СИСТЕМА И СПОСОБ ОСУШЕНИЯ ОБЛОМКОВ ВЫБУРЕННОЙ ПОРОДЫ
DRILL CUTTINGS DRYING SYSTEM AND METHOD

Родственные заявки
Настоящая заявка претендует на приоритет родственных предварительных заявок US 61/334117, поданной 12 мая 2010 г., US 61/411298, поданной 8 ноября 2010 г., и US 61/417390, поданной 26 ноября 2010 г., каждая из которых включена в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники
В настоящей заявке описаны системы для отделения текучих сред от обломков выбуренной породы, и соответствующие способы. В частности, изобретение относится к вибрационным ситам, которые модифицированы введением вакуумной системы и(или) перегородок, и способам использования таких вибрационных сит для достижения высокой степени отделения текучей среды. Системы и способы обладают эффективностью в широком интервале размеров ячейки сита, расходов разрежения и конструкций вакуумной системы. Особенно эффективна данная система для отделения газов от буровых растворов.
Уровень техники
Потери бурового раствора в промышленности разведки и добычи ископаемых источников энергии создают ряд проблем в отношении технологии и издержек добычи. Эти проблемы в основном связаны с потерями бурового раствора за счет его ухода в породу, с извлечением бурового раствора на поверхности и(или) удалением бурового шлама или обломков выбуренной породы, загрязняющих буровой раствор. В настоящем описании, под "буровым раствором" понимаются как промывочная жидкость, приготовленная на поверхности и используемая в неизменном виде для бурения, так и все текучие среды, выходящие из скважины, которые могут включать различные загрязнители из скважины, в том числе, воду и углеводороды (как жидкие, так и газообразные).
Известно из практики, что в процессе горных работ и бурения, потери бурового раствора при выполнении программы бурения могут достигать 300 кубометров. При использовании некоторых буровых растворов, стоимость которых превышает 1600$ за кубометр, потеря таких объемов раствора оборачивается значительными затратами компаний, проводящих буровые работы. Специалистам известно, что буровые растворы обычно имеют водную основу или нефтяную основу и могут включать большое количество дорогих и специализированных химических веществ. Желательно поэтому, чтобы в процессе выполнения программы бурения терялось минимальное количество бурового раствора, и для достижения этого были разработаны многочисленные способы, позволяющие уменьшить потери бурового раствора, как в скважине, так и на поверхности.
Кроме того, в некоторых районах доставка нефти или воды для приготовления буровых растворов для ряда работ может требовать больших затрат, в частности, в пустынях, на морском шельфе или даже некоторых территориях, где местные жители не допустят использования воды для подобных нужд.
Как отмечалось выше, одной из конкретных задач является извлечение из породы на поверхности земли бурового раствора и любых углеводородов, которые могли налипнуть на обломки выбуренной породы (объединены здесь термином "текучие среды"). Для эффективного удаления различных текучих сред из выбуренных обломков использовались различные способы, включая применение, среди прочего, гидроциклонных сепараторов, глиноотделителей, вибрационных сит с линейным перемещением, шнековых центрифуг, вертикальных корзиночных центрифуг, вакуумных устройств и вихревых сепараторов. Специалистам известно, что обычно аренда таких устройств стоит от $1000 до $2000 в день и требует больших расходов от компаний, проводящих буровые работы. Поэтому для того чтобы операция по извлечению текучих сред была экономически оправданной, необходимо, чтобы стоимость извлеченной текучей среды превышала стоимость аренды оборудования. Дневная арендная плата за использование специализированного сепарационного оборудования может окупаться при выполнении земельных работ, где теряются большие количества дорогого бурового раствора (например, более трех кубометров в день). Кроме того, компания-оператор также скорее всего учтет при разработке систем отделения/восстановления буровых растворов/обломков породы экологические воздействия и(или) стоимость утилизации обломков породы, загрязненных буровым раствором.
Более того, существующие технологии извлечения бурового раствора из выбуренных обломков также включали использование систем распыления жидкости для подачи "моющих" жидкостей к обломкам породы при их обработке над вибрационными ситами. Такие моющие жидкости и соответствующие системы снабжения текучими средами используются для подачи различных моющих жидкостей при обработке обломков породы над вибрационным ситом, и могут включать самые разнообразные конструкции для подачи различных моющих текучих сред, в зависимости от типа обрабатываемого бурового раствора. Например, моющие жидкости могут состоять из нефти, воды или гликоля, в зависимости от бурового раствора и выбуренных осколков, обрабатываемых над вибрационным ситом. Обычно, эти моющие жидкости используются для снижения вязкости и(или) сил поверхностного натяжения текучих сред, прилипших к обломкам породы, что позволяет сделать извлечение более эффективным. К сожалению, рентабельность этих способов при использовании в отношении многих буровых растворов получается невысокой из-за того, что применение разбавляющих текучих сред часто приводит к неприемлемому увеличению объема бурового раствора и(или) изменениям его химического состава и, вследствие этого, реологических свойств бурового раствора.
Таким образом, несмотря на то, что различные сепарационные системы отличаются эффективностью и рентабельностью, обеспечивая определенный уровень отделения текучих сред/обломков породы, каждая разновидность процесса разделения эффективна, как правило, только в определенном диапазоне условий или параметров, и при определенных затратах. Например, стандартные вибрационные сита, использующие фильтры, обладают относительно высокой эффективностью и постоянством параметров при удалении определенного объема текучей среды из обломков породы и, при типовых условиях работы вибрационного сита, компания-оператор обычно получает степень разделения бурового раствора и обломков породы на уровне 12-40 масс.% отношения раствора к обломкам породы (т.е., 12-40% полного веса извлеченных обломков составляет буровой раствор). Интервал весового процентного соотношения буровой раствор/обломки породы обычно регулируется размером ячейки сита, при этом оператор может обеспечить более высокую степень разделения бурового раствора и обломков, используя сита с большими ячейками (например, 50-75 меша), и меньшую степень разделения бурового раствора и обломков, используя сита с меньшими ячейками (например, до 325 меша). Выбор между использованием сита с большими ячейками и сита с малыми ячейками определяется влиянием размера ячейки сита на количество твердого вещества, прошедшего сквозь сито. При этом, хотя оператор может снизить количество текучих сред, оставшихся на обломках после вибрационного сита с фильтром с большими ячейками (50-75 меш), через фильтр сита пройдет значительно большее количество твердого вещества, что окажет сильное влияние на реологию и плотность извлеченных текучих сред, и(или) потребует использования дополнительной и возможно менее эффективной технологии разделения для удаления этого твердого вещества из извлеченного бурового раствора. И, наоборот, при использовании фильтра сита с мелкой ячейкой, и ослаблении тем самым необходимости использования дополнительного разделения на последующих этапах для удаления твердого вещества из извлеченного бурового раствора, значительно большие объемы бурового раствора окажутся не извлеченными, поскольку они, скорее всего, пройдут над ситом, что приведет к потере бурового раствора и(или) потребует дальнейшей обработки.
В соответствии со сказанным, во многих случаях, оператор будет подвергать извлеченную из вибрационного сита текучую среду дополнительной обработке в устройстве, использующем центробежную силу, для снижения плотности текучей среды и удаления из нее как можно больше мелких твердых частиц, перед повторным использованием или регенерацией бурового раствора. Однако подобное доведение до нужного качества требует более дорогого оборудования, например, центрифуг, шнековых центрифуг, гидроциклонных сепараторов и т.д., что увеличивает общую стоимость извлечения. Эти технологии обработки также напрямую зависят от качества обрабатываемой текучей среды, поэтому текучие среды, предварительно обработанные на вибрационных ситах, не будут оптимизированы в той же степени, как полученные из сит с более тонкими фильтрами.
Кроме того, работа центрифуг и гидроциклонных сепараторов, и другого оборудования напрямую зависит от вязкости и плотности подаваемой в них текучей среды. Поэтому для оборудования для извлечения бурового раствора, направляющего тяжелые, нагруженные твердым веществом текучие среды в установки вторичной обработки, требуются более интенсивные технологии, например, использующие большие ускорения и(или) вакуум для осуществления разделения, которое обычно сопровождается разрушением обломков породы.
Более того, такое оборудование вторичной обработки обычно не в состоянии выполнять обработку обломков выбуренной породы и буровых растворов с той же производительностью, что и вибрационное сито, в результате чего может потребоваться дополнительное сепарационное оборудование или резервуары-хранилища для временного хранения накопившегося бурового раствора.
