Приготовление и очистка буровых растворов

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
5.1. Приготовление БР

Приготовление –

это процесс получения бурового раствора с требуемыми свойствами в результате переработки исходных материалов и их химического взаимодействия.

Исходные материалы:
техническая вода, углеводородные жидкости (дисперсионная среда);
глиноматериалы, утяжелители, твердые нефтепродукты (дисперсная фаза);
химические реагенты и добавки (регуляторы свойств БР).

Переработка - это диспергирование (измельчение), растворение и перемешивание исходных материалов.

Лекция № 10

5. Приготовление и очистка буровых растворов

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Для приготовления БР применяют

два вида мешалок:
механические;
гидравлические.

Механические мешалки:
лопастные;
фрезерно-струйные мельницы (ФСМ).

Гидравлические мешалки:
эжекторные;
гидромониторные;
вихревые.

Лекция № 10

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Механические мешалки лопастного типа

представляют собой металлическую емкость цилиндрического или овального сечения, внутри которой находятся один или два вала с лопастями (например, лопастная механическая мешалка марки МГ2-4Х имеет два вала и емкость объемом 4 м3).
Достоинства: простота конструкции и высокое качество приготовления БР.
Недостатки: низкая производительность (до 6 м3/ч при использовании глинопорошков).

Лекция № 10

вода

глина

БР

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
ФСМ в

общем виде состоит из бункера 1, ротора 2 с лопастями, диспергирующей рифленой плиты 3 и выходной решетки 4.

Принцип действия ФСМ: исходные материалы, непрерывно подаваемые в бункер, захватываются лопастями вращающегося ротора и отбрасываются на диспергирующую плиту.
Дополнительное диспергирование исходных материалов осуществляется при ударе струй, выбрасываемых лопастями ротора, о выходную решетку.

4

1

3

2

вода

глина

БР

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Достоинства ФСМ:

достаточно простая конструкция;
высокая производительность (до 20…25 м3/ч при использовании механизированной загрузки глинопорошка).

Недостатки:
низкое качество получаемого БР.

Повысить качество получаемого БР можно двумя путями:
многократной циркуляцией раствора по схеме: ФСМ емкость насос ФСМ;
пропусканием приготовленного в ФСМ раствора через специальные устройства – диспергаторы, обеспечивающие дополнительное измельчение частиц (агрегатов) глины.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Гидравлическая мешалка

эжекторного типа в общем виде состоит из приемной 1 и смесительной 2 камер, сменного штуцера (сопла) 3, загрузочной воронки 4 и линии подвода 5 глинопорошка (утяжелителя) от бункеров БПР-70.

4

5

3

1

2

вода

глинопорошок

клапан

БР

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Принцип действия

мешалки эжекторного типа: в результате истечения воды (раствора химических реагентов) из сопла с высокой скоростью в приемной камере создается разряжение, благодаря чему в неё из воронки (из бункера БПР) засасывается глинопорошок (утяжелитель).

Достоинства мешалок эжекторного типа: высокая производительность (70…90 м3/ч при беспрерывной механизированной подаче глинопорошка).

Недостатки: качество приготавливаемого БР ниже, чем в механических мешалках лопастного типа.

Каким образом можно его повысить?

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
С помощью

диспергаторов, в частности, гидравлического диспергатора ДГ-1, работающего на принципе соударения двух струй.

При соударении в камере ограниченного объема двух высокоскоростных струй возникают кавитационные явления (кавитация – образование газовых пузырьков в результате уменьшения давления в быстродвижущейся жидкости), ультразвук и другие эффекты, интенсифицирующие процесс диспергирования.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Диспергаторы являются

весьма энергоемкими устройствами, в связи с чем за рубежом их стараются не применять.
При этом БР высокого качества получают, используя гидравлические мешалки вихревого типа.
Гидравлическая мешалка вихревого типа состоит из приемной воронки 1, наружного цилиндра 2 с выходным патрубком 3 и внутреннего цилиндра 4 с входным патрубком 5.

вода

5

2

1

3

4

БР

глинопорошок

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Вода под

давлением подается в патрубок 5 и, благодаря его тангенциальному расположению, «закручивается» внутри цилиндра 4, образуя слой жидкости, внутри которого создается разряжение.
В результате глинопорошок засасывается из приемной воронки 1, захватывается быстровращающимся слоем жидкости, интенсивно в нем перемешивается (крупные агрегаты перетираются о стенки под действием центробежных сил), полученная суспензия, вращаясь по спирали, поднимается вверх и переливается в наружный цилиндр.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Кроме устройств,

предназначенных для приготовления БР, приемные емкости наземной циркуляционной системы буровой установки оснащаются еще и перемешивателями.
Основная их функция – обеспечение равномерного распределения компонентов БР во всем объеме наземной циркуляционной системы.
Перемешиватели, как и мешалки, делятся на механические и гидравлические.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Механические перемешиватели

в общем виде состоят из электродвигателя, редуктора, вала и перемешивающего органа пропеллерного (ПМ) или турбинно-пропеллерного типа (ПЛ), который располагается ближе ко дну приемной емкости.
Действие гидравлических перемешивателей основано на использовании кинетической энергии струи БР, выходящего из насадки с высокой скоростью.
Различают управляемые и неуправляемые гидравлические перемешиватели.
Управляемые своей сути представляют пожарный ствол с рукояткой, поворотом которой можно направить струю БР в любую зону приемной емкости (4УПГ, ПГ).
Неуправляемые гидравлические перемешиватели работают по принципу сегнерова колеса, т.е. являются самовращающимися (ПГС).

