Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Механические методы очистки

Механическая очистка промывочных жидкостей — это очист-ка путем отцеживания их на сетках. Она применяется в основ­ном при бурении нефтяных и газовых скважин. Сюда относятся вибрационные сита, сито-конвейер и самовращающийся сепара­тор. Наиболее распространены вибросита. Эти устройства используют для грубой очистки растворов. Размеры ячеек сит со­ставляют 1,0X0,5 мм; 0,4X0,4 мм и 0,25X0,25 мм. Известны вибросита СВ-2, СВ-2Б, ВС-1.

Вибрационное сито СВ-2Б (рис. 55) представляет собой опор­ную раму 1, На которой крепятся барабаны для натяжения се­ток 2, Амортизаторы 3, Вибрирующие рамы 4, Кожухи для ог­раждения ременных передач 5, Электродвигатели 6 И распреде­лительная коробка 7. К распределительной коробке приварены два патрубка: один— приемный диаметром 325 мм и второй — диаметром 60 мм. Приемный патрубок соединен с трубопрово­дом, подающим жидкость от скважины. Патрубок диаметром 60 мм соединен с вспомогательным нагнетательным трубопрово­дом блока очистки.

К внутренней стенке приемной коробки приварены два слив­ных лотка. В каждом лотке расположен выравниватель, пред­ставляющий собой поворотную прямоугольную заслонку с фик­сатором. Выравниватели обеспечивают равномерное распределе­ние жидкости по ширине сеток. По середине днища приемной коробки предусмотрен люк, перекрытый шибером. При пере­крытых сливных лотках и приподнятом шибере промывная жид­кость сливается из распределительной коробки, минуя сетки.

Рис. 55. Вибросито СВ-2Б

При необходимости повторной очистки промывочной жидко­сти последняя может подаваться в распределительную коробку через вспомогательный нагнетательный трубопровод и патрубок диаметром 60 мм. Пропускная способность сита 50—60 дм3/с, частота колебаний сетки 1600—200 Гц, суммарная мощность двух электродвигателей 4,4 кВт.

Такие вибросита громоздки, имеют значительную массу (987 кг), их работа возможна лишь при условии превышения входного желоба над выходным не менее чем на 0,6—0,8 м. Кроме того, отверстия сетки довольно быстро забиваются шла­мом, и эффективность работы их падает. Считается, что при нормальной работе вибросита удаляется до 3/4 массы крупных частиц. В то же время для структурированных жидкостей виб­рационная очистка на ситах —более надежный метод, чем ес­тественное осаждение в желобной системе. Поэтому в настоящее время ведется разработка новых, более эффективных и компакт­ных конструкций вибросит.

Вибросито цилиндрической формы показано на рис. 56. Оно имеет верхнее устанавливаемое на пружины 7 и нижнее осно­вания 8. Верхняя часть сита оборудована неподвижно соединен­ным приемным устройством 1 С патрубком 9 Для сброса круп­ных частиц, верхним ситом 2, Промежуточным кольцом 3, Ниж­ним ситом 4, Поддоном 6 С патрубком 5 Для вывода очищенно­го раствора ‘и вибратором. Последний состоит из корпуса 11, Жестко соединенного с электродвигателем 12, На концах вала которого неподвижно закреплены дебалансы 10.

При вращении вала электродвигателя с дебалансами соз­даются круговые колебания верхней части за счет горизонтальной деформации пружин и вертикальные колебания за счет вер­тикальной деформации пружин. Изменяя угол разворота между дебалансами и их массы, можно добиться требуемой амплиту­ды колебаний и желаемого рисунка движения частиц на ситах. Такое вибросито более компактно, имеет массу 270 кг, позволя­ет существенно уменьшить размеры ячеек сита (0,09×0,09 мм). Однако и здесь происходит значительное засорение сеток.

Рис. 56. Вибрационное механическое сито Рис. 57. Схема устройства очистки

промывочной жидкости с подачей ее снизу

Во ВНИИКРнефть В. В. Денисенко и И. Н. Резниченко про­водили исследования по очистке раствора методом непрерывно­го вибрационного осаждения с подачей его на виброфильтрующий элемент снизу (рис. 57). В качестве вибропровода исполь­зован эксцентриковый механический вибратор с амплитудой от 0 до 20 мм и частотой колебаний от 8,3 до 50 Гц.

