Исследование и разработка техники и технологии регулирования свойств буровых промывочных жидкостей с использованием центрифуг

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Открытое акционерное общество

Научно-производственное объединение «Бурение»

(ОАО НПО "Бурение")

Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (по нефтяной и газовой промышленности)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Исследование и разработка техники и технологии регулирования свойств буровых промывочных жидкостей с использованием центрифуг

Добик Александр Александрович

Краснодар 2008



Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Научно-производственное объединение «Бурение» (ОАО НПО «Бурение»)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Берлин М.А.

доктор технических наук, профессор Кунина П.С.

доктор технических наук Долгов С.В.

Ведущая организация: ООО Производственно-научная компания «Буртехмаш»

Защита состоится ______________________________ на заседании диссертационного совета Д.222.019.01 при ОАО НПО «Бурение» по адресу: 350063, г.Краснодар, ул. Мира 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Бурение»

Автореферат разослан « ______ » _______________ 200 ___ г.

Ученый секретарь диссертационного совета Л.И. Рябова



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Оборудование для поддержания заданных свойств промывочных жидкостей в процессе бурения является важнейшим элементом бурового комплекса, эффективная работа этого оборудования существенно влияет на технико-экономические показатели процесса строительства скважины. В то же время существующие агрегаты для регулирования свойств буровых растворов недостаточно эффективны, в особенности из-за плохой очистки промывочной жидкости от выбуренной породы. Отечественной и зарубежной промысловой практикой установлено, что повышению степени очистки, а также улучшению процесса регулирования состава и свойств буровых растворов способствуют шнековые осадительные центрифуги.

Центрифуги обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими средствами очистки. Они удаляют более мелкие частицы выбуренной породы по сравнению с илоотделителями. Шлам, выгружаемый из центрифуг, имеет минимальное содержание жидкости. Поэтому при работе центрифуг значительно возрастает степень очистки раствора при заметном снижении потерь. Центрифуги многофункциональны, то есть могут использоваться на различных операциях, в том числе в процессе регенерации утяжелителей буровых растворов, для сгущения пульпы гидроциклонов, осушки шламовых амбаров и т.п.

Однако, в течение длительного времени эти машины не использовались отечественными буровыми предприятиями. Важнейшим фактором, препятствовавшим внедрению в практику отечественного бурения работоспособных систем регулирования свойств промывочных жидкостей с использованием шнековых осадительных центрифуг, являлась слабая методическая и техническая база развития данного направления технологии промывки скважин. Следует отметить, что и после широкого внедрения центрифуг в отечественном бурении, произошедшего в начале 2000-х годов, наблюдается недостаточно эффективное использование центрифуг. Дорогостоящие установки нередко простаивают или работают с низкой отдачей.

Таким образом, исследования и разработки в области техники и технологии регулирования свойств буровых промывочных жидкостей с использованием центрифуг являются актуальными.

Цель работы.

Создать научно-методические основы проектирования техники и технологии регулирования свойств буровых растворов с использованием шнековых осадительных центрифуг и обеспечить широкое и эффективное применение центрифуг в практике бурения.

Основные задачи работы

Изучить современное состояние техники и технологии регулирования свойств буровых промывочных жидкостей, проанализировать существующие достижения в области применения шнековых осадительных центрифуг для обработки буровых растворов.

Разработать методику прогнозирования фракционного состава твердой фазы буровых растворов.

Разработать методику расчета технологических параметров шнековых осадительных центрифуг применительно к условиям обработки буровых промывочных жидкостей.

Изучить пути выбора рационального типоразмера специализированной шнековой осадительной центрифуги для обработки буровых растворов.

Разработать эффективные технические средства технологической обвязки шнековых осадительных центрифуг, в том числе создать надежные насосы для подачи бурового раствора в центрифугу.

Разработать, классифицировать и испытать технологические схемы регулирования свойств буровых растворов с использованием шнековых центрифуг. Разработать рекомендации по рациональному взаимодействию центрифуг с другими средствами очистки.

Организовать серийное производство и обеспечить внедрение шнековых осадительных центрифуг и агрегатов на их основе на буровых предприятиях. Оценить эффективность центрифуг данного типа в различных геолого-технических условиях.

Экспериментально изучить возможности применения фильтрующих центрифуг для очистки буровых растворов.

Методика исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований на моделях, опытных образцах в стендовых и полевых условиях. Теоретические положения проверены сравнением с опытными данными, как самого автора, так и данными, опубликованными в печати. Достоверность результатов исследований подтверждена статистической обработкой результатов экспериментов при уровнях значимости, достаточных в технических приложениях.

Научная новизна.

Разработана новая методика прогнозирования распределения размеров частиц твердой фазы буровых промывочных жидкостей.

Предложен новый методический подход к расчету очистной способности шнековых осадительных центрифуг применительно к условиям обработки буровых промывочных жидкостей, на основе которого разработаны расчетные соотношения, позволяющие проводить вычисление пофракционной очистной способности центрифуги.

Предложена методика оценки очистной способности центрифуги в полевых условиях с использованием стандартных средств измерения плотности промывочной жидкости.

Установлено, что при выборе типоразмера осадительной центрифуги следует обеспечивать рациональное соотношение между габаритами коренных подшипников и диаметром ротора. На этой основе выполнен научно обоснованный выбор типоразмера шнековой осадительной центрифуги, в наибольшей степени отвечающей условиям бурения.

Разработана новая методика расчета момента на шнеке центрифуги. Показано, что увеличение заходности шнека нецелесообразно как с точки зрения очистной способности, так и в связи с возрастанием расчетного момента на шнеке.

Разработана новая методика оценки транспортируемости шлама в роторе шнековой центрифуги.

Выполнена классификация технологических схем обработки буровых промывочных жидкостей осадительными центрифугами. Впервые расчетным путем и на практике проанализирована эффективность использования различных схем обработки буровых растворов центрифугами, в том числе во взаимодействии с виброситами и гидроциклонными шламоотделителями.

Предложены новые кинематические схемы вибросит, в наилучшей степени отвечающие условиям бурения и функционирования системы очистки с участием центрифуг.

