波浪形筛网固相运移规律研究

侯勇俊,曹丽娟

(西南石油大学机电工程学院,成都610500)

波浪形筛网固相运移规律研究

侯勇俊,曹丽娟

(西南石油大学机电工程学院,成都610500)

根据钻井液振动筛振动力学的基本原理,通过对波浪形筛网面上的固相受力分析,建立了固相运移动力学模型,分析了颗粒在波浪形筛网面上的基本运动规律,讨论了振动频率、筛面倾角、振动方向角等因素对固相颗粒运移速度的影响。分析结果表明,这种新型波浪形筛网虽然避免了平板筛网的“马蹄铁”效应,但其颗粒运移速度却有所降低。

波浪形筛网;固相;运移模型;计算模拟

钻井液振动筛是固相控制系统的关键设备,其主要用途是充分回收钻井液和尽可能多地清除有害固相颗粒,一台良好的钻井液振动筛应该具有钻井液处理量大、固相颗粒输送速度高等特性,其中筛网是影响振动筛工作能力的主要因素之一[1]。现场广泛使用的板式筛网处理钻井液的能力有限,为了提高其处理量,大多采用增大筛网安装倾角,但这会加速筛网的磨损,对此有人提出改变筛网形状,如波浪形筛网[2]、矩形筛网[3]、筒式筛网[4],目的都在于改善普通平板筛网泥浆向筛箱两侧流动的现象,以期增大筛网对钻井液的处理量。

新型波浪形筛网最早是由Derrick Equipment Company提出来的一种新型结构的筛网,能有效地增加与钻井液的接触面积,避免板筛网的“马蹄铁”效应[5],目前已有不少油田在使用,但是现场使用却发现这种波浪形筛网并不能达到预期的效果。对于这种新结构的筛网,目前还没有文献对其工作理论进行研究,由于筛网结构的改变,其筛分机理也相应改变,因而固相颗粒的运移规律也发生了本质变化。本文主要从建立固相颗粒的运移模型出发,分析这种新型筛网输送固相颗粒的性能,为新型高效钻井液振动筛筛网的研制和现场使用提供理论依据。

1 固相颗粒运移规律分析

1.1 颗粒受力分析

固相颗粒在筛网面上的运动形式主要有相对筛面的后滑动、相对筛面的正向滑动和离开筛面的抛掷运动3种形式,其中颗粒在筛网面上的抛掷运动规律对颗粒的运移速度起着决定性的作用。本文以直线振动筛为研究对象,分析固相颗粒在筛网面上的抛掷运移规律。以颗粒所处筛网面的切线方向、法线方向和筛网的长度方向为3个坐标轴,建立直角坐标系,如图1。

图1 颗粒在筛面上的受力

颗粒在x、y、z三个方向的受力分别为

式中,G为颗粒所受的重力,N;m为颗粒的质量, kg;N为颗粒所受筛网面的压力,N;fx为颗粒在运动时所受的沿x方向的摩擦力,N,fx=Nμcosγ,其中,γ为总滑动速度与x方向的夹角,rad;μ为摩擦因数;fz为颗粒在运动时所受的沿z方向的摩擦力,N,fz=Nμsinγ;α为颗粒所处筛面的切线方向与水平方向的夹角,即筛面结构角,rad;β为筛面倾角,rad;Δ¨x为颗粒相对于筛网在x方向的相对加速度,m/s2;Δ¨y为颗粒相对于筛网在y方向的相对加速度,m/s2;Δ¨z为颗粒相对筛网在z方向的相对加速度,m/s2;ax、ay、az分别为筛网在x、y、z方向的加速度,m/s2。

筛网在x、y、z方向的加速度分别为[6]

式中,λ为筛网的振幅,m;ω为为筛网振动角速度, rad/m;t为振动时间,s;δ为振动方向与z轴的夹角,即振动方向角,rad。

1.2 颗粒抛掷运动方程和抛掷指数

颗粒开始起跳时,N=0,与筛面的相对加速度Δ¨y=0,颗粒起跳条件为

求得颗粒开始起跳的抛始角ωt0,记为φs。

颗粒离开筛面后在y方向的运动方程为

2次积分可得颗粒离开筛面后在y方向的位移为

式中θ,为颗粒从抛起到重新落回筛面所对应的相位角θ,=φz-φs。

当抛掷结束时,Δy=0,求得抛止角ωt,记为φz。

起跳后,颗粒在z方向的运动方程为

对时间t积分,可得颗粒与筛网的相对位移为

1.3 颗粒抛掷运移速度

颗粒抛掷运动的平均速度为

整理得

2 与平板筛网计算结果对比

计算实例各参数的取值范围为:振动频率16～24 Hz,最大振幅4 mm,筛网60～120目,处理量10～20 L/s,抛掷指数3～7,振动方向角δ=30°,筛面倾角β=5°[7],关于滑动摩擦因数μ,文献[8]的试验结果为μ=115。