3
При этом оператор постарается найти компромисс между стоимостью потерянного бурового раствора и качеством извлеченной текучей среды, вместе с другими факторами. В то время как у операторов обычно не столь велик выбор среди имеющихся технологий обработки выбуренной породы и извлечения текучих сред, многие из них используют сепарационное оборудование так, чтобы извлечь буровой раствор с плотностью, превышающей примерно на 200-300 кг/м плотность циркулирующей в системе текучей среды. Эта более тяжелая текучая среда будет содержать значительное количество высокодисперсного твердого вещества, которое, будучи оставленным в буровом растворе, сразу же или с течением времени ухудшит работу бурового раствора или любой другой текучей среды.
3
В результате, сохраняется потребность в системах, которые без роста затрат увеличат объем извлекаемой текучей среды из вибрационного сита, не ухудшая реологические свойства извлеченного бурового раствора. В частности, требуются сепарационные системы, с помощью которых можно получить текучую среду, плотность которой превышает на 5-100 кг/м плотность исходной текучей среды, и которые не изменяют реологические свойства, например, пластическую вязкость и стойкость геля.
Кроме этого, необходимо создание недорогой технологии модификации оборудования, позволяющей повысить степень извлечения при затратах, составляющих долю тех, что характерны для оборудования и технологий, используемых в настоящее время. Далее, требуются технологии модификации, которые могут быть использованы применительно к различным вибрационным ситам различных производителей, и которые позволят улучшить производительность существующих вибрационных сит.
Помимо этого, существует нужда в разработке сепарационных технологий, которые улучшают работу оборудования вторичного разделения.
Одним из способов улучшения отделения бурового раствора было использование вакуумной технологии. Однако вакуумная технология сама по себе создает различные проблемы, включая недостаточное разделение обломков породы и текучих сред, что, как отмечалось выше, требует дополнительной дорогостоящей последующей обработки, и неспособна эффективно отделить мелкие частицы от извлекаемого бурового раствора, что приводит к росту плотности извлеченного бурового раствора. Более того, вакуумные системы с интенсивной обработкой также разрушают обломки, вследствие чего проблема образования мелких частиц только нарастает.
Помимо этого, различные вакуумные технологии также могут создавать проблему запыленности и тумана на рабочих местах, поскольку существующие технологии вакуумного разделения требовали регулярной промывки забитых фильтров сит вакуумных установок. Промывка сит под высоким давлением порождает висящую в воздухе пыль и мглу, что представляет опасность для персонала. Таким образом, необходима технология, сводящая к минимуму потребность в промывке сит.
Далее, существовала потребность в усовершенствованных системах отделения текучей среды с обратной стороны фильтра вакуумного сита, обеспечивающих эффективное и рентабельное отделение относительно больших объемов воздуха, втягиваемых сквозь фильтр вакуумного сита, от относительно небольшого объема бурового раствора, втягиваемого сквозь фильтр вакуумного сита. Другими словами, требуется усовершенствованная система разделения текучей среды и воздуха. Также требуются вакуумные технологии, способствующие окислению жирных кислот в буровом растворе, что может снизить потребность в дополнительных эмульгаторах.
Также существовала потребность в усовершенствованных способах эксплуатации вакуумных систем, обеспечивающих существенное снижение риска засорения фильтров и, при этом, возможность использования более тонких фильтров сит.
Далее, существовала потребность в системах, обеспечивающих возможность рентабельной замены фильтров сит, с использованием усовершенствованных прокладок и уплотнителей между вакуумной системой и ситами.
Кроме того, требовались модифицированные системы, которые могли быть адаптированы к стандартным вибрационным ситам, без существенной модификации существующих вибраторов, и которые обеспечивали бы быструю и простую установку на производственной площадке. Также требовались модифицированные системы, которые легко бы разбирались для транспортировки и(или) обслуживания.
Также существовала потребность в системах, позволяющих улучшить в целом отделение твердого вещества в ходе буровых работ, для обеспечения большей гибкости использования сепарационного оборудования с тем, чтобы на оборудование вторичной обработки подавалось меньше текучей среды, и в которых извлечение более дорогих буровых растворов производилось бы с большей эффективностью и рентабельностью.
Дегазация
Известно, что в процессе бурения в циркулирующий буровой раствор регулярно попадает газ из породы, при этом находящиеся под давлением газы из породы смешиваются с буровым раствором и растворяются в нем, причем, в зависимости от количества и давления газа, может произойти полное насыщение бурового раствора. Особенно сильно это появляется, если буровое долото входит в продуктивный пласт внутри породы, и приток пластового газа в буровую скважину приводит к насыщению бурового раствора пластовым газом. Когда буровой раствор поднимается на поверхность и давление падает, газ может выделяться из бурового раствора.
На поверхности, одним из первых признаков "проявления" или неуправляемого попадания газа в систему циркуляции бурового раствора, является появление вспененного раствора на вибрационном сите, когда пузырьки газа образуются внутри вязкого бурового раствора. Вспенивание бурового раствора обычно приводит к потерям бурового раствора на вибрационном сите, поскольку пузырьки газа могут не разрушаться над ситом и(или) сводить к минимуму контакт обломков породы с фильтром сита, что сокращает обычную производительность работы сита. Другими словами, создаваемые вибрационным ситом ускорения могут быть недостаточны для немедленного преодоления сил поверхностного натяжения на пузырьках газа.
Эту проблему часто решают, увеличивая размер ячейки сита (т.е., используя более грубый фильтр), однако, как было отмечено выше, это приводит к снижению качества извлеченного бурового раствора. В альтернативном варианте, эту проблему часто решают, используя другое сепарационное оборудование в обход вибрационного сита, что может вызвать ухудшение параметров бурового раствора.
В результате, также существовала потребность в системах, улучшающих разделение газа и бурового раствора на вибрационном сите, а также предоставляющих оперативную информацию операторам о расположении бурового долота относительно продуктивного пласта.
Обзор уровня техники
Обзор известного уровня техники показывает, что в прошлом для отделения бурового раствора от обломков породы использовались различные вакуумные технологии, включая вибрационные сита.
Например, в US 4350591 описаны устройство очистки бурового раствора, имеющее наклонный движущийся ленточный фильтрующий слой вибрационного сита, и установка дегазации, имеющая вытяжной колпак и нагнетательный вентилятор. В патентной публикации US 2008/0078700 раскрывается самоочищающееся вибрационное сито, имеющее сменные распылительные форсунки для очистки фильтров сит. В канадской патентной заявке 2664173 описано вибрационное сито с системой создания перепада давлений, прилагающей прерывистое давление по фильтру сита, а другие известные решения, включая US 6092390, US 6170580, патентную публикацию US 2006/0113220 и публикацию РСТ 2005/054623, описывают различные сепарационные технологии.
Таким образом, несмотря на то, что известные технологии обладают определенной эффективностью в осуществлении разделения бурового раствора и обломков породы, в них не проработаны особенности конструкции и работы устройств разделения, обеспечивающих более эффективное извлечение текучих сред. В частности, в уровне техники не описывается достижение остаточного уровня текучей среды на обломках породы, составляющее примерно 12 масс.%, и отсутствие негативного воздействия на плотность извлеченного бурового раствора.
Примеры существующих систем и способов, используемых для обнаружения наличия газа в скважинах, включают такие системы и способы, раскрытые в патентной публикации US 2006/0254421, US 6389878, US 4635735, US4492862 и US4298572.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагаются усовершенствованные системы вибрационного сита и способы, для разделения бурового раствора и обломков выбуренной породы, дегазации буровых растворов, и для обработки твердого вещества в буровых растворах.
Согласно первому варианту выполнения, предложена усовершенствованная система отделения бурового раствора от обломков породы на вибрационном сите, имеющем фильтр вибрационного сита и несущую систему, на которую внутри вибрационного сита опираются обломки породы, загрязненные буровым раствором; при этом установка включает: первую систему сбора текучей среды для ее функционального размещения под фильтром вибрационного сита и несущей системой для сбора бурового раствора от первой секции фильтра сита и несущей системы; и вторую систему сбора текучей среды для ее функционального размещения под фильтром вибрационного сита и несущей системой для сбора бурового раствора от второй секции фильтра сита и несущей системы.
В одном варианте выполнения, буровой раствор собирается от каждой из первой и второй систем сбора текучей среды и обрабатывается независимо от другой.
В другом варианте выполнения, вторая система сбора текучей среды включает удлинитель фильтра и фильтр для присоединения, при модификации, к фильтру вибрационного сита и несущей системе, при этом удлинитель фильтра и фильтр выступают за пределы первоначальной длины фильтра вибрационного сита и несущей системы; и модифицирующую систему сбора бурового раствора, функционально присоединенную к удлинителю фильтра для сбора текучей среды с фильтра удлинителя фильтра.
В другом варианте выполнения, над каждой из первой и второй систем сбора текучей среды функционально размещены отдельные фильтры с различным размером ячеек фильтра.
В одном варианте выполнения, по меньшей мере одна из первой и второй систем сбора текучей среды имеет приемную воронку.
