Архив рубрики: ПРОМЫВКА СКВАЖИН И БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ГАЗА

Газирование бурового раствора препятствует ведению нормального процесса бурения. Во-первых, вследствие снижения эффективной гидрав­лической мощности уменьшается скорость бурения, особенно в мягких по­родах; во-вторых, возникают осыпи, обвалы и флюидопроявления в резуль­тате снижения эффективной плотности бурового раствора (а следователь­но, и гидравлического давления на пласты); в-третьих, возникает опасность взрыва или отравления ядовитыми пластовыми газами (например, серово­дородом).

Попадающий в циркуляционный поток газ приводит к изменению всех технологических свойств бурового раствора, а также режима промывки скважины. Кроме очевидного уменьшения плотности раствора изменяются также его реологические свойства — по мере газирования раствор стано­вится более вязким, как и всякая двухфазная система. Пузырьки газа пре­пятствуют удалению шлама из раствора, поэтому оборудование для очистки от шлама работает неэффективно.

Кислые газы, такие как двуокись углерода, могут привести к пониже­нию рН раствора и вызвать его флокуляцию.

Снижение гидравлической мощности вследствие присутствия в рас­творе газа отрицательно сказывается на всем процессе бурения. Оптими-

зированные программы бурения требуют, чтобы на долоте срабатывалось до 65 — 70 % гидравлической мощности. Но снижение объемного коэффи­циента полезного действия насоса в результате газирования бурового рас­твора влечет за собой существенное уменьшение подачи насосов.

Газ из пласта попадает в буровой раствор в результате отрицательного дифференциального давления между скважиной и пластом либо вследствие высокой скорости бурения, когда пластовый газ не успевает оттесниться фильтратом от забоя и стенок скважины и попадает в поток раствора вме­сте с выбуренной породой.

Газ в буровом растворе может находиться в свободном, жидком и рас­творенном состоянии. По мере перемещения потока раствора к устью пу­зырьки свободного газа увеличиваются в объеме в результате снижения давления, сливаются друг с другом, образуя газовые пробки, которые про­рываются в атмосферу. Свободный газ легко удаляется из раствора в по­верхностной циркуляционной системе путем перемешивания в желобах, на виброситах, в емкостях. При устойчивом газировании, например во время бурения при несбалансированном давлении, свободный газ удаляют из бу­рового раствора с помощью газового сепаратора.

Пузырьки газа, которые не извлекаются из бурового раствора при пе­репаде давления между ними и атмосферой, оказываются вовлеченными в буровой раствор, и для их удаления требуется дополнительная энергия.

Полнота дегазации бурового раствора зависит от его плотности, коли­чества твердой фазы, вязкости и прочности структуры. Существенную роль играют также поверхностное натяжение жидкости, размер пузырьков и силы взаимного притяжения.

В связи с высоким поверхностным натяжением трудно поддаются де­газации буровые растворы на углеводородной основе, а также растворы, содержащие в качестве регулятора водоотдачи крахмал. Некоторые углево­дороды, проникая из пласта в буровой раствор при повышенных темпера­туре и давлении, остаются в жидком состоянии. Попадая в другие термо­динамические условия, например в поверхностную циркуляционную сис­тему, они превращаются в газ и заметно изменяют технологические свой­ства бурового раствора.

Некоторые газы при повышенных температуре и давлении проникают в межмолекулярную структуру бурового раствора и вызывают едва замет­ное увеличение его объема. Наиболее опасны в этом отношении растворы на углеводородной основе, в которые может проникать большое количест­во пластового газа. Обнаружить вовлеченный таким способом в буровой раствор природный газ очень трудно.

Растворы, газированные сероводородом, создают особенные трудности при дегазации:

система дегазации должна быть весьма эффективной, так как при объемной концентрации 0,1 % сероводород — опасный яд;

сероводород взрывоопасен даже при объемной концентрации 4,3 % (для сравнения, нижний предел взрываемости метана 5 %);

сероводород растворим в буровых растворах, его растворимость в воде приблизительно пропорциональна давлению;

сероводород обладает высокой корродирующей способностью.

Различная степень газирования бурового раствора требует применения разного оборудования для дегазации. Свободный газ удаляется достаточно просто. Поток раствора из межтрубного пространства поступает в сепара-

тор, где газ отделяется от раствора и направляется по отводной линии на факел. Оставшийся в растворе свободный газ удаляется в атмосферу окон­чательно на виброситах или в емкости для сбора очищенного от шлама раствора.

Газ, проникший в молекулярную структуру раствора, извлечь значи­тельно труднее. Для этого требуется не только затратить некоторую энер­гию, но и часто необходимо применять понизители вязкости и поверхност­ного натяжения, если используется недостаточно совершенная система де­газации.

Обычная схема дегазации бурового раствора при интенсивном поступ­лении газа (например, при несбалансированном давлении в скважине) по­казана на рис. 7.17. Газожидкостный поток из скважины 2, дойдя до вра­щающегося превентора 3, через регулируемый штуцер 4 и герметичные манифольды поступает в газовый сепаратор 5, где из раствора выделяется основной объем газа. Очищенный от свободного газа раствор поступает на вибросито 6 и собирается в первой емкости циркуляционной системы. Дальнейшая очистка раствора от газа осуществляется с помощью специ­ального аппарата-дегазатора 7. Окончательная дегазация происходит в про­межуточных емкостях 1 циркуляционной системы с помощью механиче­ских перемешивателей.

