ВИБРАЦИОННОЕ СИТО ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМ ВИБРОПРИВОДОМ РЕЗОНАНСНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА И ОСУШКИ ШЛАМА
HF VIBRATION SIEVE WITH POWER SAVING VIBRATION DRIVE OF RESONANCE ACTION FOR INTENSIVE MUD CLEANING AND SLUDGE DRYING

Изобретение относится к вибрационным ситам для очистки бурового раствора и осушки шлама, применяемым в процессе бурения и капитального ремонта нефте- и газодобывающих скважин, и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.
Известно вибросито по авторскому свидетельству СССР №848084 с формулой изобретения: 1. Вибросито, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов на станину и снабженную вибратором, два последовательно расположенных ситовых полотна, закрепленных на раме, причем разгрузочный конец первого ситового полотна расположен над загрузочным концом второго полотна, установленного наклонно в сторону разгрузки материалов под углом 5°, и подающий желоб, отличающееся тем, что с целью расширения технологических параметров первое ситовое полотно установлено наклонно в сторону загрузки материалов с возможностью изменения угла наклона от 0 до 10°. 2. Вибросито по п.1, отличающееся тем, что рама снабжена механизмом регулирования угла наклона первого ситового полотна.
Недостатком данного аналога является то, что важнейшие характеристики вибрационного сита - амплитуда и частота колебаний, а также вид колебаний рамы с ситовыми полотнами в формуле изобретения и в описании - не указаны, вследствие чего технический уровень вибросита как законченного и готового к промышленному применению устройства не известен.
Известно вибросито по патенту РФ от 26.04.2001 г. №2186635 с формулой изобретения: 1. Вибросито, включающее станину, раму, установленную с помощью амортизаторов и снабженную вибратором, два последовательно закрепленных на раме ситовых полотна, первое из которых установлено с возможностью изменения угла наклона от 0° до 10°, а его разгрузочный конец расположен над загрузочным концом второго ситового полотна, отличающееся тем, что оно снабжено верхним ярусом, состоящим из жесткого рамочного сита с предварительно натянутым ситовым полотном, и выполнено с возможностью регулировки рамы на угол наклона от -2 до +10°. 2. Вибросито по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено люком для направления бурового раствора на первое ситовое полотно.
Данный аналог имеет такой же недостаток, как и у предыдущего аналога.
-0,3
+1
В качестве прототипа выбрано вибрационное сито СВ1Л (см. стр.3-8 в источнике: Руководство по эксплуатации СВ1Л 00.00.000 РЭ «Сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л», РСТ АЯ24, ОАО НПО «Бурение», г. Краснодар, 1996. Анализ указанного руководства по эксплуатации, а также графических и табличных данных, приведенных на листе 2а, стр.3 и 4 в ТУ 39-0147001-145-96 «Сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л. Технические условия», АООТ НПО «Бурение», г. Краснодар, 1996, позволяет сфорулировать следующие существенные признаки прототипа, - вибрационное сито для очистки бурового раствора и осушки шлама, содержащее станину, раму вибрирующую с закрепленными на ней сменными ситовыми кассетами, вибратор линейных колебаний, закрепленный на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, причем вибратор линейных колебаний образован двумя дебалансными вибраторами, которые соединены с валами электродвигателей лепестковыми муфтами, или вибратор линейных колебаний образован двумя дебалансными мотор-вибраторами, при этом вибратор линейных колебаний выполнен с возможностью сообщения раме вибрирующей линейных колебаний на частоте 23-25 Гц при амплитуде колебаний, настроенной в пределах от 2 до 2 мм, вибратор линейных колебаний установлен на раме вибрирующей так, что угол между поверхностью ситовых кассет и осью симметрии вибратора равен 45°, четыре пружины, на которых рама вибрирующая установлена на станине, устройства закрепления ситовых кассет на раме вибрирующей, устройство для регулировки угла наклона рамы вибрирующей, шибер с механизмом управления, поддон с выпускными окнами для очищенного бурового раствора, который размещен в станине, приемную емкость для бурового раствора, которая на входе содержит приемный патрубок с фланцем для подвода бурового раствора к вибрационному ситу, а на выходе оснащена полкой с отверстиями для равномерного распределения бурового раствора по ширине ситовой кассеты, принимающей буровой раствор на обработку, вибрационное сито выполнено с возможностью выполнения следующих функций: фильтрация бурового раствора через ситовые кассеты и отделение шлама, транспортирование шлама по ситовым кассетам и сброс шлама в отвал, осушка шлама при его транспортировании до сброса в отвал, при этом профильтрованный буровой раствор собирается в поддоне вибрационного сита и отводится самотеком в желоб или емкость циркуляционной системы, вибрационное сито выполнено с возможностью его настройки на различные режимы работы в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи путем изменения угла наклона рамы вибрирующей, а также путем изменения амплитуды колебаний рамы вибрирующей за счет изменения настройки дебалансов вибраторов.
