Дегазатор постоянного объёма непрерывного действия
CONTINUOUS-ACTION CONSTANT VOLUME DEGASSER

Изобретение относится к нефтяной и газодобывающей промышленности, а именно к дегазационной технике, и может быть использовано для извлечения растворенного газа из бурового раствора (при проведении буровых работ циркулирующую в скважине жидкость принято называть буровым раствором или промывочной жидкостью (drilling mud, drilling fluid), далее будет использоваться термин «промывочная жидкость», сокращенно – ПЖ) путем непрерывного отбора части промывочной жидкости при постоянном температурном режиме из потока на выходе из нефтяной скважины с последующим его перемешиванием до образования газовоздушной смеси, предназначенной для дальнейшей транспортировки и покомпонентного анализа.
Для целей регулярного контроля промывочной жидкости по содержанию свободного газа и истинной плотности разработана методика определения концентрации свободного газа в газированных растворах компрессионным методом, разработаны и внедрены ручные и автоматические приборы для проведения регулярного контроля (Бережной А.И., Дегтев Н.И. Дегазация промывочных растворов в бурении. - М.: Гостоптехиздат, 1963, 164 с.; Дегтев Н.И., Зинкевич А.И. Контроль и дегазация буровых промывочных жидкостей. - М.: Недра, 1978, 152 с.). Из этих источников информации известны: плунжерный прибор ВГ-1 (SU 147364, опубл. 1962, №10), ВГ-2, модернизированный прибор ВМ-6 (ручные приборы); автоматический прибор для непрерывного замера свободного газа в буровом растворе, автоматические приборы АКГ, автоматические комплексы АК-1 и АК-2.
Недостатком известных ручных приборов является их непригодность для организации непрерывного высокоточного контроля параметров промывочной жидкости  по содержанию свободного газа.
Недостатками всех известных автоматических приборов для определения содержания свободного газа в промывочной жидкости компрессионным методом являются:
− дискретность измерения со временем цикла 3 минуты (20 измерений в час);
3
− малый объем измеряемой пробы (100 см);
− низкая точность измерения.
Эти недостатки не так существенны при общем контроле параметров промывочной жидкости, но они не позволяют использовать эти приборы при газовом каротаже. Газовый каротаж — метод измерения, позволяющий определить количество углеводородных газов, поступающих в глинистый раствор при бурении скважины. Результаты газового каротажа позволяют выделить газонасыщенные пласты. Например, при скорости разбуривания пласта-коллектора 60 м/час (что характерно для Западной Сибири) одно определение будет приходиться на 3 м проходки, что для газового каротажа совершенного неприемлемо.
х
Известно устройство для непрерывного определения объемной газонасыщенности бурового раствора путем установки на разъемном устье 3 высокоточных датчиков давления (Лукьянов Э.Е., Стрельченко В.В. Геолого-технологические исследования скважин. - М.: Нефть и газ, 1997, 688 с.), но, к сожалению, из-за малой высоты разъемного устья и малой измерительной базы реализовать этот перспективный метод определения объемной газонасыщенности бурового раствора (ПЖ) удается далеко не всегда.
Известно устройство для автоматического измерения объемного газосодержания бурового раствора по SU 1492239, 14.10.1987, содержащее пробоотборную и измерительную камеры. При работе данного устройства отбор проб на анализ производят без использования насоса для подачи раствора за счет поступления бурового раствора самотеком при погружении приемной части под уровень в желобе. Недостатком данного устройства является низкая надежность при работе на вязких буровых растворах. Надежной работе устройства не способствует и наличие в нем большого количества механических элементов. Кроме того, небольшой объем пробы и достаточно длительный цикл ее исследования серьезно снижают его информационную ценность.
