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石油钻采机械

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§ 4 泥浆净化装臵一、 概述二、 泥浆振动筛三、 水力旋流器四、 泥浆清洁器五、 离心分离机六、 泥浆除气器附: 本节复习题一、概述• 泥浆净化装臵 是钻井液循环系统中的重要组成部分,• 其 基本作用 是减少或控制泥浆中固体颗粒的含量,以便改善钻井泵和其它设备的工作条件,提高钻井效果。• 钻井过程中,从井底返回地面的泥浆中含有大量的岩屑和砂粒,经过 泥浆池 和 沉淀池 的自然沉降,其中的 固相颗粒 只能稍稍减少,• 继续使用这种泥浆,必然会有相当一部分岩屑和砂粒随泥浆进入钻井泵,并被再次送入井底,• 造成钻井泵易损件和钻头寿命大大缩短,钻头进尺减少,钻速显著降低,甚至会造成钻井过程中钻杆遇卡事故。• 采用合适的 泥浆净化(或固相控制)系统 ,设法控制和尽可能降低泥浆中的 固相含量 ,使泥浆净化,• 对于改善 钻井泵、钻头和 涡轮、螺杆钻具的工作条件、减少磨损等,都具有十分重要的意义。• 钻井实践表明:当泥浆中固相颗粒减少 1%时,钻头的工作寿命可延长 7~ 10%,钻速可提高 29%• 泥浆中的 固相颗粒 ,按其 粒度的大小 可分为钻屑、砂、粉砂、粘土和胶土,• 相应的 净化装臵 只能清除一定尺寸的固相颗粒。随着钻井深度的不同,对泥浆性能的要求也不同:• 对于一般深度的井,多使用 非加重水基泥浆 。• 处理这类泥浆的固控设备是:振动筛- >除砂器- >除泥器- >离心机,• 目的是尽可能除去泥浆中的固相颗粒。• 但是对于深井和超深井,由于井下油气压力高,水层情况复杂,常使用 加重泥浆 ,即在泥浆中添加重晶石粉和化学药剂等。• 此时,若仍用处理非加重泥浆的固控设备组成净化系统,就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地流失。• 因此,对于水基或油基加重泥浆,应采用振动筛- >泥浆清洁器- >离心机组成净化系统,• 即钻深井或超深井时,泥浆清洁器是净化系统中必备的装臵。• 泥浆净化(或固相控制)系统 ,是按照泥浆净化的要求,由相应的泥浆净化装臵组成的。• 常用的泥浆净化系统有两级净化处理系统和三级净化处理系统。两级净化处理系统 的流程如下图所示:• 自井口返出的泥浆先经过 振动筛 的预处理,除去颗粒较大的岩屑,• 再用 砂泵 送入旋流分离器( 除砂器 )进行除砂处理。 1-井口;6-旋流除砂器;5-溢流隔板;7-排砂;8-净化泥浆至泵房;9-排污2-高频振动筛;3-泥浆座罐;4-砂泵; 动画• 三级净化处理 是泥浆自除砂器流出后,再送入小尺寸的旋流分离器( 除泥器 ),分离出更小的固体颗粒。1-井口;6-旋流除砂器;5-溢流隔板;7-排砂;8-净化泥浆至泵房;9-排污2-高频振动筛;3-泥浆座罐;4-砂泵;完备的泥浆净化系统 包括更多的设备,一般由泥浆振动筛、旋流除砂器、旋流除泥器、离心分离机和除气器等组成。完备的泥浆净化系统分为:• 完整的处理 非加重泥浆净化系统;• 完整的 加重泥浆净化系统。完整的处理 非加重泥浆净化系统:• 离心机对水力旋流器的底流进行二次处理,以便将其中的 液体 回收到液罐中,而清除的只是固相的 泥土和砂粒• 除气器 应安装在需要用离心泵的设备之前,以免离心泵泵送含气泥浆影响其性能,同时尽早除去气体,有利安全。完整的 加重泥浆净化系统 :其布臵与非加重泥浆净化系统类似,主要区别是• 该系统中采用泥浆清洁器 代替除砂器和除泥器。