基于射流机理的泥浆罐清洗工艺参数研究

韦志超，李 欣，曲玉栋，庞 雷，巴胜富，童 岭，王永强，鲁 飞

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.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；3.铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244000）

0 引言

油气钻井作业中，钻井泥浆（钻井液）通过泥浆泵从井底携带岩屑到达地面后流入泥浆罐，经固控设备处理再返回泥浆泵循环使用，实现井底清洗及岩屑排出功能。泥浆罐在使用过程中会在罐底逐渐形成泥浆沉积层，并随着使用时间的增加而不断增加。沉积在罐底的泥浆黏度和密度逐渐增大，导致其失去流动性而无法自然或泵送排出，一方面严重影响泥浆罐容积利用率；另一方面含有腐蚀性介质的泥浆长期附着在罐底和罐壁，会对泥浆罐形成腐蚀破坏［1］。传统的钻井泥浆罐清洗采用人工进罐作业方式，存在安全隐患大、工作效率低的问题，亟需寻求更先进的自动化清洗作业方式。

目前油罐射流清洗的工艺已在国内普及，我国相关行业的专家学者也对原油储罐清洗和成品油储罐清洗进行了大量的研究工作［2-11］，国产设备已逐步应用并替代进口，可以作为钻井泥浆罐自动化清洗的主要参考。其中，巴胜富等［12］对油罐底部油泥的沉积机理、油泥沉积的影响因素及相应的清洗对策进行了分析与研究。鲁飞等［13］从设备研发出发，对油罐机械清洗用喷枪及其控制进行了研究。薛胜雄等［14］研究了储罐清洗与回收技术，包括以油洗油的工艺路线，并提出了一种油泥清洗与分离一体化工艺。苏吉鑫等［15-16］对一体化储罐清洗设备进行技术改进，提升清洗技术，使其朝向更高自动化方向发展。

综上，目前的研究主要从油罐射流清洗工程应用角度出发，缺乏从理论研究的角度，对钻井泥浆罐的射流清洗进行研究。考虑到钻井泥浆罐小容积清洗特点，以及罐内沉积油泥与油罐存在物性差别，本文从射流清洗油泥机理出发，开展射流清洗技术理论研究，研制适用于钻井泥浆罐清洗的三维旋转喷枪设备，采用“以油洗油”技术方案，通过分区清洗模式，实现泥浆罐安全、高效、自动化清洗。

1 以油洗油的泥浆罐射流清洗机理

图1 示出一种典型的圆柱型钻井泥浆罐。

图1 典型泥浆罐清洗示意Fig.1 Schematic diagram of typical mud tank cleaning

钻井泥浆罐尺寸约为 6 m×8 m，容积约为200 m3，5 年未清洗的泥浆罐平均罐底沉积油泥厚度可达0.7 m。钻井泥浆罐中的油基钻井泥浆主要成份为：80% vol白油、20% vol的水、20～30 kg/m3重晶石、5 kg/m3石灰、20～30 kg/m3沥青及少量其他物质。为了高效破碎、溶解和充分回收泥浆中的白油，改变传统的水介质清洗方式，采用同种白油作为清洗介质，对泥浆罐实施“以油洗油”的射流清洗方式。通过安装于泥浆罐顶部的三维旋转喷枪，使清洗范围覆盖罐底和罐壁所有含油泥区域。

泥浆罐清洗工艺流程如图2 所示，白油介质经泵加压后从三维旋转喷枪射出，对泥浆罐进行清洗。随后，溶解后具有流动性的泥浆被泵从泥浆罐内抽出，经过滤、分离后的白油作为清洗介质被循环利用，其他杂质由过滤器等设备排出进行后续处理。

图2 泥浆罐清洗工艺流程Fig.2 Mud tank cleaning process

在泥浆罐内，由于射流冲击作用，罐内油泥被碎裂成小块并与射入的白油混合，油泥中的重晶石、石灰等固体物质在油液中悬浮起来。同时，通过“以油洗油”的清洗方式，将罐内固态油泥变成液态油流，并对油泥中的沥青、石蜡等成份溶解稀释，形成具有良好流动性的混合油液。此外，由于高速射流对罐内油泥的劈裂作用，射流在更深层的沉积油泥上打开孔洞和缝隙，并沿着孔洞和缝隙深入油泥的内部，进一步碎裂深层油泥，最终完成泥浆罐的安全、高效、自动化清洗。

2 射流清洗研究

2.1 射流轨迹模型分析

由喷枪形成的射流属于非淹没射流，射流结构示意如图3 所示，由初始段、基本段、消散段3个区域组成［17］。在射流初始段和基本段，射流比较密集，打击力较大，是清洗作业时实际使用部分；在射流消散段，由于射流吸入大量空气，油液本身受空气的卷吸、摩擦，损失了大量的能量，被粉碎成很小的液滴，动能很低，为非工作区。