Недостаток прототипа, - степень очистки бурового раствора и пропускная способность вибрационного сита не соответствуют возможностям применяемых в настоящее время мелкоячеистых ситовых кассет. Например, фирма Scomi выпускает для своих вибрационных сит ситовые панели с размером ячейки от 862 до 48,8 мкм, при этом в интервале от 100 мкм и менее фирма выпускает ситовые панели с размером ячейки: 91,8; 77,8; 63,4; 53,8; 48,8 (стр.11 в каталоге Scomi. Сводный каталог. Оборудование. Системы очистки бурового раствора. Copyright. 2010 Scomi Oiltools Bermuda Limited.All Rights Reserved). Размер ячейки в 100 мкм в ситовой кассете указан для сравнения как сетки с минимальным размером ячейки, применяемой на вибрационном сите СВ1Л - прототипе (стр.4 в источнике: Сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л. Руководство по эксплуатации СВ1Л 00.00.000 РЭ. ОАО НПО «Бурение», г. Краснодар, 1996).
2
Задачей изобретения является интенсификация очистки бурового раствора и осушки шлама на вибрационном сите для расширения возможностей применения мелкоячеистых ситовых кассет. Применение мелкоячеистых ситовых кассет существенно улучшает показатели бурения. Интенсификация процесса очистки бурового раствора и осушки шлама обеспечивается путем увеличения частоты колебаний рамы вибрирующей до 50 Гц при регулирования виброускорения рамы вибрирующей в пределах от 0 до 10 G где G=9,81 м/c.
Решение задачи обеспечивается тем, что предлагаемое вибрационное сито высокочастотное с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама содержит станину, раму вибрирующую с закрепленными на ней сменными ситовыми кассетами, вибратор линейных колебаний, установленный на плите, закрепленной на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, вибратор линейных колебаний установлен на раме вибрирующей так, что угол между поверхностью ситовых кассет и прямой направления силового действия вибратора равен 45°, четыре пружины, на которых рама вибрирующая установлена на станине, устройства закрепления ситовых кассет на раме вибрирующей, устройство для регулировки угла наклона рамы вибрирующей, шибер с механизмом управления, поддон с выпускными окнами для очищенного бурового раствора, который размещен в станине, приемную емкость для бурового раствора, которая на входе содержит приемный патрубок с фланцем для подвода бурового раствора к вибрационному ситу, а на выходе оснащена полкой с отверстиями для равномерного распределения бурового раствора по ширине ситовой кассеты, принимающей буровой раствор на обработку, вибрационное сито выполнено с возможностью выполнения следующих функций: фильтрация бурового раствора через ситовые кассеты и отделение шлама, транспортирование шлама по ситовым кассетам и сброс шлама в отвал, осушка шлама при его транспортировании до сброса в отвал, при этом профильтрованный буровой раствор собирается в поддоне вибрационного сита и отводится самотеком в желоб или емкость циркуляционной системы, вибрационное сито выполнено с возможностью его настройки на различные режимы работы в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи путем изменения угла наклона рамы вибрирующей, а также путем изменения амплитуды колебаний рамы