露天礦鉆井循環(huán)過濾裝置設計

孫忠志，馬麗麗

（遼寧瀚石機械制造有限公司 遼寧 阜新 123000）

老式鉆井循環(huán)過濾裝置普遍存在鉆井液過濾不徹底、鉆進效率低下、費時費力、存在安全隱患等問題?；诂F(xiàn)階段露天礦鉆井循環(huán)過濾裝置存在的自動化程度低、過濾效果不佳、鉆井事故率高及設備移動困難等問題；通過現(xiàn)場調研、工藝過程分析及科學計算等手段，重新設計了此裝置；設計的循環(huán)過濾裝置采用全自動循環(huán)控制，通過振動篩沙機中的雙層濾網(wǎng)、旋流器的多級過濾[1]以及配料計算器的科學配比等功能，不但提高了鉆進效率，還大幅降低了施工人員的勞動強度，減少了人為操作可能帶來的失誤。

1 循環(huán)過濾裝置作用

在鉆井作業(yè)時，一般都采用濕式排渣的方式對土壤巖層進行旋轉切削。鉆進過程中可利用循環(huán)過濾裝置對鉆井液[2]進行過濾除渣，過濾干凈的鉆井液會被循環(huán)裝置以一定的流量和壓力注入鉆機，再由鉆機流入鉆桿，最后通過鉆頭噴嘴進入井底，具有一定黏度和密度的鉆井液會將井底的鉆屑懸浮輸送至地面，再通過本裝置的過濾后再次注入井中。即以閉環(huán)循環(huán)的方法將孔內(nèi)渣土、巖屑排至地表，最終鉆進成井。如果說鉆井液是整個鉆井循環(huán)系統(tǒng)的“血液”，那么循環(huán)過濾裝置就相當于整個系統(tǒng)的“心臟”。

2 老式循環(huán)過濾裝置的弊端

2.1 地坑式循環(huán)過濾裝置

現(xiàn)在比較普遍采用的循環(huán)裝置是在井內(nèi)鉆井液出漿管附近挖2 個地坑，地坑頂部利用溝渠相連，溝渠處放置1 個濾網(wǎng)，當出漿管下方的地坑1 被井內(nèi)流出的鉆井液填滿后，較大的顆粒和巖屑會沉淀到坑底，上層含渣量較少的可利用鉆井液會通過溝渠處的濾網(wǎng)流入地坑2，大的顆粒會沉至坑底，然后利用泥漿泵將地坑2 中靠近頂部位置的鉆井液抽回井中進行循環(huán)。

這種工藝簡單易行，但弊端也很多，如：

1）鉆井液過濾及沉淀不夠充分，含渣、屑較多，井內(nèi)排出的含渣液體沒有被完全過濾干凈就被抽回井中進行循環(huán)，降低鉆進效率的同時還容易堵塞鉆頭噴嘴。

2）在調配鉆井液時，由于操作人員在地面無法對坑中液體進行攪拌，需要在地面用容器將配料進行調配后慢慢傾倒至坑中，致使配料在鉆井液中不均勻分布的同時也嚴重降低了鉆進效率。

3）當?shù)乜? 沉淀積累了過多巖粉及顆粒時，工人需要下到坑底進行清理，費時費力還極不安全。

4）當施工結束后準備到下一個工位進行鉆進時，需要在新的工位重新挖地坑。

5）由于地坑上面無任何遮蓋，經(jīng)常會有雜物掉落坑中，然后雜物又被泥漿泵吸入井中，損壞泥漿泵拉桿處密封的同時還會造成鉆頭噴嘴被堵。

6）排出的巖粉、鉆屑等無法定點搬運及堆積，現(xiàn)場經(jīng)常是滿地淤泥，污染環(huán)境的同時又造成了跌落、摔倒等安全隱患。

2.1 滾筒篩子循環(huán)過濾裝置

另外一種比較普遍采用的裝置是利用滾筒篩子進行循環(huán)過濾，即井中的鉆井液先流入箱中，之后通過倒?jié){泵將箱中的鉆井液抽入滾筒篩子高點，滾筒進行旋轉過濾，鉆屑和大顆粒物直接在滾筒篩子低點被濾出，可利用鉆井液會被篩網(wǎng)過濾后流入下方的存儲箱中。

