【文章內(nèi)容簡介】 經(jīng)渦流導(dǎo)管流出溢流口，液流中的固體顆粒沿內(nèi)壁下行，從底流口排出。旋流器的名義尺寸越大，所除掉的固體顆粒越粗，所需要的工作壓力越小，泥漿的處理量越大。 圖43 旋流器結(jié)構(gòu)示意圖1溢流；2進(jìn)口管；3渦流導(dǎo)管；4渦流；5進(jìn)口腔；6底流除砂器、除泥器在固控工藝流程中位于振動篩之后，它們的主要用途是將通過振動篩后還混在鉆液體系中的更微小的固相顆粒清除出來。除砂器、除泥器的核心部件—水力旋流器是根據(jù)離心沉降分離原理設(shè)計(jì)的固液分離設(shè)備，它分離固相的能力與本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、進(jìn)漿壓力和泥漿特性有關(guān)。旋流體內(nèi)徑越小，能分離出的固相顆粒越細(xì)。習(xí)慣上稱內(nèi)徑大于150的，只能分離較粗砂粒的旋流器為除砂器，內(nèi)徑150至70的，能分離較細(xì)固相顆粒的旋流器為除泥器。水力旋流器的直徑、進(jìn)料口尺寸及進(jìn)料管形狀、流通形式、溢流口尺寸及溢流管插入深度、底流口尺寸等都是影響旋流器工作特性的重要因素。旋流器的處理量與自身直徑的平方成正比，溢流中的固相粒也隨直徑的增大而增大。溢流管插入過深或過淺都會使溢流中固相粒徑增大。底流口尺寸過大或過小對底流的排出均不利。目前國內(nèi)外除砂器、除泥器的處理量大致相同，都在150～200左右，而其固相分離能力主要由旋流器的直徑?jīng)Q定。如圖44反映了目前國內(nèi)外除砂器、除泥器使用的旋器分離固相顆粒的性能。圖44 固相分離曲線圖從圖44中可以看出，旋流器處理固相顆粒的曲線比較平緩，即使使用很小口徑的旋流器也很難將很大直徑的固相顆粒100%的清除干凈，這就是旋流器無法代替振動篩和離心機(jī)的原因。從現(xiàn)場使用反映來看，除砂器、除泥器是固控工藝中使用效率最低的固控設(shè)備。主要原因是除砂器、除泥器分離固相的范圍不穩(wěn)定，分離效果不如振動篩和離心機(jī)明顯，在某些情況下其處理范圍可以被振動篩和離心機(jī)替代。但它們有一個(gè)不可替代的功用就是，在振動篩無法使用的時(shí)候(比如振動篩網(wǎng)糊篩或振動篩損壞)，可以用它們來清除泥漿中本該由振動篩清除的較大泥漿固相顆粒。(2)除砂器、除泥器的選用原則選擇除砂器、除泥器時(shí)，首先要考慮下列因素：。從理論上說，當(dāng)旋流器的進(jìn)漿壓頭相同時(shí)，直徑越小的旋流器分離粒徑越小。但實(shí)際上，由于泥漿的性能和操作方法的不同，分離粒徑往往會大于或小于旋流器的設(shè)計(jì)規(guī)定。除砂器用來清除30～74的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，而且也與泥漿濃度、密度和進(jìn)液壓力有關(guān)。表42為常用旋流器的工作范圍表。表42 旋流器工作范圍表旋流器規(guī)格英寸()2(50)4(100)5(125)8(200)10(250)12(300)處理()1820314080100100114分離粒徑()71020303650從表42可知，不同直徑的旋流器的分離固相顆粒的粒徑是不同時(shí)。根據(jù)新型泥漿固控系統(tǒng)(即ZYK180型泥漿固控系統(tǒng))的設(shè)計(jì)要求，除砂器的固相顆粒分離粒徑為44～74，因此12英寸的旋流器可以滿足設(shè)計(jì)要求。除泥器的固相顆粒分離粒徑為8～44，因此4英寸的旋流器可以滿足設(shè)計(jì)要求。為了滿足處理全部泥漿的要求，除砂器和除泥器必須由若干個(gè)旋流錐筒組成以滿足處理量的要求。同時(shí)，保證旋流器正常工作，進(jìn)液壓力必須達(dá)到工作要求。根據(jù)國內(nèi)外資料介紹及現(xiàn)場使用情況，～。除泥器因旋流錐筒多、管線長，進(jìn)液壓力應(yīng)取較大值；除砂器因旋流錐筒少，管線短，進(jìn)液壓力應(yīng)取較小值。進(jìn)液壓力的大小主要取決于砂泵匹配是否合理，因而砂泵的選擇是至關(guān)重要的，砂泵揚(yáng)程通常為40左右，進(jìn)液壓力能夠達(dá)到要求，排量能與除砂器和除泥器所標(biāo)定的處理量相等，可滿足使用要求。選用除砂器和除泥器時(shí)必須參考鉆井泵的最大排量，以期達(dá)到匹配合理。無論是除砂器還是除泥器，都要保證能夠全部處理鉆井過程中的最大泥漿排量。一般規(guī)定除砂器、除泥器的處理量應(yīng)為125%的最大泥漿排量。在鉆井作業(yè)中，一般都使用單泵供液，這樣，除砂器、除泥器的泥漿處理為： (43)式中：——除砂器(除泥器)處理量，；——鉆井泵最大排量，；則=125%≈58。 