Газовый сепаратор, используемый в качестве первой ступени очистки бурового раствора от газа (рис. 7.18), представляет собой герметичный со­суд сравнительно большого объема, оборудованный системой манифольдов, клапанов и приборов.

Буровой раствор из скважины через вращающийся превентор и регу­лируемый штуцер по закрытому манифольду поступает по тангенциально­му вводу 7 в полость газового сепаратора 1, где скорость потока резко снижается. В результате действия инерционного и гравитационного полей происходит интенсивное выделение из бурового раствора газа, который скапливается в верхней части сепаратора и отводится по трубопроводу 5 на факел.

Буровой раствор, очищенный от свободного газа, собирается в нижней

Раствор

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ГАЗАРаствор + газ Рис. 7.17. Схема дегазации бурового раствора

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ГАЗА

Газ на факел 6

Буровой

раствор

с газом из

скважины

Вода или пар

Рис. 7.18. Схема газового сепара­тора

Шлам с водой

части газосепаратора, откуда он подается по линии 2 для очистки от шлама на вибросито.

Современные газовые сепараторы, имеющие вместимость 1—4 м3, рассчитаны на давление до 1,6 МПа и устанавливаются непосредственно над первой емкостью циркуляционной системы. Они оборудуются предо­хранительным клапаном 6, регулятором уровня бурового раствора поплав-кого типа 3 и эжекторным устройством 11 для продувки и очистки сепара­тора от накопившегося шлама.

Эжекторное устройство работает следующим образом. Воду, а в зим­нее время пар, пропускают через штуцер эжектора 11, в результате чего в сбросовом патрубке газосепаратора создается разрежение. При открытой сбросовой задвижке 10 скопившийся на дне газового сепаратора шлам 9 вместе с частью бурового раствора устремляется в камеру эжекторного смесителя, подхватывается потоком воды (или пара) и выбрасывается из сепаратора наружу. После очистки полости сепаратора сбросовую задвиж­ку 10 закрывают. Для контроля за давлением внутри сепаратора газовая часть его полости оборудуется манометром 4.

В период интенсивных газопроявлений и задавливания пластов буро­вым раствором в процессе газового выброса, когда сепаратор не в состоя­нии обеспечить разделение газожидкостного высокоскоростного потока, поток из скважины направляют непосредственно на факел. Однако такие ситуации очень редки и считаются аварийными.

Регулятор уровня раствора 3 в полости сепаратора предназначен для того, чтобы исключить попадание газа в сливной патрубок 2 очищенного раствора, так как создаются условия для его постоянного затопленного со­стояния с помощью поплавка 8.

Очищенный от свободного газа буровой раствор обычно поступает на вибросито. Однако при наличии в растворе токсичного газа, например се­роводорода, поток из сепаратора по закрытому трубопроводу сразу подает-

ся на дегазатор для очистки от газа. В этом случае только после оконча­тельной дегазации раствор очищают от шлама.

В качестве второй, а иногда и единственной ступени очистки раствора от газа обычно применяют дегазаторы, которые условно классифицируют на следующие типы: по величине давления в камере — на вакуумные и атмосферные; по способу подачи газированного бурового раствора в камеру — на гравитационные, эжекционные и центробежные. При центробежной подаче бурового раствора используют, как правило, самопродувающиеся центробежные насосы. В вакуумных дегазаторах иногда применяют самозаполняющиеся центробежные насосы.

Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике получили вакуумные дегазаторы с эжекционной и центробежной подачей газированного бурового раствора. Разрежение в полости таких дегазаторов создается вакуумным насосом и эжектором. Газированный раствор подает­ся в камеру дегазаторов обычно за счет разности давлений между атмо­сферой и вакуумированной камерой. Это не самый эффективный, но очень надежный способ подачи бурового раствора в дегазатор. Обычно центро­бежные насосы для этой цели непригодны вследствие способности «запи­раться» газовыми пробками.

Степень вакуума в камере дегазаторов — наиболее важный техноло­гический фактор дегазации и определяется не только разрежением в каме­ре эжектора и техническими возможностями вакуум-насоса, но и, прежде всего, высотой всасывающей линии. Она должна быть такой, чтобы в ка­мере дегазатора обеспечивался вакуум 0,03 МПа.

Другим важным фактором, влияющим на глубину дегазации бурового раствора в дегазаторе, является длительность нахождения раствора в каме­ре. Чем выше скорость циркуляции раствора в камере дегазатора, тем меньше времени раствор находится в ней и, следовательно, хуже дегазиру­ется. Для улучшения дегазации необходимо уменьшать скорость циркуля­ции бурового раствора. Так, при циркуляции 24 л/с дегазация каждой порции раствора в аппаратах вакуумного типа будет длиться 25 с, а при 48 л/с — около 12 с. Практически полная дегазация бурового раствора в аппаратах вакуумного типа происходит за 10 — 20 с.

Обычно с помощью газового сепаратора удается выделять из бурового раствора десятки кубических метров газа в минуту. В результате на вторую ступень дегазации — в дегазатор — поступает буровой раствор с содержа­нием газа не более 20 %. Некоторые типы вакуумных дегазаторов обеспе­чивают скорость извлечения газа 0,1— 0,25 м3/мин, пропуская буровой рас­твор объемом 1—3 м3/мин. В худшем случае остаточное содержание газа в буровом растворе после обработки в дегазаторе не превышает 2 %.

Типичным представителем дегазаторов вакуумного типа, используемых в отечественном бурении, является дегазатор типа ДВС.

