СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ОТ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (варианты) И СИСТЕМА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF SEPARATING SOLID PHASE FROM FLUID MEDIUM (VERSIONS) AND SYSTEM FOR METHOD IMPLEMENTATION

Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США № 61/823,619, поданной 15 мая 2013 года (15/05/2013), раскрытие которой включено сюда посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Текучие среды, используемые в промышленных целях, могут накапливать твердые частицы и превращаться в пульпу. Эти текучие среды могут быть на нефтяной, синтетической и водной основе. Один из примеров текучей среды, циркулирующей в промышленной среде, представляет собой буровой раствор. Буровой раствор, часто именуемый «шламом», выполняет несколько функций в нефтедобывающей промышленности. Буровой шлам действует как смазка для смазывания роторных буровых долот и обеспечивает более быстрое бурение. Кроме того, буровой шлам уравновешивает давление, создаваемое в подповерхностной формации. В буровом растворе смешаны различные утяжеляющие и смазывающие вещества с целью получения смеси, оптимальной для данного типа и структуры формации, подлежащей бурению. Поскольку оценка шлама и процесс смешения могут быть трудоемкими и дорогостоящими, буровики и обслуживающие компании предпочитают утилизировать возвратный буровой шлам и рециркулировать его для повторного использования. Еще одна функция бурового шлама состоит в отводе разбуренной породы от бурового долота на поверхность. Для экономии времени и денег, компании предпочитают повторно использовать буровой шлам вместо того, чтобы заменять его. Тем не менее, твердая фаза должна быть удалена перед тем, как буровой шлам будет использован повторно.
Рециркуляция текучей среды требует быстрого и эффективного удаления твердой фазы. Одним из типов устройств, используемых для удаления твердой фазы, является устройство, которое в данной области техники обычно называют «вибрационным ситом». Вибрационное сито, также известное как вибрационный сепаратор, представляет собой похожий на сито вибрационный стол, на который нагружается пульпа и через который просачивается в значительной степени очищенная текучая среда. Обычно вибрационное сито представляет собой наклонный стол с перфорированным по всей площади дном в виде фильтровальной сетки. Возвратная пульпа накладывается сверху на вибрационное сито. В то время, когда пульпа опускается вниз под наклоном в направлении нижнего конца, текучий компонент падает вниз через отверстия сита в находящийся под ситом резервуар, оставляя частицы твердой фазы на сите. Благодаря сочетанию наклона с вибрационным действием стола вибрационного сита, задержанные частицы твердой фазы перемещаются вниз до тех пор, пока они не упадут с нижнего конца стола вибрационного сита.
Фильтровальные сетки, используемые с вибрационными ситами, обычно размещаются в целом горизонтальным образом на горизонтальном в целом основании или опоре внутри корзины в вибрационном сите. Корзина, в которой смонтированы фильтровальные сетки, может быть наклонена к разгрузочному концу вибрационного сита. Вибрационное сито сообщает быстрое возвратно-поступательное движение корзине и фильтровальным сеткам. Пульпа укладывается на задний конец корзины и стекает в направлении разгрузочного конца корзины. Крупные частицы, которые не могут пройти через фильтровальную сетку, остаются сверху на фильтровальной сетке и перемещаются в направлении разгрузочного конца корзины, где происходит их накопление. Текучие среды протекают сквозь фильтровальную сетку и накапливаются в резервуаре снизу от фильтровальной сетки. Тем не менее, производительность вибрационного сита по фильтрации снижается в результате обеспечения вибраций на таких частотах и с таким характером движения, которые оптимизируют транспортировку твердой фазы от фильтровальных сеток к разгрузочному концу.
Дополнительно, производительность обработки пульпы с помощью системы регулирования содержания твердой фазы традиционно повышают путем соединения нескольких вибрационных сит друг с другом. Однако увеличение количества вибрационных сит увеличивает площадь, занимаемую системой регулирования содержания твердой фазы. Увеличение площади, занимаемой системой регулирования содержания твердой фазы, может быть непрактичным в ряде сфер применения. Кроме того, соединение нескольких вибрационных сит увеличивает сложность и стоимость системы регулирования содержания твердой фазы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает перспективный вид иллюстративного варианта поперечно-поточного вибрационного сита.