В другом варианте выполнения, система также включает по меньшей мере третью систему сбора текучей среды для ее функционального размещения под фильтром вибрационного сита и несущей системой, для сбора буровою раствора с третьей секции фильтра вибрационного сита и несущей системы, и в которой отдельные фильтры, имеющие различный размер ячейки сита, функционально расположены над каждой из первой и второй, и по меньшей мере третьей, системами сбора текучей среды.
В других вариантах выполнения, по меньшей мере одна секция системы сбора текучей среды включает вакуумную систему; первая и вторая системы сбора текучей среды разделены окружающей перегородкой; и(или) окружающие перегородки сделаны регулируемыми, что позволяет оператору изменять относительные размеры каждой из первой и второй систем сбора текучей среды.
В другом варианте выполнения, система также включает систему сбора тумана, функционально расположенную над фильтром вибрационного сита и несущей системой, для сбора тумана бурового раствора, образующегося при работе вибрационного сита. Система сбора тумана может включать поглотитель влаги.
В другом варианте выполнения, система включает резервуар первичного разделения, функционально соединенный с первой системой сбора текучей среды, в который подается буровой раствор, собираемый первой системой сбора текучей среды, и резервуар вторичного разделения, функционально соединенный со второй системой сбора текучей среды, в который поступает буровой раствор, собираемый второй системой сбора текучей среды.
В другом варианте выполнения, каждая из первой и второй секций фильтра вибрационного сита и несущей системы представляет собой функциональную основу фильтров с различным размером ячейки сита, при этом фильтр с ячейками меньшего размера находится в секции, располагающейся во входной (расположенной выше по потоку) секции фильтра вибрационного сита и несущей системы.
В других вариантах выполнения, буровой раствор из резервуара вторичного разделения подается в систему вторичного разделения для удаления твердого вещества, подается в систему первичного разделения, после чего повторно используется для бурения.
В другом варианта выполнения, часть выходной секции фильтра вибрационного сита и несущей системы включает вакуумную систему, функционально соединенную с вибрационным ситом и несущей системой и резервуаром вторичного разделения, предназначенную для воздействия разрежением на секцию фильтрующего слоя вибросита. В предпочтительном варианте выполнения, вакуумная система включает дренажный клапан вблизи фильтра вибрационного сита и несущей системы, для подачи объема воздуха в вакуумную систему для возбуждения турбулентности в вакуумной системе для усиления разделения газа и жидкости. Вакуумная система также может включать сепаратор газ и жидкости, имеющий датчик газа для определения концентрации пластового газа в буровом растворе.
В одном варианте выполнения, вакуумная система включает вакуумный коллектор для функционального соединения с фильтром и вакуумный дренаж, прилегающий к вакуумному коллектору, или составляющий его часть, для регулирования уровня разрежения внутри коллектора.
В одном варианте выполнения, удлинитель фильтра и модифицированный фильтр для фильтра вибрационного сита и несущей системы включают коллектор для функциональной связи с системой сбора текучей среды.
В одном варианте выполнения, к фильтру вибрационного сита и несущей системе присоединена приемная воронка, которая вибрирует вместе с фильтром вибрационного сита и несущей системой при работе вибрационного сита.
Согласно другой особенности, в изобретении предложен способ отделения обломков выбуренной породы от буровых растворов на вибрационном сите, имеющем фильтр вибрационного сита, при выполнении которого: подвергают буровой раствор и обломки породы разделению на фильтре на первой и второй секциях фильтра вибрационного сита; и собирают буровой раствор с первой и второй секций в первой и второй системах сбора текучей среды, соответственно. Фильтры первой и второй секций могут иметь разный размер ячейки сита.
Способ может также включать дополнительные шаги, при выполнении которых подвергают буровой раствор после второй системы сбора текучей среды вторичному разделению для удаления твердого вещества; подвергают часть бурового раствора после второй секции вакуумному разделению на фильтре вибрационного сита с использованием вакуумной системы; и(или) управляют воздушным потоком сквозь фильтр вибрационного сита для улучшения стойкости эмульсии бурового раствора, извлеченного посредством вакуумной системы.
В другом варианте выполнения, вакуумная система включает сепаратор газа и жидкости и газовый датчик, а способ дополнительно включает шаг мониторинга концентрации пластового газа, выделенного из бурового раствора.
Согласно другой особенности, в изобретении предложена модульная удлинительная система (МУУ) для функционального присоединения к выходному концу вибрационного сита, включающая: корпус, выполненный с возможностью функционального присоединения к фильтрующему слою на вибрационном сите, с закрепленными на корпусе фильтром и системой сбора текучей среды, функционально присоединенной к фильтру.
В другом варианте выполнения, корпус включает: открытый воронкообразный коллектор для отведения бурового раствора к отверстию вакуумного коллектора, включающего вакуумную соединительную систему для подсоединения к вакуумной системе.
В другом варианте выполнения, МУУ включает передний элемент, задний элемент и боковые накладки, функционально соединенные с воронкообразным коллектором, при этом передний элемент, задний элемент и боковые накладки служат функциональной опорой для фильтра и несущей системы фильтра.
В еще одном варианте выполнения, боковые накладки включают кронштейны для функционального присоединения боковых накладок к раме вибрационного сита.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описано со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 представлен вид сбоку модифицированного вибрационного сита с удлиненным фильтром и вакуумным коллектором, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.2 представлен вид в плане модифицированного вибрационного сита с удлиненным фильтром и вакуумным коллектором, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.3 представлен вид с торца модифицированного вибрационного сита с удлиненным фильтром и вакуумным коллектором, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.3А-3З представлены в перспективе типичные модульные удлинительные узлы (МУУ) для компоновки с различными вибрационными ситами;
на фиг.4 представлен вид сбоку модифицированного вибрационного сита с системой сбора тумана и системой обезвоживания, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.5 представлен вид сбоку модифицированного вибрационного сита с фильтром сита с сегментированной панелью и тремя фильтрами, системой сбора тумана и вакуумным коллектором, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.6 представлен вид сбоку модифицированного вибрационного сита с фильтром сита с сегментированной панелью и тремя фильтрами, и двойной системой сбора текучей среды, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.6А схематически представлена система разделения бурового раствора и обломков породы, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.6Б представлен вид сбоку модифицированного вибрационного сита с секционированным поддоном, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6В представлен вид сбоку секционированного поддона вибрационного сита, показанного на фиг.6Б;
на фиг.6Г представлен вид в плане секционированного поддона вибрационного сита, показанного на фиг.6Б;
на фиг.6Д представлен вид сбоку системы сбора отделенной текучей среды, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.6Е представлен вид в плане системы сбора отделенной текучей среды, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
на фиг.7 представлена графическая зависимость от скорости вращения вязкости контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.8 представлена графическая зависимость от скорости вращения вязкости контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой, с логарифмическим масштабом по осям;
на фиг.9 представлена графическая зависимость пластической вязкости, предела текучести, и 10-минутной и 10-секундной стойкости геля контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.10 представлена графическая зависимость распределения твердого вещества контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.11 представлена графическая зависимость стойкости эмульсии контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.12 представлена зависимость распределения размеров частиц контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.13 представлена зависимость распределения размеров частиц (менее 2 мкм) контрольного бурового раствора, раствора после вакуумного фильтра и после разделения центрифугой;
на фиг.14 представлен эскиз основных взаимодействий обломков выбуренной породы с фильтром, имеющим вакуумную систему в соответствии с изобретением;
на фиг.15 представлена зависимость относительного разрежения, требуемого для преодоления сил поверхностного натяжения для ряда различных текучих сред при разных размерах ячейки сита.
Подробное описание осуществления изобретения
Приводится описание, со ссылками на чертежи, вариантов выполнения усовершенствованных систем разделения обломков выбуренной породы и бурового раствора.
Фильтр вибрационного сита с удлинителем
В различных вариантах выполнения, показанных на фиг.1-3 и 3А-3З, представлено вибрационное сито 10, имеющее удлиненный фильтр 11 и модульные удлинительные узлы (МУУ) 12а. В частности, варианты выполнения МУУ дают возможность провести технически необходимую модификацию вибрационных сит различных производителей добавлением удлиненного фильтрующего слоя, включая введение вакуумного коллектора 12 или двойной, или разделенной, системы сбора текучей среды, как это более подробно будет показано ниже.
В частности, в некоторых конструкциях вибрационных сит, технически достаточно сложно прикрепить к вибрационному ситу систему 12 вакуумного коллектора, как это описано в находящихся в совместном рассмотрении заявках Заявителя, когда объем или пространство под фильтрующим слоем вибрационного сита недостаточны для размещения вакуумного коллектора. Кроме того, в некоторых конструкциях, установка вакуумных трубопроводов под фильтрующим слоем вибрационного сита может привести к преждевременному износу и(или) отказу вакуумных трубопроводов из-за опасности столкновений/трения с различными конструкциями вибрационного сита.
