侯勇俊,曹麗娟

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都610500)

波浪形篩網(wǎng)固相運(yùn)移規(guī)律研究

侯勇俊,曹麗娟

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都610500)

根據(jù)鉆井液振動篩振動力學(xué)的基本原理,通過對波浪形篩網(wǎng)面上的固相受力分析,建立了固相運(yùn)移動力學(xué)模型,分析了顆粒在波浪形篩網(wǎng)面上的基本運(yùn)動規(guī)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(yùn)移速度的影響。分析結(jié)果表明,這種新型波浪形篩網(wǎng)雖然避免了平板篩網(wǎng)的“馬蹄鐵”效應(yīng),但其顆粒運(yùn)移速度卻有所降低。

波浪形篩網(wǎng);固相;運(yùn)移模型;計(jì)算模擬

鉆井液振動篩是固相控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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(yīng)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(wǎng)是影響振動篩工作能力的主要因素之一[1]?，F(xiàn)場廣泛使用的板式篩網(wǎng)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(wǎng)安裝傾角,但這會加速篩網(wǎng)的磨損,對此有人提出改變篩網(wǎng)形狀,如波浪形篩網(wǎng)[2]、矩形篩網(wǎng)[3]、筒式篩網(wǎng)[4],目的都在于改善普通平板篩網(wǎng)泥漿向篩箱兩側(cè)流動的現(xiàn)象,以期增大篩網(wǎng)對鉆井液的處理量。

新型波浪形篩網(wǎng)最早是由Derrick Equipment Company提出來的一種新型結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng),能有效地增加與鉆井液的接觸面積,避免板篩網(wǎng)的“馬蹄鐵”效應(yīng)[5],目前已有不少油田在使用,但是現(xiàn)場使用卻發(fā)現(xiàn)這種波浪形篩網(wǎng)并不能達(dá)到預(yù)期的效果。對于這種新結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng),目前還沒有文獻(xiàn)對其工作理論進(jìn)行研究,由于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變,其篩分機(jī)理也相應(yīng)改變,因而固相顆粒的運(yùn)移規(guī)律也發(fā)生了本質(zhì)變化。本文主要從建立固相顆粒的運(yùn)移模型出發(fā),分析這種新型篩網(wǎng)輸送固相顆粒的性能,為新型高效鉆井液振動篩篩網(wǎng)的研制和現(xiàn)場使用提供理論依據(jù)。

1 固相顆粒運(yùn)移規(guī)律分析

1.1 顆粒受力分析

固相顆粒在篩網(wǎng)面上的運(yùn)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(yùn)動3種形式,其中顆粒在篩網(wǎng)面上的拋擲運(yùn)動規(guī)律對顆粒的運(yùn)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(wǎng)面上的拋擲運(yùn)移規(guī)律。以顆粒所處篩網(wǎng)面的切線方向、法線方向和篩網(wǎng)的長度方向?yàn)?個(gè)坐標(biāo)軸,建立直角坐標(biāo)系,如圖1。

圖1 顆粒在篩面上的受力

顆粒在x、y、z三個(gè)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(zhì)量, kg;N為顆粒所受篩網(wǎng)面的壓力,N;fx為顆粒在運(yùn)動時(shí)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(shù);fz為顆粒在運(yùn)動時(shí)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(jié)構(gòu)角,rad;β為篩面傾角,rad;Δ¨x為顆粒相對于篩網(wǎng)在x方向的相對加速度,m/s2;Δ¨y為顆粒相對于篩網(wǎng)在y方向的相對加速度,m/s2;Δ¨z為顆粒相對篩網(wǎng)在z方向的相對加速度,m/s2;ax、ay、az分別為篩網(wǎng)在x、y、z方向的加速度,m/s2。

篩網(wǎng)在x、y、z方向的加速度分別為[6]

式中,λ為篩網(wǎng)的振幅,m;ω為為篩網(wǎng)振動角速度, rad/m;t為振動時(shí)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(yùn)動方程和拋擲指數(shù)

顆粒開始起跳時(shí),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(yùn)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(yīng)的相位角θ,=φz-φs。

當(dāng)拋擲結(jié)束時(shí),Δy=0,求得拋止角ωt,記為φz。

起跳后,顆粒在z方向的運(yùn)動方程為

對時(shí)間t積分,可得顆粒與篩網(wǎng)的相對位移為

1.3 顆粒拋擲運(yùn)移速度

顆粒拋擲運(yùn)動的平均速度為

整理得

2 與平板篩網(wǎng)計(jì)算結(jié)果對比

計(jì)算實(shí)例各參數(shù)的取值范圍為:振動頻率16～24 Hz,最大振幅4 mm,篩網(wǎng)60～120目,處理量10～20 L/s,拋擲指數(shù)3～7,振動方向角δ=30°,篩面傾角β=5°[7],關(guān)于滑動摩擦因數(shù)μ,文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)結(jié)果為μ=115。

2.1 振動方向角δ

計(jì)算時(shí)取f=20 Hz,β=5°,μ=115,α=45°,振動方向角δ對2種篩網(wǎng)運(yùn)移速度的影響如圖2。由圖2可知,當(dāng)振動方向角δ(振動方向與篩面長度方向的夾角)增大時(shí),顆粒在2種篩網(wǎng)上的運(yùn)移速度均減小。

圖2 振動方向角對顆粒運(yùn)移速度的影響

2.2 振動頻率

計(jì)算時(shí)取β=5°,δ=30°,α=45°,振動頻率對顆粒在2種篩網(wǎng)面上運(yùn)移速度的影響如圖3。由圖3可知,顆粒在篩網(wǎng)上的運(yùn)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(yùn)移速度的影響

2.3 篩面傾角β

計(jì)算時(shí)取δ=30°,α=30°,f=20 Hz,篩面傾角β對顆粒在2種篩網(wǎng)面上運(yùn)移速度的影響如圖4。由圖4可知,當(dāng)篩面傾角增大時(shí),固相顆粒在2種篩網(wǎng)面上的運(yùn)移速度均降低,這主要是因?yàn)楹Y面傾角的增大相應(yīng)地改變了振動方向角。當(dāng)篩面傾角為負(fù)值時(shí),波浪形篩網(wǎng)的運(yùn)移速度要高于平板篩網(wǎng);當(dāng)篩面傾角β=0時(shí),二者相等;當(dāng)篩面傾角為正值時(shí),平板篩網(wǎng)的運(yùn)移速度大于波浪形篩網(wǎng)。

圖4 篩面傾角對顆粒運(yùn)移速度的影響

2.4 拋擲指數(shù)

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

圖5 拋擲指數(shù)對固相運(yùn)移速度的影響

2.5 篩面結(jié)構(gòu)角α

篩面結(jié)構(gòu)角α對顆粒運(yùn)移速度的影響如圖6。由圖6可知,顆粒在篩網(wǎng)面上的運(yùn)移速度隨著α的增大而減小。

圖6 篩面結(jié)構(gòu)角對顆粒運(yùn)移速度的影響

3 結(jié)論

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

2) 拋擲指數(shù)D一般取4.7～5.0。

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

4) 在壓制波浪形篩網(wǎng)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小篩面結(jié)構(gòu)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(wǎng):中國, ZL200720081385.4[P].2008208206.

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

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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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械設(shè)計(jì)方面的教學(xué)和科研工作。