鉆井巖屑收集轉運裝置的研制與應用

何建春+冉建+劉洋

摘要：在鉆井作業中，較遠距離地對巖屑收集和轉運仍然采用傳統人工推車轉運的方式，已逐漸不能適應鉆井生產對安全、環保和成本的新要求。文章提出這一種專用裝置，并通過現場應用驗證來滿足這一新要求。

關鍵詞：緩存混合器；泵送裝置；裝置研制；鉆井巖屑收集轉運裝置；鉆井作業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE24 文章編號：1009-2374（2017）07-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.103

鉆井過程中，泥漿從井內帶出的大量巖屑通過振動篩、離心機分離出泥漿循環罐外，現在通常采用的是人工推車收集轉運的方式排入沉砂池，這樣轉運的勞動強度及人力成本都較高，并且容易出現巖屑堆積或散落在排污溝周圍，影響循環罐及井場周邊環境，存在較大的安全、環保隱患。本文提出一種鉆井巖屑的收集轉運裝置來解決這一問題。

1 裝置結構及工作原理

裝置主要由收集裝置1和轉運裝置2兩部分構成，結構如圖1所示。收集裝置主要負責將1#循環罐3個振動篩排砂槽、2#循環罐1個一體機排砂槽以及3#罐兩個離心機排砂槽排出的巖屑收集并傳輸到轉運裝置內，然后由轉運裝置將其轉運至沉砂池內。

1.1 收集裝置

收集裝置采用無軸螺旋輸送機來完成巖屑收集，主要由電機11、聯軸器12、軸系支座13、驅動軸系14、無軸螺旋15、機架16和排料口17等幾部分組成。使用時，先盤轉軸系，確認無卡阻后啟動電機11，通過聯軸器12和驅動軸系14帶動無軸螺旋15旋轉，當巖屑落入機架16中時，被無軸螺旋15向前推送，通過排料口17進入轉運裝置2。

經對鉆井過程中巖屑排放量的分析，在表層鉆進時巖屑的排量是最大的，根據對川渝地區多個鉆井隊的調研分析，一般日進尺400m左右，最大排量約在3m3/h，考慮到巖土成松散狀的巖屑并有一定含水量的情況下，實際排量約為原始體積的1.5～2.2倍。結合無軸螺旋機超強耐磨性和耐用性、抗纏繞性強、物料不易堵塞、傳動平穩等輸送特性，收集裝置的主要技術參數確定如表1所示：

1.2 轉運裝置

轉運裝置采用攪拌、緩存和泵送相結合的方式來完成巖屑的轉運，由緩存混合器21和泵送裝置22組成。緩存混合器21主要包含驅動裝置211、攪拌葉輪212、緩存機架213和緩存出料口214等幾部分，泵送裝置22主要包含進料口221、轉運泵222、清管器223和排料管224等幾部分。當巖屑從收集裝置1中進入緩存混合器21時，驅動裝置211啟動，帶動攪拌葉輪212旋轉，將進入的巖屑和泥漿混合成糊狀物，待堆積到一定量后，開啟緩存出料口214，糊狀物進入泵送裝置進料口221，通過轉運泵222的抽

汲和泵送作用將其送入排料管224，從而轉運至沉砂池。

1.2.1 緩存混合器。緩存混合器主要起攪拌、暫存巖屑和泥漿的作用。將進入的巖屑和泥漿通過不斷攪拌混合成糊狀物，以增強巖屑黏度，提高其可泵送性，以免造成無法轉運或堵管等情況，這個過程類似于增強混凝土的坍落度，是轉運中的關鍵環節，直接關系轉運成敗。另外可以暫時儲存糊狀物，等糊狀物儲存到一定量后再進行泵送轉運，可減少泵送裝置工作時間，節約能源并能延長設備使用壽命，同時也可減少清管次數，簡化操作。主要技術參數如表2所示：

1.2.2 泵送裝置。泵送裝置主要起泵送巖屑的作用。通過對鉆井巖屑的物理特性分析發現，鉆井巖屑與建筑行業中使用的混凝土具有部分相似的特性，都屬于具有固液兩相的物質，固相含量遠大于液相，都具有一定的流動性、固相顆粒大等特點。在建筑行業中有專用的混凝土輸送泵將混凝土進行一定距離內的輸送，故借用其工作原理設計出巖屑的專用轉運泵。

整個泵送裝置關鍵部件是轉運泵，工作原理如圖2所示，巖屑活塞（7、8）分別與主油缸（1、2）活塞桿連接，在主油缸液壓油作用下，作往復運動，一缸前進，則另一缸后退；巖屑缸出口與料斗連通，分配閥一端接出料口，另一端能過花鍵軸與擺臂連接，在擺動油缸作用下，可以左右擺動。

