螺旋沉降離心機(jī)誕生于本世紀(jì)初，起初應(yīng)用在化工領(lǐng)域，進(jìn)行液-液分離、液-固分離或液-液-固分離；后來應(yīng)用于煤炭行業(yè)處理浮選煤礦。50年代初期，國(guó)外開始將高速螺旋沉降離心機(jī)應(yīng)用到石油鉆井中。高速螺旋沉降離心機(jī)用于處理加重泥漿，主要是降粘和回收加重材料，用于處理非加重泥漿，主要是清除有害固相。但是，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，泥漿螺旋沉降離心機(jī)所配用的電控箱易燒毀，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因是離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生堵塞，螺旋輸送器輸渣困難。本文認(rèn)為，這除了與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不當(dāng)外，還與離心機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。泥漿作為一種特殊的介質(zhì)，與其他行業(yè)中離心機(jī)所用介質(zhì)有較大的不同。對(duì)于不同的地質(zhì)構(gòu)造、不同的機(jī)械鉆速和不同的泥漿體系，其粘度、密度、固相含量及其粒度分布是不同的；對(duì)于同一口井、同一種體系，隨井深的不同，上述泥漿參數(shù)也是不斷變化的；同時(shí)，泥漿密度、固相含量及其粒度分布還取決于振動(dòng)篩、除砂器、除泥器及清潔器的使用狀況。以上這些特點(diǎn)，使得泥漿離心機(jī)較化工用離心機(jī)在結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)上將有所不同。因此，將螺旋沉降離心機(jī)應(yīng)用到泥漿處理上，還有許多問題需要解決。雖然國(guó)外一些公司和研究單位對(duì)此進(jìn)行過一些必要的探索，設(shè)計(jì)出了一些泥漿螺旋沉降離心機(jī)（簡(jiǎn)稱泥漿離心機(jī)或離心機(jī)），但其理論研究資料甚少公開。國(guó)內(nèi)目前對(duì)泥漿螺旋離心機(jī)的研制，仍然處于仿制階段，理論研究及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)未見報(bào)道。

初步分析認(rèn)為，要研制適合于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的泥漿離心機(jī)，應(yīng)從以下七個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1 泥漿固相含量及其粒度分布

固相含量及其粒度分布是研制泥漿離心機(jī)的前提和基礎(chǔ)。由固相粒度分布可以確定離心機(jī)的合理的分離中點(diǎn)。固相粒度是計(jì)算泥漿離心機(jī)生產(chǎn)能力（即按懸浮液計(jì)的處理量）的基礎(chǔ)，直接涉及到泥漿離心機(jī)的分離因數(shù)的選擇。固相含量也是計(jì)算離心機(jī)生產(chǎn)能力（按沉渣計(jì)的處理量）的基礎(chǔ)，直接涉及到離心機(jī)的輸渣能力并影響整個(gè)離心機(jī)的處理量。

目前，國(guó)外對(duì)泥漿固相粒度分布進(jìn)行了深入研究，加重劑重晶石粒度分布已有相應(yīng)的API標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)結(jié)果。在國(guó)內(nèi)，對(duì)泥漿固相粒度分布的研究還不充分，有關(guān)成果還不能代表國(guó)內(nèi)所有區(qū)域的粒度分布情況，即不具有代表性。因此，應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)泥漿固相含量及其粒度分布作系統(tǒng)的、全面的研究，為離心機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供 手資料。應(yīng)重視以下幾項(xiàng)研究：

（1）未經(jīng)任何凈化的泥漿，在不同的地層范圍、不同的機(jī)械鉆速下固相含量及其粒度分布。

（2）通過振動(dòng)篩、除砂器、除泥器或清潔器等固控設(shè)備處理后泥漿固相含量及其粒度分布。

（3）對(duì)不同的油區(qū)、不同的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行上述兩項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試研究。

（4）對(duì)不同的泥漿體系進(jìn)行上述三項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試研究。

對(duì)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的分析研究，采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，確定出典型的泥漿固相含量及其粒度分布曲線，為離心機(jī)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。同時(shí)，這些測(cè)試研究結(jié)果，將為在不同地區(qū)、不同巖層、不同機(jī)械鉆速下使用離心機(jī)，提供合理、可靠的依據(jù)。

2 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)的研究

離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)的研究對(duì)整個(gè)離心機(jī)轉(zhuǎn)速內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)具有重大意義。本文提供了離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)四種截然不同流動(dòng)狀態(tài)的理論和計(jì)算生產(chǎn)能力的方法：

