 日 后的擴(kuò)充需要； （ 5） 經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理，性能價(jià)格比高； （ 6） 操作維護(hù)方便性：在 確保整個(gè)鉆井系統(tǒng) 安全 運(yùn)行 前提下，兼 顧經(jīng)濟(jì)承受能力， 爭取 配套設(shè)備模塊化，合理降低使用 以 及維護(hù)成本，提高 整個(gè)設(shè)備的 經(jīng)濟(jì)效益。 攪拌器性能指標(biāo) 如圖 21所示為鉆井液攪拌器的實(shí)物圖 。 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 6 圖 21鉆井液攪拌器實(shí)物圖 資料顯示表明實(shí)際過程中 使 用到 的 攪拌器出廠主要性能參數(shù) 如表 21 所示 。 表 21鉆井液攪拌器出廠的主要性能參數(shù) 產(chǎn)品 型號 排量（ L/min） 葉輪轉(zhuǎn)速 （ r/min） 泥漿密度 （ g/cm3） 配套功率 （ kW） 質(zhì)量 (Kg) 11610 330 16120 80 340 NJ11 23200 71 11 540 NJ15 31400 71 15 550 攪拌器檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 功能 在實(shí)際鉆井過程中鉆井液是循環(huán)使用的，隨著鉆井液在固控設(shè)備中的流動(dòng)，攪拌器中鉆井液的變化，攪拌器功率、攪拌軸扭矩、攪拌器的轉(zhuǎn)速也隨之變化。為了能夠?qū)崟r(shí)檢測攪拌器的性能， 所以提出攪拌器實(shí)時(shí)工況參數(shù)檢測系統(tǒng)。由實(shí)際攪拌器工況性能和材料力學(xué)知識(shí)，鉆井液 液位 高度