|
ЛЕКЦИЯ 5
ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА
Циркуляционная система (в дальнейшем ЦС) представляет собой комплекс механизмов и оборудования, входящий в состав буровой установки и предназначенный:
- для очистки бурового раствора от выбуренной породы;
- хранения запаса бурового раствора;
- приготовления бурового раствора заданной плотности и качества;
- дегазации бурового раствора (при необходимости);
- химической обработки бурового раствора;
- долива раствора в скважину;
- подачи раствора в скважину;
- удаления шлама.
5.1 Общие требования к ЦС
В процессе углубления скважины в буровой раствор попадают буровой шлам (забойный и обвальный), пластовый флюид жидкий (нефть, вода, конденсат) или газообразный (углеводородный газ, в том числе кислый), которые должны быть своевремен-
но удалены. Наличие в растворе бурового шлама оказывает вредное влияние на его технологические свойства и приводит к ухудшению технико-экономических показателей бурения. В связи с этим очистке бурового раствора от твердых, жидких и газообразных примесей уделяют особое внимание.
В последнее время требования и запросы буровых предприятий к технологическим возможностям ЦС, в первую очередь к качеству очистки бурового раствора, значительно повысились. Возросли требования к безопасному и более удобному выполнению работ, обслуживанию и ремонту оборудования. В особенности ужесточились требования по охране природы.
К конструкции современных ЦС, помимо общих требований к качеству очистки и надёжности работы очистного оборудования, каждое буровое предприятие предъявляет специфические требования, связанные с особенностями принятой технологии очистки и приготовления буровых растворов. Для улучшения условий труда буровой бригады оборудование ЦС, как правило, в особенности в северных регионах, размещается в утеплённых укрытиях с дополнительным обогревом, освещением и вентиляцией. В состав оборудования включаются грузоподъёмные средства и устройства, облегчающие ремонт и обслуживание оборудования (смену насосных агрегатов, электродвигателей, сеток вибросит и т.п.). В целях уменьшения или исключения загрязнения окружающей среды при бурении в конструкцию ЦС входят устройства, исключающие протечки бурового раствора на землю и осуществляющие его сбор и переработку. При бурении в водоохранных зонах, когда сброс шлама с буровой установки должен быть полностью исключён, в состав ЦС должна входить специальная система шламоудаления для выгрузки отходов бурения в кузов автомобиля или в промежуточный бункер с последующим вывозом шлама для его переработки или утилизации. При необходимости по требованию природоохранных органов качество очистки бурового раствора может быть доведено практически до технически чистой воды. В этом случае в состав ЦС включается специальный блок коагуляции и флокуляции, работающий совместно с центрифугами.
Принципы классификации ЦС
Циркуляционные системы могут быть классифицированы по различным признакам. Ранее в нормативной документации.
разработанной ВНИИнефтемашем, была принята классификация ЦС по классам буровых установок, в основу которой была положена глубина бурения и нагрузка на крюке буровой установки. Как представляется, эти параметры не характерны для ЦС. Более предпочтительно различать ЦС по функциональным и конструктивным признакам, а также по принадлежности системы очистки к тому или иному типу буровых установок, например для кустового бурения, для стационарных буровых установок или для мобильных установок. Они же диктуют и основные решения по конструктивному исполнению, расположению и составу оборудования ЦС.
Функциональные признаки классификации ЦС определяются технологическими процессами (см. выше), для выполнения которых предназначена данная ЦС. Эти признаки могут присутствовать полностью или частично. Так, для любой ЦС обязательными функциями являются очистка бурового раствора, хранение его определенного запаса, долив скважины при подъеме бурильной колонны, подача бурового раствора в скважину. Функция подачи бурового раствора в скважину обычно выделяется в особую группу (буровые насосы), а выполнение функций приготовления бурового раствора, шламоудаления и применение для этих целей соответствующих специальных систем и устройств необходимо не для всех ЦС.
Руководствуясь функциональными признаками, всё оборудование ЦС традиционно разделяется на несколько блоков:
- блоки грубой и тонкой очистки;
- блок или блоки приготовления бурового раствора;
- блоки хранения раствора;
- система долива раствора в скважину;
- система удаления шлама.
