Система подготовки бурового раствора

Лекция 10

Тема: .

План: 1. Система подготовки бурового раствора.

           2. Регулирование содержания и состава твердой фазы в буровом растворе.

           3. Средства контроля и управления процессом промывки скважин.

1. Система подготовки бурового раствора.

В практике бурения скважин используются разнообразные тех­нологические приемы для приготовления буровых растворов.

Наиболее простая технологическая схема (рис. 6.5) включает емкость для перемешивания компонентов бурового раствора 1, оснащенную меха­ническими и гидравлическими перемешивателями 9, гидроэжекторный смеситель 4, оснащенный загрузочной воронкой 5 и шиберным затвором 8, центробежный или поршневой насос 2 (обычно один из подпорных насо­сов) и манифольды.

Рекомендуемые материалы

Рис. 6.5. Простейшая схема приготовления бурового раствора

 

Рис.6.6. Схема блока приготовления раствора

С использованием этой схемы приготовление раствора осуществляется следующим образом. В емкость 1 заливают расчетное количество диспер­сионной среды (обычно 20—30 м³) и с помощью насоса 2 по нагнетательной линии с задвижкой 3 подают ее через гидроэжекторный смеситель 4 по замкнутому циклу. Мешок 6 с порошкообразным материалом транспорти­руется передвижным подъемников или транспортером на площадку емко­сти, откуда при помощи двух рабочих его подают на площадку 7 и вручную перемещают к воронке 5. Ножи вспарывают мешок, и порошок высыпает­ся в воронку, откуда с помощью гидровакуума подается в камеру гидро-эжекторного смесителя, где и происходит его смешивание с дисперсионной средой. Суспензия сливается в емкость, где она тщательно перемешивается механическим или гидравлическим перемешивателем 9. Скорость подачи материала в камеру эжекторного смесителя регулируются шиберной за­слонкой 8, а значение вакуума в камере - сменными твердосплавными на­садками.

Круговая циркуляция прекращается лишь тогда, когда смешано рас­четное количество компонентов и основные технологические показатели свойств раствора близки к расчетным. Если раствор приготовляют впрок, то его готовят порционно, а порции откачивают в другие емкости циркуля­ционной системы (ЦС) либо в специальные запасные емкости.

Утяжеление бурового раствора порошкообразным баритом и обработ­ку порошкообразными химическими реагентами осуществляют аналогично после приготовления порции исходной коллоидной системы (например, во-доглинистой).

Основные недостатки описанной технологии - слабая механизация ра­бот, неравномерная подача компонентов в зону смещения, слабый кон­троль за процессом. По описанной схеме максимальная скорость приготов­ления раствора не превышает 40 м³/ч

В настоящее время в отечественной практике широко используют про­грессивную технологию приготовления и утяжеления буровых растворов из порошкообразных материалов. Технология основывается на применении серийно выпускаемого оборудования: блока приготовления раствора (БПР), выносного гидроэжекторного смесителя, гидравлического диспергатора, емкости ЦС, механических и гидравлических перемешивателей, поршнево­го насоса. Выпускается несколько типов БПР, отличающихся вместимостью бункеров для хранения материалов.

Первый этап приготовления бурового раствора - это расчет компо­нентного состава. Для водоглинистого раствора обычно используют два-три компонента: глинопорошок и воду; глинопорошок, воду и порошкообраз­ный барит. Количество глинопорошка для получения неутяжеленной водо-глинистой суспензии выбирают, количество гли­нопорошка и порошкообразного барита (в кг) для получения 1 м³ утяже­ленной суспензии.

Второй этап - приготовление водоглинистой суспензии. В емкость ЦС заливают воду в количестве, примерно равном половине объема приготов­ляемой порции раствора.

На гидроэжекторном смесителе устанавливают штуцер в соответствии с подачей насосов:

Подача насосов, л/с.......................................................................................     35    15−35     15

Диаметр штуцера в эжекторном смесителе, мм......................................     40    25         20

Воздух для аэрации порошка в бункере БПР подают в течение 5—7 мин при давлении воздуха 0,02—0,03 МПа.

