LW380×1400D-BP型大处理量超高速钻井液离心机设计

王媛 彭红 蒋锐 吴先进 李华川 赵明建 贺殷凯 张杰

摘要：高速离心机主要用于分离钻井液中2 μm级的超细固相颗粒。常规高速离心机的分离因数和转鼓尺寸较小，对钻井液中超细固相的分离效果不佳，且处理量与中速离心机的流量不匹配。研制了LW380×1400D-BP型大处理量超高速钻井液离心机，其转鼓直径为380 mm，最高工作转速为4 000 r/min，最大分离因数为3 400 g。设计了双级减振结构、轴承自动油气润滑系统、进液量自适应调节系统等，解决了转鼓直径增大和转速提高带来的振动烈度增加、关键零件寿命降低等问题。工业试验结果表明，工作转速3 800 r/min时，处理后钻井液固相的中值粒径D50达到2 μm，对应处理量5～6 m3/h，进液量自适应调节可靠。该超高速离心机完全满足了钻井工艺对钻井液中超细固相的净化和处理量的双重需求。

关键词：钻井液； 离心机； 设计；超高速

中图分类号：TE926.03   文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.007

Abstract：In the solid control system of drilling fluid， the high-speed centrifuge is mainly used to remove 2 μm grade superfine solid particles. The separation factor and drum size of conventional high-speed centrifuges are small， the removal effect of ultra-fine solids in drilling fluid is poor， and the handling capacity does not match the overflow flow of mid-speed centrifuges. A large capacity ultra-high speed drilling fluid centrifuge model named LW380×1400D-BP was designed. The drum diameter of this centrifuge is 380 mm， the maximum working speed is 4 000 r/min， and the maximum separation factor is 3 400 g. The problems such as the increase of vibration intensity and the decrease of life of key parts caused by the increase of drum diameter and rotating speed were solved by adopting a two-stage vibration reduction structure， automatic oil-air lubrication system of bearings， adaptive matching of liquid intake and other methods. The industrial test results show that when the working speed of this centrifuge is 3 800 r/min， the solid D50 of the treated drilling fluid reaches 2 μm and the corresponding processing capacity is 5～6 m3/h， and the adaptive matching of the liquid intake is stable and reliable. The ultra-high speed centrifuge fully meets the dual requirements of drilling technology for ultra-fine solid purification and treatment capacity of drilling fluid.

Key words：drilling fluid; centrifuge; design; ultra-high speed

隨着钻井液使用时间的增加和重复利用次数的增多，钻井液中的超细有害固相不断积累，对机械钻速、设备磨损、钻井液性能及井下工具的正常使用易造成负面影响［1-2］。为了改善此问题，现场常配置高速或超高速离心机，分离2 μm及以上粒径的超细有害固相。实际应用表明，在深井段采用较高黏度的钻井液时，如果离心机的分离因数大于3 000 g，分离点粒径易达到2 μm级，钻井液净化效果理想。同时，井队工作繁忙，设备自动化也是一项需求。

调研国内外离心机发现，一方面，国内外仅有部分机型标注的分离因数满足需求。应用时，工作转速一般为设计转速的80%左右，实际分离因数满足需求的更少。这些机型的转鼓直径≤360 mm，处理量偏小。另一方面，现有的离心机控制系统大多属于运行参数预设模式，即，不能根据现场钻井液的性能自适应调整。离心机运行参数的设置与物料的性质息息相关［3］，当钻井液密度、固相含量变化时，离心机运行参数可能不再适宜，需重新调节，否则有堵塞、卡死转鼓的风险。运行参数的调节依赖于操作者的经验，不确定因数较多。因此，研制分离因数高、处理量大、具备自适应参数调节功能的钻井液离心机势在必行。

离心机研制的关键在于解决超高转速下设备动平衡和进液量自适应调节的问题。王立智［4］建立了离心机的双转子-轴承耦合动力学模型，研究了离心机的振型和固有频率，得到双转子系统的临界转速及振型；研究了清水负载振动增大的机理，提出了清水负载整机动态平衡方法。李振威、张志新等对某型卧螺离心机空载、负载以及高速动平衡机上的螺旋进行了振动测试，从幅频图、幅值谱、轴承座中心轨迹分析了卧螺离心机的振动特征［5］，并通过有限元分析对离心机的动力性能进行了优化［6］。Lei Lou［7］等对离心机的振动和噪声开展了试验研究。何宇［8］对钻井液高速离心机的转鼓强度进行有限元分析和优化。陈远龙［9］、徐庆华［10］等采用基于PLC的变频器调速方式，实现对离心机转鼓和螺旋输送器的无级调速。王博芳［11］、高晓军［12］、陈洪［13］等研究离心机的智能化控制系统，使离心机的工作性能的可靠性有较大提升。

