LW380×1400D-BP型大處理量超高速鉆井液離心機設計

王媛 彭紅 蔣銳 吳先進 李華川 趙明建 賀殷凱 張杰

摘要：高速離心機主要用于分離鉆井液中2 μm級的超細固相顆粒。常規高速離心機的分離因數和轉鼓尺寸較小，對鉆井液中超細固相的分離效果不佳，且處理量與中速離心機的流量不匹配。研制了LW380×1400D-BP型大處理量超高速鉆井液離心機，其轉鼓直徑為380 mm，最高工作轉速為4 000 r/min，最大分離因數為3 400 g。設計了雙級減振結構、軸承自動油氣潤滑系統、進液量自適應調節系統等，解決了轉鼓直徑增大和轉速提高帶來的振動烈度增加、關鍵零件壽命降低等問題。工業試驗結果表明，工作轉速3 800 r/min時，處理后鉆井液固相的中值粒徑D50達到2 μm，對應處理量5～6 m3/h，進液量自適應調節可靠。該超高速離心機完全滿足了鉆井工藝對鉆井液中超細固相的凈化和處理量的雙重需求。

關鍵詞：鉆井液； 離心機； 設計；超高速

中圖分類號：TE926.03? ?文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.007

Abstract：In the solid control system of drilling fluid， the high-speed centrifuge is mainly used to remove 2 μm grade superfine solid particles. The separation factor and drum size of conventional high-speed centrifuges are small， the removal effect of ultra-fine solids in drilling fluid is poor， and the handling capacity does not match the overflow flow of mid-speed centrifuges. A large capacity ultra-high speed drilling fluid centrifuge model named LW380×1400D-BP was designed. The drum diameter of this centrifuge is 380 mm， the maximum working speed is 4 000 r/min， and the maximum separation factor is 3 400 g. The problems such as the increase of vibration intensity and the decrease of life of key parts caused by the increase of drum diameter and rotating speed were solved by adopting a two-stage vibration reduction structure， automatic oil-air lubrication system of bearings， adaptive matching of liquid intake and other methods. The industrial test results show that when the working speed of this centrifuge is 3 800 r/min， the solid D50 of the treated drilling fluid reaches 2 μm and the corresponding processing capacity is 5～6 m3/h， and the adaptive matching of the liquid intake is stable and reliable. The ultra-high speed centrifuge fully meets the dual requirements of drilling technology for ultra-fine solid purification and treatment capacity of drilling fluid.

Key words：drilling fluid; centrifuge; design; ultra-high speed

隨著鉆井液使用時間的增加和重復利用次數的增多，鉆井液中的超細有害固相不斷積累，對機械鉆速、設備磨損、鉆井液性能及井下工具的正常使用易造成負面影響［1-2］。為了改善此問題，現場常配置高速或超高速離心機，分離2 μm及以上粒徑的超細有害固相。實際應用表明，在深井段采用較高黏度的鉆井液時，如果離心機的分離因數大于3 000 g，分離點粒徑易達到2 μm級，鉆井液凈化效果理想。同時，井隊工作繁忙，設備自動化也是一項需求。

調研國內外離心機發現，一方面，國內外僅有部分機型標注的分離因數滿足需求。應用時，工作轉速一般為設計轉速的80%左右，實際分離因數滿足需求的更少。這些機型的轉鼓直徑≤360 mm，處理量偏小。另一方面，現有的離心機控制系統大多屬于運行參數預設模式，即，不能根據現場鉆井液的性能自適應調整。離心機運行參數的設置與物料的性質息息相關［3］，當鉆井液密度、固相含量變化時，離心機運行參數可能不再適宜，需重新調節，否則有堵塞、卡死轉鼓的風險。運行參數的調節依賴于操作者的經驗，不確定因數較多。因此，研制分離因數高、處理量大、具備自適應參數調節功能的鉆井液離心機勢在必行。

離心機研制的關鍵在于解決超高轉速下設備動平衡和進液量自適應調節的問題。王立智［4］建立了離心機的雙轉子-軸承耦合動力學模型，研究了離心機的振型和固有頻率，得到雙轉子系統的臨界轉速及振型；研究了清水負載振動增大的機理，提出了清水負載整機動態平衡方法。李振威、張志新等對某型臥螺離心機空載、負載以及高速動平衡機上的螺旋進行了振動測試，從幅頻圖、幅值譜、軸承座中心軌跡分析了臥螺離心機的振動特征［5］，并通過有限元分析對離心機的動力性能進行了優化［6］。Lei Lou［7］等對離心機的振動和噪聲開展了試驗研究。何宇［8］對鉆井液高速離心機的轉鼓強度進行有限元分析和優化。陳遠龍［9］、徐慶華［10］等采用基于PLC的變頻器調速方式，實現對離心機轉鼓和螺旋輸送器的無級調速。王博芳［11］、高曉軍［12］、陳洪［13］等研究離心機的智能化控制系統，使離心機的工作性能的可靠性有較大提升。

