泥漿螺旋沉降離心機的研究方向
技術(shù)支持
螺旋沉降離心機誕生于本世紀初，起初應(yīng)用在化工領(lǐng)域，進行液-液分離、液-固分離或液-液-固分離；后來應(yīng)用于煤炭行業(yè)處理浮選煤礦。50年代初期，國外開始將高速螺旋沉降離心機應(yīng)用到石油鉆井中。高速螺旋沉降離心機用于處理加重泥漿，主要是降粘和回收加重材料，用于處理非加重泥漿，主要是清除有害固相。但是，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，泥漿螺旋沉降離心機所配用的電控箱易燒毀，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生堵塞，螺旋輸送器輸渣困難。本文認為，這除了與現(xiàn)場應(yīng)用不當外，還與離心機的結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大關(guān)系。泥漿作為一種特殊的介質(zhì)，與其他行業(yè)中離心機所用介質(zhì)有較大的不同。對于不同的地質(zhì)構(gòu)造、不同的機械鉆速和不同的泥漿體系，其粘度、密度、固相含量及其粒度分布是不同的；對于同一口井、同一種體系，隨井深的不同，上述泥漿參數(shù)也是不斷變化的；同時，泥漿密度、固相含量及其粒度分布還取決于振動篩、除砂器、除泥器及清潔器的使用狀況。以上這些特點，使得泥漿離心機較化工用離心機在結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)上將有所不同。因此，將螺旋沉降離心機應(yīng)用到泥漿處理上，還有許多問題需要解決。雖然國外一些公司和研究單位對此進行過一些必要的探索，設(shè)計出了一些泥漿螺旋沉降離心機（簡稱泥漿離心機或離心機），但其理論研究資料甚少公開。國內(nèi)目前對泥漿螺旋離心機的研制，仍然處于仿制階段，理論研究及室內(nèi)實驗未見報道。
初步分析認為，要研制適合于鉆井現(xiàn)場的泥漿離心機，應(yīng)從以下七個方面進行深入研究。
1 泥漿固相含量及其粒度分布
固相含量及其粒度分布是研制泥漿離心機的前提和基礎(chǔ)。由固相粒度分布可以確定離心機的合理的分離中點。固相粒度是計算泥漿離心機生產(chǎn)能力（即按懸浮液計的處理量）的基礎(chǔ)，直接涉及到泥漿離心機的分離因數(shù)的選擇。固相含量也是計算離心機生產(chǎn)能力（按沉渣計的處理量）的基礎(chǔ)，直接涉及到離心機的輸渣能力并影響整個離心機的處理量。
目前，國外對泥漿固相粒度分布進行了深入研究，加重劑重晶石粒度分布已有相應(yīng)的API標準和實測結(jié)果。在國內(nèi)，對泥漿固相粒度分布的研究還不充分，有關(guān)成果還不能代表國內(nèi)所有區(qū)域的粒度分布情況，即不具有代表性。因此，應(yīng)對國內(nèi)泥漿固相含量及其粒度分布作系統(tǒng)的、全面的研究，為離心機的設(shè)計和使用提供 手資料。應(yīng)重視以下幾項研究：
（1）未經(jīng)任何凈化的泥漿，在不同的地層范圍、不同的機械鉆速下固相含量及其粒度分布。
（2）通過振動篩、除砂器、除泥器或清潔器等固控設(shè)備處理后泥漿固相含量及其粒度分布。
（3）對不同的油區(qū)、不同的地質(zhì)構(gòu)造進行上述兩項內(nèi)容的測試研究。
（4）對不同的泥漿體系進行上述三項內(nèi)容的測試研究。
對上述測試結(jié)果進行的分析研究，采用概率統(tǒng)計的方法，確定出典型的泥漿固相含量及其粒度分布曲線，為離心機的設(shè)計打下基礎(chǔ)。同時，這些測試研究結(jié)果，將為在不同地區(qū)、不同巖層、不同機械鉆速下使用離心機，提供合理、可靠的依據(jù)。
2 離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場的研究
離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場的研究對整個離心機轉(zhuǎn)速內(nèi)的流體運動學(xué)和動力學(xué)具有重大意義。本文提供了離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)四種截然不同流動狀態(tài)的理論和計算生產(chǎn)能力的方法：