Буровой насос включают по схеме емкость - гидравлический диспер-гатор - гидроэжекторный смеситель - емкость. При этом значение давле­ния на выкиде насоса должно составлять 13-15 МПа, а вакуума в камере эжекторного гидросмесителя - не менее 0,02 МПа.

После предварительной аэрации открывают воздушный вентиль и по­дают воздух в гофрированный рукав БПР. Таким способом регулируют значение вакуума в камере гидроэжекторного смесителя в пределах 0,008-0,012 ÌÏà.

Затем открывают запорную заслонку разгрузочного отверстия бунке­ра, и вводят в циркулирующую воду через эжекторный гидросмеситель расчетное количество глинопорошка, после чего запорную заслонку закрывают, прекращают доступ воздуха в камеру гидроэжектора и дисперги­руют водоглинистую суспензию в течение пяти — восьми циклов круго­вой циркуляции через диспергатор. Приготовленную водоглинистую суспензию разбавляют водой до расчетного объема и тщательно переме­шивают.

При необходимости приготовления утяжеленного раствора выполняют третий этап — утяжеление приготовленной водоглинистой суспензии. Все элементы операций с порошкообразным баритом аналогичны описанным выше. Процесс утяжеления заканчивается перемешиванием раствора после введения в него расчетного количества барита. Интенсивность утяжеления водоглинистой суспензии регулируют значением вакуума в камере эжек-торного гидросмесителя с помощью воздушного вентиля.

2. Регулирование содержания и состава твердой фазы в буровом растворе.

Твердые частицы в буровом растворе, как правило, необходимы, но они существенно затрудняют процесс бурения скважины. Они приводят к повышению его вязкости, увеличению гидравлических сопротивлений, уси­ленному износу деталей гидравлического оборудования, в первую очередь буровых насосов, элементов подземного оборудования, бурильных труб и циркуляционной системы, а также к возрастанию расхода топлива и (или) электроэнергии.

Когда в неутяжеленном растворе в результате его зашламления накап­ливается большое количество твердой фазы и удалить ее очистными уст­ройствами трудно, буровой раствор просто заменяют свежеприготов­ленным.

Основная доля стоимости утяжеленных растворов приходится на ба­рит, поэтому даже в тех случаях, когда содержание твердых частиц на­столько велико, что раствор становится практически не прокачиваемым, его стараются не заменять, а отрегулировать в нем содержание и состав твердой фазы.

Если не противодействовать загрязнению бурового раствора твердыми частицами, то затраты на его обслуживание резко возрастут.

Наиболее заметный прогресс в регулировании содержания и состава твердой фазы в буровых растворах был достигнут, начиная с 50-х годов прошлого века, в результате применения центрифуг-отстойников. Это обо­рудование, претерпев значительную модернизацию, используется до на­стоящего времени. Основным современным аппаратом для выполнения этой технологической операции является центробежный сепаратор, пред­ставляющий собой разновидность центрифуг.

Центробежный сепаратор для буровых растворов (рис. 6.21) представ­ляет собой перфорированный ротор 2, вращающийся внутри корпуса 1. Буровой раствор, поступая в корпус 1, попадает в центробежное поле ро­тора. Поток раствора приобретает поступательно-вращательное движение, в результате чего происходит разделение твердой фазы по массе. Наи­более массивные частицы раствора (барит, крупный шлам) оттесняются к стенкам корпуса сепаратора и перемещаются периферийной частью по­тока к сливному отверстию 4 корпуса. Жидкая фаза бурового раствора с тонкодисперсными частицами движется внутри ротора и выходит из аппарата через полый вал 3 ротора.

Разделив буровой раствор на облегченный и утяжеленную пульпу, оператор получает возможность регулировать их возврат в циркуляцион­ную систему и подачу в запасные емкости, таким образом осуществляя первичное регулирование содержания и состава твердой фазы в буровом растворе. Окончательное доведение раствора до кондиции производят путем добавления в него (при необходимости) свежих порций компо­нентов.

