§ 10. Очистка буровых растворов

В данном пособии нет специального раздела, посвященного системам с низким содержанием твердой фазы, с применением которых достигаются максимальные технико-экономические показатели работы долот. Одновре­менно, не трудно заметить, что все рецептуры приведенных в главе V рас­творов либо безглинистые либо с низким содержанием твердой фазы.

Существенное повышение концентрации активной твердой фазы (гли­ны, мергели, аморфные известняки) происходит при бурении вследствие загрязнения бурового раствора выбуренной породой. Особенно это ощутимо при высоком темпе углубления скважины.

Для поддержания концентрации твердой фазы на заданном уровне используются механические средства очистки, а также разбавление комбини­рованным реагентом, когда тонкодисперсные фракции не удаляются механи­ческими средствами.

За последние годы создана масса различного оборудования для механической очистки буровых растворов. Их можно разделить на следую­щие виды:

- вибросита

• гидроциклоны

• илоотделители

• сито - гидроциклонные агрегаты

• центрифуги.

Эффективность работы этих устройств в значительной степени зависит от конструктивных особенностей и в немалой степени от технологии приме­нения.

Наиболее эффективными виброситами оказалось оборудование «DER-RICK-M58 и М48» с пирамидальными сетками. На этих агрегатах (два сита) даже при высокой производительности насосов 25-35л/с можно работать сетками с ячейками в 100,150 и 200 мкм.

Из центрифуг наиболее эффективны агрегаты с регулируемым режи­мом работы марки ALFA LAVAL (414 или 418).

Эффективность центробежных устройств (гидроциклон, илоотделитель) во многом зависит от технических характеристик и состояния подающих раствор насосов. При работе этих агрегатов следует стремиться к мак­симальной плотности поступающей из насадок пульпы и минимальным по­терям раствора.

Метод регулирования концентрации твердой фазы с использованием разбавления комбинированным реагентом является практически неотъемле­мой часгью технологии обработки буровых растворов. Это связано с тем, что активные породы как на забое, так и при движении от забоя до поверхности в большом количестве (до 50-70%) диспергируются до частиц малого размера и механическими средствами очистки не удаляются.

Определенное повышение степени очистки достигается с применением высокоэффективных избирательных флокулянтов на основе частично гидро-лизованного полиакриламида большого молекуларного веса (6-10 х 10⁶ ). Мак­ромолекулы этого полимера (ИКСТАБ-Л) укрупняют мелкие частички шлама до более крупных блоков, которые потом удаляются из раствора механиче­скими средствами очистки.

§11. Флокуляционно - коагуляционная установка (фсу, fcu)

При бурении скважин на нефть и газ существуют жесткие экологиче­ские требования как к скважине:, так и к территории bокруг нее. Причем эти требования на сегодняшний день территориально не равномерны. Есть пер­спективные месторождения, которые находятся в заповедных зонах или в местах с ужесточенными экологическими ограничениями по землепользова­нию, где бурение скважин с применением сточных амбаров запрещено. Для таких месторождений разработан и уже применяется в мировой практике (в т.ч. в России), так называемый безамбарный способ бурения, который осуще­ствляется с помощью Флокуляционно-коагуляционной установки (ФСУ).

Применение ФСУ не ограничивает процесс бурения скважины, при этом полностью сохраняется начальная экологическая обстановка территории.

1.11. Принципы работы ФСУ

Основное назначение ФСУ - отделение дисперсной фазы (твердой фазы) от дисперсионной среды (воды) в буровом растворе, отправленном на утилизацию по технологическим причинам. Твердая фаза в виде пастообразного шлама собирается в контейнеры и удаляется на захоронение в специ­ально отведенные места. Вода возвращается обратно в технологический цикл для приготовления новых объемов бурового раствора. Утилизация того или иного объема раствора вызывается следующими технологическими причи­нами:

- из-за повышения плотности вызванной высокой концентрацией ак­тивной твердой фазы, для снижения которой требуется большая степень разбавления;

- из-за ухудшения фильтрационных или реологических характеристик улучшение которых невозможно стандартными обработками;

- из-за большой наработки раствора, хранение которого ограничивается пределами емкостного парка.

