鉆井液振動篩不同振動參數下顆粒黏結作用對篩分效率的影響

劉洪斌,朱天際,羅偉,孫浩賓

(西南石油大學 機電工程學院,成都 610500)

在石油鉆采中,鉆井液振動篩作為一級固控設備被廣泛使用,其主要作用為清除鉆井液中的巖屑和其他有害固相顆粒。而振動篩篩分顆粒效率的高低決定鉆采的經濟與時間成本[1-3]。對此查閱了國內外相關文獻,研究現狀如下:侯勇俊等[4]對傳統振動篩以及負壓振動篩的篩分效率影響因素進行了系統的研究與比較。吳先進等[5]探究了不同篩網固定形式下的顆粒運移情況。Saasen等[6]分析了鉆井液流變性與振動篩篩分效率關系。胡書闖等[7]基于橢圓軌跡振動篩對不同振型下的巖屑運移與堵篩現象進行分析。呂志鵬等[8]通過對顆粒之間碰撞次數與顆粒在篩網上分布曲線來探究其對顆粒運移軌跡的影響。Steinsv?g等[9]從鉆井液體系和溫度角度出發探究振動篩產生的油霧和蒸汽水平與篩分效率的關系。

以上文章從不同角度對影響振動篩篩分顆粒效率因素進行探究。但對顆粒黏結作用影響提及較少,并且沒有將顆粒黏結作用、運動軌跡、速度與顆粒篩分效率進行綜合分析。為此本文將以顆粒之間的黏結作用為出發點,探究振動篩在不同振動參數下顆粒黏結作用對顆粒篩分效率的影響,以達到對石油固控設備參數選擇提供借鑒意義的目的。

1 離散單元法及EDEM模型創建

離散單元法是由美國學者Cundall教授在1971年基于分子動力學原理首次提出的一種顆粒離散體物料分析方法。其基本思想是把不連續體分離為剛性元素的集合,使各個剛性元素滿足運動方程,用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方程,繼而求得不連續體的整體運動形態[10-12]。而EDEM是世界上第一個用現代離散元模擬科技設計的用來模擬和分析顆粒處理和生產操作的通用CAE軟件。通過其模擬鉆井液中分散顆粒在振動篩處理過程中的顆粒體系的行為特征,對固控設備進行設計、測試與優化。

根據西南石油大學設計的平動橢圓鉆井液振動篩尺寸參數建立簡易振動篩三維模型[13],如圖1所示。因計算機計算能力限制,現將鉆井液振動篩尺寸縮減到常規的1/10,振動篩是由壁面、篩網、進口以及出口組成。振動篩篩網目數為25目,篩孔尺寸為0.71 mm。

圖1 振動篩三維模型

2 參數設置與顆粒黏結現象

2.1 振動篩與顆粒參數設置

鉆井液中的顆粒種類繁多,且不同鉆井液的組成成分大不相同。常用的水基鉆井液組成與體積分數占比如圖2所示。

圖2 水基鉆井液的組成與體積分數占比

由于每種組成成分包含多種顆粒,且不同鉆井液中顆粒所占體積分數仍有變動,因此不能一一將顆粒種類進行模擬。但可以根據篩網網孔的尺寸大小將顆粒歸為三類,分別為易透篩顆粒、難透篩顆粒與不透篩顆粒,顆粒直徑范圍在0.3 mm～1.8 mm之間。為此建立3種顆粒模型,其尺寸大小如表1所示。

表1 顆粒分類與尺寸大小

將EDEM中顆粒工廠(粒子產生的部分)設置在振動篩篩箱進口處,顆粒分布采用系統默認的正態分布形式,即N(0,1)正態分布,顆粒具體生成數量與個數如表2所示。

表2 顆粒數量與生成速率

顆粒材料根據Open GEMM Wizard中的顆粒庫,并參考鉆井液中各種顆粒的基本系數,輸入堆積角度選擇。顆粒形狀選擇常規的球形結構,其顆粒與振動篩材料基本參數[14]如表3所示。