Известен дегазатор буровой промывочной жидкости, который содержит корпус с открытым днищем, размещаемый в резервуаре с газированным буровым раствором. На крышке корпуса закреплен двигатель и вмонтированы отводы газа со штуцерами для подключения к газо-воздушной линии. На валу двигателя закреплен фланец, на котором симметрично через 120° по окружности под углом от 5 до 15° относительно оси вращения вала смонтированы полые трубки, ориентированные снизу вверх, выполняющие функцию центробежного насоса. В каждой из трубок в нижней части образованы заборные отверстия, расположенные по ходу вращения двигателя, для забора загазованного бурового раствора из резервуара, а сверху – выпускные отверстия, направленные в сторону стенок корпуса, для выхода дегазированного раствора. Между крышкой корпуса и над центробежным насосом на элементах крепления полых трубок смонтирован перфорированный диск с возможностью его вращения совместно с насосом. В нижней части корпуса выполнены окна слива для вывода стекающего дегазированного раствора из дегазатора (патент РФ № 185084, МПК Е21В21/06, опубл. 21.11.2018).
Данное устройство, предназначенное для очистки бурового раствора от растворенных в нем газов, не может быть использовано для непрерывного обора определенного количества промывочной жидкости для целей последующего анализа содержащихся в ней растворенных газов. Недостатком известного устройства является возможность быстрого загрязнения элементов дегазатора из-за образования глинистой корки, что приводит к уменьшению эффективности дегазации. По этой же причине необходим частый сервис (промывка, очистка дегазатора).
Известен дегазатор, содержащий вертикальный центробежный насос, снабженный газоотводной трубкой и направляющими лопатками на входе потока дегазируемой жидкости, и вертикальную пустотелую цилиндрическую дегазационную емкость. Газоотводная трубка и дегазационная емкость сообщены с устройством для откачки газа. Емкость соединена с насосом питающей трубой, раздваивающейся на два трубопровода. Оба трубопровода расположены внутри верхней части дегазационной емкости и имеют форму двойной спирали. Выходные концы трубопроводов размещены в противоположных сторонах внутренней стенки дегазационной емкости и выполнены направленными по касательной к ней. На входе трубопроводов установлены регулирующие задвижки (патент РФ № 130231, МПК B01D19/00, опубл. 20.07.2013 прототип).
Недостатком известного устройства является то, что он предназначен для очистки промывочной жидкости  от газа в процессе бурения, т.е. является одним из элементов системы очистки промывочной жидкости и не может быть использован для извлечения определенного количества газа, необходимого непрерывного анализа количества и состава газа в промывочной жидкости.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в возможности максимального (близкого к 100%) извлечения газа из промывочной жидкости в процессе бурения при постоянных условиях с целью определения количественного содержания газа в газовоздушной смеси, содержащейся промывочной жидкости  для последующего анализа извлеченного газа.
Целью является повышение точности и стабильности определения содержания газа в газовоздушной смеси, извлеченной из промывочной жидкости в процессе бурения.
Преимуществом заявляемого устройства по сравнению с известными аналогами являетсяповышение и стабилизация дегазации при исключении ее зависимости от уровня промывочной жидкости и ее температуры, что обеспечивает надежность работы устройства в тяжелых климатических условиях.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью признаков, состоит в получении на выходе устройства непрерывного потока газовоздушной смеси, извлеченной из промывочной жидкости, являющегося источником представительных проб для анализа газа, содержащегося в промывочной жидкости в процессе бурения, что, в свою очередь, позволяет повысить точность и стабильность определения содержание газа в газовоздушной смеси, извлеченной из промывочной жидкости.
Термины, используемые авторами в настоящем описании, имеют следующие толкования:
Под постоянными условиями подразумевается обеспечение постоянного объема дегазируемой промывочной жидкости в единицу времени при постоянной температуре.
Постоянный объем – объем промывочной жидкости, из которой извлекается содержащийся в ней газ, прокачиваемый в единицу времени. Этот постоянный объем в единицу времени (или расход) обеспечивается применением перистальтического насоса. Для заявляемого устройства постоянный объем составляет от 3 до 5 л/мин.