泵送巖屑料時，在主油缸作用下，巖屑活塞7前進，巖屑活塞8后退，同時在擺動油缸作用下，分配閥10與巖屑缸5連通，巖屑缸6與料斗連通。這樣巖屑活塞8后退，便將料斗內的巖屑吸入巖屑缸，巖屑活塞7前進，將巖屑缸內巖屑料送入分配閥泵出。

當巖屑活塞8后退至行程終端時，觸發水箱3中的換向裝置4，主油缸1、2換向，同時擺動油缸12、13換向，使分配閥10與巖屑缸6連通，巖屑缸5與料斗連通，這時活塞7后退，8前進。通過不停的循環，從而實現連續泵送。

當需要清理輸送管路中的積料時，可以通過反泵操作，使處在吸入行程的巖屑缸與分配閥連通，處在推送行程的巖屑缸與料斗連通，從而將管路中的巖屑抽回料斗。

因為巖屑混合物黏度高，易堵管，所以每完成一次巖屑轉運后，需啟用泵送裝置中的清管器，用壓縮空氣推動海綿球清理管道內的殘余巖屑，實現對管道的清理，以免干涸后堵管，清管器結構原理示意如圖3所示。具體操作流程是：當需要清管時，在進氣管7處接入壓縮空氣（p≥0.5MPa，氣量Q≤0.4m3，井場氣源提供），在閘閥D4處投入海綿球，然后關掉閘閥A1、閘閥D4和閘閥E5，開啟閘閥B2和閘閥C3，最后打開氣源將海綿球推到排料管8出口端完成管道內殘余巖屑的清理。

通過對井隊巖屑的調研了解，僅在表層鉆進過程中，有極少部分巖屑直徑>Ф25mm，可通過泵送裝置進料口221的濾網過濾后人工撿出，再結合巖屑的特性和井場巖屑排放的實際情況，轉運裝置的主要技術參數確定如表3所示。

2 技術關鍵及主要特點

第一，本裝置研制的關鍵點在于轉運裝置的設計，它是在巖屑物理特性與混凝土物理特性具有一定相似性的基礎上，對混凝土輸送泵工作原理充分吸收借鑒后進行的改進設計。

第二，收集裝置采用U型槽外殼，方便巖屑收集，不易拋灑；采用無軸螺旋機進行傳輸，不易卡阻、剪斷，傳輸效率高；采用U型尼龍襯墊，大大延長了設備的使用壽命，維修方便；整個裝置結構簡單緊湊，加工制造難度較小，現場安裝和維護保養較簡單。

第三，轉運裝置能使巖屑在無灑落的情況下水平運送最大達200m的距離，降低了人工轉運的勞動強度和成本。

第四，每個裝置成獨立單元，在現場惡劣的工作條件下，隨時可以更換，不影響鉆井作業。

第五，整套裝置設計環保，不論是收集裝置的結構、緩存混合器的增設還是清管器壓縮空氣的使用，在有效杜絕巖屑溢出的同時可減少污水的產生，從而大大降低了污水處理費用和可能帶來的環境污染問題。

第六，適用于沉砂池距1#循環罐有一定距離的鉆井現場。

3 現場應用

該裝置從2013年10月初投入井隊試用至今，通過在川渝兩地各區塊超過20井次各井段的運用證明，該裝置能完整收集和可靠轉運鉆井巖屑至沉砂池。該裝置的使用妥善解決了巖屑散落帶來的環境污染問題，節約了處理巖屑污染以及鉆井污水產生的環保費用，帶來的環保效益無法估量。同時降低了工人勞動強度，避免了人工轉運巖屑存在的不安全隱患，減少了人工轉運成本。4000m鉆機節約人工費用約4.3萬元/年；5000m鉆機每年節約人工費用約5.5萬元/年；7000m鉆機每年節約人工費用約7.3萬元/年；節約人工推車費用約1萬元/年。

4 結語

（1）該裝置實現了各區塊各井段巖屑的收集與遠距離輸送，在中深井段效果尤佳；（2）該裝置結構緊湊、安裝操作方便、經濟耐用、維護量極少、維護費用低，減輕勞動強度的同時還能杜絕環境污染，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

[1] 胡小剛，康濤，等.國外鉆井巖屑處理技術與國內應用研究分析[J].石油機械，2009，37（9）.

[2] 王海英.水泥混泥土輸送泵車結構優化設計[J].長安大學學報，2004，24（1）.

作者簡介：何建春（1980-），男，四川營山人，川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司工程師，研究方向：鉆井設備管理；冉建（1984-），男，四川蓬溪人，川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司工程師，研究方向：鉆井設備管理。

（責任編輯：秦遜玉）