КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЕГО РАБОТЫ
COMPLEX FOR THE PREPARATION OF EMULSION DRILLING MUDS ON A HYDROCARBON BASIS AND THE METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к способам и устройствам для приготовления эмульсионных растворов на углеводородной основе (ЭРУО), используемых при бурении скважин.
Существует проблема возникновения зарядов статического электричества, искровых разрядов и взрывоопасных концентраций паровоздушных смесей при разбрызгивании, деформации, дроблении и относительном перемещении компонентов смеси ЭРУО, что приводит к воспламенению, взрыву и пожару на опасных производственных объектах.
Известна установка [SU 323540, МПК Е21В 21/00, 1972 г] для приготовления промывочных жидкостей с целью обеспечения возможности периодической загрузки при непрерывной работе, выполненная в виде двух фронтально расположенных фрезерно-струйных мельниц - приемной и сливной, причем в приемной мельнице объем рабочей камеры больше, например, втрое, чем в сливной, а в верхней части они соединены герметичным патрубком с приводом от одного двигателя внутреннего сгорания.
Также известно устройство для приготовления и обработки буровых растворов, выполненное в виде фрезерно-струйной мельницы [SU 1159629, МПК В02С 13/06, 1985 г.], включающей корпус, загрузочный бункер, лопастной ротор, диспергирующую плиту, ловушку, выходную решетку, сливной лоток и подводящую трубу с продольной щелью, выполненной с расширением от входного отверстия трубы к противоположному ее концу.
Недостатками аналогов является низкая производительность и эффективность описываемых устройств.
Наиболее близким по технической сущности, взятым авторами за прототип, является устройство диспергатора гидравлического ДГ-40 [по материалам сайта https://www.spmi.ru/sites/default/files/imci_images/sciens/dissertacii/2020/koval_dissertaciya.pdf, найдено 08.10.2021 г.], содержащее корпус, подводящие патрубки в торцах которых вмонтированы и расположены соосно твердосплавные конусоидальные насадки, рабочую камеру, линию подвода рабочей жидкости, сливной патрубок.
Недостатком прототипа является низкая производительность по приготовлению бурового раствора, а также необходимость установки в приемных емкостях циркуляционной системы гидравлических и механических перемешивателей, обеспечивающих равномерное распределение компонентов бурового раствора и предотвращающих его расслоение. Такая циркуляционная система не обеспечивает возможность соблюдения достаточной герметичности, что повышает риск возникновения зарядов статического электричества, искровых разрядов и взрывоопасных концентраций паровоздушных смесей. Попадание в буровой раствор атмосферного кислорода требует последующей обязательной дегазации, что снижает энергоэффективность устройства и процесса в целом.
Известен способ получения инвертно-эмульсионного бурового раствора на базе бурового раствора на водной основе [Ильин Г.А. и др. Преобразование глинистого раствора в инвертную эмульсию. Экспресс-информация ВНИИЭГазпром, сер. Геология, бурение и разработка газовых месторождений, 1986, вып. 16.], который заключается в создании прямой эмульсии при непрерывной циркуляции глинистого раствора на водной основе с его последующим обогащением дизельным топливом, битумом и специальными добавками, например, СМАД. Параллельно заготавливается углеводородная фаза, содержащая эмульгатор и оставшуюся от расчетного количества часть дизтоплива, СМАД и битума. Приготовленная углеводородная фаза перемешивается с циркулирующим глинистым раствором до преобразования его в инвертную эмульсию за счет инверсии фаз эмульсии (обращение прямой эмульсии в обратную). Инвертно-эмульсионный буровой раствор, полученный указанным известным способом, содержит в качестве водной фазы воду или глинистый буровой раствор на водной основе, а в качестве углеводородной фазы - смесь дизтоплива или нефти с окисленным битумом, СМАД-1 и Эмульталом при следующем соотношении компонентов, вес. %: вода или глинистый буровой раствор на водной основе - 28,5-54; дизтопливо или нефть - 40-60; высокоокисленный битум - 2,0-4,5; СМАД-1 2,0-4,0; Эмультал - 2,0-3,0.