Термостабилизация – поддержание постоянной температуры обрабатываемой промывочной жидкости не ниже 55°, при которой газы, содержащиеся в промывочной жидкости, находятся в газообразном состоянии.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью признаков, состоит в получении на выходе устройства непрерывного потока газовоздушной смеси, извлеченной из промывочной жидкости, являющегося источником представительных проб для анализа газа, содержащегося в промывочной жидкости в процессе бурения, что, в свою очередь, позволяет повысить точность и стабильность определения содержание газа в газовоздушной смеси, извлеченной из промывочной жидкости.
Для обеспечения технического результата дегазатор постоянного объема включает перестальтический насос, дегазационную камеру, при этом дегазатор содержит пробоотборное устройство, выполненное в виде перфорированного в нижней части цилиндра, в центре которого помещен ротор, содержащий лопасти, размещенные вдоль него по спирали, связанного с перестальтическим насосом, выход которого соединен со смесителем, содержащим смесительную камеру со смесительным венчиком, брызгогасителем и дегазационную камеру. Лопасти пробоотборного устройства дегазатора выполнены поочередно сужающимися и расширяющимися книзу, при этом наружная часть лопастей имеет скругленную форму. Перфорация перфорированного пробоотборного устройства выполнена в виде отверстий диаметром от 2,5 до 7,5 мм. Ротор пробоотборного устройства связан с гибким валом и через стыковочный узел с редуктором перестальтического насоса, при этом стыковочный узел содержит фрикционную муфту, предохраняющую кинематический механизм от перегрузок, возникающих в случае заклинивания лопастей ротора пробоотборного устройства. Смесительный венчик, установленный в смесительной камере, выполнен расширяющимся книзу с лопастями, установленными под углом от 20 до 25 градусов к вертикали, при этом угол между лопастями равен 120 градусам. Смесительная камера имеет выходной патрубок для отбора выделяемой газовоздушной смеси и штуцер для подсоса воздуха. Дегазатор содержит программируемый частотный преобразователь, обеспечивающий защиту по току и возможность регулировки частоты вращения перистальтического насоса, а соответственно, расхода промывочной жидкости, через который оба двигателя дегазатора подключаются к сети. Дегазатор содержит два двигателя, один из которых приводит в движение перистальтический насос, второй двигатель приводит во вращение венчик смесителя, а также термочехол. На выходе из перистальтического насоса перед входом в смеситель установлен нагреватель.
Сущность заявляемого изобретения поясняется рисунками, где:
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства.
На фиг. 2 представлена функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг. 3 представлено пробоотборное устройство.
На фиг. 4 представлено изображение смесителя.
Рисунки на фиг. 1–3 включают следующие позиции:
1 – пробоотборное устройство,
2 – перистальтический насос,
3 – смеситель,
4 – термочехол,
5 – электродвигатель смесителя,
6 – электродвигатель перистальтического насоса,
7 – смесительная камера,
8 – дегазационная камера,
9 – штуцер для подсоса воздуха,
10 – штуцер для отбора газо-воздушной смеси,
11 – газовоздушная линия,
12 – венчик с лопастями,
13 – гибкий вал,
14 – всасывающий шланг,
15 – сливной шланг,
16 – желоб (выход из скважины ПЖ),
17 – ротор,
18 – корпус пробоотборого устройства,
19 – верхний подшипник,
20 – лопасти спиралевидной формы,
21 – нижний подшипник,
22 – выходной штуцер,
23 –  заборные отверстия для всасывания ПЖ.
Дегазатор постоянного объема непрерывного действия (далее – дегазатор) (фиг. 1) включает пробоотборное устройство 1, связанное с перистальтическим насосом 2, выход которого соединен со смесительной камерой 7 смесителя 3, соединенного газовоздушной линией с газоаналитическим блоком станции геолого-технологических исследований (ГТИ). Для эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды устройство заключается в термочехол 4, надеваемый на дегазатор и всасывающий шланг и поддерживающий постоянную температуру +40°С. Дегазатор может содержать датчики давления, температуры и удельного электрического сопротивления (на чертежах не показаны).
