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双孰迹钻井液振动筛设计与试验研究 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 摘要 f 1 k 、钻井液振动筛是钻井液固相控制中的首级筛分设备，担负着大部分 f 钻井液的固相分离任务，在钻井工程中占有重要的地位。彳 本文系统地分析了国内外钻井液振动筛的应用现状和发展趋势，分 别对圆形振动和自同步直线振动筛进行了动力学分析，得到了实现圆 形振动和自同步直线振动的条件，论证了双轨迹振动的可行性并进行 了动力学分析。通过研究固相单颗粒在筛面上的运动，建立了固相颗 粒抛掷运动理论。 ， l 结合圆形振动和自同步直线振动的优点，研制出了一种新型的双轨 迹振动筛，并且对该钻井液振动筛的筛面倾角、振动方向、激振频 率、振幅等参数通过正交试验进行了优化，得到了影响振动筛性能的 主导参数以及振动筛各参数对性能影响的规律，对工程应用具有一定 c 的指导意义。 动态测试表明，该钻井液振动筛设计新颖，结构合理，实现了双轨 迹振动。现场应用表明，该振动筛性能优越，适用范围广，可使用】7 5 目细筛网，具有筛网使用寿命长、处理量大、泥浆净化效果好、性能 稳定、噪音低等特点，达到国内先进水平。 该振动筛的推广应用，将具有明显的经济效益和巨大的社会效益。 关键词： 双轨迹振动，泥浆筛，婀，试验研究 l 上海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 t h e d e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nat w o t r a c km o t i o ns h a l es h a k e r a b s t r a c t t h ev i b r a t i o ns i e v eo f d r i l l i n gf l u i di st h ef i r s ts i z i n gd e v i c eo nd r i l l i n gf l u i ds o l i d c o n t r o l ，a n da v a i l a b l ei ns o l i ds e p a r a t i o no fd r i l l i n gf l u i d ，s oi tt a k e sa ni m p o r t a n t r o l ei nd r i l l i n ge n g i n e e r i n g t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h e d e v e l o p i n gt r e n do fd r i l l i n g f l u i ds h a l es h a k e r su s e di nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e ao i l f l e l d s t h e d y n a m i c p r i n c i p l e so ft h es e l f - s y n c h r o n i z i n gl i n e a ra n dr o u n dm o t i o na r es t u d i e d ；a n dt h e c o n d i t i o n st oa c c o m p l i s hs e l f - s y n c h r o n i z i n gl i n e a ra n dr o u n dt r a n s l a t i o nv i b r a t i o n s a r eo b t a i n e d ；a n dac o n c e p to ft w o - t r a c km o t i o ni sp u tf o r w a r d t h r o u g hs t u d y i n g t h ek i n e m a t i c a lb e h a v i o ro fa s i n g l es o l i dp a r t i c l eo nt h es c r e e n ，t h es i e v i n gp r i n c i p l e o ft h es h a l es h a k e ri so b t a i n e d ，a n dt h e t h r o w i n g - m o t i o nt h e o r y i sf o u n d e d w i t ht h e h e l po ft h ea b o v ea n a l y s i s ，at w o - t r a c km o t i o ns h a l es h a k e r ，w h i c h c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fl i n e a ra n dr o u n dm o t i o n ，i si n v e n t e d a