废弃钻井液固液分离技术研究

废弃钻井液是一种胶态悬浮体，也是石油钻井工业的主要污染源，所以研制有效的固液分离设备，可以减少甚至消除废弃钻井液对环境的污染，改善油田环境保护的效果。本文就提出一种结构简单、能耗低且分离效率高的固液分离模拟试验装置。

固液分离模拟试验装置工作原理

具体工作流程如下：钻井液由压力泵送入图中的螺旋入料口，再用高压注入（7）压滤罐内，充满罐体，此时在旋流效应的作用下，一部分密度相对较大的钻井液颗粒会产生一个惯性，惯性的方向朝下及压滤罐内壁，然后下沉到（10）沉降区；在这个过程中，会有一部分大固相颗粒则被旋离压滤罐子中心区域，其主要目的是降低压滤顺中大固相颗粒率，改善过滤效果，延长压滤器滤网的使用寿命。另外一部分钻井液颗粒则会受压力差的作用进入压滤器进行过滤，其中颗粒半径较大的会被（6）压滤器滤网节流阻挡，透过滤网的滤液会流经（5）中心管，受到压滤罐内外压差的作用，再由端口流出罐体进行回收利用。

在整个压滤过程中，图中（3）自同步双电机会产生周期激励作用，促进（6）滤网振动，且具有一定的周期性，再加之滤网本身呈锥型，其与水平面形成60度的倾角，在其振动作用下滤网面上所沉积的固相颗粒受到沿滤网表面的切向分力，基于特定的动力学参数条件，颗粒会沿着滤网面下滑落入（10）自由沉降区；这个过程中，滤网表面还会有很多颗粒形成抛掷运动，距离上滤网表面落入自由沉降区。此外，下滤网表面所粘结的固相颗粒受到惯性激振力的作用后，会被从下滤网面抖落，此时压滤罐内外的大气压差不会对其产生合力作用，所以一部分固相颗粒受到综合重力的作用下自由沉降至沉降区。

上述过程中，固相颗粒沿着滤网面进行向下的滑动与跳动，所以滤网表面不会形成固相颗粒的堆积，防止形成滤饼堵塞滤网，保证了过滤效果；并且过滤过程中待处理的钻井液会沿着滤网面的切向相对流动，形成低剪切十字流过滤效应。此外，在该钻井液固液动压分离模拟装置下端，还设置了一个螺旋排屑机构，即岩屑后处理机，其主要作用是把从泥浆中分离出的岩屑固相颗粒从压滤罐中排出，再将液体回收到泥浆槽，从而进入下一个钻井循环。

废弃钻井液固液分离装置单元部件设计分析

本文所提出的试验机一共包括三个系统模块，即激振系统、动压分离系统以及循环系统，下面进行分别介绍。

激振系统

本装置激振系统采用的是双电机自同步单自由度激振器方案，在确定该方案前对各种激振器的优缺点进行全面分析，并深入研究固控组对振动筛双电机自同步激振器的相关理论，最终确定采用该方案。因为其具备下列显著优势：首先系统中未采用齿轮或皮带等传动装置，简化了设备结构，应用过程便于，后续进行设备日常的维护与保养也比较方便；其次，其驱动装置选择双激振电机，安装方便，且后续维护工作也得以简化；最后，选择这种激振方案为后续试验机装置实现通用化、系统化、标准化生产打下坚实的基础。

具体而言，激振机构包括两大部分，即动力源与激振器，其中将动力源电机设置于钻井液固液分离装置正上方中心管的两侧位置，激振器在电机的带动下产生周期激振，中心管再带动压滤器进行周期振动，最终钻井液可以在动态的条件下被压滤罐进行压滤处理。

循环系统

整个循环系统以压力泵为动力源，因此压力泵要能保证系统运行所需的流量及压力等参数要求，并具备理想的泵特征曲线，压力泵保持在1-2个大气压比较理想；此外，循环系统还包括其它泥浆槽、泥浆输送管线以及辅助过滤装置等机构。

动压分离系统

整个钻井液固液分离装置中，动压分离系统最为复杂，其主要组成部分包括螺旋入料机构、压滤器、中心管、压滤罐、螺旋排屑机构、弹性支撑底座、蝶阀总成等基本部件，此外还包括压力显示及报警装置等辅助部件。下面对主要部件进行介绍：

