УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к устройствам для очистки буровых растворов от частиц выбуренной породы и может быть использовано в нефтяной и других отраслях промышленности.
В настоящее время ситуация сложилась таким образом, что, к сожалению, отечественные буровики-подрядчики используют преимущественно дорогостоящее зарубежное оборудование для очистки бурового раствора, поскольку оно наиболее эффективно и надежно. Отечественные аналоги значительно дешевле, но слишком уступают в качестве своего изготовления и эффективности своего функционирования. Поскольку данное положение не только нежелательно, но и неприемлемо, необходимо предпринимать попытки и стремиться к созданию отечественных образцов оборудования для очистки, способных конкурировать с зарубежными аналогами на равных не только в цене, но и в эффективности своего функционирования и в качестве своего изготовления.
Наибольшее распространение для очистки бурового раствора получили вибрационные сита и гидроциклоны. Недостатком вибросит является низкая степень очистки - невозможность отделения мелкодисперсных твердых частиц (песка, ила), степень очистки буровых растворов от выбуренной породы наиболее совершенными виброситами не превышает 60%, при том, что это основная, а для утяжеленных буровых растворов - единственная ступень очистки раствора от шлама. Недостатком гидроциклона является большая потеря бурового раствора (до 5% за один цикл). Предлагается устранить эти недостатки путем использования эффекта фильтрации раствора с ультразвуковым воздействием на фильтрующий элемент, повысить пропускную способность разрабатываемого оборудования по сравнению с традиционно используемым и повысить степень очистки бурового раствора.
Известна установка для очистки бурового раствора (см. SU 1283353, кл. Е21В 21/06, опубл. 15.01.1987), принятая за прототип, включающая отстойник с входным и выходным желобами, источник ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционного преобразователя, сбросовый узел, установленный в нижней части отстойника. Источник звуковых колебаний установлен в нижней части входного желоба в месте соединения его с отстойником и выполнен с плавающей над ним пластиной. Сбросовый узел выполнен в виде конического шнека с обратным клапаном. Шнек вращается через муфту электромотором. Выходной желоб перекрыт фильтрующим элементом.
Недостатками установки являются: большие габариты установки, поскольку необходим объем для отстойника, в котором происходит процесс отстаивания; небольшая производительность и пропускная способность из-за длительности процесса отстаивания; низкий ульразвуковой эффект.
Технический результат полезной модели заключается в повышении пропускной способности устройства для очистки бурового раствора по сравнению с традиционно используемым оборудованием для очистки бурового раствора, а также в повышении степени очистки бурового раствора. Заявляемое устройство для очистки бурового раствора дает возможность подбора оптимального режима работы устройства в зависимости от эксплуатационных параметров, в том числе в зависимости от параметров очищаемого бурового раствора. Благодаря конструкции и выполнению фильтрующего элемента, расположению магнитостриционного преобразователя и его воздействию на фильтрующий элемент возможно достижение высокой степени очистки раствора. Надежная работа устройства обеспечивается за счет минимизации количества элементов, которые контактируют с жидкой фазой. Минимальные затраты энергии обеспечиваются за счет передачи ультразвуковой волны в момент ее максимальной амплитуды. Благодаря скруглению краев емкостей, а также полостей, каналов и отверстий корпуса, предотвращается скопление частиц шлама и уменьшаются потери энергии на перекачивание раствора.
