СИСТЕМА И СПОСОБ ВЫСУШИВАНИЯ ВЫБУРЕННОЙ ПОРОДЫ
DRILL CUTTINGS DRYING SYSTEM AND METHOD

Область техники
В целом, изобретение относится к системам и способам отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы с использованием сжатого воздуха и (или) вакуума.
Уровень техники
В промышленности разведки и добычи ископаемых источников энергии возникают проблемы, обусловленные потерями бурового раствора за счет его ухода в породу и (или) удаления бурового шлама или обломков выбуренной породы, загрязняющих буровой раствор, решение которых требует больших затрат. 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.
Известно, 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 1000$ за кубометр, потеря таких объемов раствора оборачивается значительными затратами компании, проводящей буровые работы. Специалистам известно, что буровые растворы обычно имеют водную или нефтяную основу и могут включать большое количество дорогих и специализированных химических веществ. Желательно поэтому, чтобы 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.
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 шнековых центрифуг, вертикальных корзиночных центрифуг (VBC - от англ. vertical basket centrifuge), вакуумных устройств и вихревых сепараторов. Обычно аренда таких устройств стоит от $1000 до $2000 в день. 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 может окупаться при выполнении земельных работ, где теряются большие количества дорогого бурового раствора (например, более трех кубометров в день).
Опыт, однако, показывает, что при использовании наиболее производительных и выгодных технологий извлечения, таких, как VBC и вакуумных систем, полученная в результате текучая среда требует дальнейшей обработки в другом оборудовании, например, шнековой центрифуге, для удаления из извлеченной текучей среды очень мелкого бурового шлама. Это требует дополнительных расходов, так как эта обработка усложняет извлечение текучей среды.
Кроме того, при проведении земляных работ, где потери составляют менее трех кубометров в день, современные технологии обычно становятся нерентабельными.
Далее, стоимость углеводородов, которые могут налипнуть на обломки породы, может оказаться достаточной для того, чтобы их эффективное отделение было рентабельным. Помимо этого, ужесточение природоохранных требований в отношении рекультивации выбуренной породы, делает необходимым использование эффективных и экономичных систем очистки.
Существующие ранее технологии извлечения бурового раствора из выбуренных обломков также включали использование систем распыления 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.
Эти моющие жидкости обычно 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.
Таким образом, существует потребность разработки рентабельной технологии удаления загрязнений, обеспечивающей улучшение извлечения бурового раствора, при существенно более низких, по сравнению с современным уровнем, затратах на оборудование и технологические процессы.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагаются система и способ отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы с использованием сжатого воздуха и (или) вакуума.
В соответствии с первой особенностью изобретения используется устройство для улучшения отделения бурового раствора от обломков породы на вибрационном сите, включающее: фильтр (сетка) вибрационного сита, имеющий верхнюю сторону и нижнюю сторону, для помещения на нем внутри вибрационного сита обломков породы, загрязняющих буровой раствор; воздушную вакуумную систему, размещенную под фильтром вибрационного сита и функционально с ним связанную для всасывания рабочего (эффективного) объема воздуха через фильтр вибрационного сита для усиления потока бурового раствора через фильтр вибрационного сита и отделения бурового раствора от обломков породы; и систему сбора бурового раствора для сбора отделенного бурового раствора с нижней части фильтра сита.
В другом варианте осуществления, воздушная вакуумная система включает вакуумный коллектор для осуществления функциональной связи с частью фильтра вибрационного сита, вакуумный трубопровод, функционально связанный с вакуумным коллектором, и вакуумный насос, функционально связанный с вакуумным трубопроводом. Воздушная вакуумная система может включать по меньшей мере два вакуумных коллектора.
В одном варианте осуществления, воздушная вакуумная система включает систему отделения бурового раствора для извлечения бурового раствора из вакуумного трубопровода. В другом варианте осуществления, вакуумный насос сделан регулируемым для изменения величины разрежения.
В других вариантах осуществления, вакуумный коллектор приспособлен для размещения вдоль фильтра вибрационного сита, по менее одной трети его длины, и может включать систему позиционирования для изменения положения вакуумного коллектора относительно фильтра вибрационного сита.
В еще одном варианте осуществления, фильтр вибрационного сита включает раму вибрационного сита, а рама вибрационного сита и сопутствующие вибрирующие элементы изготовлены из композиционных материалов.
