钻井液固相提纯用ZJS12振动筛参数确定

李 祥，缪 宏，张瑞宏，刘 伟，陶德清，季亚楠，王洪亮，耿龙伟

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

在现代钻井设备中，钻井液固相控制系统具有极其重要的作用，该系统是确保钻井液正常循环及性能稳定的重要环节。而钻井液振动筛作为钻井液筛分处理的第一级固控设备，具有效率高、投资少以及消耗功率小等优点，它通过强迫振动的方式分离钻井液中较大的固相颗粒，以及完成回收钻井液中液相的任务。

目前，国内外振动筛的设计大多采用低筛除效率、高过滤量的原则，在振动筛设计时采用高频、小振幅的设计方法，这样的原则与设计方法导致了振动筛钻井液回收率过低、使用寿命短、不方便运输、后续筛分设备（如除砂器、除泥器及离心机）的负担过大等弊端［1］。

本文所研究的钻井液固相提纯用ZJS12直线振动筛不仅具有高筛除效率和高过滤量的优点，而且体积较小，使用寿命长。

1 ZJS12钻井液直线振动筛工作参数的选择

在现代化的钻井工艺中，振动筛的动力学指标是关系着振动筛筛分处理量及其性能的一项重要因素，这些动力学指标包括筛面倾角、振幅、激振频率和抛掷指数等，因此选择合理的指标是保证振动筛正常工作的前提。

1.1 筛面倾角α

筛面倾角是影响钻井液中颗粒筛分效果的直接因素［2］，倾角的增大可以提高排屑速度，然而振动筛的处理效率相应降低会导致钻井液过多流失，因此，筛面倾角应保证回收的钻井液在筛面的终止线位于筛面有效长度的2／3～3／4处，对于石油钻井液的分级和脱介，α取0°～10°即可。一般情况下，用于直线振动筛脱水，取α＝0°；出于筛分效率与处理能力的考虑，筛面也可采用负倾角安装，但α应在－3°～＋7°的范围内。

根据工作场合以及钻井液化学成分含有量的不同，ZJS12直线振动筛筛面倾角可在－1°～＋5°之间调节，通过现场试验表明，这样的设计可以使振动筛具有较高的排屑速度和处理效率，筛面积存的固体颗粒量减少30%。

1.2 振幅和激振频率

图1 为钻屑输送速度与法向振幅Ay与激振转速n比值的关系实验曲线，可以看出：当抛掷指数Kv为定值时，筛面对钻屑的输送速度会随着筛面法向振幅Ay与激振转速n的比值的变大而变大。因而若保证能够净化高黏度钻井液，通常宜采用低频大振幅［3］。在保证适当法向加速度和较小抛掷指数的同时，提高筛框水平方向的加速度及振幅，可以获得较高的钻屑输送速度。实验也证明水平加速度及振幅的提高可以增加振动筛的处理量及筛分效率［4］。

振动筛用于细筛时，一般采用小振幅；粗筛时，采用较大振幅。综合考虑振幅、激振频率对处理量和排屑速度等因素的影响，振幅推荐设计参数取4mm～6mm，激振频率推荐设计参数取1 000r／min～1 500 r／min。ZJS12振动筛振幅与激振频率的选取为5mm和1 500r／min，该振动筛上配有由某公司生产的偏心块激振电机，可以满足该振幅与激振频率参数，表1为该电机技术参数。

表1 偏心块激振电机技术参数

1.3 ZJS12直线振动筛抛掷指数

其中：ω为激振轴角速度；g为重力加速度；σ为振动方向线与筛面的夹角；［K］为大于1的修正系数。

振动筛工作时，只有当抛掷指数Kv大于1g时，筛分颗粒才能被抛离筛面。Kv越大，颗粒被抛起的高度越高，但过大的抛掷指数易造成已结团的颗粒在与筛面接触时粉碎，这会降低振动筛的筛除效率［6］；同时，颗粒与筛网过于剧烈的碰撞会缩短筛网的使用寿命，这也对筛网的机械强度提出过高的设计要求。因此，为了使振动筛能同时拥有筛除较多钻屑颗粒和较大的输送速度的能力，又能够增加筛网的使用寿命，现用钻井振动筛在设计时抛掷指数Kv取2g～7g。

对于ZJS12直线振动筛，取n＝1 500r／min，Ay＝5mm，σ＝50°，α＝2°（输送角度可取1°～7°），［K］＝3。

将已知参数和ω＝代入式（1），则经过计算得Kv＝3.2g，满足我国钻井振动筛的设计原则。

抛掷指数Kv指筛面法向施加于固相颗粒的驱动力与该方向上固相颗粒重力的比值［5］。Kv的大小直接影响固相颗粒的输送速度、筛透量及钻井液处理量。直线振动筛的抛掷指数Kv（g）的计算公式为：

1.4 物料输送速度

直线振动筛物料输送平均速度v（mm／s）为：

其中：Ca为倾角对物料输送速度的影响系数；Ch为料层厚度影响系数；Cm为物料形状影响系数；Cw为滑行运动影响系数。

图1 钻屑输送速度与法向振幅与激振转速比值的关系实验曲线

2 结论

振动筛的筛面倾角、振幅、激振频率及抛掷指数分别设计为－1°～＋5°、5mm、1 500r／min和3.2g的ZJS12直线振动筛比普通直线振动筛的筛分效率增加30%以上。该振动筛具有良好的应用价值，能够给企业带来较好的经济效益和社会效益。

［1］赵环帅，鲍玉新，陈思远，等.国内外高频振动筛技术与设备现状及发展趋势［J］.矿山机械，2011，39（10）：83-88.

［2］Zhao Yue-min，Liu Chu-sheng，He Xiao-mei.Dynamic design theory and application of large vibrating screen［J］.Procedia Earth and Planetary Science，2009，1（1）：776-784.

［3］王中华.钻井液处理剂应用现状与发展方向［J］.精细与专用化学品，2007（19）：7-9.

［4］赵雄虎，崔胜元.砂床法评价钻井液滤失性可行性研究［J］.西部探矿工程，2009（5）：24-28.

［5］徐鸿志，路政，卢晓峰.钻井液对钻柱振动特性影响分析［J］.钻井液与完井液，2010，27（4）：41-43，98.

［6］张泽荣，王永岩.大型直线振动筛的疲劳寿命分析［J］.青岛科技大学学报（自然科学版），2012，33（1）：73-79.