Впервые показана возможность использования в системах регулирования свойств буровых промывочных жидкостей фильтрующих центрифуг непрерывного действия.

Практическая ценность

Спроектированы и внедрены в промышленности комплектные агрегаты для обработки буровых растворов шнековыми центрифугами.

Предложены и реализованы эффективные технические решения при конструировании шнековой осадительной центрифуги для обработки буровых растворов.

Разработаны надежные конструкции насосов для подачи бурового раствора в центрифуги.

Разработаны и внедрены новые эффективные технологические схемы обработки буровых растворов с использованием шнековых осадительных центрифуг. Систематизированы существующие технологические схемы.

Разработаны новые надежные устройства технологической обвязки центрифуг.

Реализация работы в промышленности

Организовано серийное производство комплектных агрегатов для обработки буровых растворов шнековыми осадительными центрифугами.

Организовано производство полупогружных бессальниковых центробежных насосов, в том числе для подачи растворов в центрифуги.

Внедрены новые технологические схемы очистки буровых растворов.

Разработан и внедрен руководящий документ РД 39 Р.5799424-0001-89, включающий разработку системы очистки известково-битумного утяжеленного раствора двумя центрифугами.

Разработана программа расчета компонентного состава буровых растворов с учетом применения центрифуги в системе регулирования свойств буровых растворов.

Агрегаты для регулирования свойств растворов с использованием шнековых центрифуг, разработанные автором, успешно эксплуатируются различными буровыми предприятиями, в том числе ОАО Краснодарнефтегаз-Бурение, ОАО Сургутнефтегаз, НК Башнефть и др.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на различных совещаниях, семинарах, конференциях, заседаниях, в том числе на Всесоюзном семинаре Академии наук «Теоретические основы химической технологии» (Москва, 1981), на Всесоюзном совещании по технологии промывки скважин (Краснодар, 1985), на Всесоюзном семинаре по совершенствованию техники и технологии очистки буровых растворов (Краснодар, 1986), на заседании межведомственной комиссии по проведению приемочных испытаний опытного образца глиноотделителя на базе центрифуги (Москва, 1989), на Техническом совете ВНИИНефтемаша (Москва, 1989), на техническом совете Сумского МНПО им. Фрунзе (Сумы, 1991), на координационных совещаниях ВНИИКРнефти, (Дивноморск, 1989, 1990), на межотраслевых научно-практических конференциях ОАО НПО «Бурение» (Анапа, 2000-2007) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 34 научные работы, в том числе 8 авторских свидетельств и патентов. Из них 8 работ включены в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 7 разделов, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 381 странице, включает 72 рисунка и 12 таблиц.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика диссертационной работы.

Раздел 1. Анализ современного состояния техники и технологии регулирования свойств промывочных жидкостей в процессе бурения скважин.

Для исключения неконтролируемого изменения параметров промывочной жидкости в процессе углубления скважин проводится комплекс мероприятий, направленных на поддержание свойств промывочной жидкости в заданных пределах. Важнейшую роль среди этих мероприятий играет регулирование содержания и состава твердой фазы буровых растворов, в том числе механическая очистка промывочной жидкости от выбуренной породы. Стандартная трехступенчатая система очистки неутяжеленных растворов включает последовательно работающие вибросито грубой очистки раствора, гидроциклонный пескоотделитель промежуточной очистки раствора и гидроциклонный илоотделитель тонкой очистки раствора. Трехступенчатая система удаляет недостаточное количество выбуренной породы (не более 50-60 %), допускает большие потери раствора, ненадежна в работе. На утяжеленном растворе используется только вибросито.

Компенсация недостатков трехступенчатой системы очистки возможна с помощью центрифуг, которые способны удалять из промывочной жидкости частицы более мелкие, чем трехступенчатая система, с минимальными потерями раствора.

В зарубежной буровой практике c 1950-х годов широко распространены шнековые осадительные центрифуги. Шнековая осадительная центрифуга (рис. 1) состоит из горизонтального ротора с цилиндрическим 1 и коническим 2 участками, шнека 3, шламоприемника 4 и приемника фугата 5. Ротор имеет цапфы 6 и 7, посредством которых он установлен в коренных подшипниках 8 и 9. Шнек 3 установлен внутри ротора с возможностью вращения в подшипниках 10 и 11. Ротор приводится во вращение от электродвигателя посредством приводного шкива 12. Вал шнека соединен с ведомым валом планетарного редуктора 13, закрепленного на роторе с помощью фланца. Корпус редуктора 13 вращается вместе с ротором. Ведущий вал планетарного редуктора неподвижен и удерживается от вращения рычагом 14, установленным на ведущем валу. Рычаг 14 опирается на упор 15, опрокидывающийся и освобождающий рычаг 14 при перегрузке.

Рисунок 1 - Устройство шнековой центрифуги

Работает центрифуга следующим образом. По неподвижной питающей трубе, проходящей внутри шнека, исходный буровой раствор через загрузочные окна 16 поступает в ротор центрифуги в точке соединения конического 2 и цилиндрического 1 участков. В роторе раствор течет от окон 16 к сливным отверстиям 17. При этом частицы выбуренной породы или утяжелителя под действием центробежной силы оседают на стенки ротора, а освободившаяся от частиц жидкость (фугат) сливается через отверстия 17 в приемник фугата 5. Так как шнек 3 вращается относительно ротора, то шнек транспортирует осевшие частицы к узкому концу ротора на выгрузку.

Поставку шнековых центрифуг буровым компаниям в течение многих лет осуществляет ряд известных зарубежных фирм. При использовании в качестве четвертой ступени очистки неутяжеленных буровых растворов центрифуги обычно обеспечивают заметное повышение очистной способности системы очистки. Кроме того, центрифуги применяются для сгущения пульпы гидроциклонных шламоотделителей, а также для регенерации утяжелителей, двухступенчатой очистки утяжеленных буровых растворов от выбуренной породы, обезвоживания содержимого шламовых амбаров.

Однако импортные центрифуги дороги, тогда как более дешевая отечественная шнековая осадительная центрифуга, адаптированная к условиям бурения, долгое время не разрабатывалась. Не изучался вопрос выбора рационального типоразмера шнековой центрифуги для нужд бурения. Выбор наиболее подходящей схемы использования центрифуг в конкретных геолого-технических условиях затруднялся отсутствием методики расчета основных параметров центрифуги: очистной способности и степени очистки бурового раствора при данной механической скорости бурения.

