鉆井離心機(jī)流場(chǎng)特性及重晶石回收效率分析*

岳明 張羽臣 劉陽 王棟森 楊保健 李偉

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)不斷向深部地層邁進(jìn)，對(duì)鉆井液密度和性能的要求也不斷提高，塔里木油田和西南油氣田部分區(qū)塊的鉆井液密度甚至達(dá)到了2.5 g/cm3，而加重鉆井液中重晶石的費(fèi)用占到鉆井液成本的75%，因此鉆井液重晶石的回收和有害固相的去除對(duì)鉆井作業(yè)有重要的意義[1-2]。

目前國內(nèi)外關(guān)于鉆井液離心機(jī)的研究主要集中在非加重鉆井液的液固分離方面[3-5]，一般都是將鉆井液簡(jiǎn)化為液-固兩相流，并分析結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對(duì)分離效率的影響。劉京廣[6]建立了臥螺離心機(jī)的三維模型并進(jìn)行了流體運(yùn)動(dòng)仿真，分析了流場(chǎng)速度與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的關(guān)系；鄭勝飛[7]采用RSM模型對(duì)臥螺離心機(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布和速度分布，但分析模型對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并沒有考慮螺旋對(duì)流體的影響；劉洪斌等[8]建立了離心機(jī)流體域和螺旋輸送器的模型，通過數(shù)值模擬得到離心機(jī)流場(chǎng)的情況，并對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行了流固耦合分析。對(duì)于加重鉆井液中重晶石的回收問題，相關(guān)研究非常少，主要是技術(shù)探討與可行性分析[9-10]，國內(nèi)主要有張曉東等[11]通過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，得到了固相回收率和粒度分布的關(guān)系。本文針對(duì)超深井高密度鉆井液中重晶石的回收效率問題，將鉆井液考慮為液-固-固流體模型，分析了離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的瞬態(tài)變化過程以及多種因素對(duì)重晶石和有害固相分布的影響，并對(duì)重晶石的回收效率進(jìn)行了分析。

1 離心機(jī)重晶石回收效率模型

鉆井液臥螺離心機(jī)工作原理如圖1所示。鉆井液由進(jìn)料管進(jìn)入螺旋推料器內(nèi)筒，在離心力作用下，較重的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)轂內(nèi)壁上形成沉渣層，經(jīng)螺旋推料器連續(xù)推動(dòng)后排出到沉渣池；較輕的液相由轉(zhuǎn)轂大端溢流口連續(xù)溢出，經(jīng)溢流端口排到離心機(jī)外。對(duì)于加重鉆井液而言，離心機(jī)不僅可以去除加重鉆井液中多余的膠體和細(xì)小的有害固相，從而控制鉆井液的黏度，保證鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，而且還可以回收加重材料，一定程度上降低鉆井成本。

1—沉渣池；2—溢流端；3—轉(zhuǎn)轂；4—螺旋推料器；5—差速器。

按照API標(biāo)準(zhǔn)，加重鉆井液中至少有97%的重晶石的粒徑在74 μm以下，如圖2所示。從圖2中可以看出，絕大多數(shù)重晶石粒徑分布范圍為2～74 μm。振動(dòng)篩和除砂除泥器則可以去除鉆井液中大于74 μm的鉆屑，加重鉆井液中重晶石粒徑分布以10～50 μm所占比例最高[12]。

圖2 加重鉆井液中固相顆粒的粒度分布

鉆井液中重晶石的回收效率為[12]：

(1)

式中：M、Mc和Mf分別為重晶石質(zhì)量、離心機(jī)沉渣池中重晶石質(zhì)量及溢流口處重晶石質(zhì)量，kg。

在實(shí)際作業(yè)過程中，重晶石回收效率可以采用式(2)計(jì)算。

(2)

式中：C0、Cf分別為鉆井液中重晶石在離心機(jī)進(jìn)口處、溢流口的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；W0為沉渣池中重晶石的含水體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)溢流口重晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)和沉渣池重晶石的含水體積分?jǐn)?shù)均比較小時(shí)，式(2)可以簡(jiǎn)化為：

(3)

2 液-固-固鉆井液瞬態(tài)流場(chǎng)分析

本文考慮鉆井液中重晶石和有害固相對(duì)流體性能的影響，將流體模型假設(shè)為液-固-固鉆井液模型。鉆井液離心機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，沉渣池和溢流口的重晶石回收效率時(shí)刻變化，因此，本文對(duì)離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，可以更好地觀察離心機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定過程中，其內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況以及重晶石分布的變化過程。

