近日，有我公司自主研发的立式加灰储罐生产完成，立式加灰储罐（下灰罐、立式钻井灰罐）为气力输送，即借助流化装置，以压缩空气为动力，使压缩空气透过气化床，将储料罐内的灰料逐渐成流态化，流化态的灰料经进灰管口进入罐内，再经出灰管口通过操做碟阀来控制出灰量（出灰管上装有助风扫气装置，以排除堵塞）。既可利用罐内、外压差将灰料排出储料罐，还可通过该罐自带的称重计控制出灰重量。
立式加灰储罐具有结构简单、设计合理、安装及操作方便快捷，用量精准且工作效率高，改善了钻井液质量，降低了添加材料的用量，大大地降低了工人的劳动强度，同时利于现场环保作业。
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摘要： 目前对除气器的性能测试和效率评估都是在现场进行,现场试验条件局限性比较大,很难依据试验结果分析影响除气器性能的因素,运用传统的理论分析也无法较为准确地预测其除气性能。为此,应用CFD技术研究立式真空除气器内部流场、分析影响除气性能因素、评估除气效率。结果认为,分离伞的倾角和面积对除气器的影响较大,合理设计倾角和面积既能得到高的除气效率,又能减小除气器的体积;采用多相流混合模型,定量化预测了除气器的除气效率,合理设计可以使立式真空除气器的效率达到90%以上。
关键词 真空除气器 数值模拟 流场 除气效率
除气器作为钻井液处理系统中的关键设备之一,用于除去气侵钻井液中的气体,以稳定钻井液的性能。油气田钻井中使用的除气器有真空式、大气式和离心式等多种形式。应用最广泛、效果最好的是真空式除气器,其中立式真空除气器由于其体积小、占用面积少,国内外应用较多。其工作流程为:启动真空泵在除气罐内产生真空,在真空的作用下钻井液经吸入管吸入,并经伞片流入除气罐内,在伞片中钻井液延展成薄层,钻井液中的气体在真空作用下暴露于钻井液表层,并经除气罐的顶部被真空泵抽走,除气后的钻井液沉降在罐的底部,在重力作用下排出至系统,或者用喷射泵抽汲排出至系统。在除气罐内钻井液的流动比较复杂,以致于影响除气效率的因素诸多,运用传统的理论分析无法较为准确地预测其除气性能,实验室测试也是一项非常复杂,而且成本非常高的研究。目前,国内对除气器的性能测试和效率评估都是在现场进行,现场试验条件局限性比较大,很难依据试验结果分析影响除气器性能的因素。为此,就立式真空除气器的性能和效率评估研究进行了合作,应用CFD技术研究立式真空除气器内部流场、分析影响除气性能因素、评估除气效率。笔者的研究结果对立式真空除气器的设计以及使用具有很好的指导意义。
分离伞的参数决定着真空式除气器的除气性能,因此分离伞是数值模拟研究的对象。按照分离伞结构,将过流部分用实体表示,其它部分用虚体表示,建立的除气器分离伞计算模型如图1所示。模拟气侵钻井液在分离伞上的流动时,为减少计算量,可取其中1个伞片来模拟,模型图如图2所示。
在三维问题中可以使用四面体网格、六面体网格、金字塔形网格以及楔形网格,或者使用2种网格的混合对计算模型进行网格划分。由于计算区域形状比较复杂,笔者采用混合网格。
真空除气器工作时主要靠除气罐内的真空度吸入流体。因此,入口边界为压力边界,出口边界也为压力边界,压力即为除气罐内的真空度。采用无滑移固壁条件,并由标准壁面函数确定固壁附近流体流动。工作介质为含有一定气量的钻井液,含气体积分数为18%,气泡直径为0.8mm,液相动力粘度0.06Pa·s,液相密度1 200kg/m 3。
分离伞上的流体流动可认为是紊流流动,紊流模型采用RNG κ-ε模型。该模型来源于严格的统计技术,它和标准κ-ε模型很相似,但是有以下改进: RNG模型在ε方程中加了1个条件,有效地提高了精度; RNG模型考虑了湍流漩涡,同时
也提高了这方面的精度; RNG理论为湍流Prandtl数提供了1个解析公式,而标准κ-ε模型使用的是用户提供的常数;标准κ-ε模型是一种高雷诺数模型, RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式,可以计算低雷诺数效应。
除气器中的流体为液气两相流,多相流模型采用混合模型。混合模型允许相之间互相贯穿,对一个控制容积的体积分数取决于相占有的空间,使用了滑流速度概念,允许相以不同的速度运动。混合模型求解混合相的连续性方程,混合相的动量方程及能量方程,第2相的体积分数方程,以及相对速度的代数表达式。混合模型的应用包括低负载的粒