Существующие методики расчета сепарационного оборудования, в том числе центрифуг, ориентированы на вычисление граничного зерна разделения, тогда как для буровой практики значительно важнее уметь прогнозировать пофракционную очистную способность. Помимо этого в теории и методике расчета шнековых центрифуг для буровых растворов имеется еще целый ряд пробелов, в частности, нет эффективной методики прогнозирования гранулометрического состава твердой фазы буровых растворов, поступающих на очистку в центрифуге. Существующие формулы расчета нагрузочных характеристик шнека не соответствуют данным эксперимента. Не установлены причины наблюдаемого иногда нарушения процесса транспортирования шлама в роторе центрифуги. Многочисленные технологические схемы обработки буровых растворов центрифугами не классифицированы и не анализировались на предмет их сравнительной эффективности. Не исследовано взаимодействие центрифуг с другими средствами очистки.

Эксплуатация импортного оборудования показала, что принятая за рубежом технологическая обвязка центрифуг во многих районах бурения ненадежна, в частности, дороги и не надежны винтовые насосы для подачи раствора в центрифуги. Отсутствует устройство для ввода в циркуляцию пульпы утяжелителя, отделяемой в центрифуге при регенерации. Не определены требования к системе регулирования раствора на входе в центрифугу. Не проработаны вопросы монтажеспособности и эксплуатационной надежности комплектных агрегатов на базе центрифуг.

Недостаточно изучалась проблема применения в бурении других типов центрифуг, в частности, фильтрующих центрифуг непрерывного действия.

Раздел 2. Расчет технологических параметров шнековой осадительной центрифуги при работе на буровых растворах.

Разработана методика прогнозирования гранулометрического состава твердой фазы буровых растворов. Для неутяжеленных растворов функцию плотности распределения размеров частиц твердой фазы бурового раствора на устье скважины впервые предлагается определять по формуле:

,%/мкм, (1)

где с1, с2 - содержание в твердой фазе частиц выбуренных в данном цикле промывки (частицы 1 группы) и частиц, длительно циркулирующих в скважине (частицы 2 группы), соответственно, - функция распределения размеров частиц 1 и 2 группы, соответственно, %/мкм.

Функции распределения f1(д) и f2(д), а также функции распределения размеров частиц утяжелителей предложено определять по формуле логарифмически нормального распределения в виде



, %/мкм, (2)

где д - эквивалентный диаметр частиц, мкм, у - среднее квадратичное отклонение логарифма эквивалентного диаметра, д50 - средний эквивалентный диаметр частиц, мкм.

Получены новые соотношения для определения параметров распределения:

, (3)

, (4)

где дmax , дmin - наибольший и наименьший эквивалентные диаметры частиц, соответственно, мкм.

Для частиц 1 группы рекомендуется известная формула:

дmax =(0,0037+0,034Dд).106, мкм (5)

где Dд - диаметр долота, м,

а также вновь выведенное соотношение:

, мкм, (6)

где е - удельная поверхностная энергия разрушаемой породы, Дж/м2, Рос - осевая нагрузка на долото, Н, рд - перепад давления на долоте, Па.

Здесь , Дж/м2, (7)

где - средняя твердость по Моосу минералов, слагающих разбуриваемую породу.

Для частиц 2 группы автором рекомендуется:

дmax = ДВ, мкм, (8)

дmin ? 0,01 мкм, (9)

где ДВ - размер ячеек сетки вибросита, мкм.

Для утяжелителей по результатам обработки опытных данных автором рекомендуется принимать для усредненных условий д50у ? 16 мкм, уу = 0,27.

Вероятность соответствия расчетных распределений теоретическим по ч2-критерию превышает 90-95%, доверительный интервал, как правило, не превышает ±10% при доверительной вероятности 95%.

Предложен новый методический подход к расчету процесса осаждения частиц твердой фазы в потоке бурового раствора в роторе шнековой центрифуги. Очистная способность центрифуги - это отношение объема твердой фазы, удаляемой центрифугой из раствора, к объему твердой фазы в растворе до поступления в центрифугу. Благодаря особенностям течения раствора в роторе центрифуги (структурный режим течения) очистную способность центрифуги ц по частицам диаметром д впервые удалось определить непосредственно из выведенной автором формулы:

(10)

где L, D,, - длина, м, диаметр, м, и частота вращения, об/мин, ротора центрифуги, соответственно, Q - производительность центрифуги, м3/с, - пластическая вязкость промывочной жидкости, Пас, 0 - динамическое напряжение сдвига промывочной жидкости, Па, - разность плотностей твердой и жидкой фаз раствора, кг/м3.

Если распределение размеров частиц задано в дискретной форме, то суммарную очистную способность автором предложено вычислять по формуле:

, (11)

цi - очистная способность центрифуги по частицам i-ой фракции, вычисляемая по формуле (10), сi - концентрация частиц i-ой фракции в общем объеме твердой фазы, n - число фракций.

Если известна непрерывная функция распределения fУ(д), то суммарную очистную способность автором предложено определять по формуле:

, (12)

где дБ, дМ - наибольший и наименьший эквивалентные диаметры частиц твердой фазы, поступающие в центрифугу с буровым раствором, мкм, k - коэффициент, k = 0 при ц 0, k = 1при 0 ц ? 1, k = 1/ц при ц >1. В развернутом виде:

, (13)

где k = 0 при 10-6< 0,

k = 1 при 0 ? 10-6 ? 1,

k = 1/10-6 при

10-6 > 1,

индекс 1 относится к параметрам распределения частиц 1 группы, индекс 2 относится к параметрам распределения частиц 2 группы.

Аналогично впервые предложено определять потери утяжелителя при работе шнековой центрифуги в режиме регенерации:

, %, (14)

где д50у, уу - параметры распределения размеров частиц утяжелителя, дБу, дМу - наибольший и наименьший размеры частиц утяжелителя, дБу ? 100 мкм, дМу ? 0,01 мкм, Дсу - разность плотностей утяжелителя и жидкой фазы раствора, кг/м3.

