鉆井液離心機(jī)存在的問題及解決措施

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)

0 引言

鉆井液固控技術(shù)是保證正常鉆井工藝技術(shù)實(shí)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。實(shí)踐證明，通過對(duì)鉆井液固相的控制來改善鉆井液性能的技術(shù)，已發(fā)展為一項(xiàng)與穩(wěn)定井內(nèi)工況和提高鉆進(jìn)速度密切相關(guān)的重要工藝措施。離心機(jī)作為鉆井液固相控制處理的關(guān)鍵設(shè)備，在地質(zhì)巖心鉆探施工過程中可有效控制鉆井液的固體含量，改善鉆井液的性能。近年來，鉆井液離心機(jī)已在汶川科學(xué)鉆探等重大工程及山東、青海、甘肅、黑龍江、河北、安徽、山西、新疆等多個(gè)地質(zhì)巖心鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，但也存在一些問題。作者針對(duì)鉆井液離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用過程中存在的問題，提出相應(yīng)的解決措施，提高鉆井液離心機(jī)的應(yīng)用效果。

1 鉆井液離心機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

鉆井液離心機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)料管、清水管、機(jī)罩、轉(zhuǎn)鼓、螺旋推進(jìn)器、差速器、主皮帶輪、副皮帶輪、主皮帶、副皮帶、電機(jī)、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)螺桿、組合皮帶輪、液力偶合器、機(jī)座、橡膠減震墊等組成，如圖1所示。

1.2 工作機(jī)理

鉆井液經(jīng)離心機(jī)進(jìn)料管、螺旋推進(jìn)器出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進(jìn)器在電機(jī)帶動(dòng)下以一定的轉(zhuǎn)速差同向高速旋轉(zhuǎn)。在離心力作用下，粒度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(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋推進(jìn)器將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下，并將其推至轉(zhuǎn)鼓錐端，經(jīng)排渣口排出；粒度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(shí)現(xiàn)鉆井液的固液分離。

圖1 鉆井液離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問題

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、設(shè)備售后服務(wù)以及客戶跟蹤回訪等，鉆井液離心機(jī)在地質(zhì)巖心鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)使用過程中主要存在以下問題。

2.1 排渣槽處固相堆積嚴(yán)重，排渣不暢、易堵塞

分析原因如下：①由于進(jìn)液量過大，且沒有及時(shí)清理，導(dǎo)致離心機(jī)排渣槽處固相顆粒越堆越多；②固相顆粒過于干燥，固相含量高且黏度大、流動(dòng)性差；③分離點(diǎn)設(shè)置不合理，使得固相顆粒過多；④排渣槽的角度和寬度小，導(dǎo)致排渣不順暢。

2.2 排渣槽處無固相排出

分析原因如下：①離心機(jī)超載，差速器安全離合器脫開，螺旋推進(jìn)器不旋轉(zhuǎn)；②滾筒內(nèi)液池深度低，螺旋推進(jìn)器干燥區(qū)長(zhǎng)，固相干燥，不易排出；③停機(jī)后，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沒有及時(shí)清理干凈，固相固結(jié)，導(dǎo)致螺旋內(nèi)部堵塞，固相無法排出。

例如某煤層氣頁巖氣預(yù)查鉆探現(xiàn)場(chǎng)，離心機(jī)開機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求后，停機(jī)一段時(shí)間重新啟動(dòng)時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，但無固相排出。經(jīng)排查，差速器也無故障，但無差轉(zhuǎn)速；經(jīng)分析，有可能是內(nèi)部固相固結(jié)，螺旋與轉(zhuǎn)鼓抱死，導(dǎo)致兩者同步旋轉(zhuǎn)無差轉(zhuǎn)速。經(jīng)過拆開，發(fā)現(xiàn)確實(shí)是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部堆滿固相，且固相較干燥且已固結(jié)，需用力后才能清除干凈，由此導(dǎo)致排渣槽處無固相排出。

2.3 離心機(jī)振動(dòng)異常

2.3.1 離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡

我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)平衡精度等級(jí)為G6.3級(jí)。振動(dòng)與制造質(zhì)量有關(guān)，關(guān)鍵是離心機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡偏差大。以TGLW350型離心機(jī)為例，如果轉(zhuǎn)鼓上某點(diǎn)的質(zhì)量偏差為5 g，轉(zhuǎn)速為1800 r/min，轉(zhuǎn)鼓直徑350 mm，則偏心力為F=31 N?？梢?，轉(zhuǎn)子上某點(diǎn)很小的質(zhì)量偏差，就會(huì)產(chǎn)生很大的偏心力，引起整機(jī)振動(dòng)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)[1-4]，這個(gè)偏心力正是產(chǎn)生振動(dòng)的最根本原因。

