波浪形篩網固相運移規律研究

侯勇俊,曹麗娟

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

波浪形篩網固相運移規律研究

侯勇俊,曹麗娟

(西南石油大學機電工程學院,成都610500)

根據鉆井液振動篩振動力學的基本原理,通過對波浪形篩網面上的固相受力分析,建立了固相運移動力學模型,分析了顆粒在波浪形篩網面上的基本運動規律,討論了振動頻率、篩面傾角、振動方向角等因素對固相顆粒運移速度的影響。分析結果表明,這種新型波浪形篩網雖然避免了平板篩網的“馬蹄鐵”效應,但其顆粒運移速度卻有所降低。

波浪形篩網;固相;運移模型;計算模擬

鉆井液振動篩是固相控制系統的關鍵設備,其主要用途是充分回收鉆井液和盡可能多地清除有害固相顆粒,一臺良好的鉆井液振動篩應該具有鉆井液處理量大、固相顆粒輸送速度高等特性,其中篩網是影響振動篩工作能力的主要因素之一[1]。現場廣泛使用的板式篩網處理鉆井液的能力有限,為了提高其處理量,大多采用增大篩網安裝傾角,但這會加速篩網的磨損,對此有人提出改變篩網形狀,如波浪形篩網[2]、矩形篩網[3]、筒式篩網[4],目的都在于改善普通平板篩網泥漿向篩箱兩側流動的現象,以期增大篩網對鉆井液的處理量。

新型波浪形篩網最早是由Derrick Equipment Company提出來的一種新型結構的篩網,能有效地增加與鉆井液的接觸面積,避免板篩網的“馬蹄鐵”效應[5],目前已有不少油田在使用,但是現場使用卻發現這種波浪形篩網并不能達到預期的效果。對于這種新結構的篩網,目前還沒有文獻對其工作理論進行研究,由于篩網結構的改變,其篩分機理也相應改變,因而固相顆粒的運移規律也發生了本質變化。本文主要從建立固相顆粒的運移模型出發,分析這種新型篩網輸送固相顆粒的性能,為新型高效鉆井液振動篩篩網的研制和現場使用提供理論依據。

1 固相顆粒運移規律分析

1.1 顆粒受力分析

固相顆粒在篩網面上的運動形式主要有相對篩面的后滑動、相對篩面的正向滑動和離開篩面的拋擲運動3種形式,其中顆粒在篩網面上的拋擲運動規律對顆粒的運移速度起著決定性的作用。本文以直線振動篩為研究對象,分析固相顆粒在篩網面上的拋擲運移規律。以顆粒所處篩網面的切線方向、法線方向和篩網的長度方向為3個坐標軸,建立直角坐標系,如圖1。

圖1 顆粒在篩面上的受力

顆粒在x、y、z三個方向的受力分別為

式中,G為顆粒所受的重力,N;m為顆粒的質量, kg;N為顆粒所受篩網面的壓力,N;fx為顆粒在運動時所受的沿x方向的摩擦力,N,fx=Nμcosγ,其中,γ為總滑動速度與x方向的夾角,rad;μ為摩擦因數;fz為顆粒在運動時所受的沿z方向的摩擦力,N,fz=Nμsinγ;α為顆粒所處篩面的切線方向與水平方向的夾角,即篩面結構角,rad;β為篩面傾角,rad;Δ¨x為顆粒相對于篩網在x方向的相對加速度,m/s2;Δ¨y為顆粒相對于篩網在y方向的相對加速度,m/s2;Δ¨z為顆粒相對篩網在z方向的相對加速度,m/s2;ax、ay、az分別為篩網在x、y、z方向的加速度,m/s2。

篩網在x、y、z方向的加速度分別為[6]

式中,λ為篩網的振幅,m;ω為為篩網振動角速度, rad/m;t為振動時間,s;δ為振動方向與z軸的夾角,即振動方向角,rad。

1.2 顆粒拋擲運動方程和拋擲指數

顆粒開始起跳時,N=0,與篩面的相對加速度Δ¨y=0,顆粒起跳條件為

求得顆粒開始起跳的拋始角ωt0,記為φs。

顆粒離開篩面后在y方向的運動方程為

2次積分可得顆粒離開篩面后在y方向的位移為

式中θ,為顆粒從拋起到重新落回篩面所對應的相位角θ,=φz-φs。

當拋擲結束時,Δy=0,求得拋止角ωt,記為φz。

起跳后,顆粒在z方向的運動方程為

對時間t積分,可得顆粒與篩網的相對位移為

1.3 顆粒拋擲運移速度

顆粒拋擲運動的平均速度為

整理得

2 與平板篩網計算結果對比

計算實例各參數的取值范圍為:振動頻率16～24 Hz,最大振幅4 mm,篩網60～120目,處理量10～20 L/s,拋擲指數3～7,振動方向角δ=30°,篩面傾角β=5°[7],關于滑動摩擦因數μ,文獻[8]的試驗結果為μ=115。