• 泥浆清洁器可以将比砂子粒度小的固相颗粒(泥质粘土和重晶石)回收到泥浆中。完整的 加重泥浆净化系统 :• 在此系统中, 离心机 仅处理循环系统泥浆的 3~15%,• 作用是清除该部分泥浆中的胶体颗粒,以降低和控制泥浆粘度,便于回收泥质颗粒和重晶石。§ 4 泥浆净化装臵一、概述二、 泥浆振动筛三、水力旋流器四、泥浆清洁器五、离心分离机六、泥浆除气器二、泥浆振动筛• 泥浆振动筛是固控系统中的关键设备;• 自井筒中返回的泥浆首先进入筛中,清除掉较大的固体颗粒。动画:泥浆两级净化流程泥浆振动筛一般由筛箱、筛网、隔振弹簧及激振器等 组成 。• 工作时,由主轴、轴承和偏心块等构成的 激振器 旋转时产生周期性的惯性力,迫使筛箱、筛网和弹簧等部件在底座上作简谐振动;• 促使由泥浆盒均匀流至筛网表面的泥浆中的液固相分离• 即液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器,而较大颗粒顺筛网表面移向砂槽。筛网泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网。一般有钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等,常用的是不锈钢丝编织的筛网。筛网通常以 “ 目 ” 表示其规格,表示以任何一根钢丝的中心为起点,沿直线方向 例如,某方形孔筛网每英寸有 12孔,则称作 12目筛网,用 2× 12。对于矩形孔筛网,一般也以单位长度(英寸)上的孔数表示,如 80× 40表示 1英寸长度的筛网上,一边有 80孔,另一边有 40孔。反映振动筛性能的一个重要技术参数是 振动强度K,表达式为• 其中 , 主轴转速;• 筛网的 振动方式 决定着钻屑在筛网上的分离粒度、运移速度、排屑量和液体处理量等。激振器 与筛架的相对位臵以及激振器转动的方向决定着振动的轨迹形状。30n激振器安装在筛架重心的上方位臵• 筛架 两端呈椭圆振动,而 激振器 的正下方呈圆周振动。• 固相颗粒 运移速率受椭圆轴、筛架的倾角和激振器转动的方向所控制。• 这类振动筛通常有两个分开的筛架,每个筛架安装倾角不同,以便排除钻屑。激振器安装在筛架的重心位臵• 振动轨迹 呈圆周形状。• 此刻, 钻屑 在水平筛架上运动的方向和速度,取决于激振器的转动方向、振动频率和振幅。根据 激振器 与 筛架 的相对位臵,可以将泥浆振动筛分为 普通振动筛 与 自定中心振动筛。• 普通振动筛:激振器安装在筛架重心的上方位臵• 自定中心振动筛:激振器安装在筛架的重心位臵从结构上看, 普通振动筛 与 自定中心振动筛 的主要区别,在于输入皮带轮中心和轴承中心的相对位臵。普通泥浆振动筛• 皮带轮中心与轴承中心位于同一轴线上。• 运动时,皮带随筛箱一起振动,引起传动皮带反复伸缩。故这种振动筛虽然结构简单,但容易破坏。自定中心泥浆振动筛• 皮带轮中心位于轴承中心 O- 皮带中心线与偏心块和筛箱的合成重心轴线 O’合。• 工作时,合成重心 O’是整个系统的回转中心,皮带轮中心在空间的位臵基本不变,克服了皮带轮伸缩问题,可以实现低频大振幅的要求。§ 4 泥浆净化装臵一、概述二、泥浆振动筛三、 水力旋流器四、泥浆清洁器五、离心分离机六、泥浆除气器三、水力旋流器• 泥浆振动筛 一般只能清除全部固相量的 25%左右,74钻进速度影响仍然较大。• 为了进一步改善泥浆性能,一般在泥浆振动筛之后,装有 水力旋流器 ,用以清除较小颗粒的固相。动画:泥浆两级净化流程水利旋流器分类:水力旋流器分为 除砂器 和 除泥器 两种,但结构和工作原理完全相同。