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1、一种强制除砂装置结构设计黄俭波，艾志久，刘晓明 （西南石油大学机电工程学院，成都 610500）摘要：针对旋流器在分离高浓度、高粘度钻井液时底流口经常发生堵塞和漏浆问题，本文通过优选旋流器，增添除砂装置,设计出一种强制除砂装置。旋流器底流口装有排砂探头，尾部有水筒、扭矩计结构，能有效减少旋流器在工作时底流口发生的堵塞和漏浆现象，为旋流器及分离系统的正常工作提供有力的技术保障,有一定实用价值。关键词：旋流器；除砂；结构；设计Structure Design of a New Type of compulsory desanding device Abstract: According to th
2、e problems that the underflow outlet of the cyclone was always plugged or leaking when separating the high concentration and high viscous medium，this article show you a new design of compulsory desanding device through optimal selecting of cyclone and adding a desanding device. The desanding probe o
3、n the underflow outlet of the cyclone and the water tunnel and the torquemeter structure at the rear part can guarantee the underflow outlet of the cyclone will not be blocked or leaking effectively during separating process, and provide powerful technical support for the cyclone and separation syst
4、ems normal work. It has practical value. Key word: Cyclone; desanding; Structure; Design引言目前用在油田钻井分离系统中的旋流器，其底流口没有排砂装置，用这样的旋流器分离高浓度和高粘度钻井液时，其底流口经常发生堵塞和漏浆现象。在旋流器工作一段时间后，底流口要么被分离的固相颗粒堵塞，要么液相钻井液伴随固相颗粒从底流口排出而损失掉高成本的钻井液，这不但造成钻井液的浪费，还影响了旋流器的分离效率。日本Sakanoto等人1,2提出一种用在处理城市废水的内部增加卸料螺旋的水里旋流器，这种旋流器可使底流口恒定保持无堵塞
5、状态，但没有考虑其漏液现象。为克服旋流器在分离高浓度、高粘度钻井液所存在的不足，本文提出一种带旋流器的强制除砂装置，该除砂装置不仅能有效保证旋流器分离效率，还可减少旋流器底流口的堵塞和漏浆现象，让旋流器在固-液分离方面的优越性能充分显示出来。1.结构设计强制除砂装置主要由旋流器（10、11、12）和除砂装置（2、3、4、5、15、17）两大部分组成。整个装置安装在大架体13上面；调速电机、扭矩计、水筒安装在小架体16上面；排砂杆14穿过水筒5通过联轴器4与扭矩计17相联结；扭矩计17通过联轴器与调速电机2联结。旋流器和小架体焊接在大架体上，排砂杆探头与排砂杆15通过焊接方式连接，扭矩计与电机通
6、过PLC编程控制器联接。整个装置竖直安装，保证旋流器底流口与排砂杆的同轴度要求和排砂杆的刚度要求，排砂杆探头不得与旋流器锥体壁接触，以免在探头旋转排砂时刮伤旋流器锥体壁面。1.调节板；2.调速电机；3.4.联轴器1；5.水筒；6.垫片；7.端盖；8.螺钉；9.端盖；10.旋流器锥段；11.旋流器筒体；12.螺栓；13.大架体；14.排砂杆；15.螺钉；16.小架体；17.扭矩计；18.19.螺钉图1.新型除砂装置总装图2.工作原理具有一定压力和初速度的高浓度、高粘度的钻井液从旋流器入口进入旋流器，经过旋流器的离心分离，低密度液相从旋流器溢流口排出，高密度固相颗粒积聚在旋流器底流口，由排砂杆上的
7、探头旋转将其排出。随着入口进入的混合物介质密度、浓度和粘度的不同，旋流器底流口积聚的固相颗粒多少也不同，底流口既可发生堵塞也可能发生漏浆，扭矩计用来测量排杆受到的扭矩，并把测量结果反馈给调速电机，调速电机又控制排砂杆的转速大小，通过对排砂杆转速的调节，减少了旋流器底流口的堵塞和漏浆现象，保证了旋流器的正常分离。3旋流器结构设计3.1主直径本文旋流器设计参数：流量=0.03m3/s,钻井液密度=1.56103kg/m3,固相颗粒密度2.20103kg/m3，液相粘度=0.003pa/s，压力降=300Kpa,进料固相体积浓度C=20%.由最大切线速度轨迹法的生产能力和分离粒度可知 3 ，主直径通