（1）活塞式流動狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體像“活塞式”地整體向前流動，鼓內(nèi)液環(huán)在整個截面上的流速是均勻的，新進入轉(zhuǎn)鼓的液體將鼓內(nèi)原有液體全部置換。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按Σ理論計算生產(chǎn)能力的方法。
（2）層流流動狀態(tài)：假設(shè)液體在鼓內(nèi)呈層狀流動。可利用納維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程求解速度和壓力分布。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按層流理論計算生產(chǎn)能力的方法。
（3）表面層流動狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體分主液層和表面層，主液層只隨轉(zhuǎn)鼓一道回轉(zhuǎn)并不流動，而表面層是在主液層上面快速流動的薄層流體。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按表面層理論計算生產(chǎn)能力的方法。
（4）流線流動狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體流動形成若干軸對稱流面，這些流面與轉(zhuǎn)鼓經(jīng)線截面的交線為流線。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按流線理論計算生產(chǎn)能力的方法。
應(yīng)當指出的是，活塞流理論及流線流理論由于沒有考慮螺旋對流動狀態(tài)的影響，故其理論是比較粗糙的，其計算結(jié)果與實測值相差較大，必須由實驗對其進行校正；雖然層流理論考慮了螺旋的影響，但將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流動狀態(tài)用層流狀態(tài)來描述也是不恰當?shù)模粚τ诒砻鎸恿骼碚?，已有專家進行過實驗研究，證明只有在很小流量下才成立。分別應(yīng)用以上四種轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體流動理論計算出的離心機生產(chǎn)能力是不相同的，有的與實際差別相當大。因此，對離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流場進行認真的理論探討和實驗研究是非常必要的。應(yīng)盡可能找出一系列反映該流場的較為準確的計算公式，提出一種全新的理論，從而為離心機設(shè)計計算提供較為可靠的理論依據(jù)。
3 離心機性能參數(shù)的實驗研究
螺旋沉降離心機的設(shè)計是基于以上四種不同的理論假設(shè)而進行的，其計算結(jié)果的修正也是基于經(jīng)驗公式或僅對某幾種特定介質(zhì)的測試結(jié)果。而把這些理論和方法應(yīng)用到泥漿離心機上，由于介質(zhì)的改變，特別是對于不同的泥漿體系、不同的固相含量及其粒度分布，直接應(yīng)用已有的公式進行計算，必然會產(chǎn)生過大的誤差。
目前，螺旋沉降離心機沉渣含渣量的計算還沒有一個通用的計算公式。而離心機沉渣含濕量對生產(chǎn)能力的影響是相當大的。沉渣的含濕量除與離心機的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)外，還與沉渣粒度分布、空隙率、液相表面張力、固液相相互作用及固相在脫水區(qū)停留時間有直接的關(guān)系。因此，通過對離心機的性能參數(shù)的實驗研究，有可能對某些計算公式的修正提出適合于泥漿離心機的新方法，同時為以后離心機的測繪放大設(shè)計提供可靠的依據(jù)。各種性能參數(shù)的實驗測試包括：
（1）不同粘度、不同密度、不同轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、不同差轉(zhuǎn)速下離心機的按沉渣計及按懸浮液計的生產(chǎn)能力，沉渣的含濕量。
（2）在第1項下，離心機的轉(zhuǎn)鼓功率及螺旋輸渣功率。
（3）在第1項下，固相清除率（即級效率）、固相回收率及固相粒度分布。
根據(jù)以上測試結(jié)果，還可以制定出離心機使用規(guī)則。
4 離心機幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計