子负载流、气泡流、沉降以及旋风分离等多相流。数值计算运用分离的隐式求解方法,对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散,对体积分数计算采用Quick格式进行离散,对速度与压力耦合采用SIMPLE算法。
除气器内流场主要包括速度场、压力场及各相体积分数的分布;同时,通过统计进出口的密度值可以计算出除气效率。笔者以除气罐真空度为0.03MPa的分离伞流场分布为例简介其特点。
(1)压力分布表现:分浆管内部与外部存在明显的压力差,这样液体在压差的作用下通过分浆孔流到分离伞上。除气器内真空度越大,此压差越大,在分浆孔径一定时流量也就越大。
(2)速度分布表现:分浆孔出口附近速度较大,分离伞片上液体主要是在重力的作用下沿着倾斜的分离伞面向下流,因此速度很小。工作中希望从分浆孔中流出的液体先充满分离伞顶部的空间,分离伞分浆孔为多个小孔。
(3)分离伞内气液体积分数分布表现:在2层分离伞之间的空间里,最上面部分为气体、中间部分为气液混合体、最底部则为含气量很少的液体。可见,在分离伞的作用下,大部分气体已经从液膜中除去,剩下的液膜中含气量非常少,从而达
到了除气的目的。进一步研究发现,在分浆管附近由于从分浆孔流出的液体具有一定的速度而直接冲刷到上层分离伞上部的背面,所以在正对分浆孔的分离伞空间形成的气液分界面不明显,其它非正对分浆孔的区域,形成了较好的气液分界面,气液两相得到了较好地分离。
3 影响除气效率的因素分析
除气效率的统计可按公式(1)计算,即
η =ρl-ρiρ0-ρi× 100% (1)
式中 ρ0———原始液相密度;
ρi———入口气侵液密度;
ρl———液体出口的介质密度。
分离伞倾斜角度和直径决定着分离伞面积。数值模拟分析得知,在相同的分离伞面积下,分离伞倾角越小,除气效果越明显。笔者取较小的倾角(20°)来分析分离伞面积对除气效率的影响。图3为分离伞面积与除气效率的关系曲线。从图3可以看出,随着面积的增加,除气效率不断提高。分离伞面积从2.00m 2增大到2.50m 2时,除气效率有明显的提高;当分离伞面积从2.50m 2增大到3.00m 2时,除气效率有所提高,但不明显。由此可作如下判断:分离伞面积小于2.50m 2时,气泡不能完全从液膜中溢出,因而除气效率很低;分离伞面积大于2.50m…
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钻井液固控系统主要用于清除钻屑等有害固相及回收重晶石等有用固相。固控系统主要由泥浆罐、钻井液振动筛、除砂器、除泥器、钻井液离心机等主要设备以及砂泵、混浆装置、真空除气器等辅助设备组成。
泥浆罐主要用来储存泥浆以及固控设备的载体，经过固控设备净化的泥浆进入泥浆罐的各个仓室，根据不同的设备进行处理，从而达到清除固相颗粒回收重晶石以及净化泥浆的目的。
固控系统大致处理流程：
钻井液振动筛是固控系统中的第一级处理设备，能清除钻井液中较大的固相，可以清除74μm以上的固相颗粒。是固控系统中必不可少的设备，是后续设备的领头羊。
真空除气器用于清除泥浆中的气体，是固控系统中的第2及固控设备，它能够迅速、有效地清除泥浆中所含的气体，除气器对于恢复泥浆密度，防止潜在井喷、井塌危险的发生其有重要作用。
排在第3级的固控设备是钻井液除砂器，经过真空除气器处理后的泥浆通过砂泵输送进入到除砂器中，除砂器将泥浆较大的砂粒(粒度44μm—74μm)分离出来。
用在除砂器之后的是钻井液除泥器，用于清除15~44μm的固相可以，进一步保证钻井液的性能。
在一些需要节省空间的固控系统中，可以将除除砂器和除泥器以及一台底流筛组成钻井液清洁器，钻井液清洁器能够有效的清除大于15μm的固相颗粒。在一些不复杂的钻井平台中完全可以替代除砂器和除泥器。
固控系统的最后处理设备是钻井液离心机，主要用于清除小于7μm的固相颗粒以及回收重晶石，其回收率达到95~97%。
固控设备全部采用主要用干复杂井况和要求较高的井况，在实际应用过程中，可以跟据钻井作业的需要，采用其中的一级成几级泥浆固控流程。