вибрирующей, вибратор линейных колебаний выполнен в виде однотактного вибратора резонансного действия с электромагнитным приводом, вибратор выполнен на основе электромагнита тянущего типа с возможностью колебаний якорной части однотактного вибратора относительно его статора с размахом колебаний до 15 мм, электромагнит подключен к сети электропитания через устройство управления однотактным вибратором, которое выполнено с возможностью формирования регулируемых по амплитуде импульсов постоянного тока с частотой 50 Гц, при этом амплитуда импульсов может регулироваться в заданных пределах, при которых фактическая амплитуда колебаний рамы вибрирующей соответствует расчетной амплитуде колебаний рамы вибрирующей, определяемой предварительно по формуле
2
X=Z:W,
где X - амплитуда колебаний рамы вибрирующей в м,
2
Z - заданное виброускорение рамы вибрирующей в м/с,
W - угловая частота колебаний рамы вибрирующей в рад/с,
здесь W=2πf, где f - частота колебаний в Гц,
при этом суммарная масса рамы вибрирующей с массами ситовых кассет, устройств закрепления ситовых кассет, а также с массой статорной части однотактного вибратора не менее чем в 7 раз превышает суммарную массу якорной части однотактного вибратора.
Устройство управления однотактным вибратором может быть выполнено с возможностью подстройки частоты импульсов постоянного тока к частоте собственных колебаний двухмассной колебательной системы вибрационного сита до получения режима устойчивых резонансных колебаний рамы вибрирующей с заданным виброускорением, причем колебательная система вибрационного сита включает: суммарную массу рамы вибрирующей с массами жестко присоединенных к ней деталей, упругие элементы однотактного вибратора, коэффициенты жесткости которых суммируются, суммарную массу якорной части однотактного вибратора и приведенную массу пружин.
Применение предложенных совокупностей существенных признаков позволяет получить новый технический результат - новое вибрационное сито высокочастотное с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама.
Анализ уровня техники в области вибрационных средств очистки растворов показал, что предложенная совокупность существенных признаков является новой, явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень.
Физическая сущность нового вибрационного сита поясняется чертежом (фиг.1), характеризующим графическую зависимость пропускной способности бурового раствора через сетку с ячейками 0,16×0,16 мм при изменении частоты колебаний сетки в интервале частот от 15 до 80 Гц. Эксперименты показали, что пропускная способность бурового раствора через сетку 0,16×0,16 мм (широкоприменяемый размер ячеек) с амплитудой колебаний 1 мм при повышении частоты колебаний с 25 Гц до 50 Гц увеличивается примерно в три раза (см. рис.4 на стр.19 в работе «Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70 № госрегистрации 77003180. МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. Москва-1977»). Физическая сущность этого эффекта объясняется увеличением в два раза числа колебаний в единицу времени рамы вибрирующей с ситовыми кассетами и, следовательно, увеличением числа соударений локальных частиц бурового раствора в единицу времени с ситовыми кассетами.
