螺旋沉降离心机诞生于本世纪初，起初应用在化工领域，进行液-液分离、液-固分离或液-液-固分离；后来应用于煤炭行业处理浮选煤矿。50年代初期，国外开始将高速螺旋沉降离心机应用到石油钻井中。高速螺旋沉降离心机用于处理加重泥浆，主要是降粘和回收加重材料，用于处理非加重泥浆，主要是清除有害固相。但是，在现场应用过程中，泥浆螺旋沉降离心机所配用的电控箱易烧毁，产生这种现象的根本原因是离心机转鼓内部经常发生堵塞，螺旋输送器输渣困难。本文认为，这除了与现场应用不当外，还与离心机的结构设计有很大关系。泥浆作为一种特殊的介质，与其他行业中离心机所用介质有较大的不同。对于不同的地质构造、不同的机械钻速和不同的泥浆体系，其粘度、密度、固相含量及其粒度分布是不同的；对于同一口井、同一种体系，随井深的不同，上述泥浆参数也是不断变化的；同时，泥浆密度、固相含量及其粒度分布还取决于振动筛、除砂器、除泥器及清洁器的使用状况。以上这些特点，使得泥浆离心机较化工用离心机在结构参数和性能参数上将有所不同。因此，将螺旋沉降离心机应用到泥浆处理上，还有许多问题需要解决。虽然国外一些公司和研究单位对此进行过一些必要的探索，设计出了一些泥浆螺旋沉降离心机（简称泥浆离心机或离心机），但其理论研究资料甚少公开。国内目前对泥浆螺旋离心机的研制，仍然处于仿制阶段，理论研究及室内实验未见报道。

初步分析认为，要研制适合于钻井现场的泥浆离心机，应从以下七个方面进行深入研究。

1 泥浆固相含量及其粒度分布

固相含量及其粒度分布是研制泥浆离心机的前提和基础。由固相粒度分布可以确定离心机的合理的分离中点。固相粒度是计算泥浆离心机生产能力（即按悬浮液计的处理量）的基础，直接涉及到泥浆离心机的分离因数的选择。固相含量也是计算离心机生产能力（按沉渣计的处理量）的基础，直接涉及到离心机的输渣能力并影响整个离心机的处理量。

目前，国外对泥浆固相粒度分布进行了深入研究，加重剂重晶石粒度分布已有相应的API标准和实测结果。在国内，对泥浆固相粒度分布的研究还不充分，有关成果还不能代表国内所有区域的粒度分布情况，即不具有代表性。因此，应对国内泥浆固相含量及其粒度分布作系统的、全面的研究，为离心机的设计和使用提供 手资料。应重视以下几项研究：

（1）未经任何净化的泥浆，在不同的地层范围、不同的机械钻速下固相含量及其粒度分布。

（2）通过振动筛、除砂器、除泥器或清洁器等固控设备处理后泥浆固相含量及其粒度分布。

（3）对不同的油区、不同的地质构造进行上述两项内容的测试研究。

（4）对不同的泥浆体系进行上述三项内容的测试研究。

对上述测试结果进行的分析研究，采用概率统计的方法，确定出典型的泥浆固相含量及其粒度分布曲线，为离心机的设计打下基础。同时，这些测试研究结果，将为在不同地区、不同岩层、不同机械钻速下使用离心机，提供合理、可靠的依据。

2 离心机转鼓内流场的研究

离心机转鼓内流场的研究对整个离心机转速内的流体运动学和动力学具有重大意义。本文提供了离心机转鼓内四种截然不同流动状态的理论和计算生产能力的方法：

（1）活塞式流动状态：假设转鼓内的液体像“活塞式”地整体向前流动，鼓内液环在整个截面上的流速是均匀的，新进入转鼓的液体将鼓内原有液体全部置换。依据这一理论，产生了按Σ理论计算生产能力的方法。

（2）层流流动状态：假设液体在鼓内呈层状流动。可利用纳维-斯托克斯方程和连续性方程求解速度和压力分布。依据这一理论，产生了按层流理论计算生产能力的方法。

（3）表面层流动状态：假设转鼓内的液体分主液层和表面层，主液层只随转鼓一道回转并不流动，而表面层是在主液层上面快速流动的薄层流体。依据这一理论，产生了按表面层理论计算生产能力的方法。

（4）流线流动状态：假设转鼓内流体流动形成若干轴对称流面，这些流面与转鼓经线截面的交线为流线。依据这一理论，产生了按流线理论计算生产能力的方法。

应当指出的是，活塞流理论及流线流理论由于没有考虑螺旋对流动状态的影响，故其理论是比较粗糙的，其计算结果与实测值相差较大，必须由实验对其进行校正；虽然层流理论考虑了螺旋的影响，但将转鼓内的流动状态用层流状态来描述也是不恰当的；对于表面层流理论，已有专家进行过实验研究，证明只有在很小流量下才成立。分别应用以上四种转鼓内流体流动理论计算出的离心机生产能力是不相同的，有的与实际差别相当大。因此，对离心机转鼓内的流场进行认真的理论探讨和实验研究是非常必要的。应尽可能找出一系列反映该流场的较为准确的计算公式，提出一种全新的理论，从而为离心机设计计算提供较为可靠的理论依据。