Поступающий через ввод 5 на обработку в центробежный сепаратор буровой раствор обычно разбавляют водой

для того, чтобы уменьшить вязкость и таким образом улучшить условия разделения твердой фазы по массе.

С помощью агрегата можно выполнять следующие функции:

1) тонкую очистку раствора от шлама - для этого сепаратор устанав­ливают в качестве четвертой ступени очистки после илоотделителя; часть бурового раствора, очищенного на блоке гидроциклонов илоотделителя, подают в сепаратор и таким образом удаляют из раствора частицы шлама размером более 4 мкм;

2) регенерацию утяжелителя — в процессе циркуляции или спуско-подъемных операций сепаратор включают в работу и из избыточной части раствора извлекают пульпу утяжелителя; эту пульпу затем собирают в за­пасную емкость и при необходимости добавляют в рабочий объем бурового раствора;

3) регулирование содержания и состава твердой фазы  — это основ­ная технологическая задача, для решения которой строго контролируют­ся подача раствора и режим работы агрегата; утяжеленная пульпа, твер­дая фаза которой состоит в основном из барита, возвращается частично или полностью в циркуляционную систему, а облегченная часть раствора в случае его обогащения тонкодисперсными частицами шлама сбрасывает­ся в отстойный амбар; эта часть потока частично используется для разбав­ления рабочего объема бурового раствора;

4) сгущение пульпы из песков и илов. Иногда сепаратор используют для дополнительного сгущения пульпы из песков и илов, собираемых из нижних насадок гидроциклонных шламоотделителей; это позволяет сокра­тить потери бурового раствора при использовании многоступенчатой гид­роциклонной очистки; дополнительно извлеченный из песков и илов буро­вой раствор вместе с дорогостоящими реагентами возвращается в цирку­ляционную систему, а шлам сбрасывается в отвал.

Раствор       Вод

Рис. 6.21. Схема центробежного сепаратора буровых растворов

class=Section4>

Современная центрифуга при нормальном режиме работы спо­собна обрабатывать до 1,5 л/с бурового раствора. На форсированном режиме допускается подача до 2 л/с; рабочий диапазон пропускной спо­собности 45 — 75 л/мин.

Центрифуга — высокоэффективный аппарат для разделения суспен­зий, но и она имеет недостатки: конструкция ее сложна и требуется высокая квалификация обслуживающего персонала. Поэтому наиболее целесообразно аппараты использовать кратковременно. Наличие много­численных вращающихся деталей, абразивная рабочая среда, высокие час­тоты вращения (1800 — 2300 об/мин), сальниковые уплотнения, винтовые насосы — все это требует тщательного ухода и высокой культуры эксплуа­тации.

Центрифуга в 10-11 раз дороже песко  и илоотделителей.

При обработке утяжеленного бурового раствора перед подачей в центрифугу его необходимо разбавлять водой. В противном случае потери утяжелителя будут существенными. Современные условия эксплуатации центрифуг таковы, что каждые один-два объема бурового раствора надо разбавлять одним объемом воды. Поэтому, во-первых, облегченную часть раствора вместе с реагентами приходится выбрасывать, а во-вторых, воз­никает необходимость в специальной системе оборотного водоснабже­ния и захоронении (или нейтрализации) сбрасываемого осветленного про­дукта. Все это свидетельствует о необходимости строгого анализа границ применимости центрифуги в определенных геолого-технических усло­виях бурения скважин.

3. Средства контроля и управления процессом промывки скважин.

Насосы

В системе промывки скважин буровые насосы предназначены для следующего: нагнетания в скважину промывочной жидкости с целью очистки забои и ствола от выбуренной породы (шлама) и выноса ее на дневную поверхность; охлаждения и смазки долота; создания гидромони­торного эффекта при бурении долотами с насадками; приведения в дейст­вие забойных гидравлических двигателей.

