WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

Открытое акционерное общество

Научно-производственное объединение «Бурение»

(ОАО НПО "Бурение")

  На правах рукописи

  УДК 622.244.442

ДОБИК АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ

РЕГУ­ЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕНТРИФУГ.

Специальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(по нефтяной и газовой промышленности)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Краснодар 2008

Работа выполнена в Открытом акционерном обще­стве Научно-производственное объединение «Бурение» (ОАО НПО «Бу­рение»)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Берлин М.А.

доктор технических наук, профессор Кунина П.С.

доктор технических наук Долгов С.В.

Ведущая организация: ООО Производственно-научная компания «Буртехмаш»

       Защита состоится  ______________________________ на заседании диссертационного совета Д.222.019.01 при ОАО НПО «Бурение»  по адресу: 350063, г.Краснодар, ул. Мира 34

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Бу­рение»

       Автореферат разослан « ______ » _______________ 200 ___ г.

       Ученый секретарь

диссертационного совета                                         Л.И. Рябова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Оборудование для поддержания заданных свойств промывочных жидко­стей в процессе бурения является важнейшим элементом бурового комплекса, эффективная работа этого оборудования существенно влияет на технико-экономические показатели процесса строительства сква­жины. В то же время существующие агрегаты для регулирования свойств буровых растворов недостаточно эффективны, в особенности из-за плохой очистки промывочной жидкости от выбу­ренной породы. Отечественной и зарубежной промысловой практикой установлено, что повы­шению степени очистки, а также улучшению процесса регулиро­ва­ния состава и свойств буровых растворов способствуют шнековые осадительные центрифуги.

Центрифуги обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими средствами очистки. Они удаляют более мелкие частицы выбуренной породы по сравнению с илоотделителями. Шлам, выгружаемый из центрифуг, имеет минимальное содержание жидкости. Поэтому при работе центрифуг значительно возрастает степень очистки раствора при заметном снижении потерь. Центрифуги многофункциональны, то есть могут использоваться на различных операциях, в том числе в процессе регенерации утяжелителей буровых растворов, для сгущения пульпы гидроциклонов, осушки шламовых амбаров и т.п.

Однако, в течение длительного времени эти машины не использовались отечественными буровыми предприятиями. Важнейшим фактором, препятствовавшим внедрению в практику отечественного бурения работоспособных систем регулирования свойств промывочных жидкостей с использованием шнековых осадительных центрифуг, явля­лась слабая методическая и техническая база развития данного на­правления технологии промывки скважин. Следует отметить, что и после широкого внедрения центрифуг в отечественном бурении, произошедшего в начале 2000-х годов, наблюдается недостаточно эффективное использование центрифуг. Дорогостоящие установки нередко простаивают или работают с низкой отдачей.

Таким образом, исследования и разработки в области техники и технологии регулирования свойств буровых промывочных жидкостей с использованием центрифуг являются актуальными.

Цель работы.

Создать научно-методические основы проектирования техники и технологии ре­гулирования свойств буровых растворов с использованием шнековых осадительных центрифуг и обеспечить широкое и эффективное применение центрифуг в практике бурения.

Основные задачи работы

  1. Изучить современное состояние техники и технологии регулиро­вания свойств буровых промывочных жидкостей, проанали­зировать существующие  достижения в области применения шнековых осадительных центри­фуг для обработки  буровых растворов.
  2. Разработать методику прогнозирования фракционного соста­ва твердой фазы буровых растворов.
  3. Разработать методику расчета технологи­ческих параметров шнековых осадительных центрифуг применительно к условиям обработки буровых промывочных жидкостей.
  4. Изучить пути выбора рационального типоразмера специализи­рованной шнековой осадительной центрифуги для обработки буровых растворов.
  5. Разработать эффективные технические средства технологической обвязки шнековых осадительных центрифуг, в том числе создать надежные насосы для подачи бурового раство­ра в центрифугу.
  6. Разработать, классифицировать и испытать технологические схемы регулирования свойств буровых растворов с использованием шнековых центрифуг. Разработать рекомендации по рациональному взаимодействию центрифуг с другими средствами очистки.
  7. Организовать серийное производство и обеспечить внедрение шнековых осадительных центрифуг и агрегатов на их основе на буровых предприятиях. Оценить эффек­тивность центрифуг данного типа в различных геолого-технических условиях.
  8. Экспериментально изучить возможности применения фильтрующих центри­фу­г для очистки буровых растворов.

Методика исследований.  Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований на моделях, опытных образцах в стендовых и полевых условиях. Теоретические положения проверены сравнением с опытными данными, как самого автора, так и данными, опубликованными в печати. Достоверность результатов исследований подтверждена статистической обработкой результатов экспериментов при уровнях значимости, достаточных в технических приложениях.

Научная новизна.

  1. Разработана новая методика прогнозирования распределения размеров частиц твердой фазы буровых промывочных жидкостей.
  2. Предложен новый методический подход к расчету очистной способности шнековых осадительных центрифуг при­менительно к условиям обработки буровых промывочных жидкостей, на основе которого разработаны расчетные соотношения, позволяющие проводить вычис­ление пофракционной очистной способности центрифуги.
  3. Предложена методика оценки очистной способности центрифу­ги в полевых условиях с использованием стандартных средств измерения плотности промывочной жидкости.
  4. Установлено, что при выборе типоразмера осадительной цен­трифуги  следует обеспечивать рациональное соотношение между га­баритами коренных подшипников и диаметром ротора. На этой осно­ве выполнен научно обоснованный выбор типоразмера шнеко­вой осадительной центрифуги, в наибольшей степени отвечающей усло­виям бурения.
  5. Разработана новая методика расчета момента на шнеке центри­фуги. Показано, что увеличение заходности шнека нецелесооб­разно как с точки зрения очистной способности, так и в связи с воз­растанием расчетного момента на шнеке.
  6. Разработана новая методика оценки транспортируемости шлама в роторе шнековой центрифуги.
  7. Выполнена классификация технологических схем обработки бу­ровых промывочных жидкостей осадительными центрифугами. Впервые расчетным путем и на практике проанализирована эффективность использова­ния различных схем обработки буровых растворов центрифугами, в том числе во взаимодействии с виброситами и гидроциклонными шламоотделителями.
  8. Предложены новые кинематические схемы вибросит, в наилучшей степени отвечающие условиям бурения и функционирования системы очистки с участием центрифуг.
  9. Впервые показана возможность использования в системах регу­лирования свойств буровых промывочных жидкостей фильтрующих центрифуг непрерывного действия. 

Практическая ценность

  1. Спроектированы и внедрены в промышленности комплектные агрегаты для обработки буровых растворов шнековыми центрифугами.
  2. Предложены и реализованы эффективные технические реше­ни­я при конструировании шнековой осадительной центрифуги для  обработки буровых растворов.
  3. Разработаны надежные конструкции насосов для подачи буро­вого раствора в центрифуги.
  4. Разработаны и внедрены новые эффективные технологические схемы обработки буровых растворов с использованием шнековых осадительных центрифуг. Систематизированы существующие технологические схемы.
  5. Разработаны новые надежные устройства технологической обвязки центрифуг.