四川寶石機械專用車有限公司研制了LW380×1400D-BP型大處理量超高速離心機，特點是分離因數高、處理量大、具備進液量自適應調節功能?，F場應用表明，該離心機實現了鉆井液中2 μm級超細有害固相的凈化，處理量滿足現場需求，進液量自適應調節功能替代了人工調節。

1 結構及原理

LW380×1400D-BP型大處理量超高速離心機的主體結構和工作原理與常規高速離心機一致。如圖1所示，主電機通過皮帶輪組帶動轉鼓和差速器外殼旋轉，輔電機通過皮帶輪組帶動差速器輸入軸旋轉，差速器輸出端通過花鍵帶動螺旋輸送器旋轉。轉鼓和螺旋輸送器存在轉速差。鉆井液通過進液管，途徑螺旋輸送器筒體進入轉鼓內腔。在轉鼓轉動下，鉆井液高速旋轉，液相和固相逐漸分層，較輕液相靠近轉鼓中心，較重固相沉積至轉鼓壁。沉積的固相由螺旋機推至排渣口排出。

2 結構參數

高速離心機的設計重點是分離因數高，轉鼓尺寸不宜過大。轉鼓直徑250～400 mm，易達到分離效果，經濟性也更佳。常規高速離心機的轉鼓直徑為355 mm（14英寸），但處理量偏小。因此，LW380×1400D-BP型離心機適當放大轉鼓直徑，取值為380 mm（15英寸）。

轉鼓長度應按照L/D長經比值來確定。常規高速離心機一般取L/D＝3.5，計算長度L＝1 330 mm。考慮離心機排出的鉆屑略濕，因此將LW380×1400D-BP型離心機的轉鼓長度設計為1 400 mm。

其余結構參數按照常規高速離心機設計，即，轉鼓錐角9°、螺旋升角7°、常數0.63。

3 性能參數

最大分離因數? ?3 400 g

最大轉速? ? ?4 000 r/min

基礎差轉速? ? 40 r/min

最小分離中值粒徑 2 μm

處理量? ? ?35～45 m3/h（4 000 r/min，ρ清水=1.0 g/cm3）

5 ～ 8 m3/h（3 600 r/min，ρ鉆井液=1.3 g/cm3）

4 技術難點

提高分離因數就能降低鉆井液中固相的最小分離點。但是，分離因數達到3 400 g的石油鉆井液離心機并不常見，說明技術難點不在理論，而在制造工藝。

1） 高速旋轉時設備的動平衡問題。離心機出廠前要做動平衡試驗，并達到規定的動平衡精度。但是，實際應用時，鉆井液進料、固相積渣，以及轉鼓內部磨損是不均勻的，所以應用期間仍存在不可忽視的動不平衡問題。為了使鉆井液離心機在高轉速工況下穩定運行，必須控制好動平衡參數。

2）? 軸承的潤滑方式。軸承采用油潤滑方式時，更適用于高轉速工況，但是潤滑結構不易設計。為了使軸承能夠采用油潤滑方式，應做好潤滑系統的設計。

3）? 進液量自適應調節功能。離心機運行參數應實時匹配當前工況。常規高速離心機以人工檢測、人工判斷、人工調節為主。要解放人力，需開發1套控制系統，配置相應傳感器，并做系統穩定性測試。

5 關鍵技術

5.1 雙級減振結構

為了降低離心機運行的振動烈度，LW380×1400D-BP型離心機設計了雙機減振結構，如圖2所示。副減振器設置在電機安裝座下，主減振器設置在轉子基座下。電機安裝座通過副減振器與轉子基座相連，轉子基座通過主減振器與底座相連。

該結構有2方面的優點：

1）? 從振動的角度分析。電機和轉鼓都有振動，把兩者轉化成2條振動波，疊加后的波峰有可能抵消，也有可能增大。當波峰疊加增大時，整機振動烈度增大，使連接部件的磨損增加、加速疲勞損傷，且降低運行穩定性。副減振器吸收了大部分的電機振動，僅剩一部分的電機振動與轉鼓振動疊加，使整機振動烈度下降，不僅延長了連接部件的使用壽命，而且提高了離心機的運行穩定性。

2）? 從能量的角度分析。離心機從電源獲得的電能是固定的，減小整機振動烈度，可以降低能量損耗，使更多電能用于物料處理，增強設備的作業性能。

雙級減振結構運用后，使超高速離心機的振動烈度下降。經測試，空載試驗時，離心機轉鼓的轉速為4 000 r/min，電機安裝座的振動烈度為5.3 mm/s、轉子安裝基座的振動烈度為2.1 mm/s，低于標準規定值7.1 mm/s。

