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钻井泥浆振动筛基本参数的合理选择

发布时间:2016/05/16 艾潽新闻 标签:振动筛筛网泥浆振动筛钻井振动筛钻井液振动筛浏览次数:1969

摘要:钻井振动筛能否实现良好的性能, 取决于基本参数的选择。文章对抛掷指数、筛面倾角、激振频率、振幅、振型、振动方向角、筛网以及工艺参数对振动筛处理量和固相运移速度的影响做了探讨和理论分析, 并提出了相应参数的选择参考值, 为振动筛的设计和使用提供理论依据。

 

钻井振动筛是石油钻井固相控制系统中的关键设备, 其主要用途是净化、回收钻井液和尽可能多地清除有害固相颗粒(岩屑)。一台良好的振动筛应当是钻井液处理量大, 固相颗粒运移速度快, 以及有较长的使用寿命等。振动筛处理量是指在保证清除效率的条件下, 单位时间内通过筛网含屑钻井液的液量。研究表明, 影响振动筛处理量和固相运移速度的因素很多, 主要包括钻井液的性能参数;固相颗粒的类型、含量和粒度分布, 筛网的目数和编织结构,筛箱特征点的运动轨迹、抛掷指数、振幅、振动方向角和激振频率以及筛面倾角等。要使泥浆振动筛性能达到最佳, 必需合理地选择其性能参数.

1  动力参数的合理选择

理论分析和实验研究表明, 钻井液的性能, 特别是塑性粘度对振动筛处理量有很大影响, 在其他条件不变的情况下, 随着钻井液塑性粘度的提高, 处理量将明显下降。由朱维兵关于淹没和湿固相颗粒抛掷指数的分析可知, 由于钻井液的塑性粘度和动切应力的存在, 大大增加了固相颗粒起跳的阻力,降低了固相颗粒的运移速度;钻井液中固相颗粒的形状、大小、含量和粒度分布, 也直接影响振动筛的处理量和固相运移速度, 特别是尺寸接近筛网孔眼的固相颗粒, 容易嵌入筛网孔眼, 形成堵筛现象, 使其处理量大幅度降低, 同时可能会由于液相过筛不及时, 增加钻井液厚度, 使固相更难于起跳, 降低了固相运移速度。上述2 方面因素都是由钻井工艺和条件确定的, 是不可改变的。从泥浆振动筛设计角度来看, 主要是合理选择其动力参数, 以适应钻井工艺的要求。

1 .1  抛掷指数

由于泥浆振动筛运动轨迹、工作参数(振幅、频率、筛面倾角)、钻井液性能、颗粒大小和形状的不同, 固相颗粒在筛面上有相对静止、正(反)向滑动、抛掷运动等几种运动形式。抛掷运动是最有效的固相运移模式, 因为在抛掷运动过程中, 筛面的摩擦力不作用在固相颗粒团上能有效地提高颗粒的运移速度, 促进固液分离, 使振动筛既有较大的处理量又有较高的排屑速度。在抛掷过程中, 颗粒呈抛射状向排出口输送, 减少颗粒与筛面接触的时间和次数, 可以大大减少小岩屑颗粒的透筛几率。如果筛面的法向加速度过大, 又会增大颗粒下落时对筛网的碰撞, 造成微小颗粒更多的透筛几率, 并且对筛网的强度也会提出更高的要求。所以, 选择抛掷指数时, 应使固相颗粒尽可能多地处于抛掷运动模式, 适当地接触输送模式(静止、正向滑动、反向滑动)对振动筛稳定输送固相至关重要, 接触输送时间的长短取决于摩擦因数。对于一个筛面向上(或向下)倾斜的振动筛, 在抛掷运动过程中, 由于重力作用, 固相颗粒团沿筛面的速度不断减小(或增加)。在这种情况下, 如果在1 个振动周期内, 固相颗粒不进入接触输送模式, 并弥补速度损失(或增加), 颗粒团向后(或向前)的输送速度将不断增加, 最终导致不稳定输送。

由前面的分析可知, 钻井液的塑性粘度、动切应力、表面张力和固相颗粒(或颗粒团)的大小、形状都直接影响筛面固相颗粒起跳的难易程度。通常, 钻井液的塑性粘度、动切应力和表面张力愈大, 固相颗粒尺寸愈小, 愈要求振动筛有较高的名义抛掷指数;理论分析和实验研究也表明, 当抛掷指数D 达到5.5 时, 固相颗粒跳动强烈, 固相输送速度较大, 钻井液在筛面上飞溅较大, 引起固相颗粒二次破碎。综合考虑上述2 种因素, 泥浆振动筛的名义抛掷指数可取4 ~ 6 。

1 .2  筛面倾角

增大筛面向下倾斜的角度可以有效地提高固相运移速度, 但是对筛面向下倾斜的振动筛而言, 固相颗粒的不稳定输送是必然的, 并将导致相当数量的钻井液流失。筛面正倾角(向上倾斜)可以增加振动筛的处理量, 但在过大的正倾角状态下, 固相颗粒“爬坡”困难, 钻屑在筛网入口端堆集, 造成振动筛无法工作。根据文献[ 1] , 直线振动筛和椭圆振动筛可以采用较大的正倾角, 圆型振动筛则不可。因此, 在设计中, 一般不以加大筛面倾角来加快排屑, 因为排屑不畅的根本原因是筛箱产生摇摆, 以及振幅、频率的选择不当引起的。在设计中改变这些状态后, 应尽可能选用小筛面倾角。由于筛面倾角的大小要根据钻井液性能、振动筛的振型、所钻地层岩屑的粒度性质等因素确定, 因而振动筛最好设计成筛面倾角可调的型式。对圆型振动筛, 筛面倾角可取-5°~+2°;对直线振动筛和椭圆振动筛, 筛面倾角可取-5°~ +5°。

