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 К п.

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

К ₀ = П/П ₀ (IX.2)

Эффективность очистки К _соценивается отношением

Относительная величина потерь жидкости К _пслужит для оценки экономичности очистки промывочной жидкости в гидро­циклоне

где q — общий расход пульпы через песковую насадку, л/с;

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

Для определения П, П _о, К _Пнеобходимо при установившемся режиме работы гидроциклона отобрать пробы очищенного и не очищенного растворов, а также шламовых отходов.

Рис. 59. Зависимость эффектив­ной очистки К _Cот коэффициента очистной способности К ₀

Из рис. 59 видна связь эф­фективности очистки с коэффи­циентом очистной способности. Наиболее интенсивно эффектив­ность очистки K _cвозрастает при увеличении К _оот 1 до 6, а затем темп роста падает и значение К _с 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, d _П, d _С, d _Н — 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, %; р_п, р_ж — плотности соответст­венно твердой и жидкой фаз, г/см³.

Коэффициенты K _dи К_α вычисляются по формулам

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

К_α = 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 К оможет 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.

Дата добавления: 2015-07-15