脱气器浮筒下部浸入钻井液中, 恒拉力装置通过钢丝绳提供给脱气器筒体组件一个恒定的拉力, 使脱气器筒体组件在拉力、本身重力和浮力共同作用下达到平衡状态, 使脱气器筒体组件相对于钻井液液面相对位置恒定。当钻井液液面发生变化时, 浮筒的浮力也发生变化, 破坏脱气器筒体组件的受力平衡, 这时恒拉力装置下放或拉起钢丝绳, 使浮筒下部浸入钻井液中位置保持不变, 脱气器筒体组件的受力再次平衡。所以, 自平衡式脱气器可实现脱气器筒体组件相对于钻井液液面位置恒定, 不需要人为调整^[5]。

自平衡式脱气器的基本结构主要包括脱气器筒体组件、浮筒、恒拉力装置、支架、滑动座、定滑轮、防护箱、导向杆、安装卡等部件(图1)。脱气器筒体组件置于浮筒中, 通过焊接等方式进行连接, 恒拉力装置位于防护箱里, 防护箱固定于支架右侧, 恒拉力装置通过钢丝绳连接脱气器筒体组件, 恒拉力装置的钢丝绳通过定滑轮进行滑动导向, 滑动座安装在水平支架上可以左右滑动, 实现位置调整, 支架通过安装卡固定到钻井液缓冲罐上。脱气器筒体组件上下移动时, 导向杆防止脱气器筒体组件发生偏转。防护箱用于恒拉力装置的防护, 防止风沙尘土侵入和钻井液中水蒸气造成的腐蚀破坏。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 自平衡式脱气器结构

电动脱气器筒体组件主要包括脱气器筒体部件、搅拌杆部件、防爆电机部件(图2)。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 脱气器筒体组件

脱气器筒体为圆柱形结构, 材质为不锈钢, 筒体上端设有出气口和进气口, 筒体下端为钻井液入口, 右侧为钻井液出口, 筒体内设有挡板防止钻井液溅入出气孔内, 内部设有搅拌杆与防爆电机输出轴连接, 搅拌杆高速旋转, 破碎钻井液使气体脱出。为了实现脱气器筒体在恒拉力作用下自动升降的目的, 在筒体周围焊接了一个半圆形浮筒, 以产生浮力。

通过测试, 恒拉力器作出动作反应的最小反应质量为0.3 kg, 现场要求脱气器相对钻井液液面的变化量为± 10 mm, 根据现场使用的钻井液缓冲罐的最小安装宽度为250 mm, 最终确定脱气器浮筒的宽度为200 mm。钻井液密度一般在1.1~2.0 g/cm³之间变化, 脱气器必须要满足钻井液密度最小工况下的浮力要求, 为了计算和测试方便, 选取钻井液密度为水的密度。上述参数确定后, 通过浮力计算确定浮筒的外径尺寸(图3)。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 脱气器浮筒设计图

根据浮力原理计算:

Δ F=ρ Δ Vg =ρ gsΔ h

式中:Δ F为脱气器筒体因深度变化量所受的浮力变化量, 取3 N; ρ 为钻井液密度, 取1.0 mg/mm³; Δ V为钻井液排出体积变化量, mm³; g为重力加速度; s为浮筒的底面积, mm²; Δ h为脱气器筒体浸入钻井液的深度变化量, 取10 mm。

当Δ F> 3 N时, 需浮筒底面积> 31 000 mm², 设浮筒宽度为200 mm, 需浮筒外径> 260 mm, 最终确定了浮筒外径为300 mm。这样的浮筒尺寸既可达到对所需浮力的要求, 又可以适应大部分钻井液缓冲罐对脱气器筒体的安装尺寸要求^{[6, 7, 8]}。

脱气器支架通过安装卡固定到钻井液缓冲罐上, 安装支架采用不锈钢圆管焊接加工, 既保证了强度又减轻了质量。脱气器筒体组件, 恒拉力装置和滑轮等的附件安装固定在支架上, 脱气器筒体可沿着支架左右移动, 也可将脱气器筒体旋转90° , 以适应现场的各种安装要求。支架上配有防止脱气器筒体组件发生偏转的导向杆支架结构, 在脱气器筒体上下滑动时起到导向的作用。

要实现脱气器筒体相对于钻井液缓冲罐的液面相对位置恒定, 就要有一个装置提供给脱气器筒体组件一个恒定的拉力, 使脱气器筒体组件在拉力、本身重力和浮筒的浮力共同作用下达到平衡状态, 实现自动调整高度的目的。通过调研发现, 弹簧平衡器是提供恒拉力的理想装置。弹簧平衡器通常用于汽车模具、配件焊接、流水线及各种固定位置上工作量较集中、操作工具较笨重、使用工具持续时间较长的场合, 凡是使用手动工具及吊携设备的场合均可使用, 也可作提升机具的辅助工具使用, 达到减轻劳动强度的目的。弹簧平衡器主要借助于蜗卷弹簧蓄积的能量, 使所悬挂的外载荷在空中处于“ 悬浮” 状态, 其弹性势能与重力达到平衡, 这就是弹簧平衡器工作的基本原理^[9]。弹簧平衡器通过钢丝绳输出一个恒定的拉力, 根据胡克弹性定律:蜗卷弹簧在发生弹性形变时, 卷簧的弹力F_拉和卷簧卷曲的角度x成正比, 即F_拉=kx, 其中k是卷簧弹性系数, 它由材料的性质决定, 是一个常数。平衡器钢丝绳拉在卷簧的外侧终点上, 卷簧中间的起始点上有个调节蜗杆, 通过调节这个蜗杆来调节卷簧中间起始点的位置, 即调节卷簧卷曲的角度; 通过旋转弹簧平衡器上的拉力调整蜗杆, 可改变拉力输出的大小, 以适应现场钻井液密度的变化, 使脱气器筒体组件相对于钻井液液面保持合适的高度。

根据脱气器筒体的重力和浮筒产生的浮力, 计算所需弹簧平衡的拉力范围。

(1)根据浮力原理:F_浮=ρ Vg=ρ gsh

式中:F_浮为脱气器筒体所受的浮力, N; V为钻井液排出体积, mm³; h为脱气器筒体浸入钻井液的深度, 取68 mm。经计算F_浮约为28 N。

(2)根据三力平衡原理:F_拉=G-F_浮

式中:G为脱气器重力, 为135 N(称重得到); F_拉为弹簧平衡器的拉力; F_浮为脱气器受到的浮力, 为28 N。

经计算F_拉为107 N, 选用拉力范围70~150 N的弹簧平衡器作为恒拉力装置可满足应用要求。

现有的弹簧平衡器外形尺寸不便于安装调整, 为了缩小体积, 将弹簧平衡器上部安装吊钩拆掉。改造后的弹簧平衡器安装于防护箱内, 防护箱通过U型卡螺栓固定在支架的右侧, 弹簧平衡器的钢丝绳通过定滑轮进行滑动导向后通过弹性卡扣与脱气器电机尾部的吊环连接。整个结构安装调整方便, 且为纯机械结构无电气结构, 故障率低, 符合现场的防爆要求。