Недостатком известной технологии приготовления бурового раствора, получаемого из глинистого бурового раствора на водной основе методом инверсии фаз, является многостадийность и трудоемкость процесса приготовления, включающего перевод глинистого раствора в прямую эмульсию. Кроме того, сам процесс приготовления бурового раствора может привести к возникновению зарядов статического электричества, искровых разрядов и взрывоопасных концентраций паровоздушных смесей.
3
Прототипом изобретения является способ приготовления бурового раствора на углеводородной основе для бурения скважин с аномально низким пластовым давлением [RU 2635405, МПК C09K 8/38, 2017 г.], включающий смешивание гелирующего агента с углеводородной жидкостью, например в виде нефти, при 600-1500 об/мин до получения эмульсионного состава, с последующим генерированием афронов путем добавления к полученной смеси афронообразующего поверхностно-активного вещества ПАВ, а после производят диспергирование полученной смеси, путем воздействия высоких сдвиговых напряжений и кавитации посредством высокоскоростного миксера типа Hamilton Beach, обеспечивающего скорость вращения не ниже 9000 об/мин, или посредством промыслового оборудования в виде гидравлических воронок струйного и вихревого типов марок RSD/SLQ-200, HJM-200, RSD/XLQ-250, HVM-250, или гидравлических диспергаторов марок ДШМ-100 ДГ-2, ДГС-40-20, или их аналогов, обеспечивающего производительность 50÷600 м/ч при давлении на входе 0,2÷10 МПа, причем после указанного диспергирования в смесь дополнительно вводят облегчающую добавку, в виде алюмосиликатных микросфер или стеклянных микросфер, или полимерных микросфер, или перлита, или вермикулита, или древесной муки, при двухстадийном режиме перемешивания: 600-1500 об/мин в течение 10-30 минут на первой стадии и последующее диспергирование полученного раствора при скорости вращения 1500-2500 об/мин в течение 15-60 минут на второй стадии, при этом в качестве гелирующего агента используют высокодисперсный аморфный диоксид кремния, или водный раствор смеси омыленных жирных кислот, или их смесь.
Недостатком изобретения является то, что в процессе приготовления бурового раствора могут возникнуть заряды статического электричества, искровые разряды и взрывоопасные концентрации паровоздушных смесей. Кроме того, приготовление ЭРУО указанным выше способом - процесс достаточно трудоемкий, материалоемкий, предполагающий использование дополнительного количества электрических двигателей, перемешивателей и насосного оборудования.
Задачей изобретения является повышение производительности комплекса для приготовления бурового раствора с учетом обеспечения требуемого качества измельчения при соблюдении достаточной герметичности.
Задача решается тем, что в комплексе для приготовления эмульсионного бурового раствора на углеводородной основе, содержащий исходную и рабочую емкости, эжектор, насосы, систему очистки, линии подвода обрабатываемого раствора, соединенные с диспергатором, содержащим твердосплавные конусоидальные насадки и сливной патрубок, согласно изобретению, внутри диспергатора расположен вал турбины, установлены статоры и роторы вала турбины, внутренняя цилиндрическая полость вала турбины каналами, проходящими поперек вала, соединена с выходной камерой турбины: два канала в одном поперечном сечении и два канала в другом поперечном сечении, вал турбины соединен с полой головкой, на корпусе и торцевой части которой имеются отверстия с резьбовыми соединениями, в которые установлены твердосплавные конусоидальные насадки, направленные друг на друга и повернутые относительно друг друга для соударения встречных струй под углом 45°÷90°, внутренняя цилиндрическая полость вала турбины через отверстия и твердосплавные конусоидальные насадки полой головки соединена с камерой диспергации и сливным патрубком, исходная емкость с углеводородной основой через последовательно установленные эжектор, насос и диспергатор связана с накопительной емкостью, которая одновременно связана с емкостью с дисперсионной средой через второй насос и диспергатор, диспергатор в свою очередь связан с рабочей емкостью, которая связана через третий насос со скважиной, которая сообщена с системой очистки, которая связана с рабочей емкостью.