Реализация работы в промышленности

Организовано серийное производство комплектных агрегатов для обработки буровых растворов шнековыми осадительными центрифугами.

Организовано производство полупогружных бессальниковых центробежных насосов, в том числе для подачи растворов в центри­фуги.

Внедрены новые технологические схемы очистки буровых рас­творов.

Разработан и внедрен руководящий документ РД 39 Р.5799424-0001-89, включающий разработку системы очистки известково-би­тумного утяжеленного раствора двумя центрифугами.

Разработана программа расчета компонентного состава буровых растворов с учетом применения центрифуги в системе регулирования свойств буровых растворов.

Агрегаты для регулирования свойств растворов с использованием шнековых центри­фуг, разработанные автором, успешно эксплуатируются различными буровыми предприятиями, в том числе ОАО Краснодарнефтегаз-Бу­рение, ОАО Сургутнефтегаз, НК Башнефть и др.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на различных совещаниях, семинарах, конференциях, заседаниях, в том числе на Всесоюзном семинаре Академии наук «Теоретические основы химической технологии» (Москва, 1981), на Всесоюзном совещании по технологии промывки скважин (Краснодар, 1985), на Всесоюзном се­минаре по совершенствованию техники и технологии очистки буро­вых растворов (Краснодар, 1986), на заседании межведомственной комиссии по проведению приемочных испытаний опытного образца глиноотделителя на базе центрифуги (Москва, 1989), на Техническом совете ВНИИНефтемаша (Москва, 1989), на техническом совете Сум­ского МНПО им. Фрунзе (Сумы, 1991), на координационных совеща­ниях ВНИИКРнефти, (Дивноморск, 1989, 1990), на межотраслевых научно-практических конференциях ОАО НПО «Бурение» (Анапа, 2000-2007) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 34 научные работы, в том числе 8 авторских свидетельств и патентов. Из них 8 работ включены в перечень рецензируемых научных журналов и  изданий, выпускаемых в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения,  7 разделов, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертация из­ложена на 381 странице, включает 72 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика диссертационной работы.

Раздел 1. Анализ современного состояния техники и технологии регулирования свойств промывочных жидкостей в процессе бурения скважин.

Для исключения неконтролируемого изменения параметров про­мывочной жидкости в процессе углубления скважин проводится ком­плекс мероприятий, направленных на поддержание свойств промы­вочной жидкости в заданных пределах. Важнейшую роль среди этих мероприятий играет регулирование содержания и состава твердой фазы буровых растворов, в том числе механическая очистка промы­вочной жидкости от выбуренной породы. Стандартная трехступенчатая система очистки неутяжеленных растворов включает после­довательно работающие вибросито грубой очистки раствора, гидро­циклонный пескоотделитель промежуточной очистки раствора и гид­роциклонный илоотделитель тонкой очистки раствора. Трехступенчатая система удаляет недостаточное количество выбуренной породы (не более 50-60 %), допускает большие потери раствора, ненадежна в работе. На утяжеленном растворе используется только вибросито.

Компенсация недостатков трехступенчатой системы очистки возможна с помощью центрифуг, которые способны удалять из про­мывочной жидкости частицы более мелкие, чем трехступенчатая сис­тема, с минимальными потерями раствора.

В зарубежной буровой практике c 1950-х годов широко распространены шнеко­вые осадительные центрифуги. Шнековая осадительная центрифуга (рис. 1) состоит из горизонтального ротора с цилиндрическим 1 и ко­ническим 2 участками, шнека 3, шламоприемника 4 и приемника фу­гата 5. Ротор имеет цапфы 6 и 7, посредством которых он установлен в коренных подшипниках 8 и 9. Шнек 3 установлен внутри ротора с возможностью вращения в подшипниках 10 и 11. Ротор приводится во вращение от электродвигателя посредством приводного шкива 12. Вал шнека соединен с ведомым валом планетарного редуктора 13, за­крепленного на роторе с помощью фланца. Корпус редуктора 13 вра­щается вместе с ротором. Ведущий вал планетарного редуктора не­подвижен и удерживается от вращения рычагом 14, установленным на ведущем валу. Рычаг 14 опирается на упор 15, опрокидывающийся и освобождающий рычаг 14 при  перегрузке.

Рисунок 1 – Устройство шнековой центрифуги

Работает центрифуга следующим образом. По неподвижной питающей трубе, проходящей внутри шнека, исходный буровой раствор через загрузочные окна 16 поступает в ротор цен­трифуги в точке соединения конического 2 и цилиндрического 1 уча­стков. В роторе раствор течет  от окон 16 к сливным отвер­стиям 17. При этом частицы выбуренной породы или утяжелителя под действием центробежной силы оседают на стенки ротора, а освободившаяся от частиц жид­кость (фугат) сливается через отверстия 17 в приемник фугата 5. Так как шнек 3 вращается относительно ротора, то шнек транспортирует осевшие частицы к узкому концу ротора на выгрузку.

Поставку шнековых центрифуг буровым ком­паниям в течение многих лет осуществляет ряд известных зарубежных фирм. При исполь­зовании в качестве четвертой ступени очистки неутяжеленных буро­вых растворов центрифуги обычно обеспечивают заметное повыше­ние очистной способности системы очистки. Кроме того, центрифуги применяются для сгущения пульпы гидроциклонных шламоотделите­лей, а также для регенерации утяжелителей, двухступенчатой очистки утяжеленных буровых растворов от выбуренной породы, обезвожива­ния содержимого шламовых амбаров.

Однако импортные центрифуги дороги, тогда как более дешевая отечественная шнековая осадительная центрифуга, адаптированная к условиям бурения, долгое время не разрабатывалась. Не изучался вопрос выбора рацио­нального типоразмера шнековой центрифуги для нужд бурения. Вы­бор наиболее подходящей схемы использования центрифуг в конкрет­ных геолого-технических условиях затруднялся отсутствием методики расчета основных параметров центрифуги: очистной способности и степени очистки бурового раствора при данной механической скоро­сти бурения.

Существующие методики расчета сепарационного оборудования, в том числе центрифуг, ориентированы на вычисление граничного зерна разделения, тогда как для буровой практики значительно важ­нее уметь прогнозировать пофракционную очистную способность. Помимо этого в теории и методике расчета шнековых центрифуг для буровых растворов имеется еще целый ряд пробелов, в частности, нет эффективной методики прогнозирования гранулометрического соста­ва твердой фазы буровых растворов, поступающих на очистку в центрифуге. Существующие формулы расчета нагрузочных характеристик шнека не соответствуют данным экспе­римента. Не установлены причины наблюдаемого иногда нарушения процесса транспортирования шлама в роторе центрифуги. Многочисленные технологические схемы обработки буровых растворов центрифугами не классифицированы и не анализировались на предмет их сравнительной эффективности. Не исследовано взаимодействие центрифуг с другими средствами очистки.