Как показано на фиг.1-3 и фиг.3А-3З, может быть введен удлинитель вибрационного сита в форме МУУ 12а для формирования фильтрующего слоя большего размера с тем, чтобы к фильтрующему слою вибрационного сита мог быть добавлен дополнительный фильтр, выходящий за пределы обычного размера вибрационного сита. Как показано на фиг.1, МУУ также дает возможность скомпоновать вакуумный коллектор 12 с удлиненной частью фильтрующего слоя вибросита и фильтра так, как это описано в заявках Заявителя, находящихся в совместном рассмотрении, и в настоящем описании.
В непродленной части фильтрующего слоя вибросита, текучая среда будет проходить сквозь фильтр 10а и собираться обычной системой сбора текучей среды вибрационного сита (обычно, это поддон со сливным патрубком). В продленной части фильтра 11 текучая среда собирается отдельно, например, вакуумным коллектором 12, скомпонованным с МУУ 12а.
В результате, благодаря удлинению, вакуумный коллектор 12, вакуумный трубопровод 16 и другое вакуумное оборудование может быть легко размещено вокруг наружной части вибрационного сита, что дает ряд преимуществ по сравнению с известными системами. Например, использование МУУ может существенно снизить расходы на монтаж вибрационных сит определенных производителей, поскольку время и стоимость рабочей силы на проведение модификации может быть существенно сокращено, по сравнению с модификацией вакуумной коллекторной системы внутри основной конструкции вибрационного сита. Кроме того, использование МУУ может упростить конструкцию в случаях, когда один вакуумный насос должен работать более чем с одним вакуумным коллектором на разных вибрационных ситах, так как может быть упрощена система соединительных труб. Помимо этого, в случае закупорки, в процессе работы, отсасывающих труб, нет необходимости останавливать вибрационное сито (и создавать помеху проведению бурильных работ), так как МУУ находится снаружи сита и может быть обеспечен доступ к закупоренным трубам при работающем вибрационном сите.
На фиг.2 показан вид сверху, а на фиг.3 показан вид с торца вибрационного сита 10 с МУУ 12а с удлиненным фильтрующим слоем. Как хорошо видно на фиг.3, МУУ включает прикрепленные к нему вакуумный коллектор 12 и вакуумный трубопровод 16. Также надо заметить, что на фиг.1 показан вариант выполнения вибрационного сита, в котором имеется ступенька на фильтрующем слое между верхней частью 10а и нижней частью 10b.
Как правило, фильтрующий слой может быть удлинен путем приваривания или прикрепления болтами удлинителей к вибрирующему лотку, например, модульного удлинительного узла (МУУ) 12а. В этом случае, МУУ включает различные фланцы, накладки и(или) кронштейны, обеспечивающие присоединение МУУ 12 к фильтрующему слою вибросита.
На фиг.3А, МУУ показан с одним коллектором 12b фильтра, через который днище МУУ соединяется с вакуумным трубопроводом. МУУ включает передний элемент 12с, задний элемент 12d и боковые накладки 12е, образующие концы МУУ. Задний элемент и боковые накладки имеют соответствующие отверстия 12f под болты для соединения МУУ с конкретным вибрационным ситом и(или) присоединения дополнительных кронштейнов. Например, как показано на фиг.3Б, МУУ может включать дополнительные кронштейны 12g с соответствующими отверстиями, обеспечивающими присоединение к конкретному вибрационному ситу. Как показано на фиг.3А, задний элемент, боковые накладки и передний элемент каждый включают соответствующую рельсовую направляющую 12h в качестве функциональной опоры рамы фильтра.
На фиг.3В и 3Г показан другой вариант выполнения, в котором МУУ имеет другие боковые накладки 12е, кронштейны 12g и задний элемент 12d для присоединения к другому вибрационному ситу. На фиг.3Г фильтрующий слой 13 показан прикрепленным к МУУ. В данном примере, фильтрующий слой имеет свою собственную раму 13а с боковыми брусками 13b, что позволяет разместить раму 13а фильтра на МУУ, при этом боковые бруски 13b фиксируют раму фильтра внутри паза, образованного угловыми кронштейнами 12i и МУУ.
На фиг.3Д-3З показаны другие примеры боковых накладок и кронштейнов. Важно отметить, что МУУ может быть использован как с вакуумом, так и без него. Другими словами, МУУ может быть использован для удлинения фильтрующего слоя вибрационного сита, упрощения компоновки с фильтром отличающегося размера и(или) для объединения с вакуумной системой.
Различные размеры ячеек сита в разных секциях
В другом варианте выполнения, представленном на фиг.6-6Е, показана система вибрационного сита, использующая фильтры 3, 4 и 5 с разным размером ячеек. В этих вариантах выполнения, оператор может захотеть использовать фильтр с более крупной ячейкой в позиции 5 на выходной секции вибрационного сита, и фильтры с более мелкой ячейкой в позициях 3, 4 на входной секции(-ях) сита. Например, хотя обычно стремятся использовать как можно более тонкий фильтр для предотвращения прохождения сквозь фильтр мелких частиц, которые могут негативно влиять на рабочие характеристики бурового раствора, очень тонкие фильтры будут приводить к сильному потоку текучей среды по вибрационному ситу и плохому разделению бурового раствора и обломков породы, а значит, и плохому извлечению бурового раствора, даже и при наличии вакуумной системы. Как таковой, более грубый фильтр может быть использован, в соответствии с изобретением, в выходной части вибрационного сита с тем, чтобы улучшить итоговое разделение бурового раствора и обломков породы. Хотя использование фильтров с разным размером ячейки может привести к усилению прохождения сквозь фильтр более крупных частиц в выходной части фильтра, раздельные системы сбора текучей среды для входной секции 8 и выходной секции 6 могут гарантировать, что текучая среда, извлеченная во входных секциях, в основном свободна от больших твердых частиц. В результате, текучая среда, извлеченная в выходной секции 6, хотя потенциально и содержит более крупные фракции твердых частиц, может быть отдельно подвергнута вторичному разделению. Поскольку вторичное разделение обычно выполняется на меньшем количестве извлеченного бурового раствора, способы вторичного разделения могут быть более эффективными, чем при использовании этих способов вторичного разделения применительно к большим количествам извлекаемого бурового раствора.
3
3
3
3
В качестве примера рассмотрим типовые буровые работы, когда буровая установка использует буровой раствор с расходом 2 м/мин, и может включать два вибрационных сита и одну центрифугу как часть оборудования, отделяющего твердое вещество. Центрифуга может иметь оптимальную скорость обработки 0,3 м/мин, что означает, что 1,7 м/мин бурового раствора не смогут обрабатываться со скоростью его поступления. Кроме того, для предотвращения потери бурового раствора на вибрационном сите, от оператора может потребоваться использовать только фильтры 170 меша АНИ (Американский нефтяной институт), которые не пропускают частицы более 82 мкм. Это означает, что 1,7 м/мин текучей среды, содержащей твердые частицы размером менее 83 мкм, будут возвращаться обратно в скважину, где их размер будет сокращаться за счет эрозии, связанной с работой насоса, деформации сдвига на долоте, и перемалывании на торцевой поверхности долота. В результате, происходит накопление мелкодисперсного материала в системе бурового раствор. При соответствующей большей площади поверхности и высокой плотности заряда в более тяжелой текучей среде, чем хотелось бы, вязкость нарастает, что может быть нежелательно, и увеличивается добавление/концентрация химических веществ, используемых для сглаживания этих эффектов.
3
3
В качестве примера способа решения этих проблем, приводится описание вибрационного сита и системы отделения текучей среды, использующих перегородки в вибрационном сите. В этом примере, более тонкий фильтр (например, фильтр 325 меша по АНИ) устанавливается во входных частях вибрационного сита. В процессе нормальной работы, эти фильтров обеспечивают эффективную обработку примерно 1,7 м/мин текучей среды, проходящей сквозь фильтры, и отделяют частицы размером более 41,5 мкм. Более грубый фильтр устанавливается в выходной части вибрационного сита (например, фильтр 140 меша по АНИ), обеспечивающий прохождение через фильтр оставшегося потока 0,3 м/мин и предотвращающий отекание текучей среды с конца вибрационного сита. При этом через данный фильтр могут проходить частицы размером менее 98 мкм. Перегородки, таким образом, обеспечивают раздельный сбор текучей среды от различных секций вибрационного сита.
Затем, текучая среда после более грубого фильтра, составляющая относительно небольшую часть общего объема текучей среды, проходящей по вибрационному ситу, подвергается обработке на центрифуге для удаления частиц твердого вещества с размером вплоть до 2 мкм.
