新型高效沉降離心機(jī)設(shè)計(jì)研究

                          新型高效沉降離心機(jī)設(shè)計(jì)研究

                            陳應(yīng)華1,易　偉2,喻開安1

    (1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)電工程學(xué)院,北京102249;2.中石油西南油氣田分公司能源公司,成都610051)　

    摘要：為滿足鉆井作業(yè)對鉆井液固相控制的要求,在新型離心機(jī)的螺旋輸送器內(nèi)筒內(nèi)安裝了供料加速器,并在螺旋輸送器的內(nèi)筒上開有較寬的縱向槽,極大地減小了供料區(qū)的湍流。供料加速器由4片葉片和底板組成,每片葉片的橫截面形狀設(shè)計(jì)成2段反向弧線,既能加速液體的速度,又可使螺旋輸送器所受扭矩盡可能小。供料加速器對鉆井液起加速徑向運(yùn)動的作用,使固相顆粒能加速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面,極大地減小沉降時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明,新型離心機(jī)與現(xiàn)有傳統(tǒng)離心機(jī)相比具有更好的分離效果和更大的處理量。

    關(guān)鍵詞：新型離心機(jī);供料加速器;分離效果;處理量

    中圖分類號：TE926　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

    文章編號：1001-3482(2010)12-0010-05

    螺旋卸料沉降離心機(jī)是鉆井液固相控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備,與其他固控分離機(jī)械相比,不僅能得到含濕量低的固相和高純度的液相,而且具有體積小、密封性好、連續(xù)運(yùn)行、甚至自動控制等優(yōu)點(diǎn),因此離心機(jī)在石油鉆井工程中已越來越發(fā)揮重要作用。近幾年來,國外對離心機(jī)進(jìn)行了大量研究,取得了很多技術(shù)成果,使得離心機(jī)是發(fā)展較快的固控設(shè)備之一[1-6]。

    國內(nèi)相關(guān)單位也對離心機(jī)進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用實(shí)踐[7-10]。然而,從80年代中期起,國內(nèi)各油田才開始鉆井液凈化用離心機(jī)的引進(jìn)、吸收和國產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造工作,先后研制成功了多種規(guī)格的離心機(jī),對提高我國鉆井液固控水平做出了重要貢獻(xiàn)。目前國內(nèi)現(xiàn)有鉆井液凈化用離心機(jī)處理量普遍偏低,分離因數(shù)偏小,分離效果較差,不能較好地滿足鉆井作業(yè)對鉆井液固相控制的要求,因此急需研制高效大處理量的離心機(jī)。

    1　現(xiàn)有鉆井液沉降離心機(jī)存在的不足

    沉降離心機(jī)是利用離心沉降法來分離固相的機(jī)器,其工作原理如圖1所示。

                 

    a)　泥漿經(jīng)進(jìn)料管連續(xù)輸入螺旋輸送器的供料腔,再經(jīng)出料口進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。在離心力的作用下,使得大而重的固體顆粒從泥漿中分離出來,并被強(qiáng)制摔到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上。

    b)　置于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓同向差速旋轉(zhuǎn),輸送器將固相推移至轉(zhuǎn)鼓錐段干燥區(qū),通過轉(zhuǎn)鼓端部的排渣口推出。

    c)　凈化后的液體形成一個(gè)稱為水槽或水池的內(nèi)環(huán),從裝在轉(zhuǎn)鼓上的可調(diào)環(huán)型擋板溢流孔中連續(xù)排出。擋板可以調(diào)節(jié)水池的深度,深度越深凈化效果越好,深度淺排出的固相較干燥。

    離心機(jī)的分離效果與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速有關(guān),轉(zhuǎn)速越高,則分離效果越好,使得制造成本和技術(shù)難度也就越高。如果不提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速,現(xiàn)有離心機(jī)要想保持較好的分離效果是很困難的。其主要原因是:一方面現(xiàn)有離心機(jī)不能完全加速流體;另一方面流體經(jīng)螺旋輸送器的出料口時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)力湍流區(qū)(如圖1所示)。以上原因使得固相顆粒不能加速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面上,極大地降低了離心機(jī)的分離效率。當(dāng)鉆井液供料量增加時(shí),離心機(jī)的分離效果會更差。

