3. Очистные устройства.

Очистка буровых растворов осуществляется путем последовательного удаления крупных и мелких частиц выбуренной породы и других примесей, содержащихся в поступающем из скважины буровом растворе. Для полной очистки буровых растворов циркуляционные системы оборудуются комплексом очистных устройств. Первичная очистка проводится вибрационными ситами, посредством которых удаляются крупные частицы (размером более 75 мкм). Мелкие частицы вредных примесей удаляются посредством пескоотделителя (40 мкм), илоотделителя (25 мкм) и центрифуги (5 мкм), используемых на последующих ступенях очистки. На вибрационных ситах частицы выбуренной породы просеиваются через сито под действием вибраций, которые создаются эксцентриковым (рис. 11.5, а) либо инерционным (рис. 11.5, б) вибратором. Привод вибратора состоит из электродвигателя и клиноременной передачи. В последние годы преимущественно распространены инерционные вибраторы, позволяющие сравнительно просто регулировать амплитуду колебаний путем изменения положения дебалансов 1 (рис. 11.5, б). Частицы бурового раствора, превышающие размеры ячеек сетки вибросита, оседают на ней и по транспортному желобу сбрасываются в отвал (шламовый амбар). Очищенный раствор, пройдя через ячейки сетки, поступает в приемные емкости ц иркуляционной системы.

По числу вибрирующих рам различают одинарные, сдвоенные и строенные вибросита с одно-, двух- и трехъярусными горизонтально либо наклонно расположенными ситами (рис. 11.5,e). Вибрирующие рамы комплектуются индивидуальными вибраторами и выравнивателями для равномерного распределения раствора по ширине сита. В многоярусных виброситах буровой раствор из скважины поступает на верхнее сито с более крупными ячейками, а затем на нижние с меньшими ячейками. В результате возрастает производительность на единицу поверхности сита и одновременно уменьшается его износ.

Для буровых растворов высокой вязкости эффективность очистки возрастает с увеличением амплитуды вибраций и угла наклона сита. Многоярусные вибросита снабжаются устройством для независимой регулировки угла наклона сит. Для смягчения ударов и защиты от больших нагрузок виброрама подвешивается к опорной раме на спиральных пружинах либо резиновых амортизаторах. Колебание виброрамы происходит по замкнутой круговой либо эллиптической траектории. Предпочтительно встречное движение виброрамы и бурового раствора, способствующее самоочистке сита. Для восстановления пропускной способности вибросита застрявшие частицы удаляются путем периодической промывки сетки водой либо продувкой сжатым воздухом.

В виброситах применяются сетки, у которых размеры ячеек в свету составляют: 0,16х0,16; 0,2х0,2; 0,25х0,25; 0,4х0,4; 0,9х0,9 мм. В ряде стран сортамент сеток устанавливается по числу отверстий, приходящихся на единицу длины либо площади сетки.

К вибрирующей раме сетка крепится при помощи кассеты либо двух барабанов, расположенных по концам рамы. На один из барабанов сетка наматывается с запасом длины, используемым для перепуска поврежденных при эксплуатации участков рабочей поверхности сетки. Кассетное крепление обеспечивает равномерное натяжение сетки в продольном и поперечном направлениях. Волнистость рабочей поверхности сетки и неплотное его примыкание к вибрирующей раме приводят к преждевременным повреждениям. Вибросита лучших образцов позволяют полностью очистить буровые растворы от частиц размером более 0,125 мм и удалить при этом до 50 %, выбуренной породы.

Последующая более тонкая очистка буровых растворов осуществляется гидромеханическим способом. Для этого в песко- и илоотделителях применяются конические гидроциклоны.

В гидроциклон 1 (рис. 11.6) буровой раствор подается под давлением по питающей насадке 4. Благодаря тангенциальному расположению питающей насадки и высокоскоростному истечению буровой раствор интенсивно вращается относительно оси гидроциклона. Наиболее крупные и тяжелые частицы, содержащиеся в буровом растворе, отбрасываются центробежными силами во внешний поток раствора, образующийся в пристенной зоне конуса 2. Опускаясь по винтообразной траектории до вершины конуса, частицы удаляются через шламовую насадку 3 в находящийся под гидроциклоном шламосборник.

Мелкие частицы, обладающие недостаточной для преодоления сопротивления среды центробежной силой, оказываются во внутреннем восходящем потоке, создаваемом в результате образования вдоль оси гидроциклона воздушно-жидкостного столба пониженного давления. Восходящий поток очищенного бурового раствора направляется к сливному насадку и по патрубку 5 поступает в приемную емкость циркуляционной системы.

Технологические и конструктивные параметры гидроциклонов рассчитываются по формулам, полученным различными авторами на основе определенных допущений. Отсутствие однозначных зависимостей обусловлено многообразием факторов, влияющих на показатели работы гидроциклонов. Для расчета пропускной способности гидроциклонов, используемых в песко- и илоотделителях, наиболее приемлема эмпирическая формула М. Ш. Вартапетова:

Q_г = k₁*d_п*d_с*D_г* , (1)

где: Q_г — пропускная способность гидроциклона, л/с;

k₁ = 0,12 — опытный коэффициент; d_п и d_c — диаметры питающей и сливной насадок, см; D_г — диаметр гидроциклона, см; Р_в — давление на входе в гидроциклон, МПа.