四川宝石机械专用车有限公司研制了LW380×1400D-BP型大处理量超高速离心机，特点是分离因数高、处理量大、具备进液量自适应调节功能。现场应用表明，该离心机实现了钻井液中2 μm级超细有害固相的净化，处理量满足现场需求，进液量自适应调节功能替代了人工调节。

1 结构及原理

LW380×1400D-BP型大处理量超高速离心机的主体结构和工作原理与常规高速离心机一致。如图1所示，主电机通过皮带轮组带动转鼓和差速器外壳旋转，辅电机通过皮带轮组带动差速器输入轴旋转，差速器输出端通过花键带动螺旋输送器旋转。转鼓和螺旋输送器存在转速差。钻井液通过进液管，途径螺旋输送器筒体进入转鼓内腔。在转鼓转动下，钻井液高速旋转，液相和固相逐渐分层，较轻液相靠近转鼓中心，较重固相沉积至转鼓壁。沉积的固相由螺旋机推至排渣口排出。

2 结构参数

高速离心机的设计重点是分离因数高，转鼓尺寸不宜过大。转鼓直径250～400 mm，易达到分离效果，经济性也更佳。常规高速离心机的转鼓直径为355 mm（14英寸），但处理量偏小。因此，LW380×1400D-BP型离心机适当放大转鼓直径，取值为380 mm（15英寸）。

转鼓长度应按照L/D长经比值来确定。常规高速离心机一般取L/D＝3.5，计算长度L＝1 330 mm。考虑离心机排出的钻屑略湿，因此将LW380×1400D-BP型离心机的转鼓长度设计为1 400 mm。

其余結构参数按照常规高速离心机设计，即，转鼓锥角9°、螺旋升角7°、常数0.63。

3 性能参数

最大分离因数   3 400 g

最大转速     4 000 r/min

基础差转速    40 r/min

最小分离中值粒径 2 μm

处理量     35～45 m3/h（4 000 r/min，ρ清水=1.0 g/cm3）

5 ～ 8 m3/h（3 600 r/min，ρ钻井液=1.3 g/cm3）

4 技术难点

提高分离因数就能降低钻井液中固相的最小分离点。但是，分离因数达到3 400 g的石油钻井液离心机并不常见，说明技术难点不在理论，而在制造工艺。

1） 高速旋转时设备的动平衡问题。离心机出厂前要做动平衡试验，并达到规定的动平衡精度。但是，实际应用时，钻井液进料、固相积渣，以及转鼓内部磨损是不均匀的，所以应用期间仍存在不可忽视的动不平衡问题。为了使钻井液离心机在高转速工况下稳定运行，必须控制好动平衡参数。

2）  轴承的润滑方式。轴承采用油润滑方式时，更适用于高转速工况，但是润滑结构不易设计。为了使轴承能够采用油润滑方式，应做好润滑系统的设计。

3）  进液量自适应调节功能。离心机运行参数应实时匹配当前工况。常规高速离心机以人工检测、人工判断、人工调节为主。要解放人力，需开发1套控制系统，配置相应传感器，并做系统稳定性测试。

5 关键技术

5.1 双级减振结构

为了降低离心机运行的振动烈度，LW380×1400D-BP型离心机设计了双机减振结构，如图2所示。副减振器设置在电机安装座下，主减振器设置在转子基座下。电机安装座通过副减振器与转子基座相连，转子基座通过主减振器与底座相连。

该结构有2方面的优点：

1）  从振动的角度分析。电机和转鼓都有振动，把两者转化成2条振动波，叠加后的波峰有可能抵消，也有可能增大。当波峰叠加增大时，整机振动烈度增大，使连接部件的磨损增加、加速疲劳损伤，且降低运行稳定性。副减振器吸收了大部分的电机振动，仅剩一部分的电机振动与转鼓振动叠加，使整机振动烈度下降，不仅延长了连接部件的使用寿命，而且提高了离心机的运行稳定性。

2）  从能量的角度分析。离心机从电源获得的电能是固定的，减小整机振动烈度，可以降低能量损耗，使更多电能用于物料处理，增强设备的作业性能。

双级减振结构运用后，使超高速离心机的振动烈度下降。经测试，空载试验时，离心机转鼓的转速为4 000 r/min，电机安装座的振动烈度为5.3 mm/s、转子安装基座的振动烈度为2.1 mm/s，低于标准规定值7.1 mm/s。