В результате, в предложенных системе и способе значительно замедляется накопление твердого вещества в повторно используемом буровом растворе за счет более эффективного отделения более крупных частиц и удаления их до того, как они смогут вернуться в циркуляционную систему подачи бурового раствора и подвергнуться разрушению.
3
3
Дополнительное введение вакуумной системы в секции или части секции грубого фильтра, с использованием или без использования перегородок, дает сходный эффект, и позволяет оператору использовать более тонкие фильтры без потери текучей среды, стекающей с конца вибрационного сита. Однако, поскольку вакуумная система не может быть стыкована с большей секцией фильтрующего слоя вибросита, обрабатываемый объем 0,3 м/мин, который обычно может быть обеспечен секционированием, превышает обычные 0,1-0,2 м/час, которые может обеспечить сама по себе вакуумная обработка.
Важно, что описанные система и способы могут быть эффективными в предотвращении образования в системе более мелких частиц. Другими словами, поскольку очень мелкие частицы, как известно, не образуются в большом количестве при воздействии долота на поверхность породы, благодаря активному отделению твердого вещества в начале вибрационного сита с использованием секционирования/вакуума, можно эффективно предотвратить образование фракций мелких частиц.
В другом варианте выполнения, показанном на фиг.4 и 5, система 20 вакуумного насоса, выполненная с возможностью создания разрежения в вакуумном коллекторе 12, также может включать систему 22 сбора тумана для улавливания тумана бурового раствора, образующегося при вибрационном воздействии на буровой раствор и обломки породы на фильтрах. Система 22 сбора тумана обычно включает колпак 2, расположенный над вибрационным ситом вместе с соответствующим трубопроводом 1, клапанами 7, 8 управления давлением и вакуум-насосом 9. Как показано на фиг.4, система сбора тумана может также включать систему 22а обезвоживания, включающую поглотитель влаги для поглощения воды из образующегося тумана.
Как отмечалось выше, на фиг.6 и 6А-6Е представлены варианты выполнения, в которых используются системы вторичного сбора текучей среды. Системы вторичного сбора текучей среды могут быть, например, в форме одной или более приемных воронок 6, ба (фиг.6, 6Д, 6Е), одной или более перегородок (фиг.6Б, 6В, 6Г) или комбинации приемных воронок и перегородок и МУУ (фиг.6А), с использованием раздельных трубопроводных систем.
В системе приемной воронки, одна или более приемных воронок выполнены с возможностью сбора текучей среды с определенного участка вибрационного сита, где текучая среда, проходящая сквозь сито на этом участке, попадет в приемную воронку для ее сбора. Приемные воронки 6, ба могут быть соединены непосредственно с фильтрующим слоем вибрационного сита так, что они двигаются вместе с этим слоем, либо могут быть соединены с вибрационным ситом независимо от фильтрующего слоя сита так, что не двигаются вместе с ним. Важно отметить, что в случае, когда приемные воронки соединены с вибрационным ситом, вибрирующие воронки могут оказывать разжижающее сдвиговое воздействие на соприкасающийся с ними буровой раствор, улучшающее поток бурового раствора после вибрационного сита за счет индуцированного сдвигом снижения вязкости и момента движения, придаваемого текучей среде вибрацией. Как будет более подробно показано ниже, этим можно улучшить общие характеристики обработки текучей среды и твердого вещества в системе.
В секционированной системе, одна или более перегородок 28 вместе с кронштейнами 29 образуют внутри поддона 30 сита отдельные разделенные области. Обычно каждая перегородка располагалась бы в точке перехода между фильтрами с различным размером ячейки. Более того, в другом варианте выполнения, перегородки могут быть переставлены в различные кронштейны 29 так, что оператор может быстро изменить их расположение в случае, если производится изменение размеров ячейки фильтров в процессе работы, как показано на фиг.6Б-6Г.
Фиг.6А дает представление о полной сепарационной системе, включающей секционированное вибрационное сито, МУУ 12а, вакуумную систему 20 и систему 60 вторичной обработки текучей среды. Показано, что вибрационное сито было модифицировано удлиненным фильтром, в котором продленная часть была скомпонована с вакуумным коллектором 12. К вибрационному ситу, вблизи его выходного конца, пристыкована приемная воронка 6, а ближе от нее ко входу сита установлена отдельная система 30 сбора текучей среды. В этом варианте выполнения, обломки породы вводятся у входного конца вибрационного сита и перемещаются к выходному концу.
Во входных секциях вибрационного сита обычно используются более тонкие фильтры, что препятствует прохождению сквозь фильтры более крупных частиц, но также ограничивает прохождение сквозь фильтры и бурового раствора. Буровой раствор, собранный с этих секций с поддона 30 вибрационного сита через трубопровод 26а, благодаря почти полному отсутствию твердых частиц, может быть сразу же возвращен в резервуар 26 "чистого" бурового раствора для повторного использования в скважине, куда он подается по трубопроводу 27.
Внутри вибрационного сита, над приемной воронкой 6 расположена секция более грубого фильтра, через который проходит большая часть бурового раствора и, одновременно, более крупные частицы. Поскольку извлеченная текучая среда будет иметь более высокое содержание твердого вещества, обычно требуется вторичное отделение текучей среды. Поэтому, такие текучие среды собираются в резервуаре 19 для "грязного" бурового раствора для вторичной обработки. Текучая среда из резервуара 19 накачивается в центрифугу 24 по трубопроводу 24а центрифуги для разделения твердого вещества и текучей среды. После разделения, очищенная текучая среда подается в резервуар 26 для чистого бурового раствора, а твердое вещество 23 удаляется. Поскольку от центрифуги обычно требуется разделять небольшую часть общего количества извлекаемого бурового раствора, центрифуга может быть более компактной по сравнению с центрифугой, в которой вторичному разделению должен подвергаться весь извлекаемый буровой раствор. Поэтому может быть достигнута высокая эффективность процесса.
Кроме того, система также может включать вакуумную систему 20 для выполнения доочистки обломков выбуренной породы, выходящих из вибрационного сита 10. Размер ячейки в этой секции будет в целом эквивалентен размеру ячейки фильтра в секции, расположенной рядом со стороны входа вибрационного сита, но также может быть и меньше, так как проходящие по этой секции обломки породы подвергаются воздействию большей разделяющей силы (благодаря приложенному вакууму). Показанное на фиг.6А вибрационное сито сопряжено с МУУ 12а, хотя для какого-либо конкретного вибрационного сита это может быть и не нужно. Текучие среды, извлекаемые из области МУУ вибрационного сита, обычно возвращаются в "грязный" резервуар 19, хотя если бы в МУУ мог быть использован тонкий фильтр, эти текучие среды могли быть возвращены непосредственно в "чистый" резервуар 26. Для обеспечения требуемого движения текучих сред могут быть использованы другие насосы (не показаны).
В зависимости от конкретных эксплуатационных требований, в соответствии с описанными выше общими принципами, в конкретные конструкции могут быть внесены изменения, как это должно быть понятно специалистам. Например, хотя приведенное выше описание относится к модификации существующего вибрационного сита для расширения его функциональных возможностей, понятно, что эти функциональные возможности могут быть получены и в новом оборудовании.
Примеры
Важно отметить, что в описанных выше системах обеспечивается эффективное отделение выбуренных обломков породы от бурового раствора без существенного ухудшения качества извлекаемого бурового раствора.
В качестве иллюстрации, приводится рассмотрение частного примера бурового раствора, для определения влияния различных способов разделения на свойства получаемого бурового раствора. Приведенные данные были получены на образцах бурового раствора EDSI 4G на нефтяной основе компании Engineered Drilling Solutions Inc., Калгари, пров. Альберта, используемого для бурения типичной скважины. Буровой раствор извлекался из скважины и проходил над вибрационным ситом, которое было модифицировано вакуумным фильтром. Буровой раствор, получаемый после вакуумного фильтра, использовался повторно, а образцы оставлялись для испытаний ("образец после вакуумного фильтра"). Полученный буровой раствор затем подвергался вторичной обработке с использованием осадительной центрифуги, и образцы, полученные после центрифуги, оставлялись для испытаний (образец "после центрифуги"). Еще один образец ("контрольный образец") бурового раствора извлекался из-под фильтров вибрационного сита и использовался для сравнения с образцом после вакуумного фильтра и с образцом после центрифуги.
В Таблице 1 и на фиг.7-13 представлены различные свойства каждого образца.