В основе процесса отделения дисперсной фазы от дисперсионной сре­ды применяется физико-химический метод обработки бурового раствора специальными реагентами - коагулянтом и флокулятом, приводящий к аг­ломерации частиц твердой фазы в крупные образования - флокулы. Сфлокулированную твердую фазу в дальнейшем отделяют от дисперсионной среды (воды) на центрифуге.

Сам физико-химический метод называется флокуляцией. Целью про­цесса флокуляции является формирование нестабильных суспензий взвешен­ных частиц, т.е. перевод бурового раствора из стабильного в нестабильное.

Коагулянт и флокулянт, участвуя в общем процессе агломерации час­тиц твердой фазы (в конечном итоге - ее флокуляции), работают по разным механизмам.

Коагулянт вызывает дестабилизацию частиц твердой фазы за счет уменьшения или нейтрализации электрического заряда на их поверхностях, которые держат частицы на расстоянии друг от друга. Образующиеся агло­мераты частиц, уже не имея коллоидную природу, являются еще достаточно мелкими для гравитационного осаждения. Дальнейшее укрупнение агломе­ратов происходит с помощью флокулянтов.

Коагулянты - это, в основном, неорганические вещества: сульфат гид­роокиси алюминия, хлорид железа, хлорид магния и другие. Существуют и органические коагулянты на основе полимеров с низкой молекулярной мас­сой. К ним относится и разработанный «ИКФ» катионный коагулянт КФ-91 М, обладающий еще и некоторыми флокулирующими свойствами.

Флокулянт воздействует на частицы твердой фазы без изменения элек­трических свойств, образуя мостики из макромолекул полимера между час­тицами твердой фазы за счет адсорбционных сил.

При флокуляции, по сравнению с коагуляцией, происходит образова­ние более крупных соединений (флокул), оседающих под действием сил тя­жести; при этом повышается механическая прочность флокул и изменяется пористость осадка. Добавление высокомолекулярных флокулянтов сокраща­ет расход низкомолекулярных коагулянтов, необходимых для агрегации час­тиц.

Флокулянт - это в большинстве случаев водорастворимые полимеры с большой молекулярной массой (до 6-10 х 10⁶ у.е.), имеющие анионный, катионный или нейтральный заряд как природного, так и искусственного проис­хождения. Не все полимеры могут быть эффективными флокулянтами. Это зависит от химического состава макромолекул, наличия и числа ионогенных групп в нем, активность которых зависит даже от структуры и электрическо­го заряда поверхности частиц флокулируемой твердой фазы. При определен­ном сочетании этих и других факторов могут возникать достаточно прочные мостиковые связи полимера и частиц твердой фазы, образуя совместные аг­ломераты. Непременным условием флокуляции является возможность ад­сорбции уже закрепленных макромолекул на свободной поверхности других частиц.

При флокуляции твердой фазы в буровых растворах на водной основе наибольшее применение получил флокулянт на основе частично гидролизованного полиакриламида. Высокомолекулярная амидная группа способствует образованию мостиковых связей с частицами твердой фазы благодаря дейст­вию Вандер-ваальсовых связей. На основе этого полимера в виде его моди­фикаций существует целая группа флокулянтов с различными свойствами относительно обрабатываемых суспензий.

В «ИКФ» разработан высокомолекулярный флокулянт ГРИНДРИЛ-ФЛ специально для утилизации буровых растворов на водной основе с различной степенью минерализации. Его применение вместе с катионным коагулянтом КФ-91 М позволяет вести флокуляцию до полного осветления воды при ма­лой степени разбавления (от 1 :0,2 до 1:0,4). Оба peaгента работоспособны в широком диапазоне рН == от 4 до 10. Активность флокулянта ГРИНДРИЛ-ФЛ мало зависит от структуры и распределения зарядов на поверхности частиц твердой фазы и поэтому менее чувствителен к изменению типа выбуренной породы в процессе углубления скважины.

Оба реагента поставляются в жидком виде, что делает их технологич­ными в применении. КФ-91 М - в виде 40% водного раствора, ГРИНДРИЛ-ФЛ - в виде концентрированной эмульсии полимера в органическом раство­рителе. Они применяются в форме разбавленных водных растворов (2-2,5% на товарный продукт). Рабочие растворы коагулянта и флокулянта дозируются в основной поток специальными насосами с toнко регулируемой подачей.

