利用文丘里原理处理井场含钻屑泥浆的理论研究和应用

林亚非（中石化江汉石油工程有限公司国际合作公司，湖北 武汉 430223）

陶龙刚（武汉市元博智能控制技术研究设计院，湖北 武汉 430070）

钻井泥浆具有悬浮携带岩屑、稳定井壁、防止井塌等重要作用，因此被业内公认为是石油钻井的“血液”。不过也正因为钻井泥浆具有携带岩屑的作用，所以在钻井井场返回泥浆里裹挟有大量的碎石及小鹅卵石，当用砂泵或泥浆泵等设备抽吸转移这类泥浆时，常常会损坏这些大型设备的叶片［1］，大大降低设备的使用寿命，影响施工进度，给企业造成严重经济损失。为了克服现有技术的不足，笔者提供了一种基于文丘里原理设计的抽浆泵，能将含钻屑泥浆在不直接通过砂泵或泥浆泵等大型设备情况下，即可将其抽排至指定位置，避免对砂泵或泥浆泵叶片造成损坏，大大延长设备的使用寿命。

1 模型建立

1.1 文丘里效应原理

当气体或者液体在文丘里管里流动时，在管道的最窄处，动态压力（速度头）达到最大值，静态压力（静息压力）达到最小值，气体（液体）的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升［2］。整个涌流都要在同一时间经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小，进而产生压力差，这个压力差用于给流体提供一个外在吸力。

1.2 文丘里抽浆泵结构

图1是文丘里抽浆泵的结构示意图。砂泵、泥浆泵等装置提供的高压流体经过喷嘴射出的高速激射流体在汇合处产生负压，把带有碎石、小鹅卵石的泥浆吸取过来与高速激射流体在汇合处开始混合，并在混合处混合均匀后经排出口排处。

1.3 文丘里抽浆泵工作流程

图2是文丘里抽浆泵工作流程图。合理地配置参数，可以使高压流体经文丘里泥浆泵产生的负压吸取比泵体低3.5m的泥浆再排出到比泵体高3.9m处。

2 理论推导

泥浆在文丘里抽浆泵入口处压力（ps）和出口处压力（pm）分别为［3］：

图1 文丘里抽浆泵结构示意图

图2 文丘里抽浆泵工作流程图

式中：ps为泥浆在文丘里抽浆泵入口处的压力，MPa；pm为文丘里抽浆泵出口处的压力，MPa；vs为开始时泥浆的平均流速，m／s；vm为混合后的泥浆的平均流速，m／s；Δp1为泥浆入口管系压力降，MPa；Δp2为文丘里抽浆泵出口至排出口管系压力降，MPa；ρs为入口泥浆密度，kg／m3；ρm为混合后的泥浆即排出泥浆密度，kg／m3；h1为要抽取的泥浆与泥浆入口的高度差，m；h2为文丘里抽浆泵出口与排出口的高度差，m；g为重力加速度，9.81m／s2。

管系压降Δp1、Δp2均为圆管流动的沿程压力损失与局部压力损失之和，即：

式中：Δpλ1、Δpξ1分别为入口沿程压力损失与局部压力损失，MPa；Δpλ2、Δpξ2分别为出口沿程压力损失与局部压力损失，MPa；λ1、λ2分别为入、出口沿程阻力系数，1；ξ1、ξ2分别为入、出口局部阻力系数（具体数值可查阅有关手册）；l1、d1和l2、d2分别为入、出口管系长度与管径，m。

液体在金属管直管中作层流流动时，取沿程阻力系数λ＝75／Re（Re为液体的雷诺数）。

液体在等直径圆管中作紊流运动时的λ的计算公式［4］为：

式中：d为管径，m；Δ为管壁的表面粗糙度，mm。Δ的值和管壁的材料有关，计算时可参考下列数值：钢管0.04mm，铜管0.0015～0.01mm，铝管0.0015～0.06mm，橡胶软管0.03mm。

另外，光滑金属圆管的临界雷诺数Recr＝2320。当液流的实际雷诺数Re小于临界雷诺数Recr时，为层流；反之为紊流。

另外，可以推导出泥浆和水混合后排除的泥浆的密度ρm：

式中：μ为混合比，1；Gs为泥浆的质量流量，kg／s；Gp为水的质量流量，kg／s；ρp为水的密度，kg／m3。

根据流量的连续性方程：

可得在泥浆和水混合后泥浆的平均流速vm：

式中：vp为水流的平均流速，m／s；Ap为水流的截面积，m2；As为泥浆的截面积，m2；Am为混合后的泥浆的截面积，m2。

3 文丘里抽浆泵的试制与工业试验

通过对现场工况的分析和对各种结构参数的计算，由武汉市元博智能控制技术研究设计院完成了具体产品设计，由荆州市元泽石油设备有限公司完成了产品试制，在中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司70210井队进行了产品工业试验，并取得圆满成功。试验以泥浆泵的泥浆为动力，在泥浆泵压力为4MPa时，文丘里抽浆泵的排量就达到了500L／min的设计排量。

4 结论

通过产品工业试验证明，文丘里抽浆泵能快速、有效的进行一开等工况下的井口泥浆收集，泥浆中的碎石、小鹅卵石没有对文丘里抽浆泵产生破坏性损害，设备使用寿命长。设备安装、维护方便，使用时不需额外操作，现场也不需要再增加其他设备，是一种抽吸含有碎石、小鹅卵石的泥浆的理想设备，极具推广价值。

［1］赵娜 .钻井泥浆固控系统的设计 ［J］.甘肃科技，2008，18（6）：15～21.

［2］李奇，寇子明 .文丘里管射流器的主要性能参数研究 ［J］.煤矿安全，2009，40（6）：5～7.

［3］周婉露，徐立军 .垂直安装文丘里管湿气测量模型研究 ［J］.仪器仪表学报，2010，31（5）：1120～1125.

［4］魏同成 .喷射管与文丘里管的设计 ［J］.化工设计，1993，3（6），21～27.