2.3.2 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)清洗不干凈

如果轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部未清洗干凈，其內(nèi)部的固相就會(huì)在停機(jī)時(shí)慢慢沉積，并有可能固結(jié)在轉(zhuǎn)鼓一側(cè)，再次開機(jī)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生偏心力，引起整機(jī)振動(dòng)。

2.3.3 螺旋推進(jìn)器物料分布不均勻

如果鉆井液黏度過大，流動(dòng)性差，或者進(jìn)料量過大，固相不能及時(shí)排出，固相會(huì)沿著螺旋推進(jìn)器螺旋線堆積，產(chǎn)生一定的偏心力，引起整機(jī)振動(dòng)。

2.3.4 軸承磨損嚴(yán)重

由于螺旋推進(jìn)器推料過程中受離心力和軸向推力的雙向作用，軸承易磨損，使軸承間隙增大，導(dǎo)致徑向自由度加大，即使是很小的激振力，也會(huì)引起整機(jī)振動(dòng)。

2.3.5 螺旋葉片磨損

螺旋葉片推送固相，磨損嚴(yán)重。螺旋葉片上各點(diǎn)的磨損程度也不同，特別是螺旋內(nèi)部出料口和大錐角段螺旋的磨損尤為嚴(yán)重，不均勻的磨損造成了各個(gè)部位的質(zhì)量偏差，引起整機(jī)振動(dòng)加大。

2.3.6 減振墊失效

TGLW350型離心機(jī)在帶負(fù)載平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間后，上下機(jī)架振動(dòng)嚴(yán)重，經(jīng)排查分析是離心機(jī)減振墊過早失效，導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)。TGLW350型離心機(jī)上下機(jī)架之間安裝有6個(gè)JGF1-7型減振墊積極隔振，該減振墊主要由內(nèi)置剪切鋼板、固定件和橡膠體粘結(jié)而成。經(jīng)查JGF型橡膠減振墊技術(shù)數(shù)據(jù)，得到JGF1-7減振墊在積極隔振的情況下，每只減振墊軸向額定載荷為800 N，并且部分批次橡膠材質(zhì)差。TGLW350型離心機(jī)上機(jī)架以上重量約為5000 N，則每只減振墊的實(shí)際靜載荷約為830 N，而離心機(jī)運(yùn)行過程中，其動(dòng)載荷是靜載荷的1.5倍，即每只承受的動(dòng)載荷約為1250 N，該載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定載荷，橡膠材質(zhì)差，減振墊很容易損壞。

3 解決措施

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)離心機(jī)存在的上述問題，提出以下解決措施，主要從設(shè)計(jì)層面和操作層面兩方面提供保障。

3.1 排渣槽處固相堆積嚴(yán)重

解決措施如下：①通過調(diào)整供液泵或者打開進(jìn)漿管的閥門，適當(dāng)調(diào)節(jié)開啟度，給排砂槽處供少許的泥漿，便于固相順利排出到鉆井液廢液池中，也可以直接給排砂槽供少許清水，直至順利排出固相；②調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓與螺旋推進(jìn)器間的差轉(zhuǎn)速，改變螺旋推進(jìn)器的推料速度，提高固相成分含液率，采用變頻控制系統(tǒng)可針對(duì)不同需求無級(jí)調(diào)節(jié)；③重新調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，改變分離因素，使分離點(diǎn)合理，并及時(shí)清理排渣槽附近的固體顆粒；④加大排渣槽的傾斜角度，使其傾斜角度不小于60°，同時(shí)加寬排渣槽，利于排渣。

3.2 排渣槽處無固相排出

解決措施如下：①停機(jī)清洗滾筒內(nèi)腔，并將安全離合器復(fù)位，減少進(jìn)液量；②停機(jī)，調(diào)節(jié)溢流擋板，以增加滾筒內(nèi)液池深度；③停機(jī)時(shí)及時(shí)清理內(nèi)部，同時(shí)每個(gè)班次記錄清洗記錄。

