基于射流機(jī)理的泥漿罐清洗工藝參數(shù)研究

韋志超，李 欣，曲玉棟，龐 雷，巴勝富，童 嶺，王永強(qiáng)，魯 飛

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥 230031；3.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

油氣鉆井作業(yè)中，鉆井泥漿（鉆井液）通過泥漿泵從井底攜帶巖屑到達(dá)地面后流入泥漿罐，經(jīng)固控設(shè)備處理再返回泥漿泵循環(huán)使用，實現(xiàn)井底清洗及巖屑排出功能。泥漿罐在使用過程中會在罐底逐漸形成泥漿沉積層，并隨著使用時間的增加而不斷增加。沉積在罐底的泥漿黏度和密度逐漸增大，導(dǎo)致其失去流動性而無法自然或泵送排出，一方面嚴(yán)重影響泥漿罐容積利用率；另一方面含有腐蝕性介質(zhì)的泥漿長期附著在罐底和罐壁，會對泥漿罐形成腐蝕破壞［1］。傳統(tǒng)的鉆井泥漿罐清洗采用人工進(jìn)罐作業(yè)方式，存在安全隱患大、工作效率低的問題，亟需尋求更先進(jìn)的自動化清洗作業(yè)方式。

目前油罐射流清洗的工藝已在國內(nèi)普及，我國相關(guān)行業(yè)的專家學(xué)者也對原油儲罐清洗和成品油儲罐清洗進(jìn)行了大量的研究工作［2-11］，國產(chǎn)設(shè)備已逐步應(yīng)用并替代進(jìn)口，可以作為鉆井泥漿罐自動化清洗的主要參考。其中，巴勝富等［12］對油罐底部油泥的沉積機(jī)理、油泥沉積的影響因素及相應(yīng)的清洗對策進(jìn)行了分析與研究。魯飛等［13］從設(shè)備研發(fā)出發(fā)，對油罐機(jī)械清洗用噴槍及其控制進(jìn)行了研究。薛勝雄等［14］研究了儲罐清洗與回收技術(shù)，包括以油洗油的工藝路線，并提出了一種油泥清洗與分離一體化工藝。蘇吉鑫等［15-16］對一體化儲罐清洗設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提升清洗技術(shù)，使其朝向更高自動化方向發(fā)展。

綜上，目前的研究主要從油罐射流清洗工程應(yīng)用角度出發(fā)，缺乏從理論研究的角度，對鉆井泥漿罐的射流清洗進(jìn)行研究。考慮到鉆井泥漿罐小容積清洗特點，以及罐內(nèi)沉積油泥與油罐存在物性差別，本文從射流清洗油泥機(jī)理出發(fā)，開展射流清洗技術(shù)理論研究，研制適用于鉆井泥漿罐清洗的三維旋轉(zhuǎn)噴槍設(shè)備，采用“以油洗油”技術(shù)方案，通過分區(qū)清洗模式，實現(xiàn)泥漿罐安全、高效、自動化清洗。

1 以油洗油的泥漿罐射流清洗機(jī)理

圖1 示出一種典型的圓柱型鉆井泥漿罐。

圖1 典型泥漿罐清洗示意Fig.1 Schematic diagram of typical mud tank cleaning

鉆井泥漿罐尺寸約為 6 m×8 m，容積約為200 m3，5 年未清洗的泥漿罐平均罐底沉積油泥厚度可達(dá)0.7 m。鉆井泥漿罐中的油基鉆井泥漿主要成份為：80% vol白油、20% vol的水、20～30 kg/m3重晶石、5 kg/m3石灰、20～30 kg/m3瀝青及少量其他物質(zhì)。為了高效破碎、溶解和充分回收泥漿中的白油，改變傳統(tǒng)的水介質(zhì)清洗方式，采用同種白油作為清洗介質(zhì)，對泥漿罐實施“以油洗油”的射流清洗方式。通過安裝于泥漿罐頂部的三維旋轉(zhuǎn)噴槍，使清洗范圍覆蓋罐底和罐壁所有含油泥區(qū)域。

泥漿罐清洗工藝流程如圖2 所示，白油介質(zhì)經(jīng)泵加壓后從三維旋轉(zhuǎn)噴槍射出，對泥漿罐進(jìn)行清洗。隨后，溶解后具有流動性的泥漿被泵從泥漿罐內(nèi)抽出，經(jīng)過濾、分離后的白油作為清洗介質(zhì)被循環(huán)利用，其他雜質(zhì)由過濾器等設(shè)備排出進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2 泥漿罐清洗工藝流程Fig.2 Mud tank cleaning process