Зашламованный раствор через загрузочный патрубок 1 Са­мотеком подается в кольцевое пространство между корпусом 3 И разделительной рубашкой 2. При движении вниз раствор оги­бает торец рубашки и поднимается в ее полость со значительно меньшей скоростью, при этом наиболее крупные частицы осаж­даются на конусное дно. Очищенный раствор после фильтрации выводится по патрубку 7, а осевший на дно шлам периодически удаляется через ареометрический клапан 4 С противовесом 5.

Эта установка имеет степень очистки до 65% при размере отверстий фильтрующей сетки 0,25X0,25 мм. Схема с нижней подачей промывочной жидкости" значительно повышает время работы виброфильтрующего элемента 6.

Гидравлические методы очистки

Гидравлическая очистка про­мывочных жидкостей от шлама осуществляется в гидроциклонах и центрифугах. В основу гидро-циклонного разделения твердых частиц и жидкости заложен принцип использования центро­бежных сил, возникающих в ап­парате при прокачке через него жидкости.

Рис. 58. Схема гидроциклона: 1 — корпус; 2 — входной патрубок; 3 — выходной патрубок; 4 — песковая на­садка

Гидроциклон (рис. 58) пред­ставляет собой корпус 1, состоя­щий из верхней короткой ци­линдрической части и нижней удлиненной конусной части. Из внутренней полости сосуда через верхнюю крышку выводится вы­ходной патрубок 3, Конус закан­чивается внизу выпускным кана­лом с песковой насадкой 4. Жид­кость со взвешенными в ней твердыми частицами через су­жающийся входной патрубок 2 С некоторым перепадом давления тангенциально вводится во внут­реннюю цилиндрическую полость гидроциклона и приобретает ви­хревое движение. Под действием центробежных сил более крупные и тяжелые частички породы отбрасываются к стенкам гидроциклона и в результате сложного взаимодействия тангенциальных, радиаль­ных и осевых сил сползают в нижнюю коническую часть аппа­рата. Здесь в первый момент работы аппарата накапливается некоторая часть песка до образования так называемой шламовой «постели», играющей роль гидравлического затвора на выходе гидроциклона. После образования «постели» вновь поступаю­щий песок с частью жидкости сбрасывается через песковую на­садку 4. Очищенная жидкость по внутреннему спиральному по­току поднимается через выходной патрубок 3.

Окружная скорость υ вращательного движения жидкости в гидроциклоне приближенно определяется выражением

υ=A/R, (IX.1)

Где А — постоянная величина для данного гидроциклона при данном режиме его работы;

R — расстояние от оси гидроциклона.

Теоретически окружная скорость у оси гидроциклона (при R = 0) равна бесконечности, но так как это невозможно, внутри гидроциклона образуется зона разрыва сплошности — централь-ный воздушный столб. Размеры и форма его определяются глав­ным образом величиной давления питания и соотношением диа­метров сливного патрубка и песковой насадки. Пропускная способность гидроциклона и степень очистки жидкости зависят от размеров устройства, угла конусности, диаметра входного патрубка и давления жидкости на входе в гидроциклон, площади полезного сечения выходного патрубка и размеров сменных насадок.

Ускорение жидкости в гидроциклоне достигает больших ве­личин. Так, для гидроциклона диаметром 75 мм при давлении на входе 0,2 МПа ускорение доходит до 1400 м/с2, что более чем в 140 раз превышает ускорение свободного падения.

Сложность эксплуатации гидроциклонов при очистке промы­вочных жидкостей заключается в том, что они нередко работа­ют в условиях изменчивости многих факторов. Может изменить-ся содержание твердых частиц в промывочной жидкости, их плотность, крупность и форма, существенно могут колебаться реологические и структурно-механические свойства жидкости — все это не позволяет добиться полной ее очистки.

Поэтому стараются сконструировать гидроциклон и подоб­рать режим его работы в расчете на определенный интервал раз­меров частиц выбуренной породы. С этой точки зрения гидро­циклоны подразделяют на пескоотделители и илоотделители. Для суждения об эффективности очистки в гидроциклоне Про­мывочной жидкости от шлама введены следующие понятия: ко­эффициент очистной способности Ко, Эффективность очистки Кс, Относительная величина потерь жидкости КП.