图3 射流结构示意Fig.3 Schematic diagram of jet structure

如图4 所示，三维旋转喷枪固定在泥浆罐罐顶，因此建立射流方向向下、忽略空气阻力和射流破碎的射流理论轨迹方程［18］。

图4 射流轨迹示意Fig.4 Schematic diagram of jet trajectory

考虑重力影响，理论射流轨迹方程如下：

考虑空气阻力消耗一部分压头h，令h 与射流轨迹长度成正比［19］，则：

整理后即可得有空气阻力下的射流轨迹方程：

式中，y 为射流喷射高度，m；x 为射流水平距离，m；θ0为射流角度；v0为喷嘴出口处射流速度，m/s；d为喷嘴出口直径，mm；H 为喷嘴压力水头，m；λ为空气阻力系数，λ=0.25（1-e-H/1.6d）。

2.2 喷枪及清洗模式设计

根据泥浆罐内沉积油泥的物理性质和清洗工艺，结合泥浆罐清洗罐容、罐型及工程经验，开发出流量为300～700 L/min 的系列化三维旋转喷枪。以射流压力p 为0.7 MPa、流量qt为500 L/min 的喷枪为例，展开射流清洗技术研究。喷枪喷嘴出口直径［14］计算公式为：

式中，qt为射流流量，L/min；p 为射流压力，MPa；η为喷嘴系数，取1.05［20］。

圆整后得出喷嘴出口直径d 为18 mm。研制的钻井泥浆罐三维旋转喷枪如图5 所示，包含齿轮箱、枪管、喷头等部分，喷嘴安装于喷头底部。三维旋转喷枪采用气动旋转式结构，由齿轮箱内气动马达驱动齿轮箱中的齿轮传动系统，带动枪管公转和喷头自转，实现泥浆罐内三维旋转清洗轨迹全覆盖。为实现更好的清洗效果，喷头内设有导流体，白油经过导流体整流后再进行清洗作业，减少了射流的能量损失。

图5 三维旋转喷枪结构Fig.5 Structural diagram of three-dimensional rotary spray gun

结合射流轨迹方程式（3）以及三维旋转喷枪参数，绘制不同射流角度下的射流轨迹，如图6所示。

图6 喷枪射流轨迹Fig.6 Jet trajectory of spray gun

从图中可以看出，射流可实现罐内0～90°范围内的全方位清洗，且 6 m×8 m 典型泥浆罐中，各角度射流基本呈直线状，完全满足罐底厚油泥层和罐壁油泥清洗作业要求。

考虑到典型泥浆罐内油泥主要沉积在罐底，因此罐底是泥浆罐内重点清洗部位，需要喷枪针对罐底进行反复清洗，逐层破碎、溶解罐底油泥。因此，喷枪清洗模式设计时，采用分区模式，对泥浆罐罐底和罐壁两部分分开清洗。结合泥浆罐尺寸参数，如图1 所示，将罐内清洗空间分成罐底清洗区域（0°～23°）和罐壁清洗区域（21°～90°）两部分，待罐底区域清洗干净后，再开展罐壁清洗作业。其中，两个区域交界位置沉积物较多且与喷枪距离最远，为防止产生射流死角，设置有2°的重叠区域，达到最佳清洗效果。射流作业时，通过拨动齿轮箱上的分区模式开关，快捷切换清洗模式，实现罐底和罐壁的高效清洗。

2.3 射流打击力计算

由于射流介质为钻井泥浆专用工业白油，其密度为838.3 kg/m3，则在射流初始段内射流打击力的公式［17］为：

式中，F 为射流冲击力，N。

由于枪管公转和喷头自转速度缓慢，相对于高速射流可以忽略不计，因此数值模拟时忽略枪管和喷头旋转对射流的影响。考虑到喷枪射流的轴对称性，建立以射流中心线为旋转轴的喷枪及其外流场模型。模型示意如图7 所示，其中喷枪出口直径为18 mm。由于喷枪从罐顶伸入罐内，因此泥浆罐内最大清洗靶距为8 m，即外流场靶距8 m。考虑射流为非稳态高湍流运动［21-24］，数值模拟设置中，两相流模型选择Mixture 模型，湍流模型选择标准k-ε模型，喷嘴入口压力设置为0.7 MPa，出口压力设置为大气压，射流轴线设置为axis。

图7 喷枪及其外流场模型示意Fig.7 Schematic diagram of spray gun and its external flow field model

图8 示出喷枪射流速度分布云图，从图中可以看出，在8 m 的射流靶距内，整个外流场射流形态良好，外流场中射流结构处于初始段和基本段区域，尚未出现消散段区域。随着射流靶距的增加，射流宽度不断增大，但总体而言，外流场中射流的集束性较好，满足钻井泥浆罐清洗作业所需射流特征。

