Гидроциклонные шламоотделители

В бурении гидроциклоны используют для отделения грубодисперсного шлама от бурового раствора. В качестве шламоотделителей гидроци­клоны часто могут конкурировать даже с виброситами. Так, при удалении частиц шлама размером менее 0,5 мм экономическая эффективность гидро­циклонов и вибросит одинакова, если обрабатывается неутяжеленный буро­вой раствор. С уменьшением размера частиц шлама эффективность гидроци­клонов повышается, а преимущества их при удалении шлама с размером час­тиц менее 74 мкм становятся бесспорными. Гидроциклонные шламоотдели­тели, как правило, неприменимы для очистки утяжеленного бурового рас­твора вследствие больших потерь утяжелителя со шламом.

Гидроциклон представляет собой цилиндр, соединенный с усечен­ным перевернутым конусом (рис. 4.27). Нижняя часть конуса заканчива­ется насадкой для слива песков, а цилиндрическая часть оборудуется входной насадкой, через которую нагнетается буровой раствор, и слив­ным патрубком, через который отводится очищенный раствор. Буровой раствор насосом подается через входную насадку в цилиндрическую часть гидроциклона по касательной к внутренней поверхности. Обладая боль­шой скоростью на входе, частицы шлама под действием инерционных сил отбрасываются к стенке гидроциклона и движутся к песковой насадке в соответствии с законом Стокса. Тонкодисперсные частицы шлама вместе с компонентами бурового раствора сосредоточиваются в спиралевидном потоке, движущемся снизу вверх. Попадая в сливной патрубок, очищен­ный раствор выводится из циклона, а шлам (пески) перемещается внеш­ним, движущимся вниз спиралевидным потоком к песковой насадке и вы-

243

гружается через нее вместе с некоторой частью бурового раствора. Техно­логические показатели работы циклона при разделении суспензии на жидкую и твердую фазы ухудшаются при уменьшении напора подающего насоса, увеличении вязкости или плотности подаваемой жидкости, повы­шении концентрации твердых частиц в суспензии, понижении плотности твердой фазы, уменьшении размера отделяемых частиц, резком отличии формы частиц от сферической, сокращении размера отверстия песковой насадки.

Рис. 4.27. Схема гидроциклона для очистки бурового раствора от шлама

Гидроциклонные шламоотделители делят на песко- и илоотдели-тели условно. Пескоотделители - это объединенная единым подающим и сливным манифольдом батарея гидроциклонов диаметром 150 мм и более. Илоотделителями называют аналогичные устройства, составленные из гидроциклонов диаметром 100 мм и менее. Число гидроциклонов в бата­реях песко- и илоотделителя разное. Эти аппараты должны обрабатывать весь циркулирующий буровой раствор при любой подаче буровых насо­сов. Пропускная способность пескоотделителя должна составлять 125 %, а илоотделителя 150 % от максимальной подачи насоса. Это позволяет гарантировать обработку всего потока бурового раствора на гидроци­клонных шламоотделителях.

В отечественной практике широко распространен гидроциклонный шламоотделитель 1ПГК, называемый пескоотделителем. Он представляет собой батарею из четырех параллельно работающих гидроциклонов диа­метром 150 мм. Буровой раствор в гидроциютоны подается вертикальным шламовым насосом. Пескоотделитель 1ПГК способен обрабатывать до 60 л/с бурового раствора и удалять из него частицы шлама размером 60 мкм при наименьшем допустимом давлении около 0,2 МПа. Общая масса установ­ки составляет 1310 кг. В настоящее время применяют более надежные мо­дели пескоотделителей ПГ-50 и ПГ-90: число обозначает пропускную спо­собность (в л/с). Они отличаются более стойкими и совершенными по фор­ме резиновыми элементами.

Кроме того, во многих районах России внедрены шламоотделители с гидроциклонами диаметрами 75 и 100 мм, так называемые илоотделите-

244

ли. Они представляют собой блок из 12-16 гидроциклонов, установленных на общей раме и имеющих общий ввод раствора и поддон для сбора ила (шлама с раствором). Для подачи раствора используется вертикальный шламовый насос.

Эффективность разделения суспензии с помощью гидроциклонов повышется с увеличением давления на входе. Однако опыт работы с бу-ровыми растворами показывает, что оптимальное значение давления для

пескоотделителей составляет 0,25 МПа, а для илоотделителей - 0,32 МПа.

Такие условия достигаются при давлении в нагнетательной линии насоса

0,4-0,5 МПа.

Основным методом регулирования работы гидроциклонов в усло­виях бурения скважин является изменение размеров отверстия для сбрасывания песков или илов. При высоких скоростях бурения это отверстиедолжно быть достаточно большим. Но если оно окажется больше, чем не­обходимо для удаления из раствора выбуренной породы, то эффектив­ность работы циклона снизится, а потери раствора со шламом возрастут. Уравновешенный гидроциклон имеет наилучшие характеристикитолько в том случае, когда слив песков идет в виде зонтика, а не в виде шнура. Следует помнить, что у современных гидроциклонов нижнее от­верстие является каналом разгрузки, а не штуцером. При правильной ра­боте циклона допускаются потери раствора со шламом от 1 до 5 %. Стремление получить с помощью гидроциклонов почти сухой шлам приводит также к ухудшению разделения суспензии; тонкодисперсные, необ­ходимые для раствора частицы глины не могут попасть в восходящийвихрь и уносятся песками в отвал.