Под коэффициентом очистной способности гидроциклона по­нимается отношение содержания «песка» в исходной жидко­сти П К содержанию «песка» в очищенной жидкости ПО.

К0 = П/П0 (IX.2)

Эффективность очистки КС оценивается отношением

Относительная величина потерь жидкости КП служит для оценки экономичности очистки промывочной жидкости в гидро­циклоне

Где Q — общий расход пульпы через песковую насадку, л/с;

QП — поступление истинного шлама через песковую насадку, л/с.

Для определения П, ПО , КП необходимо при установившемся режиме работы гидроциклона отобрать пробы очищенного и не очищенного растворов, а также шламовых отходов.

Рис. 59. Зависимость эффектив­ной очистки КC От коэффициента очистной способности К0

Из рис. 59 видна связь эф­фективности очистки с коэффи­циентом очистной способности. Наиболее интенсивно эффектив­ность очистки KC Возрастает при увеличении КО от 1 до 6, а затем темп роста падает и значение КС асимптотически приближается к теоретически возможной вели­чине (100%). Полностью очис-тить глинистый раствор от буро­вого шлама в гидроциклоне не удается даже при одинаковых размерах зерен песка.

Режим работы гидроциклона, его конструктивные размеры и размеры эффективно удаляемых граничных зерен выбуренной породы определяются из следую­щих эмпирических соотношений, полученных А. И. Поваровым:

Здесь Q — пропускная способность гидроциклона, дм3/мин; δ — размер выводимых частиц, мкм; D, DП, DС, DН — диаметры соответственно гидроциклона, питающего отверстия, сливного отверстия, песковой насадки, см; g — ускорение свободного па­дения, м/с2; Н — давление на входе в гидроциклон, МПа; А — содержание твердых частиц, %; рп, рж — плотности соответст­венно твердой и жидкой фаз, г/см3.

Коэффициенты KD И Кα Вычисляются по формулам

KD = (0,08D+2)/(0,1D+1), (IX.7)

Кα = 0,79 + 0,044 /(0,039 + tg(α/2)), (IX.8)

Где α — угол при вершине конуса гидроциклона.

Давление в питающей линии гидроциклона поддерживается в пределах 0,2—0,3 МПа.

В геологоразведочном бурении применяют гидроциклонные установки ОГХ-8А и ОГХ-8Б, состоящие из гидроциклона, вин­тового насоса и электродвигателя, смонтированных на общей раме. Конструктивные отличия установок несущественны.

Установка ОГХ-8А (рис. 60) работает следующим образом. Буровой раствор, содержащий песок, засасывается винтовым на­сосом 1 Из отстойника (приемной емкости) и по нагнетательному трубопроводу 2 Подается в гидроциклон 4, Имеющий в ниж­ней части сменные шламовые насадки. Очищенный раствор по сливному трубопроводу 3 Стекает в другой отстойник, а шлам отводится в специальную емкость 7 Через лоток 5. Привод насо­са осуществляется от электродвигателя 6.

Рис. 60. Гидроциклонная установка ОГХ-8А

На рис. 61 приведена схема циркуляционной системы с очисткой промывочной жидкости гидроциклонной установкой ти­па ОГХ.

Гидроциклоны для сепарации мелких частиц шлама (илоотделители) отличаются, как правило, меньшими размерами и ре­жимом работы.

ВИТРом разработан ряд гидроциклонов с целью очистки промывочных жидкостей на выходе из скважины в процессе бурения. Для этого устье скважины герметизируется и промы­вочная жидкость, выходящая из скважины, направляется по трубопроводу в гидроциклон, где очищается и отводится в приемную емкость. Так как расход жидкости здесь обусловлен принятой технологией бурения, разработано несколько типоразме­ров сменных гидроциклонов с размером цилиндрической части от 25 до 75 мм и углом конической части 18—20°. Недостаток такой схемы использования гидроциклона — необходимость гер­метизации устья скважины.

Рис. 61. Рис. 62.