Таблица 1
Свойства утяжеленного бурового раствора
Испытания бурового раствора на нефтяной основе на образцах бурового раствора, утяжеленного сульфатом бария (Suncor P30)
Образцы
Контрольный образец
Образец после вакуумного фильтра
Образец после центрифуги
Свойства
Плотность
1260 кг/м<sup>3</sup>
1285 кг/м<sup>3</sup>
1020 кг/м<sup>3</sup>
Результаты ретортного анализа
Тверд. вещество
16,00%
564 кг/м<sup>3</sup>
16,00%
592 кг/м<sup>3</sup>
6,50%
253 кг/м<sup>3</sup>
Вода
5,00%
50 кг/м<sup>3</sup>
3,00%
30 кг/м<sup>3</sup>
2,00%
20 кг/м<sup>3</sup>
Нефть
79,00%
646 кг/м<sup>3</sup>
81,00%
663 кг/м<sup>3</sup>
91,50%
748 кг/м<sup>3</sup>
Нефть/вода
94/6
96,5/3,5
97,9/2,1
Кажущаяся плотность тверд. вещества
3524 кг/м<sup>3</sup>
3703 кг/м<sup>3</sup>
3870 кг/м<sup>3</sup>
Тяжелая тверд. фракция
323 кг/м<sup>3</sup>
418 кг/м<sup>3</sup>
209 кг/м<sup>3</sup>
Легкая тверд. фракция
241 кг/м<sup>3</sup>
174 кг/м<sup>3</sup>
43 кг/м<sup>3</sup>
Реология
Вискозиметр (об/мин)
Изменения относительно следующего набора данных
Изменения относительно следующего набора данных
600
41
-19,51%
33
-19,70%
26,5
300
26
-28,85%
18,5
-16,22%
15,5
200
20
-30,00%
14
-14,29%
12
100
14
-35,71%
9
-11,11%
8
6
4,5
-55,56%
2
25,00%
2,5
3
4
-50,00%
2
0,00%
2
Параметры Бингама
Пластическая вязкость (PV)
15,0 мПс
-3,33%
14,4 мПс
-24,14%
11,0 мПс
Предел текучести (YP)
5,2 П
-63,64%
1,9П
12,50%
2,1 П
10-секундная стойкость геля
2,4 П
-40,23%
1,4 П
0,00%
1,4 П
10-минутная стойкость геля
3,8 П
-25,00%
2,9 П
0,00%
2,9 П
Кажущаяся вязкость
0,021 Пс
-19,51%
0,017 Пс
-19,70%
0,013 Пс
Отношение PV/YP
2,859
165,83%
7,600
-32,57%
5,125
Параметры степенного закона
n(600/300)
0,6571
27,06%
0,8349
-7,33%
0,7737
n(300/200)
0,6471
6,23%
0,6874
-8,17%
0,6312
n(200/100)
0,5146
23,88%
0,6374
-8,23%
0,5850
n(100/6)
0,4034
32,52%
0,5346
-22,67%
0,4134
К(300)
0,432 Пс
-76,53%
0,101 Пс
22,73%
0,124 Пс
Испытания бурового раствора на нефтяной основе на образцах бурового раствора, утяжеленного сульфатом бария (Suncor P30)
Образцы
Контрольный образец
Образец после вакуумного фильтра
Образец после центрифуги
К(200)
0,460 Пс
-44,67%
0,254 Пс
18,94%
0,303 Пс
К(100)
0,995 Пс
-65,80%
0,340 Пс
16,39%
0,396 Пс
Стабильность эмульсии
Зонд 1 (0,060)
1081 В
23,96%
1340 В
45,82%
1954 В
Зонд 2 (0,060)
1560 В
28,21%
2000 В
0,00%
2000 В
Зонд 3 (0,030)
940 В
72,34%
1620 В
28,89%
2088 В
Среднее
1194 В
38,51%
1653 В
21,81%
2014 В
Фильтр-прессные результаты при высоких давлении и температуре (500 фунт/кв. дюйм, 100°С)
Объем Фильтрационный осадок
Значения (х,ххх) в параметрах зондов представляют собой зазоры зондов. Зондам 0-2000 В соответствует 0,060, зондам 0-4000 В соответствует 0,030. Значения напряжения, равные 2000 В, с зондом 0,060 означают, что измеритель "зашкалил", показывая наличие величины больше 2000 В.
Вариации между образцами в отношении свойств текучей среды, имеющиеся в Таблице 1 и фиг.7-13, являются одновременно ожидаемыми и неожиданными.
Например, для образца, полученного с использованием вакуумного фильтра, наблюдалось неожиданное увеличение стабильности эмульсии, снижение вязкости и увеличение отношения тяжелой фракции твердого вещества к легкой фракции твердого вещества. Эти результаты являются неожиданными особенно из-за того, что плотность образца после вакуумного фильтра была выше. В то время как увеличение плотности было предсказуемым, также наблюдалось увеличение отношения тяжелой фракции твердых частиц к легкой фракции твердых частиц в образце после вакуумного фильтра по сравнению с контрольным образцом, что дает основания предполагать, что утяжеляющий агент (сульфат бария) всасывался сквозь фильтр, и увеличение плотности происходило не просто за счет прохождения сквозь фильтр мелкодисперсной части обломков породы. Обычно, можно было бы предполагать, что мелкодисперсное твердое вещество в извлеченной текучей среде (т.е., текучей среде, прошедшей сквозь фильтр) приведет к увеличению плотности (за счет легкой фракции твердого вещества и мелкодисперсных частиц) и росту вязкости в результате снижения стабильности эмульсии (в случае инвертно-эмульсионного бурового раствора на нефтяной основе) из-за снижения эффективности эмульгаторов. Снижение кажущейся вязкости, особенно с одновременно наблюдаемым ростом стабильности эмульсии, позволяет предположить, что под влиянием вакуумного фильтра стойкость эмульсии повышается. В частности, можно предположить, что увеличение стабильности эмульсии вызвано окислением эмульгаторов в буровом растворе, которое может вести к полимеризации эмульгаторов (т.е., образованию двухзвенных, трехзвенных и т.д. полимеров эмульгаторов).
Улучшение рабочих характеристик эмульгатора объясняет повышенную стабильность эмульсии и предполагает снижение размеров капелек воды в растворах. Уменьшение размеров капелек воды позволяет предположить, что имеется меньше воды для образования водородных связей, которые могут повлиять на вязкие свойства раствора.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что свойства текучей среды после вакуумной фильтрации не оказывают негативного влияния на извлекаемый буровой раствор, возвращаемый в систему, благодаря чему снижается и(или) сводится к минимуму необходимость вводить химические добавки к раствору в восстановленный буровой раствор. В частности, улучшенные характеристики сводят к минимуму и(или) устраняют необходимость добавления эмульгатора в восстановленный буровой раствор. Кроме того, свойства полученной после вакуумного фильтрования текучей среды также способствуют работе различных систем вторичной фильтрации на выходе системы, например, центрифуги.
Как отмечалось, вышесказанное иллюстрируется на фиг.7-13. Как показано на фиг.7, образец текучей среды после вакуумной фильтрации имеет более низкую относительную вязкость, измеренную вискозиметром Farm 35, по сравнению с контрольным образцом. На фиг.8 приведены кривые относительной вязкости, измеренной вискозиметром Farm 35, построенные в логарифмическом масштабе по обеим осям, демонстрирующие хорошую корреляцию всех трех текучих сред со степенной моделью текучей среды.
На фиг.9 представлены параметры Бингама текучих сред, а также 10-секундная и 10-минутная стойкость геля. Для систем разделения с вакуумным фильтром можно было бы предполагать увеличение значений этих параметров текучих сред, вместо показанного падения. Объяснение полученных результатов может быть дано на основании описанных выше эффектов.
На фиг.10 приведены результаты перегонки испытуемых текучих сред. Как отмечалось выше, образец, полученный вакуумной фильтрацией, имел, как и ожидалось, больший вес, и меньшее содержание воды, что можно отнести на счет влияния избыточного разрежения, заставляющего испаряться воду.
На фиг.11 показаны результаты измерения стабильности эмульсии: а именно, значения напряжения пробоя эмульсии. Как отмечалось выше, хотя более высокий вес образца после вакуумной фильтрации должен был бы приводить к снижению стабильности эмульсии, наблюдается рост. Этот результат может быть объяснен описанными выше эффектами.
На фиг.12 показаны результаты лазерного анализа размеров частиц в текучих средах. Ожидались несколько более высокие относительные уровни мелких частиц в текучих средах после вакуумной фильтрации и центрифуги, поскольку большая часть крупных частиц была удалена, с ответствующим изменением относительного содержания. Однако, невысокий пик для частиц размером 75-200 мкм для текучей среды, полученной вакуумной фильтрацией, является неожиданным. Более высокое содержание мелких частиц в образцах после центрифуги и вакуумного фильтра, вероятно, связаны с присутствием сульфата бария и глины, причем наличие глины иллюстрируется фиг.13.