在泥漿罐內(nèi)，由于射流沖擊作用，罐內(nèi)油泥被碎裂成小塊并與射入的白油混合，油泥中的重晶石、石灰等固體物質(zhì)在油液中懸浮起來。同時，通過“以油洗油”的清洗方式，將罐內(nèi)固態(tài)油泥變成液態(tài)油流，并對油泥中的瀝青、石蠟等成份溶解稀釋，形成具有良好流動性的混合油液。此外，由于高速射流對罐內(nèi)油泥的劈裂作用，射流在更深層的沉積油泥上打開孔洞和縫隙，并沿著孔洞和縫隙深入油泥的內(nèi)部，進(jìn)一步碎裂深層油泥，最終完成泥漿罐的安全、高效、自動化清洗。

2 射流清洗研究

2.1 射流軌跡模型分析

由噴槍形成的射流屬于非淹沒射流，射流結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示，由初始段、基本段、消散段3個區(qū)域組成［17］。在射流初始段和基本段，射流比較密集，打擊力較大，是清洗作業(yè)時實際使用部分；在射流消散段，由于射流吸入大量空氣，油液本身受空氣的卷吸、摩擦，損失了大量的能量，被粉碎成很小的液滴，動能很低，為非工作區(qū)。

圖3 射流結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of jet structure

如圖4 所示，三維旋轉(zhuǎn)噴槍固定在泥漿罐罐頂，因此建立射流方向向下、忽略空氣阻力和射流破碎的射流理論軌跡方程［18］。

圖4 射流軌跡示意Fig.4 Schematic diagram of jet trajectory

考慮重力影響，理論射流軌跡方程如下：

考慮空氣阻力消耗一部分壓頭h，令h 與射流軌跡長度成正比［19］，則：

整理后即可得有空氣阻力下的射流軌跡方程：

式中，y 為射流噴射高度，m；x 為射流水平距離，m；θ0為射流角度；v0為噴嘴出口處射流速度，m/s；d為噴嘴出口直徑，mm；H 為噴嘴壓力水頭，m；λ為空氣阻力系數(shù)，λ=0.25（1-e-H/1.6d）。

2.2 噴槍及清洗模式設(shè)計

根據(jù)泥漿罐內(nèi)沉積油泥的物理性質(zhì)和清洗工藝，結(jié)合泥漿罐清洗罐容、罐型及工程經(jīng)驗，開發(fā)出流量為300～700 L/min 的系列化三維旋轉(zhuǎn)噴槍。以射流壓力p 為0.7 MPa、流量qt為500 L/min 的噴槍為例，展開射流清洗技術(shù)研究。噴槍噴嘴出口直徑［14］計算公式為：

式中，qt為射流流量，L/min；p 為射流壓力，MPa；η為噴嘴系數(shù)，取1.05［20］。

圓整后得出噴嘴出口直徑d 為18 mm。研制的鉆井泥漿罐三維旋轉(zhuǎn)噴槍如圖5 所示，包含齒輪箱、槍管、噴頭等部分，噴嘴安裝于噴頭底部。三維旋轉(zhuǎn)噴槍采用氣動旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，由齒輪箱內(nèi)氣動馬達(dá)驅(qū)動齒輪箱中的齒輪傳動系統(tǒng)，帶動槍管公轉(zhuǎn)和噴頭自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)泥漿罐內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)清洗軌跡全覆蓋。為實現(xiàn)更好的清洗效果，噴頭內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流體，白油經(jīng)過導(dǎo)流體整流后再進(jìn)行清洗作業(yè)，減少了射流的能量損失。

圖5 三維旋轉(zhuǎn)噴槍結(jié)構(gòu)Fig.5 Structural diagram of three-dimensional rotary spray gun

結(jié)合射流軌跡方程式（3）以及三維旋轉(zhuǎn)噴槍參數(shù)，繪制不同射流角度下的射流軌跡，如圖6所示。

圖6 噴槍射流軌跡Fig.6 Jet trajectory of spray gun

從圖中可以看出，射流可實現(xiàn)罐內(nèi)0～90°范圍內(nèi)的全方位清洗，且 6 m×8 m 典型泥漿罐中，各角度射流基本呈直線狀，完全滿足罐底厚油泥層和罐壁油泥清洗作業(yè)要求。

