利用文丘里原理處理井場含鉆屑泥漿的理論研究和應用

林亞非（中石化江漢石油工程有限公司國際合作公司，湖北 武漢 430223）

陶龍剛（武漢市元博智能控制技術研究設計院，湖北 武漢 430070）

鉆井泥漿具有懸浮攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁、防止井塌等重要作用，因此被業(yè)內公認為是石油鉆井的“血液”。不過也正因為鉆井泥漿具有攜帶巖屑的作用，所以在鉆井井場返回泥漿里裹挾有大量的碎石及小鵝卵石，當用砂泵或泥漿泵等設備抽吸轉移這類泥漿時，常常會損壞這些大型設備的葉片［1］，大大降低設備的使用壽命，影響施工進度，給企業(yè)造成嚴重經(jīng)濟損失。為了克服現(xiàn)有技術的不足，筆者提供了一種基于文丘里原理設計的抽漿泵，能將含鉆屑泥漿在不直接通過砂泵或泥漿泵等大型設備情況下，即可將其抽排至指定位置，避免對砂泵或泥漿泵葉片造成損壞，大大延長設備的使用壽命。

1 模型建立

1.1 文丘里效應原理

當氣體或者液體在文丘里管里流動時，在管道的最窄處，動態(tài)壓力（速度頭）達到最大值，靜態(tài)壓力（靜息壓力）達到最小值，氣體（液體）的速度因為涌流橫截面積變化的關系而上升［2］。整個涌流都要在同一時間經(jīng)歷管道縮小過程，因而壓力也在同一時間減小，進而產(chǎn)生壓力差，這個壓力差用于給流體提供一個外在吸力。

1.2 文丘里抽漿泵結構

圖1是文丘里抽漿泵的結構示意圖。砂泵、泥漿泵等裝置提供的高壓流體經(jīng)過噴嘴射出的高速激射流體在匯合處產(chǎn)生負壓，把帶有碎石、小鵝卵石的泥漿吸取過來與高速激射流體在匯合處開始混合，并在混合處混合均勻后經(jīng)排出口排處。

1.3 文丘里抽漿泵工作流程

圖2是文丘里抽漿泵工作流程圖。合理地配置參數(shù)，可以使高壓流體經(jīng)文丘里泥漿泵產(chǎn)生的負壓吸取比泵體低3.5m的泥漿再排出到比泵體高3.9m處。

2 理論推導

泥漿在文丘里抽漿泵入口處壓力（ps）和出口處壓力（pm）分別為［3］：

圖1 文丘里抽漿泵結構示意圖

圖2 文丘里抽漿泵工作流程圖

式中：ps為泥漿在文丘里抽漿泵入口處的壓力，MPa；pm為文丘里抽漿泵出口處的壓力，MPa；vs為開始時泥漿的平均流速，m／s；vm為混合后的泥漿的平均流速，m／s；Δp1為泥漿入口管系壓力降，MPa；Δp2為文丘里抽漿泵出口至排出口管系壓力降，MPa；ρs為入口泥漿密度，kg／m3；ρm為混合后的泥漿即排出泥漿密度，kg／m3；h1為要抽取的泥漿與泥漿入口的高度差，m；h2為文丘里抽漿泵出口與排出口的高度差，m；g為重力加速度，9.81m／s2。

管系壓降Δp1、Δp2均為圓管流動的沿程壓力損失與局部壓力損失之和，即：

式中：Δpλ1、Δpξ1分別為入口沿程壓力損失與局部壓力損失，MPa；Δpλ2、Δpξ2分別為出口沿程壓力損失與局部壓力損失，MPa；λ1、λ2分別為入、出口沿程阻力系數(shù)，1；ξ1、ξ2分別為入、出口局部阻力系數(shù)（具體數(shù)值可查閱有關手冊）；l1、d1和l2、d2分別為入、出口管系長度與管徑，m。

液體在金屬管直管中作層流流動時，取沿程阻力系數(shù)λ＝75／Re（Re為液體的雷諾數(shù)）。

液體在等直徑圓管中作紊流運動時的λ的計算公式［4］為：

式中：d為管徑，m；Δ為管壁的表面粗糙度，mm。Δ的值和管壁的材料有關，計算時可參考下列數(shù)值：鋼管0.04mm，銅管0.0015～0.01mm，鋁管0.0015～0.06mm，橡膠軟管0.03mm。

另外，光滑金屬圓管的臨界雷諾數(shù)Recr＝2320。當液流的實際雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Recr時，為層流；反之為紊流。

另外，可以推導出泥漿和水混合后排除的泥漿的密度ρm：

式中：μ為混合比，1；Gs為泥漿的質量流量，kg／s；Gp為水的質量流量，kg／s；ρp為水的密度，kg／m3。

根據(jù)流量的連續(xù)性方程：

可得在泥漿和水混合后泥漿的平均流速vm：

式中：vp為水流的平均流速，m／s；Ap為水流的截面積，m2；As為泥漿的截面積，m2；Am為混合后的泥漿的截面積，m2。

3 文丘里抽漿泵的試制與工業(yè)試驗

通過對現(xiàn)場工況的分析和對各種結構參數(shù)的計算，由武漢市元博智能控制技術研究設計院完成了具體產(chǎn)品設計，由荊州市元澤石油設備有限公司完成了產(chǎn)品試制，在中石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司70210井隊進行了產(chǎn)品工業(yè)試驗，并取得圓滿成功。試驗以泥漿泵的泥漿為動力，在泥漿泵壓力為4MPa時，文丘里抽漿泵的排量就達到了500L／min的設計排量。

4 結論

通過產(chǎn)品工業(yè)試驗證明，文丘里抽漿泵能快速、有效的進行一開等工況下的井口泥漿收集，泥漿中的碎石、小鵝卵石沒有對文丘里抽漿泵產(chǎn)生破壞性損害，設備使用壽命長。設備安裝、維護方便，使用時不需額外操作，現(xiàn)場也不需要再增加其他設備，是一種抽吸含有碎石、小鵝卵石的泥漿的理想設備，極具推廣價值。

［1］趙娜 .鉆井泥漿固控系統(tǒng)的設計 ［J］.甘肅科技，2008，18（6）：15～21.

［2］李奇，寇子明 .文丘里管射流器的主要性能參數(shù)研究 ［J］.煤礦安全，2009，40（6）：5～7.

［3］周婉露，徐立軍 .垂直安裝文丘里管濕氣測量模型研究 ［J］.儀器儀表學報，2010，31（5）：1120～1125.

［4］魏同成 .噴射管與文丘里管的設計 ［J］.化工設計，1993，3（6），21～27.