Задача решается тем, что в способе приготовления эмульсионного бурового раствора на углеводородной основе, включающем смешивание углеводородной основы, водной фазы и поверхностно-активного вещества ПАВ, диспергирование полученной смеси при перемешивании, согласно изобретению, в способе используют вышеупомянутый комплекс для приготовления эмульсионного бурового раствора на углеводородной основе, диспергацию осуществляют в две стадии: на первой стадии после подачи из исходной емкости углеводородной основы и добавления ПАВ через эжектор осуществляют их перемешивание в диспергаторе путем подачи на вал через систему лопастей статоров и роторов, а затем под давлением 4÷6 МПа со скоростью 1200-1450 об/мин во вращающуюся полую головку с твердосплавными конусоидальными насадками, проходя через которые поток выходит в виде встречных струй под углом 45°÷90°, затем смесь углеводородной основы и ПАВ направляют в накопительную емкость, на второй стадии смесь углеводородной основы и ПАВ направляют обратно в диспергатор, где перемешивают с потоком водной фазы, подаваемой из емкости с дисперсионной средой, и осуществляют диспергацию, при этом скорость подачи во вращающуюся полую головку такая же, как и на первой стадии, а давление 8÷10 МПа, полученную эмульсию направляют в рабочую емкость, а из рабочей емкости насосом направляют в скважину, откуда обратным потоком она поступает в систему очистки, затем обратно в рабочую емкость, образуя, таким образом, замкнутый рабочий цикл.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности и эффективности способа приготовления эмульсионных буровых растворов на углеводородной основе за счет исключения возможности образования зарядов статического электричества и доступа кислорода в составе атмосферного воздуха в ЭРУО, и как следствие исключения пожаровзрывоопасных свойств эмульсионного раствора на углеводородной основе, достижение электростабильности в 280 В, а также за счет сокращения затрат времени на приготовление буровых растворов с учетом обеспечения требуемого качества измельчения их исходных компонентов.
Сущность заявленных комплекса и способа иллюстрируется графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 схематично изображен - диспергатор, для приготовления бурового раствора;
на фиг. 2 изображена схема реализации способа 1 стадии и на фиг. 3 второй стадии приготовления бурового раствора.
Комплекс для приготовления эмульсионного бурового раствора на углеводородной основе, содержит исходную 20, накопительную 19, рабочую 33 емкости и емкость 31 с дисперсионной средой, эжектор 21, насосы 24, 30, 34, систему очистки 35, а также линии подвода обрабатываемого раствора, соединенные с диспергатором 28 (фиг. 2, 3). Исходная емкость 20 с углеводородной основой через последовательно установленные эжектор 21, насос 24 и диспергатор 28 связана с накопительной емкостью 19, которая одновременно связана с емкостью 31 с дисперсионной средой через второй насос 30 и диспергатор 28, диспергатор 28 в свою очередь связан с рабочей емкостью 33, которая связана через третий насос 34 со скважиной 36, которая сообщена с системой очистки 35, которая связана с рабочей емкостью. Диспергатор (фиг. 1), состоит из следующих элементов: резьбовых соединений 1, 17 для подключения к системе трубопроводов, переводника 2, корпуса 4 диспергатора и вала 5. В корпусе 4 установлены статоры 6 турбины, на валу 5 установлены роторы 7 вала турбины. Детали, установленные на валу 5 турбины, закреплены за счет осевого сжатия их гайкой 3. Детали, установленные в корпусе 4, закреплены также за счет осевого сжатия с помощью переводника 2. Вал 5 центрируется в корпусе 4 радиальными опорами 8, а на выходе из корпуса 4 центрируется ниппелем 12. Осевая опора 10 вала 5 установлена ближе к выходу из корпуса 4.