過濾后的鉆井液再通過泥漿泵導入鉆機，進而進入井中進行閉環(huán)循環(huán)。這種工藝的弊端也很多，如：

1）當進行下一個工位的鉆進時，設備很難移動至指定地點。

2）由于是單層過濾，較細顆粒無法被過濾出，結果又被抽入井內(nèi)進行循環(huán)，降低鉆進效率的同時還容易堵鉆頭。

3）鉆井液中的細小顆粒極易流入滾筒旋轉軸的軸承內(nèi)，造成設備損壞。

4）當?shù)刭|結構發(fā)生變化需要對泥漿密度和黏度進行調配時，沒有空間和設備對泥漿進行快速攪拌。

3 循環(huán)過濾裝置的結構及工作原理

3.1 循環(huán)過濾裝置結構

循環(huán)裝置主要由履帶式可移動平臺[3]、設備控制面板（內(nèi)含配料計算器）、配電柜、震動篩沙機、倒泵A、倒?jié){泵B、井內(nèi)含渣鉆井液存儲箱、待除渣鉆井液存儲箱、井內(nèi)鉆井液出漿管、泥漿泵A、泥漿泵B、閥門A、閥門B、可利用鉆井液暫存箱、可利用鉆井液存儲箱、鉆井液攪拌機、井內(nèi)循環(huán)用鉆井液進漿管組成。裝置結構圖如圖1。

圖1 裝置結構圖

3.2 循環(huán)過濾裝置工作原理

1）利用履帶平臺將循環(huán)過濾裝置移動至鉆機附近合適位置，連接井口護井管和井內(nèi)鉆井液出漿管。

2）孔內(nèi)鉆井液將通過井內(nèi)鉆井液出漿管流入井內(nèi)含渣鉆井液存儲箱進行存儲和沉淀。

3）通過倒?jié){泵A 將井內(nèi)含渣鉆井液存儲箱中的液體抽入篩沙機底層的粗篩網(wǎng)進行粗濾，粗慮網(wǎng)會將較大的鉆屑排至出渣口，粗濾后的鉆井液將流入待除渣鉆井液存儲箱。

4）倒?jié){泵B 會將待除渣鉆井液存儲箱中的液體同時抽至2 臺旋流器中，旋流器一端會將含渣鉆井液排入上層細篩網(wǎng)進行精濾，精濾后的鉆井液會流入待除渣鉆井液存儲箱，與粗濾后的鉆井液混合后再被抽入旋流器進行過濾，精濾出的細小的顆粒也會被輸送至出渣口。旋流器另一端排出的可利用鉆井液會直接流入可利用鉆井液暫存箱中。

5）可利用鉆井液暫存箱中的液體會在高處直接流入低處的可利用鉆井液存儲箱中。根據(jù)施工時對鉆井液流量的需求，通過開啟/關閉閥門A 和B，便可以實現(xiàn)通過任意一臺泥漿泵單獨運行或兩臺泥漿泵同時運行，實現(xiàn)將可利用鉆井液打入井內(nèi)進行循環(huán)的目的，從而實現(xiàn)鉆井液從井中到地面，通過過濾除渣后再回到井中的全自動閉環(huán)循環(huán)。

4 循環(huán)過濾裝置的特點

4.1 自動化程度高及裝置移動快速

裝置的循環(huán)過濾過程完全實現(xiàn)了自動化控制，正常施工時唯一的體力勞動就是施工人員要到震動篩沙機出渣口處將井內(nèi)排出的巖屑通過小車運輸至指定地點即可，提高了工作效率又極大地降低了勞動強度。同時，定點取渣、存渣的方式也改善了施工現(xiàn)場的環(huán)境。

所有參與循環(huán)的設備和管路都集成安裝在履帶式可移動平臺上，施工人員只需要簡單的操作就可以將本裝置快速地跟隨鉆機到指定位置配合鉆進，極大地提高了施工轉場效率。

4.2 鉆進效率顯著提升

由于現(xiàn)階段鉆井用鉆頭大多以金剛石鉆頭為主，鉆頭主要由金剛石顆粒、噴嘴、胎體以及鉆頭體組成，鉆井液必須經(jīng)過噴嘴才能進入到井內(nèi)進行循環(huán)，而噴嘴的直徑往往都很小，如果鉆井液沒有過濾干凈，里面一旦含有大的巖屑就容易堵塞噴嘴，導致泥漿循環(huán)流量不足，進而造成鉆進速度大大降低。特別是在較深的深度時，一旦個別噴嘴被堵，井底的巖屑和泥沙因流量不足沒有被及時排出而沉積下來，就會導致其他噴嘴也被堵住，最終導致無法鉆進，只能將井內(nèi)的鉆桿全部拔出后清理鉆頭，再將所有鉆桿連接下井，費時費力的同時，在鉆桿下井過程中，淤泥極有可能對鉆頭造成二次堵塞，導致泥漿無法循環(huán)，甚至會出現(xiàn)多次拔鉆桿和下鉆桿的情況，嚴重影響工期。