Отклонения экспериментальных значений укладываются в доверительный интервал ±4-5% при доверительной вероятности 95%. При этом экспериментальные значения очистной способности центрифуги и потерь утяжелителя при регенерации утяжелителя впервые предложено определять по приближенным формулам:

, (15)

где с, ссл, ств, сж - плотности исходного раствора, раствора на выходе, твердой фазы и жидкой фазы раствора, соответственно, кг/м3,

, %, (16)

где спу - плотность пульпы утяжелителя на выходе из центрифуги, кг/м3.

При проектных расчетах спу ? 3000 кг/м3, ств ? 2600 кг/м3. Величины с, ссл, сж - легко измеримые в полевых условиях параметры.

Раздел 3. Разработка шнековой осадительной центрифуги, адаптированной к условиям бурения.

Как следует из уравнений (13) и (14), эффективность центрифуги возрастает с увеличением диаметра и частоты вращения ротора. Однако увеличение этих параметров ограничено конструктивно - частота вращения ротора не должна превышать предельную частоту вращения nпр подшипников, которая тем меньше, чем больше диаметр ротора по эмпирической формуле

nпр = (700…875)/D, 1/с. (17)



Таким образом, существует задача выбора рационального соотношения между диаметром D и частотой вращения n ротора, при которых достигается наибольшая эффективность центрифуги. Для определения такого соотношения по неутяжеленным растворам впервые использовано понятие параметра эффективности цУ . Q, который, с учетом представленных выше соотношений, равен:

, л/с. (18)

Зависимости параметра эффективности от D при различной производительности центрифуги, рассчитанные по уравнению (18) при усредненных значениях параметров распределения размеров частиц твердой фазы дБ = 70 мкм, дМ = 0,01 мкм, с1 = 0,15, с2 =0,85, д501 = 50 мкм, у1 =0,75, д502 = 2 мкм, у2 =0,75, Дс = 1500 кг/м3, з = 0,02 Па.с, представлены на рис.2. Как видим, параметр эффективности имеет максимум при D ? 0,5 м. Изменения числовых значений уравнения (18) показывают, что максимум кривых близок к абсциссе D ? 0,5 м с тенденцией снижения соответствующего максимуму кривых диаметра при возрастании напряжения сдвига бурового раствора. Исходя из минимальных габаритов центрифуги, для условий бурения рекомендован диаметр D = 0,5 м, которому по формуле (17) соответствует предельная частота вращения подшипников 1400-1750 об/мин. Как видно из рис.2, применение крупногабаритных центрифуг с диаметром ротора более 0,5 м (и меньшей частотой вращения) нецелесообразно, так как это ведет к незначительному росту параметра эффективности или даже к его падению.

Для утяжеленных растворов максимум эффективности, определенный из аналогичных соотношений, также достигается приблизительно при D = 0,5 м.

Производительность центрифуги ограничена максимальной пропускной способностью ротора, которая задается разностью радиусов

Производительность центрифуги:1 - 10л/с, 2 - 7л/с, 3 - 4л/с 4 - 2 л/с, ₀=5 Па; _Б=70 мкм

Рисунок. 2 - Зависимость параметра эффективности центрифуги от диаметра ротора



узкого конца ротора и переливного борта, препятствующей выходу жидкости в шламовый патрубок центрифуги. Эта разность радиусов определяется конструктивно и составляет несколько сантиметров. Для ротора диаметром 0,5 м напор, потребный для течения раствора в нем, также составляет величину в несколько сантиметров при Q < 6…7 л/с, что и является пределом производительности.

Момент сопротивления вращению шнека предлагается определять по новым формулам:

для цилиндрического участка

, Нм, (19)

для конического участка:

, Нм. (20)

где hц, hк - высота валика шлама на цилиндрическом и коническом участках ротора центрифуги, м, R - радиус внутренней поверхности цилиндрической части обечайки ротора, м; шл, - плотность шлама и раствора, кг/м3, f - коэффициент трения шлама о рабочую поверхность витка шнека, Lц, Lк - длина цилиндрического и конического участков ротора, м, t - шаг шнека, м, z - число заходов шнека, Rк - средний радиус внутренней поверхности обечайки ротора на коническом участке, м, b - ширина витков шнека, м.

Величина hц вычисляется по формуле:



, м. (21)

Величина hк вычисляется по формуле:

, м, (22)

где fвн - коэффициент внутреннего трения шлама, образующегося в роторе центрифуги, n - разность частот вращения ротора и шнека, об/мин.

Суммарный момент: , Нм. (23)

Установлено, что коэффициент трения шлама по стали составляет величину f = 0,4-0,5, коэффициент внутреннего трения fвн = 0,3-0,4, плотность шлама при работе на утяжеленных растворах составляет 2700-2900 кг/м3, на неутяжеленных растворах 1900-2000 кг/м3. При условии нормальной работы центрифуги эти параметры изменяются незначительно.

Экспериментальные данные по моменту на шнеке укладываются в доверительный интервал в пределах10-20% от расчетных значений момента при доверительной вероятности 95%.

Отличие новых формул от известных состоит в учете сопротивления трения по торцовым поверхностям витков шнека. В этом случае расчетная величина М возрастает при увеличении числа заходов, что видно из рис.3. Известные формулы других авторов не соответствуют этим экспериментальным данным.

Конструирование специализированной шнековой осадительной центрифуги для буровых растворов осуществлялось в соответствии с разработанными выше рекомендациями по рациональному соотношению между диаметром ротора и его частотой вращения. Новая центрифуга, в отличие от ранее выпускавшихся для химической промышленности, имеет однозаходный шнек, пониженное передаточное число редуктора при более высоком расчетном моменте 600 кГм, обеспечивающем нормальную работу как на неутяжеленных, так и на утяжеленных растворах.

Раздел 4. Разработка технологической обвязки центрифуг для условий бурения.

