Добик.А.А. Проблемы и перспективы гидроциклонной очистки буровых растворов

Проблемы и перспективы гидроциклонной очистки буровых растворов.

Добик.АА

Известно, что очистка промывочной жидкости от выбуренной породы оказывает большое влияние на эффективность всего процесса строительства скважины, в том числе на расход реагентов, скорость бурения, безопасность работ, экологическую обстановку. Многоступенчатая система очистки растворов является неотъемлемым компонентом современного бурового комплекса. Буровые подрядчики много внимания уделяют вопросам улучшения качества очистки промывочных жидкостей путем оснащения буровых установок надежными и высокопроизводительными техническими средствами (виброситами, гидроциклонными песко- и илоотделителями, центрифугами).

Традиционно в системах очистки растворов основное внимание уделяется виброситам и центрифугам. Гидроциклонные установки (пескоотделители и илоотделители) востребованы недостаточно. Об этом свидетельствует тот факт, что в стандарте Американского нефтяного института 13С, касающегося оценки эффективности систем обработки промывочных жидкостей, виброситам посвящено более 20 страниц, тогда как пескоотделителям и илоотделителям — менее 2. Между тем вибросита являются, в сущности, лишь средством предварительной очистки буровых растворов перед их подачей на более глубокую очистку в гидроциклонных шламоотделителях. Как правило, вибросита удаляют не более 25% от общего объема выбуренной породы. Следует отметить, что и центрифуги выводят из раствора небольшое количество породы, если эффективно работают пескоотделитель и илоотделитель.

Недостаточное внимание специалистов к пескоотделителям и илоотделителям обусловило появление ряда серьезных проблем, возникающих при эксплуатации этих установок, которые годами не решаются ни буровыми подрядчиками, ни поставщиками оборудования.

К числу таких проблем следует отнести несоответствие пропускной способности серийно выпускаемых пескоотделителей требованиям потребителей и характеристикам имеющихся шламовых насосов. Для пояснения сути этой проблемы рассмотрим кривые потребного напора наиболее распространенных пескоотделителей ГЦК-360 и ПГ60/300, совмещенные с напорной характеристикой шламового насоса 6Ш8-2 (рис. 1). Как известно, точка пересечения кривой потребного напора с графиком характеристики насоса является рабочей точкой, определяющей напор и расход при работе насоса и питаемого им устройства [1]. Согласно рис. 1 получаем, что производительность песко-отделителя ГЦК-360 на растворе не достигает 30 л/с, что на 15л/с меньше заявляемой в паспортах.

Пескоотделитель ГЦК-360 пользуется большим спросом, поскольку он, в отличие от ПГ60/300, изготавливается не из полиуретана, а из более износостойких материалов. Несмотря на то что в Западной Сибири пескоотделитель ГЦК-360 широко распространен, пропускная способность пескоотделителя менее 30 л/с, недостаточна, так как значительная часть интервалов ствола в этом районе бурится с подачей буровых насосов 32 — 36 л/с. По этой причине пескоотделитель ГЦК-360 не успевает откачивать раствор из неглубоких промежуточных емкостей циркуляционной системы (ЦСГО), вследствие чего они переполняются и оператор вынужден перебрасывать часть раствора в рабочие емкости без очистки. Подключение же второго пескоотделителя в систему очистки приводит к ускоренному опустошению емкости ЦСГО, что также неудобно и нетехнологично.

Что касается пескоотделителя ПГ60/300, то, согласно рис. 1, один насос 6Ш8-2 развивает недостаточное давление (как правило, менее 0,25 МПа), что отрицательно сказывается на эффективности очистки раствора. Подключение же второго насоса по параллельной схеме приводит к резкому возрастанию давления до величин, также не соответствующих оптимальному режиму.

Другой проблемой, возникающей при эксплуатации гидроциклонных установок на буровых, является потеря части объема промывочной жидкости, сбрасываемой со шламом. Суммарный расход пульпы через насадки пескоотделителя и илоотделителя может достигать 0,5 л/с, что при плотности пульпы 1,45 г/см3 соответствует потере раствора 1,25 м3/час, то есть 125 м3 за 100 час. работы. Решающее значение для минимизации потерь раствора является возможность тонкой регулировки размеров песковых насадок пескоотделителей и илоотделителей с целью снижения расхода пульпы до величины не более 0,1 — 0,2 л/с. Величина отношения расхода суспензии на входе в гидроциклон Q к расходу на песковой насадке qп (расходное отношение) приближенно определяется формулой [2]:

где Рвх — давление на входе в гидроциклон, кг/см2,

D — диаметр гидроциклона,

d — диаметр нагнетательного отверстия гидроциклона,

dп — диаметр отверстия песковой насадки гидроциклона.

Например, для илоотделителя ИГ-45М Q = 42 л/с, Рвх = 3 кг/см2, D = 150 мм, d = 32 мм. При dп = 5 мм получим по приведенной формуле: qп = 0,15 л/с, тогда как при dп = 10 мм получим qп = 1,2 л/с. Из этого следует, что даже незначительное изменение диаметра песковой насадки может привести к существенному изменению потерь раствора.

Однако серийные отечественные пескоотделители и илоотделители имеют ненадежные и трудоемкие устройства для регулирования размера отверстия насадок, что в промысловых условиях исключает возможность подбора оптимального размера.

Поэтому часто с целью снижения потерь раствора песко- и илоотделители устанавливают над виброситом с мелкоячеистой сеткой (не крупнее 250 меш.), что позволяет частично осушать шлам (рис. 2). Испытания на ряде скважин Западносибирского региона показывают, что через сетку 250 — 325 меш. обратно в раствор возвращается от 10 до 70% шлама, поступившего из песковых насадок гидроциклонов. При этом чем меньше механическая скорость бурения, тем больше процент прохода шлама сквозь сетку в циркуляцию. Поэтому правильнее монтировать гидроциклонные шламоотделители не непосредственно на вибросите, а в стороне от него, предусматривая возможность сбрасывать шлам как на сетку вибросита, так и минуя сетку напрямую в отвал в зависимости от плотности и расхода пульпы при бурении в данном интервале. Но такая схема монтажа, к сожалению, практикуется редко, что приводит к существенному снижению эффективности системы очистки.

Очередной проблемой, связанной с гидроциклонными установками, является сравнительно низкая надежность шламовых насосов. Наиболее распространены насосы 6Ш8-2. На буровых используется вариант данного насоса с торцовым беспромывочным уплотнением. Однако долговечность резинового уплотнительного элемента этого насоса также невелика (обычно не более 100 час.), а замена уплотнительного элемента требует демонтажа и почти полной разборки насоса, что увеличивает простои. Более надежные и удобные в эксплуатации, оснащенные эффективными сальниковыми уплотнениями американские насосы редко встречаются на буровых из-за их крайне высокой стоимости.

Следует отметить, что перечисленные проблемы нередко парализуют работу гидроциклонных установок, приводят к зашламлению раствора и перегрузке дорогостоящих центрифуг.

Для решения обозначенных проблем необходимы реконструкция песковых насадок серийных гидроциклонов и корректировка геометрии проточной части гидроциклона ГЦК-360, а также реконструкция узла уплотнения вала насоса 6Ш8-2. Эти мероприятия могут быть проведены как на производственной базе поставщиков оборудования, так и силами самих потребителей. При необходимости соответствующие рекомендации и сервисные услуги можно получить в ОАО НПО «Бурение».

Литература

1. Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы // М., Машиностроение. 1982. С. 423.

2. И.Г. Терновский, А.М. Кутепов. Гидроциклонирование // М., Наука. 1994. С. 350.