新型高效沉降離心機設計研究

                            陳應華1,易　偉2,喻開安1

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

    摘要：為滿足鉆井作業對鉆井液固相控制的要求,在新型離心機的螺旋輸送器內筒內安裝了供料加速器,并在螺旋輸送器的內筒上開有較寬的縱向槽,極大地減小了供料區的湍流。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計成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動的作用,使固相顆粒能加速沉降到轉鼓內表面,極大地減小沉降時間。試驗結果表明,新型離心機與現有傳統離心機相比具有更好的分離效果和更大的處理量。

    關鍵詞：新型離心機;供料加速器;分離效果;處理量

    中圖分類號：TE926　　　文獻標識碼：A

    文章編號：1001-3482(2010)12-0010-05

    螺旋卸料沉降離心機是鉆井液固相控制系統中的重要設備,與其他固控分離機械相比,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、連續運行、甚至自動控制等優點,因此離心機在石油鉆井工程中已越來越發揮重要作用。近幾年來,國外對離心機進行了大量研究,取得了很多技術成果,使得離心機是發展較快的固控設備之一[1-6]。

    國內相關單位也對離心機進行了大量研究和應用實踐[7-10]。然而,從80年代中期起,國內各油田才開始鉆井液凈化用離心機的引進、吸收和國產化設計制造工作,先后研制成功了多種規格的離心機,對提高我國鉆井液固控水平做出了重要貢獻。目前國內現有鉆井液凈化用離心機處理量普遍偏低,分離因數偏小,分離效果較差,不能較好地滿足鉆井作業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。

    1　現有鉆井液沉降離心機存在的不足

    沉降離心機是利用離心沉降法來分離固相的機器,其工作原理如圖1所示。

                 

    a)　泥漿經進料管連續輸入螺旋輸送器的供料腔,再經出料口進入高速旋轉的轉鼓內。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,并被強制摔到轉鼓內壁上。

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

    c)　凈化后的液體形成一個稱為水槽或水池的內環,從裝在轉鼓上的可調環型擋板溢流孔中連續排出。擋板可以調節水池的深度,深度越深凈化效果越好,深度淺排出的固相較干燥。

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

    目前,大多數離心機僅能處理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入循環系統。總之,如何進一步提高離心機的分離效果和處理量是當前需要解決的重要問題,這就需要研究新的原理和新的結構。

    2　新型沉降離心機螺旋輸送器的設計

    2.1　結構特點

    新型高效沉降離心機也主要由轉鼓、螺旋輸送器、差速器、傳動裝置、機殼和機座等部件組成。與現有離心機的結構相比較,新型離心機的螺旋輸送器內筒內安裝有供料加速器,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計成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方向的后方彎曲;第2段弧線則采用朝加速器旋轉方向的前方彎曲。同時,螺旋輸送器的內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。新型離心機讓供料加速器的4個長而寬的葉片將供料泥漿的高速軸向運動轉變為加速徑向運動而不產生湍流。固相顆粒被加速沉降到轉鼓內壁上,以大大提高離心機的分離效果。

               

    2.2　供料加速器內液體的運動分析

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

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

    b)　液體沿葉片以相對速度w作相對運動。實際上,液體質點既對加速器有相對速度w,同時又隨加速器旋轉,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,根據葉片出口角的變化,加速器結構可以分為3種情況:

    a)　葉片朝加速器旋轉方向的后方彎曲,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,葉片進口處的速度用下標“1”表示,出口處的速度用下標“2”表示。為了便于比較,假設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β2k>90°時,液體出口速度最大,正好滿足高效離心機的設計要求,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　供料加速器的設計

    在設計供料加速器的葉片形狀時,希望液體從加速器葉片中出來有較大的速度,使液體中的固相顆粒快速到達轉鼓內壁,以提高分離效果;同時也希望供料加速器所受扭矩盡可能小。

    供料加速器的結構設計如圖7所示,4片葉片與底板一體鑄造形成。在葉片設計中,將葉片形狀設計成2段弧線:液體進口處葉片形狀采用朝加速器旋轉方向的后方彎曲,以減小扭矩;液體出口處葉片形狀采用朝加速器旋轉方向的前方彎曲,以增大液體出口速度。

               

    3　新型離心機的性能試驗

    試驗在2臺LW450×1150型離心機中進行,新型離心機中具有供料加速器,而傳統離心機中沒有供料加速器。

    試驗研究的目的是將新型離心機與傳統離心機進行對比,以考查新型離心機的分離效果是否有所提高或改善。離心機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個重要指標來考查。

    3.1　固相清除率

    取樣時必須待每種進料量穩定運轉到15~20min后取每種進料量3次,計算取平均值。鉆井液中的固相清除率計算公式為：

                 

    式中,η為固相清除率;G1為離心機進口鉆井液固相含量,mg/L;G2為離心機溢流口鉆井液固相含量,mg/L。

    在第1次試驗中,2臺離心機的輸入流量均為15 m3/h,轉鼓與螺旋輸送器之間的轉速差為20 r/min。在此條件下,新型離心機與傳統離心機固相清除率的試驗數據如表1所示。

               

    在第2次試驗中,2臺離心機的輸入流量均為30 m3/h,轉鼓與螺旋輸送器之間的轉速差為20r/min。在此條件下,新型離心機與傳統離心機固相清除率的試驗數據如表2所示。

               

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

    3.2　排渣中的固相含量

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

               

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

    在第1次試驗中,新型離心機與傳統離心機排渣中的固相質量百分比如表3所示。

               　

    在第2次試驗中,新型離心機與傳統離心機排渣中的固相質量百分比如表4所示。

              

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

    4　結論

    1)　新型離心機螺旋輸送器的內筒內安裝了供料加速器,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筒內,加速器的葉片不會對液池產生擾動,也不會限定轉鼓內液池的深度。

    3)　供料加速器可對鉆井液起加速運動的作用,使固相顆粒能迅速沉降到轉鼓內表面,可提高離心機固液分離效果。試驗結果表明,新型離心機比傳統離心機具有更好的分離效果和更大的處理量。

    4)　螺旋輸送器的內筒上所開的較寬縱向槽能使鉆井液大面積擴散,極大降低了傳統離心機供料區域的湍流。

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