Эксплуатация импортного оборудования показала, что принятая за рубежом технологическая обвязка центрифуг во многих районах буре­ния ненадежна, в частности, дороги и не надежны винтовые насосы для подачи рас­твора в центрифуги. Отсутствует устройство для ввода в циркуляцию пульпы утяжелителя, отделяемой в центрифуге при регенерации. Не определены требования к системе регулирования раствора на входе в центрифугу. Не проработаны вопросы монтажеспособности и эксплуатационной на­дежности комплектных агрегатов на базе центрифуг.

Недостаточно изучалась проблема применения в бурении других типов центрифуг, в частности, фильтрующих центрифуг непрерывно­го действия.

Раздел 2. Расчет технологических параметров шнековой осади­тельной центрифуги при работе на буровых растворах.

Разработана методика прогнозирования гранулометрического со­става твердой фазы буровых растворов. Для неутяжеленных раство­ров функцию плотности распределения размеров частиц твердой фазы бурового раствора на устье скважины впервые предлагается определять по формуле:

  ,%/мкм, (1)

где с1, с2 – содержание в твердой фазе частиц выбуренных в данном цикле промывки (частицы 1 группы) и частиц, длительно циркули­рующих в скважине (частицы 2 группы), соответственно, - функция распределения размеров частиц 1 и 2 группы, соответственно, %/мкм.

Функции распределения f1() и f2(), а также функции распределения размеров частиц утяжелителей предложено определять по формуле логарифми­чески нормального распределения в виде

  , %/мкм,  (2)

где – эквивалентный диаметр частиц, мкм, – среднее квадратичное отклонение логарифма эквивалентного диаметра,  50 – средний эквивалентный диаметр частиц, мкм.

Получены новые соотношения для определения параметров распределения:

,  (3) 

  ,  (4)

где max , min – наибольший и наименьший эквивалентные диаметры частиц, соответственно, мкм.

Для частиц 1 группы рекомендуется известная формула:

max =(0,0037+0,034Dд).106, мкм (5)

где Dд – диаметр долота, м,

а также вновь выведенное соотношение:

, мкм,  (6)

где – удельная поверхностная энергия разрушаемой породы, Дж/м2,  Рос – осевая нагрузка на долото, Н, рд – перепад давления на долоте, Па.

Здесь , Дж/м2, (7)

где ζ - средняя твердость по Моосу минералов, слагающих разбури­ваемую породу.

Для частиц 2 группы автором рекомендуется:

max = В, мкм, (8)

min 0,01 мкм, (9)

где В – размер ячеек сетки вибросита, мкм.

Для утяжелителей по результатам обработки опытных данных автором рекомендуется принимать для усредненных условий 50у 16 мкм, у = 0,27.

Вероятность соответствия расчетных распределений теоретическим по 2-критерию превышает 90-95%, доверительный интервал, как правило, не превышает ±10% при доверительной вероятности 95%.

Предложен новый методический подход к расчету процесса оса­ждения частиц твердой фазы в потоке бурового раствора в роторе шнековой центрифуги. Очистная способность центрифуги – это от­ношение объема твердой фазы, удаляемой центрифугой из раствора, к объему твердой фазы в растворе до поступления в центрифугу. Благодаря особенностям течения раствора в роторе центрифуги (структурный режим течения) очистную способность центрифуги по частицам диаметром впервые удалось определить непосредственно из выведенной автором формулы:

       (10)

где L, D,ω, – длина, м, диаметр, м, и частота вращения, об/мин, рото­ра центрифуги, соответственно, Q – производительность центрифуги, м3/с, η - пластическая вязкость промывочной жидкости, Па⋅с, τ0 - динамическое напряжение сдвига промывочной жидкости, Па, Δρ - разность плотностей твердой и жидкой фаз раствора, кг/м3.

Если распределение размеров частиц задано в дискретной форме, то суммарную очистную способность автором предложено вычислять по формуле:

  ,       (11)

i – очистная способность центрифуги по частицам i-ой фракции, вычисляемая по формуле (10), сi – концентрация частиц i-ой фракции в общем объеме твердой фазы, n – число фракций.

Если известна непрерывная функция распределения f(), то суммарную очистную способность автором предложено определять по формуле: , (12)

где Б, М – наибольший и наименьший эквивалентные диаметры час­тиц твердой фазы, поступающие в центрифугу с буровым раствором, мкм, k – коэффициент, k = 0 при < 0, k = 1при 0 ≤ 1, k = 1/  при  >1. В развернутом виде:

, (13)

где k = 0 при 10-6< 0,

k = 1 при 0 10-6 1,

k = 1/10-6 при 

10-6 > 1,

индекс 1 относится к параметрам распределения частиц 1 группы, индекс 2 относится к параметрам распределения частиц 2 группы.

Аналогично впервые предложено определять потери утяжелителя при работе шнековой цен­трифуги в режиме регенерации:

  , %,  (14)

где 50у, у – параметры распределения размеров частиц утяжелителя, Бу, Му – наибольший и наименьший размеры частиц утяжелите­ля, Бу 100 мкм, Му 0,01 мкм, у – разность плотностей утяжелителя и жидкой фазы раствора, кг/м3.

Отклонения экспериментальных значений укладываются в доверительный интервал ±4-5% при доверительной вероятности 95%. При этом экспериментальные значения очистной способности центрифуги и потерь утяжелителя при регене­рации утяжелителя впервые предложено определять по приближенным формулам:

,  (15)

где , сл, тв, ж – плотности исходного раствора, раствора на выхо­де, твердой фазы и жидкой фазы раствора, соответственно, кг/м3,

, %, (16)

где пу – плотность пульпы утяжелителя на выходе из центрифуги, кг/м3.

При проектных расчетах пу 3000 кг/м3, тв 2600 кг/м3. Величины , сл, ж – легко измеримые в полевых условиях параметры.

Раздел 3. Разработка шнековой осадительной центрифуги, адап­тированной к условиям бурения.