Фиг. 2 показывает перспективный вид иллюстративного варианта поперечно-поточного вибрационного сита без концевой крышки или дроссельного отверстия концевой крышки.
Фиг. 3 показывает вид сбоку иллюстративного варианта поперечно-поточного вибрационного сита.
Фиг. 4А и 4В показывают поперечные сечения варианта поперечно-поточной камеры с внутренними разделительными сетками.
Фиг. 5 показывает вариант поперечно-поточного вибрационного сита с коллектором потока.
Фиг. 6А-6G показывают поперечные сечения вариантов поперечно-поточного вибрационного сита.
Фиг. 7А-7В показывают поперечные сечения вариантов поперечно-поточного вибрационного сита.
Фиг. 8 показывает схематичное изображение потока пульпы через иллюстративный вариант поперечно-поточного вибрационного сита.
Фиг. 9 показывает перспективный вид еще одного иллюстративного варианта поперечно-поточного вибрационного сита.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытые здесь варианты относятся к системам и способам сепарации твердой фазы от текучих сред на основе нефти, синтетики и воды. Более конкретно, раскрытые здесь варианты относятся к системам и способам сепарации твердой фазы от текучей среды с использованием поперечно-поточного вибрационного сита. Используемый здесь термин «пульпа» относится к смеси текучей и твердой фаз. Термин «поперечно-поточный» относится к направлению потока, которое по меньшей мере частично может представлять собой направление поперек лицевой поверхности фильтровальных сеток. Термин «напор» относится к энергии давления на единицу массы пульпы.
Фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 иллюстрируют вариант поперечно-поточного вибрационного сита 10. В этом варианте пульпа может поступать в магистральную трубу 12 с определенным входным расходом из системы регулирования противодавления (не показана). Магистральная труба 12 может быть соединена с впускной трубой 14 через парапет 16. Пульпа, втекающая во впускную трубу 14 из магистральной трубы 12, может нагнетаться под действием напора, обеспечиваемого благодаря высоте 22 трубы 12. Пульпа может втекать из впускной трубы 14 в поперечно-поточную камеру 18. Фильтровальные сетки 20А, 20В, 20С и 20D могут быть расположены на нескольких сторонах поперечно-поточной камеры 18. Фильтровальные сетки 20А-20D могут иметь любой предварительно заданный размер ячеек, который может потребоваться, например такой предварительно заданный размер ячеек, который обеспечивает возможность сепарации твердой фазы пульпы от текучей фазы. Используемый здесь термин «размер ячеек» относится к размеру отверстий в фильтровальных сетках 20А-20D.
Магистральная труба 12 может представлять собой трубу с участком, проходящим вертикально до высоты 22. Увеличение высоты 22 магистральной трубы 12 может повышать напор пульпы и, как следствие, повышать давление пульпы, когда она поступает во впускную трубу 14. Повышенное давление пульпы может в результате обеспечить улучшенную сепарацию текучей среды от пульпы на фильтровальных сетках 20А-20D.
Поперечно-поточная камера 18 может иметь верх 24 и дно 36. Верх 24 поперечно-поточной камеры 18 может быть соединен с опорной рамой 26 двигателей. Пространство 28 между опорной рамой 26 двигателей и фильтровальной сеткой 20В может представлять собой пространство для текучей среды, сепарируемой на фильтровальной сетке 20В. Жидкость, сепарируемая от пульпы на фильтровальных сетках 20А-20D, может накапливаться в резервуаре, бункере или накопительном поддоне (не показаны) снизу от поперечно-поточного вибрационного сита 10.