С целью обеспечения насосами серийного выпуска специализированной центрифуги для буровых растворов автором был проведен комплекс конструкторских работ, а также стендовых и промысловых испытаний насосов различных типов с целью выбора рациональной конструкции. Были исследованы диафрагменные растворонасосы, осевой шнековый насос и различные варианты центробежных насосов. Наилучшие результаты получены при использовании разработанного автором центробежного полупогружного бессальникового насоса, основные элементы которого изображены на рис.4. Насос состоит из проточной части, включающей рабочее колесо и корпус со вкладышами, подшипникового узла с валом и переходником, рамы, электродвигателя, лепестковой муфты. Работает насос следующим образом. При погружении проточной части и переходника в подлежащую перекачиванию жидкость с уровнем, указанным на рисунке 4, жидкость самотеком через окна в переходнике поступает в проточную часть, откуда под действием быстровращающегося рабочего колеса нагнетается в трубопровод, и далее поступает в напорную линию.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 4 - Насос полупогружной бессальниковый

Насос бессальниковый и в регулировке сальникового узла не нуждается, что и является основным отличием насоса от известных. Насос данной конструкции под маркой ПН выпускается серийно как в качестве комплектующего для блоков очистки на базе центрифуги, так и отдельным изделием.

На выкиде насоса устанавливается регулирующий дроссель. Эксперименты с различными конструкциями показали, что наилучшая характеристика у шарового крана, который меньше, чем пробковые краны или вентили подвержен засорению. Кроме того, на входе в погружной насос устанавливается фильтр. Разработано и испытано специальное переливное байпасное устройство, которое устанавливается на загрузочную трубу центрифуги и обеспечивает нормальную работу питающей линии центрифуги. Кран используется только для грубой регулировки. Спроектирована рама определенной конфигурации, позволяющая быстро монтировать на нее как саму центрифугу, так и съемный лоток для шлама. Конструкция рамы обеспечивает установку лотка как вдоль, так и поперек оси центрифуги, и, таким образом, позволяет выводить шлам из центрифуги в любом направлении.

При работе на утяжеленном растворе в режиме регенерации утяжелителя необходимо непрерывно смешивать пульпу утяжелителя с циркулирующим раствором. Эксперименты показывают, что пульпа утяжелителя поступает из центрифуги в виде крупных липких комьев, не размешиваемых в растворе стандартными механическими перемешивателями. Опытным путем подобрана специальная конструкция быстроходного перемешивателя, который немедленно по поступлении комьев утяжелителя в поток раствора, движущегося в желобе емкостей циркуляционной системы, разбивает комья крыльчаткой и смешивает их с раствором.

Описанные устройства объединены в единую систему, совокупность технических признаков которой позволила получить новый эффект, защищенный патентом на установку для регенерации утяжелителя буровых растворов (пат. РФ №1764343). С использованием данных устройств разработаны серийно выпускаемые комплектные агрегаты для обработки буровых растворов на базе центрифуги. Один из вариантов агрегата представлен на рис. 5.

Рассмотрены основные принципы размещения центрифуг на стационарных и мобильных циркуляционных системах буровых установок различных классов.

Раздел 5. Повышение эффективности систем регулирования свойств промывочных жидкостей за счет использования центрифуг.

В порядке обобщения известных схем очистки впервые разработана классификация технологических схем обработки буровых растворов центрифугами. Классификация схематически изображена на рис.6. Разработанная классификация позволяет более обоснованно выбирать необходимую схему очистки из большого количества предлагаемых и систематизировать процесс проектирования циркуляционной системы.

В соответствии с представленной классификацией на неутяжеленных растворах центрифуги обычно используют в качестве четвертой ступени очистки, когда часть очищенного раствора из песко- или илоотделителя направляется в одну или несколько центрифуг. По этой

схеме шлам сбрасывается в отвал, а очищенный в центрифуге раствор возвращается в циркуляцию. Если для очистки неутяжеленных растворов используются высокоэффективные шламоотделители с гидроциклонами малого диаметра, рекомендуется с помощью центрифуг либо сгущать пульпу гидроциклонов, либо, если пульпа до этого уже сгущается на мелкоячеистых ситах, очищать подситовую жидкость перед возвращением ее в циркуляцию.

На утяжеленных растворах центрифуги используют, в основном, при разбуривании мощных глинистых отложений с интенсивной наработкой раствора. Перед сбросом в отвал загрязненного выбуренной глиной утяжеленного раствора, его пропускают через центрифугу,

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

где промывочная жидкость разделяется на концентрат утяжелителя и насыщенный глиной легкий раствор. Легкий раствор удаляют с буровой, а концентрат возвращают в циркуляцию. Взамен сброшенного раствора вводят чистые разбавители. Таким образом, предотвращается сброс в отвал дорогостоящего утяжелителя, и одновременно снижается вязкость раствора. Операцию отделения утяжелителя от загрязненного раствора с возвратом концентрата в циркуляцию называют регенерацией утяжелителя. Желательно очищать от глинистых частиц раствор, освобожденный в центрифуге от утяжелителя, с возвратом очищенной жидкости в циркуляционную систему и сбросом в отвал глины. Этот процесс осуществляется во второй, более скоростной центрифуге. Схема двухступенчатой очистки утяжеленных растворов центрифугами имеет ряд разновидностей. Например, центрифуги могут использоваться, как и в случае неутяжеленных растворов, для двухступенчатой очистки подситовой жидкости ситогидроциклонного сепаратора.

Автором предложена новая формула для усредненной оценки эффективности шнековой осадительной центрифуги при использовании ее на неутяжеленном буровом растворе в качестве четвертой ступени очистки:

, %, (24)

где ец - степень очитки раствора центрифугой, %,

ств - объемное содержание твердой фазы в буровом растворе,

Vмex - объем породы, выбуриваемой долотом в единицу времени, м3/с,

QН - подача буровых насосов, м3/с,

k = 0 при 0,0056(0,45 д2 -1,67 д) < 0,

k = 1 при 0 ? 0,0056(0,45 д2 -1,67 д) ? 1,

k = 1/0,0056(0,45 д2 -1,67 д) при 0,0056(0,45 д2 -1,67 д) > 1.

