книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Плотность бурового раствора, г/см3

Рис. 2.11. Номограмма для оценки пропускной способности вибросита:

а- раствор на водной основе; б —раствор на нефтяной основе; I - две кассеты с сеткой

№018, 2 —две кассеты с сеткой № 025; 3 - комбинация сеток No 018 и № 4; 4 —комби­

нация сеток № 025 и 04; 5 - комбинация сеток № 025 и N» 055; 6 - две кассеты с сеткой № 04; 7 - комбинация сеток № 025 и № 055; 8 —две кассеты с сеткой № 055.

ми). Бурение в глинистых отложениях также может вызвать закупорку ячеек частицами выбуренной породы, что приводит к недостаточному обезвоживанию шлама на второй сетке и к большим потерям раствора.

Для предотвращения закупорки ячеек рекомендуется из­ менить направление вращения вала вибросита таким образом, чтобы движение частиц по сетке было против направления вра­ щения; установить более мелкоячеистую сетку. Если эти при­ емы не ликвидируют закупорку ячеек и не уменьшат потери рас­ твора, следует использовать сетки с различным размером ячеек: первую —с меньшим размером ячеек (согласно рис. 2.11,а), а вто­ рую (нижнюю) —с большим размером ячеек. Например, первая сетка размером ячеек 0,25x0,25 мм, а вторая — 0,4x0,4 мм. Ос­ нащение вибросита сетками в такой последовательности поз­

151

воляет получить повышенную пропускную способность сита и достаточную степень очистки бурового раствора.

Помимо выбора типоразмера сетки к виброситу важно оп­ ределить число сеток, На рис, 2.12 приведена номограмма, поль­ зуясь которой можно найти число кассет с различным типораз­ мером сетки для оснащения одного вибросита в зависимости от глубины скважины и коммерческой скорости бурения.

Яр и мер. Исходные данные: глубина скважины 5000 м, сред­ няя коммерческая скорость бурения (планируемая) 500 м/ст.-мес., коэффициент использования сита 0,5. Сетка применяется на виб­ росите согласно рис. 2.11,а поинтервально: 0—2750 м —0,4x0,4 мм; 2750—4500 —комбинация кассет 0,25x0,25 мм и 0,4x0,4 мм.

Отмечаем на горизонтальной шкале номограммы (рис. 2.12) глубину бурения, граничные точки 2750, 4250 и 5000. Восста­ навливаем перпендикуляры до пересечения с линией скоро-

Потребность кассетна скважину

Рис. 2.12. Номограмма для определения числа кассет на одно вибросито.

152

сти (0,5 тыс. м/ст.-мес.). Затем из точек пересечения проводим горизонтальные линии на шкалу сеток 0,4 и 0,25 мм. Получаем значения для сетки 0,4x0,4 мм — 6 и 11. Следовательно, в ин­ тервале 0—2750 необходимо шесть кассет, а в интервале 2750— 4250 пять кассет (11—6). Так как в данном интервале бурения применяется комбинация кассет, то полученное значение делим пополам 5 :2 = 2,5 (три кассеты). Итого в интервале 0—4250 м расходуется девять кассет с размером ячеек 0,4x0,4 мм.

Аналогично получаем значения для сетки 0,25x0,25 мм —8; 15 и 17. В интервале бурения 2750—4250 потребуется семь кас­ сет (15—8), но так как в данном интервале применяется комби­ нация кассет, то полученное значение делим пополам 7 :2 = 3,5 (четыре кассеты). В интервале бурения 4250—5000 м требуемое число кассет равно 17 — 15 = 2 (две кассеты). Итого в интерва­ ле 2750—5000 м необходимо шесть кассет 0,25x0,25 мм.

На бурение всей скважины потребуется девять кассет с раз­ мером ячейки 0,4x0,4 мм и шесть кассет —0,25x0,25 мм.

2.4.2. ТЕХНОЛОГИЯ ТРЕХСТУПЕНЧАТОЙ ОЧИСТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

(Three-stage mud cleaning)

Для достижения совершенной очистки неутяжеленного бу­ рового раствора, как правило, применяют трехступенчатую систему: вибрационное сито, пескоотделитель, илоотделитель. Технология очистки по трехступенчатой системе представляет собой ряд последовательных операций, включающих грубую очистку на вибросите и тонкую очистку — пескоотделение и илоотделение —на гидроциклонных установках. Такой техно­ логией достигается практически полное удаление из бурового раствора частиц шлама размером более 0,04 мм.

