劉洪斌,朱天際,羅偉,孫浩賓

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500)

在石油鉆采中,鉆井液振動(dòng)篩作為一級固控設(shè)備被廣泛使用,其主要作用為清除鉆井液中的巖屑和其他有害固相顆粒。而振動(dòng)篩篩分顆粒效率的高低決定鉆采的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本[1-3]。對此查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),研究現(xiàn)狀如下:侯勇俊等[4]對傳統(tǒng)振動(dòng)篩以及負(fù)壓振動(dòng)篩的篩分效率影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與比較。吳先進(jìn)等[5]探究了不同篩網(wǎng)固定形式下的顆粒運(yùn)移情況。Saasen等[6]分析了鉆井液流變性與振動(dòng)篩篩分效率關(guān)系。胡書闖等[7]基于橢圓軌跡振動(dòng)篩對不同振型下的巖屑運(yùn)移與堵篩現(xiàn)象進(jìn)行分析。呂志鵬等[8]通過對顆粒之間碰撞次數(shù)與顆粒在篩網(wǎng)上分布曲線來探究其對顆粒運(yùn)移軌跡的影響。Steinsv?g等[9]從鉆井液體系和溫度角度出發(fā)探究振動(dòng)篩產(chǎn)生的油霧和蒸汽水平與篩分效率的關(guān)系。

以上文章從不同角度對影響振動(dòng)篩篩分顆粒效率因素進(jìn)行探究。但對顆粒黏結(jié)作用影響提及較少,并且沒有將顆粒黏結(jié)作用、運(yùn)動(dòng)軌跡、速度與顆粒篩分效率進(jìn)行綜合分析。為此本文將以顆粒之間的黏結(jié)作用為出發(fā)點(diǎn),探究振動(dòng)篩在不同振動(dòng)參數(shù)下顆粒黏結(jié)作用對顆粒篩分效率的影響,以達(dá)到對石油固控設(shè)備參數(shù)選擇提供借鑒意義的目的。

1 離散單元法及EDEM模型創(chuàng)建

離散單元法是由美國學(xué)者Cundall教授在1971年基于分子動(dòng)力學(xué)原理首次提出的一種顆粒離散體物料分析方法。其基本思想是把不連續(xù)體分離為剛性元素的集合,使各個(gè)剛性元素滿足運(yùn)動(dòng)方程,用時(shí)步迭代的方法求解各剛性元素的運(yùn)動(dòng)方程,繼而求得不連續(xù)體的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)[10-12]。而EDEM是世界上第一個(gè)用現(xiàn)代離散元模擬科技設(shè)計(jì)的用來模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作的通用CAE軟件。通過其模擬鉆井液中分散顆粒在振動(dòng)篩處理過程中的顆粒體系的行為特征,對固控設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測試與優(yōu)化。

根據(jù)西南石油大學(xué)設(shè)計(jì)的平動(dòng)橢圓鉆井液振動(dòng)篩尺寸參數(shù)建立簡易振動(dòng)篩三維模型[13],如圖1所示。因計(jì)算機(jī)計(jì)算能力限制,現(xiàn)將鉆井液振動(dòng)篩尺寸縮減到常規(guī)的1/10,振動(dòng)篩是由壁面、篩網(wǎng)、進(jìn)口以及出口組成。振動(dòng)篩篩網(wǎng)目數(shù)為25目,篩孔尺寸為0.71 mm。

圖1 振動(dòng)篩三維模型

2 參數(shù)設(shè)置與顆粒黏結(jié)現(xiàn)象

2.1 振動(dòng)篩與顆粒參數(shù)設(shè)置

鉆井液中的顆粒種類繁多,且不同鉆井液的組成成分大不相同。常用的水基鉆井液組成與體積分?jǐn)?shù)占比如圖2所示。

圖2 水基鉆井液的組成與體積分?jǐn)?shù)占比

由于每種組成成分包含多種顆粒,且不同鉆井液中顆粒所占體積分?jǐn)?shù)仍有變動(dòng),因此不能一一將顆粒種類進(jìn)行模擬。但可以根據(jù)篩網(wǎng)網(wǎng)孔的尺寸大小將顆粒歸為三類,分別為易透篩顆粒、難透篩顆粒與不透篩顆粒,顆粒直徑范圍在0.3 mm～1.8 mm之間。為此建立3種顆粒模型,其尺寸大小如表1所示。