В другом варианте осуществления, устройство также включает систему нагнетания воздуха, размещенную над верхней стороной фильтра вибрационного сита и функционально с ним связанную для продувания рабочего объема воздуха над осколками породы, загрязняющими буровой раствор, проходящими поверх фильтра вибрационного сита в первую очередь для улучшения отделения бурового раствора от осколков породы. В предпочтительном варианте, система нагнетания воздуха включает по меньшей мере одну систему распределения воздуха, включающую по меньшей мере одну рейку распределения воздуха и несколько форсунок распределения воздуха, расположенных по ширине фильтра вибрационного сита и функционально с ним связанных, и также может включать систему локализации воздуха, окружающую по меньшей мере одну рейку распределения воздуха и функционально с ней связанную для удержания обломков породы и бурового раствора вблизи верхней стороны фильтра вибрационного сита. Для нагревания воздуха, распределяемого посредством системы нагнетания воздуха, может также использоваться система нагревания воздуха.
В соответствии с другой особенностью, в изобретении предложен способ улучшения отделения бурового раствора от обломков породы на вибрационном сите, при осуществлении которого:
а) прикладывают рабочее воздушное разрежение к нижней поверхности фильтра вибрационного сита, на котором помещаются обломки породы, загрязняющие буровой раствор, для улучшения потока бурового раствора через фильтр вибрационного сита и отделения бурового раствора от обломков породы;
б) собирают обломки породы с верхней части фильтра сита; и
в) собирают буровой раствор с нижней стороны фильтра сита.
В другом варианте осуществления способа, подают рабочий объем воздуха к верхней поверхности фильтра вибрационного сита для улучшения потока бурового раствора через фильтр вибрационного сита и отделения бурового раствора от обломков породы.
Краткое описание чертежей
Изобретение раскрыто в приведенном ниже подробном описании и чертежах, на которых:
на фиг.1 представлен перспективный вид известного вибрационного сита, которое может быть модифицировано включением системы нагнетания воздуха и (или) вакуумной системы, в соответствии с изобретением;
на фиг.2 представлен вид сверху вибрационного сита, включающего систему нагнетания воздуха, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3 представлен вид сзади вибрационного сита, включающего систему нагнетания воздуха, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4 представлен вид снизу вакуумного коллектора и рамы, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.4А представлен вид сзади вакуумного коллектора и рамы, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.5А и 5Б приведены схематически виды сбоку вакуумной системы, в соответствии с двумя вариантами осуществления изобретения;
на фиг.6 представлен вид снизу рамы фильтра сита, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения; и
на фиг.7, в таблице приведены результаты анализа затрат на вакуумную обработку бурового раствора в сравнении с известным способом обработки.
Подробное описание осуществления изобретения
Приводится описание усовершенствованного способа извлечения бурового раствора, в соответствии с изобретением и со ссылками на чертежи.
В изобретении решены различные технические проблемы известных способов очистки обломков выбуренной породы и извлечения бурового раствора на поверхности при проведении буровых работ и, в частности, проблем, относящихся к известным конструкциям вибрационных сит. На фиг.1 представлено известное вибрационное сито 10, включающее в целом плоский фильтрующий слой 12, над которым проходят извлеченные буровой раствор и осколки породы. Вибрационное сито 10 обычно включает двухкоординатную вибрационную систему 14, сообщающую механическую энергию вибраций фильтрующему слою. Извлеченные буровой раствор и обломки породы вводятся на плоский фильтрующий слой через впускные отверстия 16, Благодаря вибрирующим движениям вибрационного сита и фильтрующего слоя, осуществляется разделение обломков породы и текучих сред, при котором буровой раствор проходит через фильтрующий слой и собирается с нижней стороны вибрационного сита 10, а обломки породы собираются на конце 18 фильтрующего слоя. Вместе с силой притяжения вибрационные перемещения фильтрующего слоя сообщают механическую энергию частицам обломков породы, "стряхивая" текучие растворы, прилипшие к их наружным поверхностям. Буровые растворы под действием силы тяжести стекают через фильтр.
В соответствии с первой особенностью изобретения, как показано на фиг.2 и 3, для повышения энергии разделения, вибрационное сито снабжено системой 19 сжатого воздуха. Система сжатого воздуха нагнетает сжатый воздух поверх обрабатываемых в вибрационном сите обломков, при этом используется повышенное и (или) пониженное давление сжатого воздуха для обеспечения эффективного отделения бурового раствора от обломков породы. Как правило, сжатый воздух подается от компрессора (не показан) и нагнетается сквозь соответствующие распределительные рейки 20 и форсунки 20а вблизи фильтрующего слоя 12 так, что текучие среды, прилипшие к обломкам породы, эффективно сдуваются с обломков породы, проходящих по вибрационному ситу 10 благодаря сильному сдвигающему воздействию воздуха на обломки породы.