Результаты расчета по формуле (24) существенно зависят от величины дБ, которая определяется эффективностью работы песко- и илоотделителей. Расчеты по формуле (24) показывают, что степень очистки раствора центрифугой более 20%, достаточная для компенсации недостатков трехступенчатой системы, достижима не всегда. При высоких скоростях бурения для промывочных жидкостей с малым содержанием твердой фазы степень очистки может оказаться ниже 20%. Например, при бурении на растворе с ств = 0,05 при эффективной работе гидроциклонных шламоотделителей, степень очистки раствора центрифугой превышает 20% только при Vмex < 0,15 дм3/с, что для долота диаметром Dд =0,2159 м соответствует механической скорости менее 10-15 м/час. В то же время, несмотря на относительно низкую производительность центрифуги по промывочной жидкости, расчетная степень очистки центрифугой в ряде случаев достигает 50%, особенно на сильно зашламленных буровых растворах и при неудовлетворительной работе трехступенчатой очистки.

Учитывая, что для отечественных буровых характерна именно последняя ситуация, применение центрифуг в качестве четвертой ступени очистки оказывается достаточно эффективным даже при производительности меньше 7л/с, что подтверждают данные, приведенные в табл.1, полученные по результатам авторского надзора за внедрением центрифуг ОГШ-50 на буровых предприятиях в различных районах бурения. По зарубежным данным на неутяжеленных растворах применение центрифуг выгодно при высоких затратах на

захоронение отходов бурения и при дефиците воды. Известны случаи, когда применение центрифуг даже по сравнению с относительно

эффективными илоотделителями позволяло экономить до 140 тыс. долл. на одну скважину.

В последнее время с целью снижения потерь раствора широко распространилась схема сброса пульпы гидроциклонов на мелкоячеистую сетку вибросита. На сетке происходит отделение части раствора от шлама и шлам сбрасывается в отвал с гораздо меньшим содержанием раствора - менее 55%. Преимуществом центрифуг является то, что если этот шлам вместо вибросита сгущать на центрифуге,

Таблица 1 - Степень очистки буровых растворов центрифугами при бурении скважин в Краснодарском крае и в Западной Сибири.

Скважина	Забой, м	Производительность центрифуги, л/с	Степеньочистки, %
№3 Черноерковская	240 350 645 645	5,2 3,9 4,4 2,8	56 34 38 33
№2 Варавенская	100 710	2,5 2,0	50 26
№113 Холмская	200	5,0	43
№3 Зап.-Могутлорское м-ние	-	4,2	44
№9 Конитлорское м-ние	1200	4,5	31
№17 Конитлорское м-ние	2600	5,0	18

то содержание раствора в сбрасываемом объеме снизится до 35% и менее. Кроме того, сгущение шлама на вибросите имеет существенный недостаток: часть твердой фазы нижнего слива гидроциклонов проваливается через сетку вибросита. Эта часть достигает иногда 70%. На центрифуге этого недостатка нет - впервые показано, что все частицы, отделенные в гидроциклонах, будут выведены в отвал, так как центробежное поле центрифуг более значительно по сравнению с гидроциклонами.

Препятствием использованию центрифуг по схеме сгущения пульпы гидроциклонов является значительная нагрузка на центрифугу по грубодисперсному шламу и повышенный износ рабочих органов дорогостоящей установки. Расчет, впервые проведенный автором, показал, что расход нижнего слива гидроциклонов может превысить возможности центрифуги и требуется тщательный контроль за диаметром песковых насадок гидроциклонов. По этим причинам сгущение пульпы гидроциклонных установок на центрифуге производится редко, обычно при использовании дорогостоящих или экологически опасных буровых растворов (например, растворов на нефтяной основе). Указанные недостатки схемы сгущения пульпы гидроциклонов центрифугой могут быть значительно ослаблены, если на обработку в центрифугу направлять не саму пульпу гидроциклонов, а, как указывалось выше, жидкость, отделяемую на вибросите при сгущении нижнего слива гидроциклонов. Подситовой раствор содержит значительно меньшее количество грубодисперсных частиц, по сравнению с пульпой гидроциклонов, что позволяет существенно снизить шламовую нагрузку на центрифугу. Другим преимуществом последней схемы является возможность менее тщательно контролировать расход пульпы через насадки гидроциклонов и устанавливать большие диаметры насадок. Впервые показано, что при этом увеличивается степень очистки раствора гидроциклонами.

Анализ пропускной способности серийных вибросит показал, что существующие вибросита не обеспечивают требуемую производительность при обработке нижнего слива гидроциклонов. Предложены новые кинематические схемы вибросит, защищенные патентами, обеспечивающие получение однородного поля эллиптических колебаний, позволяющего получить более высокую производительность при обработке пульпы гидроциклонов.

Из опыта эксплуатации осадительных шнековых центрифуг известно, что текучие шламы с трудом продвигаются шнеком центрифуги по коническому участку ротора к разгрузочному концу. Эти шламы под действием центробежной силы стремятся обратно в цилиндрическую часть ротора и закупоривают межвитковое пространство. Закупоривание межвиткового пространства было выявлено в ряде интервалов в процессе разбуривания пластичных глин Краснодарского края и Западной Сибири. Впервые показано, что заметное ухудшение транспортирования бурового шлама в роторе шнековой центрифуги начинается при падении предельного напряжения сдвига шламовой массы фпр ниже величины, определяемой из соотношения

фпр= ц сшл щ2 h D tgб / 4, (25)

где ц - коэффициент заполнения канала, сшл - плотность шламовой массы, щ - угловая скорость вращения ротора, h - расстояние от уровня жидкости в роторе до переливного края узкого конца, D -средний диаметр вращения шлама, б - угол наклона винтового канала к эквипотенциальным линиям центробежного поля.

Показано, что для центрифуги ОГШ-502К-12 фпр = 400-425 Па. Для обеспечения выгрузки текучего шлама с низким значением фпр необходимо обеспечить предельное снижение величины h, то есть повышение уровня жидкости в роторе. Таким путем под руководством автора были выведены из простоя центрифуги в некоторых районах бурения. Расчетным путем впервые показано, что другим способом обеспечения нормальной транспортируемости шлама в роторе шнековой центрифуги является увеличение предельного напряжения сдвига шлама за счет введения в шлам песка. Наилучший способ введения песка в глинистые шламы центрифуг - это подача в ротор центрифуги вместе с очищаемым буровым раствором пульпы гидроциклонных шламоотделителей.

