6.12.2 Гідроциклонні шламовідділювачі

• У бурінні гідроциклони (рисунок 6.31) використовують для відділення грубодисперсного шламу від бурового розчину. Як шламовідділювачі гідроциклони часто можуть конкурувати навіть з віброситами. Так, при видаленні частинок шламу розміром менше 0,5 мм економічна ефективність

г ідроциклонів і вібросит однакова, якщо обробляється не обважнений буровий розчин.

а, б –схема роботи; в – загальний вигляд

Рисунок 6.31 - Гідроциклони

Із зменшенням розміру частинок шламу ефективність гідроциклонів підвищується, а переваги їх при видаленні шламу з розміром частинок менше 74 мкм стають безперечними.

Гідроциклон є циліндром, сполученим з усіченим переверненим конусом. Нижня частина конуса закінчується насадкою для зливу пісків, а циліндрова частина обладнується вхідною насадкою, через яку нагнітається буровий розчин, і зливним патрубком, через який відводиться очищений розчин.

Буровий розчин насосом подається через вхідну насадку в циліндрову частину гідроциклона по дотичній до внутрішньої поверхні. Володіючи великою швидкістю на вході, частинки шламу під дією інерційних сил відкидаються до стінки гідроциклона і рухаються до пестикової насадки відповідно до закону Стокса. Тонкодисперсні частинки шламу разом з компонентами бурового розчину зосереджуються в спіралевидному потоці, рухомому від до верху низу. Потрапляючи в зливний патрубок, очищений розчин виводиться з циклону, а шлам (піски) переміщається зовнішнім, рухомим вниз спіралевидним потоком до пестикової насадки і вивантажується через неї разом з деякою частиною бурового розчину.

Технологічні показники роботи циклону при розділенні суспензії на рідку і тверду фази погіршуються при зменшенні тиску подаючого насоса, збільшенні в'язкості або густині рідини, що подається, підвищенні концентрації твердих частинок в суспензії, пониженні густини твердої фази, зменшенні розміру відокремлюваних частинок, різкій відмінності форми частинок від сферичної, скороченні розміру отвору пестикової насадки.

Гідроциклонуючий шлам віддільників ділять на піско- і муловідділювачі умовно. Пісковідділювачі - це об'єднана єдиним подаючим і зливним маніфольдом батарея гідроциклонів діаметром 150 мм і більш. Муловідділювачі називають аналогічні пристрої, складені з гідроциклонів діаметром 100 мм і менш. Число гідроциклонів в батареях піско- і муловідділювача різне. Ці апарати повинні обробляти весь циркулюючий буровий розчин при будь-якій подачі бурових насосів. Пропускна здатність пісковідділювача повинна складати 125 %, а муловідділювача 150 % від максимальної подачі насоса. Це дозволяє гарантувати обробку всього потоку бурового розчину на гідроциклоних шламовідділювачах.

У вітчизняній практиці широко поширений гідроциклонний шламовіддільник 1ПГК, званого пісковідділювачем. Він є батареєю з чотирьох паралельно працюючих гідроциклонів діаметром 150 мм. Буровий розчин в гідроциклони подається вертикальним шламовим насосом.

Пісковідділювач 1ПГК здатний обробляти до 60 л/с бурового розчину і видаляти з нього частинки шламу розміром 60 мкм при якнайменшому допустимому тиску близько 0,2 МПа. Загальна маса установки складає 1310 кг.

В даний час застосовують надійніші моделі пісковідділювачів ПГ-50 і ПГ-90: число позначає пропускну спроможність (у л/с). Вони відрізняються стійкішими і довершеними формою гумовими елементами.

Крім того, в багатьох районах Росії упроваджені шлам об віддільників з гідроциклонами діаметрами 75 і 100 мм, так звані муловідділювачі. Вони є блоком з 12—16 гідроциклонів, встановлених на загальній рамі і мають загальне введення розчину і піддон для збору мулу (шламу з розчином). Для подачі розчину використовується вертикальний шламовий насос.

