СПОСОБ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА И ОСУШКИ ШЛАМА НА СЕТКАХ ИЛИ НА СИТОВЫХ КАССЕТАХ ВИБРАЦИОННОГО СИТА
METHOD OF DRILL MUD TREATMENT AND DRILL CUTTINGS DRYING AT SIEVES OR SIEVE CASSETTES OF VIBRATING SIEVE

Изобретение относится к способам очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита, применяемым в процессе бурения и капитального ремонта нефте- и газодобывающих скважин, и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.
Известен «Способ фильтрации растворов или жидких сред с твердыми примесями и устройство для его осуществления» по патенту №2061558, МПК В07В 1/40, автор Скворцов Д.С. Данный способ несмотря на использование в его названии термина «фильтрация» имеет прямое отношение к заявляемому способу как аналог. В практике очистки буровых растворов применяется термин «очистка буровых растворов» (стр.145, параграф 3 «Очистка буровых растворов виброситами» в книге: И.Н. Резниченко. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов. М.: Недра, 1982. 230 с.). Формула изобретения указанного способа:
«1. Способ фильтрации жидких сред или растворов с твердыми примесями, включающий подачу исходного материала на расположенное в виброкорпусе фильтровальное сито, отделение твердых примесей под действием сил гравитации и виброколебаний и последующий раздельный отвод очищенной жидкой среды и твердых примесей, отличающийся тем, что исходный материал подают на крутонаклонный участок фильтровального сита перпендикулярно последнему, а на последующем пологом участке разделяемый материал подвергают дополнительному давлению посредством резонирующих или противофазных колебаний гидродинамического экрана и корпуса с ситом, при этом в процессе транспортирования материала вдоль сита периодически осуществляют агрегацию и дезагрегацию материала с одновременной его осушкой.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделяемый материал подвергают воздействию виброколебаний, направленных под углом к продольной оси сита».
Недостатки описанного способа очистки бурового раствора и осушки шлама:
1) применяется рулонная сетка, которая уже вытеснена из практики очистки буровых растворов и осушки шлама быстросъемными кассетами с натяжными сетками, а также быстросъемными кассетами с предварительно натянутыми сетками;
2) наибольшая частота колебаний виброкорпуса ограничена частотой 25 Гц (это ограничение оговорено в описании изобретения), что является, по мнению автора заявки, существенным недостатком способа.
Известен способ очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита, осуществляемый на частоте колебаний (25±2) Гц на ситах с линейными колебаниями ЛВС-1, ЛВС-1М и ЛВС-1К, разработанных и производимых ОАО «Отрадненский завод нефтяного машиностроения» по ТУ 3661-010-48136594-2002 ОКП 36 6122 (стр.32-33 в книге: ОАО «Отрадненский завод нефтяного машиностроения». Каталог продукции. Самарская обл., г. Отрадный, 2009).
Недостаток данного аналога - традиционно низкая частота колебаний рамы вибрирующей с сетками или ситовыми кассетами при взаимодействии их с буровым раствором.
2
Известен способ очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках, осуществляемый на вибрационном сите Flo - Line Cleaner 2000 фирмы Derrick (см. проспект «Вибросито Flo-Line Cleaner 2000» Derrick Equipment Company, Oiltools (Europe) Limited, 2000). Существенным его отличием по сравнению с описанным выше способом является то, что частота колебаний рамы вибрирующей с сетками увеличена до 29,2 Гц (что соответствует вращению центробежных мотор-вибраторов с оборотами 1750 об/мин). Это позволило поднять виброускорение рамы вибрирующей до рекордного значения 7,3 G (G - ускорение свободного падения, G=9,81 м/c). Благодаря этому способ очистки бурового раствора и осушки шлама, осуществляемый на указанном вибрационном сите, до настоящего времени является самым эффективным по пропускной способности. Недостаток способа - вариант теоретически возможного существенного повышения эффективности способа путем повышения частоты колебаний рамы вибрирующей с сетками осуществлен не в полной мере, а только частично (частота колебаний рамы вибрирующей увеличена с 25 Гц до 29,2 Гц, т.е. на 16,8%, что не привело к значительному повышению технического уровня способа).