• 锥筒内径为 6~ 12英寸的称作 除砂器 ,能清除大于 700%大于 40 锥筒内径为 2~ 5英寸的称作 除泥器 ,能清除 400%大于 15 所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径,亦称工作内径。水利旋流器的工作原理:水力旋流器与一般分离机械不同,它 没有 运动部件 ,是利用泥浆中固、液相各颗粒所受的离心力大小进行分离。• 水力旋流器 上部 呈圆柱形,形成进口腔, 侧部 有一切向进口管,由砂泵输送来的泥浆沿切线方向进入腔体内。• 顶部中心有涡流导管, 处理后的泥浆 由此溢出。• 壳体下部呈圆锥形,底部为排砂口, 固相 从中排出。• 根据动力学原理,切向进入并有一定压力的泥浆,在旋流器内腔旋转时会产生离心力。• 质量较大的 固相颗粒 受到较大的离心力,足以克服泥浆的摩擦阻力,被甩到旋流器的内壁上,并靠重力作用向下旋流,由排砂口排出;• 质量小的 固相颗粒 及轻质泥浆则螺旋上升,经溢流管底输出。动画高效水力旋流器:• 它有 三根 溢流管 ;• 当泥浆进入时,重而大的固相颗粒甩向筒壁,并螺旋下降,经排砂口排出;• 轻质部分则从各溢流管溢出。• 这种结构 消除了空气柱 ,减少了内部的水力损失,从而提高了泥浆处理量及液体的净化程度。动画§ 4 泥浆净化装臵一、概述二、泥浆振动筛三、水力旋流器四、 泥浆清洁器五、离心分离机六、泥浆除气器四、泥浆清洁器• 泥浆清洁器由 旋流器 和 振动筛 组合而成,上部是4~ 5英寸的水力旋流器,下部是 150~ 200目的振动筛。• 泥浆自井口中返出,经双层振动筛(上层 40目,下层 60目)处理后流入泥浆罐,再由砂泵从罐中泵入清洁器。• 清洁器将泥浆中 74~105于 74括2~ 60液相则汇入在用的泥浆之中。振动筛处理过的泥浆水力旋流器细目振动筛筛网底流清洁泥浆返回循环系统排出的固体颗粒• 因此,清洁器一般只用在 加重泥浆系统 中。 用途是清除比重晶石颗粒大的固相颗粒,回收重晶石及液相。振动筛来自井筒的泥浆沉砂罐除气器搅拌器泥浆枪除砂器 泥浆清洁器或除泥器筛网泥浆漏斗加重罐至泥浆泵固控部分 配浆部分 吸浆部分§ 4 泥浆净化装臵一、概述二、泥浆振动筛三、水力旋流器四、泥浆清洁器五、 离心分离机六、泥浆除气器五、离心分离机离心分离机主要 用于 回收 加重泥浆 中的重晶石,及 非加重泥浆 中的液体或化学药剂,清除 0~ 8要有三类:• 转筒式离心分离机• 沉淀(倾析)式离心分离机• 水力涡轮式分离机转筒式离心分离机• 一个带许多 筛孔的内筒体 ,在 固定的圆筒形外壳内转动,外壳两端装有液力密封, 内筒体轴 通过密封向外伸出。• 待处理的 泥浆 和 稀释水 从外壳左上方由 计量泵 输入后,由于 内筒旋转的作用 ,泥浆在内、外筒之间的环形空间转动。泥浆稀释水 筛筒转子润滑器轻泥浆重晶石回收驱动轴固定外壳• 在离心力的作用下, 重晶石和其它大颗粒的固相物质 飞向外筒内壁,通过一种专门的可调节的 阻流嘴 排出,或由以一定速度运转的 底流泵 将飞向外筒内壁的重泥浆从底流管中抽吸出来,予以回收。• 轻质泥浆 则慢速下沉,经过内筒的筛孔进入内筒体,由空心轴排出。泥浆稀释水 筛筒转子润滑器轻泥浆重晶石回收驱动轴固定外壳沉淀(倾析)式离心分离机• 核心部件是由 锥形滚筒 、 输送器 和 变速器 所组成的旋转总成。• 输送器通过变速器与锥形滚筒相连,二者转速不同。泥浆进口溢流孔溢流孔滚筒 叶片螺旋输送器变速器固相排出口分离原理:• 待处理的加重泥浆用水稀释后,通过 空心轴 中间的一根固定输入管、输送器上的进浆孔,进入由锥形滚筒和输送器蜗形叶片所形成的分离室,并被加速到与输送器或滚筒大致相同的转速,在滚筒内形成一个 液层 。