螺旋沉降離心機幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和各種性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。有些幾何參數(shù)具有相對的獨立性，有些幾何參數(shù)只給出取值范圍。因此，要提高離心機整體性能（包括經(jīng)濟性、可靠性），就必須對整機的各種幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計中，必須考慮兩個特點：
（1）泥漿離心機與化工用離心機不同。
（2）在現(xiàn)場使用的凈化系統(tǒng)中，除泥器甚至除砂器的工作往往是不正常的。當除泥器不能正常工作時，泥漿固相含量迅速增高。因此設(shè)計重點是使離心機能夠在按懸浮液計具有較大生產(chǎn)能力的同時，按沉渣計具有更大的輸渣能力。這樣對輸渣用螺旋軸總成的優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。
5 離心機轉(zhuǎn)鼓及螺旋葉片磨損機理的研究
離心機轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片的磨損主要取決于物料的性質(zhì)，堅硬且形狀尖銳的顆粒對其磨損的程度是很大的。同時，離心機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對磨損也有很大的影響。從受力角度講，材料的磨損性主要取決于磨損面所受到的正壓力（P）和物料與磨損面之間相對滑動速度（V），用兩者的乘積PV值作為考察磨損性能的指標。因此，必須對轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片的磨損機理進行深入、細致的探討，從而找出合適的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及耐磨材料或者是提高材料耐磨性的方法。
6 離心機傳動裝置的研究
目前，國內(nèi)外螺旋沉降離心機普遍使用的傳動裝置有雙電機皮帶傳動、單電機皮帶傳動（由行星齒輪差速器造成差轉(zhuǎn)速）、液壓驅(qū)動等。近年來，國內(nèi)對傳動裝置的改進做過一些有益的嘗試。如西南石油學(xué)院曾將其改為鏈條傳動形式，由于鏈條壽命很低，不能滿足現(xiàn)場應(yīng)用。勝利石油管理局鉆井工藝研究院于1994年初在大排量離心機上使用同步帶單電機傳動形式，結(jié)果也因整機振動大、同步帶壽命低而作罷。
應(yīng)該講，使用同步帶和鏈條傳動形式，因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉而優(yōu)于其它傳動形式。那么，為什么使用同步帶和鏈條傳動形式的試驗都未獲得成功呢？這就必須從轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體的流動形式和輸渣形式上找原因。如果能從理論和實驗上找出主要影響因素，就有可能通過改變某些結(jié)構(gòu)參數(shù)或工況而消除不利影響。如果同步帶或鏈條的傳動形式能夠成功地應(yīng)用到離心機上，就可以取得巨大的經(jīng)濟效益，因為傳動裝置的改變不僅僅局限于泥漿離心機，它對化工領(lǐng)域乃至其它領(lǐng)域內(nèi)使用這種離心機也是一場變革。
7 現(xiàn)場用離心機的經(jīng)濟性評價
在鉆井過程中，不同鉆井深度、不同地質(zhì)構(gòu)造、不同機械鉆速使得泥漿的粘度、密度及其固相含量和粒度分布不同，對泥漿性能要求不同，對泥漿離心機乃至其它固控設(shè)備的要求也不同。特別是離心機，若用于加重泥漿中，在降粘時，是用化學(xué)方法、水稀釋方法還是用離心機處理，需要進行技術(shù)經(jīng)濟論證；同理，若用于非加重泥漿處理，是用水稀釋方法降低密度還是用離心機降低密度，也有一個經(jīng)濟論證問題。因此，合理地評價各種固控設(shè)備的經(jīng)濟性，對保證鉆井過程、節(jié)省鉆井費用是相當重要的。國外一些鉆井隊用計算機進行處理，決定是否開啟某些設(shè)備或關(guān)閉某些設(shè)備，其依據(jù)就是經(jīng)濟性論證結(jié)構(gòu)。
綜上所述，研制適合于我國國情的泥漿螺旋沉降離心機，還有大量的理論和實驗工作要做。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實驗和測試手段不斷完善，有可能從根本上弄清楚螺旋沉降離心機的許多理論和實際問題，并使這些結(jié)果應(yīng)用到實踐中去，改善現(xiàn)有離心機的使用狀況并進而研制出高技術(shù)性能、高經(jīng)濟效果的泥漿螺旋沉降離心機。
