馮美貴，朱迪斯，翁 煒，黃玉文，蔣 睿，徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京100083)

沖洗液固控技術(shù)是保證正常鉆井工藝技術(shù)實施的關(guān)鍵之一，已成為直接影響安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆井的重要因素。離心機作為沖洗液固相控制處理的重要設(shè)備［1～5］，可有效控制沖洗液粘度、密度，清除有害固相，回收重晶石，對提高機械鉆速，延長鉆具和鉆頭使用壽命、減少井下事故、降低鉆進成本，減少對環(huán)境污染等方面具有重大意義。目前有石油領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的離心機處理量比較大、體積龐大、質(zhì)量大，不利于搬遷，不適應(yīng)小口徑地質(zhì)鉆探施工［6］。為此北京探礦工程研究所針對小口徑地質(zhì)鉆探對小型化、輕型化、低能耗、易搬遷離心機的市場需求，就沖洗液固控系統(tǒng)和小型化輕型化離心機的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點、技術(shù)方法、經(jīng)濟指標及可行性分析進行了深入研究和技術(shù)攻關(guān)，研制出TGLW220×660新型沖洗液離心機。

1 TGLW220×660型沖洗液離心機的整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1．1 整機結(jié)構(gòu)

TGLW220×660型沖洗液離心機的整機結(jié)構(gòu)主要由進料管、清水管、機罩、轉(zhuǎn)鼓、螺旋推進器、差速器、主皮帶輪、副皮帶輪、主皮帶、副皮帶、電機、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)螺桿、組合皮帶輪、液力偶合器、機座、橡膠減震墊等組成，圖1為TGLW220×660型離心機結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為實物圖。

圖1 TGLW220×660型沖洗液離心機的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 TGLW220×660型沖洗液離心機實物圖

1．2 結(jié)構(gòu)特點

(1)該設(shè)備主要采用7.5 kW單電機驅(qū)動雙皮帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整機結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、質(zhì)量輕、能耗低、便于搬遷。

(2)研制液力偶合器過載保護裝置，離心機啟動、停機運行平穩(wěn)，安全可靠。

(3)研制擺線針輪差速器傳動裝置，制造精度高、性能好、運行平穩(wěn)、傳動效率高。

(4)主副皮帶輪分別與擺線針輪差速器的殼體和輸入軸相連，通過更換主副皮帶輪調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓和螺旋推進器轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)差轉(zhuǎn)速可調(diào)，適應(yīng)不同特性的沖洗液固相處理要求。

(5)研制調(diào)節(jié)螺母和調(diào)節(jié)螺桿，離心機安裝拆卸方便靈活，并可調(diào)整皮帶松緊程度。

(6)清水管注水后可對轉(zhuǎn)鼓和螺旋推進器的內(nèi)部進行清洗，便于離心機維護和保養(yǎng);離心機軸承采用原裝進口FAG和NSK軸承，軸承精度高，承載能力強，壽命長。

1．3 工作原理

沖洗液經(jīng)離心機的進料管、螺旋推進器的出料口進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進器在電機帶動下以一定的轉(zhuǎn)速差同向高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下顆粒較大的固相沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上并形成沉渣層;與轉(zhuǎn)鼓作相對運動的螺旋推進器將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下，并連續(xù)不斷地將其推至轉(zhuǎn)鼓錐端，經(jīng)排渣口排出;顆粒較小的液相則形成內(nèi)層液流環(huán)，由轉(zhuǎn)鼓大端溢流口連續(xù)排出，實現(xiàn)沖洗液的固液分離。轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進器的差轉(zhuǎn)速是由擺線差速器來實現(xiàn)，擺線差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相連，其輸出軸與螺旋推進器相連，其輸入軸與副皮帶輪相連。

2 TGLW220×660型沖洗液離心機的分離特性

2．1 長徑比大，分離固相干燥，減少沖洗液流失和對環(huán)境污染

長徑比是衡量離心機分離性能的重要參數(shù)之一，長徑比:

λ=L/D

式中:λ——轉(zhuǎn)鼓的長徑比，r/min;L——轉(zhuǎn)鼓的有效長度，mm;D——轉(zhuǎn)鼓的的公稱內(nèi)徑，mm。

當(dāng)轉(zhuǎn)鼓的公稱內(nèi)徑一定時，轉(zhuǎn)鼓的有效長度越長［2］，即長徑比越大，沖洗液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時間越長，分離固相越干燥，分離效果越好，減少沖洗液流失，有利于重晶石回收，減少對環(huán)境污染。通過對TGLW220×660型沖洗液離心機關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的強度分析和優(yōu)化改進［7］，確定轉(zhuǎn)鼓長徑比L/D=3，外形為圓柱錐形。

2．2 分離因數(shù)高，分離效果好

分離因數(shù)也是衡量離心機分離性能的重要參數(shù)之一:

式中:Fr——離心機的分離因數(shù);ω——轉(zhuǎn)鼓的角速度，rad/s;n2——差速器輸入軸的轉(zhuǎn)速;r/min;r——轉(zhuǎn)鼓的半徑，mm。

當(dāng)轉(zhuǎn)鼓的公稱直徑一定時，轉(zhuǎn)速越高，分離因數(shù)越高，分離顆粒越細，處理效果越好。TGLW220×660型沖洗液離心機的轉(zhuǎn)鼓最高轉(zhuǎn)速3000 r/min時，分離因數(shù)為1107，可分離5 μm及以上固相顆粒。

2．3 差轉(zhuǎn)速可調(diào)，適應(yīng)不同地層和特性沖洗液

差轉(zhuǎn)速是衡量離心機分離性能的又一重要參數(shù):

Δn=(n1－ n2)/i差

式中:Δn——轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進器的差轉(zhuǎn)速，r/min;n1——轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，r/min;i差——差速器傳動比。

當(dāng)差速器的傳動比一定時，差轉(zhuǎn)速越小，螺旋推進器對沖洗液擾動越小，分離效果越好，固相沉渣在干燥區(qū)停留時間越長，排渣含水率越低，排渣能力越小;差轉(zhuǎn)速越大，螺旋推進器對沖洗液的擾動越大，分離效果越差，固相沉渣在干燥區(qū)停留時間越短，排渣含水率越高，排渣能力越大。根據(jù)鉆進工藝實際情況以及鉆遇不同地層使用沖洗液的粘度、密度、固相含量和排渣量的變化，更換擺線差速器的主副皮帶輪，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓和螺旋推進器的差轉(zhuǎn)速，滿足分離要求和處理能力。

2．4 處理量滿足小口徑地質(zhì)鉆探施工市場需求

離心機的處理能力與沖洗液的特性、離心機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)有關(guān)。根據(jù)安布勒(Ambler)∑理論，對不同特性的沖洗液按懸浮液計算得出TGLW220×660型沖洗液離心機的處理量為0.5～2 m3/h，滿足小口徑地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液固相處理的需求。

3 TGLW220×660型沖洗液離心機的試驗

3．1 室內(nèi)試驗

3．1．1 試驗過程

試驗?zāi)康?驗證TGLW220×660型沖洗液離心機可靠性、穩(wěn)定性、安全性;根據(jù)分離沖洗液前后的粒度分析報告，分析其分離性能。

圖3 TGLW220×660型沖洗液離心機室內(nèi)試驗

試驗方法:空載、清水和負載試驗。

試驗用設(shè)備:TGLW220×660型沖洗液離心機、2 m3泥漿罐、5.5 kW攪拌器、泥漿注入泵(經(jīng)分流后2 m3/h)、噪音聲級計、紅外線測溫儀、馬氏漏斗粘度計、激光粒度分析儀、光電轉(zhuǎn)速表、液體密度計、固相含量測定儀。

試驗內(nèi)容:噪音試驗、振動試驗、軸承溫升試驗、差速器性能試驗、清除固相粒度試驗、排渣含水率試驗。

3．1．2 試驗結(jié)果與分析

TGLW220×660型沖洗液離心機室內(nèi)試驗分離過程如圖3所示，依據(jù)《螺旋卸料沉降離心機》(JB/T 502－2004)和《離心機安全要求》(GB 19815－2005)標準，設(shè)備外觀質(zhì)量良好，各密封部位無滲漏;轉(zhuǎn)動靈活人工盤車無卡阻現(xiàn)象;空載和負載時，振動小，噪聲低，軸承溫升低;液力偶合器過載保護裝置和擺線差速器傳動裝置安全可靠，運行平穩(wěn);試驗過程中實測離心機處理量1.5 m3/h，處理后排渣口的固相較干，排渣含水率為10.14%，減少沖洗液損失，廢液排放符合國家環(huán)保要求。