表1 顆粒分類與尺寸大小

將EDEM中顆粒工廠(粒子產(chǎn)生的部分)設(shè)置在振動(dòng)篩篩箱進(jìn)口處,顆粒分布采用系統(tǒng)默認(rèn)的正態(tài)分布形式,即N(0,1)正態(tài)分布,顆粒具體生成數(shù)量與個(gè)數(shù)如表2所示。

表2 顆粒數(shù)量與生成速率

顆粒材料根據(jù)Open GEMM Wizard中的顆粒庫,并參考鉆井液中各種顆粒的基本系數(shù),輸入堆積角度選擇。顆粒形狀選擇常規(guī)的球形結(jié)構(gòu),其顆粒與振動(dòng)篩材料基本參數(shù)[14]如表3所示。

表3 各材料基本參數(shù)

2.2 顆粒黏結(jié)現(xiàn)象

由于鉆井液顆粒之間具有靜電及一定黏度等原因會(huì)產(chǎn)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象,形成由多種顆粒黏結(jié)在一起的顆粒團(tuán),顆粒的不同顏色代表不同直徑顆粒，如圖3所示。

圖3 由多種顆粒黏結(jié)形成的顆粒團(tuán)

已知顆粒團(tuán)對鉆井液顆粒的篩分具有兩面性,一方面顆粒團(tuán)由于具有強(qiáng)大的吸附力,讓鉆井液中的有用固相,如膨潤土、重晶石等顆粒隨著顆粒團(tuán)由出口脫篩,降低有用固相的篩分效率,造成有用固相的浪費(fèi)。另一方面由多種顆粒組成的顆粒團(tuán),會(huì)將一些可以透篩的有害固相顆粒吸住并隨著顆粒團(tuán)由出口脫篩?；陬w粒黏結(jié)作用,顆粒與顆粒之間的接觸模型應(yīng)選擇Herz-mindlin with JKR built-in optimal 模型[15],且JKR模型中顆粒之間的相互作用力計(jì)算公式為[16]

(1)

2.3 篩網(wǎng)的振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

已知平動(dòng)橢圓鉆井液振動(dòng)篩其篩面運(yùn)動(dòng)軌跡均為橢圓,而在軟件EDEM中通過設(shè)置實(shí)體在X、Y兩軸上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)βx、βy達(dá)到不同振型、通過改變δ調(diào)節(jié)振動(dòng)方向角大小、通過改變K調(diào)節(jié)橢圓度大小。其具體的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)如圖4所示。

圖4 橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡

已知振動(dòng)篩篩網(wǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡分解到X軸和Y軸上的運(yùn)動(dòng)方程[7]為：

(2)

(3)

(4)

式中:a、b為常數(shù);K為短長軸比;λx、λy為X、Y軸方向振幅;δ為橢圓長軸的振動(dòng)方向角;βx、βy為相位角。

選取振動(dòng)方向角為45°,其他參數(shù)不變,改變振動(dòng)篩振動(dòng)頻率,具體參數(shù)如表5所示。

表5 不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 易透篩顆粒篩分效率探究

已知易透篩顆粒存在兩種脫離篩網(wǎng)形式,一種為顆粒由篩孔透過篩網(wǎng),另一種為顆粒由出口脫離篩網(wǎng)(其中包括受顆粒黏結(jié)作用形成顆粒團(tuán)由出口脫離篩網(wǎng)與顆粒單獨(dú)由出口脫離篩網(wǎng)兩種形式)。統(tǒng)計(jì)兩種脫篩形式效率(注:顆粒由篩孔透篩稱為透篩率,如易透篩顆粒透篩即稱易透篩顆粒透篩率。顆粒由出口脫篩稱為出口脫篩率,如不透篩顆粒脫篩稱為不透篩顆粒出口脫篩率,后文亦如此),得3種易透篩顆粒在兩種脫篩形式下的平均篩分效率,如圖5、圖6所示。

