离心机沉降区结构参数的选择与影响因素分析.pdf

收稿日期:2006205224 基金项目:中国石化集团公司重大装备科技攻关项目 “新型ZJ30DB钻机研制” 的子课题(编号JW05008) 作者简介:王翠红(19672 ) , 女,山东莱阳人,工程师,1993年毕业于石油大学(华东)矿机专业,现在胜利油田现河采油厂 采油一矿从事技术管理工作。 文章编号: 100123482(2006) 0520027204 离心机沉降区结构参数的选择与影响因素分析 王翠红1,董怀荣2,程显刚1,杨江勇2,张吉平2 (1. 胜利油田 现河采油厂采油一矿,山东 东营257068 ;2.胜利石油管理局 钻井工艺研究院,山东 东营257017) 摘要:影响离心机分离性能的参数比较多,这些参数都不是独立的而是相互影响、 相互制约的,必须综合分析确 定。文章分析了沉降区结构参数对离心机分离性能的影响,并给出了结构参数的选择范围,为进一步设计钻井液 高速离心机提供了参考。 关键词:钻井液;离心机;沉降;结构参数;分析 中图分类号:TE927. 303 文献标识码:A The decision of structural parameters of sedimentation area and influencing factor analyses of the centrifuge WAN G Cui2hong1;DONG Huai2rong2;CHENG Xian2gang1; YANGJiang2yong2;ZHANGJi2ping2 (1.The Xianhe Oil Production , Shengli Oil Field , Dongying257068, China; 2. Drilling Technology Research Institute , Shengli Petroleum A dministration , Dongying257017, China) Abstract : The parameters influencing on the separation performance of the centrifuge must be decided through all2around analyses , which are not independent and are of interaction and restricted mutually. The structural parameters of sedimentation area influencing on the separation performance of the centrifuge are analyzed and the selection scope are given , which have offered some references to design high2speed centri2 fuge. Key words : centrifuge ;sedimentation ;structural parameter ;analysis 离心机作为一种钻井液固控设备,合理地设计 和使用,可有效地控制钻井液的密度,清除钻井液中 的有害固相,对提高机械钻速,提高后续设备的使用 寿命、 节约泥浆药品用量、 保护油气层等方面具有重 要意义。我国从90年代中期才开始使用中速离心 机,并认识到离心机在钻井液固相控制中的巨大作 用,特别是在一些特殊工艺井中作用更大。随着钻 井工艺难度的加大,对固控的要求不断提高,仅有中 速离心机还不能很好地解决当今钻井液固相控制问 题。要适应新型钻井工艺技术的发展,提高钻井液 固控水平,必须提高离心机的性能,尤其必须发展大 排量、 可靠性高的高速离心机。影响离心机性能的 因素非常多,而结构参数的选择是其中非常重要的 方面,必须根据离心分离过程的要求和经济性原则, 综合平衡各项因素而进行选择。