摘　要：粒子沖擊鉆井過程中，能否快速高效地分離出已破碎粒子直接關(guān)系到粒子沖擊鉆井的效率。為此，以綜合利用粒子旋轉(zhuǎn)的離心力和外部注入氣流的氣流拖拽力來實(shí)現(xiàn)好、壞粒子分離的新思路為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出了由分選裝置、引風(fēng)機(jī)2個(gè)部分組成的粒子分選裝置。進(jìn)而通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量參數(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了分選裝置的分離效果及其影響因素。結(jié)果認(rèn)為：①鋼粒子的分散性是影響分級(jí)效率和分離處理量的重要條件，獲得較大力場(chǎng)可為獲得較好分散創(chuàng)造有利條件；②鋼粒子在分選裝置中旋轉(zhuǎn)越快，分選裝置分級(jí)效率越高；③粒子直徑越大，分選裝置分級(jí)效率和處理量越大；④好壞粒子混合物中的壞粒子的相對(duì)含量會(huì)影響分級(jí)效率，壞粒子含量越低，分級(jí)效率越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的粒子分選裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)好壞粒子的分離，這為粒子沖擊鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)備上的支持和理論上的保障。

關(guān)鍵詞：粒子沖擊鉆井  粒子分選  分離效果  分級(jí)效率  影響因素  設(shè)計(jì)  處理量  實(shí)驗(yàn)

Research and development of the particle separation device in a particle impact drilling system

Abstract：Fast and efficient separation of broken particles is directly related to the efficiency in the process of particle impact drilling．For this purpose，this paper put forward a new idea of utilizing the centrifugal force of particle rotation and the air drag force of an external inj ected air flow to separate sound and broken particles．On this basis，we designed a particle separation device composed of a separation device and some induced draft fans．The separation effect and influencing factors of the separation device were studied in experiments through adjusting the motor rotation rate and air volume of draft fans．The following findings were obtained．(1)The grading efficiency and separation capacity will be decided by the steel particle dispersion；and a bigger force field can help create favorable conditions for better dispersion．(2)The faster the steel particles rotate in the separation device．the higher the grading efficieney of the separation device；the larger the particle size，the stronger the grading efficiency and capacity of the device．(3)The relative content of broken particles in the mixed particles affects the grading efficiency，specifically the less the broken particle content，the higher the grading efficiency will be．Experimental results also validated that the designed particle separation device can effectively separate the sound and broken particles．This study provides mechanical and theoretical support for the realization of particle impact drilling technology．

Keywords：particle impact drillin9，particle separation，separation effect，grading efficiency，influencing factors，design，capacity，experiment

我國陸上淺層油氣資源因長時(shí)間開發(fā)而日趨枯竭，勘探開發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)已轉(zhuǎn)向深部硬地層及復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域。其中前者是各石油公司提高油氣勘探開發(fā)效益、提升企業(yè)競爭力的關(guān)鍵^[1-6]。但目前的深井超深井硬地層鉆井存在著許多困難(鉆進(jìn)進(jìn)尺慢等)。因此，開發(fā)出高效的深井硬地層鉆井方法意義重大^[7-9]。

粒子沖擊鉆井技術(shù)(Particle Impact Drilling，簡稱PID)是一種能夠有效提高深井硬地層鉆井速度的鉆井新技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景。然而，在粒子鉆井過程中，需要不斷地向井底注入完好無損的粒子，完全使用新粒子成本昂貴，將井底返出的可用粒子再次注入井底是可行的方案。但從井底返回的鉆井液中含有巖屑、破損粒子、完好粒子等多種固相顆粒，要想將井底返出的完好粒子重新注入井內(nèi)，則需要將完好粒子從井底返出的多種固相顆粒中分離出來。因此需要設(shè)計(jì)一套合理有效的粒子分離系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)鉆井液的凈化和完好粒子的回收^[10-12]。

針對(duì)以上需求，本文提出綜合利用粒子旋轉(zhuǎn)的離心力和外部注入氣流的氣流拖拽力來實(shí)現(xiàn)好壞粒子分離的新思路，并設(shè)計(jì)了粒子分選裝置。對(duì)裝置的分離效果及影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為粒子沖擊鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)備上的支持和理論上的保障。

1　粒子分選裝置工作原理

粒子沖擊鉆井技術(shù)過程中注入鋼粒子的直徑為1～3mm，從井底返出的鉆井液中鋼粒子表面破損體積較小，一般破損的體積不足完好鋼粒子的1／2，好壞鋼粒子有以下共同特性：①好壞粒子都是鋼顆粒，其密度均大于鉆井液及巖屑密度；②好壞粒子密度是相同的；③最大截面積基本相同。因此，利用鋼粒子質(zhì)量的差別分離好壞鋼粒子是最為可行的手段，基于上述分析，考慮綜合利用離心力和氣流拖拽力的作用實(shí)現(xiàn)兩者的分級(jí)。

