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4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器附 本节复习题 一 概述 泥浆净化装置是钻井液循环系统中的重要组成部分 其基本作用是减少或控制泥浆中固体颗粒的含量 以便改善钻井泵和其它设备的工作条件 提高钻井效果 钻井过程中 从井底返回地面的泥浆中含有大量的岩屑和砂粒 经过泥浆池和沉淀池的自然沉降 其中的固相颗粒只能稍稍减少 继续使用这种泥浆 必然会有相当一部分岩屑和砂粒随泥浆进入钻井泵 并被再次送入井底 造成钻井泵易损件和钻头寿命大大缩短 钻头进尺减少 钻速显著降低 甚至会造成钻井过程中钻杆遇卡事故 采用合适的泥浆净化 或固相控制 系统 设法控制和尽可能降低泥浆中的固相含量 使泥浆净化 对于改善钻井泵 钻头和涡轮 螺杆钻具的工作条件 减少磨损等 都具有十分重要的意义 钻井实践表明 当泥浆中固相颗粒减少1 时 钻头的工作寿命可延长7 10 钻速可提高29 泥浆中的固相颗粒 按其粒度的大小可分为钻屑 砂 粉砂 粘土和胶土 相应的净化装置只能清除一定尺寸的固相颗粒 随着钻井深度的不同 对泥浆性能的要求也不同 对于一般深度的井 多使用非加重水基泥浆 处理这类泥浆的固控设备是 振动筛 除砂器 除泥器 离心机 目的是尽可能除去泥浆中的固相颗粒 但是对于深井和超深井 由于井下油气压力高 水层情况复杂 常使用加重泥浆 即在泥浆中添加重晶石粉和化学药剂等 此时 若仍用处理非加重泥浆的固控设备组成净化系统 就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地流失 因此 对于水基或油基加重泥浆 应采用振动筛 泥浆清洁器 离心机组成净化系统 即钻深井或超深井时 泥浆清洁器是净化系统中必备的装置 泥浆净化 或固相控制 系统 是按照泥浆净化的要求 由相应的泥浆净化装置组成的 常用的泥浆净化系统有两级净化处理系统和三级净化处理系统 两级净化处理系统的流程如下图所示 自井口返出的泥浆先经过振动筛的预处理 除去颗粒较大的岩屑 再用砂泵送入旋流分离器 除砂器 进行除砂处理 1 井口 6 旋流除砂器 5 溢流隔板 7 排砂 8 净化泥浆至泵房 9 排污 2 高频振动筛 3 泥浆座罐 4 砂泵 动画 三级净化处理是泥浆自除砂器流出后 再送入小尺寸的旋流分离器 除泥器 分离出更小的固体颗粒 1 井口 6 旋流除砂器 5 溢流隔板 7 排砂 8 净化泥浆至泵房 9 排污 2 高频振动筛 3 泥浆座罐 4 砂泵 完备的泥浆净化系统包括更多的设备 一般由泥浆振动筛 旋流除砂器 旋流除泥器 离心分离机和除气器等组成 完备的泥浆净化系统分为 完整的处理非加重泥浆净化系统 完整的加重泥浆净化系统 完整的处理非加重泥浆净化系统 离心机对水力旋流器的底流进行二次处理 以便将其中的液体回收到液罐中 而清除的只是固相的泥土和砂粒除气器应安装在需要用离心泵的设备之前 以免离心泵泵送含气泥浆影响其性能 同时尽早除去气体 有利安全 完整的加重泥浆净化系统 其布置与非加重泥浆净化系统类似 主要区别是该系统中采用泥浆清洁器代替除砂器和除泥器 泥浆清洁器可以将比砂子粒度小的固相颗粒 泥质粘土和重晶石 回收到泥浆中 完整的加重泥浆净化系统 在此系统中 离心机仅处理循环系统泥浆的3 15 作用是清除该部分泥浆中的胶体颗粒 以降低和控制泥浆粘度 便于回收泥质颗粒和重晶石 4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器 二 泥浆振动筛 泥浆振动筛是固控系统中的关键设备 自井筒中返回的泥浆首先进入筛中 清除掉较大的固体颗粒 