钻井液振动筛不同振动参数下颗粒黏结作用对筛分效率的影响

刘洪斌,朱天际,罗伟,孙浩宾

(西南石油大学 机电工程学院,成都 610500)

在石油钻采中,钻井液振动筛作为一级固控设备被广泛使用,其主要作用为清除钻井液中的岩屑和其他有害固相颗粒。而振动筛筛分颗粒效率的高低决定钻采的经济与时间成本[1-3]。对此查阅了国内外相关文献,研究现状如下:侯勇俊等[4]对传统振动筛以及负压振动筛的筛分效率影响因素进行了系统的研究与比较。吴先进等[5]探究了不同筛网固定形式下的颗粒运移情况。Saasen等[6]分析了钻井液流变性与振动筛筛分效率关系。胡书闯等[7]基于椭圆轨迹振动筛对不同振型下的岩屑运移与堵筛现象进行分析。吕志鹏等[8]通过对颗粒之间碰撞次数与颗粒在筛网上分布曲线来探究其对颗粒运移轨迹的影响。Steinsvåg等[9]从钻井液体系和温度角度出发探究振动筛产生的油雾和蒸汽水平与筛分效率的关系。

以上文章从不同角度对影响振动筛筛分颗粒效率因素进行探究。但对颗粒黏结作用影响提及较少,并且没有将颗粒黏结作用、运动轨迹、速度与颗粒筛分效率进行综合分析。为此本文将以颗粒之间的黏结作用为出发点,探究振动筛在不同振动参数下颗粒黏结作用对颗粒筛分效率的影响,以达到对石油固控设备参数选择提供借鉴意义的目的。

1 离散单元法及EDEM模型创建

离散单元法是由美国学者Cundall教授在1971年基于分子动力学原理首次提出的一种颗粒离散体物料分析方法。其基本思想是把不连续体分离为刚性元素的集合,使各个刚性元素满足运动方程,用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程,继而求得不连续体的整体运动形态[10-12]。而EDEM是世界上第一个用现代离散元模拟科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件。通过其模拟钻井液中分散颗粒在振动筛处理过程中的颗粒体系的行为特征,对固控设备进行设计、测试与优化。

根据西南石油大学设计的平动椭圆钻井液振动筛尺寸参数建立简易振动筛三维模型[13],如图1所示。因计算机计算能力限制,现将钻井液振动筛尺寸缩减到常规的1/10,振动筛是由壁面、筛网、进口以及出口组成。振动筛筛网目数为25目,筛孔尺寸为0.71 mm。

图1 振动筛三维模型

2 参数设置与颗粒黏结现象

2.1 振动筛与颗粒参数设置

钻井液中的颗粒种类繁多,且不同钻井液的组成成分大不相同。常用的水基钻井液组成与体积分数占比如图2所示。

图2 水基钻井液的组成与体积分数占比

由于每种组成成分包含多种颗粒,且不同钻井液中颗粒所占体积分数仍有变动,因此不能一一将颗粒种类进行模拟。但可以根据筛网网孔的尺寸大小将颗粒归为三类,分别为易透筛颗粒、难透筛颗粒与不透筛颗粒,颗粒直径范围在0.3 mm～1.8 mm之间。为此建立3种颗粒模型,其尺寸大小如表1所示。

表1 颗粒分类与尺寸大小

将EDEM中颗粒工厂(粒子产生的部分)设置在振动筛筛箱进口处,颗粒分布采用系统默认的正态分布形式,即N(0,1)正态分布,颗粒具体生成数量与个数如表2所示。

表2 颗粒数量与生成速率

颗粒材料根据Open GEMM Wizard中的颗粒库,并参考钻井液中各种颗粒的基本系数,输入堆积角度选择。颗粒形状选择常规的球形结构,其颗粒与振动筛材料基本参数[14]如表3所示。