圖5 不同方向角下易透篩顆粒篩分效率對比

圖6 不同頻率下易透篩顆粒篩分效率對比

從圖5可以看出,隨著振動(dòng)方向角的增大,易透篩顆粒由篩孔透篩的透篩率趨于39%,而其出口脫篩率在方向角為10°時(shí)達(dá)到最大值38.4%,且隨著方向角的增大,易透篩顆粒出口脫篩率逐漸下降,在方向角50°時(shí)達(dá)到最小值22.7%。對比兩折線,在保證較高易透篩顆粒透篩率的同時(shí)具有較低出口脫篩率,方向角需在50°～70°之間選擇。

從圖6可以看出,當(dāng)保持其他參數(shù)不變,增大頻率,易透篩顆粒透篩率與出口脫篩率趨勢均為下降。由此可得,在相同條件下,為保證較高的易透篩顆粒透篩率,振動(dòng)頻率15 Hz時(shí)為最優(yōu)值,振動(dòng)方向角需在50°～70°之間選擇。

3.2 顆粒出口脫篩率與黏結(jié)作用關(guān)系

大部分易透篩顆粒由出口脫篩是因顆粒黏結(jié)導(dǎo)致的。上文已知易透篩顆粒由出口脫篩存在兩種形式,且直接統(tǒng)計(jì)顆粒黏結(jié)作用對顆粒速度影響大小非常困難,為此統(tǒng)計(jì)易透篩顆粒單獨(dú)脫離篩口時(shí)速度與易透篩顆粒總速度,兩者之差可作為顆粒團(tuán)對速度影響大小的參考(而非實(shí)際大小),如圖7、圖8所示。

圖7 不同方向角下黏結(jié)作用與顆粒出口脫篩率對比

圖8 不同頻率下黏結(jié)作用與顆粒出口脫篩率對比

從圖7可以看出,方向角在10°～45°之間時(shí),顆粒黏結(jié)作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率呈反比。而在方向角45°～70°之間,顆粒黏結(jié)作用對速度影響大小與顆粒出口脫篩率成正比,黏結(jié)作用對顆粒速度影響越大,形成顆粒團(tuán)的易透篩顆粒數(shù)量越多,這些顆粒黏附在顆粒團(tuán)上并由出口脫篩,造成易透篩顆粒出口脫篩率增大。

從圖8可以看出,在不同振動(dòng)頻率下,顆粒黏結(jié)作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率成正比,振動(dòng)頻率在15～16 Hz之間時(shí),增大頻率會(huì)增大易透篩顆粒形成顆粒團(tuán)的數(shù)量,導(dǎo)致易透篩顆粒出口脫篩率增大。振動(dòng)頻率在16～20 Hz之間時(shí),可通過增大頻率的方法降低形成顆粒團(tuán)的易透篩顆粒數(shù)量,降低易透篩顆粒出口脫篩率。

3.3 顆粒出口脫篩率與拋物運(yùn)動(dòng)關(guān)系

顆粒在篩網(wǎng)上的理想運(yùn)動(dòng)形式為拋物運(yùn)動(dòng),而拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)決定篩網(wǎng)的使用壽命與篩網(wǎng)對顆粒的處理效率。為此,探究顆粒在篩網(wǎng)上所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)與顆粒出口脫篩率之間的關(guān)系對優(yōu)選振動(dòng)參數(shù)有借鑒意義。

已知易透篩顆粒存在由篩孔透篩可能,造成統(tǒng)計(jì)不便,為此以不透篩固相顆粒為研究對象,通過EDEM后處理中的Line功能繪制顆粒在Z軸方向(在圖4上為豎直方向)上的速度隨時(shí)間變化折線，如圖9所示。