动画 泥浆两级净化流程 泥浆振动筛一般由筛箱 筛网 隔振弹簧及激振器等组成 工作时 由主轴 轴承和偏心块等构成的激振器旋转时产生周期性的惯性力 迫使筛箱 筛网和弹簧等部件在底座上作简谐振动 促使由泥浆盒均匀流至筛网表面的泥浆中的液固相分离即液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器 而较大颗粒顺筛网表面移向砂槽 筛网 泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网 一般有钢丝筛网 塑料筛网 带孔筛板等 常用的是不锈钢丝编织的筛网 筛网通常以 目 表示其规格 表示以任何一根钢丝的中心为起点 沿直线方向25 4m毫米长上的筛网数目 例如 某方形孔筛网每英寸有12孔 则称作12目筛网 用API标准表示为12 12 对于矩形孔筛网 一般也以单位长度 英寸 上的孔数表示 如80 40表示1英寸长度的筛网上 一边有80孔 另一边有40孔 反映振动筛性能的一个重要技术参数是振动强度K 表达式为其中w为角频率 n为振动频率 即主轴转速 g为重力加速度 A为泥浆筛的振幅 筛网的振动方式决定着钻屑在筛网上的分离粒度 运移速度 排屑量和液体处理量等 激振器与筛架的相对位置以及激振器转动的方向决定着振动的轨迹形状 激振器安装在筛架重心的上方位置 筛架两端呈椭圆振动 而激振器的正下方呈圆周振动 固相颗粒运移速率受椭圆轴 筛架的倾角和激振器转动的方向所控制 这类振动筛通常有两个分开的筛架 每个筛架安装倾角不同 以便排除钻屑 激振器安装在筛架的重心位置 振动轨迹呈圆周形状 此刻 钻屑在水平筛架上运动的方向和速度 取决于激振器的转动方向 振动频率和振幅 根据激振器与筛架的相对位置 可以将泥浆振动筛分为普通振动筛与自定中心振动筛 普通振动筛 激振器安装在筛架重心的上方位置自定中心振动筛 激振器安装在筛架的重心位置从结构上看 普通振动筛与自定中心振动筛的主要区别 在于输入皮带轮中心和轴承中心的相对位置 普通泥浆振动筛 皮带轮中心与轴承中心位于同一轴线上 运动时 皮带随筛箱一起振动 引起传动皮带反复伸缩 故这种振动筛虽然结构简单 但容易破坏 自定中心泥浆振动筛 皮带轮中心位于轴承中心O O与偏心块的质心之间 且皮带中心线与偏心块和筛箱的合成重心轴线O O 重合 工作时 合成重心O O 就是整个系统的回转中心 皮带轮中心在空间的位置基本不变 克服了皮带轮伸缩问题 可以实现低频大振幅的要求 4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器 三 水力旋流器 泥浆振动筛一般只能清除全部固相量的25 左右 74um以下的细颗粒仍留在泥浆中 对钻进速度影响仍然较大 为了进一步改善泥浆性能 一般在泥浆振动筛之后 装有水力旋流器 用以清除较小颗粒的固相 动画 泥浆两级净化流程 水利旋流器分类 水力旋流器分为除砂器和除泥器两种 但结构和工作原理完全相同 锥筒内径为6 12英寸的称作除砂器 能清除大于70um和约50 大于40um的细砂颗粒 锥筒内径为2 5英寸的称作除泥器 能清除40um和约50 大于15um的泥质颗粒 所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径 亦称工作内径 水利旋流器的工作原理 水力旋流器与一般分离机械不同 它没有运动部件 是利用泥浆中固 液相各颗粒所受的离心力大小进行分离 水力旋流器上部呈圆柱形 形成进口腔 侧部有一切向进口管 由砂泵输送来的泥浆沿切线方向进入腔体内 顶部中心有涡流导管 处理后的泥浆由此溢出 壳体下部呈圆锥形 底部为排砂口 固相从中排出 根据动力学原理 切向进入并有一定压力的泥浆 