5.2 自动油气润滑系统

常规高速离心机的主轴承通常采用脂润滑，适用于转速3 200 r/min及以下工况。设计的自动油气润滑系统如图3所示，适用于转速4 000 r/min的工况。该系统是根据工况需求将润滑油泵入油气混合阀，并向里持续提供0.3 MPa的清洁气流，润滑油以细微油滴的形态随着气流被引至轴承。

所设计的油气润滑系统有3个特点。

1）  自动控制。润滑系统有5种润滑模式，分别适用于开机、运行、轴承温升异常、轴承温升恢复、停机。离心机运行时，控制中心主动识别当前工况，自动匹配对应润滑模式，全程无需人工判断、人工操作。

2） 节能环保。根据轴承对润滑油的消耗情况，适时补充润滑油，既保证充分润滑，又精确控制油量。

3） 轴承温升低。相较于脂润滑超高速离心机，运用自动油气润滑系统后，主轴承升温得到了不同程度下降。空载试验时，环境温度11 ℃、转鼓转速4 000 r/min、连续运行8 h，大端主轴承温度33 ℃、温升22 ℃，远低于标准规定的轴承最高温度70 ℃、温升35 ℃。

5.3 进液量自适应调节系统

常规高速离心机的运行参数设定主要依靠人工判断、人工操作。为了减少人工干预，设计了进液量自动调节系统，其逻辑控制程序如图4所示。

1） 风险识别。进液量自动调节系统通过多个传感器采集离心机的电机电流、轴承温度、整机振动等表征运行状态的参数（以下简称“状态参数”）。若工况突变、进液量大于离心机的处理能力时，状态参数增大。当状态参数大于设定临界值Ⅰ，系统则识别有风险。

2） 反馈调节。识别到风险后，系统自动降低供料比例档位、进入“轴承温升异常”润滑模式。

3） 效果判断。调节完成后，设备继续运行10 min。

①异常继续增大，甚至超过了设定临界值Ⅱ，返回第②步，继续调节。

②异常消失，状态参数低于设定临界值Ⅰ，系统保持该供料比例档位，润滑系统进入“轴承温升恢复正常”润滑模式。

③异常仍然存在，高于设定临界值Ⅰ，低于设定临界值Ⅱ，继续运行10 min再判断。如果异常继续增大、异常仍然存在，则返回第②步继续调节；如果异常消失，保持该供料比例档位，润滑系统进入“轴承温升恢复正常”润滑模式。

6 现场试验情况

2019-06-11－2019-09-28，LW380×1400D-BP型大处理量超高速离心机在磨溪区块进行工业性试验，在三开和四开井段（3 085～6 435 m）使用，该机累计运行161 h。2020-11-21－2021-03-20，该机在磨溪区块继续进行工业性试验，在三开和四开井段（3 350～5 969 m）使用，该机累计运行40 h。运行参数是：

1） 负载最高稳定转速达到4 000 r/min。

2） 转速在3 800 r/min、钻井液密度ρ钻井液=1.3 g/cm3时：

①对应处理量为5～6 m3/h，运行平稳（振动烈度3.8 mm/s）。

②固相含量由15.2%降低至6.7%以下。

③分离中值粒径D50为0.6 μm级，钻井液的流变性能改善明显。

3） 当低密度固相含量少时，转速3 200～3 800 r/min，离心机的分离效果差异不大。当低密度固相含量多时，转速3 800 r/min，离心机的分离效果明显优于其它转速工况。

4） 钻井液性能参数变化时，离心机能自动调节进液量，降低了转鼓卡堵风险，并显著减少了人工操作量。

7 结论

1） 研制了LW380×1400D-BP型大处理量超高速离心机。设计的双级减振结构提升了高速离心机的动平衡性能，并减少了振动的烈度。采用自动油气润滑系统，保证了离心机在高转速时的良好润滑。开发的控制系统能实时监控离心机的运行状态参数，并能根据钻井液参数的变化，实时自动调节进液量。

2） 工业试验表明，研制的超高速离心机在3 800 r/min（分离因数3 070 g）时可有效分离钻井液中2 μm以上超细固相颗粒，处理量5～6 m3/h，使钻井液的流变性改善明显。

3） 低密度固相含量较低时，超高速离心机在3 200～3 800 r/min工作转速下的分离效果没有明显差异。低密度固相含量较高时，3 800 r/min工作转速时的分离效果最佳。

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