Сущность технологического процесса состоит в следующем (рис. 2.13). Зашламленный выбуренной породой буровой раст­ вор, вышедший из скважины 1, подвергается на первой ступе­ ни грубой очистке виброситом 2 и поступает в первую емкость 10 циркуляционной системы. Затем буровой раствор подается центробежным шламовым насосом 3 в блок гидроциклонов пескоотделителя 4, где из него удаляются частицы песка. Отсюда раствор выходит двумя потоками: основной объем его посту­ пает в следующую емкость 9, а частично (до 25%) возвращает­ ся в емкость 10 и разбавляет раствор, подаваемый на пескоот­ деление. Шлам из пескоотделителя сбрасывается в шламовый амбар. Из емкости 9 буровой раствор подается шламовым на­ сосом 5 в блок гидроциклонов илоотделителя 6, где из него уда­ ляется ил (частицы шлама размером 70—30 мкм). Окончательно

153

Рис. 2.13. Схема трехступенчатой очистки бурового раствора.

очищенный раствор поступает в приемную емкость 8, откуда буровым насосом 7 нагнетается в скважину, а шлам сбрасыва­ ется в шламовый амбар.

Важными моментами технологии трехступенчатой очистки являются: использование части очищенного от песка раствора для разбавления поступающего на пескоотделение раствора; разжижение раствора до минимально допустимой по услови­ ям бурения вязкости перед илоотделением. Степень разжиже­ ния бурового раствора зависит от его исходных параметров (плотности, вязкости) и дисперсного состава шлама. Для дости­ жения запланированной глубины очистки бурового раствора степень разжижения (вязкость) можно определить по рис. 2.14, на котором показано влияние пластической вязкости на раз­ мер удаляемых с помощью гидроциклона частиц шлама. На­ пример, чтобы удалить с помощью гидроциклонов диаметром 150 мм из бурового раствора частицы шлама размером 85 мкм при давлении на входе 2,1 • 105 Па и при плотности раствора 1,2 г/см3 его необходимо разбавить перед подачей в гидро­ циклон до вязкости г| = 10 мПа-с. Чтобы в этих условиях уда­ лить из раствора частицы размером до 45 мкм, раствор потре­ бовалось бы разбавить до вязкости Т) = 3 мПа ■с.

Из приведенной номограммы видно, что при повышении вяз­ кости от 10 до 40 мПа-e гидроциклон диаметром 100 мм при давлении на входе 2,5-105 Па будет удалять частицы шлама размером более 70 мкм, т. е. илоотделитель будет работать в режиме пескоотделения. Поэтому поддержание вязкости на минимально допустимом уровне — важнейшее условие эф-

154

Рис. 2.14. Номограмма для определения размера выделяемых в гидроцикло­ нах частиц:

D — размер удаляемых из бурового раствора частиц шлама; d — размер удаляемых из тестовой жидкости частиц шлама; р - давление перед гидроциклоном; D„ — диаметр гидроциклона.

фективной очистки бурового раствора гидроциклонными установками.

Для удаления тонкодисперсных частиц из вязкого бурово­ го раствора необходимо обеспечить более высокое давление на входе в гидроциклон. Так, для удаления шлама с частицами раз­ мером 30 мкм в гидроциклоне диаметром 100 мм при вязкости раствора 20 ■10~3 Па с давление перед гидроциклоном должно быть 0,28—0,3 МПа.

Технологические параметры по ступеням очистки регламен­ тированы следующим образом.

Плотность сгущенной пульпы со шламом, выходящей из гид­ роциклонов, должна быть выше плотности исходного бурового раствора: в пескоотделителе на 0,4—0,6 г/см3; в илоотделителе на 0,25—0,35 г/см3. Максимальный размер отверстий нижних насадок гидроциклонов не должен превышать: для пескоотделителя 25 мм, для илоотделителя 18 мм.

При бурении скважины все три ступени очистки долж-

155

ны постоянно работать. Если не работает пескоотделитель, то илоотделитель работает в режиме пескоотделения, что не поз­ воляет обеспечить качественную очистку бурового раствора и является причиной частой закупорки нижних насадок гид­ роциклонов. Если илоотделитель не работает одновременно с пескоотделителем даже кратковременно, раствор обогащается тонкодисперсными частицами горной породы, повышается его вязкость. В этой ситуации часто последующее включение илоотделителя длительное время не дает результатов, так как он вынужден работать в режиме пескоотделения.

Очищенный по технологии трехступенчатой системы бу­ ровой раствор имеет минимальное загрязнение выбуренной породой.

