青海省五龍溝礦區坑道深孔鉆進中旋流除沙器的設計研究

穆元紅 祁召軍 劉海聲 段英龍 金生財

摘 要：近年來，在五龍溝整裝勘查礦區內，坑道鉆探工程在該礦區勘探隱伏礦床的過程中發揮了決定意義的作用。在施工過程中，鉆井液中巖屑及低固相含量升高，將會導致巖屑重復磨損鉆頭、鉆井液絮凝、護壁堵漏性能下降等。為控制鉆井液中固相含量的升高，設計開發旋流除砂器一臺，達到控制沖洗液循環過程中的巖屑含量在6%以內，低固相含量在10%以內的目標。

關鍵詞：旋流除砂器；鉆井液；坑道鉆探；固控

1 施工環境介紹

青海省五龍溝礦區坑道深孔鉆進過程中，現場施工空間狹小，所使用固控設備受場地影響嚴重，泥漿循環系統不完善，返出孔口的巖粉未能及時地排除，造成鉆井液含砂量較高，難以達到鉆探要求。

2 存在的問題分析

以五龍溝地區黑石溝ZK4405鉆孔為例，鉆井液初始配置時固相含量累計在5%以內，固相主要為粘土顆粒，含量為43%，其他固相含量為0.7%。鉆井液性能：粘度（蘇氏漏斗）34s；比重1.025；0.69MPa的壓力下30min失水量8ml（VPI）。在鉆進了兩個回次，累計進尺6.0m，累計時間2.5h后，地層為裂隙發育的板巖，中間夾兩層累計厚度3.1m左右的破碎蝕變帶，測得鉆井液性能：粘度（蘇氏漏斗）24s；比重1.040；069MPa的壓力下30min失水量16ml；含沙量10.6%。巖屑和鉆井液中的其他化學成分產生絮凝聚結，發生沉淀，降低了鉆井液中其他有用組分的含量。該鉆井液已經不能滿足鉆進要求。

分析原因，認為存在的主要問題有：

（1）坑道鉆探中由于循環系統的局限性，鉆井液中的巖屑含量與鉆進時間、鉆進深度等成正比；

（2）巖屑含量的提高（4%后開始表現）對鉆井液的護壁性能造成嚴重破壞；

（3）粘度下降等原因帶來的流變性變化影響了碳質泥巖地層的取心率；

（4）鉆井液在循環系統中沒有防止巖侵措施，各種巖屑、雜質容易侵入鉆井液，從而導致固相含量升高，影響性能。

3 旋流除砂器的設計開發

3.1 旋流器結構設計

對于旋流除沙器來說，當其他變量一定時，鉆井液中的巖屑、雜質等的粒徑越小，在其運行時所處位置的半徑越小。影響分離粒度的設計變量主要有：水力旋流器直徑D、錐角θ、溢流口直徑do、入口直徑di、底流口直徑du、溢流管伸入長度lo、圓柱段長度l1。下面就上述參數逐一進行設計。

3.1.1直徑D

現場的鉆井液參數為：流量為Q=5m3/h；鉆井液的密度為ρ=1040kg/m3；壓力降ΔP=4.5MPa；鉆井液粘度μ=00104Pa·s；入口速度vi=8～10m/s；比例放大系數Kp=52；np=0.4465。根據公式：

D（4+np）=4Qπ2+npρμnpKp2Δp

把現場鉆井液參數帶入公式計算，結果為直徑D=315mm，為了便于加工制造，取D=32mm。

3.1.2錐角θ

旋流除沙器采用錐段結構為直錐的單錐形式設計。錐段是鉆井液固液兩相分離的重要區域。內流體阻力隨著錐角的增大而增大，進口壓力相同的情況下，分離粒度隨著錐角的增大而增大。本研究采用錐角θ=12°。

3.1.3開口直徑的設計

旋流除沙器的開口系指溢流口直徑、入口直徑、底流口直徑。這三個直徑對旋流除沙器的性能影響重大。入口尺寸的增加會導致旋流除沙器的生產能力和分離粒度增大，并能減少磨損。一般情況下旋流器入口直徑為di=0.13～0.29D，在保證入口速度的情況下，入口直徑di為：

di=2Qπvi

計算得到入口直徑di=9mm=0.28D。

溢流口直徑一般取do=1～2di，這里取do=1.5di=13.5mm。

底流口直徑與溢流口直徑的比值（du/do）稱為排口比，排口比取值一般為0.15～1。為得到較低的分離粒度，本文采用的排口比約等于1，故在本研究中底流口直徑取為du=135mm。

3.1.4溢流管的伸入長度

旋流除沙器溢流管的作用是有助于鉆井液沿著軸線向上移動。溢流管伸入長度越小，旋流除沙器的生產能力越大，分離巖屑、雜質等的粒度減小；溢流管的伸入長度越大，粗大顆粒的分離效率越大，細小顆粒的分離效率越小。一般在旋流除沙器的設計中，所采用的溢流管伸入長度在lo=0.3～1.0D范圍內。這里取lo=0.4D=12.8mm。

3.1.5圓柱段長度l1

圓柱段（旋流除沙器的旋流腔）是液流進入錐段前起穩流作用的部分。一般推薦旋流腔長度l1=0.7～2.0D。這里取l1=1.0D=32mm。

3.2 加工制作

入口、圓柱段、溢流口選擇 45 號鋼加工。錐段的加工材料選用透明有機玻璃以便于觀察固體顆粒的運動狀態來調節分流比，由于透明的有機玻璃脆性較大，所以采用分段加工、粘結成型的方法加工制作。壁厚保證各段中最小壁厚不小于8mm。

入口、圓柱段、溢流口選用普通的車床進行加工即可。鑒于有機玻璃材質脆性較大的特點，錐段采用數控機床加工。旋流除沙器內壁的粗糙度一般取 1.6，為了保證旋流除沙器內壁的粗糙度，有必要進行進一步研磨。

4 結論

在現場論證過程中，運用我院自主研發的旋流器，再配合原有的設備，形成一套完善的泥漿循環系統，在五龍溝地區設計孔深為251.88m的ZK9104鉆孔使用，可以滿足在坑道鉆機環境中的布置要求，達到控制沖洗液循環過程中的巖屑含量在6%以內，低固相分布體積比控制在10%以內的目標。

參考文獻：

[1]劉海聲，高元宏，劉鵬，等.青海省五龍溝礦區坑道鉆探硐室圍巖穩定性分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（4）：8892.

[2]儲金宇，李徽，李維斌.旋流分離器在控制暴雨徑流中的應[J].2008，26（4）：5760.

作者簡介：穆元紅（1987），男，漢族，青海民和人，本科，助理工程師，從事探礦工程方面的研究。