Другие данные
Как было показано выше, испытания также проводились в установке, где последний фильтр(-ры) с вакуумным воздействием был значительно более грубым, чем фильтры ему предшествующие на вибрационном сите, для оптимизации управления общим содержанием твердого вещества при извлечении обломков выбуренной породы.
В Таблице 2 приведены различные примеры конфигураций с разными фильтрами, перегородками и вакуумными системами, с соответствующими размерами ячеек фильтров, имеющих до пяти вариантов расположения на вибрационном сите. Расположение на входе сита соответствует позиции 1, на выходе - позиции 5.
Таблица 2
Примеры размеров ячеек фильтра (меш) для различной конфигурации системы
Позиция
1
2
3
4
5
Конфигурация
250
250
250
250
84
Внешний вакуум
250
250
250
150
Только перегородки
250
250
250
200
84
Перегородки и внешний вакуум
Важно отметить, что, как показано в Таблице 2, система может быть выполнена в различной конфигурации, в зависимости от конкретных требований оператора и имеющегося оборудования по управлению параметрами бурового раствора и твердого вещества.
Например, в первой конфигурации с использованием внешнего вакуума, (т.е., МУУ), тонкие фильтры устанавливаются на платформе вибрационного сита, в то время как в МУУ используется более грубый фильтр. Такая конфигурация может быть желательна, когда в качестве бурового раствора используется более дорогой состав, и оператор хочет обеспечить более эффективный окончательный сбор бурового раствора. В этом случае, текучая среда, собираемая с позиций 1-4, сразу же пригодна для повторного использования без дополнительной фильтрации твердого вещества, а часть, собираемая с позиции 5, подвергается вторичной фильтрации твердого вещества.
Во втором примере, где вакуум не используется, а имеются только одна или более перегородок, например, между позициями 3 и 4, качество бурового раствора может быть хуже и, вследствие этого, общее количество извлекаемой текучей среды может быть не столь важным, как в первом случае.
В третьем случае, система может быть оборудована как перегородками, так и вакуумом, если оператору понадобится дальнейшее улучшение работы ступеней разделения, в зависимости от качества работы и(или) наличия оборудования вторичного разделения. Например, текучие среды из первого отсека могут сразу же направляться для повторного использования, в то время как текучие среды из второго отсека могут быть подвергнуты первому виду вторичной обработки, а текучие среды из третьего отсека (т.е., после вакуумной фильтрации) могут быть подвергнуты другой вторичной обработке.
Объем коллектора
Объем коллектора также влияет на эксплуатационные характеристики системы. В частности, было установлено, что при малой глубине коллектора может происходить прилипание обломков породы к фильтрующему слою даже при малом разрежении. Представляется, что коллектор с малым объемом может создавать неравномерный воздушный поток в разных участках фильтра и, вследствие этого, вызывать налипание. Поэтому, обычно необходимо убедиться, что коллектор обладает достаточным объемом, для предотвращения неоднородности воздушного потока через фильтр. Также представляется, что внутри коллектора могут быть установлены направляющие воздушного потока для эффективного распределения вакуума, однако такие приспособления существенно увеличивают сложность и стоимость коллекторов.
Сведение к минимуму повреждения обломков
Как отмечалось выше, с тем, чтобы свести к минимуму растрескивание и разрушение обломков на вибрационном сите, важно, чтобы текучая среда на вибрационном сите в основном протекала по всей длине платформы сита, а высота текучей среды над фильтрами снижалась до малого уровня до соприкосновения с вакуумным фильтром. Это гарантирует, что обломки будут защищены от разрушения слоем текучей среды, и также позволит оператору использовать более тонкие фильтры для улучшения первичного отделения бурового раствора.
Расход воздушного потока
Расход воздушного потока в вакуумном фильтре обычно должен быть достаточен для преодоления поверхностного натяжения текучей среды на фильтре. При этом величину расхода воздушного потока нужно менять в зависимости от размера ячейки фильтра и силы поверхностного натяжения текучей среды. В начале процесса, воздушный поток должен подаваться с низкими расходами/давлениями (например, обычно разрежение составляет примерно 1 дюйм рт.ст.) с последующим его увеличением до уровня, когда фильтры будут казаться чистыми. Это означает, что воздушный поток чуть-чуть ниже того воздушного потока, при котором обломки будут прилипать к фильтру. Как правило, внешний вид лежащей снизу несущей рамы служит хорошим показателем достижения оптимального значения воздушного потока.
В типовых условиях работы, когда разрежение прикладывается к фильтру с ячейками 84-140 меша, при этом обычно используется система с двумя коллекторами с величиной разрежения примерно 5 дюймов рт.ст. при расходе воздушного потока сквозь фильтр примерно 300 куб. фут/мин.
Описание работы
В общих чертах, действие системы направлено на улучшение работы вибрационного сита и его фильтров путем повышения эффективности механического воздействия вибрационного сита на обломки выбуренной породы для обеспечения их контакта с фильтром. В частности, предложенная система способствует преодолению сил поверхностного натяжения, действующих между обломками породы, буровым раствором и проволокой фильтра, посредством разрежения. На фиг.14 представлено взаимодействие типичного обломка породы с фильтром. На фиг.14 обломок породы представлен в виде сферы 50, окруженной пленкой 52 текучей среды. Фильтр 54 имеет несколько проволок 54а с просветами 56.
В точке 1, обломок породы находится над "сухой" проволокой фильтра, где силы поверхностного натяжения текучей среды на обломках породы создают по существу однородное покрытие 52 вокруг обломка породы. В точке 2 обломок породы взаимодействует с фильтром благодаря сложению силы тяжести и механическим колебаниям сферы около фильтра. При этом, когда обломок породы и фильтр входят в соприкосновение, буровой раствор вытесняется из точки контакта и подвергается воздействию сил сдвига так, что часть вытесненной текучей среды, стремясь к состоянию более низкого химического потенциала, будет обтекать вокруг проволоки фильтра, покрывая ее. В точке 3, когда обломок породы отрывается от фильтра в результате механических колебаний (и других сил текучей среды), часть бурового раствора 54b фактически переносится на фильтр. В точке 4, поток воздуха сквозь фильтр прикладывает силу к проволоке фильтра, которая будет активно оттягивать текучую среду от фильтра, отрывая от него прилипшую под действием сил поверхностного натяжения текучую среду. Важно отметить, что фильтр при этом фактически очищается от текучей среды, давая возможность новым частицам обломков выбуренной породы повторить описанный процесс. Поскольку разрежение предпочтительно находится вблизи конца фильтра, уменьшается возможность трения друг о друга оголенных обломков породы до того, как они покинут фильтр.
Кроме того, между фильтром и любыми полярными молекулами в текучей среде могут действовать слабые электростатические силы, помогающие переносу текучей среды к фильтру, которые могут создаваться потоком воздуха над фильтром.
На фиг.15 представлены графики соотношений между величинами разрежения, необходимого для протягивания различных текучих сред сквозь фильтры с ячейками различного меша, рассчитанными по известным уравнениям поверхностного натяжения. Видно, что существует отличие в минимальной величине разрежения, необходимого для протягивания различных текучих сред сквозь фильтр и, в результате, фактическое разрежение, используемое в реальной установке, должно регулироваться с учетом этих отличий.
Также важно отметить, что при изменении размера ячейки фильтра, необходимо следить за тем, чтобы протекающие по фильтру обломки породы не создавали закупорок или не засоряли фильтр. Другими словами, важно, чтобы величина воздушного потока была отрегулирована в соответствии с изменением сил поверхностного натяжения при изменении размера ячейки фильтра. Более того, изменения в размере ячейки фильтра приведут к изменению размера извлекаемых частиц, что может, в отсутствие других регулировок, означать, что частота и амплитуда вибрационного сита могут оказаться недостаточными для придания частицам нужного ускорения для преодоления разрежения, в результате чего может возникнуть закупорка фильтра.
Управление разрежением в коллекторе
В качестве дополнительного средства управления работой системы, может быть использовано положение вакуумного дренажного клапана (100 на фиг.4), которое может влиять на работу системы. Например, когда вакуумный дренажный клапан расположен вблизи коллекторов (либо внутри коллекторов), может быть осуществлена тонкая настройка разрежения в коллекторе и воздушного потока сквозь фильтр так, чтобы вакуумный насос мог работать в постоянном режиме, в то время как точное регулирование выполнялось оператором вблизи вакуумного фильтра. Кроме того, располагая дренажный клапан вблизи коллектора, можно снизить риск закупоривания вакуумных трубопроводов скопившимся твердым веществом путем поддержания более высокой скорости потока ниже дренажного клапана по движению потока.