n dm a n yf i e l d e x p e r i m e n t sa r em a d ei no r d e rt og e tt h eo p t i m i z e dv a l u e sf o rt h ed e c ka n g l e ，t h e v i b r a t i o na n g l c ，t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y ，t h ea m p l i t u d eo fv i b r a t i o n ，a n ds oo n i t h a ss o m ei n s t r u c t i o n s i g n i f i c a n c ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t og e tt h em a i n c h a r a c t e r i t i c so fe f f e c t i n gv i b r a t i o ns i e v ep e r f o r m a n c e ，a sw e l la se f f e c t e dl a w so f e a c hp a r a m e t e r c h a n g i n go f v i l o r a t i o ns i e v et op e r f o r m a n c e 1 ti so b t a i n e dt h r o u g hd y n a m i ct e s t st h a tt h ed e s i g no ft h i ss h a k e ri sv e r y r e a s o n a b l ea n dt h et w o - t r a c km o t i o nm a n n e ri s a c c o m p l i s h e d t h ef i e l d a p p l i c a t i o n ss h o w t h a tt h es i e v i n gp r o p e r t i e so ft h es h a k e ra r eg r e a t l yi m p r o v e d c o m p a r e d w i t ht h eo l ds h a l es h a k e r s a tt h ep r e s e n tt h es h a l es h a k e r k e e p sa h e a d i n 2 上海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 c h i n aw i t ht h eh i g ha d a p t a b i l i t y ，t h es c r e e nw i t h17 5m e s h e s ，t h el o n gl i f eo ft h e s c r e e n ，t h el a r g ef l o wr a t eo fm u d ，t h ee x c e l l e n ts i e v i n ge f f e c t ，t h eh i g hs t a b i l i t y ，a n d t h el o wn o i s e i ft h es h a l es h a k e ri sp o p u l a r i z e d ，ag o o df u t u r ew i t h g r e a te c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i tc a nb e e x p e c t e d k e yw o r d s ：t w o t r a c k m o t i o n ，s h a l e s h a k e r , v i b r a t i o n s ，d e s i g n ， t e s ti n v e s t i g a t i o n 3 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，+ 在鼻解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：词避 日期：如1 年f 月占曰 指导教师签j ! 二膨c 础 日期：z 的五年5 _ 月f 6 日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诃敞 日期：细2 年夕月j 二日 匕海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 1 1 1 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容是分析研究国内外钻井液振动筛的应用现状和发展趋势， 探讨各种振动形式的原理及特点，提出并研制种结合圆形及直线振动优点的新型 双轨迹钻井液振动筛，通过现场正交试验对筛面倾角、振动方向、振幅、激振频率 等参数进行优化，推出一种适合油田现场应用的先进的钻井液振动筛。 