Гидравлические методы очистки

хревое движение.

Под действием центробежных сил более крупные и тяжелые частички породы отбрасываются к стенкам гидроциклона и в результате сложного взаимодействия тангенциальных, радиаль­ ных и осевых сил сползают в нижнюю коническую часть аппа­ рата. 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 поступаю­ щий песок с частью жидкости сбрасывается через песковую на* садку 4. Очищенная жидкость по внутреннему спиральному по­ току поднимается через выходной патрубок 3.

Окружная скорость v вращательного движения жидкости в

данном режиме его работы; т — расстояние от оси гидроциклона. Теоретически окружная скорость у оси гидроциклона (при

г= 0 ) равна бесконечности, но так как это невозможно, внутри гидроциклона образуется зона разрыва сплошности — централь­ ный воздушный столб. Размеры и форма его определяются глав­ ным образом величиной давления питания и соотношением диа­ метров 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 ве­ личин. 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 промы­ вочных жидкостей заключается в том, что они нередко работа­ ют 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 подоб­ рать режим его работы э расчете на определенный интервал раз­ меров частиц выбуренной породы. С этой точки зрения гидро­

мывочной жидкости от шлама введены следующие понятия: ко­ эффициент очистной способности К * эффективность очистки Ксу относительная величина потерь жидкости Кп-

Под коэффициентом очистной способности гидроциклона по­

оценки экономичности очистки промывочной жидкости в гидро­ циклоне

qn — поступление истинного шлама через песковую насадку, л/с. Д ля определения Я, Я с, Кп необходимо при установившемся режиме работы гидроциклона отобрать пробы очищенного и не-

граничных зерен выбуренной породы определяются из следую­ щих эмпирических соотношений, полученных А. И. Поваровым:

’у <VCD y i0 tf (Рп— рж)*

отверстия, песковой насадки, см; g — ускорение свободного па­

где а — угол при вершине конуса гидроциклона.

Давление в питающей линии гидроциклона поддерживается

впределах 0,2—0,3 МПа.

Вгеологоразведочном бурении применяют гидроциклонные установки ОГХ-8А и ОГХ-8Б, состоящие из гидроциклона, вин­ тового 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 на­ сосом 1 из отстойника (приемной емкости) и по нагнетательно-

Рис. 60. Гидроциклонная установка ОГХ-8А

му трубопроводу 2 подается в гидроциклон 4, имеющий в ниж­ ней 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 насо­ са осуществляется от электродвигателя 6.

На рис. 61 приведена • схема циркуляционной системы с очисткой промывочной жидкости гидроциклонной установкой ти­ па ОГХ.

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

ВИТРом разработан ряд гидроциклонов с целью очистки промывочных жидкостей на выходе из скважины в процессе бурения. Для этого устье скважины герметизируется и промы­ вочная жидкость, выходящая из скважины, направляется по трубопроводу в гидроциклон, где очищается и отводится в при­ емную емкость. Так как расход жидкости здесь обусловлен при-

нятой технологией бурения, разработано несколько типоразме­ ров сменных гидроциклонов с размером цилиндрической части от 25 до 75 мм и углом конической части 18—20°. Недостаток такой схемы использования гидроциклона — необходимость гер­ метизации устья скважины.

В практике разведочного бурения используются также гид­ роциклоны, разработанные опытно-методическими партиями гео­ логических объединений и экспедиций. Конструкции этих гидро­ циклонов отличаются несущественно. Д ля повышения износостой­ кости в гидроциклонах применяют элементы, изготовляемые из резины и полимеров.

Коэффициент очистной способности гидроциклона Ко может доходить до 10— 15, содержание шлама в жидкости, выходящей из насадки, может достигать 50%, общие потери раствора за один цикл при оптимальном режиме работы составляют 1—2%- В практике бурения глубоких разведочных скважин приме­ няют 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 по­ даваться и буровыми насосами. При бурении глубоких сква­ жин используют также гидроциклоны-пескоотделители ПГ-50 и

илоотделители ИГ-45. Гидроциклоны применяют и для регене­ рации утяжелителей.

