钻井泥浆罐自动化清洗与回收成套设备研制

（合肥通用机械研究院有限公司 通用机械复合材料技术安徽省重点实验室，合肥 230031）

0 引言

泥浆罐是在石油、天然气、地质矿产和盐业等领域钻井作业过程中的必备设备。泥浆罐在使用过程中，泥浆容易产生沉积，出现罐容降低、影响新浆品质等问题，因此必须定期清洗维护。泥浆罐中的沉积物一旦产生，仅仅依靠泥浆站的现有设备已经无法将其抽出和处理。现有清洗方法是人工进罐，采用消防水直接冲洗、搅拌后抽出，抽出物需交给专业公司进行危险废弃物处理，产生大量的成本支出。并且人工进罐安全隐患大，作业环境差，工作效率低，亟需研制机械清洗设备代替人工清洗。机械清洗工艺已经在原油储罐、成品油储罐、加油站等领域广泛应用。根据泥浆罐的罐型特点以及泥浆沉积物的属性，研制钻井泥浆罐自动化清洗与沉积物回收减量处理专用成套设备，主要由清洗模块、抽料回收模块、泥浆分离模块及自动化控制系统等组成。

1 成套设备的工艺设计

根据泥浆罐的罐型特点，泥浆罐机械清洗采用顶部安装清洗喷枪、底部出料口为抽吸口的循环模式。在沉积物回收减量处理阶段，清洗泵将清洗介质加压输送给安装在泥浆罐顶部的清洗喷枪，形成的射流可破碎、搅拌罐底沉积物，使其恢复流动性，从而被抽料回收模块抽出并处理。射流破碎沉积物的全过程是该阶段工艺的关键环节。抽出的沉积物输送到泥浆分离模块，分离出的重相进入岩屑箱，轻相再循环用于射流破碎、搅拌作业。罐底沉积物全部被破碎回收分离之后，调整清洗喷枪的模式，转为泥浆罐清洗阶段，以水为介质，射流清洗泥浆罐的罐壁，去除罐壁附着的污物并回收分离，直至罐内的污物全部清理干净。成套设备的工艺流程设计如图1所示。

图1 泥浆罐自动化清洗与沉积物回收减量处理工艺流程

泥浆分离模块包含有两级固液分离装置和一级油水分离装置，是减量回收的关键设备。抽料回收模块抽出的介质输入泥浆分离模块，进入斜板沉降系统进行一级固液分离。一级固液分离属于重力分离式的粗分离，重相直接排出系统外，轻相进入二级固液分离装置。二级固液分离属于离心强制分离，可将介质中粒径20 μm以上的固体颗粒分离出来。同时，以水为介质清洗时，设置的油水分离装置可将水中的油分离出来。恢复流动性的罐底沉积物经过泥浆分离模块的分离，固相被排出，轻相得以循环利用，实现减量回收的工艺目的。

2 关键设备设计

2.1 喷枪的设计

清洗喷枪属于成套设备中清洗模块的关键设备，其作用有：（1）产生射流，破碎泥浆罐底部沉积物，使其产生流动性，以便被回收模块抽出进入后续流程；（2）清洗泥浆罐罐壁的附着物，恢复泥浆罐的清洁度。由此可见，喷枪性能的优劣直接决定着成套设备施工的效率和效果。在选定清洗泵参数后如何设计喷枪使射流打击力最大，如何进行结构设计，实现射流轨迹对作业对象的高效全覆盖，是喷枪设计的2个重要目标。研制出了压力 0.5～1.5 MPa、流量 20～40 m3/h 的系列化清洗喷枪，在此以0.7 MPa、30 m3/h为例论述技术设计。