Видно, что в системе может использоваться несколько распределительных реек и форсунок, работающих при одинаковых или различных давлениях и расположенных в различных местах и под различными углами на вибрационном сите, для обеспечения эффективного разделения. Воздух также может нагреваться для снижения вязкости и, значит, и поверхностного натяжения текучих сред на обломках породы.
В зависимости от вида бурового раствора, при необходимости может быть использована другая система нагнетания воздуха, использующая вентиляторы (не показана), которая может включать соответствующие системы нагрева, как было показано выше.
Система может использоваться совместно с другими известными техническими решениями, включая использование промывочных жидкостей, хотя этот путь возможен, если позволяют экономические соображения.
В случае использования воздуха с высокими давлением и скоростью, может быть необходимо установить соответствующие экраны, дефлекторы или пористые поддоны с тем, чтобы обломки породы не выдувались из вибрационного сита, а поток воздуха эффективно направлялся для обработки всех обломков породы. Аналогично, система может включать системы сбора, обеспечивающие возврат испарившихся и сконденсированных буровых растворов.
В одном варианте осуществления, система может включать гибкую завесу 22 по типу юбки судна на воздушной подушке (показана пунктиром) для удержания обломков породы внутри гибкой завесы для обеспечения эффективной обработки обломков. В этом варианте осуществления, гибкая завеса 22 будет "плавать" над фильтром вибрационного сита и воздух высокого давления будет направлен в сторону фильтра.
Согласно второй особенности, проиллюстрированной на фиг.4-6, вибрационное сито включает вакуумную систему 30, расположенную под фильтрующим слоем 12 для усиления потока бурового раствора через фильтр и для отрыва бурового раствора от обломков выбуренной породы. Как показано на фиг.4 и 4А, фильтр 12а оснащен по меньшей мере одним вакуумным коллектором 12b для создания разрежения с нижней стороны части фильтра 12а. Другими словами, вакуумный коллектор предназначен для присоединения к нижней стороне фильтра с тем, чтобы при прохождении обломков с буровым раствором над фильтром разрежение способствовало прохождению бурового раствора через фильтр, тем самым повышая эффективность разделения. Кроме того, разрежения, приложенного во время вибрации, может оказаться достаточным для эффективного преодоления поверхностного натяжения текучих сред, прилипших к частицам обломков породы, что способствует дальнейшему улучшению отделения текучих сред от выбуренных обломков породы. В изображении на фиг.4 горизонтальная длина вакуумного коллектора выбрана для обеспечения создания разряжения по относительно малой части полной горизонтальной длины фильтра (примерно 1 дюйм, как показано на фиг.4), в то время как на фиг.5А и 5Б коллектор имеет увеличенную длину, составляющую примерно 7 дюймов (около одной трети длины фильтра).
В предпочтительном варианте, используются отдельные вакуумные коллекторы, что позволяет обеспечить относительно равномерное распределение разрежения, прикладываемого к фильтру.
Как схематически показано на фиг.5А и 5Б, ситовый фильтр (-ры) 12 функционально подсоединен (-ны) к вакуумному коллектору 12b с трубой 12 с подвода текучей среды (вакуумной трубой), вакуумным манометром 12d и устройством 12f c фиксированным разрежением вместе с устройством 12е регулировки разрежения (фиг.5А), либо устройством 12g с изменяемым разрежением (фиг.5Б). В обоих вариантах осуществления имеется система 13 сбора текучей среды, позволяющая собранный буровой раствор извлекать из вакуумной системы действием силы тяжести и направлять в резервуар-хранилище для повторного использования. Вибрация фильтра 12 сита создается вибрационным приводом 10а.
Система 12е регулирования разрежения может представлять собой ограничительное отверстие, либо управляемую утечку воздуха (атмосферы) в вакуумную магистраль, как это известно специалистам. Ограничительное отверстие сжимает поток и вызывает повышение давления в вакуумной магистрали, в то время как управляемая утечка в атмосферу не ограничивает потока. Вакуумный манометр 12d полезен для проведения регулировок, однако не является абсолютно необходимым.
