Очистка буровых растворов

Очистке буровых растворов уделяют особое внимание, так как поступающая в буровой раствор выбуренная порода оказывает вредное влияние на его основные технологические свойства, а, следовательно, и на технико-экономические показатели бурения скважин: на стоимость скважины через скорость проходки, гидравлику, объемы разбавления для под­держания плотности, коэффициент трения бурильного инструмента, диф­ференциальные прихваты, потерю циркуляции, сальники на КНБК, износ бурового оборудования и инструмента и т.д. Кроме того, при накоплении шлама в буровой промывочной жидкости существенно снижается ее гли­низирующая способность, что приводит к образованию толстой рыхлой корки на стенках скважины в зонах фильтрации и создает опасность обва­лов.

За счет повышения плотности промывочной жидкости значительно возрастает вероятность поглощения и гидроразрыва пластов. Частицы по­род, обладающие коагулирующими свойствами, например ангидрит, могут вызвать необратимую коагуляцию промывочной жидкости. Даже в естест­венных промывочных жидкостях крупные частицы - нежелательный ком­понент. Затраты на очистку бурового раствора, а также решение проблем, связанных с повышенным содержанием твердой фазы, составляют значи­тельную часть общих расходов на бурение скважин.

Методы очистки промывочной жидкости от шлама можно классифи­цировать следующим образом: естественные (желобная система и отстой­ники); принудительные - механические (сита); принудительные - гидрав­лические (центрифугирование в гидроциклонах и центрифугах); физико-химические , комбинированные.

Твердые частицы в буровой промывочной жидкости делятся на кол­лоиды (менее 2 мкм), илы (2-80 мкм) и пески (более 80 мкм). Чем меньше размеры частиц, тем сложнее они выводятся из промывочной жидкости. Особую сложность представляет удаление излишней твердой фазы, пред­ставленной глинистыми разностями. Такие частицы в процессе бурения обычно быстро диспергируются до размеров исходной дисперсной фазы.

В настоящее время все большее применение находят вибросита и очистные системы импортного («Swaco») или отечественного производства («Нефтегезмаш-технологии»). Они отличаются высокими качеством изготовления и глубиной очистки.

За период 1990-2004 г.г. произошло достаточно полное переоснащение циркуляционных систем новым современным оборудованием, обеспечивающим решение технологических и экологических проблем в области промывки скважин. Его качество и надежность растут, как итог укрепляется тенденция закупки буровыми компаниями более дешевых изделий отечественного производства. Кроме ценовых вопросов, для буровых компаний тем самым решается и проблема запасных частей, сервиса и квалификации обслуживающего персонала.

К сожалению, все современные разработки ранее и сейчас выполняются на инициативной основе и не финансируются ни бюджетом, ни нефтегазодобывающими предприятиями. Существующая тендерная система закупок зачастую производится при недостаточном участии технических специалистов, что приводит к приобретению более дешевого, но не всегда качественного оборудования. Вследствие этого научно-производственные компании, занимающиеся созданием новых изделий, ограничены в сбыте своей более современной продукции и в финансировании собственных научных разработок.

5.2 Очистка буровых растворов с помощью вибросит

Процесс разделения суспензий по фракционному составу путем просеивания через вибрирующие сетки применяется в различных отраслях промышленности. Очистка бурового раствора от шлама с помощью вибрационных сит является также 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 это: основание 1, поддон для сбора очищенного раствора 7, приемник с распределителем потока 2, 3 - вибратор, 4 - сетка, 5 - вибрирующая сетка, 6 - амортизаторы (рисунок 1), Вибрирующие рамы располагаются в горизонтальной или наклонной плоскости.

Рисунок 5.1 - Схема вибросита

Работает вибросито следующим образом. Раствор от устья скважины самотеком поступает в распределитель 2 и далее на сетку 4. Распределитель 2 обеспечивает равномерное поступление раствора на виброраму по всей ширине. Частицы породы, размер которых больше размера ячеек сетки, перемещаются к краю виброрамы благодаря колебательному движению сетки, совершаемому вместе с виброрамой, и выбрасываются в амбар. Раствор проходит сквозь сетку и поступает на дальнейшую очистку.