Следует отметить, что способ очистки бурового раствора и осушки шлама, осуществленный на частоте колебаний 29,2 Гц на вибрационном сите Derrick, является единственным примером повышенной частоты колебаний рамы вибрирующей с сетками в сравнении с традиционной частотой колебаний (25±)Гц. На всех других вибрационных ситах способ очистки бурового раствора и осушки шлама осуществляется на частоте колебаний, составляющей величину порядка 25 Гц. В частности:
- 1500 об/мин (25 Гц) на вибросите Scomi - стр.8-9 в книге: Scomi. Сводный каталог. Оборудование. Системы очистки бурового раствора. Copyright 2010 Scomi Oiltools Bermuda Limited. All Rights Reserved;
- 1500 об/мин (25 Гц) на виброситах фирмы SWACO, в частности на вибросите MONGOOSE (см. рекламный проспект: MONGOOSE SHAKER. Dual-Motion Shaker. 2001 SWACO, A Division of M-1. Order No. SW-010424R 2.5M 3/02 Litho in U.S.A.
В качестве прототипа выбран способ очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита, осуществленный в вибросите СВ1Л (см. стр.3-8 в источнике: Руководство по эксплуатации СВ1Л 00.00.000 РЭ «Сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л», РСТ АЯ24, ОАО НПО «Бурение», г. Краснодар, 1996).
-0,3
+1
Анализ технических характеристик способа, описанных в указанном источнике, а также графических и табличных данных, приведенных на листе 2а, стр.3 и 4 в ТУ 39-0147001-145-96 «Сито вибрационное с линейными колебаниями СВ1Л. Технические условия», АООТ НПО «Бурение», г. Краснодар, 1996, позволяет сформулировать следующие существенные признаки прототипа - способ очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита, заключающийся в том, что буровой раствор подают в приемную емкость вибрационного сита, которая на выходе оснащена полкой с отверстиями или щелями для равномерного распределения бурового раствора по ширине сетки или ситовой кассеты, принимающей буровой раствор, раме вибрирующей вместе с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами сообщают линейные колебания на частоте 23-25 Гц, которые создает вибратор линейных колебаний, закрепленный на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, причем вибратор линейных колебаний образуют двумя центробежными дебалансными электромеханическими вибраторами, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами настраивают в пределах от 2 до 2 мм при остановке вибрационного сита путем изменения положения дебалансов, в процессе бурения буровой раствор фильтруют сквозь сетки или ситовые кассеты, закрепленные на раме вибрирующей, профильтрованный буровой раствор собирают в поддоне вибрационного сита и отводят в емкость циркуляционной системы, частицы породы и продукты износа, которые остаются на сетках или ситовых кассетах, транспортируют по сеткам или ситовым кассетам в виде шлама, осушают его и сбрасывают в отвал, причем шлам осушают путем отделения от него влаги при вибрационном воздействии сеток или ситовых кассет на шлам, способ регулируют в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи путем изменения угла наклона рамы вибрирующей.
Недостаток данного способа - традиционная не высокая частота колебаний рамы вибрирующей, номинальное значение которой составляет 25 Гц. Прототип не использует возможности современных высокооборотных центробежных дебалансных электромеханических вибраторов, выпускаемых промышленностью, генерирующих вынуждающую переменную силу на частоте синхронных колебаний, равной 50 Гц, для интенсификации способа очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита.
Задачей изобретения является повышение эффективности способа очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита путем повышения интенсивности процесса вибрационного воздействия сеток или ситовых кассет на буровой раствор и на шлам, выделенный из бурового раствора. Повышение интенсивности процесса предложено осуществлять тремя способами:
1) увеличением частоты колебаний рамы вибрирующей с сетками или ситовыми кассетами в два раза (с 25 до 50 Гц) при сохранении величины вибрационного ускорения рамы вибрирующей на оптимальном уровне;
2) увеличением частоты колебаний рамы вибрирующей до 60 Гц при сохранении величины вибрационного ускорения рамы вибрирующей на оптимальном уровне;
2
3) регулировкой частоты колебаний рамы вибрирующей в пределах от 40 Гц до 65 Гц при изменении виброускорения рамы вибрирующей в пределах от 4 G до 10 G, где G=9,81 м/с в зависимости от свойств и интенсивности подачи бурового раствора.