Сопряжение источника разрежения с фильтром и конструкция фильтра
Как показано на фиг.4 и 4А, вакуумный коллектор 12b приспособлен для компоновки с фильтром 12 с использованием несущей рамы 60 вакуумного коллектора. Несущая рама 60 вакуумного коллектора включает разделительный стержень 62, определяющий область 64 разрежения и открытую область 66. Вакуумный коллектор имеет в целом воронкообразную конструкцию, которая позволяет направлять текучую среду, проходящую через фильтр, в вакуумный трубопровод 12с. Верхний край вакуумного коллектора включает соответствующую соединительную систему для прикрепления к раме 60, например, стыковочный фланец и зажимное устройство, которые позволяют установить и зафиксировать вакуумный коллектор внутри рамы так, чтобы это крепление не ослабло от вибрации во время работы. Нижнее выходное отверстие 12h вакуумного коллектора имеет соответствующее устройство соединения труб и зажимное приспособление, например, фланец и кулачковый зажим, для прикрепления вакуумного трубопровода 12с к коллектору. Фильтр устанавливается на верхних поверхностях рамы и прикрепляется к ним.
Примеры
Испытания вакуумного фильтра были проведены в ходе бурильных работ в Nabors 49, на буровой установке в Скалистых Горах в Канаде. Испытания проводились в процессе бурения с использованием инверсионно-эмульсионного бурового раствора на нефтяной основе. Параметры используемого в процессе бурения бурового раствора из скважины показаны в Таблице 1 и соответствуют типичному буровому раствору данной вязкости.
Таблица 1
Параметры бурового раствора
Глубина
4051 м
T.V. Глубина
3762 м
Плотность
1250 кг/м3
Градиент
12,3 кПа/м
Гидростатическое давление
46132 кПа
Вязкость по Маршу
45 с/л
Пластическая вязкость
10 МПа·с
Предел текучести
2 пуаз
Стойкость геля
1/1,5 Па 10 с/10 мин
Соотношение нефть/вода
90:10
НТНР
16 мл
Фильтрационный осадок
1 мм
Хлориды
375714 мг/л
Содержание песка
следы
Содержание твердых частиц
12,88%
Высокая плотность
402 кг/м3 (9,46 мас.%)
Низкая плотность
89 кг/м3 (3,42 мас.%)
Выкидная линия для бурового раствора
42°C
Избыточная известь
22 кг/м3
Активность воды
0,47
Электростабильность
396 В
Плотность нефти
820 кг/м3
Испытание проводилось на вибрационном сите типа Mi-Smaco Mongoose. Для этого испытания была присоединена только одна сторона вакуумной системы, поэтому соответствующие образцы могли отбираться с обеих сторон фильтра для получения количественной и качественной оценки влияния вакуума на процесс разделения.
Вакуумная система включала вакуумную установку Westech S/N 176005 ModeL:Hibon vtb 820 (максимальный расход 1400 куб.фут/мин). В процессе испытания вакуумная установка создавала разрежение 23 дюйма рт.ст. в вакуумном коллекторе размером 22 дюйма × 1 дюйм. Использовался фильтр 80 меш (т.е. с сечением, открытым на 50%, поэтому фактическое сечение потока через фильтр составляло 0,07625 кв.фут). В процессе работы поток обломков породы проходил этот вакуумный промежуток примерно за 3 с.
В собранных в процессе испытания образцах наблюдалась заметное различие между образцами, обработка которых производилась над вакуумной планкой, и образцами, прошедшими сквозь секцию без вакуумной обработки.
Качественно обломки породы, подвергшиеся вакуумной обработке, были более гранулированными и сухими, в то время как необработанные (без воздействия вакуума) обломки породы имели шламоподобную текстуру, типичную для обломков породы с высоким содержанием нефти.
Полученные в испытании образцы затем подвергались дистилляции (образцы по 50 мл) с использованием стандартной реторты для перегонки нефти в эксплуатационных условиях. Результаты ретортного анализа в эксплуатационных условиях сведены в Таблице 2.
Таблица 2
Испытание
Образец (г)
Нефть (мл)
Вода (мл)
Нефть(г/см3)
Нефть (г)
Нефть, %
Вода, %
Мас.% извлеченной нефти/мас.% обломков породы
Объемн.% извлеченной нефти/объемн.% обломков породы
1 (вакуум)
90
14,5
2,0
0,82
11,9
88
12
13,8
29,00
2 (без вакуума)
97
18,9
2,1
0,82
15,5
90
10
15,99
37,80
Эти результаты показывают, что примерно 3-секундное воздействие разрежения дает значительный эффект. В частности, испытание 1 показало, что воздействие разрежения улучшило извлечение нефти из обломков породы примерно на 8% по объему.