依據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的粒子分選裝置由分選裝置及配套裝置引風(fēng)機(jī)2個(gè)部分組成(圖1、2)。當(dāng)所有粒子的混合料由接料斗進(jìn)入分選裝置后，在分選裝置旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)變得分散，物料由于慣性落到分級(jí)錐面上時(shí)，鋼粒子將會(huì)因受到分級(jí)錐面的摩擦力而被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)離心力(¦)，同時(shí)下部引風(fēng)機(jī)為鋼粒子施加一個(gè)吸風(fēng)作用。此時(shí)，鋼粒子受到的力有3個(gè)：氣流拖拽力(¦1)，重力(mg)，摩擦力(¦¢)(可忽略不計(jì))。

當(dāng)粒子質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時(shí)，此粒子將沿分級(jí)錐面向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入完好粒子出口。當(dāng)粒子質(zhì)量小于臨界質(zhì)量時(shí)，粒子向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入破損粒子出口并被收集。這樣就實(shí)現(xiàn)了完好粒子和表面破損粒子的分級(jí)。

2　分離能力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試粒子分選裝置的粒子分離能力，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)裝置及其與配套裝置連接情況簡圖如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)的主要參數(shù)就是電機(jī)轉(zhuǎn)速和引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過電磁調(diào)速器來調(diào)節(jié)，引風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量通過引風(fēng)機(jī)的閥門開度調(diào)節(jié)，進(jìn)入分選裝置接料漏斗粒子的流量通過秒表計(jì)時(shí)器控制。具體的實(shí)驗(yàn)過程為：①調(diào)節(jié)電磁調(diào)速器，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到需要的數(shù)值；②把引風(fēng)機(jī)的閥門開度調(diào)節(jié)到最大，使風(fēng)量達(dá)到最大；③往接料斗中加入完好粒子，此時(shí)如果完好粒子接料桶沒有發(fā)現(xiàn)存在鋼粒子，則慢慢調(diào)小引風(fēng)機(jī)的閥門開度；④重復(fù)第3步，直到發(fā)現(xiàn)完好粒子接料桶里有粒子時(shí)，則停止調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)閥門；⑤改向加料斗加入破損的粒子，確認(rèn)接料桶內(nèi)是否出現(xiàn)破損粒子，若沒出現(xiàn)破損粒子，則保持閥門開度，加入好壞粒子混合物，正式做實(shí)驗(yàn)；若出現(xiàn)破損粒子，則略微調(diào)大引風(fēng)機(jī)閥門開度，直到保證接料桶能發(fā)現(xiàn)完好粒子而無破損粒子為止。

通過實(shí)驗(yàn)得出粒子流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速和引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量的關(guān)系，記錄上面得出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，從而可以獲知粒子分選裝置的粒子分離能力及不同因素對(duì)分離能力的影響情況。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1　電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)效率的影響

實(shí)驗(yàn)材料是直徑分別為1mm、2mm、3mm的好壞鋼粒子的混合物，好壞粒子混合比例為2：1。因?yàn)橐L(fēng)機(jī)的引風(fēng)量和電機(jī)轉(zhuǎn)速是相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以取電機(jī)轉(zhuǎn)速作為變量來進(jìn)行分級(jí)效率實(shí)驗(yàn)。分離前物料中好壞鋼粒子的體積濃度通過量筒量取好粒子和壞粒子的體積來確定；分離后壞粒子可利用高壓水射流和粒子混合后從噴嘴噴出，然后通過篩網(wǎng)篩取壞粒子的方法獲得。分級(jí)效率的計(jì)算公式為：

式中G為分級(jí)效率；B1為待分級(jí)物料中的壞顆粒的濃度；B2為好顆粒中壞顆粒的濃度。

分選裝置的分級(jí)效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出：鋼粒子直徑不同，相同電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)分離效率不同，但分級(jí)效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的趨勢(shì)相似，即電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，分級(jí)的效果越理想，兩者的關(guān)系近似成正比例趨勢(shì)。筆者分析認(rèn)為導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速越高，對(duì)應(yīng)的引風(fēng)量和氣流速度越高，則氣流的拖拽力越大，則需要分離的粒子所受到的沿斜面向上和向下的力的差別就越大，粒子就越容易及時(shí)的分散，則分級(jí)效率越高。

3．2　鋼粒子處理量對(duì)分級(jí)效率的影響

以分選裝置的分級(jí)效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)中最佳分級(jí)效率時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為定值，通過調(diào)整混合粒子的處理量來研究鋼粒子處理量與和分級(jí)效率的關(guān)系(圖3)。

從圖3中可以看出，對(duì)于某一直徑的鋼粒子混合物，隨著粒子處理量的增加，分級(jí)效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；鋼粒子的直徑越小，其分級(jí)效率受處理量的影響越大。分析得出，出現(xiàn)該種情況的原因是大直徑完整粒子與破損粒子的質(zhì)量差異較大，小直徑完整粒子與破損粒子的質(zhì)量差異較小，該分離機(jī)分離好壞粒子的機(jī)理在于質(zhì)量的差異，因此也就出現(xiàn)了分選裝置處理粒子的能力和鋼粒子直徑相關(guān)的現(xiàn)象。