Вибросита делятся по типу вибрации (траектории описываемой ка­ждой точкой вибросита при движении) на:

- круговое, дизайн первых вибросит с ми­нимальными развиваемыми гравитационными силами;

- эллиптическое, модификация первого типа, где центр вибрации поднят над рамой и противовесы на вибраторе используются для создания эллиптического движения, меняюще­гося по интенсивности и форме по длине виб­рационной рамы;

- линейное, использующее два вибратора вращающихся в противоположном направлении, создающие силу, направленную вверх или вниз в момент, когда противовесы находятся в вертикальном положении, и в горизонтальном положении. Каждый из перечисленных типов имеет свои преимущества и недостатки.

Вибросита с круговым движением раз­вивают низкие гравитационные силы и обладают наибольшей транспор­тирующей способностью, что способствует лучшему удалению глинистых пород на верхних интервалах, уменьшая их воздействие на поверхность сетки, в то же время они обладают низкой осушающей способностью. Данный тип вибросит иногда используется для предварительной очистки раствора от крупных глинистых пород, но большее распространение для этой цели приобрели транспортеры с вращающейся крупноячеистой сет­кой. Вибросита с эллиптическим движением развивают повышенные гра­витационные силы по сравнению с 1 типом и обладают меньшей транс­портирующей способностью по сравнению с 1 и 3 типами. Они нашли применение при работе с утяжеленными растворами и в качестве осу­шающих сит для пульпы из под гидроциклонов. Нужно заметить, что чем медленнее шлам удаляется с вибросита, тем интенсивнее происходит из­нос сеток. Вибросита с линейным движением наиболее универсальные, они демонстрируют повышенные гравитационные силы и относительно быструю транспортирующую способность, зависящую от угла наклона рамы и положения вибраторов.

Рекомендации по выбору размера сеток для вибросит включают следующие пункты:

- необходимо устанавливать сетки на одном вибросите одного раз­мера, допускается ставить сетку крупнее на размер в конце вибросита (чтобы основная масса раствора проходила через более мелкие сетки) при условии, что конструкция предусматривает три и более сеток;

- сетки подбираются таким образом, чтобы раствор закрывал 2/4 -3/4 последней сетки вибросита;

- иногда частицы выбуренной породы имеют тот же размер, что и ячейки сеток, и закупоривают их, что приводит к уходу раствора через вибросита. В данном случае необходимо поставить сетки на размер меньше, чтобы предотвратить закупоривание.

Твердая фаза в буровых растворах может быть разделена на 2 кате­гории по плотности: с плотностью от 2300 до 2800 кг/м³ и плотностью выше 4200 кг/м. Выбуренная порода, бентонит, карбонат кальция, попадают в первую категорию. Утяжелители, такие как барит, гематит, относятся ко второй категории и используются в основном для достиже­ния плотностей растворов более 1200 кг/м. Размеры выбуренной породы варьируются в огромных пределах от 1 мкм до нескольких сантиметров.

Длительный производственный опыт показал, что 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. Наибольшая производительность вибросита и том случае, когда шлам состоит из песка, наименьшая — когда шлам представлен вязкими глинами. В зависимости от типа и дисперсного со­става шлама производительность вибросита может сущест­венно изменяться.

Опыт применения вибросит для очистки бурового раство­ра показал, что эффективность очистки возрастает по мере увеличения времени нахождения частиц на сетке. Этого мож­но достичь увеличением длины сетки, снижением скорости потока, уменьшением угла наклона сетки, изменением на­правления перемещения частиц, уменьшением амплитуды ко­лебаний 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 настоящее время в отечественном бурении для очистки бурового рас­твора используют нержавеющую сетку с размером ячейки 0.7«2.3; 1x2.3; 1x5; 0.16x0.16; 0.2x0,2; 0.25x0,25; 0.4x0,4; 0.9x0,9; 1.6x1,6; 2x2 и 4x4 мм. В распоряжении бурови­ков США и Канады имеется более 30 типоразмеров сеток для вибросит: от 12 до 80 отверстий на 1 см, причем величина открытой поверхности (в %)у разных сеток отличается не­значительно.

