鉆井液離心機進料腔的優化設計

王紅霞* 李 杰 鄭彥博

（黔南民族職業技術學院 汽車工程系）

0 引言

在石油工業中，鉆井液離心機常用于分離旋流器已經處理過的且沒有達到API 標準的固相含量較低的鉆井液。由于待處理鉆井液黏度高，因此流動性差、在離心機內部分布不均，導致離心機發生較大的振動，同時鉆井液傳送到轉鼓時其速度存在一定程度的滯后，導致實際分離效率下降[1]。本文通過對離心機進料腔進行優化設計，得到可以消除切向速度滯后、減小分布不均和提高分離效率的加速型離心機。

1 計算模型

加速裝置是焊接在沉降式離心機進料腔內用于布料的部件，加速葉輪直接焊接在螺旋推料器內腔，葉輪的后蓋板即為進料腔的后蓋板，離心機結構和鉆井液參數如表1 所示[2]。其中螺旋推料器由電機同步帶動，而轉鼓則由電機通過變速器變速再轉動。

表1 計算模型主要參數

為了簡化計算，前期篩選葉片參數時，直接對加速裝置的進料腔流場模型進行計算，確定葉片參數后，再使用整體離心機流場進行分析。對常規型和加速型離心機進行對比分析，只需考慮進料腔葉片對流場的影響。此外，對離心機流場建模時，應對螺旋形式的葉片進行簡化，不考慮螺旋葉片與推料器筒體連接部分的筋板結構，建立的流場模型如圖1 所示。

圖1 流場模型圖

2 數值分析

2.1 邊界條件設置

為了盡可能接近真實情況，將模擬離心機加速裝置內流場液相設置為連續流體，固相設置為離散固體顆粒。在流體域設置中，流體采用RNG k-? 模型，由于鉆井液固相含量高于5%，所以曳力模型選擇WEN YU 模型[3]。進口選擇速度進口，出口的進料腔流場和整體離心機流場有區別，由于無法確定出口壓力因此選擇質量流率出口，整體離心機流場出口和大氣相通，出口均選擇壓力出口。

選取截面Z=-0.07 mm 的xy平面進行數據分析，線段line 1、line2 如圖2 所示，為了確保數據精確性，在線段上共取50 point 進行數據分析 。

圖2 位置示意圖

2.2 加速裝置流場分析

2.2.1 相對安裝角度

本文采用初始進口安置角為34°，出口安置角為110°的葉片線型。得到進料腔切向速度，并取進料腔葉輪葉片末端面比較其最大湍流動能值來度量湍流強度。

（1）切向速度

根據設置的流場轉速可知，在無速度滯后的影響下鉆井液在自由液面（142.5 mm）處的切向速度為47.5 m/s。同時由圖3 可知，在觀測line 1 上，常規型沉降式離心機作用下的鉆井液在自由液面的切向速度為34 m/s，切向速度存在滯后。葉輪與腔體相對安裝角度不同，其截面切向速度也不同。加速型沉降式離心機作用的鉆井液在自由液面的切向速度達44～51 m/s。如圖3 所示，減小了速度滯后的差距，且每個加速裝置流場的最大切相速度均超過50 m/s。即是在加速葉輪的作用下離心機克服了鉆井液速度滯后這一缺陷。

圖3 line 1 切向速度

（2）湍流動能

圖4 所示為各模型中截面處的湍流強度。從圖4中可以看出，流場出口部位湍流區域集中。不同安裝角度下流場的最大湍流動能相近，越多葉片靠近出口兩側面的流場大湍流動面積越大。通過圖3 和圖4可知，葉輪與腔體相對安裝角度選擇葉片不靠近出口兩側面既可滿足小的湍動能又可滿足減小速度滯后。

2.2.2 出口安置角

（1）切向速度

根據圖5 數據可知，在相同進口安置角的情況下，不同出口安置角下的各進料腔加速流場均實現了縮短或者消除了與理論值的差距。根據出口面的最低切向速度、最高切向速度和平均切向速度的比較，出口安置角為120°時各切相速度值最大，且平均切向速度達到了49.38 m/s，超過了理論切向速度47.5 m/s。