1.参照旋流器的原理设计出螺旋入料口，当压力泵把高压泥浆注入压滤罐后，螺旋入料口会促使其形成螺旋流，螺旋入料口的相关参数，包括螺旋升角、螺距、旋流半径等，要结合钻井液的特性来设计，要保证大密度固相颗粒产生向及向压滤罐内壁方向的初速度，要求大颗粒在向下沉降的过程中不断向四周扩散，其主要目的是减少压滤罐中心区域大固相颗粒的含量，以提高过滤效率。小固相颗粒会继续悬浮于钻井液中，其在受到钻井液的脉动、压滤罐内外压差的作用后，被随时补充至压滤区被过滤掉。

2.滤网架机构，其位于压滤罐内部位置，是整个过滤器的主体结构，整个滤网架机构包括多个部件，主要有铰链、搭耳、上下环箍、外环与辐条、双层滤网等，还包括一些其它的胶垫及螺母等。整个过滤器主体结构一共包含四个滤网架，它们由中心管串联在一起。单个滤网架设计为锥型、双层的形状，主要目的有两个，一是扩大有效过滤面积，将有限的过滤空间充分利用起来；并且滤网面与水平面保持一定角度的倾角，可以促使滤面上沉积、粘结的固相颗粒受沿滤网面的切向分力，尤其是滤网面周期振动，对固相颗粒滑离滤网十分有利。压滤器的工作原理如下：压滤罐内外压力差作用于压滤器中，从而四层滤网架之间会形成一定的过滤空间，钻井液在过滤空间上下滤网表面进行过滤，再加上双电机的周期激振作用，固相颗粒经过过滤后会迅速离开滤网面空间，自由落体至沉降区。这种设计方案可以促使滤网进行自洁，提高了透网率，保证了过滤过程的连续性。

3.介绍过滤器的另外一个核心部件，即中心管。中心管主要是数段空心钢管焊接而成，下段设置起到扶正作用的定位轴，中段管钻有过滤孔，上段则预留泥浆出口，并加接胶管。中心管的主要作用包括以下几个方面：上文中提到的支撑、串联压滤器的四个滤网框架；中心管还起到处理后滤液传导中枢的作用，经过过滤的泥浆通过上下滤网面进入中心管，然后滤罐内外大气压差会将泥浆沿中心管上端出口压出固液分离装置；此外，中心管还起到动力传输的作用，双电机由托板对称设置于中心管上方位置，当双电机进行同步振动时，中心管会受到电机托板传送过来的激振力，然后通过滤网架将激振力传递给滤网。在固液分离装置运行过程中，中心管、滤网架会在驱动电机的带动下同步振动。

4.介绍压滤罐与螺旋排屑机构。其中整个固液分离装置就是以压滤罐为主体，其主要组成部分包括呈螺旋状的方形泥浆入口中、泥浆箱体、螺旋排料装置以及密闭接触部气囊等。压滤罐的主要作用包括：承装待处理的泥浆，利用扶正筒与压缩弹簧支撑过滤器以及双电机激振系统。压滤罐的工作原理如下：需要处理的泥浆被压力泵从螺旋入口压入罐中，对其进行初次分离处理，箱体中的泥浆具备一定的压力，与外界大气形成压力差，受到压力差与激振力的共同作用，压滤器滤网表面粘结的泥浆会进行固液分离，完成二次处理。经过处理的钻井液再经过中心管返回泥浆池。螺旋排屑装置位于压滤罐下面，其主要作用是把钻井液分离出的岩屑固相颗粒排出泥浆箱。螺旋排屑装置的主要组成部分包括螺旋推屑压实器、自动排屑阀门及相关的动力传递机构，工作过程中，螺旋推屑压实器通过高速旋转把固相颗粒进行压实处理，当其达到设置密实度时，再打开自动排屑阀的阀门进行排屑。

5.最后介绍位于固液分离装置上盖正中央位置的弹性支撑底座，其包括扶正筒、支撑弹簧、密封气囊、上弹簧盖以及其它附件等，其主要起来到一个支撑、限制及扶正的作用，支撑过滤器以及驱动电机部件，对各过滤部件起到限制与扶正作用，防止其左右摇摆；支撑弹簧产生双激振电机振动时的回复力，此外，弹性支撑底座中的密封气囊还可以防止压滤装置跑浆。

结语

总之，随着油田开采技术的不断发展，钻井液的固液分离技术将成为业内一大热点，本文立足实际，结合钻井液固液分离技术的实际发展需要，提高了钻井液固液分离装置，以期为后续同行提供参考借鉴。

（作者单位：北京中水长固液分离技术有限公司）