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)

冲洗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。离心机作为冲洗液固相控制处理的重要设备［1～5］，可有效控制冲洗液粘度、密度，清除有害固相，回收重晶石，对提高机械钻速，延长钻具和钻头使用寿命、减少井下事故、降低钻进成本，减少对环境污染等方面具有重大意义。目前有石油领域内应用的离心机处理量比较大、体积庞大、质量大，不利于搬迁，不适应小口径地质钻探施工［6］。为此北京探矿工程研究所针对小口径地质钻探对小型化、轻型化、低能耗、易搬迁离心机的市场需求，就冲洗液固控系统和小型化轻型化离心机的关键技术、技术难点、技术方法、经济指标及可行性分析进行了深入研究和技术攻关，研制出TGLW220×660新型冲洗液离心机。

1 TGLW220×660型冲洗液离心机的整机结构和工作原理

1．1 整机结构

TGLW220×660型冲洗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，图1为TGLW220×660型离心机结构示意图，图2为实物图。

图1 TGLW220×660型冲洗液离心机的结构示意图

图2 TGLW220×660型冲洗液离心机实物图

1．2 结构特点

(1)该设备主要采用7.5 kW单电机驱动双皮带轮的结构设计，整机结构简单紧凑、体积小、质量轻、能耗低、便于搬迁。

(2)研制液力偶合器过载保护装置，离心机启动、停机运行平稳，安全可靠。

(3)研制摆线针轮差速器传动装置，制造精度高、性能好、运行平稳、传动效率高。

(4)主副皮带轮分别与摆线针轮差速器的壳体和输入轴相连，通过更换主副皮带轮调节转鼓和螺旋推进器转速，实现差转速可调，适应不同特性的冲洗液固相处理要求。

(5)研制调节螺母和调节螺杆，离心机安装拆卸方便灵活，并可调整皮带松紧程度。

(6)清水管注水后可对转鼓和螺旋推进器的内部进行清洗，便于离心机维护和保养;离心机轴承采用原装进口FAG和NSK轴承，轴承精度高，承载能力强，寿命长。

1．3 工作原理

冲洗液经离心机的进料管、螺旋推进器的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，在离心力作用下颗粒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，并连续不断地将其推至转鼓锥端，经排渣口排出;颗粒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，实现冲洗液的固液分离。转鼓与螺旋推进器的差转速是由摆线差速器来实现，摆线差速器的外壳与转鼓相连，其输出轴与螺旋推进器相连，其输入轴与副皮带轮相连。

2 TGLW220×660型冲洗液离心机的分离特性

2．1 长径比大，分离固相干燥，减少冲洗液流失和对环境污染

长径比是衡量离心机分离性能的重要参数之一，长径比:

λ=L/D

式中:λ——转鼓的长径比，r/min;L——转鼓的有效长度，mm;D——转鼓的的公称内径，mm。

当转鼓的公称内径一定时，转鼓的有效长度越长［2］，即长径比越大，冲洗液在转鼓内的停留时间越长，分离固相越干燥，分离效果越好，减少冲洗液流失，有利于重晶石回收，减少对环境污染。通过对TGLW220×660型冲洗液离心机关键部件转鼓结构的强度分析和优化改进［7］，确定转鼓长径比L/D=3，外形为圆柱锥形。

2．2 分离因数高，分离效果好

分离因数也是衡量离心机分离性能的重要参数之一:

式中:Fr——离心机的分离因数;ω——转鼓的角速度，rad/s;n2——差速器输入轴的转速;r/min;r——转鼓的半径，mm。

当转鼓的公称直径一定时，转速越高，分离因数越高，分离颗粒越细，处理效果越好。TGLW220×660型冲洗液离心机的转鼓最高转速3000 r/min时，分离因数为1107，可分离5 μm及以上固相颗粒。

2．3 差转速可调，适应不同地层和特性冲洗液

差转速是衡量离心机分离性能的又一重要参数:

Δn=(n1－ n2)/i差

式中:Δn——转鼓与螺旋推进器的差转速，r/min;n1——转鼓的转速，r/min;i差——差速器传动比。

当差速器的传动比一定时，差转速越小，螺旋推进器对冲洗液扰动越小，分离效果越好，固相沉渣在干燥区停留时间越长，排渣含水率越低，排渣能力越小;差转速越大，螺旋推进器对冲洗液的扰动越大，分离效果越差，固相沉渣在干燥区停留时间越短，排渣含水率越高，排渣能力越大。根据钻进工艺实际情况以及钻遇不同地层使用冲洗液的粘度、密度、固相含量和排渣量的变化，更换摆线差速器的主副皮带轮，调节转鼓转速、转鼓和螺旋推进器的差转速，满足分离要求和处理能力。

2．4 处理量满足小口径地质钻探施工市场需求

离心机的处理能力与冲洗液的特性、离心机的结构参数和工作参数有关。根据安布勒(Ambler)∑理论，对不同特性的冲洗液按悬浮液计算得出TGLW220×660型冲洗液离心机的处理量为0.5～2 m3/h，满足小口径地质钻探冲洗液固相处理的需求。

