自动化泥浆循环净化装置机械系统设计与研制_柴晓然.pdf

自动化泥浆循环净化装置机械系统设计与研制 柴晓然 1， 2 孙武成 3 段隆臣 3 董高峰 1， 2 臧丽萍 1， 2 （1. 青海省环境地质重点实验室， 青海 西宁 810000； 2. 青海省地质环境保护与灾害防治工程技术研究中心， 青海 西宁 810000； 3. 中国地质大学 （武汉） 工程学院， 湖北 武汉 430074） 摘要针对水文地质钻探现场中通过人工捞砂处理泥浆的低质低效问题， 石油等领域结构复杂、 体积庞大、 功耗巨大的固控设备无法直接移植借鉴， 现今大多数解决方案仅仅是在泥水分离方法上从开挖沉淀池过渡到使用 筛分机械， 尽管能够提高泥浆净化效率， 但仍无法克服占地面积大并伴随严重污染的局限性。为此， 设计了一种组 合配浆、 混浆和泥浆净化的泥浆处理装置机械系统。结合沉淀法与机械分离法， 将箱体与振动筛组合为一体， 通过 管道实现泥浆不落地的输运存储和筛分净化； 联接泥浆泵、 振动筛、 搅拌器等工作部件线路并接入PLC， 通过控制 面板进行远端的自动及半自动控制； 优化部件装配结构， 达到拆装方便、 车载运移的目的。针对青海省高海拔、 极 端气温等复杂地质与气候环境下工作泵压较正常情况偏低、 工作介质结冰等问题， 调节电路部件功率并增设温度 调节设备， 同时结合地质勘察领域对绿色勘查的环保要求， 研制了一种自动化泥浆净化循环装置。经过现场试验 验证， 该装置能够在手动或自动模式下平稳高效地完成泥浆净化循环工作， 运行过程中泥浆分散均匀且性质稳定， 在现场工作规程下处理量可达60 m3/h， 不含电加热总功率小于32 kW。该型装置适合于工程地质勘察钻探、 水文 地质及水井钻探等较小规模施工应用。 关键词绿色勘查泥浆净化自动控制机械系统 中图分类号TD12， P642文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-182-07 DOI10.19614/ki.jsks.201907030 Design and Development of Mechanical System for an Automatic Mud Circulation and Purification Device Chai Xiaoran1， 2Sun Wucheng3Duan Longchen3Dong Gaofeng1， 2Zang Liping1， 22 （1. Qinghai Key Laboratory of Environmental Geology， Xining 810000， China； 2. Engineering and Technology Research Center of Geological Environmental Protection and Disaster Prevention in Qinghai Province， Xining 810000， China； 3. Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China） AbstractIn view with of the low quality and inefficiency of slurry treatment by artificial salvage in hydrogeological drilling， solids control equipment with complex structure， huge volume and extreme power consumption in oil field can not be directly transplanted for reference.Nowadays， most of the solutions are just moving from excavating sedimentation tank to mak- ing use of vibrating screen.Although there is a significant improvement of efficiency in slurry purification by this way， they still can not get rid of the shortcomings of occupying large area and causing severe pollution.In order to solve the above existing problems， a mechanical system of slurry treatment equipment is designed， which combines slurry making， mixing and purifica- tion. Combining two purification theory， i.e.