Сущность изобретения поясняется также чертежом (фиг.2), раскрывающим конструкцию вибрационного сита. Вибрационное сито высокочастотное с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама содержит станину 1, раму вибрирующую 2 с закрепленными на ней сменными ситовыми кассетами 3, вибратор линейных колебаний 4 резонансного действия с электромагнитным приводом. Вибратор 4 выполнен на основе электромагнита тянущего типа 5, выполненного с возможностью совершения колебаний с размахом колебаний до 15 мм, содержит инерционный груз 6, пружины 7 со стяжными стержнями 8, катушку 9, основание 10, регулировочные грузы 11, защитный кожух 12. Однотактный вибратор 4 установлен на силовой плите 13, закрепленной на силовой трубе 29, имеющей фланцы 30, которые присоединены к боковинам 14 рамы вибрирующей 2, при этом вибратор 4 установлен на раме вибрирующей 2 так, что угол между поверхностью ситовых кассет 3 и направлением силового действия вибратора равен 45°. С помощью четырех пружин 15 рама вибрирующая 2 установлена на станине 1. Ситовые кассеты 3 закреплены на раме вибрирующей 2 устройствами закрепления 16. Вибрационное сито содержит также устройство 17 для регулировки угла наклона рамы вибрирующей 2, шибер 18 с механизмом управления 19, поддон 20 с выпускными окнами 21 для очищенного бурового раствора, который размещен в станине 1, приемную емкость 22 для бурового раствора, которая на входе содержит приемный патрубок с фланцем 23 для подвода бурового раствора к вибрационному ситу, а на выходе оснащена полкой 24 с отверстиями для равномерного распределения бурового раствора по ширине ситовой кассеты 3, принимающей буровой раствор на обработку. Боковины 14 рамы вибрирующей 2 усилены ребрами жесткости 31 для передачи и распределения вибрационного силового воздействия вибратора 4. Катушка 9 электромагнита подключена к сети электропитания через устройство 26 управления вибратором. Боковины 14 соединены между собой связь-балками 27. Рама вибрирующая 2 в месте схода шлама в отвал оснащена козырьком 28. Обозначения на чертеже: ЦМ - центр масс, Р(t) - вынуждающая направленная знакопеременная суммарная сила, генерируемая однотактным вибратором 4, воздействующая на центр масс ЦМ.
Перечисленные элементы характеризуют конструкцию вибрационного сита высокочастотного с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама.
Вибрационное сито высокочастотное с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама работает следующим образом. Однотактный вибратор 4 настраивают на режим сообщения раме вибрирующей 2 виброускорения Z, заданного технологической документацией, учитывающей свойства бурового раствора и интенсивность его подачи на вибросито. В соответствии с требованиями технологической документации производится выбор ситовых кассет 3 по размеру ячеек в свету. Ситовые кассеты 3 устанавливают на раму вибрирующую 2 и закрепляют с помощью устройств закрепления 16 ситовых кассет. После этого буровой раствор подают через приемный патрубок с фланцем 23 в приемную емкость 22, в которой скорость потока гасится благодаря увеличению поперечного сечения емкости. При этом буровой раствор достигает уровня полки 24, растекается по ней и равномерно поступает на поверхность ситовой кассеты. Под действием направленных колебаний, сообщаемых раме вибрирующей 2 однотактным вибратором 4, ситовые кассеты находятся в вибрационном движении и воздействуют на буровой раствор, диспергируют комковидные образования и крупные частицы, при этом раствор интенсивно фильтруется через сетки ситовых кассет 3, а шлам, представляющий собой смесь частиц породы и продуктов износа, размером крупнее размеров ячеек сетки остается на поверхности ситовых кассет 3 и транспортируется благодаря направленным колебаниям рамы вибрирующей 2 в сторону разгрузки. При транспортировании шлама происходит его осушка благодаря вибрационному воздействию ситовых кассет на частицы шлама, при котором под действием инерционных сил происходит отделение влаги от частиц шлама. Шлам через козырек 28 уходит в отвал. Очищенный раствор собирается в поддоне 20 и оттуда через окна 21 самотеком поступает в желоб или емкость циркуляционной системы.