1 .3  激振频率和振幅

理论分析和实验研究都证明, 振动筛的处理量随振幅、激振频率的增加而增加, 而振幅λs 在远离共振区后受激振频率的影响不大, 基本上是激振质量矩与参振质量的比值。总的原则是给定抛掷指数后, 在激振频率较高时振幅只能取小值, 在频率较低时, 振幅应取大值。大振幅可减少筛网孔眼的堵塞现象, 且低频率大振幅适用于高粘度钻井液的净化。综合考虑振幅、激振频率对处理量和固相运移速度的影响, 振动筛可采用低频大振幅。一般振幅λs 可取2 ~ 5 mm , 激振频率可取1 000 ~ 1 500 r/min 。

1 .4  振型

目前, 我国油田使用的泥浆振动筛有圆形钻井液振动筛筛、椭圆形钻井液振动筛筛和直线型钻井液振动筛筛。理论分析和实验研究均证明[ 1] , 平动椭圆振动筛最适用于钻井液固相控制。在相同的工作条件下, 平动椭圆振动筛处理量比直线振动筛可提高20 %左右, 固相运移速度可提高10 %左右。

1 .5  振动方向角

泥浆振动筛的筛网一般接近于水平安装, 要使固相颗粒在筛面上运移, 必须有合适的振动方向角。固相颗粒在筛面上停留的时间与振动方向角的大小有关, 振动方向角越大, 抛掷运动的高度越大, 固相颗粒在筛面上停留的时间越短, 钻井液越容易透过筛网。根据文献[ 1] 的分析表明, 对于直线振动筛和椭圆振动筛, 固相运移速度随振动方向角的增大而减小。综合考虑上述两种因素, 对直线振动筛和椭圆振动筛, 振动方向角可取40°~ 60°。

1 .6  筛网

振动筛的筛网单从筛网目数看, 已从刚开始的20 目、40 目等粗筛网达到现在200 目以上的超细目筛网。国外的筛网目数普遍较高, 特别是进入20 世纪80 年代末、90 年代以来, 很多都在发展超细目筛网, 而且筛网面积大(单筛面积72 m2)。国产筛在现场应用最高的是159 目, 且筛网面积普遍较小[ 3] 。目前有多种细目筛网可供选择, 其中包括方形、长方形和多层筛网, 且每种筛网有多种目数。API 用2个方向筛网目数、网眼尺寸和孔眼面积百分比来说明筛网的特性, Ho berock和Cagle等人通过实验研究表明, 筛网的液体透过率是表征筛网液体处理能力的较好指标。正方形筛孔的筛网, 要比1 个边长同正方形边长相等的长方形筛孔的筛网清除的固相颗粒更多。但长方形筛孔的优点在于它能够采用粗钢丝编织, 以延长筛网的使用寿命;它具有较高的开孔面积百分比, 能提高钻井液振动筛的处理量;它还可以减少相近尺寸固相颗粒堵塞筛孔的几率。多层筛网可以有效地延长使用寿命, 同时还可以防止岩屑堵塞筛孔。因为在下层筛网的阻挡和微拍击下, 固相颗粒更不容易嵌死在筛孔中。筛网的选择方法有很多, 例如, 要选择一个筛孔规格为200 μm的筛网, 可选出表1 所列规格的筛网, 均可满足A PI标准要求。

表1 根据API 标准选择的筛网规格

API标准目数 钢丝直径d/mm
60×60(234×234,30.5) 0.1905(0.0075)
0.2286(0.0090)
60×24(200×830,41.5) 0.2286(0.0090)

在上述规格中, 从处理量和筛网的寿命来考虑,60 ×24 目的筛网较为优越, 它既满足了200 μm 的最小开孔尺寸和41 .5 %的开孔面积, 同时也满足了用粗钢丝编织筛网的要求, 而且还比其他筛网处理钻井液的实际能力更高。筛网的选择还必须综合考虑和权衡固相处理总量、循环排量以及所期望的筛网寿命。

2  工艺参数的合理选择

钻井振动筛的工艺参数包括筛面的宽度和长度、钻井液的处理量和筛分效率。确定了振动筛的结构和动力参数之后, 还不知道该筛能否满足钻井液处理量的实际需要。根据文献[ 6] 所建立的振动筛处理量的实用计算模型, 可以确定不同筛面倾角、不同筛网目数以及不同塑性粘度和密度的钻井液处理量, 以便选择筛网和确定振动筛的台数和筛网面积。筛网面积越大, 处理能力越大。近年来, 国内外均在发展大筛面钻井液振动筛, 其筛面有效宽度为1 .22 m , 长度达到2 .5 m 。由于筛面大小受到循环罐及搬家安装车辆的限制, 所以钻井振动筛的筛面尺寸不能过大。

3  结论

钻井振动筛是固相控制中重要的第一级净化设备, 其性能的优劣直接影响着后续设备性能的发挥。只有合理地选择泥浆钻井振动筛的动力参数和工艺参数, 才能使振动筛实现良好的性能。