Как показано на фиг. 1-3, к опорной раме 26 двигателей могут быть прикреплены вибрационные двигатели 30 с целью сообщения вибраций поперечно-поточной камере 18. Вибрации, сообщаемые вибрационными двигателями 30 поперечно-поточной камере 18, могут генерироваться таким образом, чтобы обеспечить возможность сепарации одной фазы пульпы от другой фазы пульпы, например сепарации жидкой фазы пульпы от твердой фазы пульпы. Вибрации могут быть предварительно выбраны в соответствии с решаемой задачей, например, вибрации могут быть выбраны таким образом, чтобы максимизировать скорость фильтрации вместо того, чтобы максимизировать скорость транспортировки твердой фазы. Для обеспечения максимальной скорости фильтрации, вибрации могут быть оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить максимальный сдвиг вязкой пульпы. В качестве неограничительного примера, вибрационные двигатели 30 могут обеспечивать вибрации на частотах 20-40 Гц. Частоты, используемые для вибрации поперечно-поточной камеры 18, могут быть выше или ниже, в зависимости от вязкости пульпы или концентрации твердой фазы в пульпе. Впускная труба 14 может быть гибкой для обеспечения сопряжения между магистральной трубой 12 и поперечно-поточной камерой 18.
Когда пульпа протекает через поперечно-поточную камеру 18, текучая фаза пульпы может сепарироваться от твердой фазы пульпы на фильтровальных сетках 20А-20D. Конструкция поперечно-поточной камеры 18 и/или прикладываемые вибрации могут по существу исключить накопление твердой фазы на части фильтровальных сеток 20А-20D. Когда пульпа перемещается в продольном направлении поперечно-поточной камеры 18 и происходит сепарация жидкости, пульпа может становиться более концентрированной. Эта концентрированная пульпа может протекать до концевой крышки 32. Концевая крышка 32 образует стенку на конце поперечно-поточной камеры 18 напротив впускной трубы 14. Концевая крышка 32 может иметь дроссельное отверстие 34 концевой крышки, которое может ограничивать расход концентрированной пульпы из поперечно-поточной камеры 18. Ограничение расхода может стать причиной возникновения противодавления, действующего на пульпу. Сочетание гидравлического напора, обеспечиваемого магистральной трубой 12, и противодавления из дроссельного отверстия 34 концевой крышки может обеспечить протекание жидкости в пульпе через фильтровальные сетки 20А-20D. Концентрированная пульпа может протекать через дроссельное отверстие 34 концевой крышки в дополнительном каскаде системы регулирования содержания твердой фазы, который может содержать сушильный вибратор.
Дно 36 поперечно-поточной камеры 18 может быть соединено с опорной рамой 38 камеры, имеющей соединительные точки 40А, 40В и 40С. К соединительным точкам 40А, 40В и 40С могут быть присоединены упругие опоры 42А, 42В и 42С. Эти упругие опоры 42А, 42В и 42С могут соединять опорную раму 38 камеры с базовой рамой 44. Упругие опоры 42А, 42В и 42С могут осуществлять виброизоляцию поперечно-поточной камеры 18 от базовой рамы 44. Упругие опоры 42А, 42В и 42С могут представлять собой пружины. Упругие опоры 42А, 42В и 42С могут также представлять собой любые другие устройства, известные специалистам в данной области техники и имеющие возможность виброизоляции, такие как гидравлические амортизаторы и пневматические изоляторы.
В варианте, показанном на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, поперечно-поточная камера 18 имеет квадратное поперечное сечение, и фильтровальные сетки 20А-20D прикреплены к поперечно-поточной камере 18 с четырех сторон. В альтернативных вариантах, как показано на фиг. 6А-6С, поперечно-поточная камера 18 может иметь иное многоугольное поперечное сечение, например треугольное, пятиугольное или шестиугольное. Как показано на фиг. 6D и 6Е, поперечно-поточная камера 18 может также иметь круглое или эллиптическое поперечное сечение и может быть оснащена криволинейными сетками 20, которые могут быть расположены таким образом, чтобы максимизировать скорость сепарации текучей среды от пульпы. Согласно фиг. 6F, поперечно-поточная камера 18 может также иметь форму неправильного многоугольника для размещения в ней других конструктивных элементов, таких как дренажный канал 46 твердой фазы. Дополнительно, поперечно-поточная камера 18 может иметь различные ориентации относительно центральной оси поперечно-поточной камеры 18. Как показано на фиг. 6G, поперечное сечение поперечно-поточной камеры 18 может быть ориентировано таким образом, чтобы верх 24 поперечно-поточной камеры 18 мог представлять собой угол поперечного сечения. Поперечно-поточная камера 18 может иметь фильтровальные сетки 20, которые расположены по меньшей мере на одной из сторон многоугольного поперечного сечения. Как показано на фиг. 7А и 7В, фильтровальные сетки 20 могут быть расположены на трех сторонах поперечно-поточной камеры 18.