Пробоотборное устройство 1 погружается в желоб 16 (выход из скважины промывочной жидкости) и создает условия беспрепятственного всасывания промывочной жидкости перистальтическим насосом 2.
Пробоотборное устройство 1 выполнено в виде цилиндра, в нижней части которого имеются отверстия, в центре помещен внутренний ротор 17 с лопастями 20 спиралевидной формы (фиг. 3). Лопасти выполнены поочередно сужающимися и расширяющимися книзу, при этом наружная часть лопастей имеет скругленную форму.
Спиральная форма лопастей при вращении препятствует скапливанию шлама (выбуренной породы) в нижней части пробоотборника. В зависимости от вращения по часовой стрелке/против часовой стрелки лопасти или выбрасывают шлам вверх, или вниз как бур.
Лопасти, вращаясь, очищают заборные отверстия 23 для всасывания промывочной жидкости. Заборные отверстия имеют диаметр от 2,5 до 7,5 мм и расположение, оптимальное относительно потока промывочной жидкости.
Приведенный размерный интервал диаметров заборных отверстий является оптимальным. Если диаметр заборного отверстия будет меньше 2,5 мм, то оно будет плохо пропускать промывочную жидкость; если диаметр заборного отверстия будет больше 7,5 мм, то в рабочий объем цилиндра будут попадать крупные частицы выбуренной породы, которые могут его забить.
Ротор 17 пробоотборного устройства 1 приводится во вращение гибким валом 13, который снимает вращающий момент с редуктора перистальтического насоса 2. Вал имеет длину 3 метра и соединяется с редуктором насоса при помощи специального стыковочного узла (не рисунке не показан).
Конструкция стыковочного узла включает шпильку, соединяющую вал редуктора перестальтического насоса 2 с резьбовым концом гибкого вала. Все защищено фланцем, закрепленным на редукторе, к фланцу прикреплен (привинчен) кожух (внешняя оболочка гибкого вала).
Смеситель 3 включает двигатель 5, смесительную камеру 7, дегазационную камеру 8, расположенную в верхней части смесителя 3 над смесительной камерой 7.
В смесительной камере 7 установлен венчик 12, расширяющийся книзу (пирамидальной формы), с тремя лопастями. Лопастей может быть больше, но количество их не усиливает положительный результат. Лопасти венчика установлены под углом от 20 до 25 градусов к вертикали. Угол между ними – 120 град. Данный интервал является оптимальным для использования венчика по указанному назначению. На штоке венчика в верхней части установлен брызгогаситель (на рисунке не показан). Брызгогаситель выполнен круглым, имеет больший диаметр, чем круглое окно, расположенное над ним и отделяющее объем дегазационной камеры от смесительной камеры. Брызгогаситель установлен с зазором, предпочтительно не менее 2 мм, ниже этого окна и предотвращает прямое попадание брызг наверх в дегазационную камеру. На брызгагасителе сверху приварены маленькие лопатки для отбрасывания брызг, которые могут попасть в этот зазор.
Дегазационная камера, установленная над смесительной камерой и брызгогасителем, имеет высоту 2,5 см и относительно небольшой объем. Дегазационная камера имеет два штуцера, один из которых 10 служит для отбора газовоздушной смеси для анализа, а второй 9 служит для подсоса воздуха с целью выравнивания давления в дегазационной камере. К штуцеру 10 присоединяется газовоздушная линия 11 для отбора газовоздушной смеси и подачи выделенных газов в газоанализатор.