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泥浆搅拌器，结构坚固，皮实可靠，尺寸紧凑。泥浆搅拌器的高宽比近似为1：1，因此重心较低，稳定性好，在叶轮遇到一个瞬时的冲击负荷时，比较安全。
泥浆搅拌器由于装有结构简单而强度高的单极蜗轮蜗杆减速器，所以他运转平稳，均匀。涡轮传动装置承受冲击和振动的能力比相应规格的螺旋齿轮二级减速装置高50%以上。当速比达到60：1和80：1时，涡轮传动装置的效率较低。但是，新型涡轮传动装置的减速比为20：1，实践证明，它具有极高的效率，并且显示出其他型式的齿轮传动装置所没有的优点。
为了使泥浆罐中的泥浆搅拌均匀，根据液流流谱证明：恶论的叶片倾斜60度时，轴向和径向的流量相等。当液体接触到叶片时，它就被迫向下运动到灌底，然后沿罐壁向上返回。这种运动使顶部和底部的泥浆不断的混合，以使罐内各部分的泥浆具有相同的浓度。当泥浆泵入井内，这有助于消除由于轻、重泥浆不均而引起操作上的难题。
在深度等于或小于48英寸（约等于1.2米）的泥浆罐中，即可使用平直的涡轮叶片，也可使用曲线形涡轮叶片。对于较浅的泥浆罐，将叶轮安装在轴的下部位置，也可以进行充分的搅拌。若在泥浆罐上焊装合适的挡板，涡轮型式的叶轮就会产生径向的液流和少量的轴向液流。当泥浆搅拌器在很深的泥浆罐中运转时，可以在一根轴装上两个叶轮，同样能令人满意地工作。但是，多数的泥浆搅拌器推荐安装有60度倾角的叶轮叶片。用户的经验证明，这种搅拌器在其适用范围内能混合的十分均匀。
全部采用防爆T型机座，3相230～460V，1150转/分，频率60赫兹；或者采用3相190～380V，958转/分，频率50赫兹.电动机用弹性联轴节与减速机直接相连。在连接轴的上方装有坚固的钢质护照。
实心的低碳钢轴用刚性连轴节与减速机相连。为了调节叶轮的高度，在轴的下部开有键槽。轴的直径范围为38.1毫米到88.9毫米之间，具体随型号而定。轴的实际长度由用户确定
在现在使用的设备中，很有可能有75%的泥浆搅拌器安装得不恰当，造成这种情况的原因不是不了解正确确定尺寸的方法，就是不懂得合理选定尺寸的重要性。
每一种搅拌器计算出的合理搅拌量与给定的功率及叶轮直径有关。叶轮能够达到的搅拌范围与泥浆比重的关系和所需功率都是可以用计算来确定的。
下面的资料室正确选定搅拌器尺寸的依据：
1.泥浆罐的长度、宽度、高度和隔舱尺寸
2.每个隔舱的用途，例如作沉淀罐、段塞泥浆罐、真空除气器用罐等
3.预先确定最重的泥浆比重。如果不知道确切的数值，可假定是20磅/加仑（2.4克/立方厘米）的泥浆。
4.设备动力的电压和频率
5.陆地还是海洋设备？如果是陆地设备，那么在设备的搬运会和泥浆罐一起搬运吗？
在取得尽可能多的资料后，可以用下面提供的曲线图，来取定比较恰当的搅拌器尺寸的近似值。
正确选择泥浆搅拌器的尺寸，第一步先查出在曲线图右边的罐的宽度。然后沿着横线在图的左边有一相应的叶轮直径推荐值。叶轮尺寸与泥浆比重以及所需的马力有关，可以简单地从叶轮直径按照水平线引到预先确定的泥浆比重曲线上，此时再找到这一点右边最靠近的粗曲线，记下粗曲线上部所需要的功率值。如果所选择的泥浆比重不符合图中所示的那三条曲线，那就选用比重相近而又较高的那一条曲线。
…
旋流除砂器是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离开来的机械分离设备。旋流除砂器的基本构造为一个分离腔、一个入口和2个出口(见图1)。分离腔多为柱-锥形。入口一般采用切向入口。出口多为轴向出口, 分布在旋流除砂器的两端。靠近进料端的为溢流口, 远离进料端的为底流口(排砂口)。钻井液通过泥浆泵从切向入口注入旋流除砂器, 并在旋流除砂器腔内高速旋转, 产生几千倍于重力场的离心力场。在离心力的作用下, 密度大的固相被甩向四周, 并顺着壁面向下运动, 作为底流由底流口排出;密度小的钻井液被带到中间并向上运动, 最后作为溢流由溢流口排出。这样, 用旋流除砂器就达到了净化钻井液体的目的。
通过除砂原理可知, 泥浆在旋流器腔内做螺旋运动, 在除砂器自身结构的影响下, 在其向下运动的过程中, 逐渐改变运动方向, 最终形成围绕中心线向上旋升的内旋流体, 从溢流口排出。因此, 在除砂器锥形腔内, 存在2股反向螺旋流(见图2),...
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