К преимуществам гидроциклонов относятся их простота и от­ сутствие подвижных частей. Недостатками являются узкий диа­ пазон 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 рас­ твор водой или очищенным раствором перед вводом его в гид­ роциклон, Соотношение воды и раствора может доходить до 0,5:1 . Степень очистки повышается, но в целом качество раство­ ра ухудшается, и требуются дополнительные меры по его вос­ становлению.

Д ля отделения мелких частиц шлама, а также уменьшения содержания глины в растворе используют турбоциклоны и цент­ рифуги. В турбоциклоне очистка раствора осуществляется с ис­ пользованием 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 агре­ гатов: центрифуги и гидроциклона. Центрифуга состоит из кор­ пуса 4, который в верхней части имеет загрузочную воронку 1, вертикального ваЛа, оп и раю щ егося^ два подшипника качения, из которых один упорный воспринимает массу ротора. Ротор со­ стоит из ступицы, которая плотно насажена на вал. К ступице приварена перфорированная обечайка 3 с днищем и винтовой лентой 2Укоторая приварена к внутренней поверхности обечай­ ки. В днище имеются отверстия 6 и горловина 7. В нижней ча­ сти 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 от­ туда в рабочую полость центрифуги. Под действием центробеж­ ной силы твердые частицы разделяются по гранулометрическо­ му составу и плотности. Тонкодисперсная часть раствора, со­ стоящая в основном из глины и воды, удаляется через отвер­ стия 69 сливную воронку 8 и патрубок 9 в дренаж. Более круп­ ные частицы выбрасываются через отверстия 5 в перфорирован­ ной обечайке в полость корпуса, откуда по трубкам 10 поступа­ ют в гидроциклон 11.

В гидроциклоне происходит дополнительное сгущение посту­ пившей из центрифуги пульпы; которая затем удаляется через песковую, насадку. Остаток тонкодисперсной глинистой суспен­ зии через сливную насадку гидроциклона возвращается в цент­ рифугу.

Турбоциклоны также используются для регенерации утяже­ лителя. 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 конст­

электродвигателя 20 кВт.

§ 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

Физико-химические методы очистки представлены флокуля­ цией, разбавлением и коагуляцией, используется и комбиниро­ вание этих методов. Они применяются также при полном выве­ дении глинистой твердой фазы из раствора.

Ф л о к у л я д и я заключается во введении реагента-флоку- лянта (обычно полимерного), который обеспечивает флокуля­ цию частиц выбуренной породы с последующим осаждением в отстойниках. Процесс флокуляции породы протекает не мгно­ венно, а в течение определенного времени (до 5 мин), причем наиболее активно идет с перемешиванием.

Часть реагентов флокулирует твердую фазу избирательно, т. е. обладает селективным действием. Так, частично гидролизо­ ванный полиакриламид интенсифицирует или стабилизирует процесс диспергации монтмориллонита и флокулирует каолино­ вые, гидрослюдистые и другие дисперсные частицы горных по­ род. Наиболее активны в качестве флокулянтов акриловые по­

вывода твердой фазы из раствора. При частичном выводе твер­ дой фазы коагулятор вводится совместно с флокулянтом. Здесь коагулятор повышает гидрофобность твердой фазы, а флокулянт укрупняет частицы в хлопья, наиболее крупные из которых вы­ падают в осадок. При полном выводе твердой фазы необходимо создать условия для гидрофобной коагуляции, увеличивая кон­

крупные частицы не сепарируются в очистных системах. Разбав­ ление ведется водой или очищенной промывочной жидкостью с низкими реологическими параметрами. Разбавляющий компо­ нент вводят в приустьевую часть циркуляционной системы сква­ жины и обеспечивают условия, благоприятствующие перемеши­ ванию.

Наибольший эффект очистки дает комбинация перечислен­ ных выше методов. Чаще всего используется комбинация желобной и гидроциклонной очистки. При алмазном бурении желобная система утрачивает свое значение, и большую роль при­ обретают гидроциклоны — илоотделители с физико-химическими методами очистки. Более эффективная работа гидроциклонов достигается разбавлением.