（1）活塞式流動(dòng)狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體像“活塞式”地整體向前流動(dòng)，鼓內(nèi)液環(huán)在整個(gè)截面上的流速是均勻的，新進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓的液體將鼓內(nèi)原有液體全部置換。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按Σ理論計(jì)算生產(chǎn)能力的方法。

（2）層流流動(dòng)狀態(tài)：假設(shè)液體在鼓內(nèi)呈層狀流動(dòng)。可利用納維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程求解速度和壓力分布。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按層流理論計(jì)算生產(chǎn)能力的方法。

（3）表面層流動(dòng)狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體分主液層和表面層，主液層只隨轉(zhuǎn)鼓一道回轉(zhuǎn)并不流動(dòng)，而表面層是在主液層上面快速流動(dòng)的薄層流體。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按表面層理論計(jì)算生產(chǎn)能力的方法。

（4）流線流動(dòng)狀態(tài)：假設(shè)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體流動(dòng)形成若干軸對(duì)稱流面，這些流面與轉(zhuǎn)鼓經(jīng)線截面的交線為流線。依據(jù)這一理論，產(chǎn)生了按流線理論計(jì)算生產(chǎn)能力的方法。

應(yīng)當(dāng)指出的是，活塞流理論及流線流理論由于沒有考慮螺旋對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響，故其理論是比較粗糙的，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大，必須由實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行校正；雖然層流理論考慮了螺旋的影響，但將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)用層流狀態(tài)來描述也是不恰當(dāng)?shù)模粚?duì)于表面層流理論，已有專家進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，證明只有在很小流量下才成立。分別應(yīng)用以上四種轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體流動(dòng)理論計(jì)算出的離心機(jī)生產(chǎn)能力是不相同的，有的與實(shí)際差別相當(dāng)大。因此，對(duì)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行認(rèn)真的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究是非常必要的。應(yīng)盡可能找出一系列反映該流場(chǎng)的較為準(zhǔn)確的計(jì)算公式，提出一種全新的理論，從而為離心機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算提供較為可靠的理論依據(jù)。

3 離心機(jī)性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

螺旋沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì)是基于以上四種不同的理論假設(shè)而進(jìn)行的，其計(jì)算結(jié)果的修正也是基于經(jīng)驗(yàn)公式或僅對(duì)某幾種特定介質(zhì)的測(cè)試結(jié)果。而把這些理論和方法應(yīng)用到泥漿離心機(jī)上，由于介質(zhì)的改變，特別是對(duì)于不同的泥漿體系、不同的固相含量及其粒度分布，直接應(yīng)用已有的公式進(jìn)行計(jì)算，必然會(huì)產(chǎn)生過大的誤差。

目前，螺旋沉降離心機(jī)沉渣含渣量的計(jì)算還沒有一個(gè)通用的計(jì)算公式。而離心機(jī)沉渣含濕量對(duì)生產(chǎn)能力的影響是相當(dāng)大的。沉渣的含濕量除與離心機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)外，還與沉渣粒度分布、空隙率、液相表面張力、固液相相互作用及固相在脫水區(qū)停留時(shí)間有直接的關(guān)系。因此，通過對(duì)離心機(jī)的性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，有可能對(duì)某些計(jì)算公式的修正提出適合于泥漿離心機(jī)的新方法，同時(shí)為以后離心機(jī)的測(cè)繪放大設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。各種性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括：

（1）不同粘度、不同密度、不同轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、不同差轉(zhuǎn)速下離心機(jī)的按沉渣計(jì)及按懸浮液計(jì)的生產(chǎn)能力，沉渣的含濕量。

（2）在第1項(xiàng)下，離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓功率及螺旋輸渣功率。

（3）在第1項(xiàng)下，固相清除率（即級(jí)效率）、固相回收率及固相粒度分布。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，還可以制定出離心機(jī)使用規(guī)則。

4 離心機(jī)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

螺旋沉降離心機(jī)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和各種性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。有些幾何參數(shù)具有相對(duì)的獨(dú)立性，有些幾何參數(shù)只給出取值范圍。因此，要提高離心機(jī)整體性能（包括經(jīng)濟(jì)性、可靠性），就必須對(duì)整機(jī)的各種幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須考慮兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）泥漿離心機(jī)與化工用離心機(jī)不同。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)使用的凈化系統(tǒng)中，除泥器甚至除砂器的工作往往是不正常的。當(dāng)除泥器不能正常工作時(shí)，泥漿固相含量迅速增高。因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使離心機(jī)能夠在按懸浮液計(jì)具有較大生產(chǎn)能力的同時(shí)，按沉渣計(jì)具有更大的輸渣能力。這樣對(duì)輸渣用螺旋軸總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