1 1 2 课题的意义 钻井液是钻井工程的血液，钻井液性能及净化程度直接影响着钻井速度、井身 质量、固井质量以及井下事故的发生。随着高压喷射、水平井、欠平衡压力钻井等 钻井新技术、新工艺的推广应用，对钻井液性能和净化程度提出了更高的要求，这 就需要固控设备的性能有相应的提高。钻井液振动筛是钻井液固相控制中的第一级 基本筛分设备，担负着大部分的固相分离任务，提高钻井液振动筛理论研究和设计 水平，对有效降低钻井成本，提高钻井整体经济效益，具有非常重要的意义。 目前，国内油田大部分井队使用的振动筛为单轴惯性振动筛，其运动轨迹为圆 形或准圆形，虽然结构简单，设计、制造容易，但其筛分效率相对较低，筛网使用 寿命较短，平均使用时间不到1 0 0 小时，严重影响着钻井的整体效益。近来，海上 钻井平台和陆地深井队主要应用国外进口的直线筛，从进口振动筛的现场应用来 看，泥浆的净化效果、处理量等基本能够满足现场需要，但筛网的使用寿命不十分 理想，并且进口筛网价格昂贵( 价格是国产普通筛网的1 0 倍) ，增加了钻井成本。 靠使用进口筛网及进口振动筛，显然不适合我国的现场实际。 从目前油田生产中所应用的各类型振动筛使用情况看：圆形轨迹钻井液振动筛 虽其激振力的方向周期性变化，可以减少“筛糊”和“筛堵”现象，但因抛射角过 大，不利于固相分离，且对筛网的破坏性严重，无法使用超细目筛网，现已逐渐淘 汰；目前应用最广泛的直线振动钻井液振动筛具有排砂速度快，筛面可以水平安装， 处理量较大等优点，但其振动方向单一，固相颗粒堵塞筛孔的可能性较大，特别是 泥浆含泥量较大时，“筛糊”和“筛堵”现象也较为严重。近来某些厂家推出的平 动椭圆轨迹振动筛，筛分效果较好，但由于平动椭圆轨迹振动很难用自同步方式实 现，其实现需要机械传动，由于转速不能太高，因而采用低频大振幅模式，由此产 1 上海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 生了一系列机械和强度问题，致使该振动筛现场推广应用受到限制。 因此，从经济和使用角度出发，研制适合国内钻井现状和发展水平的、高性能、 长寿命、适用范围广的钻井液振动筛势在必行。 1 2 国内外现状及发展状况研究 1 2 1 国内钻井液振动筛发展现状 1 2 1 1 、单轴惯性振动筛 单轴惯性振动筛主要以圆形振动筛为主，现场所使用的单轴惯性振动筛的振动 源一般有两种，一种是靠激振器，一种是由电机带动偏心轴( 轮) 。前者的激振器 安装于筛箱的质心；后者则为自定中心钻井液振动筛。因这两种振动筛结构简单， 制造容易，价格便宜，维修方便，多用于浅井作业和对钻井液性能要求不高的井。 圆形振动筛筛网上的加速度和作用力不断地变换方向，作用力不断地变换方向 相当于对筛网产生“搓揉作用”，严重地影响筛网的使用寿命。另外在振动的同时， 筛箱会产生横向的摇摆，使筛网上各点的位移、速度和加速度存在较大的差别，结 果出现筛网上一部分钻屑运移快于另一部分，运移慢的地方，钻屑就堆积起来，糊 住筛眼。从现场使用来看，圆形振动筛不能使用超细筛网，且处理量小，处理效果 差，筛网使用时间短，需频繁的更换筛网，给钻井施工带来众多不便。 单轴惯性振动筛的另一类是普通椭圆筛，普通椭圆筛是在筛箱质心的正上方固 定有激振器】，这种类型的振动筛，横向振幅大于法向振幅，其平均输送速度大于 圆形振动筛。此种筛在进口处砂粒移动良好，而在出口端输送速度减慢，出现砂粒 堆积现象，增加了砂粒的透筛率。因此它要求筛箱倾斜一个角度，利用重力强行排 砂，以免砂粒有朝后抛掷的倾向。 1 2 1 2 、双轴惯性振动筛 随着钻井水平的提高，我国钻井液振动筛的研制和生产取得长足进展，国内部 分厂家先后仿制国外进口的双轴惯性振动筛，其中主要是直线筛。资料表明呻l ，直 线运动比椭圆运动和圆运动在传递能量方面更有效。直线型振动筛，由于筛箱运动 轨迹为直线，同单轴惯性振动筛相比具有以下优点： ( 1 ) 由于筛箱运动轨迹为直线，因此钻屑在筛面上的运动规则，排屑流畅。 ( 2 ) 由于筛面系直线运动，筛网的加速度及作用力较均匀，方向保持一致，因此， 直线筛筛网较圆形振动筛筛网使用寿命长，且可以使用超细筛网，这一点对钻井液 2 上海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 固相控制极为重要。 ( 3 1 直线筛的钻井液处理量较圆振形振动筛大，因直线筛不会有附加的透筛阻尼 存在，在其它条件完全相同的情况下，处理量比圆形振动筛大2 0 - 3 0 。 长庆油田和西南石油学院共同研制的2 z z s d 型直线筛和大港油田研制d z n s a 型直线筛是其中的代表”“。但由于总体设计、制造工艺、电机、筛网、材料等方面 原因，振动筛性能不太稳定，糊筛、跑泥浆现象时有发生，且筛网使用寿命短。 另一种双轴惯性振动筛为平动椭圆筛，平动椭圆筛为双轴强迫同步惯性振动 筛，整个筛箱处于平动状态，与非平动椭圆筛的主要差别在于：筛箱上所有椭圆运 动轨迹的长轴和短轴相同，抛掷角的大小和方向完全一致，它综合了直线筛和圆形 筛的基本优点。p t z s 型振动筛属于此种类型，p t z s 平动椭圆振动筛”7 3 结构合理，筛 分效果好，处理量大，是一种较为先进的振动筛。但其制造精度较高，现场维护条 件要求高，影响了其推广应用。 