Потребной производительностью центрифуги, работающей в режиме регенерации утяжелителя, называется производительность, при которой со сбрасываемым в отвал сливом выводится из циркуляции количество твердой фазы, равное объему выбуренной в единицу времени породы. Потребную производительность центрифуги , работающей в режиме регенерации утяжелителя, предложено рассчитывать по формуле:

, м3/с, (26)

где хмex - механическая скорость бурения, м/час, - концентрация выбуренной породы в растворе; при расчетах для некоторых усредненных условий сn ? 0,1.

При небольших механических скоростях (менее 10 м/час) потребная производительность центрифуги по раствору не превышает 1,5-2 л/с.

Если эффективность работы центрифуги в режиме регенерации утяжелителя не вызывает сомнений, то очистка утяжеленного раствора двумя центрифугами с точки зрения экономии средств довольно проблематична из-за высокой стоимости центрифуг и низкой степени очистки раствора на второй центрифуге. Расчет эффективности процесса очистки утяжеленного бурового раствора с помощью двух центрифуг может быть выполнен исходя из следующих соображений.

При удалении из промывочной жидкости утяжелителя на первой центрифуге, вместе с утяжелителем в циркуляцию возвратятся и крупные частицы выбуренной породы. Показано впервые, что после центрифугирования на первой центрифуге плотность распределения размеров частиц выбуренной породы описывается уравнением:

, 1/мкм, (27)

где ц1, цУ1 - очистная способность первой центрифуги, вычисляемая по уравнениям (10) и (13), соответственно,

k1 - коэффициент, k1 = 0 при ц1 < 0, k1 = 1 при 0< ц1 ?1, k1 =1/ц1 при ц1 >1.

Тогда суммарная очистная способность второй центрифуги по сливу первой центрифуги, вычисляемая по формуле (12), составит:

, (28)

где ДВ - размер ячеек вибросита, мкм,

ц2 - пофракционная очистная способность второй центрифуги,

k2 - коэффициент, k2 = 0 при ц2 < 0, k2 = 1 при 0 ? ц2 ? 1, k2 = 1/ц2 при ц2 > 1.

Степень очистки ец2 бурового раствора второй центрифугой предложено вычислить по новой формуле

, % (29)

где b - коэффициент каверзности.

Графики зависимости ец2 от хмex, построенные по формуле (29) при ств = 0,1, Q = 0,7.10-3 м3/с, цУ2 = 0,253, b = 1 для долот диаметром 215,9 мм и 295,3 мм, представлены на рис.7. Как видим, степень очистки утяжеленного раствора двумя центрифугами при небольших скоростях бурения (менее 10 м/ч) может быть довольно высокой. Автором разработаны и внедрены новые схемы очистки растворов. Среди них схема дополнительной очистки раствора в емкостях циркуляционной системы в период перерывов процесса бурения путем создания искусственной циркуляции через доливную емкость. Также внедрена схема снижения плотности утяжеленного раствора в процессе бурения с накоплением утяжелителя в промежуточной емкости. Потребность в последней операции наиболее вероятна при недостаточно надежных данных о величинах пластовых давлений в тех или иных интервалах.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработана на уровне изобретения и испытана схема двухступенчатой очистки утяжеленного известково-битумного бурового раствора центрифугами, включающая регулирование плотности возвращаемой в циркуляцию смеси пульпы утяжелителя и очищенного во второй центрифуге неутяжеленного раствора.

Разработана с участием автора программа для ЭВМ по проектированию компонентного состава буровых растворов на водной основе, построенная исходя из принципа обеспечения устойчивости ствола скважины. Выбор типа раствора и его компонентного состава осуществляется с учетом работы средств очистки, в том числе центрифуг.

Раздел 6. Внедрение систем регулирования свойств буровых растворов с использованием центрифуг на буровых предприятиях.

Разработка центрифуги и агрегатов на ее основе для обработки буровых промывочных жидкостей первоначально выполнялась по заявке Министерства нефтяной промышленности СССР №390285868 в соответствии с постановлением Совета Министров СССР №369 от 06.05.85 г. Однако, после прекращения в 1989 году централизованного финансирования разработки были продолжены в инициативном порядке. Часть работ была выполнена по договорам между НПО "Бурение" и Сумским МНПО им. Фрунзе №88.574799.40959.88 «Испытания глиноотделителя на базе центрифуги с двухзаходным шнеком с газотермической наплавкой» и №87 от 19.02.90 «Разработка рабочей конструкторской документации на систему питания глиноотделителя на базе центрифуги».

Производство центрифуги, пригодной к использованию в бурении, налажено в начале 90-х годов на Сумском МНПО в рамках серии ОГШ-50, соответствующей ТУ 26-01-388-80. Специализированная центрифуга для буровых растворов обозначена маркой ОГШ-502К-12.

В ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ создан комплектный агрегат, включающий кроме центрифуги также раму, отводной шламовый лоток, устройство для ввода пульпы утяжелителя в циркулирующий раствор, систему загрузки и регулирования раствора на входе в центрифугу, универсальный полупогружной центробежный насос для подачи раствора в центрифугу.

Серийный выпуск комплектных агрегатов для обработки буровых растворов на базе центрифуги организован в НПО «Бурение» с 1994 года. В настоящее время эти установки выпускаются в соответствии с ТУ 3661-319-00147001-2006.

Первые отечественные специализированные центрифуги для очистки буровых растворов внедрены с участием автора в Краснодарском крае. В результате внедрения удалось существенно снизить объемы отходов бурения и получить экономический эффект более 40 млн. руб. в нынешних ценах за счет сокращения расходов на захоронение отходов и на утяжеление растворов.

Достигнуто значительное снижение токсичности отходов. Содержание твердой фазы вывозимых отходов (шлама) возросло с 40-50% до 60-85%, содержание нефти снизилось в 1,5-2 раза, химическое потребление кислорода снизилось с 15-50 до 0,75-1,5 г/л, минерализация - с 1,5-6 г/л до 0,3-0,5 г/л. Следует отметить, что шлам, получаемый на центрифуге, имеет показатели экологичности близкие к допускаемым для безопасного захоронения его в минеральном грунте. В частности, плотность 1,9-2 г/см3, рН менее 8, химическое потребление кислорода 0,5-0,6 г/л, минерализация менее 0,3 г/л.