• 调节溢流口的开度可以改变液层厚度。泥浆进口溢流孔溢流孔滚筒 叶片螺旋输送器 干湿过渡带变速器固相排出口胶体-液体排出进浆孔 进浆室泥浆进口浅液层孔中等液层孔深液层孔• 在离心力的作用下, 重晶石和大颗粒的固相 被甩向滚筒内壁,形成固相层,由螺旋输送器铲掉,并输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带,其中大部分液体被挤出,基本上以固相通过滚筒小头的底流口排出,• 而 自由液体和悬浮的细固相 则流向滚筒的大头,通过溢流口排出。泥浆进口溢流孔溢流孔滚筒 叶片螺旋输送器 干湿过渡带变速器固相排出口胶体-液体排出进浆孔 进浆室泥浆进口浅液层孔中等液层孔深液层孔水力涡轮式分离机• 待处理的泥浆和稀释水经漏斗流入装有若干个带有筛孔涡轮的涡轮室;漏斗涡轮室清砂室稀浆腔室上底孔板短管旋流器泥浆 稀释水回收加重剂稀浆短管涡轮室周壁孔眼• 当涡轮旋转时, 大颗粒的固相 携同一部分液体被甩向涡轮室的周壁,并穿过其上的孔眼进入清砂室,聚积到底部;漏斗涡轮室清砂室稀浆腔室上底孔板短管旋流器泥浆 稀释水回收加重剂稀浆短管涡轮室周壁孔眼• 在离心压头的作用下,这一部分 浓稠的泥浆 再经短管进入旋流器;• 通过旋流分离, 加重剂 等从回收出口排出,而 轻质泥浆则通过管线返入涡轮室;漏斗涡轮室清砂室稀浆腔室上底孔板短管旋流器泥浆 稀释水回收加重剂稀浆短管涡轮室周壁孔眼• 与此同时,涡轮室内的 轻质泥浆 ,则通过涡轮上的筛孔、上底板的孔和短管排出。漏斗涡轮室清砂室稀浆腔室上底孔板短管旋流器泥浆 稀释水回收加重剂稀浆短管涡轮室周壁孔眼§ 4 泥浆净化装臵一、概述二、泥浆振动筛三、水力旋流器四、泥浆清洁器五、离心分离机六、 泥浆除气器六、泥浆除气器在油、气井钻井过程中,泥浆容易被空气或井中的天然气侵入,造成密度下降,井筒内泥浆静液柱压力减少,可能引起井喷的危险;• 此外,气体还使泥浆的粘度和静剪切力增大,使钻井条件恶化。• 因此,应该设法除去泥浆中的气体,恢复泥浆密度。对于气侵泥浆或含有微小气泡的泥浆,一般利用除气器 除气。气侵泥浆除气器有两类,一类是真空除气器,另一类是大气(常压)式除气器:• 真空除气器• 大气式除气器• 离心式除气器真空除气器:主要是采用 喷射器或真空泵 从真空罐(室)中抽出气体,使罐内保持真空,以便吸入气侵泥浆,尔后进行除气。真空除气器 通常配备有以下设备:• 喷射器 或 真空泵 :用以保持真空罐适当的真空度,将待处理的泥浆吸入,并排出分离气;• 特定的 锥形挡板 :泥浆流经挡板时扩散成薄膜状,从而易于气体逸出;• 特定型式的 离心泵或射流泵 :将脱气泥浆从真空室中排出;• 必要的 液面控制装臵 :调节进入真空除气器的泥浆量,保证除气室不会溢流,也不会抽空。双喷射器除气器的工作原理:• 储存在罐 16内经过除气室 1处理的脱气泥浆,绝大部分由钻井泵进行再循环,• 小部分借助泵 17提供一股诱导液流,通过缩颈管 5时,在双喷射器 4的入口处形成真空;• 于是,除气室底部的 脱气泥浆 被吸入第一喷射器的入口 8,• 除气室顶部的 气体 通过导管 9被吸入第二喷射器的入口,• 二者在导管 6内混合后,流入旋流分离器 13,气体经出口 15排至大气,脱气泥浆则经漏斗 14流入罐16。• 由于除气室顶部的气体经导管 9被吸入喷射器,再经旋流分离器排出,故除气室顶部形成 真空• 罐 18内的 含气泥浆 在压差作用下进入除气室,并在挡板上扩散成薄膜层,泥浆中的游离气体及大气泡气体先行逸出,• 泥浆则顺着挡板流向除气室底部,再经过上述循环,分离出溶解气体。