    目前,大多數(shù)離心機(jī)僅能處理1/3的流量,且分離效率很差,而另外2/3沒有得到處理的流體只能重新進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)?？傊?如何進(jìn)一步提高離心機(jī)的分離效果和處理量是當(dāng)前需要解決的重要問題,這就需要研究新的原理和新的結(jié)構(gòu)。

    2　新型沉降離心機(jī)螺旋輸送器的設(shè)計(jì)

    2.1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    新型高效沉降離心機(jī)也主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、差速器、傳動裝置、機(jī)殼和機(jī)座等部件組成。與現(xiàn)有離心機(jī)的結(jié)構(gòu)相比較,新型離心機(jī)的螺旋輸送器內(nèi)筒內(nèi)安裝有供料加速器,供料加速器由4片葉片和底板一體鑄成,葉片橫截面的形狀設(shè)計(jì)成2段弧線,靠近螺旋輸送器中心線的第1段弧線采用朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的后方彎曲;第2段弧線則采用朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的前方彎曲。同時(shí),螺旋輸送器的內(nèi)筒上開有幾條較寬的縱向槽,便于鉆井液順利通過,如圖2所示。新型離心機(jī)讓供料加速器的4個(gè)長而寬的葉片將供料泥漿的高速軸向運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀購较蜻\(yùn)動而不產(chǎn)生湍流。固相顆粒被加速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上,以大大提高離心機(jī)的分離效果。

               

    2.2　供料加速器內(nèi)液體的運(yùn)動分析

    供料加速器內(nèi)液體的運(yùn)動與離心泵的相似,液體在供料加速器葉片內(nèi)的運(yùn)動可按離心泵中液體的運(yùn)動規(guī)律來分析[11]。液體的運(yùn)動方式可以從2方面看:

    a)　液體在葉片推動下隨加速器作圓周運(yùn)動,并且在同一半徑的圓周上,任何液體質(zhì)點(diǎn)的圓周速度u都是相同的,即u=ωr(式中ω為加速器轉(zhuǎn)動角速度)。

    b)　液體沿葉片以相對速度w作相對運(yùn)動。實(shí)際上,液體質(zhì)點(diǎn)既對加速器有相對速度w,同時(shí)又隨加速器旋轉(zhuǎn),有一圓周速度u,所以,它所具有的絕對速度c是圓周速度u和相對速度w的矢量和,即c=u+w。這個(gè)矢量和可以通過矢量合成的速度三角形(或平行四邊形)表示出來,如圖3所示。

             

             

    通常,葉片出口角對液體在加速器出口處的絕對速度影響很大,根據(jù)葉片出口角的變化,加速器結(jié)構(gòu)可以分為3種情況:

    a)　葉片朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的后方彎曲,即葉片出口角,如圖4所示。

    b)　葉片出口沿半徑方向,即葉片出口角,如圖5所示。

    c)　葉片朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的前方彎曲,即葉片出口角,如圖6所示。

              

    在圖4~6中,葉片進(jìn)口處的速度用下標(biāo)“1”表示,出口處的速度用下標(biāo)“2”表示。為了便于比較,假設(shè)3種加速器出口處的絕對徑向速度c2r和u2圓周速度分別相等。由圖6可見,當(dāng)β2k>90°時(shí),液體出口速度最大,正好滿足高效離心機(jī)的設(shè)計(jì)要求,但是這種情況又使加速器所受扭矩很大。在圖4中,液體出口速度最小,加速器所受扭矩也最小。

    2.3　供料加速器的設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)供料加速器的葉片形狀時(shí),希望液體從加速器葉片中出來有較大的速度,使液體中的固相顆?？焖俚竭_(dá)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁,以提高分離效果;同時(shí)也希望供料加速器所受扭矩盡可能小。