本文将重点分析钻 井液高速离心机,沉降区结构参数的选择及影响因 素,为进一步设计高速离心机奠定基础1 - 2。 1 转鼓半锥角的分析 转鼓半锥角是离心机结构设计中最为重要的 一个参数,其敏感性最大。这是因为离心机在分离 有密度差的固液物料(钻井液中固相与液相)时,分 离出来的沉渣被螺旋输送器沿转鼓锥面推出液池, 然后经过锥面干燥段(脱水区)后由出渣口排出。由 于离心机进行固液分离时转速较高,因此沉渣沿锥 面移动时将受到与离心力成正比的反向流动力作 用。这与河流相似,河床窄的地方水流急,而河床宽 的地方水流缓。如果转鼓锥段的锥角大,将产生沉 2006年 第35卷 石 油 矿 场 机 械 第5期 第27页 OIL FIELD EQUIPMENT 2006 ,35(5) :2730 渣回流现象,螺旋推料器无法输渣。 从离心机排渣过程可知,沉降在离心机转鼓内 侧的沉渣被沿转鼓锥端推向出料口时,由于离心力 的作用,受到向下滑移的回流力作用。半锥角越大, 沉渣受离心力挤压越大,螺旋推力的扭矩越大,叶片 磨损越大,甚至产生沉渣回流现象而导致螺旋推料 器无法排渣。如果半锥角小,其有效沉降面积减小, 降低离心机的使用性能。 如图1所示,液池深度h和排渣口半径r3一定 时,半锥角增大,干燥区长度LG= ( r 1-r3 )/ tg (即沉渣脱离液面到排渣口之间的距离)就较短,其 脱水时间变短,沉渣含水率升高;反之,如果锥角小, 则干燥区长度长,脱水时间长,沉渣的含水率就低。 另外,半锥角的大小还影响着离心机转鼓有效长度 和长径比,在转鼓内半径与排渣口半径一定情况下, 半锥角越小,转鼓越长,长径比越大,制造越困难。 因此,设计离心机时,在保证分离条件和使用性能的 情况下,应该选取较大的半锥角。 图1 离心机转鼓结构 半锥角与螺旋排渣效率EP和沉降面积有如 下关系3: Ep= ctg ctg+ ctg1 = tg1 tg+ tg1 (1) 1= cos - 1tg tg1 sin( 2+)-(2+)(2) A= 2 22 6g 3L11 + 2r1 r2 + r1 2 r2 2 + L21 + 3 r1 r2 + 2r1 2 r2 2 (3) 式中,为螺旋叶片的升角;1为沉渣沿鼓壁滑动方 向与垂直于转鼓轴线的径向平面间的夹角;为螺 旋输送器半锥角;1、2分别为沉渣与转鼓壁和螺旋 叶面的摩擦角; f1、f2分别为沉渣与转鼓壁和螺旋 叶面的摩擦因数;A为当量沉降面积; r2、r1分别是 转鼓内半径和液池表面半径; rs为螺旋内筒的外半 径; g为重力加速度;表示转鼓转动角速度;其余 为结构参数L1、L2如图1。 图2 沉渣沿鼓壁滑动方向角1与转鼓半锥角的关系 图3 排渣效率Ep与转鼓半锥角之间关系 图4 沉降面积A与转鼓半锥角的关系 根据公式(1)(3)并以LW5001200 - N型 钻井液高速离心机结构参数为例,可以计算出排渣 效率EP和沉降面积A与半锥角的关系如图2 4所示。随着转鼓半锥角的逐渐增大,沉渣沿鼓 壁滑动方向角1逐渐减小,排渣效率和转鼓沉降面 积也随之减小,单位时间内排出的沉渣量也将减小, 因此转鼓半锥角不易太大。随着转鼓半锥角的逐 渐减小,沉渣沿鼓壁滑动方向角1逐渐增大,排渣 效率和转鼓沉降面积也随之提高,单位时间内排出 的沉渣量也将增加,但干燥区长度延长,脱水时间 长,沉渣的含水率就低,也容易造成排渣不畅而发生 堆积堵塞现象,因此转鼓半锥角不易太小。 82OIL FIELD EQUIPMENT 2006 Vol. 355 由于输渣是离心机正常工作的必要条件,因此 最佳设计必须首先满足输渣条件。为了避免螺旋推 料器无法输渣这个问题,对于难分离物料(即密度差 较小或粘性较大的钻井液 ) , 转鼓半锥角应降低到 8 以内,以便降低锥段沉渣的回流速度。对普通的 物料,半锥角应在10 以内,这样就使沉渣能够输 送,在钻井液离心机设计中,一般转鼓半锥角选择在 8 10 之间,Ep值的选择不宜低于85 % ,1值至少 要大于45,最好能达到Ep 90 % ,1 50 。 