По конструктивным признакам, независимо от типа буровой установки, ЦС могут различаться по способу транспортирования на крупноблочные, блочно-модуль-ные и блочные. Отличаются ЦС и по монта-жеспособности у заказчика. Блочно-модульные ЦС повышенной заводской готовности проходят на заводе-изготовителе полную сборку с разводкой всех технологических трубопроводов и электрических коммуникаций с последующей стыковкой на быстро-разъёмных соединениях, что даёт значительную экономию времени при первичном и повторном монтажах на месте бурения.
Таблица 9.1
5.2 Очистка бурового раствора
Бурение нефтяных и газовых скважин без применения систем очистки бурового раствора невозможно. Чем качественнее очистка, тем надёжнее работает оборудование буровой установки - буровые насосы и породоразрушающий инструмент, тем выше технико-экономические показатели бурения.
В зависимости от горно-геологических особенностей разреза и планируемой технологии строительства скважины в качестве бурового раствора могут использоваться:
- техническая вода;
- глинистый буровой раствор на водной основе неутяжеленный и утяжеленный;
- буровой раствор на нефтяной основе неутяжеленный и утяжеленный;
- буровой раствор полимерглинистый с малым содержанием глинистой фазы;
- буровой раствор неутяжеленный аэрированный;
- углеводородные жидкости. Наибольшее распространение в нашей
стране получила технология строительства глубоких скважин на нефть и газ с промывкой глинистыми (утяжеленными, неутяже-ленными), а также полимерглинистыми, буровыми растворами на водной основе. Поэтому в этом разделе рассматриваются вопросы очистки таких растворов от шлама и пластовых флюидов.
Очистка бурового раствора от бурового шлама осуществляется с помощью технологического оборудования, входящего в состав блока очистки ЦС буровой установки [6, 8]. К этому оборудованию относятся сита вибрационные, гидроциклонные шламоотделите-ли (песко- и илоотделители), сепараторы разных типов, в том числе центробежные. Описание конструкций очистного оборудования, особенностей его устройства приводятся ниже. Структурная схема четырёхступенчатой системы очистки бурового раствора приведена выше.
При качественной очистке из бурового раствора могут удаляться частицы размером до 1 мкм. Известно, что размер частиц бентонитового порошка находится в пределах от 1 до десятков микрометров, порошкообразного барита - от 5 до 75 мкм, бурового шлама - от 10 мкм до 25 мм. Но в процессе движения по стволу скважины к поверхности размеры частиц шлама уменьшаются за счет механического воздействия. После длительного нахождения в буровом растворе частицы шлама постепенно превращаются в коллоидные (размером менее 2 мкм) и играют существенную роль в формировании технологических свойств бурового раствора.
Глубокая очистка раствора от шлама сопряжена с применением очень сложного оборудования - высокоскоростных центрифуг, блоков коагуляции, флокуляции и т.п. оборудования. Несмотря на то, что глубокая очистка усложняет технологический процесс, в большинстве случаев применение ее рентабельно вследствие существенного увеличения скорости бурения, сокращения расходов на регулирование свойств бурового раствора, уменьшения вероятности возникновения аварий и удовлетворения требований защиты окружающей среды.
Способ очистки бурового раствора от выбуренной породы и регулирования содержания твердой фазы задается на стадии проектирования в зависимости от особенностей разреза скважины. Для обычной технологии строительства скважины каждый из видов оборудования, используемого для очистки бурового раствора от шлама (за исключением центрифуги), должен пропускать количество бурового раствора, превышающее максимальную производительность буровых насосов при промывке скважины.
Для очистки бурового раствора на водной основе (неутяжеленного и утяжеленного) от выбуренного и обвального шлама и регулирования содержания твердой фазы применяют устройства грубой и тонкой очистки.
При необходимости в случаях газопроявлений буровой раствор из скважины сначала должен поступать в сепаратор для отделения из него газа и далее в дегазатор и оборудование блока очистки.