2.4.3. ЭЖЕКТОРНО-ГИДРОЦИКЛОННЫЕ ГЛИНООТДЕЛИТЕЛИ

(G et hidro -cyclon m u d cleaner)

Гидроциклоны являются простыми и эффективными ап­ паратами, позволяющими разделить частицы глины и утяже­ лителя. Самая несовершенная технологическая операция при их работе — разбавление раствора водой. Для этого включа­ ют емкости, дополнительный насос, что несколько усложняет конструкцию гидроциклонной установки. В РФ применяются эжекторно-гидроциклонные установки, в которых разбавление раствора водой осуществляется с помощью эжектора, установ­ ленного между гидроциклонами и насосом. Эти устройства име­ ют простую конструкцию, но удельная энергоемкость их выше энергоемкости гидроциклонных глиноотделителей. Эжекторно­ гидроциклонная установка для очистки утяжеленных буровых растворов состоит (рис. 2.15) из гидроциклонов 1, к тангенци­ альным вводам которых подсоединен эжектор 2 с всасыва­ ющим трубопроводом 3, и поршневого насоса. Принцип ра­ боты ее заключается в следующем. Поршневым насосом 9ГР или 11ГР в эжектор подается вода (или раствор). В результате высокой скорости истечения жидкости из насадки в корпу­ се эжектора образуется вакуум и по всасывающему трубоп­ роводу 3 поступает раствор (или вода). Разжиженный раствор с определенным напором по тангенциальной насадке поступает в гидроциклоны 1, в которых происходит разделение суспензии. Че­ рез разгрузочную насадку 4 из гидроциклона разгружается пуль­ па утяжелителя, а через сливной патрубок 5 —вода с глиной и частицами высокодисперсного утяжелителя. Для удобства расче­ тов при конструировании и быстрого определения оптимальных режимов работы эжекторно-гидроциклонных установок пред-

156

Вода+глина

ложена номограмма, приведенная на рис. 2.16. Она состоит из пя­ ти взаимосвязанных между собой номограмм, предназначенных для определения отдельных параметров установок. По номограм­ ме а определяют коэффициент напора р, а по номограмме б — давление перед насадкой эжектора р|[Гдостаточное для получения требуемой степени разбавления раствора водой в эжекторе а =

=Q„/Qp (QBи Qp —количество воды и раствора соответственно)

иобеспечения необходимого напора перед гидроциклоном. Но­ мограмма а представляет собой совмещение графиков, характе­ ризующих зависимость коэффициента подсасывания эжекто­ ра от коэффициента напора а = /(Р) при показателях площади эжектора m = 11 и 4 и кривых рг = /[р) для различных значений рг. Номограмма б служит для определения гидравлической мощ­ ности насоса N и скорости истечения жидкости из насадки эжек­ тора w. Для этого на номограмме нанесены кривые w = ф(р,., р) для различных значений плотности промывочной жидкости р и кривые равных мощностей N.

По номограмме в определяют размеры насадок эжекторов d0, d при известных значениях скорости w и расхода Q0 жид­

кости. Кривые представляют собой зависимость d0 = f(w) при различных значениях расхода.

Номограммы ги д служат для определения оптимальных диа­ метров смесительной камеры эжектора d2, тангенциальной d, и разгрузочной d„ насадок и сливного патрубка dCAгидроциклона.

Исследованиями установлено, что с повышением давления перед гидроциклоном извлечение утяжелителя увеличивает-

157

Рис. 2.16. Номограмма для расчета эжекторио-гидроциклоииых установок и режимов их работы.

ся и достигает максимума при давлении 0,3—0,5 МПа. Даль­ нейшее повышение давления не приводит к росту извлечения утяжелителя, в то время как слив глинистых частиц несколь­ ко уменьшается. С повышением степени разбавления раство­ ра водой эффективность разделения суспензии увеличивает­ ся. Причем с ростом разбавления от 1 до 2,7—3,5 извлечение утяжелителя повышается на 27—30%, дальнейшее увеличение степени разбавления до 6,5 приводит к росту извлечения всего лишь на 5—8%. В связи с этим при проектировании и эксплуа­ тации зжекторно-гидроциклонных установок перед гидроцик­ лоном давление следует принимать равным рг = 0,3+0,5 МПа,

астепень разбавления раствора водой п = 2,7+3,5.

Пр и м е р 1. Требуется определить основные конструктив­ ные и технологические параметры эжекторно-гидроциклонной

158

установки, предназначенной для регенерации утяжелителя из бурового раствора. Эжектируемая жидкость — утяжеленный раствор, а рабочая жидкость —вода. Пропускная способность установки по количеству перерабатываемого утяжеленного рас­ твора Ор = 2,5 л/с, плотность бурового раствора р = 2,0 г/см3. Давление перед гидроциклоном и степень разбавления раство­ ра водой принимаем равным р.г = 0,3 МПа и п = 3.