2.1 鉆井液離心機(jī)流場(chǎng)分析模型

選取工況條件為轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，處理量為60 m3/h，常用加重鉆井液黏度為0.01～0.06 Pa·s，選取鉆井液黏度為0.02 Pa·s。目標(biāo)分離重晶石粒徑為30 μm，體積分?jǐn)?shù)為25%；有害固相粒徑為5 μm，體積分?jǐn)?shù)為25%[13]。固相定義為離散相固體，液相為連續(xù)流體，由于在轉(zhuǎn)轂壁處流體相對(duì)于轉(zhuǎn)轂壁無滑動(dòng)，所以設(shè)定為無滑移條件，取入口處湍流強(qiáng)度為5%，采用RNGk-ε湍流模型對(duì)離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行多相流模擬。

由于流動(dòng)模型比較復(fù)雜，本文采用四面體網(wǎng)格對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13]，流場(chǎng)邊界條件模型如圖3所示。

圖3 離心機(jī)流場(chǎng)邊界條件模型

2.2 瞬態(tài)流場(chǎng)分析結(jié)果

本計(jì)算模型考慮細(xì)小鉆屑有害固相和重晶石顆粒對(duì)鉆井液的影響，設(shè)置計(jì)算時(shí)間t=3.0 s。重晶石顆粒沿軸向的體積分?jǐn)?shù)變化過程如圖4所示。從圖4可以看出，重晶石的分離效果相當(dāng)明顯，當(dāng)計(jì)算時(shí)間達(dá)到1 s左右時(shí)，內(nèi)部流場(chǎng)中的重晶石體積分?jǐn)?shù)分布已經(jīng)基本穩(wěn)定，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，可以得到沉渣池和溢流出口端重晶石的顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為82.56%和5.96%，有害固相的顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為1.50%和7.12%。

圖4 重晶石體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的分布情況

此外，由于鉆井液中重晶石和細(xì)小有害固相分離的粒徑差異較大，導(dǎo)致沉渣池重晶石的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有害固相，而溢流口處重晶石和有害固相的體積分?jǐn)?shù)差異較小，主要是由于轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速較低，沒有達(dá)到分離臨界的要求，同時(shí)離心機(jī)的處理量較小，達(dá)不到分離細(xì)小鉆屑有害固相顆粒的性能要求。在此基礎(chǔ)上，提取t=2.0 s時(shí)液相的軸向速度分布，如圖5所示。

圖5 重晶石軸向速度分布圖

從圖5可以看出，由于螺旋推料器的影響，重晶石的軸向速度在離心機(jī)內(nèi)部并不呈均勻分布，靠

近轉(zhuǎn)轂壁面附近的重晶石軸向速度為正(向左)，這部分重晶石最終通過沉渣池排出，達(dá)到重晶石回收的目的。

在圖5的基礎(chǔ)上，得到沿軸向不同橫截面處的重晶石軸向速度分布，如圖6所示。分流口處的軸向速度分布如圖6a所示。從圖6a中可以看出分流口附近出現(xiàn)回流現(xiàn)象。圖6b和圖6c是距分流口較遠(yuǎn)位置截面的軸向速度分布圖。圖6中3個(gè)橫截面的結(jié)果都表明，靠近轉(zhuǎn)轂壁面附近的重晶石速度與自由液面附近的重晶石軸向速度方向相反，而且軸向速度沿周向并未均勻分布，不同截面處的軸向速度分布也不同。

圖6 重晶石流場(chǎng)軸向速度截面圖

3 參數(shù)影響分析

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)在用的離心機(jī)而言，影響重晶石回收效率的性能參數(shù)主要有鉆井液黏度、轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速和重晶石粒徑[14-15]。本文通過改變各參量的變化范圍，得到對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)分析結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果，得到各影響因素對(duì)沉渣池和溢流口中重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響。初始模型參數(shù)為：鉆井液處理量60 m3/h，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，重晶石體積分?jǐn)?shù)25%、粒徑30 μm，有害固相體積分?jǐn)?shù)5%、粒徑5 μm，鉆井液體積分?jǐn)?shù)70%。

