УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОТСТОЙНИК ДЛЯ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к устройствам для очистки буровых растворов от частиц выбуренной породы и может быть использована в нефтяной и других отраслях промышленности.
Текущий период развития нефтегазовой промышленности России, к сожалению, характеризуется использованием отечественными буровиками преимущественно оборудования иностранного производства, в том числе и для очистки бурового раствора, которое, несмотря на свою более высокую стоимость, в сравнении с отечественными аналогами, имеет более высокие показатели качества, надежности. Представляется важным изменить эту ситуацию в пользу производителей нашей страны и осуществлять поиск и разработку новых эффективных конструкций оборудования для очистки бурового раствора от шлама.
Известно, что стандартными и наиболее распространенными средствами для очистки бурового раствора являются вибросита и гидроциклоны. Но и они не лишены своих недостатков, которыми для вибросит представляется низкая степень очистки (самые современные образцы не обеспечивают степень очистки выше 60%), а для гидроциклонов - сложность диагностирования при эксплуатации и большая потеря бурового раствора (до 5% за цикл). Предлагается устранить эти недостатки путем использования эффекта фильтрации раствора с ультразвуковым воздействием на фильтрующий элемент, повысить пропускную способность очистного оборудования и повысить степень очистки бурового раствора в сравнении с традиционными средствами.
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: небольшая производительность и пропускная способность из-за длительности процесса отстаивания; низкий ультразвуковой эффект.
Технический результат полезной модели заключается в повышении пропускной способности ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора по сравнению с традиционно используемым оборудованием для очистки бурового раствора, а также в повышении степени очистки бурового раствора. Заявляемый ультразвуковой отстойник для очистки бурового раствора позволяет регулировать параметры своей работы с целью достижения оптимального режима в зависимости от эксплуатационных показателей, в том числе и от характеристик самого бурового раствора. Благодаря его конструкции и выполнению фильтрующих элементов, расположению магнитострикционных преобразователей и их воздействию на фильтрующий элемент, достижению в ячейках сетки фильтрующего элемента особого физического явления - капиллярного эффекта колеблющейся ячейки и возможно достижение высокой степени очистки раствора. Надежная работа устройства обеспечивается за счет обеспечения достаточной смазки подшипников вала шнека, рациональности конструкции уплотнительных узлов опор, а также выполнения фильтрующих сеток из титанового сплава ВТ 6, который обеспечивает долговечность сеток при работе в агрессивных условиях и необходимый уровень выносливости при работе под воздействием симметричных циклических знакопеременных нагрузок высокой частоты. Минимальные затраты энергии обеспечиваются за счет передачи ультразвуковой волны в момент ее максимальной амплитуды. Благодаря округлению краев емкостей, а также полостей, каналов и отверстий предотвращается скопление частиц шлама и уменьшаются потери энергии на перекачивание раствора.
Технический результат достигается благодаря ультразвуковому отстойнику для очистки бурового раствора, включающему бак (распределитель потока), расположенный над корпусом, корпус, выполняемый в виде желоба (корыта), к которому наклонно к вертикали крепится фильтрующая кассета, патрубок для очищенного раствора, сбросовый узел в виде шнека, выполненного с возможностью вращения при помощи мотор-редуктора с регулируемой частотой вращения, сбросной патрубок, фильтрующие элементы, источники ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционных преобразователей, отличающемуся тем, что в фильтрующем элементе кассеты предусмотрено отверстие для присоединения волновода магнитострикционного преобразователя под углом к фильтрующему элементу посредством набора скошенных втулок и гайки, накручиваемой на шпильку, другим концом вкручиваемую в резьбовое отверстие волновода, а также на раме устройства закреплен на опорах корпус шнека, включающий узел соединения выхода из поддона отстойника со входом в сбросовый узел, причем корпус шнека представляет собой фильтрующий элемент, выполнен перфорированным в нижней своей части и имеет кольцеобразную замкнутую форму с отверстием для узла сообщения входного потока раствора с внутренней полостью фильтрующего элемента и с охватывающей втулкой 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 отстойник имеет емкости для шлама и для очищаемого бурового раствора, а корпус имеет снизу поддон с выходным патрубком для выхода очищенного бурового раствора. Угол наклона оси волновода к оси фильтрующего элемента может быть выполнен равным 105 градусов. Привод шнека осуществляется от мотор-редуктора с регулируемой частотой вращения, присоединяемого к валу шнека посредством муфты.
На фиг.1 показан вариант ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора, вид сбоку.