Рис. 61. Схема циркуляционной системы с очисткой промывочной

Жидкости гидроциклонной уста­новкой типа ОГХ:

1 — буровое здание; 2 —буровой ста­нок; 3 — Насосный блок; 4, 5, 6, 8 — Же­лоба; 7 — гидроциклонная установка; 9, 10, 11 — приемные емкости; 12 — Ме­таллические емкости; 13 — ограждение

Рис. 62. Гидротурбоциклон ГТН-200

В практике разведочного бурения используются также гид­роциклоны, разработанные опытно-методическими партиями гео­логических объединений и экспедиций. Конструкции этих гидро­циклонов отличаются несущественно. Для повышения износостой­кости в гидроциклонах применяют элементы, изготовляемые из резины и полимеров.

Коэффициент очистной способности гидроциклона КО может доходить до 10—15, содержание шлама в жидкости, выходящей из насадки, может достигать 50%, общие потери раствора за один цикл при оптимальном режиме работы составляют 1—2%.

В практике бурения глубоких разведочных скважин приме­няют одновременно по нескольку гидроциклонов, объединенных в батареи. Известны пескоотделители 1 ПГК конструкции ВНИИнефтемаша, гидроциклонные пескоотделители КуйбышевВНИИТнефти и др. Загрязненная жидкость к гидроциклонам подается с помощью шламовых насосов ВШН-150, но может по­даваться и буровыми насосами. При бурении глубоких сква­жин используют также гидроциклоны-пескоотделители ПГ-50 и илоотделители ИГ — 45. Гидроциклоны применяют и для регене­рации утяжелителей.

К преимуществам гидроциклонов относятся их простота и от­сутствие подвижных частей. Недостатками являются узкий диа­пазон оптимальных режимов работы для каждого типоразмера гидроциклона и невозможность надежной сепарации частиц размером менее 40 мкм. Кроме того, при очистке высоковязких промывочных жидкостей нередко приходится разбавлять рас­твор водой или очищенным раствором перед вводом его в гидроциклон. Соотношение воды и раствора может доходить до 0,5 : 1. Степень очистки повышается, но в целом качество раство­ра ухудшается, и требуются дополнительные меры по его вос­становлению.

Для отделения мелких частиц шлама, а также уменьшения содержания глины в растворе используют турбоциклоны и центрифуги. В турбоциклоне очистка раствора осуществляется с ис­пользованием центробежной силы, но вихревое движение жидко-сти создается механическим путем с помощью вращающегося ротора.

При бурении глубоких разведочных скважин применяется гидротурбоциклон ГТН-200 (рис. 62). Он состоит из двух агре­гатов: центрифуги и гидроциклона. Центрифуга состоит из кор­пуса 4, Который в верхней части имеет загрузочную воронку 1, Вертикального вала, опирающегося на два подшипника качения, из которых один упорный воспринимает массу ротора. Ротор со­стоит из ступицы, которая плотно насажена на вал. К ступице приварена перфорированная обечайка 3 С днищем и винтовой лентой 2, Которая приварена к внутренней поверхности обечай­ки. В днище имеются отверстия 6 И горловина 7. В нижней ча­сти корпуса расположены воронка 8 И сливной патрубок 9. На верхний конец вала насажен шкив клиноременной передачи, при помощи которой центрифуга соединяется с электродвигателем.

Раствор самотеком подается в загрузочную воронку 1, а от­туда в рабочую полость центрифуги. Под действием центробеж­ной силы твердые частицы разделяются по гранулометрическо­му составу и плотности. Тонкодисперсная часть раствора, со­стоящая в основном из глины и воды, удаляется через отвер­стия 6, Сливную воронку 8 И патрубок 9 В дренаж. Более круп­ные частицы выбрасываются через отверстия 5 В перфорирован­ной обечайке в полость корпуса, откуда по трубкам 10 Поступа­ют в гидроциклон 11.

В гидроциклоне происходит дополнительное сгущение посту­пившей из центрифуги пульпы, которая затем удаляется через песковую насадку. Остаток тонкодисперсной глинистой суспензии через сливную насадку гидроциклона возвращается в центрифугу.

Турбоциклоны также используются для регенерации утяже­лителя. Они позволяют извлекать не только мелкий шлам, но и при необходимости до 70% глины и регулировать тем самым реологические свойства глинистых растворов.

К недостаткам турбоциклонов относятся сложность конст­рукции, значительные габариты, масса и большая мощность привода. Например, у ГТН-200 при габаритах 1500Х840Х XI166 мм и массе без электродвигателя 500 кг мощность электродвигателя 20 кВт.

Комментарии запрещены.