2
При первом варианте способа решение задачи изобретения обеспечивается тем, что в предложенном способе очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита буровой раствор подают в приемную емкость вибрационного сита, которая на выходе оснащена полкой с отверстиями или щелями для равномерного распределения бурового раствора по ширине сетки или ситовой кассеты, принимающей буровой раствор, раме вибрирующей вместе с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами сообщают линейные колебания, которые создает вибратор линейных колебаний, закрепленный на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, причем вибратор линейных колебаний образуют двумя центробежными дебалансными электромеханическими вибраторами, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами настраивают при остановке вибрационного сита путем изменения положения дебалансов, в процессе бурения буровой раствор фильтруют сквозь сетки или ситовые кассеты, закрепленные на раме вибрирующей, профильтрованный буровой раствор собирают в поддоне вибрационного сита и отводят в емкость циркуляционной системы, частицы породы и продукты износа, которые остаются на сетках или ситовых кассетах, транспортируют по сеткам или ситовым кассетам в виде шлама, осушают его и сбрасывают в отвал, причем шлам осушают путем отделения от него влаги при вибрационном воздействии сеток или ситовых кассет на шлам, при этом способ регулируют в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи путем изменения угла наклона рамы вибрирующей, линейные колебания раме вибрирующей сообщают на частоте синхронных колебаний центробежных дебалансных электромеханических вибраторов, равной 50 Гц при частоте питающего электрического тока 50 Гц, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей задают в соответствии с формулой: X=Z:W,
где X - амплитуда колебаний рамы вибрирующей в м,
2
Z - заданное виброускорение рамы вибрирующей в м/с,
W - угловая частота колебаний рамы вибрирующей в рад/с.
2
Решение задачи изобретения также обеспечивается тем, что в предложенном втором варианте способа очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита буровой раствор подают в приемную емкость вибрационного сита, которая на выходе оснащена полкой с отверстиями или щелями для равномерного распределения бурового раствора по ширине сетки или ситовой кассеты, принимающей буровой раствор, раме вибрирующей вместе с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами сообщают линейные колебания, которые создает вибратор линейных колебаний, закрепленный на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, причем вибратор линейных колебаний образуют двумя центробежными дебалансными электромеханическими вибраторами, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами настраивают при остановке вибрационного сита путем изменения положения дебалансов, в процессе бурения буровой раствор фильтруют сквозь сетки или ситовые кассеты, закрепленные на раме вибрирующей, профильтрованный буровой раствор собирают в поддоне вибрационного сита и отводят в емкость циркуляционной системы, частицы породы и продукты износа, которые остаются на сетках или ситовых кассетах, транспортируют по сеткам или ситовым кассетам в виде шлама, осушают его и сбрасывают в отвал, причем шлам осушают путем отделения от него влаги при вибрационном воздействии сеток или ситовых кассет на шлам, при этом способ регулируют в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи путем изменения угла наклона рамы вибрирующей, линейные колебания раме вибрирующей сообщают на частоте синхронных колебаний центробежных дебалансных электромеханических вибраторов, равной 60 Гц при частоте питающего электрического тока 60 Гц, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей задают в соответствии с формулой: X=Z:W,
где X - амплитуда колебаний рамы вибрирующей в м,
2
Z - заданное виброускорение рамы вибрирующей в м/с,
W - угловая частота колебаний рамы вибрирующей в рад/с.
2
Решение задачи изобретения также обеспечивается тем, что в предложенном третьем варианте способа очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита буровой раствор подают в приемную емкость вибрационного сита, которая на выходе оснащена полкой с отверстиями или щелями для равномерного распределения бурового раствора по ширине сетки или ситовой кассеты, принимающей буровой раствор, раме вибрирующей вместе с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами сообщают линейные колебания, которые создает вибратор линейных колебаний, закрепленный на силовой трубе с фланцами на торцах трубы, присоединенными к боковинам рамы вибрирующей, причем вибратор линейных колебаний образуют двумя центробежными дебалансными электромеханическими вибраторами, при этом амплитуду колебаний рамы вибрирующей с закрепленными на ней сетками или ситовыми кассетами настраивают при остановке вибрационного сита путем изменения положения дебалансов, в процессе бурения буровой раствор фильтруют сквозь сетки или ситовые кассеты, закрепленные на раме вибрирующей, профильтрованный буровой раствор собирают в поддоне вибрационного сита и отводят в емкость циркуляционной системы, частицы породы и продукты износа, которые остаются на сетках или ситовых кассетах, транспортируют по сеткам или ситовым кассетам в виде шлама, осушают его и сбрасывают в отвал, причем шлам осушают путем отделения от него влаги при вибрационном воздействии сеток или ситовых кассет на шлам, способ регулируют в зависимости от свойств бурового раствора и интенсивности его подачи, при этом способ регулируют путем изменения виброускорения рамы вибрирующей в пределах от 4G до 10G, где G=9,81 м/с, причем амплитуду колебаний рамы вибрирующей настраивают в пределах от 0,5 мм до 1,0 мм, частоту колебаний рамы вибрирующей настраивают в пределах от 40 Гц до 65 Гц, частоту колебаний рамы вибрирующей изменяют путем изменения частоты электрического тока, который подают из сети электропитания на электромеханические вибраторы.
