4.10.2. Очистка промывочных жидкостей от шлама

В результате разрушения горных пород на забое скважины циркулирующая в ней промывочная жидкость непрерывно обогащается шламом, что приводит к росту плотности, вязкости и статического напряжения сдвига промывочной жидкости со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями:

– снижение механической скорости бурения и проходки на долото;

– снижение ресурса работы гидравлического оборудования (буровых насосов, вертлюгов);

– увеличение вероятности возникновения различного рода осложнений, аварий и др.

Увеличение содержания твердой фазы в промывочной жидкости на 1 % за счет обогащения ее шламом снижает показатели работы долот на 7–10 % (главным образом за счет роста вязкости). Если к этому еще прибавить неизбежные затраты на регенерацию свойств промывочной жидкости вследствие обогащения ее шламом (разбавление водой, ввод реагентов – разжижителей и т.д.), то обязательность очистки промывочных жидкостей от шлама не вызывает никаких сомнений.

Следует отметить, что эффективная очистка промывочных жидкостей возможна только при искусственном ускорении оседания шлама, что легче всего достигается при вибрациях или за счет центробежного эффекта.

Из устройств, ускоряющих процесс очистки промывочных жидкостей за счет вибраций, наибольшим распространением, как в нашей стране, так и за рубежом пользуется вибросита. Принцип действия вибросита заключается в следующем: выходящий из скважины поток промывочной жидкости поступает равномерным слоем на натянутую на вибрирующей раме сетку, шлам по наклонной сетке сбрасывается за пределы вибросита, а очищенная промывочная жидкость протекает сквозь отверстия сетки в приемную емкость. Источником колебаний вибрирующей рамы является, как правило, электродвигатель и эксцентриковый вал, соединенный с электродвигателем клиноременной передачей. Амплитуда колебаний вибрирующей рамы обычно составляет от 3,5 до 8 мм, а частота – от 20 до 35 колебаний в секунду. Есть и двухъярусные сита (с двумя сетками).

Основным показателем, определяющим степень очистки, пропускную способность вибросит, величину потерь промывочной жидкости со шламом и срок службы сеток является размер их ячеек.

Степень очистки промывочной жидкости тем выше, чем меньше размер ячеек сетки. Но с уменьшением размера ячеек снижается пропускная способность сеток; уменьшается срок их службы; увеличиваются потери промывочной жидкости, сбрасываемой со шламом в отвал.

Пропускная способность сеток зависит еще и от целого ряда других факторов: площади фильтрующей поверхности, вязкости промывочной жидкости (увеличение вязкости с 10 до 20 мПа·с приводит к снижению пропускной способности на 30 %), фракционного состава шлама и его количества в промывочной жидкости (зависит от характера разбуриваемых пород и типа применяемого породоразрушающего инструмента); расхода промывочной жидкости и др.

На срок службы сеток большое влияние оказывает их натяжение (провисание не допускается).

Однако, даже лучшие конструкции вибросит обеспечивают удаление из промывочной жидкости не более чем 50 % выбуренной породы.

Для очистки промывочной жидкости от тонкодисперсного шлама используют устройства, ускоряющие его отделение за счет центробежного эффекта (центробежное ускорение в таких устройствах может более чем в 100 раз превышать ускорение свободного падения).

Среди этих устройств наибольшим распространением пользуются гидроциклоны, которые способны отделять частицы шлама размером ³ 0,03 мм.

Конструктивно гидроциклон представляет собой неподвижный аппарат, состоящий из цилиндрической, конической частей и патрубков: питающего, сливного и пескового. Промывочная жидкость, предварительно очищенная на вибросите, тангенциально (по касательной) вводится внутрь цилиндрической полости гидроциклона, за счет чего приобретает вихревое движение. Под действием центробежных сил частицы шлама отбрасываются к стенкам гидроциклона и опускаются по конусу в песковый патрубок (на сброс). Освободившаяся от шлама промывочная жидкость поднимается вверх.

Процессы, происходящие в гидроциклоне, настолько сложны, что математическая модель его работы до сих пор отсутствует. По этой причине оптимизировать его технические характеристики достаточно сложно. Производительность (пропускная способность) гидроциклона и степень очистки в нем промывочной жидкости взаимосвязаны и зависят от многих факторов: диаметра и длины цилиндрической части, угла конусности (обычно 14–20 град); соотношения диаметров питающего и пескового патрубков, давления промывочной жидкости на входе в гидроциклон и др.

В зависимости от минимального размера удаляемых частиц гидроциклоны подразделяют на пескоотделители (0,08–0,09 мм) и илоотделители (0,03–0,05 мм).

В отечественной практике наибольшим распространением пользуется пескоотделители ПГ-50 (блок из 4 шт.) и илоотделители ИГ-45 (блок из 16 шт.).

Все детали гидроциклонов выполняются из абразивостойкого материала.

Для эффективной очистки промывочной жидкости необходимо последовательно использовать вибросито, пескоотделитель и илоотделитель, т.е. так называемую трехступенчатую систему очистки, обеспечивающую удаление из промывочной жидкости более 60 % выбуренной породы.

Значительную экономию средств, особенно при использовании дорогостоящих промывочных жидкостей, получают за счет применения четырехступенчатой системы очистки. Четвертой ступенью в этой системе является центрифуга (оптифуга).

В общем виде центрифуга включает в себя ротор цилиндроконической формы, который получает вращение от электродвигателя посредством клиноременной передачи. Частота вращения ротора составляет 1200–3000 об/мин. Внутри ротора соосно расположен шнек, который транспортирует шлам к окнам выгрузки ротора. Шнек вращается в ту же сторону, что и ротор, но с меньшей частотой. Именно разность в частотах вращения ротора и шнека обеспечивает принудительное перемещение шлама вдоль внутренней поверхности ротора. Вращение шнеку сообщается ротором через планетарный редуктор.

Из всех известных очистных устройств именно центрифуги обеспечивают наибольшую степень очистки промывочной жидкости от шлама (минимальный размер удаляемых частиц 0,01–0,002 мм).