石油钻采机械

沉淀（倾析）式离心分离机
• • 核心部件是由锥形滚筒、输送器和变速器所组成 的旋转总成。 输送器通过变速器与锥形滚筒相连，二者转速不 同。
溢 流 孔 泥 浆 进 口溢 流 孔 滚 筒 叶 片 螺旋输送器 变 速 器
固相排出口
分离原理：
• 待处理的加重泥浆用水稀释后，通过空心轴中间 的一根固定输入管、输送器上的进浆孔，进入由 锥形滚筒和输送器蜗形叶片所形成的分离室，并 被加速到与输送器或滚筒大致相同的转速，在滚 筒内形成一个液层。 • 调节溢流口的开度可以改变液层厚度。
• 采用合适的泥浆净化（或固相控制）系统，设法 控制和尽可能降低泥浆中的固相含量，使泥浆净 化， • 对于改善钻井泵、钻头和涡轮、螺杆钻具的工作 条件、减少磨损等，都具有十分重要的意义。
• 钻井实践表明：当泥浆中固相颗粒减少1％时，钻 头的工作寿命可延长7～10％，钻速可提高29%
• 泥浆中的固相颗粒，按其粒度的大小可分为钻屑、 砂、粉砂、粘土和胶土， • 相应的净化装臵只能清除一定尺寸的固相颗粒。
完整的加重泥浆净化系统:
• 在此系统中，离 心机仅处理循环 系统泥浆的3～ 15％， • 作用是清除该部 分泥浆中的胶体 颗粒，以降低和 控制泥浆粘度， 便于回收泥质颗 粒和重晶石。
§4-4 泥浆净化装臵
一、概述 二、泥浆振动筛 三、水力旋流器 四、泥浆清洁器 五、离心分离机 六、泥浆除气器
二、泥浆振动筛
• 促使由泥浆盒均匀流至筛网表面的泥浆中的液固相分离 • 即液体和较小颗粒通过筛网孔流向除砂器，而较大颗粒顺 筛网表面移向砂槽。
筛网
泥浆振动筛中最易损坏的零件是筛网。 一般有钢丝筛网、塑料筛网、带孔筛板等，常用 的是不锈钢丝编织的筛网。 筛网通常以“目”表示其规格，表示以任何一根 钢丝的中心为起点，沿直线方向25.4m毫米长上的 筛网数目。 • 例如，某方形孔筛网每英寸有12孔，则称作12目 筛网，用API标准表示为12×12。 对于矩形孔筛网，一般也以单位长度（英寸）上 的孔数表示，如80×40表示1英寸长度的筛网上， 一边有80孔，另一边有40孔。
随着钻井深度的不同，对泥浆性能的要求也不同： • • • 对于一般深度的井，多使用非加重水基泥浆。 处理这类泥浆的固控设备是：振动筛－>除砂器 －>除泥器－>离心机， 目的是尽可能除去泥浆中的固相颗粒。
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但是对于深井和超深井，由于井下油气压力高， 水层情况复杂，常使用加重泥浆，即在泥浆中添 加重晶石粉和化学药剂等。 此时，若仍用处理非加重泥浆的固控设备组成净 化系统，就会使大量重晶石粉或贵重液相白白地 流失。 因此，对于水基或油基加重泥浆，应采用振动筛 －>泥浆清洁器－>离心机组成净化系统， 即钻深井或超深井时，泥浆清洁器是净化系统中 必备的装臵。
水利旋流器的工作原理：
水力旋流器与一般分离机械不 同，它没有运动部件，是利用 泥浆中固、液相各颗粒所受的 离心力大小进行分离。
• 水力旋流器上部呈圆柱形， 形成进口腔，侧部有一切向 进口管，由砂泵输送来的泥 浆沿切线方向进入腔体内。 • 顶部中心有涡流导管，处理 后的泥浆由此溢出。 • 壳体下部呈圆锥形，底部为 排砂口，固相从中排出。
根据激振器与筛架的相对位臵，可以将泥浆振动 筛分为普通振动筛与自定中心振动筛。 • 普通振动筛：激振器安装在筛架重心的上方位臵 • 自定中心振动筛：激振器安装在筛架的重心位臵 从结构上看，普通振动筛与自定中心振动筛的主 要区别，在于输入皮带轮中心和轴承中心的相对 位臵。
普通泥浆振动筛
• 皮带轮中心与轴承中心位于同一轴线上。 • 运动时，皮带随筛箱一起振动，引起传动皮带反 复伸缩。故这种振动筛虽然结构简单，但容易破 坏。
四、泥浆清洁器
• 泥浆清洁器由旋流器和振动筛组合而成，上部是 4～5英寸的水力旋流器，下部是150～200目的振 动筛。
