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学科代码 080203 编 号 硕士学位论文开题报告 学 号： 112080203003 研 究 生： 魏雷 导 师： 张力 高级工程师 研究方向： 现代设计理论及方法 论文题目： 旋流分离理论在石油钻井技术及农业节水技术中的研究与应用 学 科： 机械设计及理论 学 院： 机电工程学院 入学时间： 2011年09月 开题时间： 2013年01月08日 2013年 1月 8日学位论文题目 旋流分离理论在石油钻井技术及农业节水技术中的研究与应用 课 题 来 源 科研项目 一、课题意义及国内外研究现状综述 1 课题意义 1.1 旋流分离技术简介 旋流分离技术是利用旋流分离器，对几种互不相容且存在密度差的混合物进行分离[1]。旋流分离技术作为一种高效的多相分离技术已经广泛应用用于完成液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒分级与分类以及两种非互溶液体的分离等多种过程作业，迄今已广泛应用在矿物加工、石油、化工、农业节水灌溉、环保、食品、医药、纺织、采矿、机械等众多领域[2]。旋流分离器结构简单，主要由进料管，溢流管，圆柱段，锥段，底流管这5部分组成，如图1所示。 1进料管，2溢流管，3圆柱段，4锥段，5底流管 图1 旋流分离器结构图 旋流分离器的基本工作原理是依靠离心沉降进行分离，将需分离的混合液以一定的压力从圆筒段上部的切向进料口进入，从而在旋流器内部形成强烈的旋转运动，由于轻相和重相存在着密度差，所受到的离心力和流体曳力的大小不同，重相受到的离心力大从而使重相向靠近锥壁，重相在重力和离心力的作用下沿锥段快速螺旋向下运动，然后从底流口排出。大部分轻相运动到锥段底部后无法从底流管排出，反向螺旋向上运动，通过旋流分离器的溢流口排出，从而达到分离的目的[3-6]。旋流分离器分离过程示意图与内部流场示意图如图2所示 图2 旋流分离器分离示意图与内部流场图 1.2 旋流分离技术在石油钻井技术中的应用 石油钻井工艺是现代石油钻机钻进过程的重要组成部分，随着地层的加深，井下问题也越来越复杂、钻井数量越来越多、钻进速度越来越快、钻井深度越来越深，这都对钻井液性能要求越来越高[7]。钻井液在钻井过程中携带出钻机钻进的钻屑，平衡地层压力，冷却钻头，因此钻井液的质量直接关系到钻机钻进过程顺利进行与否。在钻进过程中，钻头钻进破碎的岩石，泥浆将岩屑带至地面，然后把泥浆中岩屑分离出去。即使在粘土钻进，也需要把不必要的粘土颗粒去掉，以保持泥浆的性能。钻井液常采用加入重晶石来增加泥浆比重，提高泥浆质量[8-11]。重晶石可以回收再利用，所以得采取措施将重晶石从泥浆中分离出来。钻井液固相控制就是为了消除有害固相，保留有用固相，以满足钻井工艺对泥浆性能的要求。随着钻井深度的加深和钻机工作的环境的不断恶劣，钻进过程产生的钻屑量和种类也会增多，单靠某一种设备消除钻井液中的有害固相已达不到钻机的工作要求。所以钻机泥浆净化系统由多个设备组成：振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机等泥浆净化设备、及与其相配合使用搅拌器、供浆砂泵、配浆漏斗等辅助设备、安装在密闭罐上而组成的一套钻井施工装备[12]。 实践证明，泥浆净化非常必要，如果泥浆中固体含量过多，会造成如下严重的后果。 泥浆中固体含量过高会降低泥浆携带岩屑的能力和钻头的工作效率。如果井底岩屑不能及时排出或泥浆中含有固体颗粒，将使岩屑重复破碎，从而降低机箱钻速，减少钻头进尺。泥浆携带岩屑能力下降可能导致卡钻事故。 泥浆中固体含量过高会使泥浆比重和粘度作不必要增加，加大泥浆泵压力和功率消耗。 泥浆中过多的固体颗粒会加速泥浆循环系统的机械设备磨损，影响寿命。 废浆排料增加会导致环境污染[13]。 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ砂浆泵 1 钻孔，2 钻杆，3 劣浆池，4 泥浆箱，5 虑浆箱， 6 震动筛，7 除砂器，8 除泥器，9 良浆池 图3 钻机泥浆净化示意图 振动筛一般作为第一步粗处理，将大颗粒去除。旋流分离器作为第二步处理设备去除泥浆中较细的砂粒，或回收重晶石。离心分离机也常作为最后一步净化设备清除岩屑和砂粒，回收重晶石，泥浆净化过程如图3所示。 旋流分离器根据被清除颗粒的大小可以分为除砂器和除泥器，除砂器用来分离0.06~0.1毫米的粗泥和砂粒，除泥器分离0.01~0.03毫米的粘土微粒和细泥粉砂。旋流分离器作为泥浆净化系统分离的第二级或第三级分离设备，对分离过程起着重要作用[14]。 1.3 旋流分离技术在农业节水灌溉中的应用 我国是一个水资源相对匮乏的国家，水资源总量约为2.8万亿立方米,人均占有量仅仅为2200m3,不足世界人均占有量的1/4, 平均每公顷占有量仅12000m3，只有世界平均水平的1/2。进入90年代以来, 我国农业年均受旱面积达200