钻井液离心机存在的问题及解决措施

冯美贵，朱迪斯，翁炜，黄玉文，蒋睿，徐军军

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

钻井液固控技术是保证正常钻井工艺技术实施的关键之一，已成为直接影响安全、优质、快速钻井的重要因素。实践证明，通过对钻井液固相的控制来改善钻井液性能的技术，已发展为一项与稳定井内工况和提高钻进速度密切相关的重要工艺措施。离心机作为钻井液固相控制处理的关键设备，在地质岩心钻探施工过程中可有效控制钻井液的固体含量，改善钻井液的性能。近年来，钻井液离心机已在汶川科学钻探等重大工程及山东、青海、甘肃、黑龙江、河北、安徽、山西、新疆等多个地质岩心钻探施工现场成功应用，但也存在一些问题。作者针对钻井液离心机现场使用过程中存在的问题，提出相应的解决措施，提高钻井液离心机的应用效果。

1 钻井液离心机的整机结构和工作机理

1.1 整机结构

钻井液离心机的整机结构主要由进料管、清水管、机罩、转鼓、螺旋推进器、差速器、主皮带轮、副皮带轮、主皮带、副皮带、电机、调节螺母、调节螺杆、组合皮带轮、液力偶合器、机座、橡胶减震垫等组成，如图1所示。

1.2 工作机理

钻井液经离心机进料管、螺旋推进器出料口进入转鼓内部，转鼓与螺旋推进器在电机带动下以一定的转速差同向高速旋转。在离心力作用下，粒度较大的固相沉积在转鼓内壁上并形成沉渣层；与转鼓作相对运动的螺旋推进器将沉积在转鼓内壁上的固相颗粒刮下，并将其推至转鼓锥端，经排渣口排出；粒度较小的液相则形成内层液流环，由转鼓大端溢流口连续排出，实现钻井液的固液分离。

图1 钻井液离心机结构示意图

2 现场存在的主要问题

通过现场调研、设备售后服务以及客户跟踪回访等，钻井液离心机在地质岩心钻探施工现场使用过程中主要存在以下问题。

2.1 排渣槽处固相堆积严重，排渣不畅、易堵塞

分析原因如下：①由于进液量过大，且没有及时清理，导致离心机排渣槽处固相颗粒越堆越多；②固相颗粒过于干燥，固相含量高且黏度大、流动性差；③分离点设置不合理，使得固相颗粒过多；④排渣槽的角度和宽度小，导致排渣不顺畅。

2.2 排渣槽处无固相排出

分析原因如下：①离心机超载，差速器安全离合器脱开，螺旋推进器不旋转；②滚筒内液池深度低，螺旋推进器干燥区长，固相干燥，不易排出；③停机后，转鼓内没有及时清理干净，固相固结，导致螺旋内部堵塞，固相无法排出。

例如某煤层气页岩气预查钻探现场，离心机开机运行一段时间后，现场钻井液性能满足现场需求后，停机一段时间重新启动时，离心机转动灵活，但无固相排出。经排查，差速器也无故障，但无差转速；经分析，有可能是内部固相固结，螺旋与转鼓抱死，导致两者同步旋转无差转速。经过拆开，发现确实是转鼓内部堆满固相，且固相较干燥且已固结，需用力后才能清除干净，由此导致排渣槽处无固相排出。

2.3 离心机振动异常

2.3.1 离心机运转不平衡

我国行业标准规定卧螺离心机旋转部件的动平衡精度等级为G6.3级。振动与制造质量有关，关键是离心机转子的动平衡偏差大。以TGLW350型离心机为例，如果转鼓上某点的质量偏差为5 g，转速为1800 r/min，转鼓直径350 mm，则偏心力为F=31 N。可见，转子上某点很小的质量偏差，就会产生很大的偏心力，引起整机振动，据经验[1-4]，这个偏心力正是产生振动的最根本原因。

2.3.2 转鼓内清洗不干净

如果转鼓内部未清洗干净，其内部的固相就会在停机时慢慢沉积，并有可能固结在转鼓一侧，再次开机时就会产生偏心力，引起整机振动。

2.3.3 螺旋推进器物料分布不均匀

如果钻井液黏度过大，流动性差，或者进料量过大，固相不能及时排出，固相会沿着螺旋推进器螺旋线堆积，产生一定的偏心力，引起整机振动。

2.3.4 轴承磨损严重

由于螺旋推进器推料过程中受离心力和轴向推力的双向作用，轴承易磨损，使轴承间隙增大，导致径向自由度加大，即使是很小的激振力，也会引起整机振动。

2.3.5 螺旋叶片磨损

螺旋叶片推送固相，磨损严重。螺旋叶片上各点的磨损程度也不同，特别是螺旋内部出料口和大锥角段螺旋的磨损尤为严重，不均匀的磨损造成了各个部位的质量偏差，引起整机振动加大。

2.3.6 减振垫失效

TGLW350型离心机在带负载平稳运行一段时间后，上下机架振动严重，经排查分析是离心机减振垫过早失效，导致整机振动。TGLW350型离心机上下机架之间安装有6个JGF1-7型减振垫积极隔振，该减振垫主要由内置剪切钢板、固定件和橡胶体粘结而成。经查JGF型橡胶减振垫技术数据，得到JGF1-7减振垫在积极隔振的情况下，每只减振垫轴向额定载荷为800 N，并且部分批次橡胶材质差。TGLW350型离心机上机架以上重量约为5000 N，则每只减振垫的实际静载荷约为830 N，而离心机运行过程中，其动载荷是静载荷的1.5倍，即每只承受的动载荷约为1250 N，该载荷远远超过额定载荷，橡胶材质差，减振垫很容易损坏。