Вакуумный дегазатор представляет собой двухкамерную герметичную емкость, вакуум в которой создается насосом. Камеры включаются в рабо­ту поочередно при помощи золотникового устройства. Производительность дегазатора по раствору достигает 45 л/с, остаточное газосодержание в рас­творе после обработки не превышает 2 %. Привод вакуумного насоса осу­ществляется от электродвигателя мощностью 22 кВт.

Центробежно-вакуумный дегазатор ЦВА (рис. 7.19) состоит из цилинд­рического вертикально установленного корпуса 1, 2, внутри которого с вы­сокой частотой вращается вал 4 с ротором 10, подобным рабочему колесу

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ГАЗА

Рис. 7.19. Центробежно-вакуумный дегазатор ЦВА:

1, 2 — части корпуса; 3 — труба; 4 — âàë; 5 — îñåâàÿ òóðáèíà; 6 — клапан; 7 — пластинчатый деструк­тор; 8 — вентилятор; 9 — патрубки для отвода газа; 10 — ротор; И, 12 — подшипники

центробежного насоса с загнутыми назад лопатками. Поступающий в ЦВА газированный буровой раствор интенсивно разбрызгивается ротором тон­ким слоем внутри корпуса и дегазируется. Дегазированный раствор пере­качивается обратно в ЦС с помощью осевого насоса, а выделившийся из раствора газ отводится вентилятором 8 по отводным каналам наружу.

Центробежно-вакуумный аппарат типа ЦВА обеспечивает не только эффективную дегазацию буровых растворов, но и интенсивное перемеши­вание входящих в него жидких и твердых компонентов (табл. 7.15).

В используемых в зарубежной практике атмосферных аппаратах дега­зация бурового раствора происходит в результате турбулизации тонкого плоского потока. Обычно раствор в дегазатор такого типа поступает при подаче насоса примерно 35 л/с, чтобы скорость течения на входе в дегаза­тор составляла примерно 1 м/с. В камере дегазатора имеется система на­клонных плоских перегородок, по которым стекает, периодически завихря-ясь, буровой раствор (рис. 7.15). Толщина слоя раствора на перегородках 10— 15 мм, а длина пути раствора 3,5 м.

Дегазаторы такого типа недостаточно эффективны при использовании растворов с повышенными значениями плотности, вязкости и СНС. Иссле-

Таблица  7.15

Техническая характеристика ЦВА

 

Плотность раствора, г/см3

Условная вязкость раствора, с

Содержание газа в растворе, %

до ЦВА

после ЦВА

до ЦВА

после ЦВА

до ЦВА

после ЦВА

1,38 1,36 1,34 1,38 1,39

1,42 1,40 1,43 1,40 1,42

105 100 108 102 97

63 55 59 60 52

9 8 12 5 7

о ооо о

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ГАЗА

 

Рис. 7.20. Схема атмосферного дегазатора

/м/с

дования показали, что даже при многократной дегазации таких растворов полного удаления газа из раствора достичь не удается.

Отечественной  промышленностью  широко  используется  вакуумный дегазатор ДВС.

Гидроциклонные шламоотделители

Гидроциклоны представляют собой инерционно-гравитационные клас­сификаторы твердых частиц и широко применяются в промышленности для разделения суспензии на жидкую и твердую фазы. В бурении гидроци­клоны используют для отделения грубодисперсного шлама от бурового рас­твора. В качестве шламоотделителей гидроциклоны часто могут конкуриро­вать даже с виброситами. Так, при удалении частиц шлама размером менее 0,5 мм экономическая эффективность гидроциклонов и вибросит одинако­ва, если обрабатывается неутяжеленный буровой раствор. С уменьшением размера частиц шлама эффективность гидроциклонов повышается, а пре­имущества их при удалении шлама с размером частиц менее 74 мкм стано­вятся абсолютно бесспорными.

К сожалению, гидроциклонные шламоотделители, как правило, непри­менимы для очистки утяжеленного бурового раствора вследствие больших потерь утяжелителя со шламом.

Гидроциклонные шламоотделители

Гидроциклон представляет собой цилиндр, соеди­ненный с усеченным перевернутым конусом (рис. 7.12). Нижняя часть конуса заканчивается насадкой для слива песков, а цилиндрическая часть оборудуется входной насадкой, через которую нагнетается буровой раствор, и сливным патрубком, через который отво­дится очищенный раствор.

Буровой раствор насосом подается через входную насадку в цилиндрическую часть гидроциклона по ка­сательной к внутренней поверхности. Обладая сравни­тельно большой скоростью на входе, частицы шлама под действием инерционных сил отбрасываются к стенке гидроциклона и движутся к песковой насадке в

Гидроциклонные шламоотделителиРис. 7.12. Схема гидроциклона для очистки бурового раствора от шлама

соответствии с законом Стокса. Тонкодисперсные частицы шлама вместе с компонентами бурового раствора сосредоточиваются в спиралевидном по­токе, движущемся снизу вверх. Попадая в сливной патрубок, очищенный раствор выводится из циклона, а шлам (пески) перемещается внешним, движущимся вниз спиралевидным потоком к песковой насадке и выгружа­ется через нее вместе с некоторой частью бурового раствора.

Технологические показатели работы циклона при разделении суспен­зии на жидкую и твердую фазы ухудшаются при уменьшении напора по­дающего насоса, увеличении вязкости или плотности подаваемой жидко­сти, повышении концентрации твердых частиц в суспензии, понижении плотности твердой фазы, уменьшении размера отделяемых частиц, резком отличии формы частиц от сферической, сокращении размера отверстия песковой насадки.

