离心机沉降区结构参数选择的因素分析

    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]。

    转鼓半锥角α的分析

    转鼓半锥角α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*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α增大,干燥区长度ＬＧ=(ｒ1-ｒ3)/ｔｇα(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。

式中,β为螺旋叶片的升角;δ1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;α为螺旋输送器半锥角;λ1、λ2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;ω表示转鼓转动角速度;其余为结构参数Ｌ1、Ｌ2如图1。

    根据公式(1)～(3)并以ＬＷ500×1200-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ＡΣ与半锥角α的关系如图2～4所示。随着转鼓半锥角α的逐渐增大,沉渣沿鼓壁滑动方向角δ1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α的逐渐减小,沉渣沿鼓壁滑动方向角δ1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。
    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%,δ1值至少要大于45°,最好能达到Ｅｐ>90%,δ1>50°。