根據(jù)多次清洗記錄，對(duì)比清洗時(shí)間、溫度、清洗液的濃度、清洗頻率，總結(jié)出一套比較合理的清洗工藝。經(jīng)過各個(gè)班次的運(yùn)行改進(jìn)，解決了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)清洗不干凈的問題。

3.3 離心機(jī)振動(dòng)異常

3.3.1 進(jìn)行動(dòng)平衡檢驗(yàn)

參閱國(guó)外校驗(yàn)動(dòng)平衡的經(jīng)驗(yàn)，制定一套動(dòng)平衡校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。主要方法是：先對(duì)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，之后對(duì)推料螺旋進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，再將轉(zhuǎn)鼓和內(nèi)螺旋組裝起來后，做一次總體的動(dòng)平衡校驗(yàn)，最后使用動(dòng)平衡儀對(duì)整機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法用來解決動(dòng)平衡偏差，有效地減少整機(jī)振動(dòng)。

3.3.2 制定清洗工藝

設(shè)備清洗后對(duì)離心機(jī)內(nèi)腔出渣口進(jìn)行再次檢查，發(fā)現(xiàn)每次總有一些殘留的物料粘附在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁上，根據(jù)多次清洗記錄和檢查結(jié)果，制定比較合理的清洗工藝，每個(gè)班次按照清洗工藝進(jìn)行清洗，解決轉(zhuǎn)鼓內(nèi)清洗不干凈的問題。

3.3.3 制定操作方法

通過試驗(yàn)找出一套合適的工藝參數(shù)，寫入操作程序并進(jìn)行培訓(xùn)，各個(gè)班次按照統(tǒng)一的操作方法操作，避免工藝偏差造成的離心機(jī)振動(dòng)。同時(shí)為了防止內(nèi)腔螺旋的進(jìn)料室集料清洗不干凈，在進(jìn)料管清水閥接工藝水，用于稀釋物料和清洗設(shè)備內(nèi)部，在正常運(yùn)行過程中定時(shí)對(duì)內(nèi)腔沖洗，使進(jìn)入螺旋推進(jìn)器的物料及時(shí)排出，防止長(zhǎng)時(shí)間堆積物料變性結(jié)塊，難以清洗干凈。

3.3.4 定期更換離心機(jī)的軸承和密封

避免因軸承過度磨損引起整機(jī)振動(dòng)，同時(shí)也避免因密封磨損造成的軸承內(nèi)進(jìn)水，加速軸承的磨損和油封損壞，消除因?yàn)檩S承磨損和油封損壞引起離心機(jī)振動(dòng)的因素。

3.3.5 提高部件耐磨損性能

螺旋推進(jìn)器葉片采用特殊防磨措施，如堆焊耐磨焊條、激光噴涂、硬質(zhì)合金粉保護(hù)層或鑲嵌高強(qiáng)度抗磨合金碳化鎢片或鑲嵌耐磨陶瓷等，降低物料對(duì)葉片磨損；同時(shí)在物料出口處堆焊碳化鎢硬質(zhì)合金，避免不均勻的磨損造成各個(gè)部位的質(zhì)量偏差，引起整機(jī)振動(dòng)。

3.3.6 改進(jìn)減振性能

優(yōu)選LW60型減振墊，LW60型減振墊使用上下固定孔位橡膠包裹鋼板設(shè)計(jì)，既增加接觸面摩擦力，又充分保證橡膠均勻受力，穩(wěn)定性強(qiáng)、減振效果佳，能有效承載各級(jí)載荷及變形量和多向減振。LW60型橡膠減振墊軸向最佳載荷為1300 N，滿足離心機(jī)動(dòng)載荷要求，采用天然橡膠材質(zhì)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐候性佳，使用壽命長(zhǎng)。

4 結(jié)語

針對(duì)鉆井液離心機(jī)在地質(zhì)巖心鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中存在排渣槽處固相堆積嚴(yán)重，排出不暢、易堵塞，排渣槽處無固相排出，離心機(jī)振動(dòng)異常等主要問題，作者分析了造成這些問題的原因，提出了相應(yīng)的解決措施，降低了設(shè)備的故障率，提高了鉆井液的處理效果，可有效控制鉆井液的固體含量，防止繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮，避免坍塌縮徑及卡鉆等孔內(nèi)事故，提高鉆進(jìn)效率，延長(zhǎng)泥漿泵、鉆具和鉆頭使用壽命，同時(shí)對(duì)降低鉆進(jìn)成本、減少鉆井液排放降低對(duì)環(huán)境污染等具有重大意義。

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