К буровым насосам предъявляют следующие основные требования: подача бурового промывочного раствора должна быть регулируемой в пределах, обеспечивающих эффективную промывку скважины;

мощность насоса должна быть достаточной дли промывки скважины и привода забойных гидравлических двигателей;

скорость промывочной жидкости на выходе из насоса должна быть равномерной при устранении инерционных нагрузок и пульсаций давлении, вызывающих осложнении в бурении, дополнительные энергетические за­траты и усталостные разрушении;

насосы должны быть приспособлены дли работы с абразиво- и масло-содержащими коррозионно-активными промывочными растворами различ­ной плотности;

узлы и детали, контактирующие с промывочным раствором, должны обладать достаточной долговечностью и быть приспособленными к удобной и быстрой замене при выходе из строи;

крупногабаритные узлы и детали должны быть снабжены устройства­ми дли надежного захвата и перемещении при ремонте и техническом об­служивании;

узлы и детали приводной части должны быть защищены от промывоч­ного раствора и доступны для осмотра и технического обслуживании;

насосы должны быть приспособлены к транспортировке в собранном виде на далекие и близкие расстоинии и к перемещению волоком в преде­лах буровой;

конструкции насосов должна допускать правое и левое расположение двигателей насосного агрегата;

надежность и долговечность насосов должны сочетаться с их эконо­мичностью и безопасностью эксплуатации.

Манифольд

Манифольдом или линией нагнетания называется участок тру­бопровода между буровым насосом и вертлюгом, по которому буровой рас­твор подается в бурильную колонну. Буровые насосы, входящие в комплект циркуляционной системы, имеют индивидуальные всасывающие линии и общий манифольд. Реже, при небольшом удалении от оси скважины, буро­вые насосы снабжаются индивидуальными манифольдами.

Манифольд (рис. 16.20) состоит из трубной обвязки 6 буровых насо­сов, трубной обвязки 8 вышечного блока, трубопровода 7, соединяющего обвязки в насосном и вышечном блоках, вспомогательною трубопровода / и пультов управления 4. Трубная обвязка насосов предназначена для пода­чи буровою раствора по отводам 2 насосов к распределителю с дроссель-но-запорными устройствами 5. Отводы включают набор трубных секций и переходных колен, необходимых для соединения нагнетательного' патрубка насоса с распределителем. На отводах устанавливают задвижки для слива бурового раствора, а также манометры с предохранительным устройством. Задвижки 3 распределителя служат для подачи бурового раствора в сква­жину либо в перемешивающие и очистные устройства циркуляционной системы.

Трубная обвязка 8 вышечного блока состоит из стояка и распре­делительно-запорного устройства, позволяющего подавать буровой раствор в вертлюг либо в иревентор, а также откачивать его от цементировоч­ного агрегата. Стояк представляет собой набор трубных секций с лин­зовыми соединениями (рис. 16.21). К стояку крепится изогнутое колено для присоединения буровою рукава, по которому раствор подается в вертлюг.

Для плавного перевода бурового насоса с холостого режима работы на рабочий применяют дроссельно-запорное устройство [рис. 16.22), которое приводится в действие сжатым воздухом, поступающим от компрессорной станции буровой установки. Управление этим устройством осуществляется четырехклапанным краном, установленным на пульте управления.

Рис. 16.20. Схема манпфольда

Вертлюг

Вертлюг, являясь верхней опорой для бурового инструмента, предназначен для подвода бурового раствора во вращающуюся бурильную колонну. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого буро­вого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых на­сосов. При этом ведущая труба бурильной колонны соединяется с помо­щью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъемных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоеди­няется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодических проворачиваний бурильной колонны с це­лью предотвращения прихватов.

В процессе эксплуатации вертлюг испытывает статические осевые на­грузки от действия веса бурильной колонны и динамические нагрузки, соз­даваемые продольными колебаниями долота и пульсацией промывочной жидкости. Детали вертлюга, контактирующие с раствором, подвергаются абразивному износу. Износостойкость трущихся деталей вертлюга снижа­ется в результате нагрева при трении.