3 离心机性能参数的实验研究

螺旋沉降离心机的设计是基于以上四种不同的理论假设而进行的，其计算结果的修正也是基于经验公式或仅对某几种特定介质的测试结果。而把这些理论和方法应用到泥浆离心机上，由于介质的改变，特别是对于不同的泥浆体系、不同的固相含量及其粒度分布，直接应用已有的公式进行计算，必然会产生过大的误差。

目前，螺旋沉降离心机沉渣含渣量的计算还没有一个通用的计算公式。而离心机沉渣含湿量对生产能力的影响是相当大的。沉渣的含湿量除与离心机的结构尺寸有关外，还与沉渣粒度分布、空隙率、液相表面张力、固液相相互作用及固相在脱水区停留时间有直接的关系。因此，通过对离心机的性能参数的实验研究，有可能对某些计算公式的修正提出适合于泥浆离心机的新方法，同时为以后离心机的测绘放大设计提供可靠的依据。各种性能参数的实验测试包括：

（1）不同粘度、不同密度、不同转鼓转速、不同差转速下离心机的按沉渣计及按悬浮液计的生产能力，沉渣的含湿量。

（2）在第1项下，离心机的转鼓功率及螺旋输渣功率。

（3）在第1项下，固相清除率（即级效率）、固相回收率及固相粒度分布。

根据以上测试结果，还可以制定出离心机使用规则。

4 离心机几何参数的优化设计

螺旋沉降离心机几何结构参数和各种性能参数是相互关联的。有些几何参数具有相对的独立性，有些几何参数只给出取值范围。因此，要提高离心机整体性能（包括经济性、可靠性），就必须对整机的各种几何参数进行优化设计。在优化设计中，必须考虑两个特点：

（1）泥浆离心机与化工用离心机不同。

（2）在现场使用的净化系统中，除泥器甚至除砂器的工作往往是不正常的。当除泥器不能正常工作时，泥浆固相含量迅速增高。因此设计重点是使离心机能够在按悬浮液计具有较大生产能力的同时，按沉渣计具有更大的输渣能力。这样对输渣用螺旋轴总成的优化设计就显得尤为重要。

5 离心机转鼓及螺旋叶片磨损机理的研究

离心机转鼓与螺旋叶片的磨损主要取决于物料的性质，坚硬且形状尖锐的颗粒对其磨损的程度是很大的。同时，离心机的结构参数对磨损也有很大的影响。从受力角度讲，材料的磨损性主要取决于磨损面所受到的正压力（P）和物料与磨损面之间相对滑动速度（V），用两者的乘积PV值作为考察磨损性能的指标。因此，必须对转鼓与螺旋叶片的磨损机理进行深入、细致的探讨，从而找出合适的几何结构参数及耐磨材料或者是提高材料耐磨性的方法。

6 离心机传动装置的研究

目前，国内外螺旋沉降离心机普遍使用的传动装置有双电机皮带传动、单电机皮带传动（由行星齿轮差速器造成差转速）、液压驱动等。近年来，国内对传动装置的改进做过一些有益的尝试。如西南石油学院曾将其改为链条传动形式，由于链条寿命很低，不能满足现场应用。胜利石油管理局钻井工艺研究院于1994年初在大排量离心机上使用同步带单电机传动形式，结果也因整机振动大、同步带寿命低而作罢。

应该讲，使用同步带和链条传动形式，因其结构简单、价格低廉而优于其它传动形式。那么，为什么使用同步带和链条传动形式的试验都未获得成功呢？这就必须从转鼓内液体的流动形式和输渣形式上找原因。如果能从理论和实验上找出主要影响因素，就有可能通过改变某些结构参数或工况而消除不利影响。如果同步带或链条的传动形式能够成功地应用到离心机上，就可以取得巨大的经济效益，因为传动装置的改变不仅仅局限于泥浆离心机，它对化工领域乃至其它领域内使用这种离心机也是一场变革。

7 现场用离心机的经济性评价

在钻井过程中，不同钻井深度、不同地质构造、不同机械钻速使得泥浆的粘度、密度及其固相含量和粒度分布不同，对泥浆性能要求不同，对泥浆离心机乃至其它固控设备的要求也不同。特别是离心机，若用于加重泥浆中，在降粘时，是用化学方法、水稀释方法还是用离心机处理，需要进行技术经济论证；同理，若用于非加重泥浆处理，是用水稀释方法降低密度还是用离心机降低密度，也有一个经济论证问题。因此，合理地评价各种固控设备的经济性，对保证钻井过程、节省钻井费用是相当重要的。国外一些钻井队用计算机进行处理，决定是否开启某些设备或关闭某些设备，其依据就是经济性论证结构。

综上所述，研制适合于我国国情的泥浆螺旋沉降离心机，还有大量的理论和实验工作要做。随着科学技术的发展，实验和测试手段不断完善，有可能从根本上弄清楚螺旋沉降离心机的许多理论和实际问题，并使这些结果应用到实践中去，改善现有离心机的使用状况并进而研制出高技术性能、高经济效果的泥浆螺旋沉降离心机。