Устройство для очистки бурового раствора включает распределитель потока 1 и выходной патрубок 2, патрубок для очищенного бурового раствора 3, корыто (поддон) 4, кассету 5, балки 6 для крепления распределителя потока 1, фильтрующий элемент 7 кассеты 5, сбросовый узел в виде шнека 8, выполненного с возможностью вращения при помощи привода, состоящего из мотор-редуктора 9, приводного вала 10, полумуфт 11 и 12, сбросной патрубок 13, фильтрующий элемент 14, источники ультразвуковых колебаний в виде двух магнитострикционных преобразователей 15.
На фундаменте установлена емкость для очищенного раствора 16, на которой закреплена рама 17. На раме 17 установлен на опорах 18 и 19 сбросовый узел в виде шнекового транспортера. На фундаменте также установлен бак (емкость) 20 для шлама, куда опущен нижний конец привариваемого к сбросному патрубку 13, в свою очередь привариваемому к корпусу 14, шламового желоба 21. К корпусу 14 также приваривается поддон 22 для сбора и слива очищенного бурового раствора.
Кассета 5, в одном из вариантов содержащая прикрепляемую по периметру к ее плоской внутренней части подложку с привариваемой к ней очистной сеткой, либо гальванически выращенной сеткой, либо одну подложку перфорированную отверстиями указанной формы, служащая первым и основным фильтрующим элементов ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора, присоединена к распределителю потока 1 и корыту 4 посредством уголковых соединений, причем она центрирована по ширине в корыте 4 благодаря полому прямоугольному параллелепипеду, являющемуся продолжением в нижней части кассеты отстойника для очистки бурового раствора 5 и своей шириной соответствующему размеру внутреннего прямоугольника сечения корыта 4, параллельного плоскости присоединения к нему кассеты 5, и имеет также выходной конец прямоугольного поперечного сечения. Он соединен с патрубком для очищенного раствора 3 посредством переходника 23, который обеспечивает герметичное соединение выхода кассеты 5 прямоугольного сечения со входом в патрубок для очищенного бурового раствора 3 кольцевого поперечного сечения. Герметичность обеспечена конструкцией самого переходника и патрубка для очищенного бурового раствора 3, на которых выполнены внутренние центрирующие посадочные буртовые поверхности для центрирования посадки кольцевой нижней фланцевой части переходника на кольцевую поверхность патрубка для очищенного бурового раствора 3, а также прямоугольной выход из кассеты 5 на прямоугольный вход переходника 23. Благодаря такой конструкции уплотнительные манжеты 24, 25 занимают гарантированно оптимальную рабочую позицию. Причем выход патрубка для очищенного бурового раствора 3 помещен в емкость для очищенного бурового раствора 16, а соединение переходника 23 осуществляется, например, фланцевым болтовым, причем со стороны кольцевой его предусматривается части четрыхболтовой фланец для достижения большей точности центровки цилиндрических поверхностей.
Таким образом, элементы отстойника 1, 3, 4, 5, 23, 24, 25 обеспечивают первый замкнутый герметичный круг очистки для раствора, при прохождении по которому раствор очищается и поступает в емкость 16.
Объем пространства, охватываемый корпусом 14 шнека 8, соединен с внутренней полостью корыта 4 посредством переходника 26, который обеспечивает герметичное соединение выхода корыта 4 прямоугольного сечения со входом в корпус 14, служащий вторым фильтрующим элементом ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора. Герметичность обеспечена конструкцией самого переходника и входа в корпус 14, на которых выполнены внутренние центрирующие посадочные поверхности для центрирования посадки кольцевой нижней фланцевой части переходника на кольцевую поверхность входа в корпус 14, а также прямоугольной выход из корыта 4 на прямоугольный вход переходника 26, причем уплотнительные манжеты 27, 28 занимают свою гарантированно оптимальную рабочую позицию, а соединение переходника 26 осуществляется, например, фланцевым болтовым, причем со стороны кольцевой его части четырехболтовой фланец для достижения большей точности центровки цилиндрических поверхностей.
Таким образом, элементы отстойника 1, 2, 4, 5, 14, 22, 26, 27, 28 обеспечивают второй замкнутый герметичный круг очистки раствора, при прохождении по которому раствор очищается и поступает в емкость 16.