Таким образом, получаются различные варианты очистки промывочной жидкости от выбуренной породы: одноступенчатая

лон, илоотделитель — химическая очистка и т. д.; трехступенча­ тая: пескоотделитель — илоотделитель — турбоциклон, илоотде­ литель— турбоциклон — химическая очистка и т. д. Следует иметь в виду, когда актуально применение гидроциклона в режи­ ме илоотделения, желобная система играет роль соединитель­ ных элементов и как ступень очистки отпадает.

Во ВНИИКРнефти для бурения нефтяных и газовых сква­ жин разработана типовая трехступенчатая система, включаю­ щая вибросито ВС-1 для грубой очистки частиц размером до 0,16 мм, пескоотделитель (ПГ-45, ПГ-90) для удаления частиц размером до 0,08 мм и илоотделитель для удаления частиц размером до 0,03 мм.

Содержание активной твердой фазы регулируется комбина­ цией гидроциклонной очистки и флокуляции с последующей се­ парацией флокул в илоотделителе или турбоциклоне. Возможен вариант параллельного использования химической очистки. Д ля этого часть циркулирующего раствора отводится в отдельный отстойник, где он обрабатывается флокулянтом или коагулян­ том и гидрофобно коагулируется. Вода, получающаяся в отстой­ нике, направляется в основной поток бурового раствора в каче­ стве разбавителя, а образующийся осадок утилизируется.

§ 5. МЕТОДЫ ДЕГАЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

При бурении скважин промывочная жидкость нередко ес­ тественным образом обогащается воздухом или газом, что со­ провождается резким изменением ее плотности, реологических

иструктурно-механических свойств. Ухудшается работа насосов

иуменьшается их подача, поэтому своевременная и эффектив­ ная дегазация промывочных жидкостей — важное условие обес­ печения нормального процесса бурения.

Необходимость в дегазации возникает в случае искусственно приготовленных аэрированных растворов, когда они выполнили свою задачу или значительно понизилась их плотность.

Газ и воздух в промывочные растворы поступают главным образом в процессе бурения газосодержащих пород, например, в районах разведки угольных, нефтяных и газовых месторожде­ ний. Иногда раствор естественно аэрируется при бурении сухих воздухосодержащих пород. Процесс газонасыщения ускоряется в присутствии поверхностно-активных веществ.

Основное препятствие к выделению газа из раствора — силы внутреннего взаимодействия. В структурированном вязком рас­ творе пузырьки газа или воздуха не могут преодолеть напряже­ ние сдвига системы и остаются в ней. Образование из поверх­ ностно-активных веществ прочных структурированных пленок на поверхности пузырьков воздуха может вызвать устойчивость га­ зонасыщенной системы даже в сравнительно слабоструктуриро­ ванных растворах. Д ля снижения газонасыщения жидкости при бурении газонасыщенных пород эффективно применение раство­ ров с пониженной вязкостью, однако это далеко не всегда воз­ можно.

Существующие методы дегазации можно разделить на четы­ ре группы: естественный; механический; физико-химический; комбинированный.

Естественный способ дегазации промывочной жидкости в циркуляционной системе применяется для растворов с невысо­ кими вязкостью и СНС. При движении раствора в желобах структура его разрушается, что сопровождается выделением газовой фазы в виде пены. Накопившаяся у перегородок пена постепенно разрушается. Этот способ мало эффективен.

Дегазации способствуют и условия, когда раствор растека­ ется тонкой пленкой по широкой наклонной поверхности. В при­ сутствии поверхностно-активных веществ в растворе возможна дополнительная аэрация жидкости. Поэтому радикальная мера уменьшения или полного устранения газосодержания — прину­ дительная дегазация раствора.

Механические методы дегазации буровых растворов приме­ няются при бурении глубоких разведочных скважин на нефть и газ, если в растворе нет ПАВ. Частичная дегазация происхо­ дит при очистке глинистых растворов от шлама на вибрацион­ ном сите, сите-конвейере. Специальные устройства для дегаза­ ции построены на принципе разрушения структуры бурового раствора и создания вакуума. Сюда следует отнести центробеж­ ные дегазаторы бурового раствора, вакуумные дегазаторы, из которых применяются ДВС-2, ДКС-2К, ДВМ-2 и др.