Гидроциклонные шламоотделители делят на песко- и илоотделители условно. Пескоотделители — это объединенная единым подающим и слив­ным манифольдом батарея гидроциклонов диаметром 150 мм и более. Ило-отделителями называют аналогичные устройства, составленные из гидро­циклонов диаметром 100 мм
и менее. Число гидроциклонов в батареях пес­ко- и илоотделителя разное.

Как и вибросита, эти аппараты должны обрабатывать весь циркули­рующий буровой раствор при любой подаче буровых насосов. Считается, что производительность пескоотделителя должна составлять 125 %, а илоот­делителя 150 % от максимальной подачи насоса. Это позволяет гарантиро­вать обработку всего потока бурового раствора на гидроциклонных шламо-отделителях, а иногда использовать часть очищенного раствора для разбав­ления неочищенного и таким образом существенно повышать эффектив­ность работы гидроциклонов.

Гидроциклонные шламоотделители обычно включают в работу с мо­мента забуривания скважины. Уже при бурении под кондуктор системы очистки бурового раствора должна работать на полную мощность. Шлам необходимо удалить из бурового раствора раньше, чем он будет подвергнут многократному истиранию и диспергированию в циркуляционной системе и стволе скважины. Только в этом случае удается сохранить стабильными параметры бурового раствора, избежать перерасхода запасных деталей к гидравлическому оборудованию, сохранить стабильный ствол и достичь высоких показателей работы долот.

В отечественной практике широко распространен гидроциклонный шламоотделитель ШГК, называемый пескоотделителем. Он представляет собой батарею из четырех параллельно работающих гидроциклонов диа­метром 150 мм. Буровой раствор в гидроциклоны подается вертикальным шламовым насосом.

Батарея гидроциклонов (рис. 7.13) состоит из сварной рамы 1, четырех гидроциклонов 2, крестовины 3 и четырех отводов 4 с резиновыми рукава­ми. Внутренняя часть рамы выполнена в виде лотка с наклонным дном и люком. В передней торцовой стенке установлен шибер. При открытом ши­бере песковые насадки погружаются в раствор со шламом, вытекающим через верхнюю кромку передней торцовой стенки. При открытом шибере шлам свободно вытекает через люк.

Гидроциклон (рис. 7.14) состоит из металлического корпуса 1, внутри которого установлен цельнолитой полый резиновый или пластмассовый конус 3, питающей резиновой насадки 5 и металлической сливной насадки.

Рис. 7.13. Пескоотделитель 1 ПГК

Гидроциклонные шламоотделители810

В нижнюю часть гидроциклона вставляется резиновая песковая насадка 4 с отверстием 15 или 25 мм. Раствор из гидроциклона сливается по патрубку 2.

Вертикальный шламовый насос (рис. 7.15) представляет собой центро­бежный насос погружного типа с открытым рабочим колесом 5, установ­ленным в полости 8. Колесо защищено дисками 7. Вместо сальника в нем используется разъемная резиновая втулка 4, которая служит не только уплотнителем, но и одновременно является опорой нижнего конца вала 6 насоса.

Два шарикоподшипника играют роль основных опор вала колеса. Они расположены в верхней части корпуса 3 насоса выше уровня перекачивае­мого раствора и надежно защищены от его воздействия.

Привод насоса осуществляется от вертикального фланцевого электро­двигателя 1 через упругую пальцевую муфту 2. Электродвигатель крепится к корпусу насоса, который имеет два опорных кронштейна с приваренны­ми цапфами для установки в емкости ЦС. Такое устройство позволяет пе­реводить насос из рабочего вертикального положения в горизонтальное для ремонта.

Гидроциклонные шламоотделители

Рис. 7.14. Гидроциклон

Гидроциклонные шламоотделителиПескоотделитель ШГК способен обра­батывать до 60 л/с бурового раствора и удалять из него частицы шлама размером 60 мкм при наименьшем допустимом давле­нии около 0,2 МПа. Общая масса установки составляет 1310 кг.

В настоящее время применяют более надежные модели пескоотделителей ПГ-50 и ПГ-90: число обозначает производитель­ность (в л/с). Они отличаются более стой­кими и совершенными по форме резино­выми элементами.

Кроме того, во многих районах России внедрены шламоотделители с гидроцикло­нами диаметрами 75 и 100 мм, так назы­ваемые илоотделители. Они представляют собой блок из 12—16 гидроциклонов, уста­новленных на общей раме и имеющих об­щий ввод раствора и поддон для сбора ила (шлама с раствором). Для подачи раствора используется вертикальный шламовый насос.

Опыт работы с буровыми растворами показывает, что оптимальное значение дав­ления на входе в гидроциклон для пескоот­делителей составляет 0,25 МПа, а для ило-отделителей — 0,32 МПа. Такие условия достигаются при давлении в нагнетательной линии насоса 0,4 — 0,5 МПа.

Основной    контролируемой    рабочей характеристикой   гидроциклонов   является плотность песков (илов). Плотность нижне­го продукта слива должна быть на 0,30 — 0,42 г/см3 выше плотности очи­щенного раствора.

Потери в гидроциклонах части бурового раствора со шламом всегда меньше потерь, которые связаны с необходимостью разбавления загущен­ного шламом раствора и его откачки в амбары.