8、常影响其生产能力和分离粒度.一般说来，生产能力和分离粒度随其直径的增大而增大.选用比例放大因数4Kp=316,np=0.134,则旋流器主直径D为： （1）式中：为压力降（P） 为旋流器主直径(mm) 为旋流器生产能力m3/h 为钻井液与颗粒混合液密度(kg/cm3) 混合液粘度(pa/s) 、为所选Riatema最佳分离比例放大参数 （2）代入下表1中已知要分离混合物参数：由（1）(2)求解可得：D=257.3mm.圆整得260mm.3.2开口与溢流管插入深度旋流器的开口包括入口、底流口和溢流口.加大入口直径将增加旋流器的生产能力和分离粒度,并能减小磨损.由文献5取di= 60mm.为缓解流
9、场分布的轴向不对称性,降低旋流器运转所需的入口压力,采用双入口形式.此外,入口截面形状还决定入口液流在进入旋流腔后的动量矩分布6.采用长宽比为12.76.07的长方形截面型入口形式. （2）根据入口速度相等的原则,入口当量直径为60.00 mm时,由（2）得入口长宽比为5525.当进口压力不变时,增加溢流口直径Do将增大分离粒度.溢流口直径应稍大于入口直径,取do=85mm.旋流器的底流口出液量小于溢流口出液量,底流口直径应小于溢流口直径,取di=26mm.设置溢流管可在一定程度上减少短路流,使一部分细颗粒在通过溢流管底部时较容易进入溢流中，推荐溢流管插入长度h=(0.5-0.8)D,取h=2
10、00mm.3.3筒体高度与锥角筒体高度主要影响其分离粒度和分离效率8，另还起稳流作用，选H=300mm. 旋流器锥角既影响其生产能力和分离粒度，也影响其分离效率。对于脱泥作业，选取=200结构设计所确定旋流器各参数为主直径260，入口长宽5525，溢流口直径84，底流口直径26，溢流管插入深度300，单位为毫米，锥角2004排砂杆及探头设计探头是强制除砂装置的核心零件，它的设计是否合理关系到排砂效果的好坏，设计模型如图2(a)所示，探头共有三条斜槽，每条槽里有两个水孔，用来稀释和冲刷积聚在槽里的固相颗粒，又探头由于长时间受固体颗粒的冲刷、磨损，为保证经久耐用，应选择硬度高、耐磨材料制成。 （a
11、)探头三维模型 （b）排砂杆结构图图2排砂杆设计如图2(b).在杆上设置一高长2.5X100mm的台阶，其目的一：因水孔而削弱了轴的强度，增加轴直径有利于保证轴强度要求；二:排砂杆在该处与水长时间接触，增加直径使其避免轴腐蚀而被削弱；三：排砂杆排砂时会产生向着旋流器溢流口的轴向力，设置台阶能保证轴的定位。台阶的两端分别为小架体支座，左端与探头焊接为一体，右边用平键通过联轴器与扭矩计联结。5水筒结构设计 水筒主要作用是将水打入中空的排砂杆，结构设计如图4，水通过入口进入水筒，在排砂杆旋转的同时，水筒内的水在一定压力作用下也将进入排砂杆到达排砂杆探头并将水喷出，从而达到稀释和冲刷排砂杆沟槽的目的，
12、由于排砂杆穿过水筒，应保证水筒的密封性，让漏水尽可能少，另排砂杆的转速不大，所以用此种方法使水进入水筒可行，并有结构简单，成本低廉的作用。1.排砂杆水孔入口；2.水筒入水口；3.内腔；4.端盖；5.密封圈；6排砂杆.图4.水筒结构6运转参数选择6.1旋流器运转参数根据上述旋流器的设计，操作参数选择如下为最佳，=0.3KP， =20m/s， 20%。6.2排砂杆转速确定转速的选取的是使排砂装置保持高效运行的重要参数，既要保证转速不能过大，以免将内旋流的泥浆液体排出，又要保证转速不能过慢，以至进入旋流器的固相颗粒由于排砂杆的转速过慢而不能及时排出，从而导致沉砂口砂粒越积越多，影响旋流器正常工作。图
13、a 图b 式中：q.为单位时间进入旋流腔的矿浆(g/mm3) di.为入口当量直径(mm) Q.为单位时间进入旋流器的固相颗粒（g/mm3) 为进口流速（m/s）如上图a为强制排砂旋流杆探头零件图，假设A面上a点有一固相小颗粒，保证在其一秒种内通过排砂杆探头到达B面上的b点，a，b两点竖直长度距离为L1，则旋流器强制排砂杆探头在一秒钟至少旋转一圈，即转速大于或者等于1n/s，由此可知，排砂杆的转速大于或者等于1/4n/s。5.结束语 目前旋流器正朝着结构形式多样化，应用范围扩大化，技术控制自动化方向发展。在油田钻井工程中，使用旋流器分离具有效率高，占地面积小，节约成本的优点。但由于在分离高浓度，高粘度钻井液的时，旋流器沉沙口经常发堵塞或者漏液现象，这给旋流器正常工作乃至分离系统的正常运转带来了严重影响。本文所设计的除砂装置将能较好地解决这问题，这将为今后对固-液高浓度、高粘度介质分离的深入研究起到了推进作用。参考文献1 Sakamoto H.,Moro H.et al.In:Proc.Int.Symp.Fine Particles.Nevada:Feb.1980.1:255-281.2 Sakamoto H.,Moro H.et