1 21 3 、国产振动筛结构特点和主要性能 国产振动筛结构特点和主要性能列于表卜1 。 表卜1 国产振动筛结构特点和主要性能 厂家型号结构形式筛网面积筛网n 数功率外型尺寸重量 ( m 2 )( 目)( k w )( m )( k g ) 长庆2 y n s b单层双联2 1 6 6 8 02 320 7 23 l 1 4 31 7 0 0 2 z z s d单层双联( 直线筛)2 1 6 61 5 02 338 l8 6 1 3 0 宝鸡2 k s 一8 5 2单层双联2 1 6 74 0 2 337 7 22 2 l1 41 6 l3 2 z z 5 8 7 1单层双联( 直线筛) 2 l5 049 0 17 9 x l1 32 1 2 1 华北n s l 十l1 5 阶梯式2 l1 5 429 7 18 7 09 81 6 5 6 2 大港 s c s单层双联2 l 6 62 355 0 30 0 27 04 1 0 0 大港d z n s 单层取联( 直线筛)2 x 16 66 02 340 0 17 09 2 0 0 0 由上述分析可以看出近来国内钻井液振动筛发展的主要特点： ( 1 ) 国内油田大部分井队振动筛仍为单轴惯性振动筛，其结构简单，设计制作容 易，但其筛分效率相对较低，不能使用超细筛网，跑泥浆现象严重，并且筛网使用寿 命较短，己远远达不到现代钻井技术的要求，严重影响着钻井的整体效益。 ( 2 ) 在双轴惯性振动筛设计和理论研究方面取得了可喜成果，国内部分厂家先后 仿制出国外进口的双轴惯性振动筛，但由于总体设计、制造工艺、电机、筛网、材 l 海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 料等方面原因，造成振动筛性能不稳定，从而影响了振动筛的推广应用。其设计理 论、制作工艺水平也亟待提高。 1 2 2 国外钻井液振动筛研究和发展现状 122 1 国外钻井液振动筛的发展趋势 国外泥浆处理系统的研究主要集中在有关的制造企业和油田，如英国的d e r r i c k 公司，美国的b a n d t 、s w a c o 、p i o n e e r 及b a r o i d 等公司，罗马尼亚的i e 公司等钻井 设备制造企业，而且以美国产品最多，在生产加工、配套选型、使用和维护等方面 都有很高的水平。分析他们的产品，可以发现，国外振动筛的主要趋势是： f 1 ) 采用椭圆或直线激振形式，基本淘汰了圆激振形式； ( 2 ) 骨架式双层筛网结构，提高振动筛筛网的寿命； ( 3 ) 筛架采用多层筛网结构，扩大了处理精度的范围，提高了处理能力； ( 4 ) 采用较高的筛箱，防止筛分大颗粒溢出筛箱； ( 5 ) 利用优质防腐材料( 如不锈钢、工程塑料等) 制造某些部件，以提高振动筛 的寿命。 总之，国外的振动筛，筛分处理能力都较大，处理效果也较好，但整筛体积和重 量较大，制造和使用成本较高，适合于大型钻井设备配套的泥浆处理系统使用。 1 2 2 2 国外钻井液振动筛结构特点和主要性能 由表l 一2 可看出近年来国外钻井液振动筛发展的主要特点： ( 1 ) 由于直线振动筛具备较好的传输性，新型产品大多以直线振动筛为主。 ( 2 ) 采用2 0 0 目以上超细筛目筛网。为满足单筛全流处理的要求，筛网面积较大， 单层筛达到3 m 2 。并且出现了波纹锥形筛网，由两层细目网布夹着层粗网布组成类 似三明治的结构，成皱胶结，成皱拱起，从而使筛网的表面积加大。 ( 3 ) 采用全封闭轴承润滑系统，具有超大惯性力( 激振器惯性力是常规激振器的 1 5 1 7 倍) 的激振器，且具有高频振动特性。 ( 4 ) i 作性能参数可调，配有随钻可调系统，如：筛箱角度采用液压、螺旋传动 副等结构进行调节。 ( 5 ) 部分厂家生产有多功能振动筛，集除砂器、除泥器于一体，上层为粗筛网， 下层为细筛网的直线筛，功能趋于组合化。 ( 6 ) 筛子的部分细节结构也作了进一步改进。 4 l 海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 表1 - 2 国外近几年投放市场的钻井液振动筛结构特点及主要性能 ，家结构形式振型筛网面积筛网目敷调节性能功率外型尺寸重量 ( 型号) ( i i l 。)( 目)( k _ )( m ) ( k g ) b r 、n i t双层筛直线平筛网238 0 3 2 5筛箱角度可调24 l x l6 5 15 81 7 2 7 p 1 n n a t l e 恤3 k e m t r o n双层筛直线上24 62 4 2 5 0筛箱角度可调3630 5 l7 8 2 3 5 0 ( k t l 一4 8 5 5 )下262 0 2 5 015 2 f k t l 一4 8单筛直线262 4 2 5 0筛箱角度可调l530 5 x l7 82 0 0 6 sl a n d a r d )( l * w ) b i i ( i a d b e r t双层单筛直线上23 8上8 8 0筛箱坡度可调30 5 1 7 5 i5 22 0 8 5 下25 2下2 0 3 2 5激振转速可调 t h u l eu n i t e d 双层单筛直线 上14上8 3 0 缔箱转速可调 32u l8 7 l3 61 8 6 9 ( v s m 一1 0 0 )双层取联下24 2下4 0 3 2 5 筛 ( v s m1 2 0 )双层单筛直线上22 3上3 02 0 0筛箱垃角可调328 6 25 】3 62 6 8 5 双层单联下20 4下6 0 3 2 5筛箱转速可调 筛 s w a c o 单层筛直线 28 82 5 0 筛箱坡角可调 ( l 。