在旋流器内腔旋转时会产生离心力 质量较大的固相颗粒受到较大的离心力 足以克服泥浆的摩擦阻力 被甩到旋流器的内壁上 并靠重力作用向下旋流 由排砂口排出 质量小的固相颗粒及轻质泥浆则螺旋上升 经溢流管底输出 动画 高效水力旋流器 它有三根溢流管 当泥浆进入时 重而大的固相颗粒甩向筒壁 并螺旋下降 经排砂口排出 轻质部分则从各溢流管溢出 这种结构消除了空气柱 减少了内部的水力损失 从而提高了泥浆处理量及液体的净化程度 动画 4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器 四 泥浆清洁器 泥浆清洁器由旋流器和振动筛组合而成 上部是4 5英寸的水力旋流器 下部是150 200目的振动筛 泥浆自井口中返出 经双层振动筛 上层40目 下层60目 处理后流入泥浆罐 再由砂泵从罐中泵入清洁器 清洁器将泥浆中74 105um的固相颗粒清除掉 小于74um的固相 包括2 60um的重晶石粉 及液相则汇入在用的泥浆之中 因此 清洁器一般只用在加重泥浆系统中 用途是清除比重晶石颗粒大的固相颗粒 回收重晶石及液相 振动筛 来自井筒的泥浆 沉砂罐 除气器 搅拌器 泥浆枪 除砂器 泥浆清洁器或除泥器 筛网 泥浆漏斗 加重罐 至泥浆泵 固控部分 配浆部分 吸浆部分 4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器 五 离心分离机 离心分离机主要用于回收加重泥浆中的重晶石 及非加重泥浆中的液体或化学药剂 清除0 8um左右的细粉砂 主要有三类 转筒式离心分离机沉淀 倾析 式离心分离机水力涡轮式分离机 转筒式离心分离机 一个带许多筛孔的内筒体 在固定的圆筒形外壳内转动 外壳两端装有液力密封 内筒体轴通过密封向外伸出 待处理的泥浆和稀释水从外壳左上方由计量泵输入后 由于内筒旋转的作用 泥浆在内 外筒之间的环形空间转动 在离心力的作用下 重晶石和其它大颗粒的固相物质飞向外筒内壁 通过一种专门的可调节的阻流嘴排出 或由以一定速度运转的底流泵将飞向外筒内壁的重泥浆从底流管中抽吸出来 予以回收 轻质泥浆则慢速下沉 经过内筒的筛孔进入内筒体 由空心轴排出 沉淀 倾析 式离心分离机 核心部件是由锥形滚筒 输送器和变速器所组成的旋转总成 输送器通过变速器与锥形滚筒相连 二者转速不同 泥浆进口 溢流孔 溢流孔 滚筒 叶片 螺旋输送器 变速器 固相排出口 分离原理 待处理的加重泥浆用水稀释后 通过空心轴中间的一根固定输入管 输送器上的进浆孔 进入由锥形滚筒和输送器蜗形叶片所形成的分离室 并被加速到与输送器或滚筒大致相同的转速 在滚筒内形成一个液层 调节溢流口的开度可以改变液层厚度 在离心力的作用下 重晶石和大颗粒的固相被甩向滚筒内壁 形成固相层 由螺旋输送器铲掉 并输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带 其中大部分液体被挤出 基本上以固相通过滚筒小头的底流口排出 而自由液体和悬浮的细固相则流向滚筒的大头 通过溢流口排出 水力涡轮式分离机 待处理的泥浆和稀释水经漏斗流入装有若干个带有筛孔涡轮的涡轮室 漏斗 涡轮室 清砂室 稀浆腔室 上底孔板 短管 旋流器 泥浆 稀释水 回收加重剂 稀浆 短管 涡轮室周壁孔眼 当涡轮旋转时 大颗粒的固相携同一部分液体被甩向涡轮室的周壁 并穿过其上的孔眼进入清砂室 聚积到底部 漏斗 涡轮室 清砂室 稀浆腔室 上底孔板 短管 旋流器 泥浆 稀释水 回收加重剂 稀浆 短管 涡轮室周壁孔眼 在离心压头的作用下 这一部分浓稠的泥浆再经短管进入旋流器 通过旋流分离 加重剂等从回收出口排出 而轻质泥浆则通过管线返入涡轮室 漏斗 涡轮室 清砂室 稀浆腔室 上底孔板 短管 旋流器 泥浆 