В связи с высокой эффективной вязкостью растворов на углеводород­ной основе (РУО) эффективность работы гидроциклонных аппаратов сни­жается. Для этих растворов в качестве пескоотделителей используются илоотделители. Плотность сгущенного продукта при очистке неутяжелен-ных буровых растворов на углеводородной основе при одном и том же ко­личестве удаляемого песка будет меньше, чем при очистке раствора на водной основе. Например, сгущенный продукт, содержащий 25 % твердой фазы, при плотности раствора 1,14 г/см имеет плотность 1,48 г/см3, в то время как в РУО плотностью 1,02 г/см3
сгущенный продукт имеет плот­ность 1,39 ã/ñì3.

Обычные илоотделители не применяют для очистки утяжеленных бу-

Гидроциклонные шламоотделители

Рис. 7.15. Вертикальный шламовый насос ВШН-150

ровых растворов, так как, удаляя частицы шлама размером 25 мкм, они также удаляют из раствора практически весь барит с частицами размером более 16 мкм и часть барита с частицами меньшего размера. При очистке илоотделителем тяжелых растворов 95 % шлама будут составлять крупные частицы и одновременно будет теряться до 50 % барита.

В последние годы для очистки утяжеленных буровых растворов при­меняются так называемые сепараторы (рис. 7.16), которые состоят из гид­роциклонного илоотделителя 1, установленного над вибрирующей мелко­ячеистой просеивающей сеткой 2. Утяжеленный буровой раствор, очищен­ный с помощью вибросита, подается центробежным насосом в батарею гидроциклонов, где он разделяется на утяжеленный и неутяжеленный. Не-утяжеленный поток возвращается в циркуляционную систему, а утяжелен-

Гидроциклонные шламоотделители

Рис. 7.16. Гидроциклонный сепаратор

ный через песковые насадки попадает на тонкоячеистое вибросито, где частицы шлама, которые крупнее частиц утяжелителя, сбрасываются в от­вал, а остальная часть утяжеленного раствора просеивается через виброси­то и, возвратившись в циркуляционную систему, соединяется с неутяже-ленной частью раствора.

В связи с тем, что поток утяжеленного раствора значительно меньше потока неутяжеленного, можно использовать в сепараторах мелкоячеистые вибрирующие сетки.

Вибросита

Очистка бурового раствора от шлама с помощью вибрационных сит является механическим процессом, в котором происходит отделение частиц определенного размера с помощью просеивающего устройства.

Главными факторами, определяющими глубину очистки и пропускную способность вибросита, являются размер ячеек сетки и просеивающая по­верхность. Основные элементы вибросита следующие (рис. 7.9): основание 1, поддон для сбора очищенного раствора 7, приемник с распределителем потока 2, вибрирующая рама 5 с сеткой 4, вибратор 3, амортизаторы 6. Вибрирующие рамы располагают как в горизонтальной, так и в наклонной плоскости, а их движение может быть возвратно-поступательным по пря­мой, эллипсообразным, круговым и комбинированным.

Оптимальное соотношение между длиной и шириной просеивающих устройств составляет 2:1, а размеры сетки не должны превышать следую­щих: длина 2,6 м, ширина 1,3 м. Наибольшую производительность виброси­то имеет в том случае, когда шлам состоит из песка, наименьшую — когда шлам представлен вязкими глинами. В зависимости от типа и дисперсного состава шлама производительность вибросита может существенно изме­няться. Эффективность очистки возрастает по мере увеличения времени нахождения частиц на сетке. Этого можно достичь увеличением длины сетки, снижением скорости потока, уменьшением утла наклона сетки, из­менением направления перемещения частиц, уменьшением амплитуды ко-

Вибросита

Сброс шлама

Рис. 7.9. Схема вибросита

лебаний сетки, одновременным использованием двух последовательных или параллельных сеток.

Эффективность работы вибросита (пропускная способность, глубина и степень очистки) зависит прежде всего от типа и рабочего состояния виб­рирующей сетки. В отечественном бурении для очистки бурового раствора используют нержавеющую сетку с размером ячейки 0,7×2,3; 1×2,3; 1×5; 0,16×0,16; 0,2×0,2; 0,25×0,25; 0,4×0,4; 0,9×0,9; 1,6×1,6; 2×2 è 4×4 ìì.

Все сетки для очистки бурового раствора в настоящее время изготов­ляют, как правило, в виде кассет с боковым обрамлением.

На средства грубой очистки, т.е. вибросита, приходится большая часть очистки бурового раствора от шлама, поэтому именно им следует уделять наибольшее внимание. Для утяжеленных буровых растворов это, в сущно­сти, единственный высокоэффективный аппарат. В практике отечественно­го бурения широко используются одноярусные сдвоенные вибросита СВ-2 и СВ-2Б, а также одноярусные двухсеточные вибросита ВС-1.

Вибрационное сдвоенное вибросито СВ-2 состоит (рис. 7.10) из рамы 1, распределительного желоба 2, двух электродвигателей 3, ограждения 4, вибрирующей рамы 5, амортизаторов 6 и барабанов для натяжения сетки 7. Боковые стенки, приваренные к полозьям опорной рамы, образуют ван­ну, в которую поступает очищенный буровой раствор. На опорной раме установлены распределительный желоб и две вибрирующие рамы. Распре­делительный желоб устроен таким образом, что обеспечивает прием буро­вого раствора с трех сторон и подачу его на сетку вибрирующей рамы че­рез два сливных лотка. Выравниватели сливных лотков обеспечивают рав­номерное распределение раствора по ширине сетки.