Согласно фиг. 4А и 4В, в альтернативных вариантах поперечно-поточная камера 18 может иметь одну или более внутренних разделительных сеток 48, расположенных внутри поперечно-поточной камеры 18. Внешнее пространство 50 может представлять собой область между внутренними разделительными сетками 48 и соответствующими фильтровальными сетками 20. В альтернативном варианте поперечно-поточная камера 18 может иметь не менее двух внутренних разделительных сеток 48, образующих внутреннее пространство 52 между внутренними разделительными сетками 48. Пульпа может протекать во внешнем пространстве 50 и во внутреннем пространстве 52 таким образом, чтобы она двигалась в тангенциальном направлении сквозь обе стороны внутренних разделительных сеток 48. Увеличение количества внутренних разделительных сеток 48 может увеличить количество текучей среды, сепарируемой от пульпы, без существенного увеличения площади, занимаемой вибрационным ситом 10. Внутренние разделительные сетки 48 могут иметь внутренний канал 54, обеспечивающий возможность протекания текучей среды из пульпы для дренажа.
В варианте, показанном на фиг. 1, поперечно-поточная камера 18 может быть по существу горизонтальной. В альтернативных вариантах поперечно-поточная камера 18 может также иметь наклон, так что проекция на вертикальную плоскость концевой крышки 32 может располагаться ниже проекции на вертикальную плоскость впускной трубы 14. Понижение поперечно-поточной камеры 18 в сочетании с потоком пульпы могут обеспечить возможность перемещения твердой фазы в направлении дроссельного отверстия 34 концевой крышки. Еще в одном варианте поперечно-поточная камера 18 может иметь наклон для поддержки сепарации текучей среды от пульпы. Величина этого наклона и/или понижения может быть выбрана произвольно. Таким образом, поперечно-поточная камера 18 может быть расположена с наклоном и/или понижением в диапазоне от в целом горизонтального до в целом вертикального положения.
Дроссельное отверстие 34 концевой крышки может быть нерегулируемым с тем, чтобы диаметр этого дроссельного отверстия 34 оставался постоянным в течение всего времени функционирования поперечно-поточного вибрационного сита 10. В другом варианте дроссельное отверстие 34 концевой крышки может быть регулируемым с тем, чтобы диаметр этого дроссельного отверстия 34 мог динамически увеличиваться или уменьшаться для компенсации изменений величины расхода текучей среды на входе в поперечно-поточное вибрационное сито 10. Регулируемое дроссельное отверстие 34 концевой крышки может регулироваться механически техническим персоналом поперечно-поточного вибрационного сита 10. Дополнительно, регулируемое дроссельное отверстие 34 концевой крышки может быть соединено с системой управления. В этом варианте диаметр проходного сечения 56 дроссельного отверстия может регулироваться с помощью аналогового или цифрового сигнала. Система управления может содержать микропроцессор или пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. В одном из вариантов дроссельное отверстие 34 концевой крышки может ограничивать расход пульпы из поперечно-поточного вибрационного сита 10. Например, дроссельное отверстие 34 концевой крышки может ограничивать расход концентрированной пульпы на 80-90% по сравнению с расходом пульпы, поступающей в поперечно-поточную камеру 18. Например, если расход пульпы, поступающей в поперечно-поточную камеру 18, равен 1200 галлонов (примерно 5460 литров) в минуту, дроссельное отверстие 34 концевой крышки может обеспечить расход 120-240 галлонов (примерно 546-1092 литра) в минуту для пульпы, вытекающей из поперечно-поточной камеры 18.