Необходимое количество воды для разбавления раство­ ра Ов — Орп = 2,5 -3 - 7,5 л/с.

Затем расчет продолжаем по номограмме. Для этого на ниж­ ней шкале оси абсцисс находим точку А, соответствующую сте­ пени разбавления раствора водой п = 3, Так как для получе­ ния необходимой степени разбавления раствора коэффициент подсасывания эжектора должен быть равен а = 1/п — 0,33, из соответствующей точки верхней шкалы оси абсцисс проводим вертикальную прямую до пересечения с кривой а = /(Р), со­ ответствующей показателю эжектора m = 4 и плотности рас­ твора р = 2,0 г/см3. Из точки Б проводим прямую, параллель­ ную оси абсцисс, до пересечения с кривой, соответствующей р, = 0,3 МПа.

Проектируя затем точку В на ось абсцисс номограммы б (точ­ ка Г), определяем необходимое давление перед насадкой эжек­ тора, при котором обеспечивается эффективная работа эжек- торно-гидроциклонной установки. Как видно из номограммы, давление перед эжектором должно быть рн = 1,94 МПа.

Далее из точки Г проводим вертикальную прямую до пере­ сечения с кривой, соответствующей плотности воды 1,0 г/см3 (точка Е). Точка Д на прямой ГЕ дает значение гидравлической мощности насосов, которая будет равна IV = 15 кВт.

Проектируя точку Е на ось ординат, определим скорость (точ­ ка Ж) вылета струи жидкости из насадки эжектора w = 55 м/с.

Продолжая прямую до пересечения с кривой, соответствую­ щей Ов = 7,5 л/с (точка 3), и проектируя точку 3 на ось абсцисс, найдем диаметр насадки эжектора d0 = 13,2 мм (точка И).

Продолжив вертикальную прямую до пересечения с кривой d2 номограммы г, проектируем точку пересечения К на ось ор­ динат (точка Л) и определяем оптимальное значение диаметра смесительной камеры эжектора d2 = 26,5 мм.

Из точки Л проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривыми dTи dCAномограммы д. Проектируя точки пересечения М и П на ось абсцисс, определим значе­ ния диаметров тангенциальной насадки dLr (точка N) и сливно­ го патрубка dCA(точка Р) гидроциклона, которые соответствен­ но равны 34 и 42 мм.

Размер разгрузочной насадки гидроциклона dH= 28 мм оп­

159

ределяется как проекция на ось ординат точки С пересечения кривой dHс вертикальной прямой, проведенной через точку, соответствующую dr, = 42 мм.

В том случае, если эжекторно-гидроциклонная установка имеет не один, а несколько гидроциклонов, размеры их тан­ генциальных dT, разгрузочных d„ и сливных dCAнасадок опре­ деляются по формулам:

d ,' = d , / V»7; d (;J1*= d c,/V»*; dH’= d j 4 n \

здесь dT, d„, d„ — диаметры соответственно тангенциаль­ ных, сливных и разгрузочных насадок, определенные по но­ мограмме; л1 — число гидроциклонов.

Определение размера частиц, удаляемых с помощью гидроциклона

(Particle size determination alter hidro-cyclon)

В настоящее время предложено множество рас­ четных формул. Однако ни одна из формул не применима для инженерных расчетов граничного зерна.

А.И. Поваров, анализируя существующие формулы для рас­ чета граничного зерна, отмечает их невысокую точность (сред­ неквадратическое отклонение составляет 67—152% и выше). Наиболее точной является следующая формула (среднеквад­ ратическое отклонение 37%):

где 5 — размер граничного зерна, мкм; 1,5 — эмпирический коэффициент, включающий вязкость воды; Д dc и dn —диаметр соответственно гидроциклона, сливного патрубка, песковой на­ садки, см; <р — содержание твердого вещества, %; р —давление на входе в гидроциклон, МПа; рт и р — плотности твердой и жидкой фаз пульпы, г/см3.

И.Н. Резниченко получены формулы для расчета размера удаляемых частиц и пропускной способности гидроциклона.

Внутренний поток при сепарации имеет максимальную тан­ генциальную скорость и, следовательно, максимальную цент­ робежную силу, поэтому можно допустить, что во внутреннем потоке жидкость находится в квазиламинарном движении и для этой зоны может быть применено уравнение Стокса для опреде­ ления скорости движения частиц в радиальном направлении

где 8 —размер частицы, см; Др — эффективная плотность

160