考慮到典型泥漿罐內(nèi)油泥主要沉積在罐底，因此罐底是泥漿罐內(nèi)重點清洗部位，需要噴槍針對罐底進(jìn)行反復(fù)清洗，逐層破碎、溶解罐底油泥。因此，噴槍清洗模式設(shè)計時，采用分區(qū)模式，對泥漿罐罐底和罐壁兩部分分開清洗。結(jié)合泥漿罐尺寸參數(shù)，如圖1 所示，將罐內(nèi)清洗空間分成罐底清洗區(qū)域（0°～23°）和罐壁清洗區(qū)域（21°～90°）兩部分，待罐底區(qū)域清洗干凈后，再開展罐壁清洗作業(yè)。其中，兩個區(qū)域交界位置沉積物較多且與噴槍距離最遠(yuǎn)，為防止產(chǎn)生射流死角，設(shè)置有2°的重疊區(qū)域，達(dá)到最佳清洗效果。射流作業(yè)時，通過撥動齒輪箱上的分區(qū)模式開關(guān)，快捷切換清洗模式，實現(xiàn)罐底和罐壁的高效清洗。

2.3 射流打擊力計算

由于射流介質(zhì)為鉆井泥漿專用工業(yè)白油，其密度為838.3 kg/m3，則在射流初始段內(nèi)射流打擊力的公式［17］為：

式中，F(xiàn) 為射流沖擊力，N。

由于槍管公轉(zhuǎn)和噴頭自轉(zhuǎn)速度緩慢，相對于高速射流可以忽略不計，因此數(shù)值模擬時忽略槍管和噴頭旋轉(zhuǎn)對射流的影響。考慮到噴槍射流的軸對稱性，建立以射流中心線為旋轉(zhuǎn)軸的噴槍及其外流場模型。模型示意如圖7 所示，其中噴槍出口直徑為18 mm。由于噴槍從罐頂伸入罐內(nèi)，因此泥漿罐內(nèi)最大清洗靶距為8 m，即外流場靶距8 m?？紤]射流為非穩(wěn)態(tài)高湍流運動［21-24］，數(shù)值模擬設(shè)置中，兩相流模型選擇Mixture 模型，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，噴嘴入口壓力設(shè)置為0.7 MPa，出口壓力設(shè)置為大氣壓，射流軸線設(shè)置為axis。

圖7 噴槍及其外流場模型示意Fig.7 Schematic diagram of spray gun and its external flow field model

圖8 示出噴槍射流速度分布云圖，從圖中可以看出，在8 m 的射流靶距內(nèi)，整個外流場射流形態(tài)良好，外流場中射流結(jié)構(gòu)處于初始段和基本段區(qū)域，尚未出現(xiàn)消散段區(qū)域。隨著射流靶距的增加，射流寬度不斷增大，但總體而言，外流場中射流的集束性較好，滿足鉆井泥漿罐清洗作業(yè)所需射流特征。

圖8 速度云圖Fig.8 Velocity nephogram

圖9 示出不同靶距下射流軸線動壓及有效流量分布。其中，有效流量為不同靶距位置處射流外邊界層內(nèi)的射流流量。從圖中可以看出，在噴槍射流過程中，隨著靶距增大，射流動壓不斷下降。噴嘴出口0.5 m 靶距范圍內(nèi)，由于射流離開噴嘴發(fā)生紊動擴(kuò)散，加上外流場中空氣的卷吸，導(dǎo)致射流動壓從0.67 MPa 迅速下降到0.65 MPa；0.5 m靶距后外流場射流動壓下降平穩(wěn)，從0.65 MPa 緩慢下降到0.64 MPa。同時，針對半徑為3 m 的典型鉆井泥漿罐，有效流量隨靶距增大也不斷下降，從最小清洗靶距3 m 處的475 L/min 下降到最大清洗靶距8 m 處的390 L/min，射流逐漸發(fā)散。

圖9 不同靶距下射流軸線動壓及有效流量分布Fig.9 Dynamic pressure and effective flow distribution along axial line at different target distances

為使射流對油泥形成有效的沖擊，作業(yè)時必須保證射流靶距處于有效射程內(nèi)，使得射流沖擊到罐底及罐壁處的油泥時，仍保持有足夠的射流打擊力，用以破碎罐內(nèi)油泥并對其進(jìn)行攪拌和溶解。通過數(shù)值模擬結(jié)合式（5），得出噴槍出口處、最小清洗靶距3 m 處和最大清洗靶距8 m 處的射流打擊力分別為286，260，213 N，射流打擊力最大下降約25%。根據(jù)清洗工程經(jīng)驗，通常200 N以上射流打擊力能夠?qū)崿F(xiàn)沉積油泥的破碎［12］，因此所研制噴槍及其參數(shù)選擇完全滿足泥漿罐清洗作業(yè)要求。

