除砂器、除泥器以及旋流器的简介
2012-11-22 11:31阅读：
1、旋流器的分类及功能
水力旋流器按其直径的不同，可分为除砂器、除泥器和微型旋流器三类。
（1） 除砂器直径为150－300mm的旋流器称为除砂器。它处理钻井液的能力，在输入压力为0.2MPa时一般不低于20－120m3/h。处于正常工作状态的除砂器可清除大约95%大于74μm的钻屑和50%大于30μm的钻屑。在选择除砂器时，其许可处理量应该是钻井时最大排量的1.25倍。
（2）除泥器 直径为100－150mm的旋流器称为除泥器。在输入压力为0.2MPa时其处理能力不低于10－15m3/h。正常工作状态的除砂器可清除大约95%大于40μm的钻屑和50%大于15μm的钻屑。除泥器的许可处理量，应为钻井时最大排量的1.25－1.5倍。
（3）微型旋流器 直径为50mm的旋流器称为微型旋流器。其处理能力在输入压力为0.2MPa时其处理能力不低于5m3/h。分离粒子范围为7－25μm。主要用于非加重钻井液，以清除超细颗粒。
2、水力旋流器的结构和工作原理
水力旋流器是一个带有圆柱部件的锥形容器，锥体上部的圆柱部分叫液腔；圆柱体外侧有一进液管，以切线形式和液腔连通；容器的顶部是溢流口，底部是底流口（或排泄口，亦称排砂口）；一个空心圆管沿旋流器的轴线从顶部延伸到液腔里，这个圆管叫溢流管，其内部形成上溢流通道，以便钻井液上溢流出。旋流器的尺寸由锥体的最大直径决定。
含有固相颗
粒的钻井液在压力作用下经进液管以切线方向进入液腔，由于钻井液的切向速度而使旋流器内部获得离心区。液腔顶部是封闭的，所以切向速度的钻井液又受到液腔顶部向下的推力，再加上重力的影响，使钻井液向下做轴向运动。周向运动和轴向运动合成的结果，使钻井液做螺旋运动。除切向进口管及其附近区域外，水力旋流器的流体流型具有周向对称性。旋流器中任一点的流速均可分解为三个分速度，即切向速度
υ、径向速度μ和轴向速度ω，下面其分布特性。
（1）切向速度
在低于溢流管下边缘的水平旋流面上，静压头是由周边向中心减小的，并且减小的程度取决于旋流的速度。由于在旋流器的任一半径上静压头和速度头之和是相等的，所以当静压头随半径减小而减小时，速度头就必然增加，因此越接近中心，周向速度越大。靠近旋流器中心线处的流体的周向 速度及相应的离心力变得如此之大，以致使液体发生破裂并沿着中心线形成空气状的空气核心。如果底流口和大气相通，空气柱便保持下来。
研究工作者对水力旋流器内速度场进行实验研究的结果表明，切向速度变化与水力旋流器半径的关系可用下列方程式表示：
υrn＝常量
（5－3）
式中 υ－切向分速度；
r－水力旋流器截面半径；
n－幂指数（通常取0.6≤n≤0.9）。
n值可以在很大范围内变化，并取决于水力旋流器结构和溢流管与底流口直径的比例。
切向分速度与水力旋流器半径的关系为：切向分速度随液体的旋转半径减小而增加，但在接近溢流管半径处（亦即空气柱附近）达到最大值，而后急剧减小。
（2）轴向速度
轴向速度也称垂直速度，。在水力旋流器内，沿圆柱和圆锥内壁高速向下的液流对旋流器的工作是非常重要的，因为它运送已被分离的颗粒底流口。
在中心区域向下的液流部分地与向上的液流平衡。也就是说在沿高度的任一水平截面上，总存在着一向速度为零的点，该点的内侧向速度为正，该点的外侧轴向速度为负。在旋流器内部轴向速度为零的点的轨迹为一圆锥形的表面，在该表面以内液体向上运动，在其外侧液流向下运动。
（3）径向速度
到目前为止，对径向速度的研究尚不够充分，对径向速度的分布问题仍存在分歧。但径向速度通常比其它两个分速度小得多，并且其本身也难于准确地测定，所以在实际计算中可忽略不计。水力旋流器中的这种速度分布规律仅限于定性描述，即使是密度和粘度较低的水的流型也是非常复杂的。因此几何形状不同或是液体的粘度不同，旋流器中液体的流型绝不会雷同。
3、旋流器的处理能力
旋流器的处理能力可从两个方面来评价，一是允许输入钻井液的能力，二是底流口的排泄能力。
水力旋流器所能处理的钻井液量可用下面的公式做近似计算：
Q＝1.82
did0(gP)1/2/12α0.2(α<20°)
(5-5)
式中 Q－旋流器能够处理的钻井液量，l/s；
di－旋流器进液管直径，cm；
d0－旋流器溢流管直径，cm；
g－重力加速度，cm/s2；
P－输入压力，0.1Mpa；
α－锥角，度。
以上是单个旋流器的处理量计算式，根据钻井液的循环返速度（即排量），可以确定需要的旋流器的个数，在实际应用中，旋流器组的总钻井液处理量要大于排量的10%－20%，以防旋流器超载。
底流口的排泄能力包括两个方面：首先是旋流器内液体的流型应具有较高的分离能力，能沉降较细的固相颗粒；二是对平衡设计的旋流器其底流口在超载的情况下，能够以最大的速度排泄固相颗粒。旋流器的直径不同，其分离能力也是不同的。除砂器分离的颗粒直径一般为40－200μm，除泥器分离的颗粒直径一般为15－40μm。如表2所示。
为评价旋流器的分离能力，这里引入分离点的概念。钻井液的固相颗粒在旋流器的分离过程中，同一尺寸的颗粒，特别是较细的颗粒，并不能全部从底流口排出，有一部分要随着上旋流从溢流口溢出。
4、使用旋流器时的注意事项
为保证旋流器的分离效果，在实际使用过程中，应注意以下几个问题：
（1）要保证旋流器的前级处理设备－振动筛工作有效。尽可能选用比较细的振动筛网，同时振动筛不能发生旁流或划破，以防旋流器发生固相超载而堵塞。堵塞对旋流器的分离效果影响很大，如果发现应立即排堵，或者把它从管汇中换掉。底流口的堵塞通常是由于干 区或固相超载引起的，干区的产生往往是由于底流口调得太小而引起的，固相超载可以通过调大底流口来解决。如有可能，可在旋流器系统内再加装一些旋流器，或者更换更好、更合适的旋流器。
（2）选择合适的离心泵，保证进口压力。在离心泵的吸入端要加放滤网，防止大的固相颗粒团吸入。
（3）在旋流器的吸入加适量的水稀释，降低钻井液的密度和粘度，提高旋流器的分离效率。
（4）对平衡设计的旋流器要经常检查其底流状态是否正常，如发现有不正常现象，应立即排除。