離心機(jī)離心機(jī)是泥漿固控設(shè)備中的重要裝置之一，一般安裝在固控流程中的最后一級。用來處理非加重泥漿時(shí)，可以除去2以上的有害固相；處理加重泥漿時(shí)，可以除去泥漿中的多余膠體，控制泥漿的粘度，回收重晶石，對保護(hù)油氣層、實(shí)現(xiàn)快速鉆井具有重要的作用。(1)離心機(jī)的性能分析石油鉆井中使用的離心機(jī)主要為螺旋式沉降離心機(jī)，離心機(jī)由電動機(jī)、轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器等幾部分組成，結(jié)構(gòu)如圖45所示。螺旋輸送器在錐形筒轉(zhuǎn)鼓內(nèi)轉(zhuǎn)動，錐形轉(zhuǎn)鼓同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速略高于螺旋輸送器。泥漿由加料管進(jìn)入螺旋輸送器內(nèi)的空心軸，再流入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。由于轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)，帶動進(jìn)入的泥漿一起旋轉(zhuǎn)，泥漿中的固相被甩到轉(zhuǎn)鼓壁上，由螺旋輸送器推向小端的卸料孔排出，清潔泥漿作為溢流從轉(zhuǎn)鼓大端的溢流口排出。圖45 離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖離心機(jī)是利用離心沉降原理分離固體和液體的專用設(shè)備。它安裝在水力旋流器之后，分離旋流器不能分離的細(xì)小顆粒。目前在現(xiàn)場應(yīng)用中根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同將離心機(jī)分為三類，一是轉(zhuǎn)速范圍為1600～1800的離心機(jī)，離心力為重力的500～700倍，對低密度的泥漿分離點(diǎn)為6～10，對高密度的泥漿分離點(diǎn)4～7，～9，這種離心機(jī)主要用來清除膠體，控制泥漿的粘度。二是轉(zhuǎn)速范圍為1900～2200的離心機(jī)，離心力為重力的800倍，對泥漿分離點(diǎn)為5～71，進(jìn)漿速度為23～45，這種離心機(jī)主要用來清除泥漿中的5～7的固相有害顆粒。三是轉(zhuǎn)速范圍為2500～3000的離心機(jī)，離心力為重力的1200～2100倍，對泥漿分離點(diǎn)為2～5，這種離心機(jī)主要用來清除泥漿中2～5的固相有害顆粒。在加重泥漿中應(yīng)用離心機(jī)的首要目的是控制粘度。因?yàn)樵诟哒扯认拢@井速度較慢。控制粘度的方法是將引起粘度增加的超細(xì)顆粒固相和膠體通過溢流分離出來，排至廢料池，而將含有大量重晶石的底流重新返回泥漿循環(huán)罐內(nèi)。在非加重的低固相泥漿中，離心法是很有效的固液分離方法。用于這方面的離心機(jī)通常是大處理量型離心機(jī)，每小時(shí)能處理23～45的液體，處理3～4固相。離心機(jī)將泥漿分離為溢液和底流兩部分。底流中含有大量無用固相排到廢漿池中，而貴重的液相再返回到循環(huán)罐中去。由于低固相泥漿所帶來的巨大效益，因此，用離心機(jī)來清除非加重泥漿中的固相越來越普遍了。旋流器(除砂器、除泥器)底流含有較多的液體，將其送入離心機(jī)，離心機(jī)分離出的固體被排入廢漿池，分離出的液體返回循環(huán)使用，用這一方法來回收儲漿罐中的水也是很有效的。也可以用沉降式離心機(jī)來清潔完井液。在此情況下，一般使用高處理量離心機(jī)從昂貴的完井液中清除無用固相，使得這些完井液得到重復(fù)利用。對于非加重泥漿，主要目的是回收液相，對于加重泥漿，主要目的是回收加重材料，排出超細(xì)巖屑的顆粒，減小粘度。在離心機(jī)的底流安裝一個(gè)可調(diào)導(dǎo)流滑板，即可完成這一工作。從上面分析可以看出，離心機(jī)的主要用途有：增加泥漿比重，減少泥漿體積，縮減泥漿用量；控制影響粘度的膠體顆粒，降低泥漿的流動性能；回收重晶石；消除污染物造成的污染；在回收化學(xué)藥劑和膠體顆粒的同時(shí)，降低泥漿中總固相含量。為了達(dá)到上述目的，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)在2000～3000的范圍內(nèi)。(2)離心機(jī)的工藝參數(shù)的選擇離心機(jī)是一種利用離心力進(jìn)行分離固相和液相的重要固控設(shè)備，在選擇離心機(jī)時(shí)，其分離因數(shù)的大小是衡量離心機(jī)性能特征的一個(gè)重要指標(biāo)。