На фиг.7 представлены результаты анализа выигрыша в затратах, получаемого при использовании системы разделения в соответствии с изобретением. Как видно из данных, вычисление объемов бурового раствора и объемов обломков выбуренной породы основано на конкретной длине и диаметре буровых скважин.
В таблице на фиг.7 показано, что при выполнении 8-дневной программы бурения экономия в стоимости текучих сред составит $7291. Поскольку требуются расходы по монтажу и демонтажу основной части существующего оборудования для обработки обломков выбуренной породы, а также арендная плата в размере $1500-$2000 в день, использование обычного оборудования обработки обломков породы в качестве средства сокращения общих расходов по выполнению программы бурения нерентабельно. Система в соответствии с настоящим изобретением, напротив, может быть использована при значительно более низких дневных затратах и поэтому позволяет компании, выполняющей бурение, достигнуть рентабельности при извлечении текучей среды.
В процессе испытаний было установлено, что избыточное и (или) неизменное разрежение на 1-дюймовом фильтре может привести к тому, что вакуумный фильтр будет препятствовать вибрациям фильтра, в результате чего обломки будут задерживаться на фильтре, и эффективность их удаления из вибрационного сита будет снижена. Поэтому более предпочтительным является использование вакуумной системы и конструкции фильтра, показанных на фиг.5А и 5Б, поскольку здесь может быть обеспечено лучшее управление разрежением.
Другие соображения по конструкции и эксплуатации
Понятно, что оператор установки может установить величину разрежения, размер фильтра и (или) площадь вакуумного воздействия, исходя из оптимизации отделения бурового раствора для конкретных условий работы.
Помимо этого, возможна регулировка горизонтальной длины вакуумного коллектора и (или) вертикального расположения относительно нижней части фильтра. Например, вакуумный коллектор может иметь перекрывающиеся пластины, что позволит оператору легко увеличивать или уменьшать ширину коллектора с тем, чтобы в процессе работы площадь пропускного сечения могла быть изменена посредством соответствующей системы регулирования.
Безопасность
В предпочтительном варианте, система включает газоанализатор (не показан) в приемной части вакуумной зоны для обнаружения скопления в камере вредных газов.
Монтаж системы
Также желательно установить вакуумную систему ниже уровня вибрационного сита с тем, чтобы собранная текучая среда не только всасывалась, но и стекала в вакуумную камеру. Благодаря этому снизится вероятность того, что медленно движущиеся обломки пород (текучая среда) будут собираться в системе трубопровода, проходящего между вакуумными средствами и соединителем фильтра с источником разрежения.
В других вариантах осуществления, вакуумная зона может быть линейно передвинута вдоль фильтра с тем, чтобы дать возможность оператору оптимизировать разделение обломков породы и текучей среды и, в частности, время выдержки обломков породы под воздействием разрежения.
Согласно еще одной особенности, вибрационное сито может быть выполнено из легких материалов, например, композиционных материалов, вместо используемой в настоящее время стали. За счет использования композиционных материалов, например, стеклопластика, Кевлара, и (или) углеволокна, может быть снижена масса части вибрационного сита, совершающая возвратно-поступательное движение (включая раму фильтра и связанные с ней вибрирующие элементы), получены более высокие частоты вибрации благодаря снижению момента инерции вибрационного сита, и достигнуто лучшее управление амплитудой вибрации сита. Другими словами, при использовании конструкции с композиционными материалами вибрация обломков выбуренной породы и текучей среды может проводиться с более высокими частотами, что приведет к снижению вязкости буровых растворов, обычно тиксотропных по своей природе. Полученное, в результате, снижение вязкости обеспечит лучшее разделение текучей среды и обломков породы.
Кроме того, вибрационное сито из композиционных материалов будет достаточно легким для того, чтобы под корзиной вибрационного сита могли быть установлены датчики натяжения и акселерометры для контролирования потока массы по ситу таким образом, чтобы оператор мог знать относительное количество обломков выбуренной породы, непрерывно поступающей из скважины. Эта информация может быть использована для регулирования параметров текучей среды: как правило, вязкости, для оптимизации извлечения обломков породы из буровой скважины в процессе выемки породы.
Хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано на примере предпочтительных вариантов осуществления и использования изобретения, изобретение не сводится только к ним, поскольку в нем могут быть сделаны модификации и изменения в пределах полной предполагаемой области притязаний изобретения.