循環(huán)裝置中的震動篩沙機采用粗、細雙濾網(wǎng)過濾的同時[4]，還利用了旋流器離心沉降的原理進行固液分離，達到對鉆井液進行多級精細過濾的目的，進而極大地提升了鉆進效率，降低了事故率。根據(jù)施工經(jīng)驗，本裝置中的震動篩沙機的粗慮網(wǎng)采用60 目（250 μm），細篩網(wǎng)采用120 目（120 μm）時，過濾效果最佳。

4.3 鉆井液配比更加準確和迅速

衡量鉆井液能否滿足鉆進需要的2 個重要指標就是密度和黏度，那么像膨潤土、工業(yè)堿等的添加劑的用量是否精準就顯得尤為重要[5]。

鉆井液的密度和黏度也要根據(jù)巖層和深度的不同進行實時的調配，如果鉆井液的密度和黏度太低，可能會出現(xiàn)難以將井底鉆屑懸浮帶出的情況，或是出現(xiàn)難以穩(wěn)固井壁造成孔內(nèi)塌陷的現(xiàn)象；如果鉆井液密度和黏度太高，黏稠的液體又會把鉆頭糊死，造成外堵[6]。所以，優(yōu)質的鉆井液能夠提高鉆井效率，平衡井壁巖石徑向壓力，保護和穩(wěn)固井壁，防止坍塌[7]，還能極大地降低鉆井事故率。

本循環(huán)過濾裝置中帶有配料自動計算及自動攪拌功能，施工人員可以在計算器中輸入原鉆井液體積和密度以及欲達密度和黏度等參數(shù)后，即可直接計算出加重劑、淡水和工業(yè)堿等的用量[8]，施工人員只需按計算的用量將配料直接倒入可利用鉆井液存儲箱中利用攪拌機攪拌均勻即可，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的不間斷鉆進。

4.4 減少環(huán)境污染及安全隱患

因老式循環(huán)過濾裝置沒有固定的出渣口，沒有自動攪拌功能且移動困難，經(jīng)常會造成現(xiàn)場泥濘不堪，發(fā)生滑倒事故，地坑也是極大的安全隱患。

改進的循環(huán)裝置配有固定的出渣口和配料攪拌箱，可以實現(xiàn)渣土、巖屑及配料定點存放，且沒有鉆井液溢出造成地面污染的情況，消除了跌落、滑倒等事故的同時也改善了施工現(xiàn)場的環(huán)境。

5 測試及應用效果

1）循環(huán)過濾裝置的自動化程度較高，消除了以往繁重的體力勞動，并且由以往的1 臺鉆機配置1個撈泥工，變?yōu)楝F(xiàn)在的2 臺鉆機配置1 個撈泥工便可以滿足生產(chǎn)需要，降低施工人員勞動強度的同時，鉆進效率較以往也提升了30%左右。

2）洗井液過濾充分，循環(huán)流量充足，循環(huán)壓力適中，完全滿足鉆進工藝要求，鉆頭被堵幾率較以往降低50%左右。

3）通過循環(huán)裝置的洗井液配比計算及配料自動攪拌功能，實現(xiàn)了可隨時調節(jié)洗井液密度和黏度以滿足各個巖層的鉆進要求的目的，起到了及時排屑，穩(wěn)固井壁的作用，減少了人為操作的失誤。

4）履帶式平臺移動快速便捷，且轉向移位精準，大大提高了施工轉場效率。

5）循環(huán)裝置配備有出渣口和配料攪拌箱，實現(xiàn)了定點取渣和定點堆放的目的，現(xiàn)場環(huán)境得到極大改善的同時也降低了安全事故發(fā)生的幾率。

6 結語

露天礦鉆井循環(huán)過濾裝置實現(xiàn)了鉆井液全自動循環(huán)控制、多級精細過濾以及添加劑科學配比等功能，不但解決了鉆井液的過濾不充分和添加劑配比不準確2 大難題，更是 在提高鉆進效率、降低勞動強度及保護現(xiàn)場環(huán)境等方面明顯優(yōu)于老式循環(huán)裝置，大幅度提高了鉆進效率。