Возможность прекращения функционирования очистки раствора при прекращении фильтрации через корпус 14 из-за забивания его ячеек ликвидирована практически полностью не только благодаря конической форме отверстий корпуса 14, но и очистителю отверстий 29, имеющему одну степень свободы - перемещение вдоль оси шнека и представляющему собой втулку, охватывающую корпус с подведенным к ней гидравлическим или пневматическим каналом (гидро - или пневмоочиститель отверстий) для промывки или продувки отверстий фильтрующего элемента 14. Надежность отстойника также повышается при повышении надежности опор шнека, в частности обеспечении достаточной смазки подшипников 32 и 33 опор 18 и 19 пресс-масленкой через каналы 30 и 31, причем подшипник 32 радиально-упорный шариковый, а подшипник 33 радиальный шариковый двухрядный, что обеспечивает растягивающее усилие на валу шнека, что предпочтительнее сжимающего из соображений обеспечения запаса прочности вала шнека 8 и надежности всего отстойника. Оба подшипника расположены в масляных ваннах для повышения эффективности смазывания, причем предусмотрены узлы уплотнения, предохраняющие от утечек масла и проникновения раствора внутрь опор и в окружающую среду, а также крышки с внутренней и внешней сторон, прикрепленные болтами к корпусам 34 и 35 опор 18 и 19, которые в свою очередь прикреплены болтовыми соединениями к охватывающим корпус 14 и приваренным к нему втулкам 36 и 37, образуя фланцы, причем центрирование корпусов 34 и 35 относительно корпуса 14 осуществляется за счет цилиндрических буртов на этих корпусах, выполненных на внутренних их плоских поверхностях, обращенных внутрь пространства, охватываемого фильтрующим элементом 14 и вставляемых в него, для достижения чего внешний диаметр бурта выполнен равным внутреннему диаметру перфорированной трубы 14. Благодаря описанной конструкции и взаимному креплению элементов при необходимости возможны быстрый съем узлов опор и последующие диагностика опор, а при необходимости замена износившихся элементов.
Узел фиксации осевого положения шнека необходим для регулирования и фиксации положения шнека по продольной оси и предотвращения его смещения в осевом направлении в процессе работы при перемещении шлама к сбросовому патрубку 13 и шламовому желобу 21, и включает: гайку 38, накручиваемую на вал шнека с нарезанной на нем резьбой до придания валу шнека определенного положения по оси, поджимную втулку 39 для обеспечения жесткого контакта между гайкой 39 и внешним кольцом подшипника 32. Корпус 34 левой опоры 18 шнека 8 выполнен с буртом на своей внутренней цилиндрической поверхности, обращенной к валу шнека 8 и полости 40, который обеспечивает в совокупности с поджимом подшипника 32 поджимной втулкой 39 фиксацию радиально-упорного подшипника 32 в осевом направлении, а значит, и шнека 8.
Перфорированный фильтрующий элемент 14 имеет кольцеобразную замкнутую форму (например, цилиндрическую или коническую) с отверстием для узла сообщения с корытом 4. 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, а больший диаметр - на внешнюю сторону фильтрующего элемента. 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 15 совместно с волноводом 41 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.
Шнек 8 представляет собой вал с винтовой нарезкой для возможности транспортировки шлама, накапливаемого в процессе очистки, к сбросному патрубку. На конце вала шнека 8 установлен привод в виде соединяемых болтовым соединением полумуфт 11 и 12 и исполнительного механизма 9, причем последняя лопасть на конце шнека 8, ближайшем к опоре 18, выполнена противоположного направления нарезки для уменьшения количества шлама, попадающего к уплотнительному узлу опоры 18.
Исполнительный механизм 9, установленный на подставке на раме 17, может быть выполнен в виде мотор-редуктора, а также в виде двигателя с редуктором.
Источники ультразвуковых колебаний в виде магнитострикционных преобразователей 15 установлены на кронштейнах 42 с возможностью поворота волноводов 41 и регулирования длины волноводов 41, что может быть обеспечено, например, посредством кронштейнов 42, которые крепятся на уголковые соединения 43 к стенкам кассеты 5 и к раме 17. Из соображений обеспечения надежной работы оборудования магнитострикционные преобразователи вынесены за пределы контакта с жидкой фазой.
Длины волноводов 41, передающих ультразвуковые колебания от магнитострикционного преобразователя (МСП) к фильтрующим элементам, то есть расстояния от концов (торцев) МСП до плоскостей фильтрующих элементов, выбраны из условия обеспечения высокой эффективности за счет передачи колебания в момент его максимальной амплитуды, что сводит к минимуму потери энергии.
Угол наклона МСП (осей волноводов 41) к оси корпуса и оси кольца фильтрующего элемента 14 (их оси совпадают), а также к плосокости основания кассеты 5 равен углу а (см. фиг.1) и выполнен с возможностью регулирования при помощи поворота и крепления волноводов 41 на кронштейнах 42, а также при помощи набора наклонных шайб 44, 45, благодаря которым происходит крепление волновода 41 к фильтрующему элементу 7, выполненному по одному из перечисленных вариантов в кассете 5, и скошенной по наружной поверхности охватывающей втулки 46, контактирующей с корпусом 14 и имеющей резьбовое отверстие для крепления с помощью шпильки волновода 41. Наклонная шайба 44 одета на ступень волновода 41. Затем продет фильтрующий элемент 7 кассеты 5 (подложка, гальванически выращенная сетка, сетка на подложке) и вторая наклонная шайба 45, которая снова образует своим торцом перпендикулярность между указанным торцом и осью волновода. Сверху шайбы 45 одета гайка 47, крепящая окончательно волновод 41 к фильтрующему элементу 7 кассеты 5 посредством набора наклонных шайб 44, 45. Для обеспечения другого угла наклона а необходим другой набор шайб 44, 45 и другая скошенная втулка 46 с соответствующими углами скоса. 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 16, 20, корыта 4 а также полости поддона 22, сбросного патрубка 13 ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора скруглены, что предотвращает скопление частиц шлама и уменьшение гидравлических сопротивлений и потерь энергии на перекачивание раствора.