Диаметр граничного зерна (в мкм) с достаточной для практических расчетов точностью определяется по формуле А. И. Поварова:

= k₂*d_с / d_ш , (2)

где: k₂ = 0,5 – опытный коэффициент; d_с и d_ш – диаметры сливной насодки гидроциклона и шламовой насадки, см; Т_n – содержание песка в исходном продукте, % ; Р_в – давление на входе в гидроциклон, МПа; pm и pж – плотность твердой и жидкой фаз раствора, г / см³.

Диаметр граничного зерна характеризует тонкость очистки, обеспечиваемой гидроциклоном. Сепарации поддаются частицы, диаметр которых больше диаметра граничного зерна. Частицы меньшего диаметра остаются в растворе и вместе с ним выносятся через сливной патрубок. Из формул (1) и (2) следует, что с увеличением диаметра гидроциклона возрастает его пропускная способность, а тонкость очистки ухудшается вследствие увеличения диаметра граничного зерна. В связи с этим диаметр гидроциклона в илоотделителях меньше диаметра гидроциклона в пескоотделителях.

На качество очистки существенно влияют диаметры питающей, шламовой и сливной насадок, высота цилиндрической части и угол конуса гидроциклона.

По опытным данным приняты следующие оптимальные соотношения:

• диаметр питающей насадки d_n= (0,125—0,25)D_г;

• диаметр сливной насадки d_c = (0,25—0,50)D_г;

• диаметр шламовой насадки d_ш = (0,15—0,45)d_c;

• высота цилиндрической части гидроциклона h₁ = (1 ÷ 1,2)D_г;

• высота конической части гидроциклона h₂=D_г/2tg( /2).

Угол конуса выбирается в зависимости от диаметра гидроциклона и составляет 15—20°

На эффективность очистки существенно влияет соотношение диаметров сливной и шламовой насадок, а также давление на входе в гидроциклон. Оптимальное соотношение диаметров сливной и шламовой насадок выбирается в зависимости от физико-механических свойств бурового раствора и удаляемых частиц. Давление на входе в гидроциклон зависит от подачи шламовых насосов, нагнетающих буровой раствор в песко- и илоотделитель, и диаметра питающей насадки. Давление на входе в гидроциклон должно быть в пределах 0,4—0,5 МПа. При этом обеспечиваются необходимая степень очистки и минимальные потери бурового раствора, возникающие в результате его утечки через шламовую насадку гидроциклона.

Требования, предъявляемые к тонкости очистки буровых растворов, ограничивают диаметр и соответственно пропускную способность гидроциклонов. Поэтому в песко- и илоотделителях устанавливают несколько параллельно действующих гидроциклонов, число которых определяется по формуле

N_г ≥ Q / Q_г ,

где: Q и Q_г— пропускная способность песко- и илоотделитёля и гидроциклонов, л/с.

В циркуляционной системе современных буровых установок применяются пескоотделители ПГ-50 и илоотделители ИГ-45.

Пескоотделители ПГ-50 (рис. 11.7) состоят из четырех гидроциклонов диаметром 150 мм, расположенных в один ряд.

В илоотделителях ИГ-45 (рис. 11.8) используются шестнадцать гидроциклонов диаметром 75 мм, расположенных в два ряда. Гидроциклоны, используемые в ПГ-50 и ИГ-45, в основном различаются размерами одноименных деталей. Корпус гидроциклонов имеет разъемную конструкцию и состоит из силуминовых литых цилиндра, конуса и обоймы для шламовой насадки. Для предохранения от износа и коррозии внутренние поверхности корпуса, контактирующие с буровым раствором, покрывают резиновым чехлом. Насадки изготовляют из износостойких сталей и сплавов.

Г идроциклоны 2 (см. рис. 11.7 и 11.8) устанавливают на сварной раме 3. Буровой раствор поступает в гидроциклоны из общего коллектора 5. Очищенный раствор по отводам 6 поступает в сливной коллектор 1. Частицы выбуренной породы и других примесей поступают из гидроциклонов в общий шламосборник 4, в донной части которого установлена труба 7 для выгрузки шлама.

Центрифуги предназначены для извлечения тонкодисперсных частиц утяжелителя из буровых растворов. Основная рабочая часть центрифуги — барабан (ротор) с дырчатыми фильтрующими стенками, вращающийся в неподвижном кожухе. Разделение твердых частичек в центрифуге происходит под действием центробежных сил. Крупные частицы выбрасываются через отверстия в стенке барабана и накапливаются в кольцевом пространстве между кожухом и барабаном. Очищенный раствор поступает в сливную горловину, расположенную под барабаном центрифуги. Возможности разделения увеличиваются с повышением частоты вращения барабана центрифуги.