Электродвигатель перистальтического насоса и электродвигатель смесителя подключаются к сети через программируемый частотный преобразователь, обеспечивающий защиту по току и возможность регулировки частоты вращения перистальтического насоса, а соответственно, расхода промывочной жидкости.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Пробоотборное устройство 1, выполненное в виде перфорированного в нижней части цилиндра дегазатора, погружается в желоб 16 (выход из скважины промывочной жидкости), обеспечивая беспрепятственное всасывание промывочной жидкости перистальтическим насосом 2. Беспрепятственное всасывание промывочной жидкости через отверстия перфорации в нижней части пробоотборного устройства обеспечивается их оптимальным размером от 2,5 до 7,5 мм и выполнением лопастей (20) спиральной формы (рис. 3), которые при вращении очищают входные заборные отверстия от фрагментов выбуренной породы, содержащейся в промывочной жидкости, и препятствуют скапливанию шлама (выбуренной породы) в нижней части пробоотборника. Если отверстия (перфорацию) в пробоотборном устройстве не очищать, то они могут быстро забиться (заблокироваться) кусочками выбуренной породы и всасывание промывочной жидкости затруднится и может быть быстро полностью прекращено. Вращение на ротор 17 пробоотборного устройства 1 передается гибким валом 13 от редуктора перистальтического наноса 2.
Промывочная жидкость непрерывно поступает в перистальтический насос 2. Насос 2 создает поток с постоянным расходом, который поступает в смеситель 3 через нижнее фланцевое соединение, затем перемешивается смесителем со скоростью около 1500 об/мин.
В смесителе венчик пирамидальной формы с тремя лопастями разбивает промывочную жидкость и формирует газовоздушную смесь (смесь газа, выделившегося из промывочной жидкости и воздуха) с постоянным коэффициентом дегазации. Газовоздушная смесь скапливается в дегазационной камере 8. Газовоздушная смесь – смесь газа (отбираемого для анализа) и атмосферного воздуха. Линия, по которой производится транспортировка газовоздушной смеси далее – газовоздушная линия 11.
В зависимости от условий эксплуатации дегазатор оснащается термочехлом и/или подогревателем промывочной жидкости (на рисунках не показан). В условиях бурения на морском шельфе с применением водоотделительной колонны (райзера), углеводородные газы из-за охлаждения промывочной жидкости при прохождении через райзер могут выпадать в жидкую фазу. Это не дает возможности получить представительные результаты газового анализа. С целью подогрева промывочной жидкости после перистальтического насоса, но перед входом в смеситель, устанавливается нагреватель промывочной жидкости  (на рисунках не показан), поддерживающий температуру потока промывочной жидкости не ниже 55°С.
При данных условиях углеводородные газы, содержащиеся в промывочной жидкости и подлежащие анализу, находится в газообразном состоянии, благодаря чему могут быть удалены из промывочной жидкости и направлены на анализ.
Далее, газо-воздушная смесь подается в станцию геолого-технологических исследований (ГТИ), где производится ее покомпонентный анализ на хроматографе. Отработанная промывочная жидкость  сливается из смесительной камеры через сливной шланг 15 обратно в циркуляционную систему буровой установки.
Возможность реализации заявленного устройства иллюстрируется техническими характеристиками заявляемого устройства, приведенными в таблице 1.
Таблица 1
Перистальтический насос:
Внутренний (рабочий) диаметр шланга
Мм
16
Номинальное число оборотов ротора насоса
об/мин
35
Мощность электродвигателя насоса
кВт
1,1
Номинальная частота вращения вала электродвигателя насоса
об/мин
1480
Производительность насоса
м<sup>3</sup>/час
0,1–0,3
Максимальное давление, создаваемое насосом
кгс/см<sup>2</sup>
12
Смеситель:
Мощность электродвигателя смесителя
кВт
0,55
Номинальная частота вращения вала электродвигателя смесителя
об/мин
1500
Питание
В
380
Масса (в сборе), не более
Кг
120
Габариты, не более (ДхШхВ)
Мм
750×500×700
Устройство может быть изготовлено в серийном производстве на имеющемся стандартном оборудовании с использованием стандартных комплектующих.