Многоярусная вакуумная сито-конвейерная установка для очистки бурового раствора от выбуренной породы
MULTI-TIER VACUUM SIEVE-CONVEYOR UNIT FOR CLEANING DRILLING MUD FROM CUTTINGS

Настоящее изобретение относится к области бурения глубоких скважин, ко всем отраслям, где бурятся скважины, применяется буровой раствор и требуется его очистка от выбуренной породы (шлама), а именно к технологии бурения скважин.
Твердые частицы выбуренной породы, поступающей в буровой раствор в процессе бурения скважины, оказывают отрицательное влияние на его основные технологические параметры, а, следовательно, на технико-экономические показатели бурения. Низкое качество очистки бурового раствора - основная причина аварий и осложнений, связанных с поглощениями, прихватами, осыпями и обвалами стенок скважины. Эффективная очистка - важнейший фактор, способствующий снижению затрат материалов на регулирование свойств бурового раствора, а также повышению технико-экономических показателей бурения.
Обычно в буровом растворе в процессе бурения скважин присутствуют твердые частицы различных размеров: бентонитовые глинопорошки - от 1…100 мкм; барит – 5…75 мкм; шлам – 10…25 мм. Чем меньше размеры частиц, тем сложнее удалить их из раствора. Особую сложность представляет удаление излишней твердой фазы, представленной глинистыми породами, которые наряду с другими породами в результате механического измельчения (диспергирования) превращаются в коллоидные частицы (размером менее 2-х мкм) и играют заметную роль в формировании технологических параметров бурового раствора. При высококачественной чистке из бурового раствора должны удаляться механические примеси размером более 1 мкм.
Известна современная четырехступенчатая технология очистки бурового раствора от шлама, использующая комплекс различных механических устройств, которые обеспечивают очистку раствора при прохождении его в соответствии следующей технологической цепочке: скважина - блок грубой очистки от шлама (вибросита Фиг.1) - дегазатор - блок тонкой очистки от шлама (пескоотделители Фиг. 2 и илоотделители Фиг.3) - блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга Фиг. 4, гидроциклонный глиноотделитель). Основным оборудованием в указанной цепочке являются вибросита Фиг. 1.
Недостатками применяемых вибросит являются:
• используемое оборудование не является универсальным для всех геолого-технических условий бурения, выбор сетки и технологии очистки бурового раствора от шлама основывается на конкретных условиях бурения скважины, которые меняются не только от района бурения, но и с глубиной и со свойствами применяемых буровых растворов;
• быстрый выход из строя предварительно натянутых сеток;
2
• наработка коллоидных частиц в процессе очистки за счет механического воздействия вибрирующих сит (например, для вибросит наилучшие показатели при очистке раствора достигаются при виброускорении в 50 м/с при размахе колебаний 3...4 мм) и рециркуляции в системе бурового раствора, удаление которых в дальнейшем требует больших дополнительных расходов;
• расход бурового раствора за счет большого количества брызг и повышенной влажности шлама на выходе;
• лучшие мировые образцы вибросит (двухсеточное одноярусное сито фирмы "Свако", двухъярусное вибросито фирмы "Бароид" и др.), практически, достигли свой технологический предел по очистке буровых растворов на водной основе при бурении глинистых отложений (50% степень очистки и удаление частиц шлама размером более 150 мкм). Улучшение показателей очистки вибросит достигается в основном за счет улучшения технологии изготовления сит, а также разработки конструкций с увеличенным значением гравитационных сил, что приводит к увеличению наработки коллоидных частиц.
Близкой к предложенному устройству является сито-конвейер (Фиг. 5) (Большая энциклопедия нефти и газа, стр. 117), представляющий собой сменную фильтрационную сетку 2 в виде бесконечной ленты, натянутой на ведущий и ведомый барабаны 7. Буровой раствор из скважины подается на сменную фильтрационную сетку 2, движущуюся без вибрации, жидкая фаза раствора проходит через отверстия сетки 2 и поступает в приемную емкость буровых насосов, а твердые частицы (шлам), остающиеся на сменной фильтрационной сетке 2, сбрасываются на изгибе барабана 7 в шламовый контейнер. Нижняя ветвь сетки промывается водой, которая не смешивается с раствором. В настоящее время сито-конвейер используется редко и только с целью удаления шлама больших размеров из бурового раствора перед подачей его на вибросита.