3．3　好壞粒子混合比例對(duì)分級(jí)效率的影響

實(shí)驗(yàn)材料仍為直徑分別為1mm、2mm、3mm的好壞粒子的混合物，但好壞粒子混合比例變?yōu)?span lang="EN-US">1：1(體積比)，得到分級(jí)效率和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系(圖4)。

從圖4可以看到，在混合粒子中好壞粒子比例發(fā)生變化時(shí)，分級(jí)效率依然和電機(jī)轉(zhuǎn)速近似成正比關(guān)系。對(duì)比圖4與圖2發(fā)現(xiàn)，同一直徑的例子，隨著混合比例的不同，分級(jí)效率存在著差異。圖4中的分級(jí)效率相對(duì)于圖2的分級(jí)效率略低，筆者分析認(rèn)為，隨著壞粒子含量的增多，粒子破損面和分級(jí)錐面接觸的機(jī)會(huì)就相對(duì)增多，導(dǎo)致其受到氣流拖拽力小于理論的氣流拖拽力，影響了后來粒子受力，進(jìn)而影響后來的粒子的分離，最終導(dǎo)致分級(jí)效率的降低。

3．4　粒子組成對(duì)分級(jí)效率的影響

為了進(jìn)一步論證分選裝置分級(jí)原理的可行性及破損鋼粒子對(duì)分選裝置分級(jí)效率的影響，選取了陶瓷微珠來代替破損鋼粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于破損的鋼粒子和完好鋼粒子之所以能分離的關(guān)鍵因素就是它們的最大直徑相同造成的氣流拖拽力相同與體積的微小差別造成二者質(zhì)量不同而實(shí)現(xiàn)好壞鋼粒子的分離。而陶瓷微珠的密度為2.7g／cm³，和相同直徑的完好鋼粒子比較，密度不同造成質(zhì)量的不同，但受到的氣流拖拽力仍相同，因此這種陶瓷微珠完全可以代替破損的鋼粒子和完好鋼粒子混合在一起實(shí)驗(yàn)粒子分選裝置的性能。下面分別用1mm、2mm、3mm的鋼粒子和相同直徑的陶瓷微珠混合做實(shí)驗(yàn)，混合比例為2：1。得到分選裝置的分級(jí)效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖(圖5)。

從圖5可以看出，粒子分級(jí)效率與電機(jī)轉(zhuǎn)速也是成正比趨勢(shì)，但用陶瓷顆粒代替破損的鋼球顆粒與完好鋼粒子混合在一起進(jìn)行分離的效果好于以往的效果。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诶碚撋?，陶粒在沖到分級(jí)錐面上時(shí)受到氣流的拖拽力都應(yīng)該是相同的，而所有破損鋼粒子沖到分級(jí)面上的時(shí)候受到的氣流拖拽力并不都相同，原因是當(dāng)破損的鋼粒子的破損面與分級(jí)錐面一開始就接觸時(shí)，它的受力面積就會(huì)減少，則受到的氣流拖拽力自然就會(huì)比理論值小，其走向自然就沒有確定性了，因此影響后來的粒子受力和移動(dòng)，進(jìn)而影響粒子在分級(jí)錐面上的及時(shí)分散，最終影響分級(jí)效率。而陶粒沒有破損，就不會(huì)出現(xiàn)像上述情況，所以會(huì)出現(xiàn)分離效果更佳的現(xiàn)象。

4　結(jié)論

1)筆者提出綜合利用粒子旋轉(zhuǎn)的離心力和外部注入氣流的氣流拖拽力來實(shí)現(xiàn)好壞粒子分離的新思路，設(shè)計(jì)制造出了粒子分選裝置。

2)利用實(shí)際樣機(jī)，研究不同因素對(duì)粒子分選裝置分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)：電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，分選裝置分級(jí)效率越高；粒子直徑越大，分選裝置分級(jí)效率和處理量均越高；鋼粒子的直徑越小，其分級(jí)效率受處理量的影響越大。為了提高分級(jí)效率，需要降低粒子分選裝置的處理量。好壞粒子混合物中的壞粒子的含量會(huì)影響整體的分級(jí)效率，較少的壞粒子含量可以獲得相對(duì)較高的分級(jí)效率。粒子的良好分散是獲得比較好的分級(jí)效率和較高的處理量的前提和重要條件，而較大力場(chǎng)是獲得較好分散的有利條件。

3)設(shè)計(jì)的粒子分選裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)好壞粒子的分離作用，這為粒子沖擊鉆井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)備上的支持和理論上的保障。

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本文作者：周愛照  劉永旺  趙健  徐依吉  毛炳坤

作者單位：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)

  中國石化勝利油田黃河鉆井三公司

  中國石油大學(xué)(華東)