Применение предложенных совокупностей существенных признаков позволяет получить новые технические результаты - новые способы высокоинтенсивной очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита. Первые две совокупности признаков отличаются лишь тем, что ориентированы на подключение к электросетям с различной частотой электрического тока - 50 Гц и 60 Гц, что приводит к различным оборотам вращения дебалансов электромеханических вибраторов и различным величинам вынуждающих сил. Третья совокупность существенных признаков также ориентирована на сообщение раме вибрирующей колебаний высокой частоты - от 40 Гц до 65 Гц.
Анализ уровня техники в области вибрационных средств очистки растворов показал, что предложенные три совокупности существенных признаков являются новыми, явным образом не следуют из уровня техники и имеют изобретательский уровень.
Физическая сущность новых способов очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или на ситовых кассетах вибрационного сита поясняется чертежом, характеризующим графическую зависимость пропускной способности бурового раствора через сетку с ячейками 0,16×0,16 мм при изменении частоты колебаний сетки в интервале частот от 15 до 80 Гц. Эксперименты показали, что пропускная способность бурового раствора через сетку 0,16×0,16 мм (широкоприменяемый размер ячеек) с амплитудой колебаний, 1 мм при повышении частоты колебаний с 25 Гц до 50 Гц увеличивается примерно в три раза (см. рис.4 на стр.19 в работе «Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70 № госрегистрации 77003180. МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. Москва-1977»). Физическая сущность этого эффекта объясняется увеличением в два раза числа колебаний в единицу времени рамы вибрирующей с сетками или ситовыми кассетами и, следовательно, увеличением числа соударений локальных частиц бурового раствора в единицу времени с сетками или ситовыми кассетами.
Рассмотрим осуществление способа на примере первой совокупности существенных признаков. Новый способ осуществляется благодаря замене низкооборотных электромеханических вибраторов (1500 об/мин) на высокооборотные электромеханические вибраторы (3000 об/мин) при уменьшении статического момента дебалансов в соответствии с заданным виброускорением рамы вибрирующей. В предложенном способе очистки бурового раствора и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационного сита эффективность способа повышена в сравнении с прототипом благодаря тому, что количество соударений локальных объемов бурового раствора с сетками или ситовыми кассетами в единицу времени увеличено в два раза. Иначе говоря интенсивность процесса очистки бурового раствора и осушки шлама увеличивается в 2 раза за время нахождения бурового раствора и частиц шлама над сетками или ситовыми кассетами вибрационного сита до ухода частиц шлама в отвал, а бурового раствора до прохождения его через сетки или ситовые кассеты в емкость для очищенного бурового раствора.
Осуществление способа по второму варианту существенных признаков отличается от первого варианта лишь тем, что центробежные дебалансные электромеханические вибраторы подключают к сети электропитания с частотой электрического тока 60 Гц. Это приводит к увеличению частоты синхронных колебаний вибраторов до 60 Гц и к увеличению вынуждающей силы вибратора, что необходимо учитывать при настройке способа для сохранения виброускорения рамы вибрирующей на оптимальном уровне. Следует особо подчеркнуть, что в обоих новых способах для сохранения виброускорения рамы вибрирующей с сетками или ситовыми кассетами на оптимальном уровне необходимо в соответствии с приведенной формулой существенно уменьшить (в сравнении с прототипом) амплитуду колебаний. Это в свою очередь значительно уменьшает дальность полета каждой частицы бурового раствора над сеткой или ситовой кассетой. Благодаря этому повышается качество очистки и диспергирования частиц бурового раствора. Данное утверждение подтверждается опытом применения способа очистки буровых растворов и осушки шлама на сетках или ситовых кассетах вибрационных сит, который показал, что эффективность способа возрастает по мере увеличения времени нахождения частиц на сетке (стр.180 в книге: Булатов А.И., Проселков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин. - М.: Недра, 1981. 301 с.). Согласно рекомендациям, приведенным на стр.180 указанной книги, увеличения времени нахождения частиц на сетке можно достичь, в частности, уменьшением амплитуды колебаний сетки, что в новых способах обеспечивается при сохранении оптимального значения виброускорения рамы вибрирующей с сетками или ситовыми кассетами.