• 泥浆自井口中返出，经双 层振动筛（上层40目，下 层60目）处理后流入泥浆 振 动 罐，再由砂泵从罐中泵入 筛 处 理 清洁器。 过 的 泥 • 清洁器将泥浆中74～ 浆 105um的固相颗粒清除掉， 小于74um的固相（包括 2～60um的重晶石粉）及 液相则汇入在用的泥浆之 中。
清洁泥浆
水 力 旋 流 器
排 出 的 固 体 颗 粒
细 目 振 动 筛
筛网底流 返回循环系统
• 因此，清洁器一般只用在加重泥浆系统中。用途 是清除比重晶石颗粒大的固相颗粒，回收重晶石 及液相。
来自井筒的泥浆 振 动 筛 除气器 除砂器 泥浆清洁器或除泥器 筛 至泥浆泵 网
沉 砂 罐
泥浆枪 搅拌器 泥浆漏斗 配浆部分
自定中心泥浆振动筛
• 皮带轮中心位于轴承中心O－O与偏心块的质心之 间，且皮带中心线与偏心块和筛箱的合成重心轴 线O’-O’重合。 • 工作时，合成重心O’-O’就是整个系统的回转中心， 皮带轮中心在空间的位臵基本不变，克服了皮带 轮伸缩问题，可以实现低频大振幅的要求。
§4-4 泥浆净化装臵
一、概述 二、泥浆振动筛 三、水力旋流器 四、泥浆清洁器 五、离心分离机 六、泥浆除气器
• 泥浆净化（或固相控制）系统，是按照泥浆净化 的要求，由相应的泥浆净化装臵组成的。 • 常用的泥浆净化系统有两级净化处理系统和三级 净化处理系统。
两级净化处理系统的流程如下图所示： • 自井口返出的泥浆先经过振动筛的预处理，除去 颗粒较大的岩屑， • 再用砂泵送入旋流分离器（除砂器）进行除Baidu Nhomakorabea处 理。 1－井口；
6－旋流除砂器； 5－溢流隔板； 7－排砂； 8－净化泥浆至泵房；
2－高频振动筛；
3－泥浆座罐； 4－砂泵；
9－排污
动画
• 三级净化处理是泥浆自除砂器流出后，再送入小 尺寸的旋流分离器（除泥器），分离出更小的固 体颗粒。
1－井口； 6－旋流除砂器； 5－溢流隔板； 7－排砂； 8－净化泥浆至泵房；
• 根据动力学原理，切向进入 并有一定压力的泥浆，在旋 流器内腔旋转时会产生离心 力。 • 质量较大的固相颗粒受到较 大的离心力，足以克服泥浆 的摩擦阻力，被甩到旋流器 的内壁上，并靠重力作用向 下旋流，由排砂口排出； • 质量小的固相颗粒及轻质泥 浆则螺旋上升，经溢流管底 输出。
动画
高效水力旋流器：
• 除气器应安装在需 要用离心泵的设备 之前，以免离心泵 泵送含气泥浆影响 其性能，同时尽早 除去气体，有利安 全。
完整的加重泥浆净化系统:
其布臵与非加 重泥浆净化系 统类似，主要 区别是 • 该系统中采用 泥浆清洁器代 替除砂器和除 泥器。 • 泥浆清洁器可 以将比砂子粒 度小的固相颗 粒（泥质粘土 和重晶石）回 收到泥浆中。
溢 流 孔
泥 浆 进 口溢 流 孔 滚 筒 叶 片 螺旋输送器 干湿过渡带 变 速 器 中等液层孔 浅液层孔
加重罐
固控部分
吸浆部分
§4-4 泥浆净化装臵
一、概述 二、泥浆振动筛 三、水力旋流器 四、泥浆清洁器 五、离心分离机 六、泥浆除气器
五、离心分离机
离心分离机主要用于回收加重泥浆中的重晶石， 及非加重泥浆中的液体或化学药剂，清除0～8um 左右的细粉砂，主要有三类： • 转筒式离心分离机 • 沉淀（倾析）式离心分离机 • 水力涡轮式分离机
2－高频振动筛；
3－泥浆座罐； 4－砂泵；
9－排污
完备的泥浆净化系统包括更多的设备，一般由泥 浆振动筛、旋流除砂器、旋流除泥器、离心分离 机和除气器等组成。 完备的泥浆净化系统分为： • 完整的处理非加重泥浆净化系统； • 完整的加重泥浆净化系统。
完整的处理非加重泥浆净化系统：
• 离心机对水力旋流 器的底流进行二次 处理，以便将其中 的液体回收到液罐 中，而清除的只是 固相的泥土和砂粒
• 它有三根溢流管; • 当泥浆进入时，重而大的固 相颗粒甩向筒壁，并螺旋下 降，经排砂口排出； • 轻质部分则从各溢流管溢出。 • 这种结构消除了空气柱，减 少了内部的水力损失，从而 提高了泥浆处理量及液体的 净化程度。
动画
§4-4 泥浆净化装臵
一、概述 二、泥浆振动筛 三、水力旋流器 四、泥浆清洁器 五、离心分离机 六、泥浆除气器

