青海省五龍溝礦區(qū)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(qū)內，坑道鉆探工程在該礦區(qū)勘探隱伏礦床的過程中發(fā)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(fā)旋流除砂器一臺，達到控制沖洗液循環(huán)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(huán)境介紹

青海省五龍溝礦區(qū)坑道深孔鉆進過程中，現(xiàn)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(huán)系統(tǒng)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(qū)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(fā)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(fā)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(huán)系統(tǒng)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(xiàn)）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(huán)系統(tǒng)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(fā)

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(shù)逐一進行設計。

3.1.1直徑D

現(xiàn)場的鉆井液參數(shù)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(shù)Kp=52；np=0.4465。根據公式：

D（4+np）=4Qπ2+npρμnpKp2Δp

把現(xiàn)場鉆井液參數(shù)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(qū)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(wěn)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(tài)來調節(jié)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(shù)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(xiàn)場論證過程中，運用我院自主研發(fā)的旋流器，再配合原有的設備，形成一套完善的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，在五龍溝地區(qū)設計孔深為251.88m的ZK9104鉆孔使用，可以滿足在坑道鉆機環(huán)境中的布置要求，達到控制沖洗液循環(huán)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(qū)坑道鉆探硐室圍巖穩(wěn)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。