鉆井除砂器主要基于水力旋流離心分離原理,通過構(gòu)建高速旋轉(zhuǎn)流場,利用砂粒與鉆井液的密度差異,實現(xiàn)固相(砂粒)與液相(鉆井液)的快速分離,具體過程分為 4 個關(guān)鍵階段:
1. 形成旋轉(zhuǎn)流場:為分離提供動力
鉆井液經(jīng)進料系統(tǒng)以 0.2-0.4MPa 的壓力,從水力旋流器的切線方向進入腔體(而非軸向)。高速流體撞擊旋流器內(nèi)壁后,沿壁面做螺旋下降運動,形成 “外旋流”(下降流);同時,由于旋轉(zhuǎn)過程中離心力的作用,中心區(qū)域形成低壓區(qū),帶動部分流體做螺旋上升運動,形成 “內(nèi)旋流”(上升流)。整個流場的旋轉(zhuǎn)速度可達 1000-2000r/min,為后續(xù)分離奠定基礎。
2. 離心力分離:砂粒與鉆井液分層
在高速旋轉(zhuǎn)流場中,砂粒(密度約 2.6-2.8g/cm3)與鉆井液(密度約 1.0-1.3g/cm3)因密度差異,受到的離心力不同:
砂粒密度大,受到的離心力遠大于鉆井液,被快速甩向旋流器內(nèi)壁,隨外旋流沿壁面螺旋下降,最終進入沉砂室,形成 “沉砂”;
凈化后的鉆井液(含少量細顆粒)密度小,受離心力小,向旋流器中心區(qū)域聚集,隨內(nèi)旋流螺旋上升,從頂部的溢流管排出,進入后續(xù)的除泥器或鉆井液罐,實現(xiàn)循環(huán)利用。
3. 二次過濾:提升分離精度
旋流器排出的沉砂并非純砂粒,仍含有約 30%-50% 的鉆井液。為避免鉆井液浪費,這些 “砂水混合物” 會直接流入下方的振動篩。振動篩通過高頻振動(1800-2800r/min),使鉆井液透過 60-120 目的篩網(wǎng),重新回流至鉆井液循環(huán)系統(tǒng);而砂粒(粒徑大于篩網(wǎng)孔徑)則留在篩網(wǎng)上,隨振動逐漸從篩網(wǎng)一端排出,實現(xiàn) “砂液二次分離”,進一步提升鉆井液回收率(回收率可達 85% 以上)。
4. 排砂與監(jiān)控:確保連續(xù)運行
沉砂室中的砂粒堆積到一定量(通過液位傳感器監(jiān)測,通常達腔體容積的 70%-80%)后,控制系統(tǒng)會自動開啟排砂閥(氣動或電動),將砂粒排出至砂罐或運砂車;排砂完成后,閥門自動關(guān)閉,設備繼續(xù)進入分離狀態(tài)。同時,壓力傳感器實時監(jiān)測進料壓力,若壓力過低(低于 0.2MPa),會導致旋轉(zhuǎn)流場速度不足,分離效率下降,此時設備會發(fā)出報警信號,提醒操作人員調(diào)整進料參數(shù)(如增大泵排量)。