Технический результат достигается благодаря устройству для очистки бурового раствора, включающему входной и выходной патрубки, сбросовый узел в виде шнека, выполненного с возможностью вращения при помощи привода, и сбросного патрубка, фильтрующий элемент, источник ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционного преобразователя, отличающемуся тем, что на раме устройства установлен корпус, включающий узел крепления входного патрубка к корпусу, узел сообщения входного потока раствора с внутренней полостью фильтрующего элемента, узлы крепления фильтрующего элемента с корпусом, узлы герметизации и скольжения шнека относительно корпуса и узел осевого прижима шнека относительно корпуса, причем находящийся внутри корпуса фильтрующий элемент выполнен перфорированным и имеет кольцеобразную замкнутую форму с отверстием для узла сообщения входного потока раствора с внутренней полостью фильтрующего элемента и с отверстием для соединения с волноводом магнитострикционного преобразователя, а перфорированные отверстия фильтрующего элемента имеют коническую форму, причем меньший диаметр отверстия расположен на внутренней стороне фильтрующего элемента, а больший диаметр - на внешней стороне фильтрующего элемента, причем рама устройства выполнена с возможностью регулирования угла ее наклона, а устройство имеет емкости для шлама и для очищаемого бурового раствора, причем корпус имеет нижние отверстия для выхода очищенного бурового раствора, а сбросной, выходной и входной патрубки закреплены на корпусе. Угол наклона оси волновода к оси фильтрующего элемента может быть выполнен равным 105 градусов. Привод шнека может являться ручным. Привод шнека также может быть выполнен в виде муфты и мотор-редуктора.
На фиг.1 показан вариант устройства для очистки бурового раствора, вид сбоку.
Устройство для очистки бурового раствора включает входной патрубок 1 и выходной патрубок 2, сбросовый узел в виде шнека 3, выполненного с возможностью вращения при помощи привода (4-7), и сбросного патрубка 8, фильтрующий элемент 9, источник ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционного преобразователя 10.
На фундаменте установлена опора 11, выполненная в виде шарнира, с возможностью вращения рамы 12 относительно опоры 11. На другой стороне рамы 12 и фундамента установлена опора 13, выполненная в виде подъемного гидро- или пневмоцилиндра, с возможностью подъема или опускания рамы 12 на заданный угол α. Возможность регулирования угла α необходима для подбора оптимального режима работы устройства. На фундаменте также установлены: бак (емкость) 14 для шлама и бак (емкость) 15 для очищенного бурового раствора.
На раме 12 устройства для очистки бурового раствора установлен корпус 16 устройства, включающий: узел крепления 17 входного патрубка 1 к корпусу, узел сообщения 18 входного потока с внутренней полостью фильтрующего элемента 9, узлы крепления 19, 20 фильтрующего элемента 9 с корпусом, узлы герметизации и скольжения 21, 22 шнека 3 относительно корпуса и узел осевого прижима 23 шнека 3 относительно корпуса. Узел крепления 17 входного патрубка 1 к корпусу 16 может быть выполнен в виде фланцевого, хомутового, сварного соединений и т.п. Узел сообщения 18 входного потока с внутренней полостью 24 фильтрующего элемента 9 дает попасть очищаемому буровому раствору, движущемуся от входного патрубка, во внутреннюю полость 24 фильтрующего элемента 9 и, тем самым, препятствуя попаданию неочищенного бурового раствора в кольцевую полость 25, находящуюся между фильтрующим элементом 9 и корпусом 16.
Узел крепления 19 фильтрующего элемента 9 с корпусом крепит торец кольцевого фильтрующего элемента 9 к корпусу 16. В частности, узел крепления 19 может быть выполнен в виде упругого кольца-втулки, которое распирается между корпусом 16 и фильтрующим элементом 9 и таким образом закрепляет один торец фильтрующего элемента 9. Другой торец фильтрующего элемента 9 закреплен с помощью аналогичного узла крепления 20.
Узел герметизации и скольжения 21 шнека 3 относительно корпуса 16 предотвращает попадание бурового раствора в окружающую среду между корпусом и шнеком, с помощью регулировочных шайб может регулировать осевое положение шнека, а также служит в качестве подшипника, минимизируя трение при вращении шнека 3 относительно корпуса 16. Узел герметизации и скольжения 21 может быть выполнен в виде набора фторопластовых или алюминиевых колец-прокладок и.т.п.