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
В результате разрушения горных

пород на забое скважины циркулирующий в ней буровой раствор непрерывно обогащается шламом, что приводит к росту плотности, вязкости и статического напряжения сдвига бурового раствора со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями:
снижение механической скорости бурения и проходки на долото;
снижение ресурса работы гидравлического оборудования (буровых насосов, вертлюгов);
увеличение вероятности возникновения различного рода осложнений, аварий и др.

Лекция № 10

5.2. Очистка бурового раствора от шлама

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Увеличение содержания

твердой фазы в БР на 1 % за счет обогащения его шламом снижает показатели работы долот на 7…10 % (главным образом за счет роста вязкости).
Если к этому еще прибавить неизбежные затраты на регенерацию свойств БР вследствие обогащения его шламом (разбавление водой, ввод реагентов - разжижителей и т.д.), то обязательность очистки БР от шлама не вызывает никаких сомнений.
Следует отметить, что эффективная очистка БР возможна только при искусственном ускорении оседания шлама, что легче всего достигается при вибрациях или за счет центробежного эффекта.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Из устройств,

ускоряющих процесс очистки БР за счет вибраций, наибольшим распространением, как в нашей стране, так и за рубежом пользуется вибросита.
Принцип действия вибросита заключается в следующем: выходящий из скважины поток БР поступает равномерным слоем на натянутую на вибрирующей раме сетку, шлам по наклонной сетке сбрасывается за пределы вибросита, а очищенный буровой раствор протекает сквозь отверстия сетки в приемную емкость.

шлам

БР из скважины

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Источником колебаний

вибрирующей рамы является, как правило, электродвигатель и эксцентриковый вал, соединенный с электродвигателем клиноременной передачей.
Амплитуда колебаний вибрирующей рамы обычно составляет от 3,5 до 8 мм, а частота – от 20 до 35 колебаний в секунду.
Есть и двухъярусные сита (с двумя сетками).

Основным показателем, определяющим степень очистки, пропускную способность вибросит, величину потерь БР со шламом и срок службы сеток является размер их ячеек.
Степень очистки БР тем выше, чем меньше размер ячеек сетки. Но с уменьшением размера ячеек:
снижается пропускная способность сеток;
уменьшается срок службы сеток;
увеличиваются потери БР, сбрасываемого со шламом в отвал.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Пропускная способность

сеток зависит еще и от целого ряда других факторов:
площади фильтрующей поверхности;
вязкости БР (увеличение вязкости с 10 до 20 мПа·с приводит к снижению пропускной способности на 30 %);
фракционного состава шлама и его количества в буровом растворе (зависит от характера разбуриваемых пород и типа применяемого долота);
расхода БР и др.

На срок службы сеток большое влияние оказывает их натяжение (провисание не допускается).

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
В нашей

стране серийно выпускаются вибросита ВС-1 и ВС-2. Они обеспечивают эффективную очистку БР от грубых фракций шлама (минимальный размер удаляемых частиц 0,16 мм).

За рубежом наибольших успехов в производстве вибросит достигли фирмы США, Англии, Румынии и Германии: «Бароид», «Свако», «Бранд», «Дрессер Макобар» и др.

Например, американская фирма «Бароид» выпускает вибросита, сетки которых совершают как колебательные, так и вращательные движения, описывая с большой скоростью точный круг. В результате до минимума снижается закупорка ячеек сеток и увеличивается их пропускная способность.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Однако, даже

лучшие конструкции вибросит обеспечивают удаление из БР не более чем 50 % выбуренной породы.

Для очистки БР от тонкодисперсного шлама используют устройства, ускоряющие его отделение за счет центробежного эффекта (центробежное ускорение в таких устройствах может более чем в 100 раз превышать ускорение свободного падения).
Среди этих устройств наибольшим распространением пользуются гидроциклоны, которые способны отделять частицы шлама размером ≥ 0,03 мм.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Конструктивно гидроциклон

представляет собой неподвижный аппарат, состоящий из цилиндрической, конической частей и патрубков: питающего 1, сливного 2 и пескового 3.
БР, предварительно очищенный на вибросите, тангенциально (по касательной) вводится внутрь цилиндрической полости гидроциклона, за счет чего приобретает вихревое движение.
Под действием центробежных сил частицы шлама отбрасываются к стенкам гидроциклона и опускаются по конусу в песковый патрубок (на сброс).

