基于复频振动的钻井液筛分机理研究

针对钻井液振动筛分中单一振动频率不适应钻井液中岩屑的粒度分布，临界颗粒易筛堵，使筛分效率和处理能力低的难题，提出了基于复频振动的钻井液筛分方法的理论和实验研究。通过建立复频自同步惯性激振振动系统的动力学模型，依据非线性系统稳定性的基本理论，建立起系统的自同步理论和稳定性理论，并分析影响同步性和稳定性的因素，提出复频振动高效、经济实用的实现方法，完成复频振动激振机理的研究；研究复频振动筛分岩屑运移的动力学模型、钻井液的筛分模型，运用计算机仿真技术，分析复频振动筛分岩屑的运动规律、钻井液的流动规律，建立复频振动筛分对含屑钻井液处理能力和筛分效率的计算方法；研制复频振动筛分实验装置，进行系统的自同步特性和稳定性实验以及钻井液的筛分实验。通过上述研究，建立起钻井液复频振动筛分的基本理论，有效解决钻井液振动筛分的关键难题，满足钻井生产低成本、安全地进行，并减少环境污染的要求，促进钻井技术的进步。

利用振动筛的运动微分方程和两激振轴的回转运动方程，建立了双轴二倍频自同步振动筛同步相位差角的微分方程，通过研究该微分方程的状态方程平衡点，提出了振动筛实现二倍频自同步的必要条件，应用Lyapunov稳定性理论，建立了振动筛的运动稳定性条件，并通过实例计算进行了验证。基于拉格朗日方程,建立了二倍频双电机振动筛的动力学模型,同时建立了永磁同步电机驱动的激振器模型,二者耦合构成系统机电耦合模型.利用 Simulink建立了系统机电耦合仿真模型,通过仿真分析,讨论了激振器的质量矩、安装位置、振动筛参振质量等结构参数对振动筛工作性能的影响。建立了三激振电机双频振动筛的力学模型，应用Matlab-simulink分析了高低频电机质量矩之比、初始相位角差、高频电机安装位置等对筛面轨迹的影响。研究结果表明：高低频电机质量矩之比、初始相位角差等对筛面的运动轨迹的形态和振幅均有较大的影响。设计时，可以通过选择适当的高低频电机质量矩之比、初始相位差角等来实现所需要的振动轨迹。建立了双频振动筛单颗粒运移模型,并用ADAMS建立了固相颗粒和筛面间的运移碰撞仿真模型。通过仿真分析，研究了高低频激振力间的初始相位差角、振幅比、频率比等对固相运移的影响。研究结果表明双频振动筛面固相运移规律比单频振动筛复杂得多，初始相位差角、振幅比、频率比的改变对固相运移均有较大影响。将筛网看做多孔介质，用动边界来处理振动筛的振动运动，建立了平板筛网和波浪筛网的FLUENT流体计算模型，模拟了筛网静止和振动条件下钻井液在筛网上的流动和透筛，得到了钻井液在两种筛网上的流动速度及透筛速度分布。分析了不同筛网目数、不同钻井液粘度对筛网上钻井液的流动及透筛的影响。建立了双频振动筛的有限元模型，分析了筛箱的应力分布、模态和疲劳寿命。基于刚柔耦合多体动力学理论，进行了双频振动筛的动力学分析，并进行了试验筛的振动测试，刚柔耦合分析所得柔性筛箱的振幅、速度、加速度与试验筛测试结果吻合很好。与刚体振动筛对比，刚柔耦合分析的运动轨迹有明显的差异，并更接近实际情况。在泥浆密度1.20g/cm3、表观粘度19mpa.s、试验筛网目数120的情况下进行了试验筛的处理能力试验，结果表明，双频振动筛处理能力远高于直线振动筛，当筛面倾角为1°时，双频振动筛处理能力提高9.3%，当筛面倾角为2°时，处理能力提高20.1%。