3.1 鉆井液黏度變化的影響

鉆井液黏度對(duì)沉渣池和溢流口處重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響如圖7所示。從圖7可以看到，隨著鉆井液黏度的增大，沉渣池重晶石的回收效率明顯降低，有害固相的回收效率同樣比較差，導(dǎo)致溢流口的重晶石體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是鉆井液黏度會(huì)延長離心沉降分離的時(shí)間，從而導(dǎo)致加重鉆井液中到達(dá)轉(zhuǎn)轂壁面的固相不斷減少，當(dāng)黏度超過一定值時(shí)，該型離心機(jī)甚至不能對(duì)重晶石進(jìn)行分離。

圖7 鉆井液黏度對(duì)重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響

基于鉆井液黏度變化會(huì)出現(xiàn)隨著溫度升高而降低的趨勢(shì)，本文對(duì)原樣密度為1.605 2 g/cm3的鉆井液進(jìn)行在溫度影響下固相顆粒的分離試驗(yàn)，離心機(jī)型號(hào)為LW250，轉(zhuǎn)速為4 500 r/min。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，逐漸升高鉆井液的溫度，離心機(jī)溢流口的鉆井液密度逐漸降低，鉆井液中固相顆粒的分離效果越來越好，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性。

3.2 轉(zhuǎn)速變化的影響

推料器轉(zhuǎn)速對(duì)沉渣池和溢流口重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響如圖8所示。從圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，沉渣池重晶石的分離回收效率明顯上升，尤其是當(dāng)推料器轉(zhuǎn)速從4 000 r/min升高到4 500 r/min時(shí)，有害固相的分離效率上升迅速，導(dǎo)致溢流口返出的重晶石體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。之所以產(chǎn)生該現(xiàn)象，主要是因?yàn)殡x心機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速對(duì)離心力的影響，隨著轉(zhuǎn)速增加，離心力逐漸增大，從而使達(dá)到轉(zhuǎn)轂壁面上的固相增多，沉渣池固相隨著轉(zhuǎn)速的增大而增多。

圖8 轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速對(duì)重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響

3.3 重晶石粒徑變化的影響

重晶石粒徑對(duì)沉渣池和溢流口重晶石的影響如圖9所示。從圖9可以看出，隨著重晶石粒徑的增大，沉渣池重晶石體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，尤其是重晶石粒徑從30 μm增加到50 μm時(shí)，沉渣池重晶石的回收效率迅速上升。

圖9 重晶石粒徑對(duì)重晶石體積分?jǐn)?shù)的影響

4 重晶石回收效率計(jì)算

以重晶石粒徑對(duì)重晶石回收效率的影響為例，進(jìn)料口鉆井液中重晶石體積分?jǐn)?shù)為25%、密度為4.2 g/cm3，有害固相體積分?jǐn)?shù)為5%、密度為2.6 g/cm3，鉆井液體積分?jǐn)?shù)為70%、密度為2.0 g/cm3。由此可以分別得到在進(jìn)料端口處鉆井液、溢流口鉆井液和沉渣池鉆井液中重晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將計(jì)算結(jié)果代入式(2)，即可得到重晶石回收效率，如表1所示。

表1 不同粒徑下重晶石的回收效率

從表1可以看出：當(dāng)重晶石的粒徑為10 μm時(shí)，重晶石的回收效率很低，主要是由于有害固相的粒徑和重晶石的粒徑比較接近，超過該離心機(jī)能夠分離的最小粒徑，所以難以達(dá)到分離效果；當(dāng)重晶石粒徑增大到30 μm時(shí)，回收效率迅速增大到81.35%。因此重晶石的粒徑對(duì)重晶石的回收效率有很大的影響。

5 結(jié) 論

(1)離心機(jī)沉渣池重晶石的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于有害固相，而溢流口重晶石和有害固相的體積分?jǐn)?shù)差異較小，離心機(jī)分流口處的鉆井液速度分布并不均勻，軸向速度在離心機(jī)溢流口處達(dá)到最大。

(2)隨著鉆井液黏度的增大，沉渣池重晶石的回收效率明顯降低，溢流口的重晶石體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

(3)隨著轉(zhuǎn)速和重晶石粒徑的增大，沉渣池重晶石體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，溢流口返出的重晶石體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(4)當(dāng)重晶石粒徑為10 μm時(shí)，其回收效率較低，隨著粒徑的增大，重晶石的回收效率迅速增加，因此粒徑對(duì)重晶石的回收效率有很大的影響。