Блоки очистки включают технологическое очистное оборудование. В зависимости от требований технологии бурения, применяется одно-, двух- или трёхступенчатая очистка бурового раствора. Для улучшения качества очистки и уменьшения сбросов шлама с буровой установки, возможности его последующей утилизации применяется четырёхступенчатая система очистки, которая обеспечивает последовательную очистку бурового раствора на виброситах, песко- и илоотделителях с осушающим виброситом (с использованием ситогидроциклонных сепараторов) и центрифугах. Иногда к очистному оборудованию относят и дегазаторы или сепараторы газа из бурового раствора, устанавливаемые до или после вибросит.
Приготовление бурового раствора
Буровой раствор приготавливается в следующих случаях:
- для создания необходимого запаса бурового раствора до начала бурения;
- пополнения убыли бурового раствора в результате его поглощения в скважине;
- введения в буровой раствор химических реагентов и утяжелителей.
Буровой раствор готовится в специальном блоке, предназначенном для смешивания стандартных глинопорошков, утяжелителей или химических реагентов в сухом или жидком виде с водой до достижения необходимой концентрации. В состав блоков приготовления обычно входит ёмкость или ёмкости небольшого объёма (8-12 м3) для хранения приготовленного раствора. По мере готовности раствор из этих ёмкостей перекачивается в основные ёмкости ЦС или непосредственно в скважину. Смешивание осуществляется с помощью центробежного насоса, прокачивающего воду или буровой раствор через инжектор (воронку смесительную, см. рис.3.4.1), засасывающий сухой компонент непосредственно из тары или при засыпке его в бункер воронки. При необходимости приготовления буровых растворов из подручных материалов (комовых глин) в блоках приготовления используют различные механические устройства для измельчения и смешивания глины с водой: фрезерно-струйные мельницы, глиномешалки и т.п. Для улучшения качества бурового раствора иногда применяют диспергаторы, которые устанавливаются после гидросмесителей.
Блоки хранения представляют собой ёмкости различных конструкций, закрытые сверху настилом и снабжённые люками для обслуживания, лестницами, донными клапанами для слива остатков бурового раствора или промывочной жидкости. Иногда они имеют люки в боковых стенках для ручной зачистки. Ёмкости снабжаются механическими и гидравлическими перемешивающими устройствами, препятствующими осаждению твёрдой фазы из буровых растворов.
Система удаления шлама предназначена для сбора шлама после очистного оборудования, его транспортирования и удаления за пределы буровой установки в процессе бурения. Система шламоудаления включает в себя шнековый конвейер или несколько конвейеров с приводом и дополнительными устройствами. Привод конвейера может обеспечивать его работу в разных режимах скорости в зависимости от количества поступающего шлама. Выгрузка шлама может осуществляться в шламовую яму, если позволяют условия, или в промежуточный бункер, или в кузов автомобиля для вывоза в места утилизации.
Кроме описанных основных блоков в состав ЦС входят системы освещения, отопления, принудительной и вытяжной вентиляции, приборы контроля, входящие в систему контроля параметров бурения буровой установки, а также система трубопроводов и запорной арматуры.
Во всех ЦС для перекачивания бурового раствора применяются шламовые центробежные электронасосные агрегаты. Мощность привода насосов выбирается в зависимости от плотности раствора от 30 до 75 кВт. Производительность насосов не менее 150 м3/ч. В блоках приготовления раствора устанавливается насос с приводным электродвигателем мощностью до 90 кВт и расходом 250 м3/ч. Оборудование, используемое в комплексах ЦС для очистки буровых растворов, относится к отрасли химического машиностроения и изготавливается на специализированных предприятиях.
Основные технические параметры оборудования ЦС
1. Полезный объём бурового раствора в ёмкостях ЦС.
В зависимости от назначения ЦС и класса буровой установки, полезный объём бурового раствора изменяется в широких пределах от 100 м3 для неглубоких скважин до 500...600 м3 для стационарных буровых для глубокого разведочного бурения. Изменение объёма достигается установкой в схеме ЦС дополнительных блоков хранения. Иногда в состав ЦС включают специальные блоки дополнительных ёмкостей для хранения резервных запасов воды и буровых растворов.