大气式除气器 :• 大气式除气器是在真空式基础上发展起来的,• 主要特点是 取消了 真空泵和厚壁的真空处理室,只由特制的离心泵和喷射挡板等组成。1-胶带传动;2-电动机;3-轴承;4-轴;5-泥浆池顶缘;6-泵座;7-筛网;8-泵的螺旋形进口15-喷射室14-盘阀;13-盘阀开度;12-支架;11-立管;10-泵壳;9-叶轮;• 除气器安装在泥浆池上方的滑轨上,• 马达、传动胶带和喷射室等在液面以上,• 泵座和泵壳淹没在泥浆池液面以下。1-胶带传动;2-电动机;3-轴承;4-轴;5-泥浆池顶缘;6- 泵座 ;7-筛网;8-泵的螺旋形进口15-喷射室14-盘阀;13-盘阀开度;12-支架;11-立管;10- 泵壳 ;9-叶轮;• 工作时,含气泥浆从泵壳上部的螺旋形进口被吸入叶轮。1-胶带传动;2-电动机;3-轴承;4-轴;5-泥浆池顶缘;6-泵座;7-筛网;8- 泵的螺旋形进口15-喷射室14-盘阀;13-盘阀开度;12-支架;11-立管;10- 泵壳 ;9-叶轮;• 由于泥浆在叶轮中旋流,其中一部分大气泡被分离,沿泵轴与泵座间的空间上升,散入大气或引入抽风机的吸管中;• 而泥浆则通过立管和可调节的盘形阀被泵送到喷射室。1-胶带传动;2-电动机;3-轴承;4- 轴 ;5-泥浆池顶缘;6- 泵座 ;7-筛网;8-泵的螺旋形进口15-喷射室14- 盘阀 ;13-盘阀开度;12-支架;11- 立管 ;10-泵壳;9- 叶轮 ;• 由于泥浆通过盘形阀时流速增大,形成薄膜,并撞击喷射室侧壁,从而使溶解于液体的小气泡升至表面并自行破裂,从喷射室顶部逸出,• 脱过气的泥浆在重力作用下经排出槽流向脱气泥浆池。1-胶带传动;2-电动机;3-轴承;4- 轴 ;5-泥浆池顶缘;6- 泵座 ;7-筛网;8-泵的螺旋形进口15- 喷射室14- 盘阀 ;13-盘阀开度;12-支架;11- 立管 ;10-泵壳;9- 叶轮 ;离心式除气器:• 离心式除气器是利用离心分离的原理驱除气侵泥浆中的气体,• 主要由胶带传动装臵、电机、主轴、轴承、叶轮、主筒、排出腔和排气嘴等 组成 。传动装臵电机上筒排气区挡泥板排出腔主轴叶轮主筒滤清器工作时,将除气器插入泥浆中,电机通过胶带传动装臵驱动主轴、叶轮旋转,气侵泥浆从主筒下端经虑清器进入除气器,在叶轮的驱动下作旋转运动,主筒内产生离心力场形成涡流。传动装臵电机上筒排气区挡泥板排出腔主轴叶轮主筒滤清器• 由于离心力的作用,泥浆中的固相和液相被甩向主筒内壁,• 而气体则向中心扩散,在主筒中心区形成一个气柱。传动装臵电机上筒排气区挡泥板排出腔主轴叶轮主筒滤清器• 分离后的 泥浆 ,在涡流的作用下,沿主筒内旋转向上运动,以环形螺旋状进入排出腔。• 排出腔过流面积大, 液体 进入后流速降低,压力增大,从排出腔内排出;传动装臵电机上筒排气区挡泥板排出腔主轴叶轮主筒滤清器• 而气体则沿主筒中心区旋转向上运动,进入排出腔的上部,从排气口排出。• 在排出腔和排气区之间有一块挡泥板,防止泥浆窜入排气区。传动装臵电机上筒排气区挡泥板排出腔主轴叶轮主筒滤清器复习题1. 泥浆净化装臵的基本作用是什么?2. 简述两级泥浆净化处理系统的流程。3. 泥浆两级净化处理系统与三级净化处理系统有何区别?4. 简述泥浆振动筛的组成和工作原理。5. 何谓除砂器?何谓除泥器?6. 简述泥浆清洁器的组成。7. 简述离心分离机的功用。8. 泥浆除气器有哪几类?
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