В центре распределительного желоба выполнено окно, с помощью ко-

Рис. 7.10. Вибрационное сито СВ-2

торого желоб соединяется с ванной вибросита. Поэтому при закрытых вы­равнивателями лотках и поднятом вверх угловом шибере раствор будет по­ступать непосредственно в ванну, минуя сетку.

Колебательные движения сеткам сообщают вибраторы, приводимые в движение двумя электродвигателями. Каждая вибрирующая рама опирает­ся на четыре резиновых амортизатора и имеет вибратор с эксцентриковым валом. На концах вибрирующей рамы установлены два барабана с храпо­выми механизмами. Между барабанами натягивается рабочая часть сетки, и ее запасная часть, которая в 2 раза больше рабочей, наматывается на верхний барабан вибрирующей рамы. По мере износа сетки перематывают на нижний барабан до полного износа по всей длине.

Вибросито СВ-2 в состоянии пропустить до 60 л/с бурового раствора при сетке с размером ячейки 1×5 мм. Длина рабочей части сетки 1,2 м, ши­рина 0,9 м. Общая длина устанавливаемой на вибросито сетки 4,5 м. Сетка колеблется с частотой 1600 или 2000 колебаний в 1 мин. Наклон сетки к горизонту 12—18°. Масса вибросита 1380 кг.

Вибрационное сито СВ-2Б представляет собой модернизированный ва­риант сита СВ-2. Оно рассчитано для установки непосредственно над ем­костью ЦС и поэтому не имеет ванны для приема очищенного раствора. Кроме того, к корпусной стенке распределительной коробки приварены патрубки диаметрами 325 и 60 мм. К 325-мм патрубку присоединяют рас-творопровод, идущий от устья скважины; 60-мм патрубок с фланцем через задвижку соединяется с вспомогательным нагнетательным трубопроводом блока очистки.

Технологические характеристики этих вибросит одинаковые.

Вибрационное сито ВС-1 значительно сложнее описанных выше, но более эффективно, особенно при очистке утяжеленных буровых растворов. Оно состоит (рис. 7.11) из станины 1 для крепления вибросита на блоке очистки ЦС (станина является также сборником и распределителем очи­щенного раствора) и вибрирующей рамы 2, предназначенной для непо­средственной очистки бурового раствора путем процеживания его через сменные вибрирующие сетки и сброса шлама в отвал.

Станина представляет собой пространственную конструкцию, выпол­ненную из профильного проката. Полозья-сани соединены между собой двумя трубами 3 и листом-поддоном. На полозьях устанавливается прием­ная емкость 4 для поступающего из скважины бурового раствора. В верх­ней части приемной емкости смонтированы поворотные распределители потока 5, с помощью которых обеспечивается равномерная подача раство­ра на сетку. Распределители могут фиксироваться под любым углом к по­току. Для подачи раствора, при необходимости минуя сетку, приемная ем­кость имеет клиновой шибер 6, степень открытия которого регулируется вручную и фиксируется цепью. По бокам полозьев-саней имеются отвер­стия, позволяющие выпускать очищенный раствор. Отверстия закрываются плоскими шиберами 7.

На полозьях установлены четыре тумбы 8 для монтажа вибрирующей рамы. Связь между станиной и вибрирующей рамой осуществляется при помощи четырех витых цилиндрических пружин 9.

Под козырьком приемной емкости расположена ручная станция для периодической смазки подшипников вибратора.

Вибрирующая рама по конструкции представляют собой закрепленное между боковинами основание для крепления сетки. Кроме основания сетки

Вибросита

Рис. 7.11. Вибрационное сито СВ-1

боковины скрепляются стяжной трубой, корпусом вибратора и рамой при­вода. В корпусе вибратора 10 размещен вал, на обоих концах которого ус­тановлены дисбалансы, создающие необходимую амплитуду колебаний. На раме привода установлен электродвигатель 11, обеспечивающий нужную частоту колебаний, а на противоположном конце расположены грузы, уравновешивающие привод. Движение от двигателя к вибратору передает­ся двумя клиновыми ремнями.

Вибросито ВС-1 оснащается двумя заделанными в кассеты сетками. Используются сетки с размером ячейки 0,16×0,16; 0,2×0,25; 0,4×0,4 и 0,9х хО,9 мм. Первая сетка устанавливается горизонтально, а вторая — с накло­ном около 5° к горизонту. Поперечное натяжение каждой сетки осуществ­ляется подпружиненными болтами с усилием до 50 кН. Траектория колеба­ний сеток эллиптическая. Наибольшая двойная амплитуда 8 мм, частота колебаний ИЗО и 1040 в 1 мин. Рабочая поверхность сетки 2,7 м2.

Вибросито ВС-1 способно пропустить через сетку с ячейкой 0,16х хО,16 мм 40 л/с воды и не менее 10 л/с бурового раствора. При использо­вании сетки 0,9×0,9 мм пропускная способность вибросита превышает 100 л/с. Масса вибросита 1800 кг, длина 3 м, ширина 1,85 м, высота 1,64 м.

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ШЛАМА

Для очистки бурового раствора от шлама используют комплекс раз­личных механических устройств: вибрационные сита, гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители), сепараторы, центрифуги. Кро­ме того, в наиболее благоприятных условиях перед очисткой от шлама бу­ровой раствор обрабатывают реагентами-флокулянтами, которые позволя­ют повысить эффективность работы очистных устройств.