2. Количество ступеней очистки. Обычно в ЦС принимается не менее
трех ступеней очистки, т.е. очистка на виброситах, пескоотделителях и илоотделите-лях. Четвертая ступень очистки производится на центрифугах. При необходимости используют специальное оборудование для обработки бурового раствора коагулянтами и флокулянтами с последующим выделением твердой фазы на центрифугах и получением технически чистой воды, которая может быть использована вторично или сброшена без ущерба природе.
Таблица 5.2 Основные параметры технологического оборудования циркуляционных систем
Контрольные вопросы:
1. Циркуляционная система.
2. Общие требования к ЦС.
3. Очистка бурового раствора.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА
10.1 Вибросито
Вибросито представляет собой механическое устройство, предназначенное для отделения шлама путем фильтрации раствора через вибрирующие сетки.
Главными факторами, определяющими глубину очистки и пропускную способность вибросита, являются размер ячеек и площадь фильтрующей поверхности. Схема устройства вибросита показана на рис. 10.1. Основные составные части вибросита: основание 1, приемник 2 с распределителем потока, вибрирующая рама 5 с сеткой 4, вибратор 3, амортизаторы 6, поддон 7 для сбора очищенного раствора. Вибрирующая рама может располагаться как горизонтально, так и под углом к горизонту, а её движение может быть линейным, круговым, эллипсооб-разным и комбинированным.
Практически установлено, что оптимальное соотношение между длиной и шириной фильтрующей поверхности по отношению к направлению подачи раствора составляет 2:1, а размеры сетки: длина 2600 мм не более, ширина 1300 мм. В зависимости от типа и дисперсного состава шлама производительность вибросита существенно изменяется. Наибольшая производительность вибросита достигается в случае, если шлам в основном состоит из песка, а наименьшая - когда шлам представлен вязкими глинами. Также из практики установлено [5], что эффективность очистки виброситом возрастает по мере увеличения времени нахождения частиц на сетке. Этого можно достигнуть несколькими способами - увеличением длины сетки, уменьшением расхода жидкости, угла наклона сетки и амплитуды колебаний, изменением направления перемещения частиц, 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 для очистки бурового раствора отечественной промышленностью изготавливаются кассеты с однослойными сетками с размером ячейки 0,7x2,3; 1x2,3; 1x5; 0,16x0,16; 0,2x0,2; 0,25x0,25; 0,4x0,4; 0,55х 0,55; 0,9x0,9; 1,6x1,6; 2x2 и 4x4 мм. Для очистки используются сетки с переплетениями из нержавеющих проволок четырех типов: квадратным, прямоугольным, диагональным и двойным голландским. Наиболее часто используется квадратное переплетение. Все сетки для очистки бурового раствора изготавливают, как правило, в виде кассет с боковым обрамлением. Такая конструкция позволяет осуществлять равномерное поперечное натяжение сетки при установке ее на вибросите. Кроме того, изготавливаются кассеты с одно-, двух- и трехслойными сетками с ячейками квадратного сечения различного размера. Состояние натяжения сетки - существенный технологический фактор, влияющий на эффективность работы вибросита.
Рис.10.1 Схема вибросита
Важную роль играет чистота сеток. Когда сетка забивается шламом, ее необходимо промыть струёй воды. И если очистка сетки не дает существенного результата, то её следует снять и очистить проволочной щеткой с обратной стороны. Во время технологических перерывов сетку рекомендуется промывать и закрывать предохранительной крышкой от случайного механического повреждения.
Засорить сетку могут ангидрит, гипс, нефтепродукты, смазки и соль. В таких случаях рекомендуется промывание пресной водой, 10 % раствором уксусной или соляной кислоты. Продукты нефти удаляют керосином или дизельным топливом. Постоянное поддержание вибросита в рабочем состоянии вызвано необходимостью эффективной очистки бурового раствора от шлама. На долю вибросит приходится большая часть очистки бурового раствора от шлама, поэтому именно им следует уделять наибольшее внимание.
Вибросито устанавливается на блоке очистки в соответствии со схемами обвязки с устьем скважины при помощи растворо-провода или открытого желоба. С помощью вибросит производится отделение наиболее крупных твердых частиц шлама величиной от 0,16 мм до максимального. Размеры ячеек ситовых кассет выбираются в зависимости от подачи насоса и механической скорости бурения по номограммам [3]. Суммарная пропускная способность вибросит должна быть на 25 % больше максимальной подачи буровых насосов. Не рекомендуется применение режима эксплуатации вибросита с перегрузкой более чем на 35 % его максимальной пропускной способности, всле-дствие того, что это существенно сокращает срок его службы.
