鉆井泥漿罐自動化清洗與回收成套設備研制

（合肥通用機械研究院有限公司 通用機械復合材料技術安徽省重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

泥漿罐是在石油、天然氣、地質礦產和鹽業(yè)等領域鉆井作業(yè)過程中的必備設備。泥漿罐在使用過程中，泥漿容易產生沉積，出現罐容降低、影響新漿品質等問題，因此必須定期清洗維護。泥漿罐中的沉積物一旦產生，僅僅依靠泥漿站的現有設備已經無法將其抽出和處理?，F有清洗方法是人工進罐，采用消防水直接沖洗、攪拌后抽出，抽出物需交給專業(yè)公司進行危險廢棄物處理，產生大量的成本支出。并且人工進罐安全隱患大，作業(yè)環(huán)境差，工作效率低，亟需研制機械清洗設備代替人工清洗。機械清洗工藝已經在原油儲罐、成品油儲罐、加油站等領域廣泛應用。根據泥漿罐的罐型特點以及泥漿沉積物的屬性，研制鉆井泥漿罐自動化清洗與沉積物回收減量處理專用成套設備，主要由清洗模塊、抽料回收模塊、泥漿分離模塊及自動化控制系統(tǒng)等組成。

1 成套設備的工藝設計

根據泥漿罐的罐型特點，泥漿罐機械清洗采用頂部安裝清洗噴槍、底部出料口為抽吸口的循環(huán)模式。在沉積物回收減量處理階段，清洗泵將清洗介質加壓輸送給安裝在泥漿罐頂部的清洗噴槍，形成的射流可破碎、攪拌罐底沉積物，使其恢復流動性，從而被抽料回收模塊抽出并處理。射流破碎沉積物的全過程是該階段工藝的關鍵環(huán)節(jié)。抽出的沉積物輸送到泥漿分離模塊，分離出的重相進入巖屑箱，輕相再循環(huán)用于射流破碎、攪拌作業(yè)。罐底沉積物全部被破碎回收分離之后，調整清洗噴槍的模式，轉為泥漿罐清洗階段，以水為介質，射流清洗泥漿罐的罐壁，去除罐壁附著的污物并回收分離，直至罐內的污物全部清理干凈。成套設備的工藝流程設計如圖1所示。

圖1 泥漿罐自動化清洗與沉積物回收減量處理工藝流程

泥漿分離模塊包含有兩級固液分離裝置和一級油水分離裝置，是減量回收的關鍵設備。抽料回收模塊抽出的介質輸入泥漿分離模塊，進入斜板沉降系統(tǒng)進行一級固液分離。一級固液分離屬于重力分離式的粗分離，重相直接排出系統(tǒng)外，輕相進入二級固液分離裝置。二級固液分離屬于離心強制分離，可將介質中粒徑20 μm以上的固體顆粒分離出來。同時，以水為介質清洗時，設置的油水分離裝置可將水中的油分離出來?；謴土鲃有缘墓薜壮练e物經過泥漿分離模塊的分離，固相被排出，輕相得以循環(huán)利用，實現減量回收的工藝目的。

2 關鍵設備設計

2.1 噴槍的設計

清洗噴槍屬于成套設備中清洗模塊的關鍵設備，其作用有：（1）產生射流，破碎泥漿罐底部沉積物，使其產生流動性，以便被回收模塊抽出進入后續(xù)流程；（2）清洗泥漿罐罐壁的附著物，恢復泥漿罐的清潔度。由此可見，噴槍性能的優(yōu)劣直接決定著成套設備施工的效率和效果。在選定清洗泵參數后如何設計噴槍使射流打擊力最大，如何進行結構設計，實現射流軌跡對作業(yè)對象的高效全覆蓋，是噴槍設計的2個重要目標。研制出了壓力 0.5～1.5 MPa、流量 20～40 m3/h 的系列化清洗噴槍，在此以0.7 MPa、30 m3/h為例論述技術設計。