Узел герметизации и скольжения 22 шнека 3 относительно корпуса 16 предотвращает попадание бурового раствора в окружающую среду между корпусом и шнеком и направляет буровой шлам через отверстие 26 к сбросному патрубку 8. Также узел 22 служит в качестве подшипника, минимизируя трение при вращении шнека 3 относительно корпуса 6. При этом узел 22 выполнен вращающимся в корпусе 16 и подвижным в осевом направлении для возможности прижима узла 22 к шнеку 3 и дальнейшего крепления в осевом направлении шнека, узлов 21 и 22 при помощи узла осевого прижима 23 относительно корпуса 16. Узел герметизации и скольжения 22 может быть выполнен в виде круглого толстого металлического диска, с центральным отверстием под шнек, с боковым нижним отверстием 26 под выход шлама и со шпоночным пазом для предотвращения его вращения в корпусе 16.
Узел осевого прижима 23 шнека 3 относительно корпуса 16 может быть выполнен в виде накидной гайки с осевым отверстием, резьбовым соединением между узлом 23 и корпусом 16, и с внутренним диаметром, меньшим, чем внешний диаметр диска 22 для последовательного осевого прижима к корпусу узла 21, шнека 3, узла 22.
Перфорированный фильтрующий элемент 9 имеет кольцеобразную замкнутую форму (например, цилиндрическую или коническую) с отверстием для узла сообщения 18 и отверстием для соединения с волноводом 27 магнитострикционного преобразователя 10. Материал фильтрующего элемента выбран, исходя из гарантированного срока службы колеблющихся под действием ультразвука элементов и исходя из усталостной прочности материала. Материалом фильтрующего элемента могут быть титановые сплавы, например сплав ВТ-6. Перфорированные отверстия фильтрующего элемента (сетки) имеют коническую форму, причем меньший диаметр отверстия приходится на внутреннюю сторону фильтрующего элемента (обращенную к полости 24), а больший диаметр - на внешнюю сторону фильтрующего элемента (обращенную к полости 25). Такая форма перфорированных отверстий практически ликвидирует в сочетании с эффектом колебания угрозу забивания фильтрующего элемента. Пропускная способность такой компоновки многократно возрастает по сравнению с традиционными схемами очистки. Мы получаем возможность достигать высокой степени очистки вследствие того, что отфильтрованные частицы имеют размеры гораздо меньше, чем меньший диаметр перфорированных отверстий фильтра. Это возможно благодаря подверганию их ультразвуковым колебаниям, использованию капиллярного эффекта колеблющейся ячейки, а также тому, что магнитострикционный преобразователь 10 совместно с волноводом 27 и углом наклона β создают бегущие поперечные волны в корпусе, которые способствуют транспортированию шлама вдоль корпуса.
Благодаря конусной форме перфорированного отверстия и положению меньшего диаметра на внутренней стороне фильтрующего элемента, частицы, прошедшие через малый диаметр, не застревают и не задерживаются при прохождении через толщу фильтрующего элемента.
Корпус 16 снизу около начальных шагов шнека имеет выходные отверстия 28 для выхода очищенного бурового раствора в выходной патрубок 2, крепящийся на корпусе, например, болтовыми соединениями, и далее - в емкость 15 для очищенного бурового раствора.
На корпусе 16 возле отверстия 26 для выхода шлама крепится сбросной патрубок 8 для сброса шлама в сбросной бак 14.
Шнек 3 представляет собой вал с винтовой нарезкой для возможности транспортировки шлама, накапливаемого в процессе очистки, к сбросному патрубку. На конце вала шнека 3 установлен привод в виде муфты 4 и исполнительного механизма 5. Муфта и исполнительный механизм могут быть установлены либо со стороны входного конца шнека 3 (позиции муфты и исполнительного механизма - 4 и 5, соответственно), либо со стороны выходного конца шнека 3 (позиции муфты и исполнительного механизма - 6 и 7, соответственно, показаны на фиг.1 пунктирными линиями), либо с обоих сторон в качестве взаимозаменяющих или взаимодополняющих.
Исполнительный механизм 5 или 7, установленный на раме 12, может быть выполнен в виде мотор-редуктора, в виде двигателя с редуктором, или в виде ручного привода (аналогичного приводной ручке домашней ручной мясорубки).
