7.9.2. Способы и технические средства получения и нагнетания газожидкостных смесей, средства дозированной подачи пенообразователей и разрушения гжс

Существующие в мировой практике бурения способы нагнетания ГЖС можно разделить на прямой, если давление при подаче компонентов равно давлению нагнетания их смеси, и ступенчатый, если давление нагнетания смеси превышает давление, необходимое для подачи любого из компонентов.

Первый способ реализуется с помощью компрессоров, буровых насосов и поверхностных пеногенераторов. При этом требуется, чтобы буровые насосы и компрессорные установки имели рабочие давления, достаточные для обеспечения, заданного технологического процесса.

Условия бурения требуют, чтобы компрессорные установки обеспечивали требуемые расход и давление сжатого воздуха, были легкими, компактными, высокотранспортабельными и легко монтируемыми, надежными в эксплуатации и экономичными, хорошо защищенными от воздействия пыли, достаточно прочными и простыми в обслуживании.

Тип компрессоров и их число определяют на основании расчетного расхода и давления воздуха, необходимого для осуществления циркуляции.

На рис. приведена конструкция поверхностного пеногенератора, предложенного при бурении скважин в США. Пеногенератор представляет собой цилиндр, заполненный беспорядочно расположенными пеногенерирующими кольцами, находящимися между двумя сетками. На одном конце цилиндра имеется отверстие для входа сжатого воздуха или газа, на другом – для выхода пены. Ниже отверстия для подачи газа, на боковой стороне цилиндра, находится штуцер для нагнетания водного раствора ПАВ. Цилиндрическая часть образована двумя колоколообразными ниппелями, связанными муфтой. Раствор ПАВ подается под прямым углом к направлению движения газового потока с целью наилучшего перемешивания газа и жидкости. Конец трубки для подвода раствора ПАВ делается плоским, чтобы происходило расширение в зоне смешения.

Второй способ нагнетания ГЖС реализуется с помощью компрессоров низкого давления и дожимных устройств.

ВНИИБТ разработан способ нагнетания ГЖС с использованием гидравлических мощностей буровых насосов (а.с. 714044 (СССР) и созданы компрессорно-дожимные устройства (КДУ) для его реализации на базе буровых насосов нефтяного ряда: У8-6М, 9МГр и др.

ВИТРом совместно с кафедрой компрессоростроения ЛПИ им.М.И.Калинина были проведены экспериментальные и теоретические исследования КДУ на базе быстроходных трехплунжерных насосов, в том числе с применением скоростной киносъемки. В результате разработаны эффективные конструкции КДУ и методика их расчета и проектирования.

На основе методики ВИТРом разработаны конструкции КДУ для буровых трехплунжерных насосов геологоразведочного ряда: НБ3-120/40, НБ4-160/63, НБ4-320/63, НБ5-320/100 и двухпоршневого насоса двойного действия НБ-32.

На рис. представлена разработанная ВИТРом конструкция КДУ (а.с. 1307085 (СССР) на базе насоса НБ4-160/63 (УКД-Н-3).

Устройство УКД-Н-3 отличается:

• постоянством коэффициента подачи при изменении частоты вращения коленчатого вала насоса;

• повышенной надежностью в более широком диапазоне изменений воздухо-воздушных соотношений;

• удобством монтажа и обслуживания.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет оптимальной организации заполнения рабочей камеры (РК) воздухом и использования оригинальной конструкции проточной части РК, позволяющей нейтрализовать отрицательное влияние инерции столба жидкости в РК на такте нагнетания.

Удобство монтажа и технического обслуживания достигается максимальным использованием серийных узлов насоса, исключением собственной нагнетательной линии и установкой корпусов клапанов со стороны крышек клапанных головок, что упрощает их замену в процессе эксплуатации.

Принцип действия КДУ аналогичен принципу действия ступени поршневого компрессора, в котором роль поршня играет жидкость, перемещающаяся в вертикально расположенном цилиндре под воздействием поршня насоса.

Применение КДУ позволяет в ряде случаев обойтись без использования дорогостоящих компрессорных установок среднего и высокого давления.

Иногда, для расширения функций КДУ, в него вводятся дополнительные узлы и приспособления (см. а.с. 848746, 1160100, 1339297 (СССР).

Пенообразователи подаются в нагнетательную линию в виде водного раствора определенной концентрации. Для дозированной подачи раствора пенообразователя при прямой схеме нагнетания применяют поверхностные дозаторы или дозировочные насосы с жесткой или ступенчатой подачей.

Поверхностный дозатор используется исключительно при бурении мелких скважин глубиной не более 150 м и представляет собой герметичную емкость вместимостью 0,3-1,0 м³. Емкость снабжена заливной горловиной и соединена с нагнетательной линией воздухопроводом для создания избыточного давления воздуха над поверхностью раствора и принудительной его подачи в нагнетательную линию. Дозировать подачу раствора ПАВ можно игольчатым вентилем.

При бурении с ГЖС наиболее приемлемы плунжерные горизонтальные насосы с регулированием подачи путем изменения хода плунжера - насосы серии НД. Находят применение и буровые плунжерные насосы НБ2-63/40, НБ3-120/40, НБ4-160/63 с регулированием подачи раствора ПАВ путем изменения частоты вращения коленчатого вала насоса, количества и диаметра одновременно работающих вытеснителей.

Для создания замкнутого цикла циркуляции необходимо разрушить пену на выходе из скважины, т.е. выделить из нее воздух, очистить от шлама, а раствор пенообразователя использовать вторично.

Различают химические, механические, физические и комбинированные способы гашения пены, образующейся при проведении тех или иных технологических операций.

Существуют два способа введения химических пеногасителей, применяемых для предотвращения вспенивания и дегазации растворов: разовый и капельный. Применительно к условиям бурения с промывкой пенами эти способы неприемлемы. Поэтому в настоящее время схема замкнутой циркуляции с химическим способом пеногашения не применяется.

Один из реализованных на практике, включая бурение, способов механического разрушения пены – разрежение в резервуаре для сбора пены. При поступлении пены в этот резервуар пузырьки разрываются под действием избыточного давления. Вакуумные дегазаторы жидкостей устанавливают на буровых для разрушения образующихся газожидкостных дисперсных систем (аэрированных, вспененных растворов). По характеристике рабочего цикла такие дозаторы делятся на работающие с подачей жидкости в вакуумный резервуар при помощи нагнетательного насоса и работающие за счет жидкости под действием вакуума, создаваемого вакуумным насосом.

Вакуумный способ наиболее перспективен для решения сложной проблемы разрушения стойких пен. Однако практическая реализация вакуумного принципа для разрушения потока пены большого объема связана с повышенными энергозатратами в связи с необходимостью использования вакуумных насосов большой производительности.

В ряде отраслей промышленности широкое распространение получили циклонные пеноразрушители, принцип действия которых основан на изменении скорости и направления потока пены или на обтекании этим потоком отбойников, полок, решеток. Циклонный пеноразрушитель был опробован на буровом стенде ВНИИБТ и показал хорошие результаты по разрушению стойких пен на основе сульфонола при противодавлении на устье 0,15-0,2 МПа.

Для разрушения пенных систем можно использовать аэродинамический пеноразрушитель эжекторного типа ПЭ конструкции ВИТР. Схема устройства ПЭ показана на рис. .