В частности, можно осуществлять управление дренажным клапаном 100 с тем, чтобы поддерживать относительно высокую скорость воздуха по всей длине трубопровода 16, ведущего от коллектора к вакуумной системе, и при этом иметь возможность точного регулирования потока воздуха сквозь фильтры. При этом следует отметить, что при нормальной работе вакуумная система будет расположена на буровой площадке на более низком уровне по сравнению с коллектором/вибрационным ситом, благодаря чему гравитация будет способствовать движению извлеченных текучих сред/твердого вещества от коллектора к резервуарам 19, 26.
Однако различные ограничения в местах проведения работ могут привести к тому, что места и конфигурация размещения оборудования окажется неоптимальной, в результате чего может произойти закупоривание трубопроводов твердым веществом. Это особенно вероятно в том случае, когда мало относительное вертикальное расстояние между коллектором и резервуарами и(или) велика относительная длина трубопроводов. Например, оператор может установить относительное высокое начальное разрежение, которое может вызвать налипание обломков выбуренной породы на фильтре. Поскольку такое явление нежелательно, оператор может, регулируя дренажный клапан, ввести воздушный поток в коллектор за фильтром с тем, чтобы снизить воздушный поток через фильтр и предотвратить тем самым, налипание обломков на фильтр, но сохраняя прежним расход потока в трубопроводе. Поскольку извлекаемые из фильтра текучие среды будут включать некоторую часть твердого вещества, должен поддерживаться относительно высокий расход воздушного потока для гарантии того, что возникающие в трубе турбулентности не позволят образовываться отложениям, которые могут привести к закупориванию трубопровода. Более того, расположение дренажного клапана на коллекторе или вблизи него обеспечит оператору условия непосредственного визуального контакта с вибрационным ситом, и возможность мониторинга состава материалов, стекающих с вибрационного сита.
Дегазация
Описываемая система также обладает дополнительными возможностями обработки различных газов, которые могут выделяться при прохождении по вибрационному ситу бурового раствора и обломков выбуренной породы, что обеспечивает ряд преимуществ в отношении безопасности и эксплуатационных параметров, по сравнению с существующими системами. Кроме того, описываемая система также может быть использована как оперативный индикатор расположения пробуриваемых газоносных областей путем обеспечения информации о концентрации газа в скважине.
В прошлом, когда происходило выделение газов из бурового раствора на вибрационном сите, и это становилось известно операторам, они не имели средств или возможности управлять этим газовым потоком на сите, за исключением использования временного пути в обход вибрационного сита, по которому текучая среда и газ направлялись через установку отделения газа от жидкости, в случае наличия опасных концентраций газа. В любом случае, такие ситуации несут в себе опасность взрыва и(или) вреда для здоровья операторов, помимо снижения эффективности работы из-за неоптимального использования оборудования.
В предложенной системе, для решения этой проблемы, газы тяжелее воздуха, выделяющиеся из бурового раствора, могут быть в основном собраны внутри вакуумной системы за счет потока воздуха сквозь фильтр в коллектор, и таким образом регулируется сбор и рассеяние этих газов. При этом, попав в вакуумную систему (включающую резервуар 20а разделения газа и текучей среды), где происходит отделение газов от жидкостей, собранные из вибрационного сита газы удаляются через вакуумный насос, где они могут быть более безопасно выпущены в атмосферу вдали от персонала буровой установки, или каким-либо иным управляемым способом.
Кроме того, сбор газов таким путем дает и другие преимущества. Например, вакуумная система, благодаря потоку воздуха сквозь фильтр, создает дополнительные сдвиговые силы, воздействующие на любые пузырьки в буровом растворе, которые, в противном случае, могли бы остаться неразрушенными при прохождении над вибрационным ситом. Кроме того, вакуумная система подвергает текучие среды более высоким турбулентным воздействиям и более высоким разрежениям, которые, в совокупности, могут дать более полное разделение газа и текучей среды.
Улучшенное разделение газа и текучей среды и полученные в результате данные о концентрации газа, могут быть использованы для снабжения операторов полезной информацией, касающейся процесса бурения. Для этого, вакуумная система может быть оборудована датчиком газа, предоставляющим оперативные данные о концентрации газов, собираемых с вибрационного сита, которые могут быть далее использованы для получения более точной картины положения бурового долота относительно пробуриваемого газоносного пласта. Например, пока бурение происходит в областях, не содержащих углеводороды, концентрация газа в буровом растворе обычно ниже концентрации газа в текучей среде при прохождении бурового долота сквозь продуктивный пласт. При прохождении продуктивного пласта, где под давлением газа происходит насыщение газом бурового раствора, тщательное извлечение газа и определение концентрации газа и ее распределения могут дать оперативную информацию о достижении буровым долотом продуктивного пласта. В прошлом, когда не обеспечивалось точное определение концентрации газа на вибрационном сите, полученные данные не могли быть использованы для получения точной информации о положении бурового долота. В предложенной системе, напротив, благодаря высокой степени разделения газа и жидкости внутри вакуумной системы, может предоставляться более точная информация об извлеченном из бурового раствора газе и, вследствие этого, более точное указание о внезапном нарастании концентрации газа, как свидетельство достижения продуктивного пласта.
Подобные возможности еще расширяются в системах, имеющих описанный выше дренажный клапан, в которых обеспечивается высокотурбулентный поток газа с жидкостью в трубопроводе, ведущем к вакуумной системе. Высокая турбулентность обычно вызывает формирование мелких капелек жидкости внутри протекающих внутри трубопровода газов до входа в сепаратор 20а разделения текучей среды и газа и вакуумную систему 20, за счет чего улучшается выход газа из жидкости, благодаря малому размеру капелек в сочетании с высоким перепадом давления (например, 28 мм рт.ст. внутри вакуумной системы, по сравнению с обычными 1-3 мм рт.ст. на фильтре) внутри вакуумной системы.
При достижении сепаратора текучей среды и газа, капельки/туман сливаются, при этом жидкость остается на хранении, а газо-воздушная смесь отводится в разбавленном виде (обычно, в соотношении 10:1) в атмосферу, как упоминалось выше.
В типичной установке, вакуумная система может улавливать и хранить примерно 1-2 м^мин текучей среды (с учетом обычного объема резервуара и рабочих давлений). Когда сепаратор текучей среды и газа заполняется, вакуумная система автоматически отключается и текучая среда автоматически удаляется откачиванием из сепаратора в систему 60 вторичного отделения текучей среды. Затем вакуумная система снова включается для сбора новой порции текучей среды.
Важно отметить, что предложенная система и способы имеют существенное преимущество по сравнению с обычными вакуумными дегазирующими системами с непрерывным потоком, поскольку гарантируют высокий и неизменный уровень дегазации поступающей в сепаратор текучей среды, вне зависимости от количества растворенных газов, которые могут находиться в буровом растворе. Таким образом, благодаря значительному разбавлению растворенных газов в системе дренажа разрежения, большому перепаду давления и турбулентности внутри системы, система будет обеспечивать высокую степень дегазации извлекаемой текучей среды. Системы дегазации с постоянным потоком могут быть неспособны выполнять эффективную дегазацию до заданного постоянного уровня, особенно в случае выброса газа из ствола скважины. В этих случаях, если обычная проточная система не обеспечивает полной дегазации бурового раствора, текучая среда, содержащая газ, может загрязнять систему на поверхности и затем скважину, текучей средой, содержащей газ.
Помимо этого, предложенная система обеспечивает непрерывное использование системы вибрационного сита и может предотвращать поступление в оборудование на поверхности газифицированной или вспененной текучей среды, которая может мешать работе наземных насосов, например, вызывая кавитацию в насосах, способствовать накоплению твердого вещества в резервуарах на поверхности, и создавать опасность закачивания газированного бурового раствора обратно в скважину. К тому же, закачивание газированной текучей среды в ствол скважины может вызвать проблемы в управлении скважиной, например, выбросы.
Заголовки разделов носят исключительно справочный характер, и не предполагают ограничений на применимость приведенных рекомендаций. В то время как некоторые приведенные здесь варианты выполнения рассматривались в качестве предпочтительных, следует понимать, что все рассмотренные варианты выполнения в любой части документа, имеющие заявленные преимущества или нет, образуют часть изобретения, и могут формировать непротиворечивые комбинации и(или) комбинации к комбинациям, в соответствии с принципами изобретения. Соответственно, приведенное описание предназначено для раскрытия допустимых комбинаций, комбинаций к комбинациям и существенных признаков, и все формулировки, которые могут восприниматься как ограничивающие область притязаний изобретения Заявителя, предназначены для использования с конкретным описываемым вариантом выполнения, либо как допустимая рекомендация для осуществления других вариантов выполнения, к которым они могут быть сообразно применены. Настоящее описание включает подробности ряда особенностей, которые могут найти независимое применение, и поэтому настоящее раскрытие не должно восприниматься как сводящееся только к комбинации раскрытых элементов.