圖5 出口面切向速度

（2）湍流動能

對圖6 進行分析后可知，隨著出口安置角增大，最大湍流動能整體呈現減小趨勢。但除了出口安置角110°的流場，其他流場的最大湍流動能值均較小。根據圖5 和圖6 綜合分析選擇葉片出口安置角為120°的加速裝置。

圖6 各模型中截面處的湍流強度

2.3 整機流場對比分析

在離心機流體分離過程中存在速度梯度，可將速度分為徑向速度、切向速度和軸向速度。軸向速度越大表示鉆井液處理能力越強，但進料腔加速裝置對鉆井液處理量沒有明顯的影響[2]。因此文中只分析徑向速度和切向速度。

圖7 a）中顯示離心機的進料腔出口處有大幅度的回流。line 2 線段上的50 point 上，相較于常規型離心機，加速型離心機整體徑向速度大于0 的比例更高。相較于加速型離心機，常規型離心機回流更大，更不利于物料擴散。

由圖7 b）可知，無速度滯后的影響下鉆井液在自由液面的切向速度為47.5 m/s，常規型沉降式離心機作用下的鉆井液在自由液面的切向速度為44 m/s，切向速度存在滯后。而加速型沉降式離心機作用的鉆井液在自由液面的最大切向速度為58 m/s，達到了無速度滯后影響的切向速度，即是在加速葉輪的作用下離心機克服了鉆井液速度滯后這一缺陷。在常規型離心機的進料腔中，從徑向距離100 mm 處至鉆井液的自由液面，速度增長較快，加速度大，壓降增大，容易形成氣蝕引起振動和噪聲。

圖7 離心機整體流場速度參數

由表2 可知，常規型離心機和加速型離心機液相出口含固量均低于8%，液相出口已經分離的鉆井液滿足對鉆井液的處理要求。根據分離效率公式可得[4-5]：

表2 出口固相體積分數

式中：M——入口處待分離鉆井液固相質量；

MC——固相出口的固相質量；

Mf——液相出口的固相質量；

ET——離心機的分離總效率亦為重晶石回收率；

C0——待分離鉆井液固相重量百分比濃度；

Cf——液相出口端鉆井液固相含量；

W0——固相出口端固相含濕量。

由上述公式可計算出：加速型鉆井液離心機的重晶石回收率為89.87%，常規型鉆井液離心機的重晶石回收率為88.27%。

由圖8 可得，在鉆井液離心機錐段截面，其最大固相含量較常規型離心機的固相含量更高。同時分別比較常規型和加速型離心機的同截面可以得到，加速型相較常規型離心機在測試環面的固相分布更加均勻。因此，加速型離心機在物料均勻分布上更加有利。

圖8 測試面固相體積分數

由于大粒徑顆粒在旋流器分離階段已經被分離，通過作用不同粒徑鉆井液來分析離心機的分離效果。由圖9 可知，當粒徑為0.04 mm 時，常規型離心機分離回收的得到鉆井液固相含量超過8%，無法滿足要求，而加速型離心機分離鉆屑粒徑為0.03 mm 的鉆井液時，液相出口得到的鉆井液是滿足回收要求的。

圖9 不同粒徑下出口固相的體積分數

3 結語

對加速流場、整體離心機流場進行分析后知：

（1）加速流場和整體離心機流場數據趨勢一致，但是由于只分析加速流場時未考慮離心機對流場的影響，出口邊界未考慮其他影響因素，因此數值存在差異，設計時適當簡化模型是可以作為參考的。為了得到較精確的數據，需要后期做整體流場分析驗證前期數據的有效性。

（2）加速裝置葉片可選擇雙曲線圓柱葉片，進口安置角為34°，出口安置角為120°時，可以克服葉型參數速度滯后，減小內部流場的湍流動能，改善內部流動性差、分布不均等問題。

（3）在分離相同參數鉆井液的情況下，加速型臥螺離心機能夠分離粒徑更小的鉆屑，同時，固相出口的鉆井液含固量高于常規型離心機，更有利于回收重晶體。