Согласно фиг. 5 с поперечно-поточным вибрационным ситом 10 может быть соединен коллектор 60 потока. Коллектор 60 потока может иметь вход 62, выход 64 и отводной канал 66. Вход 62 коллектора 60 потока может быть соединен с трубопроводом 68, который может подавать пульпу от буровой вышки или системы регулирования противодавления. Выход 64 коллектора 60 потока может быть соединен с магистральной трубой 12 поперечно-поточного сита 10. Отводной канал 66 коллектора 60 потока может быть соединен с отводным дроссельным отверстием 70. После того, как пульпа поступила в коллектор 60 потока, часть пульпы может втекать в отводной канал 66 и вытекать через отводное дроссельное отверстие 70 до того, как остальная часть пульпы достигнет магистральной трубы 12. Отведенная пульпа может затем быть подвергнута обработке с помощью сушильного вибратора или других средств для сепарации текучей среды от отведенной пульпы. Отведенная пульпа может втекать в тот же самый сушильный вибратор, что и концентрированная пульпа, выходящая из дроссельного отверстия 34 концевой крышки. Еще в одном варианте отводное дроссельное отверстие 70 может обеспечивать возможность протекания пульпы по отводному каналу 66 с расходом 200 галлонов (примерно 910 литров) в минуту.
Фиг. 8 показывает процесс сепарации текучей среды от пульпы с использованием поперечно-поточного вибрационного сита 10. Пульпа может подаваться в магистральную трубу 12 из системы противодавления. В магистральной трубе 12 напор пульпы может повышаться. Пульпа может втекать во впускную трубу 14 и в поперечно-поточную камеру 18. В поперечно-поточной камере 18 пульпа может быть подвергнута вибрациям в определенном диапазоне частот. Текучая среда может сепарироваться от пульпы, когда последняя протекает в тангенциальном направлении сквозь лицевую сторону фильтровальных сеток 20А-20D и может накапливаться в резервуаре (не показан). Расход пульпы может ограничиваться, что может вызвать воздействие противодавления на пульпу.
Фиг. 9 показывает еще один вариант поперечно-поточного вибратора 100, в котором одинаковыми номерами обозначены одинаковые элементы. В варианте, показанном на фиг. 9, поперечно-поточная камера 18 имеет треугольное поперечное сечение. Треугольное сечение может занимать сравнительно мало места, что обеспечивает экономию пространства в стесненных условиях эксплуатации.
Верх 24 поперечно-поточной камеры 18 может быть соединен с опорной рамой 26 двигателей. Дно 36 поперечно-поточной камеры 18 может быть соединено с опорной рамой 38 двигателей, которая имеет соединительные точки 40А, 40В и 40С. К соединительным точкам 40А, 40В и 40С могут быть присоединены упругие опоры 42А, 42В и 42С. Упругие опоры 42А, 42В и 42С могут соединять опорную раму 38 камеры с базовой рамой 44. Упругие опоры 42А, 42В и 42С могут обеспечивать виброизоляцию поперечно-поточной камеры 18 от базовой рамы 44.
Как показано на фиг. 9, к опорной раме 26 двигателей могут быть прикреплены вибрационные двигатели 30 с целью сообщения вибраций поперечно-поточной камере 18. Вибрации, сообщаемые вибрационными двигателями 30 поперечно-поточной камере 18, могут генерироваться таким образом, чтобы обеспечить возможность сепарации первой фазы пульпы от второй фазы пульпы, например сепарацию жидкой фазы от твердой фазы. Твердая фаза может выгружаться из поперечно-поточного вибрационного сита 100 через разгрузочную трубу 102.
Раскрытые здесь варианты могут использоваться как часть системы регулирования содержания твердой фазы при осуществлении операций наземного или морского бурения. Текучая среда в пульпе может быть буровым раствором, используемым при бурении скважины.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто в ограниченном количестве вариантов, специалистам в данной области техники, получающим преимущества от реализации настоящего изобретения, будет очевидно, что могут быть разработаны и другие варианты, не выходящие за рамки объема описанного здесь изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения должен быть ограничен лишь приложенной формулой изобретения.