2 液池深度h分析 钻井液被供浆泵输送到螺旋输送器内筒中,经 最大限度地加速后通过内筒上的出料孔进入实际工 作室 转鼓内,在离心力场作用下,流体贴着转鼓 内壁形成一个空心圆筒,筒体的厚度就是液池深度 h,如图1和图5所示。液池表面半径r1与转鼓内 半径r2之间的差就是液池深度h,即h=r2-r1。 图5 液池深度h示意 尽管液池深度是由于进入转鼓内钻井液在离心 机高速旋转产生的离心力作用而形成的,但从转鼓 结构设计上是可以改变的。液池深度的大小直接决 定了沉降面积,也就决定了离心机的处理量;另外, 液池深度也决定沉渣在脱水区的运动长度,从而也 影响着沉渣的含水率。进入转鼓内的钻井液经过沉 降分离后的流体部分,从转鼓的溢流口流出,溢流口 是由与转鼓相连接的法兰盘上若干个溢流孔组成, 溢流孔的直径与个数根据离心机的处理量和转鼓的 大小确定,考虑到转鼓的强度,数量一般为46个, 直径为 40 3以后,制造比 较困难,成本较高,目前较少采用。 在L1、r2和这些结构参数确定的情况下,在 离心机设计和使用过程中可以改变的是液池半径 r1或液池深度h,从而影响沉降区长度。液池半径 r1越大,沉降区长度越短,有效沉降面积减小,离心 机的处理量也随之减小;反之,离心机的处理量随之 增大。 4 结束语 影响钻井液离心机分离性能的参数比较多,且 相互影响、 相互制约,必须综合分析确定。本文总结 了作者多年从事钻井液固相控制的实践经验,分析 了钻井液离心机沉降区结构参数对离心机分离性能 的影响,给出了参数的选择范围,为进一步设计钻井 液离心机提供了一些设计原则。由于在整个钻井过 程中,钻井液密度、 粘度和固相含量是不断变化的, 遇到不同地层时钻井工艺对离心机的使用要求也是 不同的。因此,在离心机结构参数,例如转鼓内径、 转鼓长度、 长径比、 转鼓半锥角、 螺旋螺距或升角、 排 渣口直径等确定的情况下,应该通过改变离心机运 动参数,如转鼓转速、 螺旋与输送器之间差转速操作 参数、 供浆管插入深度、 液池深度等,从而改变离心 机的工作性能,一方面避免过载、 堵塞等事故的发 生,更为重要的是发挥离心机最佳工作性能,更好地 为钻井工艺服务。 参考文献: 1 董怀荣,王新梅,蔡文军,等. LW4001200 - N型变 频控制高速离心机研制J .石油矿场机械,2006 ,35 (1) :45247. 2 龚伟安.钻井液固相控制技术与设备M.北京:石油 工业出版社,1995 :2582284. 3 孙启才,金鼎五.离心机原理结构与设计计算 M.北 京:机械工业出版社,1987 :41296. 下期文章目次预告 李 军 强 井下温度对钻柱扭转振动固有频率影响的讨论 徐建宁等 双螺杆多相混输泵的理论研究及相关问题探讨 王国荣等 仿真技术在牙轮钻头浮动套轴承设计中的应用 邹鸿江等 HEGF中CO井筒流动及扩散规律研究 王江萍等 钻井过程监测与实时故障诊断综述 周思柱等 用有限元方法研究含缺陷油管失效判据 谢 慧等 实体可膨胀管螺纹连接的非线性数值模拟 刘海生等 油水分离旋流器流场和分离性能的数值模拟 晏祥慧等 双闸板防喷器壳体非线性有限元分析 李喜梅等 基于matlab的电流卡片的模拟与仿真 胡 鹏等 游梁复合偏置平衡节能型抽油机的优化设计 张学鲁等 适用于抽油开采的游梁式抽油机设计分析 李德俭等 可控式机械密封设计军 吴宗新等 潜油电机碟形弹簧的动力学分析 高天彪等 J Y5041TSJ40型试井车的研制与应用 王德玉等 多级节流井控系统的研究 闫 萍 前开口无绷绳自举式钻机的结构和特点 张 丽等 新型潜油电泵防砂防垢吸入口的研究应用 杜秀华等 抽油机井油管的疲劳强度及其疲劳断裂分析 刘 淼等 螺旋埋弧焊管焊缝形状控制与优化数据库 刘金亭等 油管远红外预热冲刷清洗技术的开发与应用 毛 君等 虚拟产品开发技术在石油机械