图8 速度云图Fig.8 Velocity nephogram

图9 示出不同靶距下射流轴线动压及有效流量分布。其中，有效流量为不同靶距位置处射流外边界层内的射流流量。从图中可以看出，在喷枪射流过程中，随着靶距增大，射流动压不断下降。喷嘴出口0.5 m 靶距范围内，由于射流离开喷嘴发生紊动扩散，加上外流场中空气的卷吸，导致射流动压从0.67 MPa 迅速下降到0.65 MPa；0.5 m靶距后外流场射流动压下降平稳，从0.65 MPa 缓慢下降到0.64 MPa。同时，针对半径为3 m 的典型钻井泥浆罐，有效流量随靶距增大也不断下降，从最小清洗靶距3 m 处的475 L/min 下降到最大清洗靶距8 m 处的390 L/min，射流逐渐发散。

图9 不同靶距下射流轴线动压及有效流量分布Fig.9 Dynamic pressure and effective flow distribution along axial line at different target distances

为使射流对油泥形成有效的冲击，作业时必须保证射流靶距处于有效射程内，使得射流冲击到罐底及罐壁处的油泥时，仍保持有足够的射流打击力，用以破碎罐内油泥并对其进行搅拌和溶解。通过数值模拟结合式（5），得出喷枪出口处、最小清洗靶距3 m 处和最大清洗靶距8 m 处的射流打击力分别为286，260，213 N，射流打击力最大下降约25%。根据清洗工程经验，通常200 N以上射流打击力能够实现沉积油泥的破碎［12］，因此所研制喷枪及其参数选择完全满足泥浆罐清洗作业要求。

图10 示出不同靶距处径向射流打击力的分布，当射流靶距分别为7，8 m 时，射流打击力分别为221，213 N，此时射流打击力超过200 N 的径向距离宽度分别约为0.040，0.036 m，能够实现沉积油泥的破碎；当靶距为9 m 时，最大射流打击力仅为200.6 N，且射流打击力超过200 N 的径向距离宽度仅约为0.012 m，射流有效作用面积过小，难以实现泥浆罐的有效清洗。因此，针对最大清洗靶距为8 m 的泥浆罐清洗，目前喷枪的尺寸及设计参数是较优的，能够在避免射流能量浪费的同时，实现泥浆罐的有效清洗。

图10 不同靶距下径向射流打击力分布Fig.10 Radial jet impact force distribution at different target distances

3 射流清洗工程应用

已在惠州某泥浆站开展了三维旋转喷枪射流设备钻井泥浆罐清洗作业，如图11 所示。清洗作业时，以白油为清洗介质，射流全面覆盖罐内壁，清洗无死角。喷枪出口处射流压力为0.65 MPa，与数值模拟结果0.67 MPa 相吻合，误差主要是由喷枪内局部阻力损失造成的，该误差在允许范围内，同时罐内射流形态良好，验证了数值模拟结果的可靠性。

图11 三维旋转喷枪射流清洗工程应用Fig.11 Application of three-dimensional rotary spray gun in jet cleaning engineering

通过4 h 罐底清洗和2 h 罐壁清洗，有效完成6 m×8 m 典型泥浆罐的清洗，相较于传统人工进罐清洗所需的约9 天时间，在提升了作业安全性的同时，大大提高了清洗作业效率。此外，射流清洗可清洗出约13 m3罐内油泥，且能有效回收其中约54%的轻相物质用于配制新浆，相较于传统人工清洗，实现了废弃物减量化处理。

该泥浆站内待洗泥浆罐共有20 台，预计可清理出超1 台泥浆罐容积的油泥沉积物，不仅增大泥浆站库容，也提升泥浆站生产调度能力，带来显著经济效益。

4 结论

（1）油基钻井泥浆的主要成份为白油，三维旋转喷枪以同种介质白油作为射流清洗介质，通过“以油洗油”方式对罐内沉积油泥进行射流冲击清理。高速射流在沉积油泥上打开孔洞和缝隙，并沿着孔洞和缝隙深入油泥的内部，对罐底和罐壁的油泥进行破碎、溶解，完成清洗并回收泥浆中的白油。

（2）研制的三维旋转喷枪可实现罐内全方位清洗，罐内各角度射流轨迹基本呈直线状态，且具有罐底清洗（0°～23°）和罐壁清洗（21°～90°）共2 种清洗模式，提高了清洗效率及效果，实现泥浆罐安全、高效、自动化清洗。

（3）在射流有效射程内冲击油泥才能达到良好的清洗效果，射流压力0.7 MPa、流量500 L/min、喷嘴出口直径18 mm 时，外流场射流形态良好，最大靶距8 m 下，喷枪的射流打击力可达213 N，完全满足钻井泥浆罐清洗作业要求。低压大流量射流技术成功应用于钻井泥浆罐的自动化清洗，三维旋转喷枪射流清洗技术在国内各大油田及海上钻井平台的应用前景广阔。