5.2 自動油氣潤滑系統

常規高速離心機的主軸承通常采用脂潤滑，適用于轉速3 200 r/min及以下工況。設計的自動油氣潤滑系統如圖3所示，適用于轉速4 000 r/min的工況。該系統是根據工況需求將潤滑油泵入油氣混合閥，并向里持續提供0.3 MPa的清潔氣流，潤滑油以細微油滴的形態隨著氣流被引至軸承。

所設計的油氣潤滑系統有3個特點。

1）? 自動控制。潤滑系統有5種潤滑模式，分別適用于開機、運行、軸承溫升異常、軸承溫升恢復、停機。離心機運行時，控制中心主動識別當前工況，自動匹配對應潤滑模式，全程無需人工判斷、人工操作。

2） 節能環保。根據軸承對潤滑油的消耗情況，適時補充潤滑油，既保證充分潤滑，又精確控制油量。

3） 軸承溫升低。相較于脂潤滑超高速離心機，運用自動油氣潤滑系統后，主軸承升溫得到了不同程度下降。空載試驗時，環境溫度11 ℃、轉鼓轉速4 000 r/min、連續運行8 h，大端主軸承溫度33 ℃、溫升22 ℃，遠低于標準規定的軸承最高溫度70 ℃、溫升35 ℃。

5.3 進液量自適應調節系統

常規高速離心機的運行參數設定主要依靠人工判斷、人工操作。為了減少人工干預，設計了進液量自動調節系統，其邏輯控制程序如圖4所示。

1） 風險識別。進液量自動調節系統通過多個傳感器采集離心機的電機電流、軸承溫度、整機振動等表征運行狀態的參數（以下簡稱“狀態參數”）。若工況突變、進液量大于離心機的處理能力時，狀態參數增大。當狀態參數大于設定臨界值Ⅰ，系統則識別有風險。

2） 反饋調節。識別到風險后，系統自動降低供料比例檔位、進入“軸承溫升異常”潤滑模式。

3） 效果判斷。調節完成后，設備繼續運行10 min。

①異常繼續增大，甚至超過了設定臨界值Ⅱ，返回第②步，繼續調節。

②異常消失，狀態參數低于設定臨界值Ⅰ，系統保持該供料比例檔位，潤滑系統進入“軸承溫升恢復正?！睗櫥Ｊ健?/p>

③異常仍然存在，高于設定臨界值Ⅰ，低于設定臨界值Ⅱ，繼續運行10 min再判斷。如果異常繼續增大、異常仍然存在，則返回第②步繼續調節；如果異常消失，保持該供料比例檔位，潤滑系統進入“軸承溫升恢復正常”潤滑模式。

6 現場試驗情況

2019-06-11－2019-09-28，LW380×1400D-BP型大處理量超高速離心機在磨溪區塊進行工業性試驗，在三開和四開井段（3 085～6 435 m）使用，該機累計運行161 h。2020-11-21－2021-03-20，該機在磨溪區塊繼續進行工業性試驗，在三開和四開井段（3 350～5 969 m）使用，該機累計運行40 h。運行參數是：

1） 負載最高穩定轉速達到4 000 r/min。

2） 轉速在3 800 r/min、鉆井液密度ρ鉆井液=1.3 g/cm3時：

①對應處理量為5～6 m3/h，運行平穩（振動烈度3.8 mm/s）。

②固相含量由15.2%降低至6.7%以下。

③分離中值粒徑D50為0.6 μm級，鉆井液的流變性能改善明顯。

3） 當低密度固相含量少時，轉速3 200～3 800 r/min，離心機的分離效果差異不大。當低密度固相含量多時，轉速3 800 r/min，離心機的分離效果明顯優于其它轉速工況。

4） 鉆井液性能參數變化時，離心機能自動調節進液量，降低了轉鼓卡堵風險，并顯著減少了人工操作量。

7 結論

1） 研制了LW380×1400D-BP型大處理量超高速離心機。設計的雙級減振結構提升了高速離心機的動平衡性能，并減少了振動的烈度。采用自動油氣潤滑系統，保證了離心機在高轉速時的良好潤滑。開發的控制系統能實時監控離心機的運行狀態參數，并能根據鉆井液參數的變化，實時自動調節進液量。

2） 工業試驗表明，研制的超高速離心機在3 800 r/min（分離因數3 070 g）時可有效分離鉆井液中2 μm以上超細固相顆粒，處理量5～6 m3/h，使鉆井液的流變性改善明顯。

3） 低密度固相含量較低時，超高速離心機在3 200～3 800 r/min工作轉速下的分離效果沒有明顯差異。低密度固相含量較高時，3 800 r/min工作轉速時的分離效果最佳。

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