稀释水 回收加重剂 稀浆 短管 涡轮室周壁孔眼 与此同时 涡轮室内的轻质泥浆 则通过涡轮上的筛孔 上底板的孔和短管排出 漏斗 涡轮室 清砂室 稀浆腔室 上底孔板 短管 旋流器 泥浆 稀释水 回收加重剂 稀浆 短管 涡轮室周壁孔眼 4 4泥浆净化装置 一 概述二 泥浆振动筛三 水力旋流器四 泥浆清洁器五 离心分离机六 泥浆除气器 六 泥浆除气器 在油 气井钻井过程中 泥浆容易被空气或井中的天然气侵入 造成密度下降 井筒内泥浆静液柱压力减少 可能引起井喷的危险 此外 气体还使泥浆的粘度和静剪切力增大 使钻井条件恶化 因此 应该设法除去泥浆中的气体 恢复泥浆密度 对于气侵泥浆或含有微小气泡的泥浆 一般利用除气器除气 气侵泥浆除气器有两类 一类是真空除气器 另一类是大气 常压 式除气器 真空除气器大气式除气器离心式除气器 真空除气器 主要是采用喷射器或真空泵从真空罐 室 中抽出气体 使罐内保持真空 以便吸入气侵泥浆 尔后进行除气 真空除气器通常配备有以下设备 喷射器或真空泵 用以保持真空罐适当的真空度 将待处理的泥浆吸入 并排出分离气 特定的锥形挡板 泥浆流经挡板时扩散成薄膜状 从而易于气体逸出 特定型式的离心泵或射流泵 将脱气泥浆从真空室中排出 必要的液面控制装置 调节进入真空除气器的泥浆量 保证除气室不会溢流 也不会抽空 双喷射器除气器的工作原理 储存在罐16内经过除气室1处理的脱气泥浆 绝大部分由钻井泵进行再循环 小部分借助泵17提供一股诱导液流 通过缩颈管5时 在双喷射器4的入口处形成真空 于是 除气室底部的脱气泥浆被吸入第一喷射器的入口8 除气室顶部的气体通过导管9被吸入第二喷射器的入口 二者在导管6内混合后 流入旋流分离器13 气体经出口15排至大气 脱气泥浆则经漏斗14流入罐16 由于除气室顶部的气体经导管9被吸入喷射器 再经旋流分离器排出 故除气室顶部形成真空 罐18内的含气泥浆在压差作用下进入除气室 并在挡板上扩散成薄膜层 泥浆中的游离气体及大气泡气体先行逸出 泥浆则顺着挡板流向除气室底部 再经过上述循环 分离出溶解气体 大气式除气器 大气式除气器是在真空式基础上发展起来的 主要特点是取消了真空泵和厚壁的真空处理室 只由特制的离心泵和喷射挡板等组成 1 胶带传动 2 电动机 3 轴承 4 轴 5 泥浆池顶缘 6 泵座 7 筛网 8 泵的螺旋形进口 15 喷射室14 盘阀 13 盘阀开度 12 支架 11 立管 10 泵壳 9 叶轮 除气器安装在泥浆池上方的滑轨上 马达 传动胶带和喷射室等在液面以上 泵座和泵壳淹没在泥浆池液面以下 1 胶带传动 2 电动机 3 轴承 4 轴 5 泥浆池顶缘 6 泵座 7 筛网 8 泵的螺旋形进口 15 喷射室14 盘阀 13 盘阀开度 12 支架 11 立管 10 泵壳 9 叶轮 工作时 含气泥浆从泵壳上部的螺旋形进口被吸入叶轮 1 胶带传动 2 电动机 3 轴承 4 轴 5 泥浆池顶缘 6 泵座 7 筛网 8 泵的螺旋形进口 15 喷射室14 盘阀 13 盘阀开度 12 支架 11 立管 10 泵壳 9 叶轮 由于泥浆在叶轮中旋流 其中一部分大气泡被分离 沿泵轴与泵座间的空间上升 散入大气或引入抽风机的吸管中 而泥浆则通过立管和可调节的盘形阀被泵送到喷射室 1 胶带传动 2 电动机 3 轴承 4 轴 5 泥浆池顶缘 6 泵座 7 筛网 8 泵的螺旋形进口 15 喷射室14 盘阀 13 盘阀开度 12 支架 11 立管 10 泵壳 9 叶轮 由于泥浆通过盘形阀时流速增大 形成薄膜 并撞击喷射室侧壁 从而使溶解于液体的小气泡升至表面并自行破裂 从喷射室顶部逸出 脱过气的泥浆在重力作用下经排出槽流向脱气泥浆池 1 胶带传动 2 电动机 3 轴承 4 轴 5 泥浆池顶缘 6 泵座 7 筛网 8 泵