В предложенном варианте вибрационного сита интенсивность очистки бурового раствора и осушки шлама повышена в сравнении с прототипом благодаря тому, что количество соударений локальных объемов бурового раствора с ситовыми кассетами в единицу времени увеличено в два раза. Однотактный вибратор резонансного действия с электромагнитным приводом генерирует колебания на частоте питающего электрического тока. Как правило, частота тока равна 50 Гц. Поэтому предложенное вибрационное сито работает при колебаниях рамы вибрирующей с частотой 50 Гц в отличие от применяемых в настоящее время вибрационных сит, на которых частота колебаний равна 25 Гц. Иначе говоря интенсивность процесса очистки бурового раствора и осушки шлама увеличивается в 2 раза за время нахождения бурового раствора и частиц шлама над ситовыми кассетами вибрационного сита до ухода частиц шлама в отвал, а бурового раствора до прохождения его через ситовые кассеты в емкость для очищенного бурового раствора. Данное вибрационное сито отличается от всех известных применяемых в настоящее время на практике вибрационных сит следующими особенностями:
1) применением однотактного энергосберегающего вибратора резонансного действия с частотой колебаний 50 Гц, выполненного с возможностью получения колебаний инерционной массы с размахом до 15 мм; автором данной заявки ранее были разработаны вибраторы резонансного действия с увеличенной амплитудой колебаний инерционной (так называемой реактивной) массой, см. патент на изобретение №2356640 (2006 г.) и патент на полезную модель №134084 (2013 г.) с одинаковым названием «Вибратор резонансного действия с электромагнитным приводом»; известные вибраторы с электромагнитным приводом, выпускаемые промышленностью и получившие исключительно широкое применение в различных отраслях хозяйственной деятельности на вибрационных ситах для очистки бурового раствора, не используются вообще, поскольку имеют недостаточную амплитуду колебаний; предложенные автором данной заявки вибраторы резонансного действия по указанным выше патентам превосходят известные вибраторы с электромагнитным приводом в несколько раз.
2) энергосберегающим режимом работы, поскольку вибраторы резонансного действия отличаются от инерционных дебалансных вибраторов существенно меньшими затратами энергии благодаря эффекту резонансного усиления колебаний (см., например, книгу «Вибраторы с электромагнитным приводом». Обзор. М., 1970, с.3-27).
Следует особо подчеркнуть, что в связи с тем, что частота колебаний рамы вибрирующей увеличена в 2 раза для сохранения виброускорения рамы вибрирующей с ситовыми кассетами на оптимальном уровне, необходимо в соответствии с приведенной формулой существенно уменьшить (в сравнении с прототипом) амплитуду колебаний. Это, в свою очередь, значительно уменьшает дальность полета каждой частицы бурового раствора над ситовой кассетой. Благодаря этому повышается качество очистки и диспергирования частиц бурового раствора. Данное утверждение подтверждается опытом применения способа очистки буровых растворов и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационных сит, который показал, что эффективность очистки возрастает по мере увеличения времени нахождения частиц на сетке (стр.180 в книге: Булатов А.И., Проселков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин. - М., Недра, 1981.301 с.). Согласно рекомендациям, приведенным на стр.180 указанной книги, увеличения времени нахождения частиц на сетке можно достичь, в частности, уменьшением амплитуды колебаний сетки, что в новых вариантах вибрационных сит обеспечивается при сохранении оптимального значения виброускорения рамы вибрирующей с ситовыми кассетами.
Возможность практического осуществления предложенного вибрационного сита высокочастотного с энергосберегающим виброприводом резонансного действия для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама не вызывает сомнений. Повышение эффективности очистки бурового раствора, в частности увеличение пропускной способности бурового раствора через вибрирующую сетку при увеличении частоты колебаний сетки, установлено экспериментально в лаборатории специализированной научной организации (см. рис.4 на стр.19 в работе «Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70 № госрегистрации 77003180. МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. Москва-1977»). Этот результат подтвержден в лаборатории автора данной заявки и положен в основу конструирования опытно-промышленного образца вибрационного сита нового поколения для интенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама. Опытно-промышленный образец вибросита изготовлен и прошел внутренние испытания. После подачи данной заявки будут оформлены разрешительные документы для испытаний вибросита нового поколения в условиях эксплуатации на буровой. Таким образом, предложенное изобретение промышленно применимо.