очищенный БР

шлам

БР

3

1

2

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Освободившийся от

шлама БР поднимается вверх.
Почему?
Потому что вблизи оси гидроциклона центробежная сила настолько велика, что поток БР разрывается, образуя воздушный столб (разряжение), вдоль которого внутренний поток поднимается вверх и разгружается через сливной патрубок.

Процессы, происходящие в гидроциклоне, настолько сложны, что математическая модель его работы до сих пор отсутствует. По этой причине оптимизировать его технические характеристики достаточно сложно.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Производительность (пропускная

способность) гидроциклона и степень очистки в нем БР взаимосвязаны и зависят от многих факторов:
диаметра и длины цилиндрической части;
угла конусности (обычно 14…20 град);
соотношения диаметров питающего и пескового патрубков;
давления БР на входе в гидроциклон и др.

В зависимости от минимального размера удаляемых частиц гидроциклоны подразделяют на:
пескоотделители (0,08…0,09 мм);
илоотделители (0,03…0,05 мм).

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
В отечественной

практике наибольшим распространением пользуется пескоотделители ПГ-50 (блок из 4 шт.) и илоотделители ИГ-45 (блок из 16 шт.).
Все детали гидроциклонов выполняются из абразивостойкого материала.
За рубежом наибольшим спросом пользуются гидроциклоны американской фирмы «Свако».

Для эффективной очистки БР необходимо последовательно использовать вибросито (ВС) ? пескоотделитель (ПГ) ? илоотделитель (ИГ), т.е. так называемую трехступенчатую систему очистки, обеспечивающую удаление из БР более 60 % выбуренной породы.

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
За рубежом

значительную экономию средств, особенно при использовании дорогостоящих БР, получают за счет применения четырехступенчатой системы очистки.
Четвертой ступенью в этой системе является центрифуга (оптифуга).
Центрифуги выпускаются 10 фирмами США, Канады, Англии, Франции (наиболее известны центрифуги фирмы «Лаваль»).

Из всех известных очистных устройств именно центрифуги обеспечивают наибольшую степень очистки БР от шлама (минимальный размер удаляемых частиц 0,01… 0,002 мм).

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Схема горизонтальной центрифуги со

шнековой выгрузкой шлама

БР

шлам

очищенный БР

корпус (барабан)

редуктор

ротор

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
В общем виде центрифуга

включает в себя ротор цилиндроконической формы, который получает вращение от электродвигателя посредством клиноременной передачи.
Частота вращения ротора составляет 1200…3000 об/мин.
Внутри ротора соосно расположен шнек, который транспортирует шлам к окнам выгрузки ротора. Шнек вращается в ту же сторону, что и ротор, но с меньшей частотой. Именно разность в частотах вращения ротора и шнека обеспечивает принудительное перемещение шлама вдоль внутренней поверхности ротора.
Вращение шнеку сообщается ротором через планетарный редуктор.

Лекция № 10

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
В зависимости от концентрации

газа в БР, выходящем из скважины, используют одно- или двухступенчатую системы его удаления.
Двухступенчатая система удаления газа из БР осуществляется по следующей схеме: газовый сепаратор (грубая очистка) дегазатор (тонкая очистка) вибросито.
Двухступенчатую систему используют при большой концентрации газа в БР или в том случае, если газ токсичен (как, например, сероводород).
При небольшой концентрации газа используют одноступенчатую систему его удаления, осуществляемую по следующей схеме: вибросито (частичная дегазация) дегазатор.

Лекция № 10

5.3. Очистка бурового раствора от газа

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
Конструктивно газовый

сепаратор представляет собой герметичный баллон объемом до 4 м3 с целым рядом патрубков: входным 1, газовым 2, сливным 3 и шламовым 4.
Входной патрубок расположен тангенциально.

очищенный БР

шлам

газ (на факел)

БР

2

1

3

4

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
При тангенциальном

вводе загазированного БР в сепаратор:
резко снижается скорость потока БР;
поток приобретает вихревое движение (возникает центробежная сила).
В связи с этим газовый сепаратор объединяет в себе два способа разрушения пузырьков газа:
экранный, работающий на принципе резкого торможения потока;
центробежный, работающий на принципе вращения потока БР.

Сочетание этих способов и обеспечивает интенсивное выделение газа из жидкости (действуют силы инерции и гравитации).

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
В основу

работы используемых в бурении дегазаторов положен барометрический способ разрушения газовых пузырьков (изменение давления путем вакуумирования).

Схема вакуумного дегазатора

к вакуумному насосу

в атмосферу

выпускной клапан

загазированный БР

очищенный БР

сливной клапан

приемный клапан

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 10
При всех

закрытых клапанах включается вакуум-насос. Как только разряжение достигает заданной величины приемный клапан открывается и загазированный БР засасывается в камеру, где освобождается от газа, который отсасывается вакуум-насосом. Когда уровень БР в камере достигает максимально допустимой высоты, открывается выпускной (соединяет камеру с атмосферой) и сливной клапаны.

Обычно используют двухкамерные дегазаторы, камеры которых работают последовательно (в одной - слив, в другой - всасывание).