Для очистки бурового раствора используют сетки с пере­плетениями проволок четырех типов: квадратным, прямоугольным, диагональным и двойным голландским. Наиболее часто используется квадратное переплетение, затем - пря­моугольное, реже — диагональное н очень редко — голланд­ское. При прочих равных условиях с помощью сеток с квад­ратным переплетением удаляют больше шлама, чем сетками с прямоугольным переплетением. Но при прямоугольном пере­плетении появляется возможность плести сетку из более тол­стой проволоки, поэтому такие сетки более долговечны.

Основные размеры зарубежных сеток с квадратным пере­плетением 12x12, 20x20. 24x24. 32x32. 48x48 и 80x80 отверстий на 1 см. основные размеры сеток с прямоуголь­ными пере плетениями 24x16 и 28x12 отверстий на 1 см. Сетки диагонального переплетения применяют только разме­ром 32 х 16 отверстий на 1 см. Выполнены они из проволоки диаметром 0.18 мм и имеют сторону ячейки размером 140 мкм.

Все сетки для очистки бурового раствора в настоящее время изготовляют, как правило, в виде кассет с боковым обрамлением. Такое изготовление позволяет осуществлять равномерное поперечное натяжение сетки при установке ее на вибросите. Состояние натяжения сетки — важный техно­логический фактор, влияющий на эффективность работы ви­бросита. Поэтому натяжению сетки необходимо уделять большое внимание. Обычно поперечное натяжение каждой сетки на вибросите осуществляется шестью болтами. Разви­ваемое при этом суммарное натяжение достигает 50 кН на каждую сетку.

Вибросито хорошо на столько, на сколько качественные сетки уста­новлены на нем. На сегодняшний день на рынке предлагаются сетки от различных производителей, с различными характеристиками. Для приме­ра, сетка 100 меш с «квадратной» ячейкой отделяет 100 % частиц круп­нее, чем 140 мкм, в то время как многослойная сетка 100 мкм с повышен­ной пропускной способностью отделяет 95 % частиц крупнее, чем 208 мкм. Эффективность такой сетки приблизительно равна сетке с квадрат­ными ячейками размером 70 мкм. В зависимости от производителя, диа­метра проволоки и метода плетения одинаковым сеткам могут присваи­ваться различные размеры. Поэтому нельзя пользоваться только этим па­раметром для сравнения сеток.

Считают, что только правильно установленная и нормаль­но эксплуатируемая вибрирующая сетка позволяет использо­вать все технологические возможности вибросита. Плохо натянутые сетки в несколько раз менее долговечны. Сухие сет­ки изнашиваются быстрее влажных. Ускоряют износ сеток слишком жесткие опоры. Большое внимание уделяется даже схеме натяжения сетки. Вначале рекомендуется натягивать среднюю часть сетки с помощью центральных болтов, при­ ложив к головке болта крутящий момент 34,5 Нм. Затем коло затянуть крайние болты с таким же усилием и лишь после этого постепенно увеличить крутящий момент при за­тягивании болтов до 48 Нм, начиная натяжение опять же от центра сетки.

Важную роль играет чистота сеток. Когда сетка забивается шламом, ее очищают струей воздуха. Если такая очистка неэффективна, то сетку снимают и чистят проволочной щеткой с обратной стороны. Во время перерывов между циркуляциями сетку промывают и закрывают предохранительной крышкой, чтобы исключить ее случайное механическое повреждение.

Засорить сетку могут соль, ангидрид, гипс, смазки, нефте­продукты. В таких случаях для промывания применяют пресную воду, 10%-ный раствор уксусной или соляной кислоты. Налипшие продукты нефти удаляют керосином или дизельным топливом. Такой тщательный выбор типоразмера сетки и поддержание ее в рабочем состоянии объясняется тем, что именно эта факторы определяют в первую очередь эффективность очистки бурового раствора от шлама на вибраци­онных ситах.