Несмотря на то, что система очистки сложная и дорогая, в большинст­ве случаев применение ее рентабельно вследствие значительного увеличе­ния скоростей бурения, сокращения расходов на регулирование свойств бурового раствора, уменьшения степени осложненности ствола, удовлетво­рения требований защиты окружающей среды.

При выборе оборудования для очистки буровых растворов учитывают многообразие конкретных условий. В противном случае возможны допол­нительные затраты средств и времени.

Каждый аппарат, используемый для очистки раствора от шлама, дол­жен пропускать количество раствора, превышающее максимальную произ­водительность промывки скважины (исключая центрифугу).

В составе циркуляционной системы аппараты должны устанавливаться по следующей технологической цепочке: скважина — газовый сепаратор — блок грубой очистки от шлама (вибросита) — дегазатор — блок тонкой очистки от шлама (песко- и илоотделители, сепаратор) — блок регулирова­ния содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель).

Разумеется, при отсутствии газа в буровом растворе исключают сту­пени дегазации; при использовании неутяжеленного раствора, как правило, не применяют глиноотделители и центрифуги; при очистке утяжеленного

бурового раствора обычно исключают гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители), т.е. каждое оборудование предназначено для вы­полнения определенных функций и не является универсальным для всех геолого-технических условий бурения.

Обычно в буровом растворе в процессе бурения скважины присутст­вуют твердые частицы различных размеров (рис. 7.8). Размер частиц бен­тонитового глинопорошка изменяется от единицы до десятков микромет­ров, порошкообразного барита — от 5—10 до 75 мкм, шлама — от 10 мкм до 25 мм. В результате длительного воздействия частицы шлама постепенно превращаются в коллоидные частицы (размером менее 2 мкм) и играют весьма заметную роль в формировании технологических свойств бурового раствора.

При идеальной очистке из бурового раствора должны удаляться вред­ные механические примеси размером более 1 мкм. Однако технические возможности аппаратов и объективные технологические причины не по­зволяют в настоящее время достичь этого предела. Лучшие мировые об­разцы вибросит (ВС-1, В-21, двухсеточное одноярусное сито фирмы «Сва-ко», двухъярусное вибросито фирмы «Бароид» и др.) позволяют удалять из бурового раствора частицы шлама размером более 150 мкм. Максимальная степень очистки при использовании глинистых растворов достигает 50 %.

Применение гидроциклонного пескоотделителя позволяет увеличить степень очистки бурового раствора до 70 — 80 %; удаляются частицы шлама размером более 40 мкм. Для более глубокой очистки применяют батарею гидроциклонов диаметром не более 100 мм
— илоотделителей. С помощью этих аппаратов удается очистить буровой раствор от частиц шлама разме­ром до 25 мкм и повысить степень очистки до 90 % и более.

Более глубокая очистка от шлама сопряжена с применением очень сложных аппаратов — высокопроизводительных центрифуг и поэтому обычно экономически невыгодна. Дальнейшее уменьшение содержания твердой фазы в буровом растворе осуществляется разбавлением либо ме­ханической обработкой небольшой части циркулирующего бурового рас­твора, в результате которой из него удаляется избыток тонкодисперсных (размером 10 мкм и менее) частиц.

1

ОЧИСТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ОТ ШЛАМАВибросито

Илоотделитеелитель

—*-

Размер частиц, мкм

Рис. 7.8. Дисперсный состав бурового раствора и предельные возможности аппаратов для очистки раствора от шлама:

1, 2 — дисперсный состав глинопорошка и барита; 3, 4 — дисперсный состав шлама соответ­ственно через один и два цикла циркуляции

Для утяжеленного раствора степень очистки ограничивается необхо­димостью сохранения в растворе утяжелителя. Поэтому механическими аппаратами из утяжеленного раствора практически могут быть извлечены частицы шлама размером лишь более 74 мкм. Частицы шлама размером от 5—10 до 75 — 90 мкм невозможно отделить от частиц барита, а так как по­тери барита недопустимы вследствие его высокой стоимости, дальнейшее улучшение степени очистки утяжеленного раствора обычно осуществляют переводом частиц шлама в более глубоко дисперсное состояние (например, путем применения флокулянтов селективного действия). При этом большое внимание уделяют регулированию содержания и состава твердой фазы с помощью центрифуги или гидроциклонных глиноотделителеи.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

В практике бурения скважин используются разнообразные технологи­ческие приемы для приготовления буровых растворов.

Приготовление раствора с использованием наиболее простой техноло­гической схемы (рис. 7.5) осуществляется следующим образом. В емкость для перемешивания компонентов бурового раствора 1, оснащенную меха­ническими и гидравлическими перемешивателями 9, заливают расчетное количество дисперсионной среды (обычно 20 — 30 м3) и с помощью центро­бежного или поршневого насоса 2 (обычно один из подпорных насосов) по нагнетательной линии с задвижкой 3 подают ее через гидроэжекторный смеситель 4 по замкнутому циклу. Мешок 6 с порошкообразным материа­лом транспортируется передвижным подъемником или транспортером на площадку емкости, откуда при помощи двух рабочих его подают на пло­щадку 7 и вручную перемещают к воронке 5. Ножи вспарывают мешок, и порошок высыпается в воронку, откуда с помощью гидровакуума подается в камеру гидроэжекторного смесителя, где и происходит его смешивание с дисперсионной средой. Суспензия сливается в емкость, где она тщательно перемешивается механическим или гидравлическим перемешивателем 9. Скорость подачи материала в камеру эжекторного смесителя регулируют шиберной заслонкой (затвором) 8, а величину вакуума в камере — смен­ными твердосплавными насадками.