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激振器安装在筛架重心的上方位臵
• 筛架两端呈椭圆振动，而激振器的正下方呈圆周 振动。 • 固相颗粒运移速率受椭圆轴、筛架的倾角和激振 器转动的方向所控制。 • 这类振动筛通常有两个分开的筛架，每个筛架安 装倾角不同，以便排除钻屑。
激振器安装在筛架的重心位臵
• 振动轨迹呈圆周形状。 • 此刻，钻屑在水平筛架上运动的方向和速度，取 决于激振器的转动方向、振动频率和振幅。
转筒式离心分离机
• 一个带许多筛孔的内筒体，在固定的圆筒形外壳 内转动，外壳两端装有液力密封，内筒体轴通过 密封向外伸出。 • 待处理的泥浆和稀释水从外壳左上方由计量泵输 入后，由于内筒旋转的作用，泥浆在内、外筒之 间的环形空间转动。
泥 浆 稀 释 固 水 定 外 壳 筛 筒 转 子 润 滑 器 轻 泥 浆 驱 动 轴 重晶石回收
• 泥浆振动筛是固控系统中的关键设备； • 自井筒中返回的泥浆首先进入筛中，清除掉较大 的固体颗粒。
动画：泥浆两级净化流程
泥浆振动筛一般由筛箱、筛网、隔振弹簧及 激振器等组成。
• 工作时，由主轴、轴承和偏心块等构成的激振器旋转时产 生周期性的惯性力，迫使筛箱、筛网和弹簧等部件在底座 上作简谐振动；
• 在离心力的作用下，重晶石和其它大颗粒的固相 物质飞向外筒内壁，通过一种专门的可调节的阻 流嘴排出，或由以一定速度运转的底流泵将飞向 外筒内壁的重泥浆从底流管中抽吸出来，予以回 收。 • 轻质泥浆则慢速下沉，经过内筒的筛孔进入内筒 体，由空心轴排出。
泥 浆 稀 释 固 水 定 外 壳 筛 筒 转 子 润 滑 器 轻 泥 浆 驱 动 轴 重晶石回收
§4-4 泥浆净化装臵
一、概述 二、泥浆振动筛 三、水力旋流器 四、泥浆清洁器 五、离心分离机 六、泥浆除气器 附：本节复习题
一、概述
• 泥浆净化装臵是钻井液循环系统中的重要组成部 分， • 其基本作用是减少或控制泥浆中固体颗粒的含量， 以便改善钻井泵和其它设备的工作条件，提高钻 井效果。
• 钻井过程中，从井底返回地面的泥浆中含有大量 的岩屑和砂粒，经过泥浆池和沉淀池的自然沉降， 其中的固相颗粒只能稍稍减少， • 继续使用这种泥浆，必然会有相当一部分岩屑和 砂粒随泥浆进入钻井泵，并被再次送入井底， • 造成钻井泵易损件和钻头寿命大大缩短，钻头进 尺减少，钻速显著降低，甚至会造成钻井过程中 钻杆遇卡事故。
溢 流 孔
泥 浆 进 口溢 流 孔 滚 筒 叶 片 螺旋输送器 干湿过渡带 变 速 器 中等液层孔 浅液层孔
进浆孔 胶体－液体排出
固相排出口 进浆室
泥 浆 进 口
深液层孔
• 在离心力的作用下，重晶石和大颗粒的固相被甩 向滚筒内壁，形成固相层，由螺旋输送器铲掉， 并输送到锥形滚筒处的干湿区过渡带，其中大部 分液体被挤出，基本上以固相通过滚筒小头的底 流口排出， • 而自由液体和悬浮的细固相则流向滚筒的大头， 通过溢流口排出。
三、水力旋流器
• 泥浆振动筛一般只能清除全部固相量的25％左右， 74um以下的细颗粒仍留在泥浆中，对钻进速度影 响仍然较大。 • 为了进一步改善泥浆性能，一般在泥浆振动筛之 后，装有水力旋流器，用以清除较小颗粒的固相。
动画：泥浆两级净化流程
水利旋流器分类：
水力旋流器分为除砂器和除泥器两种，但结构和 工作原理完全相同。 • 锥筒内径为6～12英寸的称作除砂器，能清除大 于70um和约50％大于40um的细砂颗粒。 • 锥筒内径为2～5英寸的称作除泥器，能清除40um 和约50％大于15um的泥质颗粒。 • 所谓锥筒内径是指锥筒圆柱体部分的内径，亦称 工作内径。
反映振动筛性能的一个重要技术参数是振动强度 K，表达式为 2
K g A
• 其中w为角频率， 30 ，n为振动频率，即主轴 转速； • g为重力加速度； • A为泥浆筛的振幅。 筛网的振动方式决定着钻屑在筛网上的分离粒度、 运移速度、排屑量和液体处理量等。 激振器与筛架的相对位臵以及激振器转动的方向 决定着振动的轨迹形状。