表3 各材料基本参数

2.2 颗粒黏结现象

由于钻井液颗粒之间具有静电及一定黏度等原因会产生明显黏结和团聚现象,形成由多种颗粒黏结在一起的颗粒团,颗粒的不同颜色代表不同直径颗粒，如图3所示。

图3 由多种颗粒黏结形成的颗粒团

已知颗粒团对钻井液颗粒的筛分具有两面性,一方面颗粒团由于具有强大的吸附力,让钻井液中的有用固相,如膨润土、重晶石等颗粒随着颗粒团由出口脱筛,降低有用固相的筛分效率,造成有用固相的浪费。另一方面由多种颗粒组成的颗粒团,会将一些可以透筛的有害固相颗粒吸住并随着颗粒团由出口脱筛。基于颗粒黏结作用,颗粒与颗粒之间的接触模型应选择Herz-mindlin with JKR built-in optimal 模型[15],且JKR模型中颗粒之间的相互作用力计算公式为[16]

(1)

2.3 筛网的振动参数设置

已知平动椭圆钻井液振动筛其筛面运动轨迹均为椭圆,而在软件EDEM中通过设置实体在X、Y两轴上的运动参数βx、βy达到不同振型、通过改变δ调节振动方向角大小、通过改变K调节椭圆度大小。其具体的椭圆运动轨迹参数如图4所示。

图4 椭圆运动轨迹

已知振动筛筛网运动轨迹分解到X轴和Y轴上的运动方程[7]为：

(2)

(3)

(4)

式中:a、b为常数;K为短长轴比;λx、λy为X、Y轴方向振幅;δ为椭圆长轴的振动方向角;βx、βy为相位角。

选取振动方向角为45°,其他参数不变,改变振动筛振动频率,具体参数如表5所示。

表5 不同振动频率下的振动参数

3 仿真结果分析

3.1 易透筛颗粒筛分效率探究

已知易透筛颗粒存在两种脱离筛网形式,一种为颗粒由筛孔透过筛网,另一种为颗粒由出口脱离筛网(其中包括受颗粒黏结作用形成颗粒团由出口脱离筛网与颗粒单独由出口脱离筛网两种形式)。统计两种脱筛形式效率(注:颗粒由筛孔透筛称为透筛率,如易透筛颗粒透筛即称易透筛颗粒透筛率。颗粒由出口脱筛称为出口脱筛率,如不透筛颗粒脱筛称为不透筛颗粒出口脱筛率,后文亦如此),得3种易透筛颗粒在两种脱筛形式下的平均筛分效率,如图5、图6所示。

图5 不同方向角下易透筛颗粒筛分效率对比

图6 不同频率下易透筛颗粒筛分效率对比

从图5可以看出,随着振动方向角的增大,易透筛颗粒由筛孔透筛的透筛率趋于39%,而其出口脱筛率在方向角为10°时达到最大值38.4%,且随着方向角的增大,易透筛颗粒出口脱筛率逐渐下降,在方向角50°时达到最小值22.7%。对比两折线,在保证较高易透筛颗粒透筛率的同时具有较低出口脱筛率,方向角需在50°～70°之间选择。

从图6可以看出,当保持其他参数不变,增大频率,易透筛颗粒透筛率与出口脱筛率趋势均为下降。由此可得,在相同条件下,为保证较高的易透筛颗粒透筛率,振动频率15 Hz时为最优值,振动方向角需在50°～70°之间选择。

3.2 颗粒出口脱筛率与黏结作用关系

大部分易透筛颗粒由出口脱筛是因颗粒黏结导致的。上文已知易透筛颗粒由出口脱筛存在两种形式,且直接统计颗粒黏结作用对颗粒速度影响大小非常困难,为此统计易透筛颗粒单独脱离筛口时速度与易透筛颗粒总速度,两者之差可作为颗粒团对速度影响大小的参考(而非实际大小),如图7、图8所示。

图7 不同方向角下黏结作用与颗粒出口脱筛率对比

图8 不同频率下黏结作用与颗粒出口脱筛率对比

从图7可以看出,方向角在10°～45°之间时,颗粒黏结作用对速度影响大小与易透筛颗粒出口脱筛率呈反比。而在方向角45°～70°之间,颗粒黏结作用对速度影响大小与颗粒出口脱筛率成正比,黏结作用对颗粒速度影响越大,形成颗粒团的易透筛颗粒数量越多,这些颗粒黏附在颗粒团上并由出口脱筛,造成易透筛颗粒出口脱筛率增大。