Дегазация промывочных растворов возможна в гидроцик­ лонах. Нижнее отверстие гидроциклона перекрывается, и к ап­ парату подается газонасыщенная жидкость. Под действием ва­ куума и сил гравитации газ собирается в центральной части гидроциклона, а затем в виде крупных пузырей выбрасывается струей бурового раствора в атмосферу. Этот способ применяет­ ся при неглубоком разведочном бурении.

Физико-химический способ дегазации буровых растворов за ­ ключается во введении специальных веществ — пеногасителей. Такой способ гашения пены прост, экономичен и не связан с созданием и применением специальных конструкций или уст­ ройств. В промывочную жидкость вводят поверхностно-актив­ ные вещества, не образующие структурированных пленок, но более активные, чем вещество, вызывающее пенообразование, либо добавляют вещества, связывающие гидрофобную часть мо­ лекул пенообразователя. В первом случае воздушные пузырьки разрушаются за счет вытеснения с их поверхности поверхност­ но-активного вещества пенообразователя, вследствие локально­ го ослабления пленки с последующим разрывом. Лишенный за ­ щиты пузырек выходит из промывочной жидкости.

Связывание гидрофобной части молекулы пенообразователя, сопровождающееся гашением пены, происходит только тогда, когда эта часть более активно адсорбируется на поверхности пеногаситель — вода, чем на поверхности воздух — вода. Это вызывает десорбцию пенообразователя с поверхности пузырьков и их разрушение.

Особенно активен в качестве пеногасителя полиметисилоксан. Добавки 0,005—0,05% его способствуют полному удалению пены. Концентрации других пеногасителей должны быть в пре­ делах 0,1—3% . Хорошо гасит пену суспензия резины или поли­ этилена в дизельном топливе в соотношении 1:10. В каждом конкретном случае оптимальная концентрация уточняется опыт­ ным путем.

Р а з д е л тр ети й Т а м п о н аж н ы е см еси

Глава X

СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ СОСТАВОВ

$ 1. ФУНКЦИИ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ТАМПОНАЖНЫМИ СМЕСЯМИ

Тампонажные смеси (их называют также тампонажными растворами) представляют собой специальные материалы или составы, используемые для тампонирования — заполнения сква­ жин или отдельных ее интервалов. Тампонажные смеси с тече­ нием времени могут затвердевать с образованием тампонажно­ го камня либо загустевать или упрочняться, оставаясь вязкой или вязко-пластичной системой.

В зависимости от назначения тампонирования смеси должны выполнять следующие функции.

1. Изолировать интервалы залегания полезных ископаемых. Вскрытые скважиной пласты полезного ископаемого должны быть изолированы от проникновения в них поверхностных или подземных вод. В ряде случаев, в первую очередь это относится к жидким и газообразным полезным ископаемым, возникает не­ обходимость в изоляции друг от друга пластов полезного иско­ паемого с разными свойствами. С этой целью в скважину спус­ кают обсадные трубы, а зазор между трубами и стенками сква­ жины заполняют тампонажным раствором. Такой раствор дол­ жен создавать надежную изоляцию во всем затрубном простран­ стве скважины в течение длительного времени.

2. Защищать обсадные колонны от коррозии и повышать их устойчивость к нагрузкам. Пластовые воды обладают, как пра­ вило, высокой минерализацией и активно корродируют обсад­ ные трубы. Изоляция затрубного пространства исключает кор­ розию обсадных труб под действием пластовых вод и значитель­ но увеличивает срок их службы. Образуя монолитное кольцо в зазоре, затвердевший (упрочнившийся) тампонажный состав должен повышать устойчивость обсадных труб к различным на­ грузкам, а' при истирании труб выполнять их функции.

3. Закреплять обсадные колонны. В ряде случаев обсаживание трубами выполняется для предупреждения обвалов стенок скважины в отдельных интервалах и для изоляции каверн и крупных трещин. Для закрепления труб в скважине необходимо их затампонировать.

4. Укреплять стенки скважины в трещиноватых горных по­ родах. В интервалах трещиноватых неустойчивых горных пород