Круговая циркуляция прекращается лишь тогда, когда смешано рас­четное количество компонентов и основные технологические показатели свойств раствора близки к расчетным. Если раствор приготавливают впрок, то его готовят порционно, а порции откачивают либо в другие емкости циркуляционной системы, либо в специальные запасные.

Утяжеление бурового раствора порошкообразным баритом и обработ­ку порошкообразными химическими реагентами осуществляют аналогично после приготовления порции исходной коллоидной системы (например, во-доглинистой).

Рис. 7.5. Простейшая схема приготовления бурового раствора

Основной недостаток описанной технологии — слабая механизация работ, неравномерная подача компонентов в зону смешения, слабый кон-

ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

троль за процессом. По описанной схеме максимальная скорость приготов­ления раствора не превышает 40 м3/ч.

В настоящее время в отечественной практике широко используют про­грессивную технологию приготовления и утяжеления буровых растворов из порошкообразных материалов. Технология основывается на применении серийно выпускаемого оборудования: блока приготовления раствора (БПР), выносного гидроэжекторного смесителя, гидравлического диспергатора, емкости ЦС, механических и гидравлических перемешивателей, поршнево­го насоса. Выпускается несколько типов БПР, различающихся вместимо­стью бункеров для хранения материалов.

Наиболее широко применяется БПР-70, выпускаемый Хадыженским машзаводом. Он представляет собой (рис. 7.6) два цельнометаллических бункера 1, которые оборудованы разгрузочными пневматическими устрой­ствами 7, резинотканевыми гофрированными рукавами 3 и воздушными фильтрами 2. В комплект БПР входит выносной гидроэжекторный смеси­тель 4, который монтируется непосредственно на емкости ЦС и соединяет­ся с бункером гофрированным рукавом.

Бункера предназначены для приема, хранения и подачи порошкооб­разных материалов в камеру гидроэжекторного смесителя. Они представ­ляют собой цилиндрические резервуары с коническими днищами и кры­шей, которые установлены на четырех приваренных к раме 5 стойках 6. Порошкообразный материал подается в них из автоцементовозов по трубе, закрепленной на внешней поверхности цилиндрической части бункера.

К коническому днищу прикреплено разгрузочное устройство, вклю­чающее аэратор, поворотную шиберную заслонку и воздушный эжектор. На крыше бункера установлен воздушный фильтр.

Выносной гидроэжекторный смеситель состоит из корпуса с тремя патрубками. К верхнему патрубку крепится прием для поступающего из

ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

Рис. 7.6. Схема блока приготовления раствора

бункера или через воронку порошкообразного материала. В левом патруб­ке установлены сменный твердосплавный штуцер и труба для подачи жид­кости от насоса. К правому патрубку прикреплены диффузор и сливная труба.

При прохождении подаваемой насосом жидкости через штуцер в ка­мере гидроэжекторного смесителя создается вакуум. В результате этого порошкообразный материал из бункера поступает по резинотканевому гофрированному рукаву в камеру.

Принцип действия блока БПР состоит в следующем (рис. 7.7). Порош­кообразный материал (глина, барит и др.), привезенный на скважину авто­цементовозом, загружается в силосы 1 пневмотранспортом при помощи компрессора. Поступая в силос, материал отделяется от воздуха, а воздух выходит в атмосферу через фильтр 2. При необходимости подачи порош­кообразного материала в гидроэжекторный смеситель вначале аэрируют материал в силосе, чтобы исключить его зависание при опорожнении сило­са, затем открывают шиберную заслонку, в результате чего обеспечивается доступ материалов в гофрированный шланг.

Жидкость, прокачиваемая насосом через штуцер гидросмесителя, в камере последнего создает разрежение, а так как в силосе поддерживается атмосферное давление, то на концах гофрированного шланга возникает перепад давления, под действием которого порошкообразный материал пе­ремещается в камеру гидросмесителя, где смешивается с прокачиваемой жидкостью. Воронка гидросмесителя служит для ввода материала в зону смешивания вручную. В обычном случае ее патрубок закрыт пробкой.

Блок БПР-70 оборудован гидравлическим измерителем массы порош­кообразного материала ГИВ-М.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

Избыточный воздух

Рис. 7.7. Схема работы блока БПР:

1 — ñèëîñ; 2 — ôèëüòð; 3 — загрузочная труба; 4 — разгрузочное      устройство;

5   —   система аэрирования;

6   — аэродорожка; 7 — под­
водящий шланг; 8 — гидро­
смеситель



На неподвижной части силоса смонтировано разгрузочное устройство, включающее тарельчатый питатель, пневматический эжектор и гидравли­ческий смеситель, который можно устанавливать как на площадке блока, так и на емкости циркуляционной системы буровой установки. В послед­нем случае вместо тарельчатого питателя применяется шиберный затвор с аэратором в верхней его части. Привод тарельчатого питателя осуществля­ется при помощи электродвигателя с редуктором. Так как тарелка питателя вращается с постоянной частотой, то подачу порошкообразного материала в зону смешивания регулируют, изменяя положение специального ножа, входящего в комплект питателя.

Для равномерного распределения компонентов по всему объему буро­вого раствора применяют перемешивающие устройства. Отечественная промышленность выпускает гидравлические и механические перемешива-тели.