喷嘴直径计算式[1]为：

式中 d——喷嘴直径，mm；

q——喷射流量，m3/h；

p——喷射压力，MPa；

n——喷嘴个数；

η——喷嘴效率系数，取η=1.05。

将 p=0.7 MPa，q=30 m3/h代入式（1），计算得出喷嘴直径d=17.8 mm，圆整后取喷嘴直径d=18 mm。根据试验结果，在射流长度30 m左右时，水柱[2]长度约为 24 m。修正系数[3]取 0.51，则实际有效射程约为12 m。对于圆柱形泥浆罐（直径5.8 m、高度8 m），喷枪安装在罐顶中心人孔，距罐底外圆8.5 m，在喷枪的有效射程内，满足设计要求。

射流内部流场的形态决定着打击力的大小[4]，空化射流因其高收敛性，有效延长自由射流区和冲击区的轴向长度，进而提高射流的打击力。为了制造空化效应，将喷嘴中设置一个锥形芯以形成绕流，绕流的结果是射流在喷嘴出口产生卡门涡街，旋涡所形成的真空带使得射流产生空化现象。大气与真空带的压差将射流核长度延伸，射流在涡街之后凝聚构成其核心区；由于核心区得到延长，射流总有效长度也即得到延长[5-6]。

冲击压力与连续射流的冲击压力有以下关系[7]：

式中 pi——空化射流冲击压力；

ps——连续射流冲击压力；

a——液体内气体的体积分数。

当时 a=1/12～1/6 时，pi=（8.6～124）ps。

由上式可以看出，空化射流的冲击压力与连续射流的冲击压力相比，由于空化射流气泡在冲击壁面破灭所产生瞬时爆破压力效应，使射流冲击压力均值得到极大提高。经设计、分析及试验验证，当长径比L/d=4.5，锥角α=31°时，空化效果最好，空化后的射流冲击力最大。锥形喷嘴芯的形式如图2所示。

图2 空化射流喷嘴的设计

为了提高作业效率，喷枪的功能设计有3种清洗模式：底部清洗模式、罐壁清洗模式和全方位清洗模式，设置有模式切换开关，各种清洗模式之间通过离合结构快捷切换。针对方形和圆柱形2种型式的泥浆罐，喷枪运行模式的角度范围不同。底部清洗模式时，清洗喷枪角度范围是根据不同罐型以及沉积物高度特殊设计的。根据对多个泥浆站的实地考察，使用5年左右未清洗过的固定式圆柱形泥浆罐，沉积物高度平均约为0.7 m，最高不超过1 m；移动式方形泥浆罐的沉积物平均高度约为0.35 m，最高不超过0.5 m。因此，如图3所示，针对直径5.8 m、高度8 m的圆柱形泥浆罐，在沉积物堆积高度1 m的情况下，喷枪射流与喷管轴线夹角（即喷枪的摆动角度）为23.39°，此时喷枪射流能覆盖全部罐底，圆整后取24°。即当罐内堆积高度不超过1 m时，该喷枪的射流可冲击罐底的全部沉积物，无死角无遗漏，同时避免摆角设计过大造成无效作业。同理，如图4所示，方形泥浆罐清洗喷枪的摆动角度圆整后取 77°。

图3 圆柱形泥浆罐底部清洗模式喷枪角度的设计

图4 方形泥浆罐底部清洗模式喷枪角度的设计

因此，清洗圆柱形泥浆罐的喷枪，其底部清洗模式的角度范围为0～24°，罐壁清洗模式为24°～90°，全方位清洗模式为 0～135°。清洗方形泥浆罐的喷枪，其底部清洗模式的角度范围为0～77°，罐壁清洗模式为 77°～90°，全方位清洗模式为 0～135°。