蚋 筛箱转速可调 5 w a c ( 1 单层筛直线 30 02 5 0 筛箱皱角可调 32 8 l 6 0 l4 8 1 2 2 4 s w a c o单屡筛直线30 03 0 2 5 0 筛箱转速可调33 5 l 8 3 i 7 52 5 5 0 d 引讯i c k 单层筛直线 22 l2 4 3 2 5 筛箱坡角可调2 32 0 l7 5 l 6 5 2 1 4 5 1 2 3 钻井液振动筛的发展方向 随着钻井工艺的不断发展和进步，迫切需要先进的固控技术与之配套，从二级固 控到三级固控以及离心机的使用，固控工艺越来越复杂，设备渐渐增多，维修费及 动力费用相应增加，使人们不得不考虑固控工艺流程的发展方向，从现场使用及配 套的实际，可以看出钻井液振动筛的主要发展方向是： ( 1 ) 深化对振动筛运动学和动力学的理论研究( 包括振型与提高筛网使用寿命的 可靠性研究) ，在总体结构设计、激振方式、弹性元件等方面进行优化。 ( 2 ) 细化筛网，加速发展细目( 8 0 目以上) ，超细目( 2 0 0 目以上) 振动筛。台 架试验和现场对比试验都证明，在不用旋流器的情况下，一张1 5 0 目的筛网能完成 9 8 的固相清除任务。超细筛网的筛分效率不仅能够与旋流器相抗衡，而且可以超过 旋流器，因此钻井液固控工艺流程通过能够使用超细筛网的振动筛来加以简化。 ( 3 ) 振动筛工作性能参数可调，振动形式多样化，使振动筛始终保持高效的工作 状态。振动形式、筛箱角度可调以适应不同地域和地层、处理量及筛分的要求。 二海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 ( 4 ) 对钻井液数据的自动化采集、监测、处理系统的配套应用进行研究，为钻井 提供可靠的基础数据，更好地提高机械钻速，降低钻井成本。 f 5 ) 发展节能环保型振动筛，低能耗、低噪音、低水耗、体积小、重量轻，便于 安装运输，降低钻井成本。 ( 6 ) 振动筛与钻机型号配套更加协调合理，避免资源配置不合理造成的浪费。适 合浅井的3 2 型钻机在满足钻井工艺的前提下，没有必要配备高性能、高造价的超细 筛网的振动筛，而4 5 型以上钻机则必须配备。 1 3 研究问题的方法 钻井液振动筛涉及的学科范围广，国内外的研究方法也较多，主要有理论和实 验两种方法。理论方法包括振动分析、模态分析、仿真设计等等，实验方法是利用 实验装置在室内进行运动机理、筛分机理研究和动态测试等。 目前振动筛的激振方式和机理研究较多，也较成熟，但筛分机理涉及到理论力 学、运动学、振动理论、多相流等多种知识，并且由于目前测试手段的不足，至今 尚无定论。 本文主要从工程应用角度出发，首先利用现有的一些成型的理论进行钻井液振 动筛的工程开发设计，同时引进新的设计思路和结构形式，通过最基本的振动合成 而实现近似平动椭圆运动轨迹，且可根据生产需要来变换振动筛的运动轨迹，使其 具有直线筛和平动椭圆筛的双重优点，其适用性更强、更广，即：当泥浆含砂量较 多时，可采用直线振动轨迹，使筛面的砂粒运移速度提高，提高处理量；而当泥浆 含砂量降低，粘度较高，砂粒较细时，采用近似平动椭圆运动轨迹，延长砂粒分离 时间，减少泥浆的损失量。对所研制的双轨迹钻井液振动筛通过现场试验和测试来 进行一定范围内的优化，得出对生产实际有指导价值的结论和建议。 6 e 海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 第二章钻井液振动筛工作理论及筛分机理研究 2 1 钻井液振动筛的类型及特点 2 1 1 钻井液振动筛的类型 目前，应用于油田现场的惯性振动筛种类很多，从振动筛筛箱特征点的运动轨 迹分为普通椭圆振动筛、圆形振动筛、直线振动筛、平动椭圆振动筛和变轨迹振动 筛等( 见图2 1 ) ；按筛网绷紧方式分为纵向绷紧筛和横向绷紧筛：按筛分层数分为 单层筛和双层筛；按筛面倾角分为水平筛和倾斜筛。 ( 1 ) 单轴惯性振动筛：由单轴激振器激振，其筛箱运动轨迹为圆形或近似圆形。 ( 2 ) 双轴惯性振动筛：由双轴激振器激振，其筛箱轨迹可分为直线和椭圆两种。 双轴惯性振动筛根据其激振方式可分为强制同步与自同步两种，强制同步的直 线筛和椭圆筛，可由齿轮同步器或双面齿形带获得同步，而自同步直线振动筛则依 靠振动过程的动力学条件，用两根分别由异步电机带动的偏心轴( 块) 来实现。 普通椭圆振动筛 平动椭圆振动筛 圆形振动筛 变直线振动筛 直线振动筛变椭圆振动筛 图2 - 1 平面( 二雏) 钻井液振动筛 f i g u r e 2 1 ：p l a n e ( t w od i m e n s i o n ls h a l es h a k e r o f d r i l l i n gn u i d 7 l 海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 2 1 2 钻井液振动筛的工艺特点 振动筛最早的部门是煤炭工业中用来分级、脱水和回收有用介质的，对石油钻 井工程来讲矿用振动筛照是无法直接使用的，钻井液振动筛有其自身的特点： f 1 ) 钻井液振动筛的筛分有用介质是液相和固相的混合物，废弃的是固相颗粒。 ( 2 ) 它所筛分的钻井液是一种物化性能变化很大的液相、固相和化学处理剂组成 的混合物，其密度从o 6 到2 5 9 c m 3 ，粘度由1 到几百个m p a s ，p h 值由7 到1 0 。 ( 3 ) 它所分离的固体颗粒( 主要是岩屑) ，粒度由几个微米到2 0 多毫米，筛网 使用的最大目数目前已达到3 2 5 目，4 0 目以下的粗筛网已很少使用。 ( 4 ) 钻井工业的工作性质要求振动筛具有极好的的运移性、安装简单、筛网更换 方便、性能可靠、保养点少、易损件少等优点。 ( 5 ) 钻井岩屑在筛面上的筛分过程远比干物粒复杂。由于钻井液粘度的影响，同 时也由于钻屑吸附了一层水膜，使固相颗粒透过筛孑l 的难度加大。 2 2 圆运动轨迹钻井液振动筛工作原理“2 1 2 2 1 筛箱质心的动力学分析 筛箱运动是一个多自由度的振动问题，因其主要是在垂直对称平面内进行振 动，故可以近似地简化成支承于两组弹簧上的刚体在垂直平面内的强迫振动问题， 如图2 - 2 所示。选定筛箱质心o 点的纵位移y 和横位移工，以及绕质心o 点的转角0 作为广义坐标，筛架上任意点的位置均可确定，这是个三自由度系统。如图2 3 所示，固定坐标系x o y 原点d 取在筛箱静止时的质心上，而动坐标系x l o ，y ，的原点0 ， 设在激振器转子的回转中心上。 偏心块的质量m 。的质心脚。点不仅随筛箱作平动( 牵连运动) ，而且还对激振器 的回转中心0 。作回转运动( 相对运动) 。激振器质心m 。点的绝对位移为： x o = x + x i = x + e s i n ( w t a o ) y o = y 十y 1 = y + e c o s ( c o t 一口o ) 式中，x o ，y 。一激振器质心m o 点的绝对位移， r t l r n ； x l ，y 1 一激振器质一t l , m o 点在x 1 0 1 y 1 动坐标系中的位移， i r l n l ； x ，y 筛箱质心m 点在x o y 固定坐标系中的位移， r n l n 。 上海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 偏心块回转运动时所产生的离心力 在x 轴方向分力f x = - m o i d 2 r x n - m 0 2 - e a ) 2s i n ( 甜一口。) 】 在y 轴方向分力f y = - m 0 警= 一【j ) - e ( 0 2 c o s ( 耐一) 式中，只和e 为偏心质量埘。在x 和y 方向相对运动的离心力，或称激振力。 图2 - 2筛箱动力学模型 f i g u r e 2 - 2 ：d y n a m i c sm o d e l o fs i f tb o x x 图2 - 3 筛箱运动位置 f i g u r e 2 - 3 ：m o t i o n lp o s i t i o no f s i f tb o x 9 l 海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 作用在筛箱上的力，除只和之外，尚有筛箱体的惯性力一m 2 和一彬，弹簧 变形后的作用力为一女，x 和一k y y ，粘滞阻尼力一矗和一痧( 厂为粘滞阻力系数) ， 筛箱回转0 角由角加速度引起的回转力以及回转后垂直弹簧所产生的弹性力等。 据达伦培尔原理，建立下面一组描述筛箱运动的微分方程组： 在x 方向： 2 k 。x = 一( m + m o ) 戈一f x + m o e 0 ) 2s i n ( r o t 一0 【o )( 2 1 ) 在v 方向： k y ( y l i 0 ) + k y ( y + l 2 e ) = 一( m + m o ) 夕一黟+ m o e 2c o s ( c o l 一o ) ( 2 - 2 ) 在筛箱旋转的方向上( 对o 点取矩) ： k y ( y + l2 0 ) l2 一k y ( y l l o ) l l = - j 0 + m 。e 0 2 a c o s ( c o t 一仪。) - b s i n ( c o t - c 。) ( 2 3 ) 由振动理论知，在强迫振动下，其系统的阻尼可不考虑。根据a = rs i n b ，b = r c o s j ， 将以上三个微分方程化简后得到： m 2 + 2 k ，x = m 。e 0 9 2s i n ( c o t 一口o )( 2 - 4 ) + 2 k ，y + k v ( 2 一三1 ) p = m 。e 0 3 2c o s ( c o 一口o )( 2 5 ) j 痧+ ( k ，三12 + k y 三22 ) p + ( k y l 2 一k ，上1 ) y = 一r m 。e ( o 2 s i n ( c o t 一( a 。+ ) ( 2 6 ) 式中， 疋一筛箱两端支承弹簧的横向刚度， n m i l l ： 彤。