5 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓及螺旋葉片磨損機(jī)理的研究

離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片的磨損主要取決于物料的性質(zhì)，堅(jiān)硬且形狀尖銳的顆粒對(duì)其磨損的程度是很大的。同時(shí)，離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磨損也有很大的影響。從受力角度講，材料的磨損性主要取決于磨損面所受到的正壓力（P）和物料與磨損面之間相對(duì)滑動(dòng)速度（V），用兩者的乘積PV值作為考察磨損性能的指標(biāo)。因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)鼓與螺旋葉片的磨損機(jī)理進(jìn)行深入、細(xì)致的探討，從而找出合適的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及耐磨材料或者是提高材料耐磨性的方法。

6 離心機(jī)傳動(dòng)裝置的研究

目前，國(guó)內(nèi)外螺旋沉降離心機(jī)普遍使用的傳動(dòng)裝置有雙電機(jī)皮帶傳動(dòng)、單電機(jī)皮帶傳動(dòng)（由行星齒輪差速器造成差轉(zhuǎn)速）、液壓驅(qū)動(dòng)等。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)傳動(dòng)裝置的改進(jìn)做過一些有益的嘗試。如西南石油學(xué)院曾將其改為鏈條傳動(dòng)形式，由于鏈條壽命很低，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。勝利石油管理局鉆井工藝研究院于1994年初在大排量離心機(jī)上使用同步帶單電機(jī)傳動(dòng)形式，結(jié)果也因整機(jī)振動(dòng)大、同步帶壽命低而作罷。

應(yīng)該講，使用同步帶和鏈條傳動(dòng)形式，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而優(yōu)于其它傳動(dòng)形式。那么，為什么使用同步帶和鏈條傳動(dòng)形式的試驗(yàn)都未獲得成功呢？這就必須從轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體的流動(dòng)形式和輸渣形式上找原因。如果能從理論和實(shí)驗(yàn)上找出主要影響因素，就有可能通過改變某些結(jié)構(gòu)參數(shù)或工況而消除不利影響。如果同步帶或鏈條的傳動(dòng)形式能夠成功地應(yīng)用到離心機(jī)上，就可以取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)閭鲃?dòng)裝置的改變不僅僅局限于泥漿離心機(jī)，它對(duì)化工領(lǐng)域乃至其它領(lǐng)域內(nèi)使用這種離心機(jī)也是一場(chǎng)變革。

7 現(xiàn)場(chǎng)用離心機(jī)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在鉆井過程中，不同鉆井深度、不同地質(zhì)構(gòu)造、不同機(jī)械鉆速使得泥漿的粘度、密度及其固相含量和粒度分布不同，對(duì)泥漿性能要求不同，對(duì)泥漿離心機(jī)乃至其它固控設(shè)備的要求也不同。特別是離心機(jī)，若用于加重泥漿中，在降粘時(shí)，是用化學(xué)方法、水稀釋方法還是用離心機(jī)處理，需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證；同理，若用于非加重泥漿處理，是用水稀釋方法降低密度還是用離心機(jī)降低密度，也有一個(gè)經(jīng)濟(jì)論證問題。因此，合理地評(píng)價(jià)各種固控設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)保證鉆井過程、節(jié)省鉆井費(fèi)用是相當(dāng)重要的。國(guó)外一些鉆井隊(duì)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，決定是否開啟某些設(shè)備或關(guān)閉某些設(shè)備，其依據(jù)就是經(jīng)濟(jì)性論證結(jié)構(gòu)。

綜上所述，研制適合于我國(guó)國(guó)情的泥漿螺旋沉降離心機(jī)，還有大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作要做。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)和測(cè)試手段不斷完善，有可能從根本上弄清楚螺旋沉降離心機(jī)的許多理論和實(shí)際問題，并使這些結(jié)果應(yīng)用到實(shí)踐中去，改善現(xiàn)有離心機(jī)的使用狀況并進(jìn)而研制出高技術(shù)性能、高經(jīng)濟(jì)效果的泥漿螺旋沉降離心機(jī)。