К вертлюгам предъявляются следующие основные требования: попе­речные габариты не должны препятствовать его свободному перемещению внутри вышки при наращивании бурильной колонны и спускоподъемных операциях;

быстроизнашиваемые узлы и детали должны быть удобными для быст­рой замены в промысловых условиях;

подвод и распределение масла должны обеспечить эффективную смазку и охлаждение трущихся деталей вертлюга;

устройство для соединения с талевым блоком должно быть надежным и удобным дли быстрого отвода и выноса вертлюга из шурфа.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТЛЮГА

Вертлюги, применяемые в буровых установках для бурения эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, имеют общую конст­руктивную схему и различаются в основном по допускаемой осевой на­грузке. Конструктивные отличия некоторых узлов и деталей отечественных и зарубежных вертлюгов обусловлены требованиями изготовления и сбор­ки, разрабатываемых с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долго вечности.

На рис. 16.25 показано устройство современных вертлюгов. Корпус 4 вертлюга изготовляется из углеродистой или низколегированной стали и представляет собой полую отливку с наружными боковыми карманами для штропа 12, посредством которого вертлюг подвешивается к крюку талевого механизма. Штроп имеет дугообразную форму и круглое поперечное сече­ние. Он изготовляется методом свободной ковки из легированных сталей марок 40ХН, ЗВХГН, ЗОХГСА.

Рис. 16.23. Вертлюг УВ-250

На высаженных концах штропа растачиваются отверстия дли пальцев 7, соединяющих штроп с корпусом вертлюга.   Пальцы устанавливаются в горизонтальных расточках карманов и корпуса и предохраняются от выпа­дения и проворотов стопорной планкой 8, которая входит в торцовый паз кольцо и приваривается к корпусу вертлюга. При отводе ведущей трубы в шурф   штроп   вертлюга   отклоняется   от   вертикали   и   занимает  положение, удобное для разьединения и соединения его с крюком талевого меха­низма.

Угол поворота штрона ограничивается стенками карманов корпуса вертлюга и не превышает 45°. На пальцах штропа выполнены смазочные канавки и отверстия с резьбой для пружинных масленок. Резьба смазоч­ных отверстий используется для завинчивания рым-болтов, с помощью ко­торых проводится распрессовка пальцев вертлюга.

В корпусе вертлюга на упорных и радиальных подшипниках вращается ствол 5 с переводником 1 для соединения вертлюга с ведущей трубой бу­рильной колонны. Ствол представляет собой стальной цилиндр с централь­ным проходным отверстием для промывочной жидкости и с наружным фланцем для упорных подшипников. Ствол вращается с частотой бурового ротора и испытывает нагрузки, создаваемые буровым инструментом и промывочной жидкостью, нагнетаемой в скважину. По сравнению с други­ми несущими узлами и деталями ствол вертлюга наиболее нагружен. Это предъявляет повышенные требования к его прочности. Стволы вертлюгов изготовляют из фасонных поковок, получаемых методом свободной ков­ки. Благодари применению таких заготовок снижаются расход материала и затраты на механическую обработку. Для стволов используют стали марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, приобретающие в результате ковки более со­вершенную кристаллическую структуру и повышенные механические свойства.

Осевое положение ствола вертлюга фиксируется упорными подшип­никами 6 и 9. Основная опора ствола — подшипник б, нагружаемый весом ствола и бурового инструмента, когда вертлюг посредством штропа удер­живается в подвешенном состоянии. Вспомогательной опорой ствола явля­ется подшипник 9, нагружаемый собственным весом корпуса и других нев-ращающихся деталей, когда вертлюг опирается на ствол, а штроп вертлюга находится в свободном состоянии. Это происходит при установке вертлюга с ведущей трубой в шурф и в процессе бурения скважины, когда из-за не­достаточного веса бурильной колонны нагрузку на долото до полня юг весом вертлюга.