2.1 振動方向角δ

計算時取f=20 Hz,β=5°,μ=115,α=45°,振動方向角δ對2種篩網運移速度的影響如圖2。由圖2可知,當振動方向角δ(振動方向與篩面長度方向的夾角)增大時,顆粒在2種篩網上的運移速度均減小。

圖2 振動方向角對顆粒運移速度的影響

2.2 振動頻率

計算時取β=5°,δ=30°,α=45°,振動頻率對顆粒在2種篩網面上運移速度的影響如圖3。由圖3可知,顆粒在篩網上的運移速度隨著振動頻率的增加而降低。

圖3 振動頻率對顆粒運移速度的影響

2.3 篩面傾角β

計算時取δ=30°,α=30°,f=20 Hz,篩面傾角β對顆粒在2種篩網面上運移速度的影響如圖4。由圖4可知,當篩面傾角增大時,固相顆粒在2種篩網面上的運移速度均降低,這主要是因為篩面傾角的增大相應地改變了振動方向角。當篩面傾角為負值時,波浪形篩網的運移速度要高于平板篩網;當篩面傾角β=0時,二者相等;當篩面傾角為正值時,平板篩網的運移速度大于波浪形篩網。

圖4 篩面傾角對顆粒運移速度的影響

2.4 拋擲指數

拋擲指數對固相運移速度的影響如圖5。由圖5可知,顆粒在2種篩網上的運移速度都隨著拋擲指數D的增加而呈波浪式變化;當D=417～514時,可獲得理想的運移速度;過大的拋擲指數需要很大的激振力,對整個振動篩的強度要求也相應增加。

圖5 拋擲指數對固相運移速度的影響

2.5 篩面結構角α

篩面結構角α對顆粒運移速度的影響如圖6。由圖6可知,顆粒在篩網面上的運移速度隨著α的增大而減小。

圖6 篩面結構角對顆粒運移速度的影響

3 結論

1) 顆粒在波浪篩面上的運移受振動方向角δ和拋擲指數影響最大,振動頻率和篩面傾角β次之,可通過適當增大振動方向角及降低振動頻率來增大顆粒的運移速度。

2) 拋擲指數D一般取4.7～5.0。

3) 波浪形篩網增大了鉆井液與篩網的接觸面積,避免了平板篩網的“馬蹄鐵”效應,能明顯增加對鉆井液的處理量,但是顆粒的運移速度比平板篩網要小,只有在篩面傾角β=0時,二者才相等。在相同條件下,波浪形篩網相對平板篩網可以取稍大的篩面傾角。

4) 在壓制波浪形篩網時應適當減小篩面結構角α。

[1] Hoberock L L.Screen selection is key to shale2shaker operation[J].Oil&Gas Journal,1981(49):1312141.

[2] LiPa.Undulating molded p lastic vibrato ry screen:U 2 nited States Patent,7,264,125[P].2007204211.

[3] 侯勇俊.新型高效鉆井液篩分篩網:中國, ZL200720081385.4[P].2008208206.

[4] 侯勇俊.筒式網鉆井振動篩濕固相顆粒運移模型[J].石油礦場機械,2007,36(6):123.

[5] 張躍軍,周鳳霞,譯.新型固控系統減少巖屑上的油[J].國外石油機械,1998,9(1):24227.

[6] 侯勇俊,田道云,張明洪.筒式網振動篩固相運移動力學研究[J].石油學報,2004,25(6):1092112.

[7] 朱維兵.固相顆粒在鉆井篩篩面上運移的計算機模擬和試驗[J].機械設計,2005,22(1):50252.

[8] HoberockL L.Modern shale shakers are keys to im2 p roved drilling[J].Oil&Gas Journal,1981(23):1072113.

Solids Migration Model of Undulating Molded Vibratory Screen Shale Shaker

HOU Yong2jun,CAO Li2juan
(College of M echanical and Electronic Engineering,Southw est Petroleum University,Chengdu 610500,China)

On the basis of kinetics’basic p rincip le of well drilling shaker,by analyzing the force on the solids phase,the dynamic model of migration about the solid phased w as studied,the rules of solid2cutting moving in the undulating molded screen was established,the effect that throw ing index,inclination of sieve surface and vibration azimuth to the solids phased conveyance speed w as discussed.The results show that although the new screen avoided the‘Horseshoe’effect,it decreased the velocity of the solidsmigration.

undulating molded vibratory screen;solids;conveyancemodel;computationalmodeling

book=1,ebook=1

TE921.01

:A

2009207220

“石油天然氣裝備”省部共建教育部重點實驗室開放基金(2006STS01)

侯勇俊(19672),男,四川鹽亭人,教授,博士,主要從事機械設計方面的教學和科研工作。