噴嘴直徑計算式[1]為：

式中 d——噴嘴直徑，mm；

q——噴射流量，m3/h；

p——噴射壓力，MPa；

n——噴嘴個數；

η——噴嘴效率系數，取η=1.05。

將 p=0.7 MPa，q=30 m3/h代入式（1），計算得出噴嘴直徑d=17.8 mm，圓整后取噴嘴直徑d=18 mm。根據試驗結果，在射流長度30 m左右時，水柱[2]長度約為 24 m。修正系數[3]取 0.51，則實際有效射程約為12 m。對于圓柱形泥漿罐（直徑5.8 m、高度8 m），噴槍安裝在罐頂中心人孔，距罐底外圓8.5 m，在噴槍的有效射程內，滿足設計要求。

射流內部流場的形態(tài)決定著打擊力的大小[4]，空化射流因其高收斂性，有效延長自由射流區(qū)和沖擊區(qū)的軸向長度，進而提高射流的打擊力。為了制造空化效應，將噴嘴中設置一個錐形芯以形成繞流，繞流的結果是射流在噴嘴出口產生卡門渦街，旋渦所形成的真空帶使得射流產生空化現象。大氣與真空帶的壓差將射流核長度延伸，射流在渦街之后凝聚構成其核心區(qū)；由于核心區(qū)得到延長，射流總有效長度也即得到延長[5-6]。

沖擊壓力與連續(xù)射流的沖擊壓力有以下關系[7]：

式中 pi——空化射流沖擊壓力；

ps——連續(xù)射流沖擊壓力；

a——液體內氣體的體積分數。

當時 a=1/12～1/6 時，pi=（8.6～124）ps。

由上式可以看出，空化射流的沖擊壓力與連續(xù)射流的沖擊壓力相比，由于空化射流氣泡在沖擊壁面破滅所產生瞬時爆破壓力效應，使射流沖擊壓力均值得到極大提高。經設計、分析及試驗驗證，當長徑比L/d=4.5，錐角α=31°時，空化效果最好，空化后的射流沖擊力最大。錐形噴嘴芯的形式如圖2所示。

圖2 空化射流噴嘴的設計

為了提高作業(yè)效率，噴槍的功能設計有3種清洗模式：底部清洗模式、罐壁清洗模式和全方位清洗模式，設置有模式切換開關，各種清洗模式之間通過離合結構快捷切換。針對方形和圓柱形2種型式的泥漿罐，噴槍運行模式的角度范圍不同。底部清洗模式時，清洗噴槍角度范圍是根據不同罐型以及沉積物高度特殊設計的。根據對多個泥漿站的實地考察，使用5年左右未清洗過的固定式圓柱形泥漿罐，沉積物高度平均約為0.7 m，最高不超過1 m；移動式方形泥漿罐的沉積物平均高度約為0.35 m，最高不超過0.5 m。因此，如圖3所示，針對直徑5.8 m、高度8 m的圓柱形泥漿罐，在沉積物堆積高度1 m的情況下，噴槍射流與噴管軸線夾角（即噴槍的擺動角度）為23.39°，此時噴槍射流能覆蓋全部罐底，圓整后取24°。即當罐內堆積高度不超過1 m時，該噴槍的射流可沖擊罐底的全部沉積物，無死角無遺漏，同時避免擺角設計過大造成無效作業(yè)。同理，如圖4所示，方形泥漿罐清洗噴槍的擺動角度圓整后取 77°。

圖3 圓柱形泥漿罐底部清洗模式噴槍角度的設計

圖4 方形泥漿罐底部清洗模式噴槍角度的設計

因此，清洗圓柱形泥漿罐的噴槍，其底部清洗模式的角度范圍為0～24°，罐壁清洗模式為24°～90°，全方位清洗模式為 0～135°。清洗方形泥漿罐的噴槍，其底部清洗模式的角度范圍為0～77°，罐壁清洗模式為 77°～90°，全方位清洗模式為 0～135°。