Недостатками данного устройства является низкая эффективность очистки раствора от частиц выбуренной породы и большие потери бурового раствора, вызванные закупоркой ячеек сменной фильтрационной сетки 2.
Наиболее близким устройством к заявленному устройству является вакуумная сито-конвейерная установка (Патент US 8394270, Фиг. 6), главным отличием которой от применяемых образцов сито-конвейеров является использование вакуумной системы, обеспечивающей разделение (очистку) бурового раствора и частиц выбуренной породы (фиг. 7) на постоянно движущейся сменной бесконечной фильтрующей сетке в высоконапорном воздушном потоке, создаваемым вакуумом и нагнетаемым воздухом.
Основной недостаток рассматриваемой вакуумной сито-конвейерной установки связан с применением только одной сменой бесконечной фильтрационной сетки, размеры ячеек которой не является универсальными, обеспечивающими одинаково высокую степень очистки бурового раствора при бурении всех типов пород при строительстве скважины. Например, при разбуривании пород, склонных к закупорке ячеек сетки, встает вопрос использования устройства, вибрирующее ее, или сетки с ячейками большего размера, что значительно снижает эффективность и степень очистки бурового раствора вакуумной сито-конвейерной установкой.
Кроме того, в случае применения устройства, вибрирующее сетку, происходит наработка коллоидных частиц в буровом растворе, удаление которых в дальнейшем требует больших дополнительных расходов.
Задачей заявленного изобретения является создание устройства для очистки бурового раствора, обеспечивающего устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности вакуумной сито-конвейерной установки по очистке буровых растворов при разбуривании любых пород в процессе строительства скважин с минимальным числом переоснастки (смены типов фильтрующих сеток).
включающее:
Технический результат достигается за счет того, что вакуумное сито-конвейерное устройство (фиг. 7),
• сменную бесконечную фильтрационную сетку 2, которая при работе сито-конвейерного устройства движется на валиках 7;
• вакуумный поддон 9, расположенный под всей по площади верхней ветвью сменной бесконечной фильтрационной сетки 2;
• перфорированную трубку 5a для подачи воздуха под давлением на буровой раствор, находящийся на сменной бесконечной фильтрационной сетке 2, с целью повышения скорости фильтрации жидкой фазы раствора, удаления остатков жидкой фазы с частиц породы и осушки шлама;
• перфорированную трубку 5в для подачи воздуха под давлением с целью очистки сменной бесконечной фильтрационной сетки 2 от прилипшего шлама;
• шламовый контейнер 11 (фиг. 8) для сбора шлама 20, удаляемого со сменной бесконечной фильтрационной сетки 2;
• вакуумную установку в комплекте с циклоном каплеуловителем 18               (фиг. 6);
• вакуумный сепаратор 16 (фиг. 6);
• насос для откачки очищенного бурового раствора 14 (фиг. 6);
отличается тем, что
вакуумное сито-конвейерное устройство (фиг. 8а и 8b) включает:
• сменную бесконечную фильтрационную сетку грубой очистки 2 и как минимум одну сменную бесконечную фильтрационную сетку тонкой очистки 3 (фиг. 8а), или две сменные бесконечные фильтрационные сетки тонкой очистки 3 и 3’ (фиг. 8b), при этом размеры ячеек каждой последующей сменной бесконечной фильтрационной сетки меньше предыдущей сменной бесконечной фильтрационной сетки, внутри которой она устанавливается; т.е. как показано на фиг. 8b размеры ячеек сменной бесконечной фильтрационной сетки 3’ меньше чем размеры ячеек сменной бесконечной фильтрационной сетки 3, внутри которой фильтрационная сетка 3’ устанавливается; в то же самое время размеры сменной бесконечной фильтрационной сетки 3 меньше размеров бесконечной сменной фильтрационной сетки грубой очистки 2, внутри которой устанавливается сетка 3;
• направляющие потока бурового раствора 6, прошедшего через сменную бесконечную фильтрационную сетку грубой очистки 2 и 3;
• вакуумный поддон 9, расположенный под всей по площади верхней ветвью сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3 (фиг 8а), или 3’ (фиг. 8b);
• перфорированную трубку 5c для подачи воздуха под давлением на буровой раствор, находящийся на сменной бесконечной фильтрационной сетке тонкой очистки 3 (фиг. 8а), или 3 и 3’ (фиг. 8b) с целью повышения скорости фильтрации жидкой фазы раствора, удаления остатков жидкой фазы с частиц породы и осушки шлама;
• шламовый поддон 10 для сбора шлама 12, сбрасываемого со сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3 (8а), или 3 и 3’ (фиг. 8b);
• перфорированные трубки 5d для подачи воздуха под давлением с целью очистки сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3 (фиг 8а), или 3 и 3’ (фиг. 8b); от прилипшего шлама.
