摘 要：近年来，在五龙沟整装勘查矿区内，坑道钻探工程在该矿区勘探隐伏矿床的过程中发挥了决定意义的作用。在施工过程中，钻井液中岩屑及低固相含量升高，将会导致岩屑重复磨损钻头、钻井液絮凝、护壁堵漏性能下降等。为控制钻井液中固相含量的升高，设计开发旋流除砂器一台，达到控制冲洗液循环过程中的岩屑含量在6%以内，低固相含量在10%以内的目标。

关键词：旋流除砂器；钻井液；坑道钻探；固控

1 施工环境介绍

青海省五龙沟矿区坑道深孔钻进过程中，现场施工空间狭小，所使用固控设备受场地影响严重，泥浆循环系统不完善，返出孔口的岩粉未能及时地排除，造成钻井液含砂量较高，难以达到钻探要求。

2 存在的问题分析

以五龙沟地区黑石沟ZK4405钻孔为例，钻井液初始配置时固相含量累计在5%以内，固相主要为粘土颗粒，含量为43%，其他固相含量为0.7%。钻井液性能：粘度（苏氏漏斗）34s；比重1.025；0.69MPa的压力下30min失水量8ml（VPI）。在钻进了两个回次，累计进尺6.0m，累计时间2.5h后，地层为裂隙发育的板岩，中间夹两层累计厚度3.1m左右的破碎蚀变带，测得钻井液性能：粘度（苏氏漏斗）24s；比重1.040；069MPa的压力下30min失水量16ml；含沙量10.6%。岩屑和钻井液中的其他化学成分产生絮凝聚结，发生沉淀，降低了钻井液中其他有用组分的含量。该钻井液已经不能满足钻进要求。

分析原因，认为存在的主要问题有：

（1）坑道钻探中由于循环系统的局限性，钻井液中的岩屑含量与钻进时间、钻进深度等成正比；

（2）岩屑含量的提高（4%后开始表现）对钻井液的护壁性能造成严重破坏；

（3）粘度下降等原因带来的流变性变化影响了碳质泥岩地层的取心率；

（4）钻井液在循环系统中没有防止岩侵措施，各种岩屑、杂质容易侵入钻井液，从而导致固相含量升高，影响性能。

3 旋流除砂器的设计开发

3.1 旋流器结构设计

对于旋流除沙器来说，当其他变量一定时，钻井液中的岩屑、杂质等的粒径越小，在其运行时所处位置的半径越小。影响分离粒度的设计变量主要有：水力旋流器直径D、锥角θ、溢流口直径do、入口直径di、底流口直径du、溢流管伸入长度lo、圆柱段长度l1。下面就上述参数逐一进行设计。

3.1.1直径D

现场的钻井液参数为：流量为Q=5m3/h；钻井液的密度为ρ=1040kg/m3；压力降ΔP=4.5MPa；钻井液粘度μ=00104Pa·s；入口速度vi=8～10m/s；比例放大系数Kp=52；np=0.4465。根据公式：

D（4+np）=4Qπ2+npρμnpKp2Δp

把现场钻井液参数带入公式计算，结果为直径D=315mm，为了便于加工制造，取D=32mm。

3.1.2锥角θ

旋流除沙器采用锥段结构为直锥的单锥形式设计。锥段是钻井液固液两相分离的重要区域。内流体阻力随着锥角的增大而增大，进口压力相同的情况下，分离粒度随着锥角的增大而增大。本研究采用锥角θ=12°。

3.1.3开口直径的设计

旋流除沙器的开口系指溢流口直径、入口直径、底流口直径。这三个直径对旋流除沙器的性能影响重大。入口尺寸的增加会导致旋流除沙器的生产能力和分离粒度增大，并能减少磨损。一般情况下旋流器入口直径为di=0.13～0.29D，在保证入口速度的情况下，入口直径di为：

di=2Qπvi

计算得到入口直径di=9mm=0.28D。

溢流口直径一般取do=1～2di，这里取do=1.5di=13.5mm。

底流口直径与溢流口直径的比值（du/do）称为排口比，排口比取值一般为0.15～1。为得到较低的分离粒度，本文采用的排口比约等于1，故在本研究中底流口直径取为du=135mm。

3.1.4溢流管的伸入长度

旋流除沙器溢流管的作用是有助于钻井液沿着轴线向上移动。溢流管伸入长度越小，旋流除沙器的生产能力越大，分离岩屑、杂质等的粒度减小；溢流管的伸入长度越大，粗大颗粒的分离效率越大，细小颗粒的分离效率越小。一般在旋流除沙器的设计中，所采用的溢流管伸入长度在lo=0.3～1.0D范围内。这里取lo=0.4D=12.8mm。

3.1.5圆柱段长度l1

圆柱段（旋流除沙器的旋流腔）是液流进入锥段前起稳流作用的部分。一般推荐旋流腔长度l1=0.7～2.0D。这里取l1=1.0D=32mm。

3.2 加工制作

入口、圆柱段、溢流口选择 45 号钢加工。锥段的加工材料选用透明有机玻璃以便于观察固体颗粒的运动状态来调节分流比，由于透明的有机玻璃脆性较大，所以采用分段加工、粘结成型的方法加工制作。壁厚保证各段中最小壁厚不小于8mm。

入口、圆柱段、溢流口选用普通的车床进行加工即可。鉴于有机玻璃材质脆性较大的特点，锥段采用数控机床加工。旋流除沙器内壁的粗糙度一般取 1.6，为了保证旋流除沙器内壁的粗糙度，有必要进行进一步研磨。

4 结论

在现场论证过程中，运用我院自主研发的旋流器，再配合原有的设备，形成一套完善的泥浆循环系统，在五龙沟地区设计孔深为251.88m的ZK9104钻孔使用，可以满足在坑道钻机环境中的布置要求，达到控制冲洗液循环过程中的岩屑含量在6%以内，低固相分布体积比控制在10%以内的目标。

参考文献：

[1]刘海声，高元宏，刘鹏，等.青海省五龍沟矿区坑道钻探硐室围岩稳定性分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（4）：8892.

[2]储金宇，李徽，李维斌.旋流分离器在控制暴雨径流中的应[J].2008，26（4）：5760.

作者简介：穆元红（1987），男，汉族，青海民和人，本科，助理工程师，从事探矿工程方面的研究。