， sedimentation and mechanical separation， the box body and vibration screen are assembled， making slurry transported，stored and screened through pipes； connecting the circuits of working parts like slurry pump， vibration screen， agitator and collecting them to PLC， remote automatic and semi-automatic control can be realized with control panel； optimizing the assembly structure of all components to achieve shortcut disassembly and assembly， loading and transportation.Aiming at the problems of low working pump pressure and icing of working medium in complex geological and climatic environments such as high altitude and extreme temperature in Qinghai Province， according to the requirements for environmental protection of green exploration in geological prospecting， an automatic mud circulation and purification device has been developed by adjusting the power of circuit components and adding temperature regulating equipment.The field test 收稿日期2019-04-30 基金项目青海省科技计划项目 （编号 2017-ZJ-Y25） ， 中国地质大学 （武汉） 研究项目 （编号 2018058028） 。 作者简介柴晓然 （1969） ， 男， 工程师。通讯作者段隆臣 （1967） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 182 ChaoXing result show that the device can complete the mud purification cycle smoothly and efficiently in manual or automatic mode， the mud can be unily dispersed and stable in operation even while the processing capacity reach 60 m3/h under the field oper- ating rules， and the total power of electric heating is below 32 kW without considering heating consumption.The study results further indicated that the device developed in this paper is suitable for the light and simple application of small scale construc- tion such as engineering geological exploration， hydrogeology and water well drilling. KeywordsGreen exploration， Mud purification， Automatic control， Mechanical system 青海作为西藏、 新疆地区联接内地的纽带， 资源 总量非常丰富， 种类较为齐全。但由于其地处青藏 高原， 生态系统极为脆弱， 传统的矿产开发方式会对 植被、 水资源等生态环境造成严重破坏 ［1-2］。当地地 质勘探和水文钻井钻探现场的施工条件比较简陋， 其泥浆循环净化方式大多为粗放式的人工挖槽、 捞 砂， 不仅施工过程耗时耗力， 而且泥浆净化效率和效 果不理想， 亟待探索一种符合绿色勘查规范并能有 效满足青海省地勘需求的新型泥浆处理方案。 现阶段， 绿色发展已成为矿业健康持续发展的 时代要求 ［3］， 绿色勘查则是绿色发展理念在地质勘查 领域的具体实践 ［4］， 通过在勘察工作中减小对生态环 境的扰动， 实现生态保护和资源供给的双赢［5- 7］。 2018年下半年， 第一个绿色勘查团体标准 绿色 勘查指南 发布并实施。该标准基于绿色发展、 创新 驱动、 和谐共赢、 管理规范的基本原则， 在勘察设计、 勘察实施的基本要求下， 对场地建设、 现场管理、 水 和野生动植物保护、 噪声粉尘与废弃物管理、 环境恢 复治理、 智能化和科技创新等做出了具体规范和指 导。 现场钻探施工中， 对钻探施工设备及配套技术 水平、 钻探施工工艺设计和选择、 钻探施工循环液环 保标准具有较高要求。泥浆固控装置广泛应用于非 开挖钻进 ［8］、 地质岩芯钻探［9］、 桩基工程［10-11］、 盾构施 工 ［12］、 废液处理［13］等领域， 在结构特点上， 也有各式 模块化 ［14-15］、 自动化［16-17］、 可移动［18-19］固控系统， 尤其 在石油钻井中应用广泛 ［20］， 已实现系列化、 标准化和 专用化。由于施工环境、 领域不同， 钻进深度、 口径 和工艺等方面的巨大差异， 将直接导致设备结构组 合、 工作参数不匹配， 尤其是过大的体积、 过高的功 耗无法满足绿色勘查对于设备小型化的需求。 本研究参照施工设备应具备安、 拆快捷， 便于搬 运， 机械化、 智能化程度高， 施工操作安全简便、 劳动 强度低、 生产效率高， 工程质量好、 节能、 环保等要 求， 结合青海省地质、 气候环境和现场施工技术条 件， 对模块化、 轻便化、 小型化、 集成度高的泥浆净化 设备进行设计和研制， 主要对该型装置的组合结构、 部件选配等进行设计， 并通过现场试验考察整个装 置的可靠性。 1装置组成结构与工作原理 自动化泥浆循环净化装置结构如图1所示。 装置中， 地埋管及净化仓、 配浆仓、 清水仓3个泥 浆仓作为储浆部件用于储存泥浆， 确保泥浆在管路 通道中循环流动。该装置的泥浆循环净化方式为 ①混浆装置5中砂泵通过管汇、 阀门组组合泵送配浆 材料与清水仓4中由外部抽吸来的清水进行混合预 配泥浆， 并汇入配浆仓3中； ②新配泥浆被抽吸至钻 机中帮助钻进， 钻机作业的同时井口将持续上返泥 浆； ③上返泥浆被导流至地埋罐1中进行大颗粒沉淀 后， 被渣浆泵11抽吸至振动筛8上进行筛除净化； ④ 经筛除净化后的泥浆向下汇入净化仓2中； ⑤因净化 仓2与配浆仓3上部连通， 净化仓2中的筛后泥浆与 配浆仓3中的新配泥浆将一并被抽吸至钻机中继续 参与循环以帮助钻进。 净化仓、 配浆仓2个储浆仓均在正上方开口区域 装载搅拌器， 实现对新配泥浆及筛除净化泥浆的均 匀度控制， 保障泥浆性能的稳定性； 净化仓部分底部 安装有加热装置， 防止在高寒地区泥浆被冻住， 可满 足系统在高寒地区水文地质井泥浆净化需要； 在电 气控制系统中， 泥浆泵、 振动筛、 混浆装置等部件通 过自留开关实现近端开闭控制， 集成线路于控制柜 中通过接线箱的控制面板完成远端控制。 2装置设计特点 根据施工现场环境和工程需要， 自动化泥浆循 柴晓然等 自动化泥浆循环净化装置机械系统设计与研制2019年第7期 183 ChaoXing 环净化装置设计适用最大井深300 m， 最大钻井口径 750 mm， 最大成井口径325 mm。 通过地埋罐和振动筛对利用沉淀池、 机械分离 进行泥水处理的2种常用方法进行整合， 该装置能较 好地平衡施工场地规模限制和设备维护成本的要 求， 达到提高处理效率、 降低施工成本的目的。 该装置电气控制系统由容纳电源、 断路器、 继电 器、 PLC （可编程控制器） 等电气装置的控制柜和装载 控制面板的60 A一进八出集线箱组成。通过各个工 作装置的线路连接， 实现对渣浆泵、 振动筛、 砂泵、 加 热装置和2个搅拌器等部件的近端直接开关和远端 联调控制。为满足现场恶劣的环境条件， 电气控制 系统控制柜采用防爆、 防水、 防尘控制柜。根据现场 环境条件， 选择相应的防爆防水防尘等级， 防护等级 ≥IP54。控制系统核心选择美国 AB 公司生产的 PLC， 具有一定的温度适应范围， 防尘， 防水， 防爆等 级≥IP21。同时控制柜内置自动温度调节装置， 确保 柜内器件在适宜的温度下正常运行。 装置电气控制系统中， 设计远端联调控制分为 手动、 自动2种模式。手动模式下， 依靠控制面板上 的按钮开关影响控制柜内继电器的开闭， 进行相关 部件的开关控制； 自动模式下， 需要在地埋罐、 净化 仓、 配浆仓、 清水仓中加装行程开关， 将其液位达到 上下限位而产生的开关信号输入PLC， 利用既定逻辑 程序由PLC产生输出信号控制继电器开闭。远端控 制的控制面板如图2所示。 为实现自动化泥浆循环净化装置的轻便化移动 需求， 达到拆装、 运输方便的效果， 采用可拆卸化设 计思路。通过运输装置的吊装设备进行起吊装车和 吊卸安装， 节省装置安装、 拆卸的人力负担， 节约占 地面积和施工成本。其中， 运载装置使用具有越野 能力和环境适应性的卡车， 并对卡车后部进行改造， 添加泥浆循环净化仓底部撬装面配套的安装面。 工作时， 运载装置与泥浆循环净化仓分离， 可单 独作为钻探现场的运载车辆使用； 运输时， 将地埋 罐、 振动筛、 渣浆泵、 抽吸管道等拆卸， 泥浆仓与运载 装置通过螺栓固连， 其中护栏与仓体采用螺栓连接， 可拆卸， 在运输状态时卸下以满足公路运输的限高 要求。装置的2种使用状态如图3所示。 3关键组成部分选型与设计 3. 1储浆部件选型设计 根据总体设计方案中的成井口径等参数， 可以 计算出固控系统的泥浆储备量， 进而确定各储浆部 件所需容积。 （1） 每米泥浆用量。计算公式为 Q每米用量V钻孔体积∙d孔径系数，（1） 以最大成孔口径750 mm计算， 得到泥浆每米用量为 0.52 m3。 （2） 每台班泥浆用量。计算公式为 Q每台班用量10Q每米用量，（2） 按生产经验 （即每工作台班纯进尺10 m） 计算， 可得 泥浆每台班用量为5.2 m3。 （3） 每台班最小泥浆储备量。根据相关经验， 考 虑地层漏失、 泥浆泵流量等因素， 每台班实际储备量 一般为每台班用量的2.5～3倍， 据此计算每台班最小 储备量 Q每台班最小储备量3Q每台班用量，（3） 即得每台班的泥浆储备量至少为15.6 m3。同时考虑 泥浆的地层滤失和管汇泄露， 结合占地面积要求， 本 研究设计的泥浆仓总容积为16.5 m3， 地埋罐容积为3 m3。储浆部件选型参数如表1所示。 金属矿山2019年第7期总第517期 184 ChaoXing 3. 2泥浆泵选型设计 青海施工现场往期钻进需求的最大泵量为60 m3/h， 本研究设计的渣浆泵和砂泵的最大处理量均为 70 m3/h， 满足单一泥浆泵工作需要。根据现场供电情 况与泵浆能力需求， 一般选择2台电机功率均为7.5 kW的泥浆泵， 但为适应青海高海拔地区水文地质井 渣浆抽吸需求， 渣浆泵功率在原功率基础上增加至 11 kW。最终泥浆泵选型参数如表2所示。 3. 3振动筛选型设计 本研究设计的自动化泥浆循环净化装置选用一 种高效振动筛， 外观如图4所示。 该型振动筛设计的最大处理量与泥浆泵的最大 处理量保持一致， 外形尺寸与泥浆循环净化仓上开 口面相匹配， 过滤面积根据装置最大处理量设计为 1.8 m3。具体选型参数如表3所示。 对于产生激振力的振动筛振源体， 需要降低减 振体 （整个装置系统） 的振动强度， 尤其需要考虑本 研究装置设计的振动筛安置于泥浆仓上方， 极易产 生较大共振和噪声。通常采取的减振措施主要有抑 制振源强度、 隔振、 消振。但对于振动筛这种利用振 动进行生产作用的振动机械， 减振方式有所不同， 即 不允许采取措施抑制振源的振动 ［21］ 。 在本装置中， 通过在振动筛与下部泥浆仓的连 接处添加柔软衬垫， 依靠其变形减轻振源对减振体 的激励进行隔振； 对于3个泥浆仓， 主要通过整体部 件设计使装置质量分布平衡， 同时通过减小迎风面 积， 从而减轻其承受的风载并抑制共振； 对于装置整 体， 通过在装置底座下方添加木块基础进行隔振。 同时， 为对控制柜中的电气装置进行有效防护， 在控 制柜底部加厚防震垫并在关键部位填充泡沫进行缓 冲消振。 3. 4搅拌器选型设计 按实际工作需要设计的搅拌器技术参数如表4 所示。 由于净化仓储存渣浆经过净化处理后的泥浆， 故相较于配浆仓， 使用的搅拌器需更大型号。两搅 拌器均通过法兰面安置于泥浆仓正上方， 搅拌器的 电机主轴通过钢性联轴器与连接轴垂向固连， 叶轮 探入仓内泥浆中对泥浆进行搅拌混合。 4现场试验 本研究设计及研制的自动化泥浆循环净化装置 在组装调试完成后， 通过室内清水泥浆循环测试， 对 装置运行的稳定性进行了初步验证， 室内试验如图5 所示。 现场试验的施工目标确定为50 m深的水文地质 井， 作为当地预建工厂吃水井。泥浆净化现场试验 包括泥浆循环净化装置的部件功能验证及泥浆筛除 柴晓然等 自动化泥浆循环净化装置机械系统设计与研制2019年第7期 185 ChaoXing 净化效果测试两方面内容。主要是根据不同深度孔 口上返的泥浆和振动筛筛后的泥浆性能差异， 即经 过固相控制前后的泥浆含砂量的对比分析， 对装置 的净化效果进行评价。现场试验如图6所示。 经过现场试验， 证明本研究装置的各部件功能 符合预期， 即泥浆存储、 循环状态平衡稳定， 渣浆抽 吸符合既定功率需求， 新配泥浆分散均匀且性质优 异， 泥浆加热状态稳定效果优良， 泥浆仓储浆液面平 稳且液位能够控制在合理区间。自动化泥浆净化循 环装置的运行流程如图7所示。 为有效评价装置的净化效果， 以钻进深度进行 划分， 除去实际钻进中受操作进程影响的数据， 得到 泥浆固相控制前后的含砂量如表5所示。 由表5可知 本研究设计的自动化泥浆循环净化 装置对于泥浆净化效果明显， 含砂量的平均优化率 达到23.68。参考同类钻井液振动筛的工业性试验 结果 ［22-23］， 钻井液中含砂量降低了20～30， 说明该 装置的处理能力和泥水分离效果能够满足水文地质 金属矿山2019年第7期总第517期 186 ChaoXing 钻井的工作需求。 5结论 （1） 自动化泥浆循环净化装置采用了模块化、 轻 便化、 小型化、 集成度高的一体化设计思路， 减小了 占地面积， 实现了在储浆部件与管汇中循环的泥浆 不落地工作， 起吊装卸方便， 大幅度缩短了辅助钻进 时间， 提高了施工效率。 （2） 通过PLC实现了装置的自动控制， 能够自动 控制工作装置开关， 可实现平稳高效的可控钻进， 在 节省人力资源的同时， 降低施工事故风险。 （3） 该装置在确保各部件正常工作完成预设泥 浆循环工作的情况下， 能够取得非常优异的泥浆净 化效果和地层钻进效率， 完全可以取代传统的粗放 式泥浆人工净化作业方式。 （4） 尽管该装置能够满足绿色勘查设计要求， 但 仍有不少改进空间。如装置的一体集成化可进行进 一步优化， 地埋罐可进行优化设计以整合到主体装 置上， 进一步缩小占地空间； 振动筛筛除泥浆后的废 渣处理为后续工序， 可以通过添加回收装置加以改 善； 智能化程度仍有提升空间， 未来可通过升级通信 技术， 来进行远程钻进作业控制和施工风险管控。 参 考 文 献 徐红燕， 陈建平， 孔锐， 等.青海省绿色矿业发展策略研究 ［J］ . 国土资源科技管理， 2015， 32 （6） 32-39. 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