9.1. Устройства для приготовления и утяжеления буровых растворов

Устройства для приготовления и утяжеления буровых растворов по принципу действия делятся на механические и гидравлические. В связи с возрастающим применением порошкообразных материалов в последние годы преимущественное распространение получили гидравлические устройства. По сравнению с механическими глиномешалками они обладают более высокой производительностью, обеспечивают необходимое качество буровых растворов и экономное расходование материалов для их приготовления. Положительно зарекомендовали себя гидроэжекторные смесители блоков приготовления бурового раствора (БПР).

Выносной гидроэжекторный смеситель 9 (рис.23) представляет собой струйный аппарат, в котором для образования гидросмеси порошкообразных материалов используется кинетическая энергия жидкости.

Конструктивная схема блока приготовления буровых растворов

Рис.23

В циркуляционной системе буровых установок применяются блоки БПР-70 и БПР-40. Блоки БПР-70 имеют цельнометаллические силосы с пневматическим разгрузочным устройством. В блоках БПР-40 силосы имеют телескопическую конструкцию. В транспортном положении верхняя часть силоса опускается и благодаря этому облегчается перевозка всего блока. В рабочем положении верхняя часть силоса. Под действием сжатого воздуха поднимается и закрепляется фиксаторами.

9.2. Очистные устройства циркуляционной системы

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.

Конструктивные схемы вибросит

Рис.24

На вибрационных ситах частицы выбуренной породы просеиваются через сито под действием вибраций, которые создаются эксцентриковым (рис.24, а) либо инерционным (рис.24, 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. 24, б).

По числу вибрирующих рам различают одинарные, сдвоенные и строенные вибросита с одно-, двух- и трехъярусными горизонтально либо наклонно расположенными ситами (рис. 24, в). 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.

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

Конструктивная схема гидроциклона

Рис.25

В гидроциклон 1 (рис.25.) 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.

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

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

где k₂≈0,5 - опытный коэффициент; d_С, d_Ш - диаметры сливной насадки гидроциклона и шламовой насадки, см; Т_П - содержание песка в исходном продукте, %; р_В - давление на входе в гидроциклон, МПа; р_Т и р_Ж - 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 и 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_П = (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/2 tg(α/2)

Угол конуса выбирается в зависимости от диаметра гидроциклона и составляет 15-20°. При чрезмерном увеличении или уменьшении угла конуса снижается степень извлечения частиц твердой фазы и глины, характеризуемая отношением

%

где П и П₀ - содержание твердой фазы и глины в буровом растворе соответственно до и после его очистки, г/л.

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 ило отделителях устанавливают несколько параллельно действующих гидроциклонов, число которых определяется по формуле

где Q и Q_Г - пропускная способность песко- и илоотделителя и гидроциклонов, л/с.

Манифольдом или линией нагнетания называется участок трубопровода между буровым насосом и вертлюгом, по которому буровой раствор подается в бурильную колонну.

Манифольд состоит из трубной обвязки буровых насосов, трубной обвязки вышечного блока; трубопровода, соединяющего обвязки в насосном и вышечном блоках; вспомогательного трубопровода; пультов управления.

Центрифуги предназначены для извлечения тонкодисперсных частиц утяжелителя из буровых растворов.