В рассматриваемой конструкции вертлюга в основной опоре ствола установлен упорный подшипник с короткими цилиндрическими роликами. Благодаря укороченной длине снижается скольжение роликов относитель­но колец при вращении ствола. Это благоприятно влияет на износ и нагрев подшипников. Подшипники с коническими и сферическими роликами об­ладаю! большей нагрузочной способностью по сравнению с подшипника­ми, имеющими короткие цилиндрические ролики. Поэтому в тяжело на­груженных вертлюгах преимущественно применяются упорные подшипни­ки с коническими либо сферическими роликами. Для повышения долго­вечности в модернизированных вертлюгах ОАО «Уралмашзавод» (УВ-250 МЛ1 используются конические упорные подшипники.

Для центрирования роликов относительно ствола подшипник 6 снаб­жен внутренним сепаратором. Наружный сепаратор предохраняет ролики от смещения под действием центробежных сил. В менее нагруженной вспомогательной опоре используется шариковый упорный подшипник. Ствол центрируется в корпусе радиальными роликовыми подшипниками 3 и 10. Упорные подшипники центрируются по кольцу, установленному на стволе. Второе кольцо является свободным и благодаря этому самоцентрируется относительно тел качения подшипника.

Осевое положение ствола и натяг подшипников 9 и 10 регулируют прокладками между корпусом 4 и крышкой 14 вертлюга. Осевой натяг нижнего радиального подшипника регулируют установочной втулкой, на­винченной на ствол вертлюга и предохраняемой от отвинчивания стопор­ными винтами. Наружное кольцо подшипника удерживается пружинным стопором, установленным в кольцевом пазу корпуса. Для соединения верт­люга с ведущей трубой бурильной колонны используется сменный нип­пельный переводник 1, предохраняющий резьбу ствола от износа и меха­нических повреждений.

На стволе вертлюга и верхнем переводнике ведущей трубы выполнена внутренняя резьба, поэтому для их соединения используется переводник ниппельного типа. С целью предотвращения самоотвинчивания при враще­нии долота на стволе вертлюга, переводниках и верхнем конце ведущей трубы выполнена левая резьба. Нижний переводник ведущей трубы и все другие соединения бурильной колонны имеют правую резьбу, совпадаю­щую с направлением вращения долота.

Корпус вертлюга закрывается верхней 14 и нижней 2 крышками с центральными отверстиями дли выводных концов ствола. Крышки крепятся к корпусу болтами. Верхняя крышка снабжена стойками и вторым флан­цем, на котором укреплен отвод 11 для соединения вертлюга с буровым шлангом. Из отвода промывочная жидкость поступает в проходное отвер­стие ствола через промежуточное устройство 13.

Полость между корпусом 4 с крышками 14, 2 и стволом вертлюга 5 за­полняется жидким маслом для смазки основного и нижнего радиального подшипников. Стакан 15 ствола образует отдельную масляную ванну для смазки вспомогательного и верхнего радиального подшипников. Масло за­ливается через отверстие в верхней крышке корпуса. Для слива отработан­ного масла предусмотрено отверстие в нижней крышке корпуса. Уровень масла проверяется контрольной пробкой, ввинченной в корпус вертлюга. Масляные отверстия закиываютсн оезьбовыми пообками.

Контрольные вопросы:

1.Для чего нужен серпаратор?

2.Для чего нужны буровые насосы?

3.Конструкция манифольда

4.Расскажите устройство вертлюса

5. Схема блока приготовления раствора

Литература

1. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Заканчивание скважин: Учеб. пособие для

    вузов. — М: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 670 с.

2. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы: Учеб. для вузов. — М.: Недра,1988. — 501 с.

Ещё посмотрите лекцию "Оценка конкурентоспособности продукции" по этой теме.

3. Болденко Д.Ф., Болденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели.  —  М.:Недра,    

    1999. — 375 с

    и газовых скважин: Учеб. для вузов. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. — 679 с.

4. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технология бурения нефтяных и газовых

    скважин: Учеб. для вузов. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001.— 679 с.

5. .Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных