勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在凍土帶鉆井及天然氣水合物鉆井中, 鉆井泥漿冷卻技術(shù)是鉆井工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。適當(dāng)?shù)木畠?nèi)循環(huán)泥漿溫度是鉆井作業(yè)安全快速進(jìn)行的保證。</p><p>　　為滿足天然氣水合物鉆探取樣工藝要求, 我校研制了一種天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　由于泥漿在冷卻器內(nèi)

2、循環(huán)溫度低于泥漿冰點(diǎn)溫度，因此冷卻器內(nèi)管會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)和卡堵等現(xiàn)象。本論文研究的內(nèi)管防堵裝置是對(duì)我校研制的天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，防止泥漿內(nèi)管發(fā)生凍結(jié)和卡堵。</p><p>　　防堵裝置主要是分析同軸套管式冷卻器內(nèi)管發(fā)生堵塞時(shí)其溫度、流量和壓力的變化過(guò)程，確定最佳控制參數(shù)。根據(jù)鉆井工作對(duì)泥漿流量的要求，確定流量控制范圍，并設(shè)計(jì)防堵裝置，確定工作原理、各部件組成和工作流程。</p><

3、;p>　　關(guān)鍵詞：泥漿冷卻、內(nèi)管卡堵、防堵裝置</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Mud cooling is a key technology of permafrost drilling and gas hyd- rate drilling operation. Proper temperature of circul

4、ation drilling mud is the guarantee for safe and fast drilling operation .</p><p>　　In view of the technological requirements of the sampling of gas hydrate drilling, a type of drilling mud cooling system fo

5、r per- mafrost drilling and gas hydrate drilling was developed by Jilin Univ- ersity.</p><p>　　The circulation temperature of drilling mud in the coolers is lower than freezing point of drilling mud.so the i

6、nner of pipe would been frozen and blocked.</p><p>　　The prevent blocking equipment which the paper introduced is to improve the gas hydrate drilling mud cooling system Jilin University researched.and it is

7、installed on the cooler in the mud cooling system.</p><p>　　The main functionof prevent blocking equipment is to analyse the changing process of temperature.pressure and flow.and to get best controling param

8、eters.Drilling mud flow according to the require- ments of, determine the scope of flow control, and attempts to prevent the device designed to determine the working principle, the components and processes.</p>&l

9、t;p>　　Keywords：mud cooling inner pipe frozen prevent blocking equipment</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第 1 章 緒論 ……………………………………………1</p><p>　　第1節(jié) 天然氣水合物的一般特征…………………1&l

10、t;/p><p>　　第2節(jié) 泥漿冷卻技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………3</p><p>　　第3節(jié) 本課題主要研究?jī)?nèi)容………………………5</p><p>　　第 2 章 內(nèi)管防堵裝置機(jī)理分析 ………………………7</p><p>　　第 1節(jié) 天然氣水合物泥漿冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介…………7</p><p>　　第2節(jié) 內(nèi)管壓力影響

11、及分析 ……………………13</p><p>　　第3節(jié) 內(nèi)管溫度影響及分析 ……………………15</p><p>　　第4節(jié) 內(nèi)管流量影響及分析 ……………………19</p><p>　　本章小結(jié)……………………………………………21</p><p>　　第 3 章 泥漿冷卻系統(tǒng)防凍裝置設(shè)計(jì)…………………23</p><

12、p>　　第1節(jié) 防堵裝置設(shè)計(jì)目的與用途 ………………23</p><p>　　第2節(jié) 防堵裝置原理 ……………………………24</p><p>　　第3節(jié) 防堵裝置主要技術(shù)參數(shù) …………………30</p><p>　　第4節(jié) 防堵裝置組成 ……………………………30</p><p>　　第5節(jié) 防堵裝置安裝圖 …………………………38&

13、lt;/p><p>　　第6節(jié) 防堵裝置工作流程圖 ……………………39</p><p>　　本章小結(jié)……………………………………………40</p><p>　　第 4 章 結(jié)論與展望……………………………………41</p><p>　　結(jié)論………………………………………………………41 </p><p>　　展望…………

14、……………………………………………42</p><p>　　致謝………………………………………………………43</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………44</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　第1節(jié) 天然氣水合物的一般特征</p><

15、p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源尤其是煤、石油、天然氣等化石能源的消耗顯著增加。我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源問(wèn)題十分緊迫。因此，勘探開(kāi)發(fā)新型能源變得異常迫切。</p><p>　　天然氣水合物作為一種潛在替代能源，越來(lái)越受到重視，成為近年來(lái)能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類(lèi)冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱(chēng)作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣

16、冰”。在這種化合物中，水分子通過(guò)氫鍵作用形成具有一定尺寸的晶格主體，小分子則包容在空穴中，從而形成外觀似雪花狀或者松散冰的固態(tài)化合物。如圖1-1、1-2所示，組成天然氣的成分有烴類(lèi)（CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物）及非烴類(lèi)（CO2、N2、H2S）等。</p><p>　　圖1-1 天然氣水合物的籠式結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1-2 天然氣水合物的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

17、</p><p>　　天然氣水合物是近二十年來(lái)在海洋和凍土層發(fā)現(xiàn)的新型能源，因儲(chǔ)量巨大、能量密度高、分布廣等特點(diǎn)受到各國(guó)的普遍重視。</p><p>　　天然氣水合物的主要特點(diǎn)如下：</p><p><b>　　1)儲(chǔ)量巨大</b></p><p>　　迄今文獻(xiàn)大量報(bào)道的天然氣水合物含甲烷資源量為1.0×101

18、6m³。這就是說(shuō)天然氣水合物含甲烷資源量為已知煤、石油和常規(guī)天然氣甲烷當(dāng)量（約為5×1015m³）的兩倍。</p><p><b>　　2)能量密度高</b></p><p>　　天然氣水合物的能量密度是煤炭的10倍，常規(guī)天然氣的2-5倍。由于獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)與分子空間構(gòu)型決定了天然氣水合物獨(dú)特的高濃集氣體的能力，表現(xiàn)特點(diǎn)為：高濃度氣體、高

19、儲(chǔ)量。</p><p><b>　　3）分布范圍廣</b></p><p>　　天然氣水合物在自然界廣泛分布在內(nèi)陸、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。</p><p>　　圖1-3天然氣水合物在世界各地分布圖</p><p>　　第2節(jié) 天然氣水合物泥漿冷卻技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)

20、內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在天然氣水合物鉆進(jìn)中, 由于水合物特殊的熱物理性質(zhì), 鉆井液循環(huán)溫度必須嚴(yán)格控制, 以防止水合物層在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生分解。如果鉆井液循環(huán)溫度高于鉆進(jìn)水合物層溫度將會(huì)引起水合物分解,在凍土帶鉆井和天然氣水合物鉆井中, 鉆井泥漿需要冷卻至零度以下或零度左右的低溫狀態(tài), </p><p>　　1998年在加拿大波弗特海近海凍土層鉆井中, 為了保持井壁穩(wěn)定采用泥漿冷

21、卻器將泥漿冷卻至-9℃ 。在天然氣水合物鉆井中, 鉆井泥漿也要冷卻至0℃左右,1998年在加拿大馬三角洲永凍層Mallik 2L-38中泥漿冷卻天然氣水合物鉆井裝置采用的是平板式換熱器, 將泥漿冷卻至2℃。</p><p>　　2002年, 在加拿大馬三角洲Mallik 2L-38天然氣水合物試開(kāi)采項(xiàng)目主井Mallik 5L-38鉆井中, 將泥漿冷卻至-1℃。</p><p>　　2003

22、年, 美國(guó)阿拉斯加北部斜坡天然氣水合物試采井—熱冰1井鉆井中, 泥漿被冷卻保持在-5℃。</p><p>　　2007年，在美國(guó)阿拉斯加北坡永凍層天然氣水合物鉆探中采用的是美國(guó)Drillcool公司研制的泥漿冷卻裝置, 泥漿冷卻溫度是-2℃。</p><p>　　在低溫泥漿冷卻技術(shù)領(lǐng)域, 最著名的公司是美國(guó)Drillcool公司, 其泥漿冷卻裝置的原理是使用氨水制冷機(jī)組通過(guò)板式換熱器制冷

23、乙二醇, 冷卻后的乙二醇再通過(guò)螺旋換熱器冷卻泥漿, 從而達(dá)到控制泥漿溫度的目的。</p><p>　　我國(guó)2007年在南海北部天然氣水合物取樣鉆探中, 鉆探技術(shù)采用的是國(guó)外技術(shù)。</p><p>　　2008年10-11月我國(guó)在青海木里盆地天然氣水合物DK-1井進(jìn)行取樣鉆探時(shí), 鉆井泥漿流量保持在100 L/min左右, 環(huán)境溫度在-20℃以下, 返回地面的泥漿在泥漿循環(huán)槽及泥漿池中自然冷

24、卻降溫, 進(jìn)井泥漿溫度維持在4℃左右。但凍土層段鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象比較明顯。如果在夏季施工, 環(huán)境氣溫高, 依靠泥漿自然冷卻法不再適合, 必須采用泥漿冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　目前我國(guó)在泥漿冷卻技術(shù)及設(shè)備方面的研究, 尤其是適用于低溫泥漿的冷卻技術(shù)及設(shè)備方面的研究處于初期階段, 研究一種有效冷卻泥漿的方法及設(shè)備對(duì)大力開(kāi)展天然氣水合物鉆探具有迫切而重要的意義。</p><p>　　針對(duì)目前我

25、國(guó)泥漿冷卻技術(shù)的不足情況, 我校研制了一套鉆井泥漿冷卻系統(tǒng), 特別適合于對(duì)低溫泥漿的冷卻。</p><p>　　該鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有:一、實(shí)現(xiàn)鉆井泥漿的快速冷卻; 二、能夠?qū)⒛酀{動(dòng)態(tài)維持在低溫范圍內(nèi)。</p><p>　　圖1-4 鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)原理圖</p><p>　　1-風(fēng)冷(或水冷) 氟利昂制冷機(jī)組; 2-制冷機(jī)組泵; 3-閥; 4-載冷

26、劑箱; 5- 閥; 6-閥; 7-溫度傳感器; 8-閥;9-載冷劑箱泵; 10-溫度傳感器; 11-溫度傳感器; 12-同軸泥漿對(duì)流換熱器; 13-溫度傳感器; 14-溫度傳感器;15-泥漿輸送泵; 16-溫度傳感器; 17-泥漿池; 18-鉆機(jī)泥漿泵; 19-溫度傳感器; 20-溫度傳感器; 21-鉆井; 22-溫度巡檢儀</p><p>　　第3節(jié) 本課題主要研究?jī)?nèi)容</p><p>

27、　　在凍土層鉆井與天然氣水合物鉆井中，鉆頭破碎巖石會(huì)產(chǎn)生大量熱量，鉆桿與井壁摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量使井底溫度增高。并且隨著鉆井液循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng)，致使返回地表的鉆井液溫度比凍土層或天然氣水合物儲(chǔ)層溫度高，從而引起凍土層井段擴(kuò)徑或天然氣水合物直接在井底分解，導(dǎo)致無(wú)法取心或取心不完整等情況的發(fā)生。</p><p>　　與此同時(shí)，如果鉆井液泥漿循環(huán)溫度高于水合物層溫度將會(huì)引起水合物分解, 會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題, 如大量氣體分解,使

28、井口裝置或防噴器失去承載能力而發(fā)生傾斜, 將喪失井壓控制手段,可能導(dǎo)致井噴及井塌事故。分解后的氣體可能會(huì)破壞周?chē)h(huán)境, 有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)溶洞, 使天然氣水合物地層下沉, 出現(xiàn)地基沉降事故。所以，必須對(duì)鉆井液泥漿進(jìn)行及時(shí)的冷卻。</p><p>　　圖1-5為同軸套管式換熱器工作原理圖。換熱器由內(nèi)外兩層管組成。內(nèi)管為鉆井泥漿循環(huán)通道，內(nèi)外管的環(huán)狀間隙為低溫乙二醇冷卻液循環(huán)通道，通過(guò)二者的逆向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流傳熱，從而

29、致使低溫乙二醇冷卻液制冷泥漿。</p><p>　　由于天然氣水合物的特殊的溫壓特性, 鉆井一般采用分解抑制法,即通過(guò)泥漿冷卻, 使泥漿進(jìn)井溫度保持在低溫范圍內(nèi)(-4℃-4℃),防止水合物地層和巖心溫度升高,將相平衡狀態(tài)維持在水合物分解抑制狀態(tài), 避免水合物發(fā)生分解,維持井壁定。</p><p>　　水合物泥漿冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)井溫度為-1℃，出井溫度為1℃。制冷能力（進(jìn)出井溫差）△T =2℃

30、.而通常情況下，泥漿的冰點(diǎn)為0℃左右。這就意味著當(dāng)泥漿在冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)局部?jī)鼋Y(jié)的甚至全部堵塞同軸套管式冷卻器的內(nèi)管。并且，在我國(guó)首次的青藏高原凍土帶水合物施工現(xiàn)場(chǎng)都曾發(fā)生內(nèi)管內(nèi)泥漿局部?jī)鼋Y(jié)甚至堵塞內(nèi)管的現(xiàn)象。</p><p>　　凍結(jié)或堵塞將會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。首先，局部?jī)鼋Y(jié)或堵塞將使泥漿的流量減小，這樣泵送的井底的泥漿總量將減少，這將可能出現(xiàn)排粉不利、井底鉆頭冷卻不充分等現(xiàn)象。甚至發(fā)生卡鉆、埋鉆、燒鉆、

31、孔壁坍塌等孔內(nèi)事故。另外，一旦發(fā)生凍結(jié)或堵塞勢(shì)必會(huì)影響冷卻效率，從而使泥漿無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。這樣將導(dǎo)致凍土層井段擴(kuò)徑或天然氣水合物直接在井底分解。導(dǎo)致無(wú)法取心或取心不完整等情況的發(fā)生。再有，當(dāng)凍結(jié)或堵塞必將帶來(lái)流體流動(dòng)阻力增加的問(wèn)題，且對(duì)同軸套管式冷卻系統(tǒng)的內(nèi)管得壓力增加，使冷卻系統(tǒng)的壽命及制冷效率下降。</p><p>　　本課題研究的項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一套裝置用來(lái)改善和解決冷卻系統(tǒng)在冷卻時(shí)發(fā)生局部?jī)鼋Y(jié)或堵塞的現(xiàn)象。

32、通過(guò)分析同軸套管式換熱器內(nèi)管發(fā)生堵塞時(shí)其溫度、流量和壓力的變化過(guò)程，確定最佳控制參數(shù)。根據(jù)鉆井工作中冷卻鉆頭、攜帶巖粉等工作對(duì)鉆井液流量的要求確定流量控制范圍，并設(shè)計(jì)防凍裝置，確定工作原理、各部件組成和工作流程。</p><p>　　第2章 內(nèi)管防堵裝置機(jī)理分析</p><p>　　本課題研究的內(nèi)管防堵裝置對(duì)我校研制的天然氣水合物鉆井泥漿冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并安裝在系統(tǒng)中的同軸軸套管式冷卻

33、器。第一章中，已經(jīng)定性的闡述了冷卻器的工作原理、存在問(wèn)題。本章將詳細(xì)介紹冷卻器，同時(shí)對(duì)發(fā)生卡堵對(duì)內(nèi)管內(nèi)壓力、溫度、流量分別作出計(jì)算模擬。</p><p>　　第二節(jié) 天然氣水合物泥漿冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)目的與用途：</p><p>　　該套天然氣水合物取樣器制冷系統(tǒng)主要用于制冷從孔中返出并且經(jīng)過(guò)地表循環(huán)的而升溫的沖洗液，使沖洗液制冷到一定

34、溫度從而保證天然氣水合物樣品能夠順利并且保真地取出。</p><p><b>　　1.2 技術(shù)參數(shù)：</b></p><p>　　此次鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液采用能耐-5℃的低溫聚合物泥漿，要求沖洗液的流速為160L/min，且進(jìn)井溫度為-1℃。沖洗液的基本參數(shù)如表1，表2</p><p>　　表1 沖洗液的基本組成成分</p><

35、;p>　　表2 沖洗液的性能參數(shù)</p><p>　　表3 乙二醇制冷劑的性能參數(shù)</p><p>　　1.3 制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：</p><p>　　綜合考慮了多種制冷系統(tǒng)方案，并考慮海拔4000多米的施工高原現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜氣候因素，設(shè)計(jì)了此種沖洗液制冷方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)&l

36、t;/p><p><b>　　1.4 工作原理</b></p><p>　　本系統(tǒng)工作原理大致可以分為兩個(gè)回路，和電子檢測(cè)系統(tǒng)，以下就逐一介紹:</p><p>　?。?）冷凝機(jī)組制冷液回路</p><p>　　該回路的原理如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 制冷機(jī)組制冷液回路</

37、p><p>　　用一臺(tái)風(fēng)冷乙二醇制冷機(jī)組連續(xù)地對(duì)載冷劑（乙二醇溶液）進(jìn)行制冷，將冷量不斷地輸送到載冷劑箱中，使載冷劑箱中的溫度基本為-5℃左右，載冷劑箱為一保溫箱，其規(guī)格為：2×1.5×1m 。載冷劑為30%左右的乙二醇溶液，該回路通過(guò)制冷液輸送泵不斷地循環(huán)。</p><p>　?。?）套管式換熱器循環(huán)回路</p><p>　　套管式換熱器是將不同直

38、徑的兩種管子套在一起，形成同心套管，一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，另一種流體在內(nèi)管與外管的環(huán)狀間隙流過(guò)，通常成逆流流動(dòng)，有利于熱量的傳遞。每根套管的有效長(zhǎng)度一般在4~6m以下。當(dāng)我們需要較多的傳熱面積時(shí)，換熱器可以用多根套管組合而成，其內(nèi)管與內(nèi)管間用U型管連接，外管與外管與外管間用短管連接。其具體組成如圖2-3：</p><p>　　圖2-3 制冷系統(tǒng)換熱器回路</p><p>　　泥漿池中的泥漿

39、通過(guò)泥漿泵經(jīng)過(guò)泥漿入口進(jìn)入套管式換熱器的內(nèi)管中，然后經(jīng)過(guò)泥漿出口再返回泥漿池中，中間經(jīng)過(guò)一次降溫過(guò)程。同時(shí)從載冷劑箱中出來(lái)的-5℃的乙二醇載冷劑經(jīng)過(guò)制冷液輸送泵送入套管式換熱器的環(huán)狀間隙中，與內(nèi)管中的泥漿形成逆流，同時(shí)制冷泥漿，然后返回載冷劑箱中經(jīng)過(guò)制冷機(jī)組重新降溫反復(fù)循環(huán)。套管型熱交換器的長(zhǎng)度可以隨著系統(tǒng)參數(shù)的不同而調(diào)整。制冷液輸送泵采用能耐-5℃低溫的泵。泥漿泵可以從被經(jīng)過(guò)制冷的泥漿池中抽出進(jìn)入井中進(jìn)行循環(huán)。</p>

40、<p><b>　?。?）電子檢測(cè)系統(tǒng)</b></p><p>　　通過(guò)檢測(cè)制冷后的載冷劑溫度、載冷劑入口溫度、載冷劑出口溫度、泥漿入口溫度、泥漿出口溫度、泥漿池溫度、進(jìn)入水龍頭時(shí)泥漿溫度，我們可以控制制冷機(jī)組的開(kāi)關(guān)，或調(diào)整載冷劑的流量等措施來(lái)控制泥漿的制冷過(guò)程。</p><p>　　第二節(jié) 內(nèi)管壓力影響及分析</p><p>　　

41、發(fā)生卡堵時(shí)，循環(huán)的內(nèi)管的四周會(huì)出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，并且隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)這樣的狀況會(huì)更加顯著。內(nèi)管周?chē)鼙诮Y(jié)凍帶來(lái)的影響有以下幾方面：</p><p>　?。?）當(dāng)泥漿中伴有冰凍物等固體的出現(xiàn)致使泥漿粘度變大，由達(dá)西公式：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　可知，當(dāng)管路發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管直徑d由于附著有凍結(jié)物而變小，這

42、樣沿程阻力將增大。</p><p>　?。?）泥漿雜有冰凍物等固體將很容易引起管路堵塞。對(duì)于內(nèi)管而言當(dāng)泥漿循環(huán)時(shí)管內(nèi)受到的應(yīng)力可用下列公式表示：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中式中：p-大氣壓強(qiáng) D-內(nèi)管直徑 -管壁壁厚</p><p>　　當(dāng)管路發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管直徑D由于附著

43、有凍結(jié)物而變化。循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)管壓力也會(huì)隨著變化。</p><p>　　為了解決循環(huán)系統(tǒng)結(jié)凍或者堵塞問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)一種以壓力變化作為信息反饋的輸入端。將壓力的變化作為輸入量，通過(guò)一寫(xiě)特定的操作或轉(zhuǎn)化將壓力信息轉(zhuǎn)變?yōu)楦菀鬃R(shí)別與控制的電流、電壓、數(shù)字模擬信號(hào)作為反饋的輸出端來(lái)控制冷卻劑輸送泵運(yùn)轉(zhuǎn)、停止的操作信號(hào)?？梢允褂脡毫鞲衅髋c繼電器初步實(shí)現(xiàn)這一功能。</p><p>　　在設(shè)計(jì)前需用仿真模

44、擬軟件分析和模擬泥漿在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)管循環(huán)時(shí)的壓力分布特性，從而確定設(shè)計(jì)的可行性與合理性。圖2-4、2-5分別為用Fluent流體模擬軟件做出的泥漿在循環(huán)系統(tǒng)管路中壓力分布云圖和曲線圖。 </p><p>　　圖2-4 發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿壓力分布云圖</p><p>　　圖2

45、-5 發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿壓力分布曲線圖</p><p>　　結(jié)論：仿真模擬管內(nèi)壓力分布云圖和曲線圖可以得出管內(nèi)壓力分布極不均勻。首先，在管的徑向分布是中間部分壓力較高，邊緣較低，這樣不利于壓力的測(cè)量及后續(xù)的反饋控制。因此不是很適合于用壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)、反饋、控制。 </p><p>　　第3節(jié) 內(nèi)管溫度影響及分析</p><p&

46、gt;　　發(fā)生卡堵時(shí)，循環(huán)的內(nèi)管的四周會(huì)出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，并且隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)這樣的狀況會(huì)更加顯著。內(nèi)管周?chē)鼙诮Y(jié)凍帶來(lái)的影響有以下幾方面：</p><p>　?。?）泥漿中伴有冰凍物等固體的出現(xiàn)致使泥漿粘度變大。粘度變大必將使泥漿與內(nèi)管之間的流動(dòng)阻力增大，阻力增大將導(dǎo)致泥漿的流動(dòng)速度發(fā)生變化。這樣將使冷卻劑與泥漿之間的換熱效率發(fā)生變化，從而影響泥漿的冷卻效果致使泥漿的溫度發(fā)生變化。</p><

47、p>　?。?） 原冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為利用內(nèi)外管間隙一定溫度的制冷劑（乙二醇）與泥漿之間發(fā)生逆向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱傳遞，二者之間為導(dǎo)熱效果良好的合金鋼。當(dāng)發(fā)生卡堵時(shí)，內(nèi)管管壁附著著一層凍結(jié)物，其傳熱系數(shù)等一些參數(shù)必定與合金鋼之間存在差異，這樣將影響熱傳遞效率從而使泥漿溫度發(fā)生變化。</p><p>　　（3） 當(dāng)內(nèi)管附著一層凍結(jié)物時(shí)必將使內(nèi)管原來(lái)的過(guò)流斷面發(fā)生變化。對(duì)于傳熱系數(shù)k有如下公式計(jì)算：</p>

48、<p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中式中：和分別為內(nèi)管內(nèi)外半徑，為換熱管的有效換熱半徑, 為泥漿與內(nèi)管對(duì)流換熱系數(shù)，為載冷劑與內(nèi)管對(duì)流換熱系數(shù)，和分別為內(nèi)管內(nèi)外污垢系數(shù)，為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；為對(duì)數(shù)平均溫差，計(jì)算按公式，和分別為泥漿在換熱器進(jìn)出口處的溫度，和分別為載冷劑在換熱器進(jìn)出口處的溫度。由式（2-3）可知當(dāng)熱管的有效換熱半徑R發(fā)生變化時(shí)，即泥漿與冷

49、卻劑之間的接觸面積發(fā)生變化這也將影響制冷劑與泥漿之間的熱傳遞效率從而引起泥漿溫度的變化。</p><p>　?。?）之前的章節(jié)曾分析強(qiáng)制對(duì)流只針于流體與流體之間的熱交換效果顯著。但是當(dāng)發(fā)生卡堵時(shí)，泥漿中將會(huì)伴有凍結(jié)物的出現(xiàn)，并且水合物鉆井時(shí)往往伴有各種氣體，這時(shí)的泥漿便是固、液、氣三相物質(zhì)。對(duì)于泥漿而言，其比熱c是由你將各組分共同決定的，具體計(jì)算公式如下：</p><p>　　c=∑c /

50、 ∑m=(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…) （2-4）</p><p>　　組分不同或者所占比例不同時(shí)必然影響泥漿整體的比熱，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)熱俠侶產(chǎn)生影響，從而影響泥漿溫度的變化。</p><p>　　為了解決循環(huán)系統(tǒng)結(jié)凍或者堵塞問(wèn)題，本課題的一種設(shè)計(jì)思路為設(shè)計(jì)一種傳感器裝置。將泥漿的溫度變化作為反饋系統(tǒng)的輸入端，經(jīng)過(guò)一些列的轉(zhuǎn)化之后將溫度升、降的變化分別

51、轉(zhuǎn)化成電壓、電流或電子信號(hào)來(lái)控制制冷泵的開(kāi)、停。用以實(shí)現(xiàn)泥漿冷卻系統(tǒng)的順利運(yùn)行。</p><p>　　在設(shè)計(jì)前需用仿真模擬軟件分析和模擬你將在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)管循環(huán)時(shí)的溫度分布特性，從而卻定設(shè)計(jì)的可行性與合理性。圖2-6、2-7分別為用Fluent流體模擬軟件做出的泥漿在循環(huán)系統(tǒng)管路中溫度分布云圖和曲線圖。</p><p>　　圖2-6 發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿溫度分布云圖</p>&

52、lt;p>　　圖2-7 發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿溫度分布曲線圖</p><p>　　結(jié)論：仿真模擬管內(nèi)壓力分布云圖和曲線圖可以得出管內(nèi)溫度除了入口段溫度變化比較大外，其他段溫度變化比較細(xì)微。本課題的設(shè)計(jì)思路為將泥漿的溫度變化作為反饋系統(tǒng)的輸入端，經(jīng)過(guò)一些列的轉(zhuǎn)化之后將溫度升、降的變化分別轉(zhuǎn)化成電壓、電流或電子信號(hào)來(lái)控制制冷泵的開(kāi)、停。用以實(shí)現(xiàn)泥漿冷卻系統(tǒng)的順利運(yùn)行。但是模擬仿真的結(jié)果顯示溫度變化并不是很大，這

53、樣溫度的變化就不足以引起反饋信息的觸發(fā)，從而無(wú)法制冷劑輸送泵的自動(dòng)起停控制?；蛘呖梢允褂酶呔鹊臏囟葌鞲衅鱽?lái)檢測(cè)并進(jìn)行反饋信息的轉(zhuǎn)換，但是這樣導(dǎo)致的問(wèn)題是一方面高精度傳感器成本較高，另一方面比較容易損壞。因此不是很適合于用溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)、反饋、控制。</p><p>　　第4節(jié) 內(nèi)管流量影響及分析</p><p>　　發(fā)生卡堵時(shí)，循環(huán)的內(nèi)管的四周會(huì)出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，并且隨著循環(huán)時(shí)間的延長(zhǎng)

54、這樣的狀況會(huì)更加顯著。內(nèi)管周?chē)鼙诮Y(jié)凍帶來(lái)的影響有以下幾方面：</p><p>　　（1）內(nèi)管管壁結(jié)凍時(shí)，管壁附著有一層凍結(jié)物必將導(dǎo)致年講）的過(guò)流斷面面積減小。而流量的定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一端面的流體的體積。即為流速與過(guò)流斷面面積的乘積，用公式表示為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中式中：Q：某一斷

55、面流量 S：計(jì)算斷面流量的面積 V：通過(guò)該斷面積流體的速度。所以當(dāng)過(guò)流斷面面積改變時(shí)必將影響流量的大小</p><p>　?。?）當(dāng)泥漿中伴有冰凍物等固體的出現(xiàn)致使泥漿粘度變大，由達(dá)西公式（2-1）可知，當(dāng)管路發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管直徑d由于附著有凍結(jié)物而變小，這樣沿程阻力將增大。</p><p>　　為了解決循環(huán)系統(tǒng)結(jié)凍或者堵塞問(wèn)題，本課題的一種設(shè)計(jì)思路為設(shè)計(jì)一種傳感器裝置。將泥漿的流量變化作

56、為反饋系統(tǒng)的輸入端，經(jīng)過(guò)一些列的轉(zhuǎn)化之后將溫度升、降的變化分別轉(zhuǎn)化成電壓、電流或電子信號(hào)來(lái)控制制冷泵的開(kāi)、停。用以實(shí)現(xiàn)泥漿冷卻系統(tǒng)的順利運(yùn)行。</p><p>　　設(shè)計(jì)前需用仿真模擬軟件分析和模擬泥漿在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)管循環(huán)時(shí)的溫度分布特性，從而卻定設(shè)計(jì)的可行性與合理性。圖2-8、2-9分別為用Fluent流體模擬軟件做出的泥漿在循環(huán)系統(tǒng)管路中溫度分布云圖和曲線圖。</p><p>　　圖2-8

57、發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿流速分布云圖 </p><p>　　圖2-9 發(fā)生卡堵時(shí)管路內(nèi)泥漿流速分布曲線圖</p><p>　　結(jié)論：仿真模擬管內(nèi)壓力分布曲線圖可以得出循環(huán)管內(nèi)泥漿流速變化比較均勻，且由泥漿流速分布云圖可以看出內(nèi)管徑向流速也呈均勻變化，這樣的變化趨勢(shì)既保證了流量會(huì)發(fā)生變化且變化處在適量范圍內(nèi)能夠引起足夠大的反饋信息來(lái)控制制冷輸送泵的正常工作與停止運(yùn)轉(zhuǎn)。本課題擬用電磁流量計(jì)作為把

58、流量變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)輸出，然后將電磁流量計(jì)與繼電器連接，將電磁繼電器的輸出的信號(hào)作為幾點(diǎn)起的輸入信號(hào)。通過(guò)繼電器對(duì)信號(hào)變化的不同動(dòng)作用以實(shí)現(xiàn)控制制冷輸送泵的不同動(dòng)作。 </p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章重點(diǎn)討論以下幾點(diǎn)內(nèi)容及結(jié)論：</p><p>　?。?）詳細(xì)介紹同軸套管

59、式泥漿冷卻器設(shè)計(jì)目的與用途、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、制冷系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理。</p><p>　　（2）分析內(nèi)管發(fā)生卡堵時(shí)對(duì)壓力帶來(lái)的影響，并通過(guò)Fluent流體模擬軟件進(jìn)行分析模擬，得出壓力不適合作為防堵裝置原理的應(yīng)變參數(shù)。</p><p>　?。?）分析內(nèi)管發(fā)生卡堵時(shí)對(duì)溫度帶來(lái)的影響，并通過(guò)Fluent流體模擬軟件進(jìn)行分析模擬，得出溫度不適合作為防堵裝置原理的應(yīng)變參數(shù)。</p>&

60、lt;p>　　（4）分析內(nèi)管發(fā)生卡堵時(shí)對(duì)流量帶來(lái)的影響，并通過(guò)Fluent流體模擬軟件進(jìn)行分析模擬，得出應(yīng)將流量作為防堵裝置原理的應(yīng)變參數(shù)。</p><p>　　第三章 泥漿冷卻系統(tǒng)防凍裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　在前面的章節(jié)中，介紹了現(xiàn)有的冷卻器及其存在問(wèn)題。并且通過(guò)模擬計(jì)算確定了將流量作為應(yīng)變參數(shù)。本章將通過(guò)所選應(yīng)變參數(shù)根據(jù)要求設(shè)計(jì)防堵裝置，與此同時(shí)對(duì)其工作原理、裝置組成、技術(shù)

61、參數(shù)、工作流程等進(jìn)行詳細(xì)闡述。</p><p>　　第1節(jié) 設(shè)計(jì)目的與用途</p><p>　　在凍土層天然氣水合物鉆探保真取樣及試開(kāi)采中，鑒于水合物只能在低溫高壓條件下才能穩(wěn)定存在的情況及開(kāi)采地層構(gòu)造與特殊物理力學(xué)性質(zhì)。必須對(duì)泥漿進(jìn)行冷卻到一定溫度后才能在鉆孔內(nèi)循環(huán)。與此同時(shí)，為了保證鉆探工作中鉆孔孔壁的穩(wěn)定及安全施工也要求必須對(duì)泥漿進(jìn)行冷卻。</p><p>

62、　　傳統(tǒng)的冷卻方式以自然冷卻或者風(fēng)冷的方式實(shí)現(xiàn)將泥漿冷卻的目的。然而這種方式適合于環(huán)境溫度較低時(shí)使用，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)冷卻效果不明顯。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我校研制開(kāi)發(fā)了新型冷卻系統(tǒng)—同軸套管式泥漿冷卻器滿足冷卻泥漿的要求。</p><p>　　這種冷卻器將兩個(gè)管子套在一起。在內(nèi)外觀環(huán)狀間隙循環(huán)低溫制冷劑（乙二醇），內(nèi)管中循環(huán)泥漿。二者逆向流動(dòng)，強(qiáng)制對(duì)流的方式的對(duì)泥漿進(jìn)行冷卻，達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。</p><

63、;p>　　同軸套管式泥漿冷卻器能夠高效的將泥漿冷卻到鉆探、取芯工作要求的溫度。但是這種冷卻器在試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)出現(xiàn)冷卻一段時(shí)間后內(nèi)管管管壁附著有一層泥漿的凍結(jié)物。嚴(yán)重影響冷卻器的正常使用：發(fā)生卡堵時(shí)泥漿的溫度發(fā)生變化，甚至發(fā)生卡鉆、燒鉆、埋鉆、孔壁坍塌等孔內(nèi)事故，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)工作的正常進(jìn)行；另外，你將對(duì)內(nèi)管得壓力也將變化，從而影響到內(nèi)管正常的使用壽命；與此同時(shí)，發(fā)生卡堵時(shí)泥漿的流量也會(huì)發(fā)生變化，這將使泥漿輸送設(shè)備（泥漿泵）的負(fù)荷增

64、大，并且影響鉆探工作對(duì)沖洗液液量的正常要求，衍生嚴(yán)重的后果。</p><p>　　本課題研究的防堵裝置旨在通過(guò)流量這一參數(shù)的變化來(lái)控制制冷機(jī)輸送泵的開(kāi)關(guān)來(lái)消除卡堵的發(fā)生，從而保證鉆井工作的正常進(jìn)行與鉆井安全以及冷卻器的正使用。</p><p>　　第二節(jié) 防堵裝置原理</p><p>　　針對(duì)同軸套管式泥漿冷卻器發(fā)生卡堵這一問(wèn)題以及卡堵時(shí)引起壓力、溫度、流量等各參數(shù)

65、的變化這一情況，在第二章中通過(guò)以上三種參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬分析得出流量最適宜作為變化參數(shù)通過(guò)控制制冷機(jī)輸送泵開(kāi)關(guān)避免冷卻器發(fā)生卡堵。</p><p>　　本裝置擬用電磁流量計(jì)與電磁繼電器的組合體來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)流量發(fā)生變化，通過(guò)流量的變化將流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?、電壓或電子信?hào)并進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、放大。將處理后的信號(hào)輸送至電磁繼電器，根據(jù)鉆探冷卻、保真取樣等工作對(duì)泥漿流量的要求設(shè)定流量的上下限。根據(jù)不同流量與信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定電磁

66、繼電器信號(hào)臨界值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷機(jī)輸送泵自動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)而解決卡堵問(wèn)題。</p><p><b>　　2.1 電磁流量計(jì)</b></p><p>　　電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。在本裝置中主要用于將流量變化信息轉(zhuǎn)換為電流、電壓、電子等信號(hào)并進(jìn)行放大處理。</p><p>　?。?） 電磁流量計(jì)工作原理<

67、;/p><p>　　電流量計(jì)測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。流量計(jì)的測(cè)量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定在測(cè)量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。勵(lì)磁線圈由雙方波脈沖勵(lì)磁時(shí)，將在與測(cè)量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B的工作磁場(chǎng)。此時(shí)，如果具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測(cè)量管。將切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E。電動(dòng)勢(shì)E正比于磁通量密度B，測(cè)量管內(nèi)徑d與平均流速v的乘積。電動(dòng)勢(shì)E（流量信號(hào)）

68、由電極檢出并通過(guò)電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)化器將流量信號(hào)放大處理后，可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流等信號(hào)，用于流量的控制和調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖3-1 電磁流量計(jì)原理圖</p><p><b>　　E=KBdv</b></p><p>　　式中：E-----------為電極間的信號(hào)電壓（v） </p><p>

69、;　　B-----------磁通密度（T）</p><p>　　d-----------測(cè)量管內(nèi)徑（m）</p><p>　　v-----------平均流速（m/s）</p><p>　　式中k, d為常數(shù)，由于勵(lì)磁電流是恒流的，故B也是常數(shù)，則由E= KBdv可知，體積流量Q與信號(hào)電壓E-成正比，即流速感應(yīng)的信號(hào)電壓E與體積Q成線性關(guān)系。因此，只要測(cè)量出E就可

70、確定流量Q，這是電磁流量計(jì)的基本工作原理。</p><p>　　由E=KBdv可知，被測(cè)流量體介質(zhì)的溫度、密度、壓力、電導(dǎo)率、液固兩兩相流體介質(zhì)的液固成分比等參數(shù)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。至于流動(dòng)狀態(tài)只要符合軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)（如層流或者紊流）就不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的。因此說(shuō)電磁流量計(jì)是一中真正的體積流量計(jì)。對(duì)于制造商和用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只要用普通的水實(shí)際標(biāo)定后就可以測(cè)量其他任何導(dǎo)電流體介質(zhì)的體積流量，而不需要任何修正。這是電磁流量計(jì)的一突

71、出優(yōu)點(diǎn)，是其他任何流量計(jì)所沒(méi)有的。測(cè)量管內(nèi)無(wú)活動(dòng)及阻流部件，因此幾乎沒(méi)有壓力損失，并且有分高的可靠性。</p><p>　　（2） 電磁流量計(jì)組成：</p><p>　　整套儀表由電磁流量變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。</p><p>　　變送器安裝在工藝管道上，它的作用是將流經(jīng)管內(nèi)的液體流量值線性地變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并通過(guò)傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器中去。</p&

72、gt;<p>　　轉(zhuǎn)換器的作用是將變送器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行比較、放大、并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)液體流量的遠(yuǎn)距離指示、記錄、積算或調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　2.2 電磁繼電器</b></p><p>　　電磁繼電器是由控制電流通過(guò)線圈所產(chǎn)生的電磁吸力，驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開(kāi)、閉或轉(zhuǎn)換功能的繼電器。在本裝置中主要是接受電磁

73、流量計(jì)輸送來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求的流量上、下限值對(duì)應(yīng)的電流通過(guò)線圈所產(chǎn)生的電磁吸力，驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開(kāi)、閉制冷機(jī)輸送泵。</p><p>　?。?） 電磁繼電器組成</p><p>　　如圖3-9所示為一種電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)圖，它由感應(yīng)機(jī)構(gòu)、變換機(jī)構(gòu)、比較機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。感應(yīng)機(jī)構(gòu)是線圈；變換機(jī)構(gòu)是電磁系統(tǒng)，包括鐵心、銜鐵、軛鐵和線圈；比較機(jī)構(gòu)是反力系統(tǒng)，主要包括反力彈簧

74、和簧片；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是導(dǎo)電接觸系統(tǒng)(主要指觸點(diǎn))，多為簧片結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3-2 電磁繼電器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1、一靜觸點(diǎn)；2—?jiǎng)佑|點(diǎn)；3—軛鐵；4一線圈；5一極靴(極帽)；6—鐵心；7一銜鐵；8—反力彈簧；9—簧片；10—工作氣晾</p><p>　?。?） 電磁繼電器工作原理</p><p>　　在圖3-2中，線圈的

75、作用是從電源獲取能量、建立磁場(chǎng)。鐵心和扼鐵的作用是加強(qiáng)工作氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)，亦即使磁通大部分沿鐵心、軛鐵、銜鐵和工作氣隙閉合。銜鐵的主要作用是實(shí)現(xiàn)電磁能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。極靴(極帽)的作用是增大工作氣隙的磁導(dǎo)。反力彈簧和簧片用來(lái)提供反力。當(dāng)線圈接通電源以后，線團(tuán)的激磁電流就產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而產(chǎn)生力圖使工作氣隙減小的電磁吸力吸引銜洗一旦電磁吸力太子反力，銜鐵就開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與之連接的動(dòng)觸點(diǎn)向下移動(dòng)，使動(dòng)觸點(diǎn)與上面的靜觸點(diǎn)(稱(chēng)為動(dòng)斷靜觸點(diǎn))分開(kāi)，而與

76、下面的靜觸點(diǎn)(稱(chēng)為動(dòng)合靜觸點(diǎn))接觸。最后，銜鐵被吸持在最終位置上，即與極靴(極帽)相接觸的位置上。若在銜鐵處于最終位置時(shí)切斷線圈的電源，磁場(chǎng)便逐漸消失。于是，銜鐵在反力的作用下脫離極靴，并帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)脫離下面的動(dòng)合靜觸點(diǎn)，最終返回起始位置。</p><p>　　2.3 防堵裝置原理分析</p><p>　　通過(guò)上述對(duì)電磁流量計(jì)及電磁繼電器的介紹可知，當(dāng)?shù)蜏刂评鋭?5℃乙二醇）在內(nèi)外管間隙循

77、環(huán)時(shí)。由于制冷劑溫度（-5℃）低于泥漿冰點(diǎn)溫度（接近0℃），所以隨著制冷劑循環(huán)時(shí)間的增加，在內(nèi)管管壁將附著有一層泥漿的凍結(jié)物。凍結(jié)物導(dǎo)致泥漿的過(guò)過(guò)流斷面發(fā)生改變，同時(shí)也將引起泥漿流速變化。與此同時(shí)，當(dāng)泥漿中出現(xiàn)凍結(jié)物時(shí)，泥漿粘度增加。這也將引起泥漿流速變化。這幾方面的變化導(dǎo)致泥漿流量隨著時(shí)間增加，卡堵愈發(fā)嚴(yán)重，流量進(jìn)一步減小。</p><p>　　當(dāng)泥漿流量由于卡堵減小到設(shè)計(jì)的下限值時(shí)，電磁流量計(jì)的變送器將流量變

78、化通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流、電壓、電子信號(hào)并傳輸至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器接收到變送器傳輸?shù)碾娏鳌㈦妷?、電子信?hào)后根據(jù)電磁繼電器的要求將信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大、轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)然后傳送至電磁繼電器。</p><p>　　電磁繼電器接收到電磁繼電器轉(zhuǎn)換處理完的電流信號(hào)后，通過(guò)線圈4內(nèi)的電流產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)銜鐵7的吸力不足以克服反力彈簧8產(chǎn)生的收縮力，因而動(dòng)觸點(diǎn)從下位的脫離在彈簧反力的作用下到達(dá)靜觸點(diǎn)1位置。因?yàn)殪o觸點(diǎn)與

79、制冷劑輸送泵連接，所以這一動(dòng)作將制冷劑輸送泵的電源切斷，制冷機(jī)輸送泵停止工作。制冷劑在內(nèi)外管間隙停止循環(huán)，制冷暫時(shí)中斷。</p><p>　　制冷中斷之后，由于環(huán)境溫度高于泥漿溫度，因此外界向泥漿傳遞熱量。內(nèi)管管壁泥漿凍結(jié)物開(kāi)始消融，一定時(shí)間后，凍結(jié)物完全消融，泥漿流量達(dá)到設(shè)計(jì)上限值。</p><p>　　當(dāng)內(nèi)管管壁附著的泥漿凍結(jié)物完全消融后，泥漿流量逐漸增加，一段時(shí)間后達(dá)到上限值，電磁流

80、量?jī)?nèi)變送器將這一流量信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電流、電壓、電子信號(hào)傳送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器接收到變送器輸送來(lái)的電流、電壓、電子信號(hào)根據(jù)電磁繼電器的要求將信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換、放大成電流信號(hào)然后傳輸給后續(xù)的電磁繼電器。</p><p>　　當(dāng)泥漿流量由于凍結(jié)物消融而增加到設(shè)計(jì)的上限值時(shí)，電磁繼電器接收到電磁繼電器轉(zhuǎn)換處理完的電流信號(hào)后，通過(guò)線圈4內(nèi)的電流產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)銜鐵7的吸力克服反力彈簧8產(chǎn)生的收縮力，因而動(dòng)觸點(diǎn)從

81、上位的1脫離在彈簧反力的作用下到達(dá)下位的靜觸點(diǎn)位置。因?yàn)殪o觸點(diǎn)與制冷劑輸送泵連接，所以這一動(dòng)作將制冷劑輸送泵的電源接通，制冷機(jī)輸送泵恢復(fù)工作。制冷劑在內(nèi)外管間隙恢復(fù)循環(huán)，制冷恢復(fù)循環(huán)。</p><p>　　第三節(jié) 防堵裝置主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　沖洗液冷卻溫度變化差ΔT：2℃</p><p>　　沖洗液出口溫度：-1℃</p><p&

82、gt;　　沖洗液進(jìn)口溫度：1℃</p><p>　　沖洗液制冷量：160L/min</p><p>　　發(fā)生卡堵時(shí)沖洗液流量上限值：160L/min</p><p>　　發(fā)生卡堵時(shí)沖洗液流量上限值：120 L/min </p><p>　　表4 制冷系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的一些基本參數(shù)</p><p>　　第四節(jié) 防堵裝置組成

83、</p><p>　　同軸套管式泥漿冷卻器防堵裝置主要由電磁流量計(jì)、電磁繼電器、制冷機(jī)輸送泵及理解管線組成。本節(jié)將分別對(duì)裝置各組成部分進(jìn)行選型并對(duì)所選設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行介紹</p><p><b>　　1.電磁繼電器</b></p><p>　　本裝置擬選用DHLDE-50L-H1X100-0.168型智能電磁流量計(jì)。所選電磁流量計(jì)被廣泛用于化工

84、、造紙、食品、礦冶、石油、給排水等行業(yè)，用于測(cè)量污水、鹽水、煤水漿、紙漿、礦漿、泥漿。因此非常適合于作為防堵裝置的測(cè)量設(shè)備。</p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p><b>　　公稱(chēng)通徑：50mm</b></p><p>　　流動(dòng)方向正，反，凈流量，量程比：150：1</p><

85、;p>　　重復(fù)性誤差：測(cè)量值的±0.1%</p><p>　　精度等級(jí)： 0.5級(jí)</p><p>　　被測(cè)介質(zhì)溫度：-20- +60℃</p><p>　　額定工作壓力：≤2.5Mpa, </p><p>　　流量測(cè)量范圍：流量測(cè)量范圍對(duì)流速度范圍是0.3—15m/s</p><p>　　電導(dǎo)率范圍：

86、被測(cè)流體電導(dǎo)率≥5μs/cm</p><p>　　輸出電流及負(fù)載電阻：4-20mA全隔離負(fù)載電阻＜750歐姆脈沖頻率0-1KHZ光電隔離OCT外接電源≤35V導(dǎo)通時(shí) 集電極最大電流為25mA</p><p>　　電極材料：哈氏合金（H）</p><p>　　供電電源：85-265V， 45-63HZ</p><p>　　直管段長(zhǎng)度：下游≥2

87、DN</p><p>　　連接方式：流量計(jì)與配管之間均采用法蘭連接，法蘭連接尺寸應(yīng)符合GB9119-88的規(guī)定。</p><p>　　防暴標(biāo)志：mdllBT4</p><p>　　環(huán)境溫度： -25℃- +60℃</p><p>　　相對(duì)溫度：5%-95%</p><p>　　消耗總功率：小于20W</p>

88、<p>　　圖3-3分體式流量計(jì)接線圖</p><p><b>　　分體式遠(yuǎn)傳接線端</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)換器上排：</b></p><p>　　DS2,SGND,DS----信號(hào)屏蔽（銅絲網(wǎng)）</p><p>　　EXT_EXT----激磁線圈</p>

89、<p>　　TR,TR+----RS485通訊</p><p>　　COM,ALM+,ALM----上下限報(bào)警</p><p>　　L1,L2----電源220V</p><p>　　轉(zhuǎn)換器下排： </p><p>　　SIG2,SGND,SIG1----信號(hào)電極</p><

90、;p>　　ICCOM,ICOVT,INSW---正反向4-20Ma PCOM,PUL-PUI+----正反向脈沖頻率傳感器：</p><p>　　SIG1,SIG2,SGND----信號(hào)電極 DS1,DS2----信號(hào)屏蔽（銅絲網(wǎng)） EXT+,EXT- ----激磁線圈</p&g

91、t;<p>　　方型轉(zhuǎn)換器外觀及安裝尺</p><p>　　圖3-4方型轉(zhuǎn)換器外觀及安裝尺</p><p><b>　　2.電磁繼電器</b></p><p>　　本裝置選用HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器，所選電磁繼電器因具有體積小、功耗低、觸點(diǎn)負(fù)載大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、

92、化工等行業(yè)。</p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　外形尺寸：20.3×16.6×20.4</p><p>　　形式：1Z、1H、1D</p><p>　　負(fù)載（阻性）：10A（感性為30％）</p><p>　　最大切換電壓：240VAC/28

93、VDC</p><p>　　接觸電阻（初始）：≤50mΩ</p><p><b>　　材料：銀合金</b></p><p>　　電氣壽命：≥105（頻率1S通/1S斷）</p><p>　　機(jī)械壽命：≥105（頻率300次/分鐘）</p><p>　　吸合電壓（25℃）：DC：≤75％×

94、額定電壓</p><p>　　釋放電壓（25℃）：DC：≥10％×額定電壓</p><p>　　最大電壓（25℃）：110％×額定電壓</p><p>　　線圈規(guī)格：DC3V,5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V,36V,48V</p><p>　　線圈功率：DC:0.36W</p><p&

95、gt;　　吸合時(shí)間（額定電壓）：≤10ms</p><p>　　釋放時(shí)間（額定電壓）：≤5ms</p><p>　　絕緣電阻：≥100MΩ（500VDC）</p><p>　　環(huán)境溫度：-55℃- +70℃</p><p>　　環(huán)境濕度：35％-80％RH</p><p>　　大氣壓力：86-106kPa</p&

96、gt;<p>　　耐沖擊：10G（正弦半波脈沖：11ms）</p><p>　　耐振動(dòng)：10-55Hz 雙振幅1.0mm</p><p>　　安裝方式：PCB印刷板式</p><p>　　外形圖、接線圖、安裝尺寸</p><p>　　圖3-5 HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器外形圖</

97、p><p>　　圖3-6 HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器接線圖</p><p>　　圖3-7 HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器尺寸圖</p><p><b>　　性能曲線圖</b></p><p>　　圖3-8 HHC66F(JZC-22F)-

98、10A-1Z-12VDC型電磁繼電器性能曲線圖</p><p>　　圖3-9 HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器實(shí)物</p><p><b>　　制冷劑輸送泵</b></p><p>　　類(lèi)型：采用低溫流體離心泵</p><p>　　流量：6.3m3/h</p><

99、p><b>　　揚(yáng)程：50m</b></p><p><b>　　功率：4kw</b></p><p>　　除上述各部分，另外需傳輸信號(hào)用線纜若干。</p><p>　　第5節(jié) 防堵裝置安裝圖</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)研究的防堵裝置主要是針對(duì)我校設(shè)計(jì)的同軸套管式泥漿冷卻器。關(guān)于它的安裝

100、，也必須建立在冷卻器之上。</p><p>　　圖3-10 防堵裝置安裝圖</p><p>　　圖3-11 防堵裝置流量計(jì)變送器安裝明細(xì)圖</p><p>　　如圖3-10、3-11所示，防堵裝置的電磁流量計(jì)變送器安裝在冷卻器出口處內(nèi)管端口。流量計(jì)變送器負(fù)責(zé)測(cè)定由冷卻器流出泥漿的流量，并在顯示屏顯示。與此同時(shí)，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流、電壓、電子信號(hào)通過(guò)線纜傳輸至流

101、量計(jì)的轉(zhuǎn)換器將信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大為需要的電流信號(hào)。</p><p>　　轉(zhuǎn)換器接收到變送器傳輸?shù)男盘?hào)后，將信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理然后經(jīng)過(guò)線纜傳輸至繼電器進(jìn)行判斷。</p><p>　　電磁繼電器接收到經(jīng)轉(zhuǎn)換器放大、轉(zhuǎn)換處理的電流信號(hào)。在內(nèi)部將電流值與限值進(jìn)行比較后進(jìn)行開(kāi)、關(guān)制冷機(jī)輸送泵的動(dòng)作。</p><p>　　第6節(jié) 防堵裝置流程圖</p>&

102、lt;p>　　圖3-12 防堵裝置工作流程圖</p><p>　　如圖3-12所示，防堵裝置的工作流程為：</p><p>　　首先，制冷機(jī)組從載冷劑箱抽取不滿足設(shè)計(jì)溫度要求的制冷劑至制冷機(jī)組。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間冷卻后達(dá)到設(shè)計(jì)溫度后，由制冷機(jī)輸送泵將冷卻后的制冷劑輸送至同軸套管式泥漿冷卻器內(nèi)外管間隙進(jìn)行循環(huán)。并由泥漿泵從泥漿池抽取泥漿在冷卻器內(nèi)管逆向循環(huán)已達(dá)到冷卻泥漿的目的。</p

103、><p>　　當(dāng)制冷劑在冷卻器內(nèi)外管間隙循環(huán)一定時(shí)間后，由于制冷劑溫度（-5℃）低于泥漿冰點(diǎn)（接近0℃），所以循環(huán)一段時(shí)間后冷卻器內(nèi)管管壁附著有一層泥漿凍結(jié)物。這時(shí)流出冷卻器的泥漿流量發(fā)生變化，這一變化被安裝在冷卻器出口防堵裝置變送器檢測(cè)到。</p><p>　　當(dāng)流量減小到一定程度達(dá)到下限值（120L/min）時(shí)，變送器檢測(cè)顯示這時(shí)的流量值。與此同時(shí)，通過(guò)法拉第電磁感應(yīng)原理將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電

104、子信號(hào)并通過(guò)纜線將這一電子信號(hào)傳輸至防堵裝置轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　轉(zhuǎn)換器接收到變送器傳輸?shù)碾娮有盘?hào)后進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換、放大，最后處理為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)并將電流信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳輸至電磁繼電器。</p><p>　　電流信號(hào)傳送至繼電器后，電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)作用于銜鐵。當(dāng)流量達(dá)到下限值時(shí)，流經(jīng)線圈的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)銜鐵的吸合力不足以克服反力彈簧產(chǎn)生的收縮力。這樣在反力彈簧的收縮力作用

105、下，動(dòng)觸點(diǎn)斷開(kāi)。這一動(dòng)作切斷了制冷機(jī)輸送泵電力回路，制冷機(jī)輸送泵停止工作，泥漿制冷暫時(shí)中斷。</p><p>　　制冷機(jī)輸送泵停止循環(huán)后，由于環(huán)境溫度高于泥漿溫度。因此，冷卻器內(nèi)管管壁附著的泥漿凍結(jié)物緩慢消融。隨著消融的進(jìn)行，泥漿流量逐漸增大。</p><p>　　一段時(shí)間后凍結(jié)物完全消融，流出冷卻器的泥漿流量達(dá)到上限值（160L/min）。這一上限值被位于冷卻器出口的防堵裝置變送器檢測(cè)到

106、，然后將這一流量信號(hào)顯示的同時(shí)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)的同時(shí)通過(guò)纜線將這一電子信號(hào)輸送至防凍裝置轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　轉(zhuǎn)換器接收到電子信號(hào)（上限值）后，進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換、放大最終處理成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)（上限值）。然后將這一電流信號(hào)通過(guò)纜線傳送至防堵裝置電磁繼電器。</p><p>　　由轉(zhuǎn)換器輸送來(lái)的電流流經(jīng)電磁繼電器內(nèi)線圈，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)然后對(duì)銜鐵產(chǎn)生作用。當(dāng)流經(jīng)線圈的電流為上限值時(shí)，線圈產(chǎn)生的

107、磁場(chǎng)對(duì)銜鐵的吸合力大于反力彈簧的收縮力。因此動(dòng)觸點(diǎn)被線圈吸合，這一動(dòng)作接通制冷機(jī)輸送泵電子回路。制冷機(jī)輸送泵開(kāi)始工作將制冷劑輸送至冷卻器并在內(nèi)外管開(kāi)始間隙循環(huán)，泥漿得到冷卻。這就是同軸套管式泥漿冷卻器防堵裝置的工作流程。</p><p>　　簡(jiǎn)而言之，防堵裝置是一套當(dāng)冷卻器發(fā)生卡堵時(shí)，讓制冷劑停止循環(huán)；當(dāng)泥漿流量正常（卡堵現(xiàn)象消失）時(shí)，恢復(fù)制冷劑循環(huán)繼續(xù)冷卻泥漿的裝置。</p><p>&

108、lt;b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　?。?）本裝置可以解決同軸套管式冷卻器的卡堵問(wèn)題</p><p>　　（2）本裝置主要由電磁流量計(jì)與電磁繼電器組成實(shí)現(xiàn)防堵功能。</p><p>　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定防堵裝置的各技術(shù)參數(shù)</p><p>　?。?）根據(jù)功能要求為本裝置分別選取DHLDE -50 L -H

109、1X 100- 0.168型智能電磁流量計(jì)與HHC66F(JZC-22F)-10A-1Z-12VDC型電磁繼電器。</p><p>　　（5）繪制本裝置在冷卻器上安裝圖。</p><p>　?。?）繪制流程圖并闡述裝置如何實(shí)現(xiàn)防堵功能。</p><p><b>　　第4章 結(jié)論與展望</b></p><p><b&

110、gt;　　結(jié) 論</b></p><p>　　1）泥漿內(nèi)管防堵裝置能夠控制同軸套管式換熱器內(nèi)管泥漿不凍結(jié)，并保證始終處于所要求流量的流動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　2）通過(guò)理論分析和計(jì)算機(jī)模擬手段，確定了流量作為泥漿內(nèi)管防堵裝置控制參數(shù)。</p><p>　　3）設(shè)計(jì)了泥漿內(nèi)管防堵裝置，分析了其工作原理、裝置組成與選型和裝置工作流程等，為下一步加工泥

111、漿內(nèi)管防堵裝置提供了參考。</p><p><b>　　展 望</b></p><p>　　本裝置從設(shè)計(jì)思路到參數(shù)分析，再到原理分析以及后續(xù)的裝置組成部分選擇、主要設(shè)計(jì)參數(shù)選擇、設(shè)備安裝、流程分析都符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　較為遺憾的是由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)試驗(yàn)時(shí)間等因素的影響未能進(jìn)一步進(jìn)行裝置實(shí)體加工制造以及后續(xù)的野外試驗(yàn)以檢驗(yàn)其效果。希望

112、后續(xù)的研究者可以填充這一空白，并且希望在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題從而可以對(duì)裝置進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　不知不覺(jué)中，畢業(yè)設(shè)計(jì)工作已告一段落。在本次論文編寫(xiě)過(guò)程中，學(xué)到很多東西付出很多汗水的同時(shí)也收獲不少。其中包括在論文編寫(xiě)過(guò)程中來(lái)自老師與同學(xué)們的幫助給予我太多感動(dòng)。</p><p>