Как следует из уравнений (13) и (14), эффективность центрифуги возрастает с увеличением диаметра и частоты вращения ротора. Од­нако увеличение этих параметров ограничено конструктивно – частота вращения ротора не должна превышать предельную частоту вращения nпр подшипников, которая тем меньше, чем больше диаметр ро­тора по эмпирической формуле

nпр = (700…875)/D, 1/с. (17)

Таким образом, существует задача выбора рационального соотноше­ния между диаметром D и частотой вращения n ротора, при которых достигается наибольшая эффективность центрифуги. Для определе­ния такого соотношения по неутяжеленным растворам впервые использовано понятие параметра эффективности . Q, который, с учетом представленных выше соотношений, равен:

, л/с. (18)

Зависимости параметра эффективности от D при различной произво­дительности центрифуги, рассчитанные по уравнению (18) при усредненных значениях параметров распределения размеров частиц твердой фазы Б = 70 мкм, М = 0,01 мкм, с1 = 0,15, с2 =0,85, 501 = 50 мкм, 1 =0,75, 502 = 2 мкм, 2 =0,75, = 1500 кг/м3, = 0,02 Па.с, представлены на рис.2. Как видим, параметр эффективности имеет максимум при D 0,5 м. Изменения числовых значений уравнения (18) показывают, что максимум кривых близок к абсциссе D 0,5 м с тен­денцией снижения соответствующего максимуму кривых диаметра при возрастании напря­жения сдвига бурового раствора. Исходя из минимальных габаритов центрифуги, для условий бурения рекомендован диаметр D = 0,5 м, которому по формуле (17) соответствует предельная частота вращения подшипников 1400-1750 об/мин. Как видно из рис.2, примене­ние крупногабаритных центрифуг с диаметром ротора более 0,5 м (и меньшей частотой вращения) нецелесообразно, так как это ведет к не­значительному росту параметра эффективности или даже к его паде­нию.

Для утяжеленных растворов максимум эффективности, опреде­ленный из аналогичных соотношений, также достигается приблизи­тельно при D = 0,5 м.

Производительность центрифуги ограничена максимальной про­пускной способностью ротора, которая задается разностью радиусов

узкого конца ротора и переливного борта, препятствующей выходу жидкости в шламовый патрубок центрифуги. Эта разность радиусов определяется конструктивно и составляет несколько сантиметров. Для ротора диаметром 0,5 м  напор, потребный для течения раствора в нем, также со­ставляет величину в несколько сантиметров при Q < 6…7 л/с, что и является пределом производительности.

Момент сопротивления вращению шнека предлагается опреде­лять по новым формулам:

для цилиндрического участка

, Н⋅м,       (19)

для конического участка:

, Н⋅м.  (20)

где hц, hк – высота валика шлама на цилиндрическом и коническом участках ротора центрифуги, м, R – радиус внутренней поверхности цилиндрической части обе­чайки ротора, м; ρшл, ρ - плотность шлама и раствора, кг/м3, f – коэффициент трения шлама о рабочую поверхность витка шнека, Lц, Lк – длина цилиндрического и конического участков ротора, м, t – шаг шнека, м,         z – число заходов шнека,  Rк – средний радиус внутренней поверхности обечайки ротора на коническом участке, м, b - ширина витков шнека, м.

Величина hц вычисляется по формуле:

, м.        (21)

Величина hк вычисляется по формуле:

, м,       (22)

где fвн – коэффициент внутреннего трения шлама, образующегося в роторе центрифуги, Δn – разность частот вращения ротора и шнека, об/мин.

Суммарный момент:  , Нм. (23)

Установлено, что коэффициент трения шлама по стали составля­ет величину f = 0,4-0,5, коэффициент внутреннего трения fвн = 0,3-0,4, плотность шлама при работе на утяжеленных растворах составляет 2700-2900 кг/м3, на неутяжеленных растворах 1900-2000 кг/м3. При условии нормальной работы центрифуги эти параметры изменяются незначительно.

Экспериментальные данные по моменту на шнеке укладываются в доверительный интервал в пределах10-20% от расчетных значений момента при доверительной вероятности 95%.

Отличие новых формул от известных состоит в учете сопротив­ления трения по торцовым поверхностям витков шнека. В этом случае расчетная величина М возрастает при увеличении числа заходов, что видно из рис.3. Известные формулы других авторов не соответствуют этим экспериментальным данным.

Конструирование специализированной шнековой осадительной центрифуги для буровых растворов осуществлялось в соответствии с разработанными выше рекомендациями по рациональному соотноше­нию между диаметром ротора и его частотой вращения. Новая цен­трифуга, в отличие от ранее выпускавшихся для химической про­мышленности, имеет однозаходный шнек, пониженное передаточное число редуктора при более высоком расчетном моменте 600 кГм, обеспечи­вающем нормальную работу как на неутяжеленных, так и на утяжеленных растворах.

Раздел 4. Разработка технологической обвязки центрифуг для условий бурения.

С целью обеспечения насосами серийного выпуска специализи­рованной центрифуги для буровых растворов автором был проведен комплекс конструкторских работ, а также стендовых и промысловых испытаний насосов различных типов с целью выбора рациональной конструкции. Были исследованы диафрагменные растворонасосы, осевой шнековый насос и различные варианты центробежных насо­сов. Наилучшие результаты получены при использо­вании разработанного автором центробежного полупогружного бессальникового насоса, основные элементы которого изображены на рис.4. Насос состоит из проточной части, включающей рабочее колесо и корпус со вкладышами, подшипникового узла с валом и переходни­ком, рамы, электродвигателя, лепестковой муфты. Работает насос сле­дующим образом. При погружении проточной части и переходника в подлежащую перекачиванию жидкость с уровнем, указанным на ри­сунке 4, жидкость самотеком через окна в переходнике поступает в проточную часть, откуда под действием быстровращающегося рабоче­го колеса нагнетается в трубопровод,  и далее поступает в напорную линию.

  Рисунок 4 - Насос полупогружной бессальниковый

Насос бессальниковый и в регулировке сальникового узла не нуждается, что и является основным отличием насоса от известных. Насос данной конструкции под маркой ПН выпускается серийно как в качестве комплектующего для блоков очистки на базе центрифуги, так и отдельным изделием.

На выкиде насоса устанавливается регулирующий дроссель. Экс­перименты с различными конструкциями показали, что наилучшая характеристика у шарового крана, который меньше, чем пробковые краны или вентили подвержен засорению. Кроме того, на входе в по­гружной насос устанавливается фильтр. Разработано и испытано спе­циальное переливное байпасное устройство, которое устанавливается на загрузочную трубу центрифуги и обеспечивает нормальную работу питающей линии центрифуги. Кран используется только для гру­бой регулировки. Спроектирована рама определенной конфигурации, позволяющая быстро монтировать на нее как саму центрифугу, так и съемный лоток для шлама. Конструкция рамы обеспечивает установку лотка как вдоль, так и поперек оси центрифуги, и, таким образом, по­зволяет выводить шлам из центрифуги в любом направлении.

При работе на утяжеленном растворе в режиме регенерации утяжелителя необходимо непрерывно смешивать пульпу утяжелителя с циркулирующим раствором. Эксперименты  показывают, что  пульпа

утяжелителя поступает из центрифуги в виде крупных липких комьев, не размешиваемых в растворе стандартными механическими пере­мешивателями. Опытным путем подобрана специальная конструкция быстроходного перемешивателя, который немедленно по поступлении комьев утяжелителя в поток раствора, движущегося в желобе емко­стей циркуляционной системы, разбивает комья крыльчаткой и сме­шивает их с раствором.

Описанные устройства объединены в единую систему, совокуп­ность технических признаков которой позволила получить новый эф­фект, защищенный патентом на установку для регенерации утяжели­теля буровых растворов (пат. РФ №1764343). С использовани­ем данных устройств разработаны серийно выпускаемые комплект­ные агрегаты для обработки буровых растворов на базе центрифуги. Один из вариантов агрегата представлен на рис. 5.

Рассмотрены основные принципы размещения центрифуг на стационарных и мобильных циркуляционных системах буровых установок различных классов.

Раздел 5. Повышение эффективности систем регулирования свойств промывочных жидкостей за счет использования центрифуг.

       В порядке обобщения известных схем очистки впервые разработана классификация технологических схем обработки буровых растворов центрифугами. Классификация схематически изображена на рис.6. Разработанная классификация позволяет более обоснован­но выбирать необходимую схему очистки из большого количест­ва  пред­лагаемых и систематизировать процесс проектирования цирку­ляци­онной системы.

В соответствии с представленной классификацией на неутяжеленных растворах центрифуги обычно используют в качестве четвертой ступени очистки, когда часть очищенного раство­ра из песко- или илоотделителя направляется в одну или несколько центрифуг. По этой

схеме шлам сбрасывается в отвал, а очищенный в центрифуге раствор возвращается в циркуляцию. Если для очистки неутяжеленных растворов используются высокоэффективные шламоотделители с гидроциклонами малого диаметра, рекомендуется с помощью центрифуг либо  сгущать пульпу гидроциклонов, либо, если пульпа до этого уже сгущается на мелкоячеистых ситах, очищать подситовую жидкость перед возвращением ее в циркуляцию.

На утяжеленных растворах центрифуги используют, в основном, при разбуривании мощных глинистых отложений с интенсивной на­работкой раствора. Перед сбросом в отвал загрязненного выбуренной глиной утяжеленного раствора, его пропускают через центрифугу,

где промывочная жидкость разделяется на концентрат утяжелителя и на­сыщенный глиной легкий раствор. Легкий раствор удаляют с буровой, а концентрат возвращают в циркуляцию. Взамен сброшенного рас­твора вводят чистые разбавители. Таким образом, предотвращается сброс в отвал дорогостоящего утяжелителя, и одновременно снижается вязкость раствора. Операцию отделения утяжелителя от загрязненно­го раствора с возвратом концентрата в циркуляцию называют регене­рацией утяжелителя. Желательно очищать от глинистых частиц рас­твор, освобожденный в центрифуге от утяжелителя, с возвратом очи­щенной жидкости в циркуляционную систему и сбросом в отвал глины. Этот процесс осуществляется во второй, более скоростной цен­трифуге. Схема двухступенчатой очистки утяжеленных растворов центрифугами имеет ряд разновидностей. Например, центрифуги мо­гут использоваться, как и в случае неутяжеленных растворов, для двухступенчатой очистки подситовой жидко­сти ситогидроциклонного сепаратора.

Автором предложена новая формула для усредненной оценки эффективности шне­ковой осадительной центрифуги при использовании ее на неутяжеленном буровом растворе в качестве четвертой ступени очистки: 

, %,  (24)

где ц – степень очитки раствора центрифугой, %,

ств – объемное содержание твердой фазы в буровом растворе,

Vмex – объем породы, выбуриваемой долотом в единицу времени, м3/с,

QН – подача буровых насосов, м3/с,

k = 0 при 0,0056(0,45 2 –1,67 ) < 0,

k = 1 при 0 0,0056(0,45 2 –1,67 ) 1,

k = 1/0,0056(0,45 2 –1,67 ) при 0,0056(0,45 2 –1,67 ) > 1.

Результаты расчета по формуле (24) существенно зависят от ве­личины Б, которая определяется эффективностью работы песко- и илоотделителей. Расчеты по формуле (24) показывают, что степень очистки рас­твора центрифугой более 20%, достаточная для компенсации недос­татков трехступенча­той системы, достижима не всегда. При высоких скоростях бурения для промывочных жидкостей с малым содержани­ем твердой фазы степень очистки может оказаться ниже 20%. Напри­мер, при бурении на растворе с ств = 0,05 при эффективной работе гидроциклонных шламоотделителей, степень очистки раствора центрифугой превыша­ет 20% только при Vмex < 0,15 дм3/с, что для долота диаметром Dд =0,2159 м соответствует механической скорости менее 10-15 м/час. В то же время, несмотря на относительно низкую производи­тельность центрифуги по промывочной жидкости, расчетная степень очистки цен­трифугой в ряде случаев достигает 50%, особенно на сильно за­шламленных буровых растворах и при неудовлетворительной работе трехступенчатой очистки.

Учитывая, что для отечественных буровых характерна именно последняя ситуация, применение центрифуг в качестве четвертой ступени очистки оказывается достаточно эффективным даже при производительности меньше 7л/с, что подтверждают данные, приве­денные в табл.1, полученные по результатам авторского надзора за внедрением центрифуг ОГШ-50 на буровых предприятиях в различ­ных районах бурения. По зарубежным данным на неутяжеленных рас­творах  применение  центрифуг  выгодно  при  высоких  затратах  на

за­хоронение отходов бурения и при дефиците воды. Известны случаи, когда  применение  центрифуг  даже  по  сравнению  с относительно

эф­фективными илоотделителями позволяло экономить до 140 тыс. долл. на одну скважину.

В последнее время с целью снижения потерь раствора широко распространилась схема сброса пульпы гидроциклонов на мелкоячеистую сетку вибросита. На сетке происходит отделение части раствора от шлама и шлам сбрасывается в отвал с гораздо меньшим содержанием раствора – менее 55%. Преимуществом центрифуг является то, что  если  этот  шлам вместо  вибросита сгущать  на центрифуге,

Таблица 1 - Степень очистки буровых растворов центрифугами при бурении скважин в Краснодарском крае и в Западной Сибири.

Скважина

Забой, м

Производи­тельность центрифуги,

л/с

Степень

очистки,

%

№3 Черноерковская

240

350

645

645

5,2

3,9

4,4

2,8

56

34

38

33

№2 Варавенская

100

710

2,5

2,0

50

26

№113 Холмская

200

5,0

43

№3 Зап.-Могутлор­ское м-ние

-

4,2

44

№9 Конитлорское м-ние

1200

4,5

31

№17 Конитлорское м-ние

2600

5,0

18

то содержание раствора в сбрасываемом объеме снизится до 35% и менее. Кроме того, сгущение шлама на вибросите имеет существенный недостаток: часть твердой фазы нижнего слива гидроциклонов проваливается через сетку вибросита. Эта часть достигает иногда 70%. На центрифуге этого недостатка нет – впервые показано, что все частицы, отделенные в гидроциклонах, будут выведены в отвал, так как центробежное поле центрифуг более значительно по сравнению с гидроциклонами.

Препятствием использованию центрифуг по схеме сгущения пульпы гидроциклонов является значительная нагрузка на центрифугу по грубодисперсному шламу и повышенный износ рабочих органов дорогостоящей установки. Расчет, впервые проведенный автором, показал, что расход нижнего слива гидроциклонов может превысить возможности центрифуги и требуется тщательный контроль за диаметром песковых насадок гидроциклонов. По этим причинам сгущение пульпы гидроциклонных установок на центрифуге производится редко, обычно при использовании дорогостоящих или экологически опасных буровых растворов (например, растворов на нефтяной основе). Указанные недостатки схемы сгущения пульпы гидроциклонов центрифугой могут быть значительно ослаблены, если на обработку в центрифугу направлять не саму пульпу гидроциклонов, а, как указывалось выше, жидкость, отделяемую на вибросите при сгущении нижнего слива гидроциклонов. Подситовой раствор содержит значительно меньшее количество грубодисперсных частиц, по сравнению с пульпой гидроциклонов, что позволяет существенно снизить шламовую нагрузку на центрифугу. Другим преимуществом последней схемы является возможность менее тщательно контролировать расход пульпы через насадки гидроциклонов и устанавливать большие диаметры насадок. Впервые показано, что при этом увеличивается степень очистки раствора гидроциклонами.

Анализ пропускной способности серийных вибросит показал, что существующие вибросита не обеспечивают требуемую производительность при обработке нижнего слива гидроциклонов. Предложены новые кинематические схемы вибросит, защищенные патентами, обеспечивающие получение однородного поля эллиптических колебаний, позволяющего получить более высокую производительность при обработке пульпы гидроциклонов.

Из опыта эксплуатации осадительных шнековых центрифуг известно, что текучие шламы с трудом продвигаются шнеком центрифуги по коническому участку ротора к разгрузочному концу. Эти шламы под действием центробежной силы стремятся обратно в цилиндрическую часть ротора и закупоривают межвитковое пространство. Закупоривание межвиткового пространства было выявлено в ряде интервалов в процессе разбуривания пластичных глин Краснодарского края и Западной Сибири. Впервые показано, что заметное ухудшение транспортирования бурового шлама в роторе шнековой центрифуги начинается при падении предельного напряжения сдвига шламовой массы  пр  ниже величины, определяемой из соотношения

  пр= шл 2 h D tg / 4,  (25)

где -  коэффициент заполнения канала, шл – плотность шламовой массы,  - угловая скорость вращения ротора, h – расстояние от уровня жидкости в роторе до переливного края узкого конца, D –средний диаметр вращения шлама, - угол наклона винтового канала к эквипотенциальным линиям центробежного поля.

Показано, что для центрифуги ОГШ-502К-12  пр = 400-425 Па. Для  обеспечения выгрузки текучего шлама с низким значением пр необходимо обеспечить предельное снижение величины h, то есть повышение уровня жидкости в роторе. Таким путем под руководством автора были выведены из простоя центрифуги в некоторых районах бурения. Расчетным путем впервые показано, что другим способом обеспечения нормальной транспортируемости шлама в роторе шнековой центрифуги является увеличение предельного напряжения сдвига шлама за счет введения в шлам песка. Наилучший способ введения песка в глинистые шламы центрифуг - это подача в ротор центрифуги вместе с очищаемым буровым раствором  пульпы гидроциклонных шламоотделителей.

Потребной производитель­ностью центрифуги, работающей в ре­жиме регенерации утяжелителя, называется производительность, при которой со сбрасываемым в отвал сливом выводится из циркуляции количество твердой фазы, равное объему выбуренной в единицу вре­мени породы. Потребную производительность центрифуги , рабо­тающей в режиме регенераци­и утяжелителя, предложено рассчитывать по формуле:

, м3/с, (26)

где мex – механическая скорость бурения, м/час, - концентрация выбуренной породы в растворе; при расчетах для  некоторых усредненных условий сn 0,1.

При небольших  механических скоростях (менее 10 м/час) по­требная производительность центрифуги по раствору не превышает 1,5-2 л/с.

Если эффективность работы центрифуги в режиме регенерации утя­желителя не вызывает сомнений, то очистка утяжеленного раствора двумя центрифугами с точки зрения экономии средств довольно про­блематична из-за высокой стоимости центрифуг и низкой степени очистки раствора на второй центрифуге. Расчет эффективности про­цесса очистки утяжеленного бурового раствора с помощью двух цен­трифуг может быть выполнен исходя из следующих сообра­жений.

При удалении из промывочной жидкости утяжелителя на первой центрифуге, вместе с утяжелителем в циркуляцию возвратятся и крупные частицы выбуренной породы. Показано впервые, что после центрифугирования на первой центрифуге плотность распределения размеров частиц выбу­ренной породы описывается уравнением:

, 1/мкм, (27)

где 1, 1 – очистная способность первой центрифуги, вычисляемая по уравнениям (10) и (13), соответственно,

k1 – коэффициент, k1 = 0 при 1 < 0, k1 = 1 при 0< 1 1, k1 =1/1 при 1 >1.

Тогда суммарная очистная способность второй центрифуги по сливу первой центрифуги, вычисляемая по формуле (12), составит:

,  (28)

где В – размер ячеек вибросита, мкм,

2 – пофракционная очистная способность второй центрифуги,

k2 – коэффициент, k2 = 0 при 2 < 0, k2 = 1 при 0 2 1, k2 = 1/2 при 2 > 1.

Степень очистки ц2 бурового раствора второй центрифугой предложено вычислить по новой формуле

, % (29)

где  b – коэффициент каверзности.

Графики зависимости ц2 от мex, построенные по формуле (29) при ств = 0,1, Q = 0,7.10-3 м3/с, 2 = 0,253, b = 1 для долот диаметром 215,9 мм и 295,3 мм, представлены на рис.7. Как видим, степень очистки утяжеленного раствора двумя центрифугами при небольших скоро­стях бурения (менее 10 м/ч) может быть довольно высокой. Автором разработаны и внедрены новые схемы очистки раство­ров. Среди них схема дополнительной очистки раствора в емкостях циркуляционной системы в период перерывов процесса бурения пу­тем создания искусственной циркуляции через доливную емкость. Также внедрена схема снижения плотности утяжеленного раствора в процессе бурения с накоплением утяжелителя в промежуточной емко­сти. Потребность в последней операции наиболее вероятна при недостаточно надежных данных о величинах пластовых давлений в тех или иных интервалах.

Разработана на уровне изобретения и испытана схема двухсту­пенчатой очистки утяжеленного известково-битумного бурового рас­твора центрифугами, включающая регулирование плотности возвра­щаемой в циркуляцию смеси пульпы утяжелителя и очищенного во второй центрифуге неутяжеленного раствора.

Разработана с участием автора программа для ЭВМ по проектированию компо­нентного состава буровых растворов на водной основе, построенная исходя из принципа обеспечения устойчивости ствола скважины. Вы­бор типа раствора и его компонентного состава осуществляется с уче­том работы средств очистки, в том числе центрифуг.