2.2 斜板沉降系統(tǒng)的設計與校核

斜板沉降系統(tǒng)主要用于各種混合物的沉淀和除砂作用，是給排水工程中采用最廣泛的水處理裝置。它適用范圍廣，處理效率高，占地面積小。斜板沉降系統(tǒng)屬于斜流式沉淀，該沉淀方式的產生來源于哈真（Hazen）在20世紀初提出的淺池理論。根據泥漿罐清洗回收施工工藝的需要及設備體積的限制，特殊設計了一套斜板沉降系統(tǒng)，用于分離泥漿中的重相組分。斜板沉降系統(tǒng)主要由進液分布器、斜板分離器和泥漿移送泵等組成。其工作原理是：斜板可以減小水力半徑，加大過水斷面的濕周，從而使得在相同水平流速的情況下，極大降低雷諾數，減少蓄流。斜板層間距離小，縮短了顆粒沉降距離，沉淀時間減少，沉淀效率提高。上清液通過溢流堰進入下級溢流槽，顆粒沉淀在底部污泥斗，經泥漿移送泵輸送至指定收集容器。斜板沉降系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 斜板沉降系統(tǒng)原理

斜板沉降系統(tǒng)的處理能力，只與其底面積和顆粒沉降速度有關，而與沉淀池的深度無關。斜板沉降器分離顆粒的粒徑dp與其沉降速度的關系符合斯托克斯定律：

式中 dp——分離顆粒的粒徑；

K——系數；

vs——沉降速度。

上向流斜板沉降器的主要設計參數按以下經驗值[9]選取：（1）顆粒沉降速度 0.3～0.5 mm/s；（2）上升流速在斜板傾角為60°時為2.5～3.5 mm/s，介質在斜板內的停留時間一般為4～7 min；（3）斜板傾角 60°；（4）板距 50～150 mm。

斜板沉降器的設計計算，主要是根據給定的池體尺寸，計算斜板數量和過流孔的數量與分布，校核運行參數（停留時間、上升流速、雷諾數等）。當顆粒物的沉降速度大于表面負荷時，才能有效沉降到池底，完成固液分離。

已知設計條件：過流量Q=8.3×10-3m3/s；單塊斜板面積1.85 m2；斜板凈板距P=0.05 m；斜板有效系數η =0.8；顆粒沉降速度μ =4.6×10-4m/s。

則斜板面積Af：

根據本項目斜板沉降器的尺寸，可設置30塊斜板，則斜板總面積為30×1.85=55.5 m2，大于需要斜板實際總面積45.2 m2，設計能夠滿足工況要求。

為保證流動平穩(wěn)，防止局部紊流，斜板沉降器布水區(qū)穿孔花墻的孔口流速v不能過大，取經驗值v=0.18 m/s，則孔口總面積A1為：

單個直徑D=30 mm的孔的面積A30為：

則孔的個數Z為：

圓整后，穿孔花墻設置66個直徑為30 mm的過流孔。

3 成套設備的工程應用

鉆井泥漿罐自動化清洗與回收成套設備于惠州某泥漿站進行了現場作業(yè)，共清洗3具圓柱形泥漿罐，單罐有效容積180 m3，直徑5.8 m，罐高8 m。罐內沉積物約13 m3，高度約0.5 m。

單罐的清洗時間約6 h，其中罐底沉積物的清洗回收時間為4 h，罐壁清洗2 h，分離出固相約6 m3，沉積物減量約54%。相比較于人工清理，固廢處理量大大減少，節(jié)省大量的固廢處理費用，經濟效益明顯。分離后的輕相主要是水和可溶于水的鹽等組分，測定其成分組成之后，可直接輸入至配漿罐，通過調整組分配制新漿。該站共有20具圓柱形泥漿罐，按照平均每罐沉積物10 m3計算，清理后共騰出200 m3的容積，相當于給該站騰出了1具泥漿罐的庫容，更有利于站內生產調度。

4 結語

鉆井泥漿罐自動化清洗與回收成套設備在工藝流程設計上實現了泥漿罐機械清洗中，沉積物的固相得以回收分離，達到了沉積物的減量化目標，輕相可再利用制漿。該套設備的噴槍根據泥漿罐罐型進行了針對性設計，引入空化射流，射流清洗效果好，作業(yè)效率高。斜板沉降系統(tǒng)設計緊湊，并且達到了大流量下的固液分離目標。各組成設備的合理匹配及自動化控制實現了無人值守作業(yè)，大大減輕了人員勞動強度。在實際的工程應用中，清洗周期短，固液分離效果明顯，實現了可回收資源的再利用。