2
2
Осуществление способа по третьему варианту существенных признаков имеет следующие особенности: в зависимости от свойств и интенсивоности подачи бурового раствора способ регулируют путем изменения виброускорения рамы вибрирующей в пределах от 4G до 10G, где G=9,81 м/с, причем амплитуду колебаний рамы вибрирующей настраивают в пределах от 0,5 мм до 1,0 мм, частоту колебаний рамы вибрирующей настраивают в пределах от 40 Гц до 65 Гц, частоту колебаний рамы вибрирующей изменяют путем изменения частоты электрического тока, который подают из сети электропитания на электромеханические вибраторы. Границы диапазона виброускорения рамы вибрирующей выбраны с учетом экспериментальных данных о влиянии ускорения вибрирующей сетки на время протекания раствора через сетку. Согласно экспериментальным данным заметное влияние на время протекания раствора наблюдается при изменении ускорения вибрирующей сетки в пределах от 4 G до 10G, где G=9,81 м/c (см. рис.5 на стр.22 в работе «Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70 № госрегистрации 77003180. МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. Москва-1977»). При этом в качестве номинального режима способа принят режим работы на частоте колебаний 50 Гц с виброускорением 6G (эта величина вытекает из анализа данных современных вибросит). Режим максимальной вибрации с виброускорением 10G достигается на частоте колебаний, равной 65 Гц, и предназначен для случаев очистки особовязкого бурового раствора, а также для случаев высокоинтенсивной его подачи. Этот режим является режимом кратковременного применения. Режим работы с минимальным виброускорением 4G или от 4 до 6G рассчитан на очистку бурового раствора малой и «нормальной» вязкости, а также для промывки вибросита при завершении работы перед остановкой вибросита на длительное время. Применение таких режимов позволяет экономно эксплуатировать дорогостоящие сетки или ситовые кассеты, а также обеспечивает высокое качество очистки бурового раствора особовысокой вязкости.
Пример расчета амплитуды колебаний рамы вибрирующей при осуществлении способа в номинальном режиме при виброускорении 6G. Частота колебаний для номинального режима принимается равной номинальной частоте f синхронных колебаний центробежных дебалансных электромеханических вибраторов, равной для высокооборотных вибраторов 50 Гц (f=50 Гц). Определим угловую частоту колебаний W рамы вибрирующей по известной формуле W=2×3,14×f=2×3,14×50=314 рад/с (стр.7 в книге: Малов Н.Н. Основы теории колебаний. М., 1971). Амплитуду колебаний X определим по формуле, приведенной на стр.6 данного описания:
2
2
2
X=Z:W=6×9,81 м/с:(314 рад/с)=0,000596 м = 0,59 мм.
Возможность практического осуществления предложенных способов не вызывает сомнений. Повышение эффективности очистки бурового раствора и, в частности, увеличение пропускной способности бурового раствора через вибрирующую сетку при увеличении частоты колебаний сетки установлено экспериментально в лаборатории специализированной научной организации (см. рис.4 на стр.19 в работе «Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70 № госрегистрации 77003180. МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. Москва - 1977»). Этот результат подтвержден в лаборатории автора данной заявки и положен в основу конструирования опытно-промышленного образца вибросита нового поколения для осуществления предложенных способов очистки бурового раствора и осушки шлама. Опытно-промышленный образец вибросита изготовлен и прошел внутренние испытания. После подачи данной заявки будут оформлены разрешительные документы для испытаний вибросита нового поколения в условиях эксплуатации на буровой. Таким образом, предложенное изобретение промышленно применимо.