Раздел 6. Внедрение систем регулирования свойств буровых рас­творов с использованием центрифуг на буровых предприятиях.

Разработка центрифуги и агрегатов на ее основе для обработки буровых промывочных жидкостей первоначально выполнялась по за­явке Министерства нефтяной промышленности СССР №390285868 в соответствии с постановлением Совета Министров СССР №369 от 06.05.85 г. Однако, после прекращения в 1989 году централизованно­го финансирования разработки были продолжены в инициативном порядке. Часть работ была выполнена по договорам между НПО "Бу­рение" и Сумским МНПО им. Фрунзе №88.574799.40959.88 «Испытания глиноот­делителя на базе центрифуги с двухзаходным шнеком с газотермиче­ской наплавкой» и №87 от 19.02.90 «Разработка рабочей конструктор­ской документации на систему питания глиноотделителя на базе цен­трифуги».

Производство центрифуги, пригодной к использованию в буре­нии, налажено в начале 90-х годов на Сумском МНПО в рамках серии ОГШ-50, соответствующей ТУ 26-01-388-80. Специализированная центрифуга для буровых растворов обозначена маркой ОГШ-502К-12.

В ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских ра­бот создан комплектный агрегат, включающий кроме центрифуги также раму, отводной шламовый лоток, устройство для ввода пульпы утяже­лителя в циркулирующий раствор, систему загрузки и регулирования раствора на входе в центрифугу, универсальный полупогружной цен­тробежный насос для подачи раствора в центрифугу.

Серийный выпуск комплектных агрегатов для обработки буровых растворов на базе центрифуги организован в НПО «Бурение» с 1994 года. В настоящее время эти установки выпускаются в соответствии с ТУ 3661-319-00147001-2006.

Первые отечественные специализированные центрифуги для очистки буровых растворов внедрены с участием автора в Краснодарском крае. В ре­зультате внедрения удалось существенно снизить объемы отходов бу­рения и получить экономический эффект более 40 млн. руб. в нынешних ценах за счет сокращения расходов на захоронение отходов и на утяжеление растворов.

Достигнуто значительное снижение токсичности отходов. Содер­жание твердой фазы вывозимых отходов (шлама) возросло с 40-50% до 60-85%, содержание нефти снизилось в 1,5-2 раза, химическое потребле­ние кислорода снизилось с 15-50 до 0,75-1,5 г/л, минерализация – с 1,5-6 г/л до 0,3-0,5 г/л. Следует отметить, что шлам, получаемый на центрифуге, имеет показатели экологичности близкие к допускаемым для безопасного захоронения его в минеральном грунте. В частности, плотность 1,9-2 г/см3, рН менее 8, химическое потребление кислорода 0,5-0,6 г/л, минерализация менее 0,3 г/л.

Проведенные мероприятия позволили решить ряд проблем, свя­занных с охраной окружающей среды и приступить к бурению в эко­логически сложном районе восточного побережья Азовского моря. Бу­ровые работы увенчались успехом: открыто несколько нефтяных ме­сторождений. При этом не нанесено сколько-нибудь заметного ущерба природе.

В общем случае эффект от использования центрифуг определяет­ся следующими факторами:

  • экономия утяжелителя и материалов на 30-40%;
  • сокращение объема наработки бурового раствора в 2-3 раза;

- сокращение транспортных затрат на вывоз отходов бурения в 2-3 раза;

  • отсутствие штрафов за нарушение экологии;

- снижение аварийности за счет обеспечения устойчивости сте­нок скважины в процессе бурения;

- увеличение скоростей бурения и стойкости долот до 40% за счет снижения содержания шлама и регулирования необходимого со­отношения глинистой и полимерной коллоидной;

- увеличение дебита скважин за счет бурения на равновесии с расчетной и контролируемой рецептурой бурового раствора.

Практически все эффектообразующие были выявлены в процессе промысловых испытаний. Так экономический расчет, произведенный НПО «Бурение» в 1991 году по 18 ведущим объединениям страны и бывшим объединениям Тюменнефтегаза показал, что применение  4-х ступенчатой очистки снизит наработку раствора в 2-3 раза. Эти дан­ные неоднократно проверены.

В АО «Краснодарнефтегаз» многократно подтверждена экономия барита и химреагентов на 30-40% с помощью использования центри­фуг, в 2-3 раза сокращены расходы на вывоз шлама. Установка 4-х ступенчатой системы очистки окупала себя на одной скважине в те­чение 5-6 месяцев.

Для условий восточного побережья Азовского моря при бурении скважин в интервале до 2000 м, где использу­ются неутяжеленные буровые растворы, очистка буровых растворов осуществлялась виброситами, оснащенными сетками с размером ячеек 0,4×0,4 ÷ 0,55×0,55 мм, гидроциклонным пескоотделителем и центрифугой. При бурении скв. 2 Морозовская, 7, 8 Сладковская и 1 Варавенская с помощью центрифуги удалено 30-34% выбуренной породы, что позволило в 2-3 раза сократить объем избыточного рас­твора и затраты на вывоз и захоронение отходов бурения.

Улучшение степени очистки бурового раствора позволило в 1,6 раза сократить расход химреагентов, на 40% сократить расход долот и повысить механическую скорость. Экономический эффект, получен­ный при бурении скважин только на неутяжеленном растворе, составил около 700 тыс. руб. в сопоставимых ценах.

При бурении указанных скважин с применением утяжеленных буровых растворов очистка буровых растворов осуществлялась вибро­ситами, оснащенными мелкоячеистыми сетками, и центрифугой, ко­торая использовалась в режиме регенерации барита. При этом регене­рированный барит в виде пульпы плотностью 2,6÷2,8 г/см3 возвра­щался в буровой раствор и использовался на этой же буровой, а облег­ченный буровой раствор плотностью 1,12÷1,16 г/см3 собирался в ем­кости и использовался при ремонте скважин. Использование центри­фуги для регенерации барита позволило без предварительного разбав­ления раствора водой обеспечить извлечение 90÷95% барита и сокра­тить его расход на 40-45%.

       В Западной Сибири первоначально активно использовался мобильный ва­риант агрегата для очистки раствора на базе центрифуги. Такой агрегат был успешно применен в Новом Уренгое, где бурилось 3 скважины в месяц, начиная с 300м до вскрытия пласта, и непо­средственно  вскрытие  пласта  на  плотностях  1,06-1,08 г/см3. В ПО «Тюменбургаз» с использованием 4-х ступенчатой очистки произведе­но вскрытие пластов на 40 скважинах при плотности раствора 1,05-1,07 г/см3 без разбавления раствора водой, что является основным ус­ловием повышения дебита скважины.