    供料加速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示,4片葉片與底板一體鑄造形成。在葉片設(shè)計(jì)中,將葉片形狀設(shè)計(jì)成2段弧線:液體進(jìn)口處葉片形狀采用朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的后方彎曲,以減小扭矩;液體出口處葉片形狀采用朝加速器旋轉(zhuǎn)方向的前方彎曲,以增大液體出口速度。

               

    3　新型離心機(jī)的性能試驗(yàn)

    試驗(yàn)在2臺LW450×1150型離心機(jī)中進(jìn)行,新型離心機(jī)中具有供料加速器,而傳統(tǒng)離心機(jī)中沒有供料加速器。

    試驗(yàn)研究的目的是將新型離心機(jī)與傳統(tǒng)離心機(jī)進(jìn)行對比,以考查新型離心機(jī)的分離效果是否有所提高或改善。離心機(jī)的分離效果可用鉆井液中的固相清除率和排渣中的固相含量2個(gè)重要指標(biāo)來考查。

    3.1　固相清除率

    取樣時(shí)必須待每種進(jìn)料量穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)到15~20min后取每種進(jìn)料量3次,計(jì)算取平均值。鉆井液中的固相清除率計(jì)算公式為：

                 

    式中,η為固相清除率;G1為離心機(jī)進(jìn)口鉆井液固相含量,mg/L;G2為離心機(jī)溢流口鉆井液固相含量,mg/L。

    在第1次試驗(yàn)中,2臺離心機(jī)的輸入流量均為15 m3/h,轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器之間的轉(zhuǎn)速差為20 r/min。在此條件下,新型離心機(jī)與傳統(tǒng)離心機(jī)固相清除率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

               

    在第2次試驗(yàn)中,2臺離心機(jī)的輸入流量均為30 m3/h,轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器之間的轉(zhuǎn)速差為20r/min。在此條件下,新型離心機(jī)與傳統(tǒng)離心機(jī)固相清除率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

               

    由表1~2可見,在幾乎相同條件下,新型離心機(jī)的固相清除率明顯高于傳統(tǒng)離心機(jī),表明新型離心機(jī)提高了分離效果。

    3.2　排渣中的固相含量

    在離心機(jī)排渣口取濕固相樣品,并用精密天平稱濕固相質(zhì)量,再將濕固相放入烘箱中烘干,并用精密天平稱干固相質(zhì)量。則排渣中的固相質(zhì)量百分比為：

               

    式中,μ為排渣中的固相質(zhì)量百分比;g1為干固相質(zhì)量,mg;g2為濕固相質(zhì)量,mg。

    在第1次試驗(yàn)中,新型離心機(jī)與傳統(tǒng)離心機(jī)排渣中的固相質(zhì)量百分比如表3所示。

               　

    在第2次試驗(yàn)中,新型離心機(jī)與傳統(tǒng)離心機(jī)排渣中的固相質(zhì)量百分比如表4所示。

              

    由表3~4可見,在幾乎相同條件下,新型離心機(jī)的排渣中固相含量高,液相含量少;而傳統(tǒng)離心機(jī)在排渣口均存在不同程度的跑漿。表明新型離心機(jī)具有更強(qiáng)的清除鉆井液中固相的能力,同時(shí)也具有更大的處理量。

    4　結(jié)論

    1)　新型離心機(jī)螺旋輸送器的內(nèi)筒內(nèi)安裝了供料加速器,該供料加速器既能加快液體的速度,又可使螺旋輸送器所受扭矩盡可能小。

    2)　由于供料加速器安裝在螺旋輸送器的內(nèi)筒內(nèi),加速器的葉片不會對液池產(chǎn)生擾動,也不會限定轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液池的深度。

    3)　供料加速器可對鉆井液起加速運(yùn)動的作用,使固相顆粒能迅速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面,可提高離心機(jī)固液分離效果。試驗(yàn)結(jié)果表明,新型離心機(jī)比傳統(tǒng)離心機(jī)具有更好的分離效果和更大的處理量。

    4)　螺旋輸送器的內(nèi)筒上所開的較寬縱向槽能使鉆井液大面積擴(kuò)散,極大降低了傳統(tǒng)離心機(jī)供料區(qū)域的湍流。

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