一筛箱两端支承弹簧的纵向刚度，n m i l l ； x 一筛箱质心o 的横向位移，l n m ： y 筛箱质心o 的纵向位移，l r l n l ； 口筛箱质心d 的角位移，r a d ； m o 偏心激振质量，n s 2 m m ： m 筛箱的质量，n s 2 m r n ： m 一包括激振器在内的筛箱全部质量，n s 2 i n n l ； j 筛架对质- 心的转动惯量，n s 2 m 眈 e 一激振器偏心距，m m ： l 。一质心到筛箱左端的距离，m m ： 上：质心到筛箱右端的距离，n m ； 1 0 ! 塑奎望查兰史堕堡主堂垡堡奎 翌垫垄堕茎蔓堑垫堕堡型堕堕! ! 一 d 一激振中心到y 轴的距离，m m ； b 一激振中心到x 轴的距离， i n l n ； 月一激振中一l , l ! i 筛架质心的距离， i t t l n ： b - - 激i i 心和筛箱质心的连线与y 轴之间的夹角，r a d ； 一筛箱的倾角与水平面的夹角， r a d ； 一激振装置的角频率( 角速度) ， r a d s 。 由微分方程( 2 4 ) ( 2 6 ) 可以看出，筛箱的纵振与筛箱的横摆是相互影的。 令： k 。工：一足。厶= 0 得到： 厶= 厶 因此，只要保证质心到筛箱两端弹性支承距离相等，则方程( 2 4 ) 一( 2 6 ) 便可简 化成为以下三个独立的方程： 蔹+ 2 k ，x = m o e 9 0 2s i n ( g o t a o ) ( 2 - 7 ) a + 2 k 。y = m o e 9 0 2c o s ( g o t a o ) ( 2 8 ) j 舀+ 2 k 。上12 0 = 一r m o e g o 2 s i n ( g o t - ( a o + ) ( 2 9 ) 只研究系统的稳态运动，取其特解为： x = a s i n ( g o t 一口o )( 2 - 1 0 ) y = b c o s ( g o 一)( 2 - 1 1 ) 0 = s i n g o t 一( + a o ) 】 ( 2 - 1 2 ) 式中，爿。硫i m 丽o e 可( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 式中，0 9 。= 厕；，= 丽：脚泸厶阿。( 2 1 5 ) a 筛箱最大的横向振幅， b 筛箱最大的纵向振幅， 筛箱绕质心的最大摇摆角 国。一筛箱横向固有频率， n l r f l ： r n l n ： r a d ； r a d s 嘞u 嘲。4 ：a 目r b 2 i t r 4 a 筛r y 架p o 上i n 任t c 意o o 点r d 的i n a 枣t e 杯o f s i f s h e j l 。d 自 ! ：塑茎望盔兰曼重堡主堂堡堡室 翌垫竺笪茎堕堑垫堕堡生皇堕堕堕窒 设在d 点建立另一坐标系x l o ，y 。，纵横轴与坐标系x o y 平行。d 点在x 。o ，y 。的动 坐标为( _ ，儿) 。由图2 - 4 得知：z f = 工+ z 2 一皿，一= y + 2 一d 。 而x 2 = o d s i n ( ( p + 0 ) ，y2 = o d c o s ( ( p + 0 ) 代入后得到： x l = x + o d s i n ( c p + 0 ) 一d 。 y l 5 y + o d c o s ( 【p + 0 ) 一d y ( 2 一】7 ) 式中，z 和y 分别由( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 给出，而摇摆角0 由公式( 2 1 2 ) 给 出，o d = 乜2 + d ，2 。 如果让初始相位角( 此处也是筛面倾角) 口：0 ，则： x ：a s i n c o t ；y = b c o s o ) t ；0 = s i n ( c a t 一) ； 展开s i n ( 6 0 t 一声) ，于是臼= 声( s i n c o t c o s f l c o s c o t s i n f l ) 又有= 一m o e r ，【( 。万一) 2 二可 r c o s , b = l ，r s i n f l = k 于是：臼2 两鬲：- - 历m e f 面。( l ，o s i n 纠- l ocos鲥)(2-18) 式中，。和。为激振中心在x o y 坐标系中的坐标。 式( 2 一】7 ) 可以迸一步简化，首先展开： s i n ( c p + 0 、= s i n ( p c o s 0 + c o s ( p s i n 0 c o s ( ( p + 0 、= c o s ( p c o s 0 一s i n q ) s i n 0 由于伊很小，因此c o s 0 = 1 ：s i n 0 = 0 。 o d s i n + p = d 。，o d c o s 叩：d 。，代入 式( 2 一l7 ) 后得到： x 、2a s i n c o t + d x + d y 8 一d i = as i n c o t 十d 。