Внутренняя цилиндрическая полость d вала 5 турбины каналами s, проходящими поперек вала 5, соединена с выходной камерой турбины g: два канала s в одном поперечном сечении и два канала s в другом поперечном сечении. Место каналов s перекрыто проставочной втулкой 9, в которой выполнены аналогичные каналам s проточки, а также совпадающие с ними по проходному сечению. Вал 5 турбины соединен с помощью рабочего переводника 13 с полой головкой 16, на корпусе и торцевой части которой имеются отверстия с резьбовыми соединениями, в которые установлены твердосплавные конусоидальные насадки 15, направленные друг на друга и повернутые относительно друг друга для соударения встречных струй под углом 45°÷90°. Внутренняя цилиндрическая полость вала 5 турбины через отверстия и твердосплавные конусоидальные насадки 15 полой головки 16 соединена с камерой диспергации w и сливным патрубком 18. Камера диспергации w ограничивается внутренней поверхностью корпуса 14, закрепленного на корпусе 4 диспергатора.
Способ реализуется следующим образом. На первой стадии, необходимое количество углеводородной основы из исходной емкости 20 после открытия задвижки 22 направляется к насосной установке 24 по трубопроводу, в котором через эжектор 21 вводятся ПАВ (фиг. 2). Далее углеводородная смесь через заранее открытую задвижку 25 под давлением направляется через тройник 26 на диспергатор 28, например диаметром 240 мм, в котором диспергируемый поток жидкости направляется на вал 5, проходя через систему лопостей статоров 6 и роторов 7 вала турбины, а затем под давлением 4÷6 МПа смесь поступает на вращающуюся со скоростью 1200-1450 об/мин головку 16 с твердосплавными конусоидальными насадками определенного диаметра (фиг. 1). Проходя через конусоидальные насадки поток выходит в виде встречных струй под углом 45°÷90°, обеспечивающим их встречное соударение со скоростью 70-80 м/с при вращения вала 5. Затем смесь поступает в камеру диспергации w, где дополнительно обеспечивается интенсивное смешивание реагентов с углеводородной основой, откуда выходит по трубопроводу через открытую задвижку 29 в виде смеси углеводородной основы в накопительную емкость 19, для накопления необходимого объема углеводородной основы с ПАВ (фиг. 2). На второй стадии, при открытии задвижки 27, смесь углеводородной основы и ПАВ направляют из накопительной емкости 19 через насос 30 обратно в диспергатор 28, где осуществляют ее перемешивания, с потоком водной фазы, подаваемой из емкости с дисперсионной средой 31, в соотношении 70/30. При этом скорость подачи во вращающуюся полую головку диспергатора 28 такая же, как и на первой стадии, а давление 8÷10 МПа (фиг. 3). Во время реализации второй стадии перемешивания смеси задвижки 22 и 29 (фиг. 2) находятся в закрытом положении. Далее (фиг. 3), после открытия задвижки 32, полученную эмульсию направляют в рабочую емкость 33 с производительностью порядка 30-55 л/с, откуда насосом 34 через бурильный инструмент (на фиг. 3 не показан) смесь направляется в скважину 36, откуда обратным потоком она направляется в систему очистки 35, потом обратно в рабочую емкость 33, образуя, таким образом, замкнутый рабочий цикл.
Предлагаемая технология позволяет приготовить рабочую эмульсию за несколько часов в объеме, необходимом для подачи в скважину всего за один цикл работы установки, это исключает переливание, доливание готовой эмульсии в емкость до требуемого объема, для последующей подачи в скважину. Имеет место повышение качественных показателей получаемого ЭРУО, за счет обеспечения герметичности и замкнутости системы приготовления ЭРУО предлагаемым комплексом и способом его применения, сокращение стадий технологического процесса приготовления эмульсии на углеводородной основе вследствие отсутствия необходимости в дегазации готовой эмульсии и исключения таким образом образования взрывопожароопасной среды.