表3 各材料基本參數

2.2 顆粒黏結現象

由于鉆井液顆粒之間具有靜電及一定黏度等原因會產生明顯黏結和團聚現象,形成由多種顆粒黏結在一起的顆粒團,顆粒的不同顏色代表不同直徑顆粒，如圖3所示。

圖3 由多種顆粒黏結形成的顆粒團

已知顆粒團對鉆井液顆粒的篩分具有兩面性,一方面顆粒團由于具有強大的吸附力,讓鉆井液中的有用固相,如膨潤土、重晶石等顆粒隨著顆粒團由出口脫篩,降低有用固相的篩分效率,造成有用固相的浪費。另一方面由多種顆粒組成的顆粒團,會將一些可以透篩的有害固相顆粒吸住并隨著顆粒團由出口脫篩?；陬w粒黏結作用,顆粒與顆粒之間的接觸模型應選擇Herz-mindlin with JKR built-in optimal 模型[15],且JKR模型中顆粒之間的相互作用力計算公式為[16]

(1)

2.3 篩網的振動參數設置

已知平動橢圓鉆井液振動篩其篩面運動軌跡均為橢圓,而在軟件EDEM中通過設置實體在X、Y兩軸上的運動參數βx、βy達到不同振型、通過改變δ調節振動方向角大小、通過改變K調節橢圓度大小。其具體的橢圓運動軌跡參數如圖4所示。

圖4 橢圓運動軌跡

已知振動篩篩網運動軌跡分解到X軸和Y軸上的運動方程[7]為：

(2)

(3)

(4)

式中:a、b為常數;K為短長軸比;λx、λy為X、Y軸方向振幅;δ為橢圓長軸的振動方向角;βx、βy為相位角。

選取振動方向角為45°,其他參數不變,改變振動篩振動頻率,具體參數如表5所示。

表5 不同振動頻率下的振動參數

3 仿真結果分析

3.1 易透篩顆粒篩分效率探究

已知易透篩顆粒存在兩種脫離篩網形式,一種為顆粒由篩孔透過篩網,另一種為顆粒由出口脫離篩網(其中包括受顆粒黏結作用形成顆粒團由出口脫離篩網與顆粒單獨由出口脫離篩網兩種形式)。統計兩種脫篩形式效率(注:顆粒由篩孔透篩稱為透篩率,如易透篩顆粒透篩即稱易透篩顆粒透篩率。顆粒由出口脫篩稱為出口脫篩率,如不透篩顆粒脫篩稱為不透篩顆粒出口脫篩率,后文亦如此),得3種易透篩顆粒在兩種脫篩形式下的平均篩分效率,如圖5、圖6所示。

圖5 不同方向角下易透篩顆粒篩分效率對比

圖6 不同頻率下易透篩顆粒篩分效率對比

從圖5可以看出,隨著振動方向角的增大,易透篩顆粒由篩孔透篩的透篩率趨于39%,而其出口脫篩率在方向角為10°時達到最大值38.4%,且隨著方向角的增大,易透篩顆粒出口脫篩率逐漸下降,在方向角50°時達到最小值22.7%。對比兩折線,在保證較高易透篩顆粒透篩率的同時具有較低出口脫篩率,方向角需在50°～70°之間選擇。

從圖6可以看出,當保持其他參數不變,增大頻率,易透篩顆粒透篩率與出口脫篩率趨勢均為下降。由此可得,在相同條件下,為保證較高的易透篩顆粒透篩率,振動頻率15 Hz時為最優值,振動方向角需在50°～70°之間選擇。

3.2 顆粒出口脫篩率與黏結作用關系

大部分易透篩顆粒由出口脫篩是因顆粒黏結導致的。上文已知易透篩顆粒由出口脫篩存在兩種形式,且直接統計顆粒黏結作用對顆粒速度影響大小非常困難,為此統計易透篩顆粒單獨脫離篩口時速度與易透篩顆?？偹俣?兩者之差可作為顆粒團對速度影響大小的參考(而非實際大小),如圖7、圖8所示。

圖7 不同方向角下黏結作用與顆粒出口脫篩率對比

圖8 不同頻率下黏結作用與顆粒出口脫篩率對比

從圖7可以看出,方向角在10°～45°之間時,顆粒黏結作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率呈反比。而在方向角45°～70°之間,顆粒黏結作用對速度影響大小與顆粒出口脫篩率成正比,黏結作用對顆粒速度影響越大,形成顆粒團的易透篩顆粒數量越多,這些顆粒黏附在顆粒團上并由出口脫篩,造成易透篩顆粒出口脫篩率增大。