圖10 示出不同靶距處徑向射流打擊力的分布，當(dāng)射流靶距分別為7，8 m 時，射流打擊力分別為221，213 N，此時射流打擊力超過200 N 的徑向距離寬度分別約為0.040，0.036 m，能夠?qū)崿F(xiàn)沉積油泥的破碎；當(dāng)靶距為9 m 時，最大射流打擊力僅為200.6 N，且射流打擊力超過200 N 的徑向距離寬度僅約為0.012 m，射流有效作用面積過小，難以實現(xiàn)泥漿罐的有效清洗。因此，針對最大清洗靶距為8 m 的泥漿罐清洗，目前噴槍的尺寸及設(shè)計參數(shù)是較優(yōu)的，能夠在避免射流能量浪費的同時，實現(xiàn)泥漿罐的有效清洗。

圖10 不同靶距下徑向射流打擊力分布Fig.10 Radial jet impact force distribution at different target distances

3 射流清洗工程應(yīng)用

已在惠州某泥漿站開展了三維旋轉(zhuǎn)噴槍射流設(shè)備鉆井泥漿罐清洗作業(yè)，如圖11 所示。清洗作業(yè)時，以白油為清洗介質(zhì)，射流全面覆蓋罐內(nèi)壁，清洗無死角。噴槍出口處射流壓力為0.65 MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果0.67 MPa 相吻合，誤差主要是由噴槍內(nèi)局部阻力損失造成的，該誤差在允許范圍內(nèi)，同時罐內(nèi)射流形態(tài)良好，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖11 三維旋轉(zhuǎn)噴槍射流清洗工程應(yīng)用Fig.11 Application of three-dimensional rotary spray gun in jet cleaning engineering

通過4 h 罐底清洗和2 h 罐壁清洗，有效完成6 m×8 m 典型泥漿罐的清洗，相較于傳統(tǒng)人工進(jìn)罐清洗所需的約9 天時間，在提升了作業(yè)安全性的同時，大大提高了清洗作業(yè)效率。此外，射流清洗可清洗出約13 m3罐內(nèi)油泥，且能有效回收其中約54%的輕相物質(zhì)用于配制新漿，相較于傳統(tǒng)人工清洗，實現(xiàn)了廢棄物減量化處理。

該泥漿站內(nèi)待洗泥漿罐共有20 臺，預(yù)計可清理出超1 臺泥漿罐容積的油泥沉積物，不僅增大泥漿站庫容，也提升泥漿站生產(chǎn)調(diào)度能力，帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）油基鉆井泥漿的主要成份為白油，三維旋轉(zhuǎn)噴槍以同種介質(zhì)白油作為射流清洗介質(zhì)，通過“以油洗油”方式對罐內(nèi)沉積油泥進(jìn)行射流沖擊清理。高速射流在沉積油泥上打開孔洞和縫隙，并沿著孔洞和縫隙深入油泥的內(nèi)部，對罐底和罐壁的油泥進(jìn)行破碎、溶解，完成清洗并回收泥漿中的白油。

（2）研制的三維旋轉(zhuǎn)噴槍可實現(xiàn)罐內(nèi)全方位清洗，罐內(nèi)各角度射流軌跡基本呈直線狀態(tài)，且具有罐底清洗（0°～23°）和罐壁清洗（21°～90°）共2 種清洗模式，提高了清洗效率及效果，實現(xiàn)泥漿罐安全、高效、自動化清洗。

（3）在射流有效射程內(nèi)沖擊油泥才能達(dá)到良好的清洗效果，射流壓力0.7 MPa、流量500 L/min、噴嘴出口直徑18 mm 時，外流場射流形態(tài)良好，最大靶距8 m 下，噴槍的射流打擊力可達(dá)213 N，完全滿足鉆井泥漿罐清洗作業(yè)要求。低壓大流量射流技術(shù)成功應(yīng)用于鉆井泥漿罐的自動化清洗，三維旋轉(zhuǎn)噴槍射流清洗技術(shù)在國內(nèi)各大油田及海上鉆井平臺的應(yīng)用前景廣闊。