3 解决措施

针对现场离心机存在的上述问题，提出以下解决措施，主要从设计层面和操作层面两方面提供保障。

3.1 排渣槽处固相堆积严重

解决措施如下：①通过调整供液泵或者打开进浆管的阀门，适当调节开启度，给排砂槽处供少许的泥浆，便于固相顺利排出到钻井液废液池中，也可以直接给排砂槽供少许清水，直至顺利排出固相；②调节转鼓与螺旋推进器间的差转速，改变螺旋推进器的推料速度，提高固相成分含液率，采用变频控制系统可针对不同需求无级调节；③重新调节离心机的转鼓转速，改变分离因素，使分离点合理，并及时清理排渣槽附近的固体颗粒；④加大排渣槽的倾斜角度，使其倾斜角度不小于60°，同时加宽排渣槽，利于排渣。

3.2 排渣槽处无固相排出

解决措施如下：①停机清洗滚筒内腔，并将安全离合器复位，减少进液量；②停机，调节溢流挡板，以增加滚筒内液池深度；③停机时及时清理内部，同时每个班次记录清洗记录。

根据多次清洗记录，对比清洗时间、温度、清洗液的浓度、清洗频率，总结出一套比较合理的清洗工艺。经过各个班次的运行改进，解决了转鼓内清洗不干净的问题。

3.3 离心机振动异常

3.3.1 进行动平衡检验

参阅国外校验动平衡的经验，制定一套动平衡校验的标准。主要方法是：先对转鼓进行动平衡校验，之后对推料螺旋进行动平衡校验，再将转鼓和内螺旋组装起来后，做一次总体的动平衡校验，最后使用动平衡仪对整机进行现场动平衡方法用来解决动平衡偏差，有效地减少整机振动。

3.3.2 制定清洗工艺

设备清洗后对离心机内腔出渣口进行再次检查，发现每次总有一些残留的物料粘附在转鼓的内壁上，根据多次清洗记录和检查结果，制定比较合理的清洗工艺，每个班次按照清洗工艺进行清洗，解决转鼓内清洗不干净的问题。

3.3.3 制定操作方法

通过试验找出一套合适的工艺参数，写入操作程序并进行培训，各个班次按照统一的操作方法操作，避免工艺偏差造成的离心机振动。同时为了防止内腔螺旋的进料室集料清洗不干净，在进料管清水阀接工艺水，用于稀释物料和清洗设备内部，在正常运行过程中定时对内腔冲洗，使进入螺旋推进器的物料及时排出，防止长时间堆积物料变性结块，难以清洗干净。

3.3.4 定期更换离心机的轴承和密封

避免因轴承过度磨损引起整机振动，同时也避免因密封磨损造成的轴承内进水，加速轴承的磨损和油封损坏，消除因为轴承磨损和油封损坏引起离心机振动的因素。

3.3.5 提高部件耐磨损性能

螺旋推进器叶片采用特殊防磨措施，如堆焊耐磨焊条、激光喷涂、硬质合金粉保护层或镶嵌高强度抗磨合金碳化钨片或镶嵌耐磨陶瓷等，降低物料对叶片磨损；同时在物料出口处堆焊碳化钨硬质合金，避免不均匀的磨损造成各个部位的质量偏差，引起整机振动。

3.3.6 改进减振性能

优选LW60型减振垫，LW60型减振垫使用上下固定孔位橡胶包裹钢板设计，既增加接触面摩擦力，又充分保证橡胶均匀受力，稳定性强、减振效果佳，能有效承载各级载荷及变形量和多向减振。LW60型橡胶减振垫轴向最佳载荷为1300 N，满足离心机动载荷要求，采用天然橡胶材质，结构坚固、耐候性佳，使用寿命长。

4 结语

针对钻井液离心机在地质岩心钻探施工现场应用过程中存在排渣槽处固相堆积严重，排出不畅、易堵塞，排渣槽处无固相排出，离心机振动异常等主要问题，作者分析了造成这些问题的原因，提出了相应的解决措施，降低了设备的故障率，提高了钻井液的处理效果，可有效控制钻井液的固体含量，防止绳索取心钻杆内壁结泥皮，避免坍塌缩径及卡钻等孔内事故，提高钻进效率，延长泥浆泵、钻具和钻头使用寿命，同时对降低钻进成本、减少钻井液排放降低对环境污染等具有重大意义。

参考文献：

[1] 吴庆雄, 周邦卫. 沉降式离心分离机振动故障的分析与处理[J]. 设备管理与维修, 2005(6):30-31.

[2] 王琪, 杨彬, 刘琳,等. 卧螺过滤离心机机械振动和动载荷的分析与研究[J]. 应用力学学报, 2014(5):764-769.

[3] 王立智. 高速卧螺离心机振动控制关键技术研究[D]. 浙江大学, 2015.

[4] 贺世正. 卧式离心机的减振[J]. 流体机械, 2001, 29(6):32-34.