從圖8可以看出,在不同振動頻率下,顆粒黏結作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率成正比,振動頻率在15～16 Hz之間時,增大頻率會增大易透篩顆粒形成顆粒團的數量,導致易透篩顆粒出口脫篩率增大。振動頻率在16～20 Hz之間時,可通過增大頻率的方法降低形成顆粒團的易透篩顆粒數量,降低易透篩顆粒出口脫篩率。

3.3 顆粒出口脫篩率與拋物運動關系

顆粒在篩網上的理想運動形式為拋物運動,而拋物運動次數決定篩網的使用壽命與篩網對顆粒的處理效率。為此,探究顆粒在篩網上所做拋物運動次數與顆粒出口脫篩率之間的關系對優選振動參數有借鑒意義。

已知易透篩顆粒存在由篩孔透篩可能,造成統計不便,為此以不透篩固相顆粒為研究對象,通過EDEM后處理中的Line功能繪制顆粒在Z軸方向(在圖4上為豎直方向)上的速度隨時間變化折線，如圖9所示。

圖9 方向角30°時顆粒Z軸方向速度折線

已知不透篩固相顆粒在篩網上每做一次拋物運動,顆粒與篩網就會碰撞一次且顆粒在Z軸方向分速度由負值變為正值一次。以圖9顆粒為例,該顆粒在篩網上做6次拋物運動。以該方法統計每種工況下在5 s內的不同時間段所標記的50顆不透篩顆粒,可得通過出口時不透篩顆粒在篩網上所做拋物運動次數平均值。將顆粒黏結作用對不透篩顆粒速度影響大小與顆粒拋物運動次數、出口脫篩率對比,如圖10與圖11所示。

圖10 不同方向角下3種參數對比

圖11 不同頻率下3種參數對比

從圖10可以看出,在振動方向角10°～60°之間,顆粒出口脫篩率與顆粒所做拋物運動次數存在反比關系。以相鄰兩組方向角做對比,顆粒黏結作用對速度影越大,形成顆粒團的顆粒越多,對應折線上,顆粒在篩網上所做拋物運動次數越多,從而會降低顆粒出口脫篩率。而振動方向角在70°時表現出不同的規律,是因為振動方向角過大(即橢圓長軸與豎直方向夾角過小)造成顆粒更容易由振動篩兩側壁面脫篩而無法統計到由出口脫篩的真實顆粒數量所致。

從圖11可以看出,振動頻率在15～16 Hz之間時,顆粒黏結作用對顆粒速度影響減小,導致不透篩顆粒形成顆粒團的數量減少,伴隨著不透篩顆粒拋物運動次數減少4.95次,不透篩顆粒出口脫篩率增大4%,拋物運動次數減少表明顆粒更快脫離篩網。頻率在16～20 Hz之間時,不透篩顆粒拋物次數緩慢減少,逐漸趨于穩態值6次,且不透篩顆粒出口脫篩率減小。得在頻率15～16 Hz之間,可通過增大頻率方法提高不透篩顆粒出口脫篩率。當頻率到達16 Hz之后,增大頻率不會減少生成顆粒團的顆粒數量,顆粒團對速度影響大小趨于穩態值,顆粒在篩網上所做拋物運動次數趨于穩態值6.2次。

4 結論

1) 本文從顆粒之間的黏結作用角度出發,通過改變振動方向角與振動頻率,探究篩網對不同顆粒的篩分效率、顆粒黏結作用、顆粒速度與拋物運動次數的作用關系。顆粒之間的黏結作用會降低顆粒速度,對速度影響越大,顆粒在篩網上所做拋物運動次數越多,形成顆粒團的顆粒數量越多。

2) 通過改變振動方向角大小,易透篩顆粒透篩率隨著振動方向角的增大趨于定值39%,但其出口脫篩率整體呈下降趨勢。振動方向角在45°～70°之間,黏結作用對速度影響大小與易透篩顆粒出口脫篩率成正比。如易透篩顆粒出口脫篩率在方向角50°時達到最低值22.7%,黏結作用對速度影響大小同時也達到最低值0.21 m/s。

3) 通過改變振動頻率大小,在一定振動頻率范圍內,增大振動頻率可提高不透篩顆粒出口脫篩率。如振動頻率在15～16 Hz之間,增大頻率,不透篩顆粒出口脫篩率由59%增加到63%。超出此頻率范圍后,繼續增大振動頻率不會增加顆粒出口脫篩率,其原因為黏結作用對顆粒運動軌跡影響程度趨于穩定。