Ефективність розділення суспензії за допомогою гідроциклонів покращується із збільшенням тиску на вході. Проте досвід роботи з буровими розчинами показує, що оптимальне значення тиску для пісковідділювача складає 0,25 МПа, а для муловідділювача — 0,32 МПа. Такі умови досягаються при тиску в нагнітальній лінії насоса 0,4-0,5 МПа.

Основним методом регулювання роботи гідроциклонів в умовах буріння свердловин є зміна розмірів отвору для скидання пісків або мулу. При високих швидкостях буріння цей отвір повинен бути достатньо великим. Але якщо воно виявиться більше, ніж необхідно для видалення з розчину вибуреної породи, то ефективність роботи циклону знизиться, а втрати розчину з шламом зростуть.

Урівноважений гідроциклон має якнайкращі характеристики тільки у тому випадку, коли злив пісків йде у вигляді парасольки, а не у вигляді шнура. Слід пам'ятати, що у сучасних гідроциклонів нижній отвір є каналом розвантаження, а не штуцером. При правильній роботі циклону допускаються втрати розчину з шламом від 1 до 5 %. Прагнення одержати за допомогою гідроциклонів майже сухий шлам приводить також до погіршення розділення суспензії; тонкодисперсні, необхідні для розчину частинки глини не можуть потрапити у висхідний вихор і несуться пісками у відвал.

Основною контрольованою робочою характеристикою гідроциклонів є густина пісків (мулу). Густина нижнього продукту зливу повинна бути на 0,30-0,42 г/см³ вище густині очищеного розчину.

У зв'язку з високою ефективною в'язкістю розчинів на вуглеводневій основі (РВО) ефективність роботи гідроциклонних апаратів знижується. Густина згущуючого продукту при очищенні необважнених бурових розчинів на вуглеводневій основі при одній і тій же кількості піску, що видаляється, буде менше, ніж при очищенні розчину на водній основі. Наприклад, згущуючий продукт, що містить 25 % твердої фази, при густині розчину 1,14 г/см³ має густину 1,48 г/см³, тоді як в РВО густиною 1,02 г/см³ згущуючий продукт має густину 1,39 г/см³.

Звичні муловідділювачі не застосовують для очищення бурових розчинів, що обважнюють, оскільки, видаляючи частинки шламу розміром 25 мкм, вони також видаляють з розчину практично весь барит з частинками розміром більше 16 мкм і частина бариту з частинками меншого розміру. При очищенні муловідділювачем важких розчинів 95 % шламу складатимуть крупні частинки і одночасно втрачатиметься до 50 % бариту.

• Останніми роками для очищення обважнених бурових розчинів застосовуються так звані сепаратори (рисунок 6.32), які складаються з гідроциклонного муловідділювача 1, встановленого над вібруючою мілкоячейною просіваючою сіткою 2. Буровий розчин, що обважнює, очищений за допомогою вібросита, подається відцентровим насосом в батарею гідроциклонів, де він розділяється на той, що обважнює і не обважнює. Потік, що не обважнює, повертається в циркуляційну систему, а той, що обважнює через пестикові насадки потрапляє на мілкоячейне вібросито, де частинки шламу, які крупніші за частинки обважнювача, скидаються у відвал, а решта частини обважненого бурового розчину просівається через вібросито і, повернувшись в циркуляційну систему, з'єднується з необважненою частиною розчину.

Рисунок 6.32 - Схема та загальний вигляд гідроциклонного сепаратора

У зв'язку з тим, що потік обважненого розчину значно менше потоку не обважнює, можна використовувати в сепараторах мілкоячейні вібруючі сітки і таким чином значно поліпшити очищення обважнених бурових розчинів.

В даний час розроблена технологія очищення бурових розчинів по триступінчатій системі, яка успішно упроваджена у ряді районів країни. Ця технологія передбачає очищення: грубу — на віброситі, тонку — на піско- і муловідділювач. В результаті з бурового розчину віддаляється не менше 60 % вибуреної породи, зокрема частинки розміром до 30 мкм.