2.1 振动方向角δ

计算时取f=20 Hz,β=5°,μ=115,α=45°,振动方向角δ对2种筛网运移速度的影响如图2。由图2可知,当振动方向角δ(振动方向与筛面长度方向的夹角)增大时,颗粒在2种筛网上的运移速度均减小。

图2 振动方向角对颗粒运移速度的影响

2.2 振动频率

计算时取β=5°,δ=30°,α=45°,振动频率对颗粒在2种筛网面上运移速度的影响如图3。由图3可知,颗粒在筛网上的运移速度随着振动频率的增加而降低。

图3 振动频率对颗粒运移速度的影响

2.3 筛面倾角β

计算时取δ=30°,α=30°,f=20 Hz,筛面倾角β对颗粒在2种筛网面上运移速度的影响如图4。由图4可知,当筛面倾角增大时,固相颗粒在2种筛网面上的运移速度均降低,这主要是因为筛面倾角的增大相应地改变了振动方向角。当筛面倾角为负值时,波浪形筛网的运移速度要高于平板筛网;当筛面倾角β=0时,二者相等;当筛面倾角为正值时,平板筛网的运移速度大于波浪形筛网。

图4 筛面倾角对颗粒运移速度的影响

2.4 抛掷指数

抛掷指数对固相运移速度的影响如图5。由图5可知,颗粒在2种筛网上的运移速度都随着抛掷指数D的增加而呈波浪式变化;当D=417～514时,可获得理想的运移速度;过大的抛掷指数需要很大的激振力,对整个振动筛的强度要求也相应增加。

图5 抛掷指数对固相运移速度的影响

2.5 筛面结构角α

筛面结构角α对颗粒运移速度的影响如图6。由图6可知,颗粒在筛网面上的运移速度随着α的增大而减小。

图6 筛面结构角对颗粒运移速度的影响

3 结论

1) 颗粒在波浪筛面上的运移受振动方向角δ和抛掷指数影响最大,振动频率和筛面倾角β次之,可通过适当增大振动方向角及降低振动频率来增大颗粒的运移速度。

2) 抛掷指数D一般取4.7～5.0。

3) 波浪形筛网增大了钻井液与筛网的接触面积,避免了平板筛网的“马蹄铁”效应,能明显增加对钻井液的处理量,但是颗粒的运移速度比平板筛网要小,只有在筛面倾角β=0时,二者才相等。在相同条件下,波浪形筛网相对平板筛网可以取稍大的筛面倾角。

4) 在压制波浪形筛网时应适当减小筛面结构角α。

[1] Hoberock L L.Screen selection is key to shale2shaker operation[J].Oil&Gas Journal,1981(49):1312141.

[2] LiPa.Undulating molded p lastic vibrato ry screen:U 2 nited States Patent,7,264,125[P].2007204211.

[3] 侯勇俊.新型高效钻井液筛分筛网:中国, ZL200720081385.4[P].2008208206.

[4] 侯勇俊.筒式网钻井振动筛湿固相颗粒运移模型[J].石油矿场机械,2007,36(6):123.

[5] 张跃军,周凤霞,译.新型固控系统减少岩屑上的油[J].国外石油机械,1998,9(1):24227.

[6] 侯勇俊,田道云,张明洪.筒式网振动筛固相运移动力学研究[J].石油学报,2004,25(6):1092112.

[7] 朱维兵.固相颗粒在钻井筛筛面上运移的计算机模拟和试验[J].机械设计,2005,22(1):50252.

[8] HoberockL L.Modern shale shakers are keys to im2 p roved drilling[J].Oil&Gas Journal,1981(23):1072113.

Solids Migration Model of Undulating Molded Vibratory Screen Shale Shaker

HOU Yong2jun,CAO Li2juan
(College of M echanical and Electronic Engineering,Southw est Petroleum University,Chengdu 610500,China)

On the basis of kinetics’basic p rincip le of well drilling shaker,by analyzing the force on the solids phase,the dynamic model of migration about the solid phased w as studied,the rules of solid2cutting moving in the undulating molded screen was established,the effect that throw ing index,inclination of sieve surface and vibration azimuth to the solids phased conveyance speed w as discussed.The results show that although the new screen avoided the‘Horseshoe’effect,it decreased the velocity of the solidsmigration.

undulating molded vibratory screen;solids;conveyancemodel;computationalmodeling

book=1,ebook=1

TE921.01

:A

2009207220

“石油天然气装备”省部共建教育部重点实验室开放基金(2006STS01)

侯勇俊(19672),男,四川盐亭人,教授,博士,主要从事机械设计方面的教学和科研工作。