e y l2 b c o s c o t + b d x o d y = b s i n c o t d ，曰 ( 2 1 9 ) 对于一般振动筛三如= o ( 即b = 。) ，于是( 2 - 1 8 ) 式为： 口= 面淼_ s i n 叫 式( 2 1 9 ) 变成 淼j ( c o c o ) 1 卜耐 。2 一】f 一 1 3 +4 ，、，【 i | x 上海交通大学申请硕士学位论文双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 胪腑s 加意确r 卅洲卜面前确倒 函2 0 ) 当c o t 由o _ 2 疗变化时，得到相应的坐标a ( x ，y 1 ) ，进而绘制出运动轨迹。 由公式f 2 2 0 ) 可以看出，d 点的运动轨迹是时间t 、筛架及激振质量矩、频率比 和筛面倾角、激振中心和d 点位置的函数，非质心点的轨迹是一复杂的闭合曲线。 2 2 3 振动筛产生均衡圆运动轨迹的条件 钻井液振动筛必须及时将已分离出来的固相颗粒运移出筛面，以便使更多的液 体得到处理。影响颗粒在筛面上的平均运移速度的因素较多，研究表明，采用纵横 两向振幅和加速度相等的运动轨迹形式是比较好的，由( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 式得到： ! q ! 竺： 一竺! ! 竺： m 1 一( c o ，。c o ) 2 m 1 一( c a 。c o ) 2 于是： 国，。= 。= 。( 2 - 2 1 ) 而：脚，。= 2 k ：m ；0 2 , ，= 2 , 5 e ；m ；即由( 2 - 1 5 + ) 得到： 以= k 。( 2 2 2 ) 也就是说要使筛面达到这一特定状态，只要支撑的弹性元件的纵横向刚度相等 即可。此时，将( 2 2 2 ) 式代入( 2 1 0 ) 式和( 2 1 1 ) 式后有： x ：而? 袅一s i n ( t 一。) 1m 【油。) 2 一】 、 y ：墨! r 石o o s ( t - - ( 3 t o )( 2 - 2 3 ) m ( 0 3o ) 2 1 】 、 7 、 式( 2 2 3 ) 正是圆的参数方程，于是： r =竺! ! ： m ( c o o ) 2 1 】 式中，r 是筛架质心圆形轨迹半径，即振幅。 如果将激振中心装在质心上，即l 。= 0 ，那么由方程( 2 - 2 0 ) 得知，在筛箱任 意一点d 的轨迹方程变为： x ，= as i n c o t y l = b c o s a g 1 4 r 2 - 2 5 ) 上海交通大学申请硕士学位论文 双轨迹钻井液振动筛设计与试验研究 式中，a = b = 而而渤 即圆的参数方程。 因此，在筛架结构对称于质心，激振装置中心与筛架质心重合，支撑弹性元件 的纵横刚度相等的条件下，n z , 整个筛架上任意一点的运动轨迹将是一正圆形。 工程应用中，一般采用的弹簧刚度相比较小，而筛架质量较大，由式( 2 1 5 + ) 。= 三j 丽；c o ，= 乒_ i i 而可知纵横两向的固有频率大大降低， 。c o ) 2 相对 于1 可以略去，其影响误差一般不会大于3 ，于是，由公式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可 得4 = b = 詈，运动轨迹变为： x = 警s i n ( c o t - - a o ) y = 箐c 。s ( c o t 嘞) ( 2 - 2 6 ) 因此，整个筛架上任意一点的运动轨迹都是一标准圆形，圆的半径为r ：警。 m 2 2 4 实现理想圆运动轨迹振动筛的规律总结 从上述分析可得出以下结论： ( 1 ) 为保证钻井液振动筛具有较大的处理能力，筛网有较长的寿命，运动有较好 的稳定性，筛箱不应存在摇摆运动( 指前后俯仰) 。 ( 2 ) 筛箱不产生摇摆振动的充分和必要条件是： a 、支承弹性元件性能相同且筛箱结构严格对称于筛架质心； b 、激振中心与筛箱质心完全重合( r = 0 ) ； f 3 ) 在满足筛箱无摇摆振动的充分和必要条件下，当筛箱： a 、支承弹性元件的纵横双向刚度完全相等时，筛架得到标准圆形运动轨迹； b 、支承弹性元件的刚度一般较小，对机体振动影响不大时，筛架得到近似圆轨迹。 2 3自同步直线振动筛工作原理 2 3 1 自同步运转的几何解释 2 3 1 1 自同步运转的理想条件 双电机自同步激振器装置如图2 - 5 所示，两个偏心转子的质量为m 和n l 。分别由两 。! ：! 堕望奎兰皇堕坠兰垡丝苎 翌垫堕竺苎婆塑塾堕堡生量苎堕堕窒 部电机驱动，并以半径为r ，转速为n 绕箱体m 上的0 ，和0 ：点反方向旋转，其离心力 为f ，f z ，支撑弹簧反力为s 。和s ： 要筛箱作直线振动，首先应m 。= i i l 2 ，n 。= n ：= n ，r ，= r 。= r ，也就是离心力f i = f 。= f 。 y ，2 。廊，”弋x i 、厂o ， o 。o ；。夕1 图2 - 5 双电机直线筛的激振系统 f i g u r e 2 _ 5 ：t h ee x c i t a t e ds y s t e mo ft h ed u a le l e c t r i cm a c h i n e r yl i n e a rs i f t 在任何位置，偏心转子的离心力在水平方向的分力均相互抵消。因此转子每转