Источник ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционного преобразователя 10 установлен на раме 12 с возможностью поворота его волновода 27 и регулирования длины волновода 27, что может быть обеспечено, например, посредством кронштейнов, которые крепятся на уголковые соединения к раме. Из соображений обеспечения надежной работы оборудования магнитострикционный преобразователь вынесен за пределы контакта с жидкой фазой.
Длина волновода 27, передающего ультразвуковые колебания от магнитострикционного преобразователя (МСП) к фильтрующему элементу, то есть расстояние от конца (торца) МСП до плоскости фильтрующего элемента, выбрана (выбрано) из условия обеспечения высокой эффективности за счет передачи волны в момент ее максимальной амплитуды, что снижает к минимуму потери энергии.
Угол наклона МСП (оси волновода 27) к оси корпуса и оси кольца фильтрующего элемента (их оси совпадают) равен углу β (см. фиг.1) и выполнен с возможностью регулирования при помощи поворота и крепления волновода 27 на раме, а также при помощи набора наклонных шайб 29, 30, благодаря которым происходит крепление волновода 27 к фильтрующему элементу 9. Волновод 27 имеет резьбовую часть и ступень 32. Наклонная шайба 29 одета на ступень волновода 27. Затем продевают фильтрующий элемент 9 и вторую наклонную шайбу 30, снова образуя своим торцом перпендикулярность между указанным торцом и осью волновода. Сверху шайбы 30 одета гайка 31, крепящая окончательно волновод 27 к фильтрующему элементу 9 посредством набора наклонных шайб 29, 30. Для обеспечения другого угла наклона β необходим другой набор шайб. На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУНГ им. И.М.Губкина была экспериментально обоснована рекомендуемая величина угла наклона МСП к оси кольца фильтрующего элемента в 105°.
Края емкостей 14, 15, а также полостей, каналов и отверстий корпуса 16 устройства для очистки бурового раствора скруглены, что предотвращает скопление частиц шлама и уменьшение гидравлических сопротивлений и потерь энергии на перекачивание раствора.
Устройство для очистки бурового раствора согласно полезной модели работает следующим образом. Буровой раствор, подвергающийся очистке, поступает во входной патрубок 1 (см. стрелку 32 на фиг.1). Далее раствор идет через корпус 16 и узел сообщения 18 во внутреннюю полость 24 фильтрующего элемента. Фильтрующий элемент 9 озвучивается ультразвуковыми колебаниями от магнитострикционного преобразователя 10 через волновод 27, тем самым пропуская через свои перфорированные отверстия очищенный буровой раствор и создавая бегущую поперечную волну, которая способствует транспортированию шлама вдоль внутренней поверхности фильтрующего элемента 9. Очищенный буровой раствор фильтруется и сливается в емкость 15 для очищенного бурового раствора, проходя через отверстия 28 корпуса 16 и выходной патрубок 2 (см. стрелки 33 на фиг.1). Шлам шнеком 3 транспортируется в сторону узла 22, и через его отверстие 26 и сбросной патрубок 8 попадает под действием гравитационных сил в емкость 14 для шлама (см. стрелку 34 на фиг.1). Таким образом, осуществляется качественная очистка бурового раствора со сбором шлама.
Технический результат полезной модели заключается в повышении пропускной способности устройства для очистки бурового раствора по сравнению с традиционно используемым оборудованием для очистки бурового раствора, а также в повышении степени очистки бурового раствора. Заявляемое устройство для очистки бурового раствора дает возможность подбора оптимального режима работы устройства в зависимости от эксплуатационных параметров, в том числе в зависимости от параметров очищаемого бурового раствора. Благодаря конструкции и выполнению фильтрующего элемента, расположению магнитостриционного преобразователя и его воздействию на фильтрующий элемент возможно достижение высокой степени очистки раствора. Надежная работа устройства обеспечивается за счет минимизации количества элементов, которые контактируют с жидкой фазой. Минимальные затраты энергии обеспечиваются за счет передачи ультразвуковой волны в момент ее максимальной амплитуды. Благодаря скруглению краев емкостей, а также полостей, каналов и отверстий корпуса, предотвращается скопление частиц шлама и уменьшаются потери энергии на перекачивание раствора.