Основной контролируемой рабочей характеристикой гидроциклонов является плотность песков (илов). Плотность нижнего продукта слива должна быть на 0,30-0,25 г/см³ больше плотности очищенного раствора.

В связи с высокой эффективной вязкостью растворов на углеводородной основе (РУО) эффективность работы гидроциклонных аппаратовснижается. Для этих растворов в качестве пескоотделителей используютсяилоотделители. Плотность сгущенного продукта при очистке неутяжеленных буровых растворов на углеводородной основе при одном и том жеколичестве удаляемого песка будет меньше, чем при очистке раствора на водной основе. Например, сгущенный продукт, содержащий 25 % твердойфазы, при плотности раствора 1,14 г/см³ имеет плотность 1,48 г/см³, в то время как в РУО плотностью 1,02 г/см³ сгущенный продукт имеет плот­ность 1,39 г/см³.

Обычные илоотделители не применяют для очистки утяжеленных буровых растворов, так как, удаляя частицы шлама размером 25 мкм, они также удаляют из раствора практически весь барит с частицами размером более 16 мкм и часть барита с частицами меньшего размера. При очистке илоотделителем тяжелых растворов 95 % шлама будут составлять круп­ные частицы и одновременно будет теряться до 50 % барита.

245

В последние годы для очистки утяжеленных буровых растворов применяются так называемые сепараторы (рис. 4.28), которые состоят из гидроциклонного илоотделителя 1, установленного над вибрирующей мелкоячеистой просеивающей сеткой 2. Утяжеленный буровой раствор, очищенный с помощью вибросита, подается центробежным насосом в тарею гидроциклонов, где он разделяется на утяжеленный и неутяжелен ный. Неутяжеленный поток возвращается в циркуляционную систему, утяжеленный через песковые насадки попадает на тонкоячеистое вибро­сито, где частицы шлама, которые крупнее частиц утяжелителя, сбрасы­ваются в отвал, а остальная часть утяжеленного раствора просеивается через вибросито и, возвратившись в циркуляционную систему, соединяет­ся с неутяжеленной частью раствора. В связи с тем, что поток утяжелен ного раствора значительно меньше потока неутяжеленного, можно ис­пользовать в сепараторах мелкоячеистые вибрирующие сетки и таким об­разом значительно улучшить очистку утяжеленных буровых растворов.

Рис. 4.28. Гидроциклонный сепаратор

В б. ВНИИКРнефти разработана технология очистки буровых рас­творов по трехступенчатой системе, которая успешно внедрена в ряде рай­онов страны. Эта технология предусматривает очистку: грубую - на вибро­сите, тонкую - на песко- и илоотделителях. В результате из бурового раство­ра удаляется не менее 60 % выбуренной породы, в том числе частицы разме­ром до 30 мкм.

Технология трехступенчатой очистки предполагает обработку рас­твора плотностью не более 1,25 г/см³условной вязкостью не более 45 с. На первой ступени очистки используются вибрационные сита СВ-2, СВ-2Б, СВ-2В, ВС-1, на второй - пескоотделители 1111 К, ПГ-50, ПГ-90, на третьей - илоотделители ИГ-45.

Технология очистки неутяжеленного бурового раствора по трехсту­пенчатой системе представляет собой ряд последовательных операций, включающих грубую очистку на вибросите и тонкую очистку - пескоотде-

246

ление и илоотделение - на гидроциклонных шламоотделителях (рис. 4.29). Буровой раствор со шламом после выхода из скважины 1 подвергается на первой ступени грубой очистке на вибросите 2 и собирается в емкости 10. Центробежным насосом 3 раствор подается в батарею гидроциклонов песко-отделителя 4, где из раствора удаляются частицы песка. Очищенный от песка раствор поступает через верхний слив в емкость 9, а песок сбрасывается в шламовый амбар. Из емкости 9 центробежным насосом 5 раствор подается для окончательной очистки в батарею гидроциклонов илоотделителя 6. По­сле отделения частиц ила очищенный раствор направляется в приемную ем­кость 8 бурового насоса 7, а ил сбрасывается в шламовый амбар.

Рис. 4.29. Схема трехступенчатой очистки неутяжеленного бурового рас­твора

Особенностью технологии является, во-первых, использование 25-35 % очищенного от песка раствора для разбавления раствора, поступаю­щего в пескоотделитель; во-вторых, для повышения эффективности рабо­ты илоотделителя подача в него (минуя пескоотделитель) до 10 % бурово­го раствора; в-третьих, разбавление (при необходимости) раствора, посту­пающего в илоотделитель, водой до минимальной вязкости, регламенти­рованной геолого-техническим нарядом.

Для эффективной очистки бурового раствора от тонкодисперсных частиц выбуренной породы необходимо подобрать оптимальные парамет­ры работы вибросит (подачу раствора, число сеток, размер ячеек сетки), гидроциклонных шламоотделителей (подачу раствора, давление на входе) и поддерживать минимально возможными вязкость и плотность бурового раствора.