10.2 Гидроциклонные шламоотделители
Гидроциклоны, представляющие собой инерционно-гравитационные разделители твердых частиц, широко применяются в промышленности для разделения суспензии на жидкую и твердую фазу.
В качестве второй и третьей ступеней очистки бурового раствора от шлама используются гидроциклонные шламоотделители - пескоотделители и илоотделители различной конструкции, с помощью которых удаляются твердые частицы размером от 50 мкм до 1,5 мм. Пескоотделители - это гидроциклоны диаметром 150 мм и более, одинарные и сдвоенные, объединенные подающим и сливным трубопроводами. К илоотделите-лям относятся аналогичные устройства, состоящие из гидроциклонов диаметром 100 мм и менее.
В отечественной практике используются гидроциклонные пескоотделители для грубой очистки ПГ 60/300 и гидроциклоны ГЦ-360, предназначенные для отделения частиц шлама из неутяжеленного раствора на водной основе. К сожалению, гидроциклонные шламоотделители, как правило, неприменимы для очистки утяжеленного бурового раствора вследствие больших потерь утяжелителя со шламом.
Принцип действия гидроциклона заключается в следующем. Вышедший из скважины или поступивший после вибросита буровой раствор подается центробежным насосом по тангенциальному патрубку 5 в цилиндрическую часть 1 гидроциклона рис. 3.4.9. Под действием центробежных и гравитационных сил более тяжелые частицы шлама отбрасываются к периферии и по конусу 3 гидроциклона опускаются вниз и сливаются наружу через регулируемое отверстие 4. Очищенный от крупных частиц раствор собирается в центральной части гидроциклона и выходит через патрубок 2.
В качестве третьей ступени очистки неутяжеленного бурового раствора используются илоотделители, выпускаемые под шифрами ИГ 45/75, ИГ 45М и ИГ-Т-45М. Они обеспечивают удаление твердых частиц размером от 0,05 до 0,07 мм.
Технические характеристики илоотде-лителей приведены в табл.10.2, а общий вид показан на рис.10.1.
Рис. 10.1. Гидроциклон
Рис. 10.2 Илоотделитель ИГ45/75: 1 - приёмный коллектор;
2 - выкидной коллектор; 3 - отвод очищенного раствора; 4 - лоток для шлама; 5 - рама; 6 - гидроциклон
Описание конструктивного устройства илоотделителя ИГ 45/75 приведено в [2,3,7 и 9]. Принцип действия илоотделителя такой же, как и у пескоотделителя. Отличие заключается в диаметре (от 75 до 100 мм) гидроциклонов и их количестве (6 и 16 шт) в одном комплекте.
Эффективность разделения суспензии с помощью гидроциклонов повышается с увеличением подачи бурового раствора, что приводит к увеличению давления на входе. Однако опыт работы с буровыми растворами показывает, что оптимальное давление для пескоотделителей составляет 0,25 МПа, а для илоотделителей - 0,32 МПа.
У гидроциклонов нижнее (песковое) отверстие является каналом разгрузки от шлама. Режим работы гидроциклонов регулируется изменением размера пескового отверстия путем смены Песковых насадок для сбрасывания песка или ила.
Таблица 10.1
Увеличение диаметра Песковых насадок снижает эффективность работы циклона и увеличивает потери раствора со шламом.
Правильно отрегулированный и настроенный гидроциклон имеет наилучшие характеристики только в том случае, когда выход шлама происходит в виде зонтика, а не в виде шнура. При правильной работе циклона допустимы потери раствора до 5 %. Основной контролируемой характеристикой гидроциклонов является плотность выходящей внизу массы пульпы. Плотность ее должна быть на 300 - 420 кг/м3 выше плотности очищенного раствора.
