Очистка бурового раствора от выбуренной породы

Технологический процесс бурильных работ при разработке нефтяных и газовых скважин в обязательном порядке предполагает качественную очистку буровых растворов (промывочных жидкостей) при роторном способе бурения.

При роторном бурении одной из основных задач является обеспечение эффективной циркуляции бурового раствора с целью удаления из зоны бурения и выбуренного ствола частиц выбуренной породы. Поскольку буровой раствор циркулирует, по сути, в виде замкнутой системы, то на выходе из скважины, насыщенный буровым шламом раствор, должен подвергаться качественной многоступенчатой очистке от загрязнителя, после чего он вновь подается в скважину и далее рабочий цикл промывочной жидкости повторяется.

Таким образом, буровой раствор является транспортирующим средством, обеспечивающим эффективное удаление остатков разбуренных пород из зоны бурения, тем самым обеспечивается защита породоразрушающего оборудования от дополнительного износа.

Качество очистки скважины напрямую будет определяться следующими факторами:

скоростью прохождения бурового раствора;
рабочими характеристиками бурового раствора;
эффективностью системы очистки бурового раствора от частиц выбуренной породы.

Ввиду высокого уровня требований к промывочным жидкостям, они подготавливаются по специально разработанным рецептурным составам с использованием различных специализированных реагентов, а в процессе приготовления буровых растворов обязательно учитывают:

геологические факторы (тип породы, пластовое давление, температура пластов, наличие пластовых вод и пр.);
технологические факторы (глубина скважины, ее диаметр и пр.).

Процесс очистки бурового раствора реализуется посредством организации последовательного удаления частиц выбуренной породы и прочих загрязнителей разных размерных фракций, которыми насыщен выходящий из забоя буровой раствор. Для обеспечения максимально полной очистки бурового раствора циркуляционную систему при буровой скважине оснащают комплексом специализированных очистных устройств и оборудования, что предполагает:

первичную очистку, осуществляемую вибрационными ситами, посредством которых удаляются самые крупные частицы шлама с размерами более 75 мкм;
вторичную очистку, посредством которой удаляются уже сравнительно мелкие частицы выбуренной породы.

На этапе вторичной очистки необходимо применять последовательно несколько разных типов оборудования, обеспечивающих улавливание частиц шлама разных фракционных классов – от средних, до самых мелких:

пескоотделители (удаляют частицы от 40 мкм);
илоотделители (удаляют частицы от 25 мкм);
центрифуги (улавливают частицы от 5 мкм).

Оборудование, применяемое для очистки бурового раствора от шлама

Вибрационные сита

Как уже было отмечено, на виброситах осуществляется механическая очистка бурового раствора от шламовых частиц наибольших размеров. Главной технической характеристикой вибросита является пропускная способность, которая определяется характеристиками применяемых ситовых панелей, главным образом, размерами их ячеек.

Конструктивно вибросито монтируется на прочном и жестком основании. На раме вибросита натягивается сетка, или же монтируются уже готовые ситовые кассеты (наиболее производительные и высокоэффективные модели вибросит оснащаются несколькими ситовыми панелями одновременно). При этом сетки устанавливаются на раме в наклонном положении для обеспечения самопроизвольного сброса шлама в шламовый амбар-приемник. Угол наклона сетки, как правило, составляет 12…18º. Для обеспечения максимально полного отделения бурового раствора от шлама, рама совершает колебательные движения за счет вибратора (системы вала с эксцентриком), приводимого в действие через привод электродвигателя.

При выборе той или иной модели вибросита следует учитывать главные рабочие параметры данного оборудования:

максимальная пропускная способность, (м³/ч);
рабочая поверхность сетки (ситовой панели), (м²);
частота колебаний вибрирующей рамы, (колебаний/мин);
размер ячеек сита (ситовые панели варьируются в зависимости от размеров ячеек сита от 0,16х0,16 до 0,9х0,9 мм).

Пескоотделители и илоотделители (гидроциклоны)

Гидроциклоны – это установки, обеспечивающие удаление из бурового раствора средних по размерам частиц шлама по инерционно-гравитационному принципу. Данное оборудование применяют на этапе вторичной очистки буровых растворов:

гидроциклоны диаметром 150 мм и более называются пескоотделителями, с помощью них из буровых растворов удаляются частицы породы размерами 40…75 мкм;
гидроциклоны диаметром 50…100 мм принято называть илоотделителями, с их помощью из буровых растворов становится возможным удалить частицы шлама размерами 25…40 мкм.

Рассмотрим принцип действия типового гидроциклона:

буровой раствор подается под давлением в рабочую полость гидроциклона по специальной питающей насадке;
раствор внутри гидроциклона начинает интенсивно вращаться за счет тангенциального расположения питающей насадки и высокоскоростного режима истечения самого раствора, при этом самые крупные и плотные частицы, имеющиеся в буровом растворе, отбрасываются центробежной силой во внешний поток раствора в пристенную зону полости циклона;
опускаясь по винтовой траектории в донную часть циклона, частицы загрязнителя удаляются через специальную шламовую насадку в шламосборник, размещённый под гидроциклоном;
частицы шлама более мелких размеров, обладающие недостаточной для преодоления сопротивления среды центробежной силой, оказываются во внутреннем восходящем потоке, создаваемом в результате образования вдоль оси гидроциклона воздушно-жидкостного столба пониженного давления, при этом восходящий поток очищенного бурового раствора направляется к сливной насадке и далее по патрубку передается в приемную емкость циркуляционной системы для передачи на последующий этап тонкой очистки.

Требования, предъявляемые к тонкости очистки буровых растворов, несколько ограничивают рабочий диаметр и соответственно пропускную способность гидроциклонов. В связи с этим в пескоотделителях и илоотделителях устанавливают сразу несколько гидроциклонов, действующих в параллельном режиме.

Центрифуги

С помощью центрифуг становится возможным удалить из бурового раствора тонкодисперсные частицы, которые не удается уловить на предыдущих этапах очистки. Главным конструктивным элементом центрифуги является ротор барабанного типа с перфорированными фильтрующими стенками, который вращается в неподвижном корпусе.

Разделение твердых частиц в центрифуге также происходит под действием центробежных сил: крупные частицы, на которые центробежная сила в большей степени оказывает выталкивающее воздействие, удаляются через перфорацию в стенке ротора и далее накапливаются в кольцевой полости между ротором и наружным корпусом. Очищенный раствор подается в сливную воронку, расположенную под ротором. Чем выше угловая скорость вращения центрифуги, тем выше эффективность улавливания мелкодисперсных шламовых частиц.