3 TGLW220×660型冲洗液离心机的试验

3．1 室内试验

3．1．1 试验过程

试验目的:验证TGLW220×660型冲洗液离心机可靠性、稳定性、安全性;根据分离冲洗液前后的粒度分析报告，分析其分离性能。

图3 TGLW220×660型冲洗液离心机室内试验

试验方法:空载、清水和负载试验。

试验用设备:TGLW220×660型冲洗液离心机、2 m3泥浆罐、5.5 kW搅拌器、泥浆注入泵(经分流后2 m3/h)、噪音声级计、红外线测温仪、马氏漏斗粘度计、激光粒度分析仪、光电转速表、液体密度计、固相含量测定仪。

试验内容:噪音试验、振动试验、轴承温升试验、差速器性能试验、清除固相粒度试验、排渣含水率试验。

3．1．2 试验结果与分析

TGLW220×660型冲洗液离心机室内试验分离过程如图3所示，依据《螺旋卸料沉降离心机》(JB/T 502－2004)和《离心机安全要求》(GB 19815－2005)标准，设备外观质量良好，各密封部位无渗漏;转动灵活人工盘车无卡阻现象;空载和负载时，振动小，噪声低，轴承温升低;液力偶合器过载保护装置和摆线差速器传动装置安全可靠，运行平稳;试验过程中实测离心机处理量1.5 m3/h，处理后排渣口的固相较干，排渣含水率为10.14%，减少冲洗液损失，废液排放符合国家环保要求。

利用激光粒度分析仪分析冲洗液前后的粒度分析报告如图4和图5所示。从粒度分布图得出，冲洗液的固相峰值从处理前的14.82 μm降到处理后的4.56 μm，处理后20 μm以上固相基本完全清除，90%的固相从处理前的42.77 μm降到了处理后的8.68 μm，处理效果好，有效控制了冲洗液性能。

该设备已在青海省柴达木地区五龙沟金矿黄龙沟矿段HLZK5101钻探施工中开展了野外现场示范应用。

3．2 现场示范应用

图4 冲洗液处理前粒度分布

图5 冲洗液处理后粒度分布

五龙沟金矿区地质构造复杂，地层主要为元古界的中深变质岩、浅变质岩及火山碎屑岩等;海拔高，水资源短缺，山势陡峻，交通不便，并且施工空间有限。现场采用XY－5型立轴钻机，金刚石绳索取心钻进工艺。根据地层特性，采用无固相冲洗液钻探施工钻进。采用TGLW220×660型冲洗液离心机进行现场固相处理后，设备运行平稳，密封无泄漏，轴承温升正常，整机振动小，噪声低;减少了废浆排放，保护了环境，节约了水资源，可清除5μm及以上固相颗粒，满足了现场固相控制需求。

4 技术创新点

(1)小型化:小处理量离心机研制，填补了国内小口径中、浅孔地质钻探用离心机空白。

(2)轻型化:优化结构、优选材料，整机400 kg，减轻了质量，节约了成本，并易于搬迁。

(3)低能耗:7.5 kW单电机双皮带轮结构设计，结构简单紧凑，降低了能耗，节约了成本。

(4)灵活性:设有调节螺母和调节螺杆，安装拆卸方便灵活，并可调节皮带松紧程度，降低了劳动强度。

(5)适应性:差转速可调，适应不同特性冲洗液处理要求。

5 结论

TGLW220×660新型冲洗液离心机适用于小口径地质钻探，特别是中、浅孔施工用冲洗液固相处理，具有转动灵活无卡阻、运行平稳、安全可靠、噪声低、轴承温升正常、密封无渗漏、外观质量良好、处理量小、分离粒度小、排渣含水率低等特点。实践应用表明，该机在有限场地空间范围内提高了冲洗液的固相处理效果，提高了钻探效率，减少了废浆排放，降低了综合钻探成本，符合新形势下国家节能减排的要求。基于该技术的优越特性，其适合在小口径地质钻探领域中开展大规模的推广应用。

［1］ 贾军．中国大陆科学钻探先导孔及扩孔钻井泥浆工艺［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2003，40(3):57 －60．

［2］ 龚伟安．钻井液固相控制技术与设备［M］．北京:石油工业出版社，1995:49－53，316－322．

［3］ 韩滨．ZYK－160型钻井液固控系统的研究与设计［D］．黑龙江大庆:大庆石油学院，2007．

［4］ 张金昌，刘凡柏，冉恒谦，等．2000 m地质岩心钻探关键技术与装备［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2012，39(1):3 －6．

［5］ 胡继良．复杂地层地质钻探冲洗液研究与应用［D］．北京:中国地质大学(北京)，2012．

［6］ 王达，赵国隆，肖亚民，等．DZ/T0227－2010，地质岩心钻探规程［S］．

［7］ 冯美贵，朱迪斯，翁炜，等．TGLW220×660型冲洗液离心机转鼓的强度分析［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2014，41(3):41－43．