Сито-гидроциклонные сепараторы В последние десятилетия для очистки буровых растворов применяются так называемые сито-гидроциклонные сепараторы (см. рис. 10.2). В сито-гидроциклонном сепараторе СГС 65/300 в качестве шламоотделителя используют пескоотделитель ПГ 60/300, а в СГС 45/150 - четыре гидроциклона илоотделителя ИГ 45М.
10.3 Центробежные сепараторы (центрифуги)
Обычные илоотделители для очистки утяжеленных буровых растворов неприменимы, так как, удаляя частицы шлама размером 25 мкм, они удаляют из раствора практически весь баритовый утяжелитель с частицами размером более 16 мкм и часть утяжелителя с частицами меньшего размера. При очистке илоотделителем тяжелых растворов 95 % шлама будут составлять крупные частицы, в среде которых будет находиться до 50 % утяжелителя.
Основным современным аппаратом для регулирования содержания и состава твердой фазы в буровых растворах являются центрифуги. Современная центрифуга при нормальном режиме работы обычно обрабатывает до 6-7 л/с бурового раствора.
Центрифуга - высокоэффективный аппарат для разделения суспензий.
Рис. 10.2 Сито-гидроциклонный сепаратор СГС 45/150:
1 - выкидной коллектор; 2 - приемный коллектор; 3 - гидроциклон; 4 - лоток для шлама; 5 - осушающее вибросито; 6 - рама; 7 – вибратор
Однако её конструкция довольно сложна. При высокой частоте вращения, вязкой и абразивной среде наличие сальниковых уплотнений, винтовых питающих насосов требует тщательного ухода. Конструктивное устройство центрифуги с бесступенчатым регулированием скорости вращения ротора показано на рис 10.3
Рис. 10.3 Конструктивное устройство центрифуги:
1 - шнек; 2 - ротор; 3 - кожух; 4 - двигатель привода шнека; 5 - основной приводной двигатель; 6 - рама
10.4 Очистка бурового раствора от газа
Наличие газа в буровом растворе препятствует ведению нормального технологического процесса бурения. Во-первых, вследствие снижения эффективной гидравлической мощности уменьшается механическая скорость бурения, особенно в мягких и средней твердости породах. Во-вторых, в результате снижения эффективной плотности бурового раствора в скважине возможно возникновение газопроявлений. В-третьих, возникает опасность взрыва или отравления ядовитыми и вредными пластовыми газами, например сероводородом.
Попадающий в поток циркулирующего раствора газ приводит к изменению технологических свойств бурового раствора, а также режима промывки скважины. Пузырьки газа препятствуют удалению шлама из раствора, в связи с чем эффективность работы очистного оборудования снижается. Кислые газы (сероводород и углекислый газ) могут привести к снижению рН раствора и вызвать его флокуляцию.
Рис.10.3. Пневмогидравлическая схема дегазатора «Каскад-40»:
1 - вакуум-насос; 2 - ресивер; 3, 19, 20 - клапан; 4 - клапан-разрядник;
5 - камера; 6 - разгрузочная камера; 7 - трубопровод; 8 - шибер;
9 - пластины; 10 - поддон; 11, 12 - клапаны сливные; 13 - регулятор;
14 - рычаг; 15 - золотник; 16 - мембрана; 17 - шток; 18 - пружина;
21, 22 - седла
Особенности конструктивного устройства вакуумных дегазаторов типа ДВС-Ш и «Каскад-40» показаны на рис. 3.4.13.
Вакуумный дегазатор «Каскад-40» представляет собой двухкамерный аппарат циклического действия, оснащенный водо-кольцевым вакуумным насосом типа ВВН-2 с приводом от электродвигателя, системой всасывающих и сливных клапанов и золотниковым устройством для его управления. Остаточное содержание газа в очищенном буровом растворе составляет не более 2 %. Принцип его действия подробно описан в [3], а общий вид показан на рис.3.4.13.
Дегазатор ДВС-Ш по принципу действия несущественно отличается от дегазатора типа «Каскад-40».
Контрольные вопросы:
1. Оборудование для очистки бурового раствора.
2. Вибросито.
3. Гидроциклонные шламоотделители.
4. Центробежные сепараторы (центрифуги).
5. Очистка бурового раствора от газа.
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 208 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| | Список литературы по менеджменту: |