Проведенные мероприятия позволили решить ряд проблем, связанных с охраной окружающей среды и приступить к бурению в экологически сложном районе восточного побережья Азовского моря. Буровые работы увенчались успехом: открыто несколько нефтяных месторождений. При этом не нанесено сколько-нибудь заметного ущерба природе.

В общем случае эффект от использования центрифуг определяется следующими факторами:

экономия утяжелителя и материалов на 30-40%;

сокращение объема наработки бурового раствора в 2-3 раза;

- сокращение транспортных затрат на вывоз отходов бурения в 2-3 раза;

отсутствие штрафов за нарушение экологии;

- снижение аварийности за счет обеспечения устойчивости стенок скважины в процессе бурения;

- увеличение скоростей бурения и стойкости долот до 40% за счет снижения содержания шлама и регулирования необходимого соотношения глинистой и полимерной коллоидной;

- увеличение дебита скважин за счет бурения на равновесии с расчетной и контролируемой рецептурой бурового раствора.

Практически все эффектообразующие были выявлены в процессе промысловых испытаний. Так экономический расчет, произведенный НПО «Бурение» в 1991 году по 18 ведущим объединениям страны и бывшим объединениям Тюменнефтегаза показал, что применение 4-х ступенчатой очистки снизит наработку раствора в 2-3 раза. Эти данные неоднократно проверены.

В АО «Краснодарнефтегаз» многократно подтверждена экономия барита и химреагентов на 30-40% с помощью использования центрифуг, в 2-3 раза сокращены расходы на вывоз шлама. Установка 4-х ступенчатой системы очистки окупала себя на одной скважине в течение 5-6 месяцев.

Для условий восточного побережья Азовского моря при бурении скважин в интервале до 2000 м, где используются неутяжеленные буровые растворы, очистка буровых растворов осуществлялась виброситами, оснащенными сетками с размером ячеек 0,40,4 0,550,55 мм, гидроциклонным пескоотделителем и центрифугой. При бурении скв. 2 Морозовская, 7, 8 Сладковская и 1 Варавенская с помощью центрифуги удалено 30-34% выбуренной породы, что позволило в 2-3 раза сократить объем избыточного раствора и затраты на вывоз и захоронение отходов бурения.

Улучшение степени очистки бурового раствора позволило в 1,6 раза сократить расход химреагентов, на 40% сократить расход долот и повысить механическую скорость. Экономический эффект, полученный при бурении скважин только на неутяжеленном растворе, составил около 700 тыс. руб. в сопоставимых ценах.

При бурении указанных скважин с применением утяжеленных буровых растворов очистка буровых растворов осуществлялась виброситами, оснащенными мелкоячеистыми сетками, и центрифугой, которая использовалась в режиме регенерации барита. При этом регенерированный барит в виде пульпы плотностью 2,62,8 г/см3 возвращался в буровой раствор и использовался на этой же буровой, а облегченный буровой раствор плотностью 1,121,16 г/см3 собирался в емкости и использовался при ремонте скважин. Использование центрифуги для регенерации барита позволило без предварительного разбавления раствора водой обеспечить извлечение 9095% барита и сократить его расход на 40-45%.

В Западной Сибири первоначально активно использовался мобильный вариант агрегата для очистки раствора на базе центрифуги. Такой агрегат был успешно применен в Новом Уренгое, где бурилось 3 скважины в месяц, начиная с 300м до вскрытия пласта, и непосредственно вскрытие пласта на плотностях 1,06-1,08 г/см3. В ПО «Тюменбургаз» с использованием 4-х ступенчатой очистки произведено вскрытие пластов на 40 скважинах при плотности раствора 1,05-1,07 г/см3 без разбавления раствора водой, что является основным условием повышения дебита скважины.

В последние годы центрифуги получили широкое распространение на буровых предприятиях Западной Сибири, Республики Коми, других нефтегазодобывающих регионах страны. Например, в ОАО «Сургутнефтегаз» еще в начале 2000 годов центрифуги были смонтированы на буровых Р42-66 Управления поисково-разведочных работ, кусте №9 Конитлорского месторождения, на ряде кустов Тянского месторождения, скв. 3 Западно-Могутлорского месторождения и др. В ОАО «Обьнефтегазгеология» под контролем автора центрифуга работала на буровой №51 Западно-Покамасовской площади. В ОАО «Ухтанефтегазгеология» блок очистки на базе центрифуги был смонтирован на скв. 1 Нижнеодесская. Устанавливались центрифуги на скв. 13 ОАО «Печоранефтегеологоразведка», на месторождении Веякшор ЗАО «Северная нефть» и др. Регулярно закупают установки для очистки буровых растворов на базе центрифуги Волгоградский завод буровой техники, ОАО «Башнефть», ЗАО «Арктикнефть» и другие.

В общей сложности при участии автора реализовано и эксплуатируется на буровых предприятиях более 100 комплектных агрегатов на базе центрифуги.

В соответствии с современными тенденциями развития техники, характеризующимися все более широким распространением компьютерных технологий совместно с фирмой «BauLux»(Германия) разработана новая автоматизированная шнековая центрифуга DDF54-222 (см. рис. 8). Выбор типоразмера центрифуги и разработка ее конструкции выполнены согласно рекомендациям, изложенным в гл.3. Центрифуга имеет электронную систему контроля нагрузки на шнек с возможностью регулирования подачи раствора в центрифугу.

При этом возможно программирование установки с целью максимизации выхода шлама (максимальный момент), или с целью поддержания заданного выхода шлама. В настоящее время центрифуга подготовлена к промысловым испытаниям.

Раздел 7. Исследование применимости фильтрующих центрифуг в системах регулирования свойств буровых растворов.

Разработана на уровне изобретений и исследована фильтрующая лопастная центрифуга при работе в режиме очистки бурового раствора. Максимальная удельная производительность центрифуги данного типа в расчете на единицу площади фильтрующей поверхности составила 40…50 м3/м2час, что сравнимо с производительностью вибросит в аналогичных условиях.

...