从图8可以看出,在不同振动频率下,颗粒黏结作用对速度影响大小与易透筛颗粒出口脱筛率成正比,振动频率在15～16 Hz之间时,增大频率会增大易透筛颗粒形成颗粒团的数量,导致易透筛颗粒出口脱筛率增大。振动频率在16～20 Hz之间时,可通过增大频率的方法降低形成颗粒团的易透筛颗粒数量,降低易透筛颗粒出口脱筛率。

3.3 颗粒出口脱筛率与抛物运动关系

颗粒在筛网上的理想运动形式为抛物运动,而抛物运动次数决定筛网的使用寿命与筛网对颗粒的处理效率。为此,探究颗粒在筛网上所做抛物运动次数与颗粒出口脱筛率之间的关系对优选振动参数有借鉴意义。

已知易透筛颗粒存在由筛孔透筛可能,造成统计不便,为此以不透筛固相颗粒为研究对象,通过EDEM后处理中的Line功能绘制颗粒在Z轴方向(在图4上为竖直方向)上的速度随时间变化折线，如图9所示。

图9 方向角30°时颗粒Z轴方向速度折线

已知不透筛固相颗粒在筛网上每做一次抛物运动,颗粒与筛网就会碰撞一次且颗粒在Z轴方向分速度由负值变为正值一次。以图9颗粒为例,该颗粒在筛网上做6次抛物运动。以该方法统计每种工况下在5 s内的不同时间段所标记的50颗不透筛颗粒,可得通过出口时不透筛颗粒在筛网上所做抛物运动次数平均值。将颗粒黏结作用对不透筛颗粒速度影响大小与颗粒抛物运动次数、出口脱筛率对比,如图10与图11所示。

图10 不同方向角下3种参数对比

图11 不同频率下3种参数对比

从图10可以看出,在振动方向角10°～60°之间,颗粒出口脱筛率与颗粒所做抛物运动次数存在反比关系。以相邻两组方向角做对比,颗粒黏结作用对速度影越大,形成颗粒团的颗粒越多,对应折线上,颗粒在筛网上所做抛物运动次数越多,从而会降低颗粒出口脱筛率。而振动方向角在70°时表现出不同的规律,是因为振动方向角过大(即椭圆长轴与竖直方向夹角过小)造成颗粒更容易由振动筛两侧壁面脱筛而无法统计到由出口脱筛的真实颗粒数量所致。

从图11可以看出,振动频率在15～16 Hz之间时,颗粒黏结作用对颗粒速度影响减小,导致不透筛颗粒形成颗粒团的数量减少,伴随着不透筛颗粒抛物运动次数减少4.95次,不透筛颗粒出口脱筛率增大4%,抛物运动次数减少表明颗粒更快脱离筛网。频率在16～20 Hz之间时,不透筛颗粒抛物次数缓慢减少,逐渐趋于稳态值6次,且不透筛颗粒出口脱筛率减小。得在频率15～16 Hz之间,可通过增大频率方法提高不透筛颗粒出口脱筛率。当频率到达16 Hz之后,增大频率不会减少生成颗粒团的颗粒数量,颗粒团对速度影响大小趋于稳态值,颗粒在筛网上所做抛物运动次数趋于稳态值6.2次。

4 结论

1) 本文从颗粒之间的黏结作用角度出发,通过改变振动方向角与振动频率,探究筛网对不同颗粒的筛分效率、颗粒黏结作用、颗粒速度与抛物运动次数的作用关系。颗粒之间的黏结作用会降低颗粒速度,对速度影响越大,颗粒在筛网上所做抛物运动次数越多,形成颗粒团的颗粒数量越多。

2) 通过改变振动方向角大小,易透筛颗粒透筛率随着振动方向角的增大趋于定值39%,但其出口脱筛率整体呈下降趋势。振动方向角在45°～70°之间,黏结作用对速度影响大小与易透筛颗粒出口脱筛率成正比。如易透筛颗粒出口脱筛率在方向角50°时达到最低值22.7%,黏结作用对速度影响大小同时也达到最低值0.21 m/s。

3) 通过改变振动频率大小,在一定振动频率范围内,增大振动频率可提高不透筛颗粒出口脱筛率。如振动频率在15～16 Hz之间,增大频率,不透筛颗粒出口脱筛率由59%增加到63%。超出此频率范围后,继续增大振动频率不会增加颗粒出口脱筛率,其原因为黏结作用对颗粒运动轨迹影响程度趋于稳定。