Технический результат достигается также за счет того, что в предлагаемоймногоярусной вакуумной сито-конвейерной установкедля очистки бурового раствора от выбуренной породы каждая последующая сменная бесконечная фильтрационная сетка с более меньшим размером ячейки движется в противоположную сторону по сравнению с предыдущей, увеличивая площадь фильтрации и тем самым повышая качество очистки бурового раствора.
Кроме того, предлагаемая многоярусная вакуумная сито-конвейерная установка позволяет повысить эффективность очистки бурового раствора путем подбора размера ячеек каждой сменной бесконечной фильтрационной сетки, ее конструкции, скорости перемещения, величины вакуума с точки зрения обеспечения необходимой степени очистки бурового раствора за один проход над вакуумным поддоном.
Сущность предлагаемоймногоярусной вакуумной сито-конвейерной установкидля очистки бурового раствора от выбуренной породы поясняются чертежами:
Фиг. 1 – Вибросито;
Фиг. 2 – Пескоотделитель;
Фиг. 3 – Илоотделитель;
Фиг. 4 – Центрифуга;
Фиг. 5 - Сито-конвейер СКР-650;
Фиг. 6 – Схема одноярусной вакуумной сито-конвейерной установки;
Фиг. 7 – Схема одноярусного вакуумного сито-конвейерного устройства;
Фиг. 8а - Схема двухярусного вакуумного сито-конвейерного устройства;
Фиг. 8b - Схема трехярусного вакуумного сито-конвейерного устройства;
Фиг. 9 – Схема двухярусной вакуумной сито-конвейерной установки;
где:
1 – Распределительный желоб подачи бурового раствора;
2 – Сменная бесконечная фильтрационная сетка бурового раствора;
3 – Сменная бесконечная фильтрационная сетка тонкой очистки бурового раствора (второй ярус);
3’– Сменная бесконечная фильтрационная сетка тонкой очистки бурового раствора (третий ярус);
4 – Поток бурового раствора;
5a, 5в, 5с, 5d – Перфорированные трубки для подачи воздуха под давлением;
6 – Направляющие потока бурового раствора;
7 – Валики сменной бесконечной фильтрационной сетки грубой очистки 2 бурового раствора;
8 – Валики сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки бурового раствора;
9 – Вакуумный поддон;
10 – Шламовый поддон;
11 – Шламовый контейнер;
12 – Шлам со сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки;
13 – Многоярусное вакуумное сито-конвейерное устройство;
14 – Насос для откачки очищенного бурового раствора;
15 – Трубопровод для транспортировки очищенного бурового раствора;
16 – Вакуумный сепаратор;
17 – Трубопровод для отвода воздуха и газов;
18 – Вакуумная установка в комплекте с циклоном каплеуловителем;
Работа предлагаемого многоярусного вакуумного сито-конвейерного устройства осуществляется следующим образом (фиг. 8а, 8b и 9). Буровой раствор из скважины с помощью распределительного желоба 1 равномерно распределяется поперек движущейся на валиках 7 сменной бесконечной фильтрационной сетки грубой очистки 2. Под действием высоконапорного воздушного потока, создаваемого вакуумом (вакуумный поддон 9) и нагнетаемым через отверстия перфорированной трубки 5а воздухом, жидкая фаза бурового раствора вместе с мелкодисперсной твердой фазой проходят сквозь ячейки сменной бесконечной фильтрационной сетки грубой 2.  Шлам 12 более крупного размера, остающийся на сменной бесконечной фильтрационной сетке грубой очистки 2, сваливается в шламовый контейнер 11. Туда также сдуваются прилипшие к сетке остатки шлама, потоком воздуха, подаваемым под давлением через перфорированную трубку 5в.  