利用激光粒度分析儀分析沖洗液前后的粒度分析報告如圖4和圖5所示。從粒度分布圖得出，沖洗液的固相峰值從處理前的14.82 μm降到處理后的4.56 μm，處理后20 μm以上固相基本完全清除，90%的固相從處理前的42.77 μm降到了處理后的8.68 μm，處理效果好，有效控制了沖洗液性能。

該設(shè)備已在青海省柴達木地區(qū)五龍溝金礦黃龍溝礦段HLZK5101鉆探施工中開展了野外現(xiàn)場示范應(yīng)用。

3．2 現(xiàn)場示范應(yīng)用

圖4 沖洗液處理前粒度分布

圖5 沖洗液處理后粒度分布

五龍溝金礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層主要為元古界的中深變質(zhì)巖、淺變質(zhì)巖及火山碎屑巖等;海拔高，水資源短缺，山勢陡峻，交通不便，并且施工空間有限。現(xiàn)場采用XY－5型立軸鉆機，金剛石繩索取心鉆進工藝。根據(jù)地層特性，采用無固相沖洗液鉆探施工鉆進。采用TGLW220×660型沖洗液離心機進行現(xiàn)場固相處理后，設(shè)備運行平穩(wěn)，密封無泄漏，軸承溫升正常，整機振動小，噪聲低;減少了廢漿排放，保護了環(huán)境，節(jié)約了水資源，可清除5μm及以上固相顆粒，滿足了現(xiàn)場固相控制需求。

4 技術(shù)創(chuàng)新點

(1)小型化:小處理量離心機研制，填補了國內(nèi)小口徑中、淺孔地質(zhì)鉆探用離心機空白。

(2)輕型化:優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)選材料，整機400 kg，減輕了質(zhì)量，節(jié)約了成本，并易于搬遷。

(3)低能耗:7.5 kW單電機雙皮帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，降低了能耗，節(jié)約了成本。

(4)靈活性:設(shè)有調(diào)節(jié)螺母和調(diào)節(jié)螺桿，安裝拆卸方便靈活，并可調(diào)節(jié)皮帶松緊程度，降低了勞動強度。

(5)適應(yīng)性:差轉(zhuǎn)速可調(diào)，適應(yīng)不同特性沖洗液處理要求。

5 結(jié)論

TGLW220×660新型沖洗液離心機適用于小口徑地質(zhì)鉆探，特別是中、淺孔施工用沖洗液固相處理，具有轉(zhuǎn)動靈活無卡阻、運行平穩(wěn)、安全可靠、噪聲低、軸承溫升正常、密封無滲漏、外觀質(zhì)量良好、處理量小、分離粒度小、排渣含水率低等特點。實踐應(yīng)用表明，該機在有限場地空間范圍內(nèi)提高了沖洗液的固相處理效果，提高了鉆探效率，減少了廢漿排放，降低了綜合鉆探成本，符合新形勢下國家節(jié)能減排的要求?；谠摷夹g(shù)的優(yōu)越特性，其適合在小口徑地質(zhì)鉆探領(lǐng)域中開展大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

［1］ 賈軍．中國大陸科學(xué)鉆探先導(dǎo)孔及擴孔鉆井泥漿工藝［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2003，40(3):57 －60．

［2］ 龔偉安．鉆井液固相控制技術(shù)與設(shè)備［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1995:49－53，316－322．

［3］ 韓濱．ZYK－160型鉆井液固控系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］．黑龍江大慶:大慶石油學(xué)院，2007．

［4］ 張金昌，劉凡柏，冉恒謙，等．2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(1):3 －6．

［5］ 胡繼良．復(fù)雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液研究與應(yīng)用［D］．北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2012．

［6］ 王達，趙國隆，肖亞民，等．DZ/T0227－2010，地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程［S］．

［7］ 馮美貴，朱迪斯，翁煒，等．TGLW220×660型沖洗液離心機轉(zhuǎn)鼓的強度分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(3):41－43．