2.2 斜板沉降系统的设计与校核

斜板沉降系统主要用于各种混合物的沉淀和除砂作用，是给排水工程中采用最广泛的水处理装置。它适用范围广，处理效率高，占地面积小。斜板沉降系统属于斜流式沉淀，该沉淀方式的产生来源于哈真（Hazen）在20世纪初提出的浅池理论。根据泥浆罐清洗回收施工工艺的需要及设备体积的限制，特殊设计了一套斜板沉降系统，用于分离泥浆中的重相组分。斜板沉降系统主要由进液分布器、斜板分离器和泥浆移送泵等组成。其工作原理是：斜板可以减小水力半径，加大过水断面的湿周，从而使得在相同水平流速的情况下，极大降低雷诺数，减少蓄流。斜板层间距离小，缩短了颗粒沉降距离，沉淀时间减少，沉淀效率提高。上清液通过溢流堰进入下级溢流槽，颗粒沉淀在底部污泥斗，经泥浆移送泵输送至指定收集容器。斜板沉降系统原理如图5所示。

图5 斜板沉降系统原理

斜板沉降系统的处理能力，只与其底面积和颗粒沉降速度有关，而与沉淀池的深度无关。斜板沉降器分离颗粒的粒径dp与其沉降速度的关系符合斯托克斯定律：

式中 dp——分离颗粒的粒径；

K——系数；

vs——沉降速度。

上向流斜板沉降器的主要设计参数按以下经验值[9]选取：（1）颗粒沉降速度 0.3～0.5 mm/s；（2）上升流速在斜板倾角为60°时为2.5～3.5 mm/s，介质在斜板内的停留时间一般为4～7 min；（3）斜板倾角 60°；（4）板距 50～150 mm。

斜板沉降器的设计计算，主要是根据给定的池体尺寸，计算斜板数量和过流孔的数量与分布，校核运行参数（停留时间、上升流速、雷诺数等）。当颗粒物的沉降速度大于表面负荷时，才能有效沉降到池底，完成固液分离。

已知设计条件：过流量Q=8.3×10-3m3/s；单块斜板面积1.85 m2；斜板净板距P=0.05 m；斜板有效系数η =0.8；颗粒沉降速度μ =4.6×10-4m/s。

则斜板面积Af：

根据本项目斜板沉降器的尺寸，可设置30块斜板，则斜板总面积为30×1.85=55.5 m2，大于需要斜板实际总面积45.2 m2，设计能够满足工况要求。

为保证流动平稳，防止局部紊流，斜板沉降器布水区穿孔花墙的孔口流速v不能过大，取经验值v=0.18 m/s，则孔口总面积A1为：

单个直径D=30 mm的孔的面积A30为：

则孔的个数Z为：

圆整后，穿孔花墙设置66个直径为30 mm的过流孔。

3 成套设备的工程应用

钻井泥浆罐自动化清洗与回收成套设备于惠州某泥浆站进行了现场作业，共清洗3具圆柱形泥浆罐，单罐有效容积180 m3，直径5.8 m，罐高8 m。罐内沉积物约13 m3，高度约0.5 m。

单罐的清洗时间约6 h，其中罐底沉积物的清洗回收时间为4 h，罐壁清洗2 h，分离出固相约6 m3，沉积物减量约54%。相比较于人工清理，固废处理量大大减少，节省大量的固废处理费用，经济效益明显。分离后的轻相主要是水和可溶于水的盐等组分，测定其成分组成之后，可直接输入至配浆罐，通过调整组分配制新浆。该站共有20具圆柱形泥浆罐，按照平均每罐沉积物10 m3计算，清理后共腾出200 m3的容积，相当于给该站腾出了1具泥浆罐的库容，更有利于站内生产调度。

4 结语

钻井泥浆罐自动化清洗与回收成套设备在工艺流程设计上实现了泥浆罐机械清洗中，沉积物的固相得以回收分离，达到了沉积物的减量化目标，轻相可再利用制浆。该套设备的喷枪根据泥浆罐罐型进行了针对性设计，引入空化射流，射流清洗效果好，作业效率高。斜板沉降系统设计紧凑，并且达到了大流量下的固液分离目标。各组成设备的合理匹配及自动化控制实现了无人值守作业，大大减轻了人员劳动强度。在实际的工程应用中，清洗周期短，固液分离效果明显，实现了可回收资源的再利用。