分離因數(shù)的物理意義是指在離心力場中，物體受到的離心力與其自身重力的比值，其計(jì)算公式為： (44)式中：—分離因數(shù)；—離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓角速度，；—離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，；—重力加速度，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心機(jī)中的固相顆粒受到離心力、重力、泥漿懸浮力和泥漿粘滯阻力作用。由此可得到固相顆粒的力學(xué)方程： (45)離心力與浮力的差值： (46)泥漿的阻力： (47)由于重力與離心力相比很小，可忽略不計(jì)，由此可得到固相顆粒的運(yùn)動方程： (48)式中：—固相顆粒的質(zhì)量，； —泥漿中液相密度，； —固相顆粒的當(dāng)量直徑，；—固相顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，；—泥漿對固相顆粒的阻力系數(shù)；—固相顆粒的沉降速度。根據(jù)列辛科準(zhǔn)數(shù)方程。及雷諾和列辛科的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，離心機(jī)中的固相顆粒沉降運(yùn)動一般處于層流區(qū)或過渡區(qū)，固相顆粒沉降運(yùn)動是處于層流區(qū)還是過渡區(qū)，可根據(jù)準(zhǔn)數(shù)判斷： (49)式中：—泥漿的動力粘度， 。通過對國內(nèi)外泥漿凈化用離心機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析得知，泥漿中的沉降運(yùn)動處于層流區(qū)或過渡區(qū)。層流區(qū)的沉降速度： (410)過度區(qū)的沉降速度： (411)假設(shè)固相顆粒的沉降運(yùn)動處于層流區(qū)，則其沉降速根據(jù)斯托克斯定律得知固相顆粒在泥漿中的自由沉降速度將值帶入后，得： (412)固相顆粒從自由液面沉降到鼓壁的時(shí)間： (413)式中：—離心機(jī)中泥漿自由液面半徑。假設(shè)固相顆粒與泥漿在軸向無相對移動，那么固相顆粒在離心機(jī)中的滯留時(shí)問，等于泥漿所走軸向沉降區(qū)所需時(shí)間： (414)沿轉(zhuǎn)鼓整個(gè)截面軸向速度是不變的，即： (415) (416)要實(shí)現(xiàn)固相分離，必須滿足，即： (417)式中：—處理量，—沉降區(qū)長度，將代入上式整理得； (418)根據(jù)上式可以看出，越大，泥漿中固相顆粒受到的離心力越大，分離效果也就越好。因此，采用分離因數(shù)較大的離心機(jī)，可以有效地提高泥漿的固相分離效率。離心機(jī)的分離因數(shù)與轉(zhuǎn)鼓直徑及最高轉(zhuǎn)速是相互聯(lián)系的。表43是離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑、轉(zhuǎn)速及分離因數(shù)關(guān)系表。表43 離心機(jī)轉(zhuǎn)速與分離因數(shù)關(guān)系表轉(zhuǎn)鼓直徑()2003504506008001000最高鉆速()720041003200240018001400最大分離因數(shù)570033002500190014001150通過上述分析可以得出，離心機(jī)的選擇受到要分離固相顆粒的粒徑大小、離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑、最高轉(zhuǎn)速及分離因數(shù)的影響，為了清除的固相顆粒，離心機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)在2000～3000的范圍內(nèi)，分離因數(shù)應(yīng)達(dá)到2500。第5章 結(jié)論基于上述分析，可以提出以下結(jié)論及認(rèn)識：(1)根據(jù)介質(zhì)的不同泥漿分為水機(jī)泥漿、油基泥漿、乳化泥漿。根據(jù)不同地層的需要及鉆井設(shè)計(jì)來合理的選擇泥漿體系是快速、優(yōu)質(zhì)、安全鉆井的必要條件。(2)泥漿中固相分為活性和惰性或有用和無用，合理的控制泥漿固相在泥漿中的百分含量可以使鉆速達(dá)到最好效果；合理控制泥漿固相類型可使泥漿性能達(dá)到最好效果。(3)振動篩、旋流分離器、離心機(jī)是鉆井過程中必不可少