Поток бурового раствора, прошедший через сменную бесконечную фильтрационную сетку грубой очистки 2 (первый ярус), направляется на сменную бесконечную фильтрационную сетку тонкой очистки 3 (второй ярус), движущуюся на валиках 8 в противоположную сторону по сравнению с движением сменной бесконечной фильтрационной сетки грубой очистки 2. Под действием высоконапорного воздушного потока, создаваемого вакуумом (вакуумный поддон 9) и нагнетаемым через отверстия в трубке 5с воздухом, происходит второй этап процесса очистки бурового раствора от шлама. Свободная и сдуваемая с частиц породы жидкая фаза бурового раствора отфильтровывается через сменную бесконечную фильтрационную сетку тонкой очистки 3, а мелкодисперсная твердая фаза 12, оставшаяся на сетке, сбрасывается в шламовый поддон 10. Туда также сдувается прилипшие к сетке остатки шлама потоком воздуха, подаваемым под давлением через перфорированную трубку 5d. Жидкая фаза бурового раствора проходит сквозь ячейки сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3  в вакуумный поддон 9, как показано на фиг. 8а, или согласно фиг. 8b направляется на сменную бесконечную фильтрационную сетку тонкой очистки 3’ (третий ярус), движущуюся на валиках 8 в противоположную сторону по сравнению с движением сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3. Под действием высоконапорного воздушного потока (см. фиг. 8b), создаваемого вакуумом (вакуумный поддон 9) и нагнетаемым через отверстия в трубке 5с воздухом, происходит третий этап процесса очистки бурового раствора от шлама. Жидкая фаза бурового раствора проходит сквозь ячейки сменной бесконечной фильтрационной сетки тонкой очистки 3’ (третий ярус) в вакуумный поддон 9, а мелкодисперсная твердая фаза 12, оставшаяся на сетке, сбрасывается в шламовый поддон 10’. Туда также сдувается прилипшие к сетке остатки шлама потоком воздуха, подаваемым под давлением через перфорированную трубку 5d. Жидкая фаза, поступившая в вакуумный поддон 9 (фиг. 8а и 8b), далее поступает в вакуумный сепаратор 16 (фиг. 9), куда вакуумом также засасываются все водяные/углеводородные пары, туманы и брызги бурового раствора. В этой емкости под воздействием вакуума происходит дегазация бурового раствора. Воздух, газ и водяные/углеводородные пары, туманы, удаляемые из вакуумного сепаратора 18 (фиг. 9) по трубопроводу 17 (фиг.9), подаются в циклон каплеуловитель (входящий в состав вакуумной установки), с помощью которого водяные/углеводородные пары, туманы конденсируются и возвращаются в действующую систему бурового раствора. Очищенный буровой раствор при помощи насоса 14 (фиг.9) подается из вакуумного сепаратора в циркуляционную систему. Шлам из шламового поддона 10            (фиг. 8а, 8b и 9) сбрасывается в шламовый контейнер 11 (фиг. 8а, 8b  и 9).
Предлагаемая многоярусная вакуумная сито-конвейерная установка не только исключает наработку коллоидных частиц при очистке бурового раствора,  снижает потери бурового раствора за счет брызг, которые сопровождают работу вибросит, значительно увеличивает процент очищенного бурового раствора,  уменьшает общий объем отделяемого шлама за счет уменьшения влажности, уменьшает уровень шума и улучшает экологию в местах размещения оборудования, но и расширяет область их применения при разбуривании любой породы без снижения качества очистки бурового раствора путем увеличения суммарной площади фильтрации (просеивания) без значительного увеличения занимаемой площади. При этом с каждым последующим ярусом сменной бесконечной фильтрационной сетки уменьшается размер удаляемой твердой фазы бурового раствора.
При выборе размера ячеек сеток учитывается характеристика разбуриваемой породы, необходимая степень очистки, пропускная способность многоярусной вакуумной сито-конвейерной установки и плотность бурового раствора.