Распределитель потока 1, а также нижняя часть кассеты 5 отстойника для очистки бурового раствора оперты на раму 17 посредством вертикальных и горизонтальных, поперечных и продольных балок 6, причем поперечные и продольные балки 6 распределителя потока 1 свариваются между собой и вертикальными балками 6, нижние концы которых прикручены болтами к перекладине 48 рамы 17, образуя жесткую опору для распределителя.
Ультразвуковой отстойник для очистки бурового раствора согласно полезной модели работает следующим образом. Буровой раствор, возможно, прямо с устья строящейся скважины, поступает в распределитель потока 1, откуда он поступает в корыто 4 под кассету 5 и ее фильтрующий элемент (см. стрелки 49 на фиг.1). Фильтрующий элемент 7 кассеты 5 озвучивается ультразвуковыми колебаниями от магнитострикционного преобразователя 15 через волновод 41, при этом создается бегущая поперечная волна в материале фильтрующего элемента 7 кассеты 5, которая способствует транспортированию шлама вдоль поверхности фильтрующего элемента 7 кассеты 5 к выходу из корыта 4. Очищенный буровой раствор, пройдя через ячейки фильтрующего элемента 7 кассеты 5, поступает через узел соединения (23-25) кассеты 5 и патрубка для очищенного бурового раствора 3 в патрубок для очищенного бурового раствора 3, далее по нему в емкость для очищенного бурового раствора 16. Это первый круг очистки бурового раствора, по которому предполагается к прохождению приблизительно 90% по объему поступающей на прием корыта 4 жидкой фазы бурового раствора.
По второму кругу очистки бурового раствора в отстойнике часть раствора, не прошедшая через отверстия уникальной формы кассеты 5 и не пройдя очистку на данном этапе (приблизительно 10% по объему), поступает вместе со шламом на прием шнекового транспортера и попадает на также подверженные ультразвуковым колебаниям аналогичные ячейки корпуса (фильтрующего элемента) 14, где и происходит очистка указанной части бурового раствора. Буровой раствор, проходя через ячейки фильтрующего элемента 14, очищается и попадает в поддон 22, откуда в сливной патрубок 2 и в емкость для очищенного бурового раствора 16.
Шлам шнеком 8 транспортируется в сторону опоры 18, и через отверстие в перфорированной трубе 14 сбрасывается под действием гравитационных сил и противоположного указанному направлению воздействия последней лопасти вала шнека 8 обратного направления нарезки в сбросной патрубок 13 и попадает под действием гравитационных сил в желоб 21 и далее в емкость 20 для шлама. Таким образом, осуществляется качественная очистка бурового раствора со сбором шлама.
Технический результат полезной модели заключается в повышении пропускной способности ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора, а также в повышении степени очистки бурового раствора по сравнению с традиционными средствами очистки бурового раствора. Благодаря воплощению в одной и той же конструкции ультразвукового отстойника для очистки бурового раствора ступени очистки основной части раствора - узла корыта и кассеты и очистки оставшейся части - ультразвукового шнекового очистителя - транспортера достигается высокая степень очистки бурового раствора, малая потеря бурового раствора, достаточно благоприятные условия для диагностирования устройства в работе, а также высокая производительность процесса очистки, благодаря достижению в ячейках фильтрующих элемента 7 кассеты 5 и перфорированной трубы 14 капиллярного эффекта колеблющейся ячейки.
Надежная работа устройства обеспечивается за счет минимизации количества элементов, которые контактируют с жидкой фазой, создания благоприятных условий работы для быстроизнашиваемых и ответственных узлов, выполнение их в быстросъемных и легкодоступных корпусах и местах, что повышает ремонтопригодность, рационального выбора материалов подверженных циклическим колебаниям элементов. Минимальные затраты энергии обеспечиваются за счет передачи ультразвуковой волны в момент ее максимальной амплитуды. Благодаря скруглению краев емкостей, а также полостей, каналов предотвращается скопление частиц шлама и уменьшаются потери энергии на перекачивание раствора.