圖9 方向角30°時(shí)顆粒Z軸方向速度折線

已知不透篩固相顆粒在篩網(wǎng)上每做一次拋物運(yùn)動(dòng),顆粒與篩網(wǎng)就會(huì)碰撞一次且顆粒在Z軸方向分速度由負(fù)值變?yōu)檎狄淮?。以圖9顆粒為例,該顆粒在篩網(wǎng)上做6次拋物運(yùn)動(dòng)。以該方法統(tǒng)計(jì)每種工況下在5 s內(nèi)的不同時(shí)間段所標(biāo)記的50顆不透篩顆粒,可得通過出口時(shí)不透篩顆粒在篩網(wǎng)上所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)平均值。將顆粒黏結(jié)作用對不透篩顆粒速度影響大小與顆粒拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)、出口脫篩率對比,如圖10與圖11所示。

圖10 不同方向角下3種參數(shù)對比

圖11 不同頻率下3種參數(shù)對比

從圖10可以看出,在振動(dòng)方向角10°～60°之間,顆粒出口脫篩率與顆粒所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)存在反比關(guān)系。以相鄰兩組方向角做對比,顆粒黏結(jié)作用對速度影越大,形成顆粒團(tuán)的顆粒越多,對應(yīng)折線上,顆粒在篩網(wǎng)上所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)越多,從而會(huì)降低顆粒出口脫篩率。而振動(dòng)方向角在70°時(shí)表現(xiàn)出不同的規(guī)律,是因?yàn)檎駝?dòng)方向角過大(即橢圓長軸與豎直方向夾角過小)造成顆粒更容易由振動(dòng)篩兩側(cè)壁面脫篩而無法統(tǒng)計(jì)到由出口脫篩的真實(shí)顆粒數(shù)量所致。

從圖11可以看出,振動(dòng)頻率在15～16 Hz之間時(shí),顆粒黏結(jié)作用對顆粒速度影響減小,導(dǎo)致不透篩顆粒形成顆粒團(tuán)的數(shù)量減少,伴隨著不透篩顆粒拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)減少4.95次,不透篩顆粒出口脫篩率增大4%,拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)減少表明顆粒更快脫離篩網(wǎng)。頻率在16～20 Hz之間時(shí),不透篩顆粒拋物次數(shù)緩慢減少,逐漸趨于穩(wěn)態(tài)值6次,且不透篩顆粒出口脫篩率減小。得在頻率15～16 Hz之間,可通過增大頻率方法提高不透篩顆粒出口脫篩率。當(dāng)頻率到達(dá)16 Hz之后,增大頻率不會(huì)減少生成顆粒團(tuán)的顆粒數(shù)量,顆粒團(tuán)對速度影響大小趨于穩(wěn)態(tài)值,顆粒在篩網(wǎng)上所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)趨于穩(wěn)態(tài)值6.2次。

4 結(jié)論

1) 本文從顆粒之間的黏結(jié)作用角度出發(fā),通過改變振動(dòng)方向角與振動(dòng)頻率,探究篩網(wǎng)對不同顆粒的篩分效率、顆粒黏結(jié)作用、顆粒速度與拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)的作用關(guān)系。顆粒之間的黏結(jié)作用會(huì)降低顆粒速度,對速度影響越大,顆粒在篩網(wǎng)上所做拋物運(yùn)動(dòng)次數(shù)越多,形成顆粒團(tuán)的顆粒數(shù)量越多。

2) 通過改變振動(dòng)方向角大小,易透篩顆粒透篩率隨著振動(dòng)方向角的增大趨于定值39%,但其出口脫篩率整體呈下降趨勢。振動(dòng)方向角在45°～70°之間,黏結(jié)作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率成正比。如易透篩顆粒出口脫篩率在方向角50°時(shí)達(dá)到最低值22.7%,黏結(jié)作用對速度影響大小同時(shí)也達(dá)到最低值0.21 m/s。

3) 通過改變振動(dòng)頻率大小,在一定振動(dòng)頻率范圍內(nèi),增大振動(dòng)頻率可提高不透篩顆粒出口脫篩率。如振動(dòng)頻率在15～16 Hz之間,增大頻率,不透篩顆粒出口脫篩率由59%增加到63%。超出此頻率范圍后,繼續(xù)增大振動(dòng)頻率不會(huì)增加顆粒出口脫篩率,其原因?yàn)轲そY(jié)作用對顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡影響程度趨于穩(wěn)定。