В зависимости от количества твердой фазы в растворе и уровня её ста­бильности рецептура обработки коагулянтом и флокулянтом может менять­ся.

Совокупность факторов заставляет подбирать окончательную рецепту­ру обработки бурового раствора непосредственно на буровой. Эту работу, как и собственно эксплуатацию установки, должен проводить специально обученный специалист по ФСУ.

11.2 Устройство ФСУ

Установка ФСУ включаег в себя блок химической обработки, помещенный в контейнер, а также смонтированную на металлической раме, деконтирующую центрифугу, укомплектованную питающим винтовым насосом с изменяющейся скоростью подачи. Установка комплектуется также электрической системой управления, сведенной на пульт управления, а также всеми обвязочными материалами: трубами, шлангами с быстросъемными соединениямк; и вентилями. По желанию заказчика в блок ФСУ может быть включена небольшая мастерская с инструментами и запчастями.

Все электрооборудование, включая центрифугу и насос, изготовлено во взрывобезоласном исполнении и соответствует Российским стандартам экс­плуатации. В состав электрооборудования входит также калориферная, вен­тиляционная и осветительная аппаратура.

Секция химической обработки располагается в 20-ти футовом или 30-ти футовом контейнере, в котором имеется дополнительный лабораторный отсек с пультом управления. Внутри секции располагаются нержавеющие стальные резервуары на 1500л каждый для приготовления растворов коагу­лянта (один резервуар) и флокулянта (два резервуара). Все резервуары снаб­жены двумя дублированными дозировочными насосами и стационарными перемешивателями. На каждом из них имеется устройство для подачи реа­гентов, с помощью которых устраняется их komkoвание во время растворения. Использование двух резервуаров для флокулянта вызвано его большим временем растворения по сравнению с коагулянтом. На этой же площади располагается двухсекционная ловушечная емкость, снабженная двумя отка­чивающими насосами. С ее помощью можно не прерывая процесса произво­дить корректировку рецептуры и следить за качеством осветления воды, вы­ходящей из центрифуги.

В состав секции может входить полиэтиленовый кислотный резервуар на 800л с двумя дозирующими насосами в кислотостойком исполнении. Этот узел применяется, если есть необходимость в предварительном регулирова­нии рН утилизированного бурового раствора.

Кислотный резервуар снабжен автоматическим сигнализатором нижне­го уровня с выводом на пульт управления.

Весь резервуарный и насосный парк обвязан трубопроводимой и запорной арматурой. Схема обвязки обладает гибкостью и позволяет использо­вать оборудование ФСУ для разных задач:

1. Утилизация отдельных объемов раствора.

2. Частичное удаление выбуренной твердой фазы с возвращением «об­легченного» раствора в циркуляционную системy.

При утилизации бурового раствора, он по рабочему трубопроводу с помощью винтового насоса подается в секцию химической обработки. На основе подобранной рецептуры обеспечивается темп ввода рабочих раство­ров флокулянта и коагулянта дозировочными насосами Их регулировка про­водится с пульта управления. На время выхода в рабочий режим обработки, раствор возвращается обратно в емкость хранения. В то же время (или ра­нее) центрифуга приводится в эксплуатационный режим (примерно 1800об/мин). При удовлетворительной оценке воды, oна направляется в во­дяную емкость. Твердая фаза в виде пастообразной массы из центрифуги со­бирается в специальные контейнеры для дальнейшего вывоза в места захоро­нения.

Для этого режима работы ФСУ важно правильное осуществление ввода и распределения реагентов в потоке утилизируемого раствора: вначале ки­слота и раствор флокулянта, далее поток проходит через винтовой перемешиватель «турбулизатор», которым флокулянт равномено распределяется в потоке, и последним вводится рабочий раствор коагулянта. От точки ввода коагулянта до центрифуги участок трубы имеет несколько специальных раз­воротов для обеспечения мягкого перемешивания при завершении флокуляции. Этот участок должен быть не слишком коротким, чтобы реагенты успе­ли сработать, и не слишком длинным, чтобы в потоке не разрушились обра­зованные флокулы.

В процессе работы иногда бывает выход из оптимального режима флокуляции ( по появлению мутности в воде). Раствор через вторую секцию ловушечной емкости отправляется обратно в емкость хранения. Потом уточня­ется дозировка и поток вновь направляется в центрифугу.