В последние годы центрифуги получили широкое распространение на  буровых предприятиях Западной Сибири, Республики Коми, других нефтегазодобывающих регионах страны. На­пример, в ОАО «Сургутнефтегаз» еще в начале 2000 годов центрифуги были смонтированы на буровых Р42-66 Управления поисково-разведочных работ, кусте №9 Конитлорского месторождения, на ряде кустов Тянского месторожде­ния, скв. 3 Западно-Могутлорского месторождения и др. В ОАО «Обь­нефтегазгеология» под контролем автора центрифуга работала на буровой №51 Западно-По­камасовской площади. В ОАО «Ухтанефтегазгеология» блок очистки на базе центрифуги был смонтирован на скв. 1 Нижнеодесская. Устанавливались центрифуги на скв. 13 ОАО «Печоранефтегеологоразведка», на место­рождении Веякшор ЗАО «Северная нефть» и др. Регулярно закупают установки для  очистки буровых растворов на базе центрифуги Волго­градский завод буровой техники, ОАО «Башнефть», ЗАО «Арктик­нефть» и другие.

В общей сложности при участии автора реализовано и эксплуатируется на буровых предприятиях более 100 комплектных агрегатов на базе центрифуги.

В соответствии с современными тенденциями развития техники, характеризующимися все более широким распространением компьютерных технологий совместно с фирмой «BauLux»(Германия) разработана новая автоматизированная шнековая центрифуга DDF54-222 (см. рис. 8). Выбор типоразмера центрифуги и разработка ее конструкции выполнены согласно рекомендациям, изложенным в гл.3. Центрифуга имеет электронную систему контроля нагрузки на шнек с возможностью регулирования подачи раствора в центрифугу.

При этом возможно программирование установки с целью максимизации выхода шлама (максимальный момент), или с целью поддержания заданного выхода шлама. В настоящее время центрифуга подготовлена к промысловым испытаниям.

Раздел 7. Исследование применимости фильтрующих центрифуг в системах регулирования свойств буровых растворов.

Разработана на уровне изобретений и исследована фильтрующая лопастная центрифуга при работе в режиме очистки бурового раствора. Максимальная удельная производительность центрифуги данного типа  в  расчете  на  единицу  площади  фильтрующей поверхности

 

Рисунок 8 - Центрифуга DDF54-222

составила 40…50 м3/м2час, что сравнимо с производительностью вибросит в аналогичных условиях. Фильтрующая центрифуга в состоянии удалять весьма мелкие частицы в пределах до 70 мкм, то есть на уровне пескоотделителя. Существенным недостатком исследованной конструкции является использование дорогостоящих и недолговечных фильтрующих сит.

Разработана на уровне изобретения и испытана новая конструкция центрифуги с ножевой выгрузкой осадка, в которой нагрузки на нож и ротор существенно снижены по сравнению с известными установками за счет оригинальной конструкции вращающегося ножа. Испытана модель предложенной центрифуги. Установлено, что осадок легко выгружается из ротора и сходит с ножа в виде тонкой направленной струи, что позволяет собирать его вне ротора в отдельном приемнике. Однако производительность промышленного образца составляет 2,64 л/с, что значительно меньше производительности вибросит на аналогичных растворах.

Предполагается продолжить работы по указанным направлениям с целью устранения отмеченных недостатков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

       1. Проведены исследования и разработки, позволившие создать эффективные агрегаты для регулирования свойств буровых растворов на базе шнековых осадительных центрифуг. Разработанные автором комплектные агрегаты, включающие специализированную шнековую центрифугу для буровых растворов и комплекс вспомогательных устройств технологической обвязки, нашли широкое при­менение на буровых предприятиях в большинстве нефтедобывающих районов России. Таким образом, решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, связанная с обеспечением значительного повышения эффективности и экологиче­ской безопасности бурения за счет существенного улучшения  качества промывки бурящихся скважин и снижения объема отходов бурения.

2. Разработана новая методика прогнозирования гранулометрического состава твердой фазы буровых промывочных жидкостей. Распределе­ние размеров частиц выбуренной породы и утяжелителей предложено считать логарифмически нормальным, а параметры распределения определять по максимальному и минимальному возможному эквива­лентному диаметру частиц. Расчет этих диаметров предложено осуществлять по условиям  выноса частиц породы на поверхность, и величине нагрузки на долото в за­висимости от твердости разбуриваемых пород. Предложено выделять в общем объеме твердой фазы бурового раствора несколько групп час­тиц, отличающихся величиной параметров распределения их разме­ров. В частности, разработана новая методика прогнозирования фракци­онного состава частиц выбуренной породы, длительно циркулирую­щих в скважине и частиц, вынесенных на дневную поверхность в данном цикле промывки, а также методика определения параметров распределения размеров частиц утяжелителей.

3. Предложен и реализован новый методический подход к расчету эффективности центрифуги применительно к буровым растворам, впервые позволивший вычислять пофракционную очистную способность центрифуги на неутяжеленных растворах и пофракционные потери утяжелителя при работе на утяжеленном растворе.

4. Предложена методика оценки эффективности центрифуги в полевых условиях путем измерения плотности потоков на входе и вы­ходе из центрифуги как для неутяжеленных, так и утяжеленных рас­творов. Выведенные расчетные соотношения проверены на практике.

5. Установлено, что при выборе типоразмера шнековой осадительной центрифуги следует обеспечивать рациональное соотношение между габаритами (предельной частотой вращения) коренных подшипников и диаметром ротора. На этой основе подсчитано, что при использовании серийных подшипников диаметр ротора шнековой центрифуги для условий бурения должен составлять около 500 мм при частоте вращения 1400…1750 об/мин.

6. Разработана новая методика расчета момента на шнеке центрифуги, учитывающая как давление осадка на боковую поверхность витков шнека, так и на торцовую поверхность витков. Центрифуга выбранного типоразмера должна иметь момент на шнеке до 600 кг.м, что требует применения соответствующего редуктора. Показано, что для буровых растворов предпочтителен однозаходный шнек, обеспечивающий минимальный момент и достаточную очистную способность центрифуги.

7. Впервые исследованы возможности использования различных насосов для подачи раствора в центрифугу. Испытаны серийные диафрагменные и винтовые насосы. Разработан осевой шнековый насос. Разработан и внедрен новый центробежный бессальниковый полупогружной насос. Показано, что полупогружной бессальниковый насос более предпочтителен при использовании в технологической обвязке шнековой центрифуги по сравнению с менее надежными и дорогими зарубежными винтовыми насосами.

8. Разработана новая технологическая обвязка центрифуги, включающая раму со специальным лотком для отвода шлама, и систему регулирования подачи раствора в центрифугу, состоящую из загрузочной воронки, фильтров и регулировочных устройств. Для смешения пульпы утяжелителя с циркулирующим раствором впервые в буровой практике применен быстроходный желобной перемешиватель. Впервые разработаны правила монтажа центрифуг на циркуляционных системах буровых установок различного назначения.

9. Выполнена классификация технологических схем обработки буровых промывочных жидкостей центрифугами. Технологические схемы классифицированы по целям операций на схемы обработки неутяжеленных буровых растворов, схемы обработки утяжеленных буровых растворов, осушку содержимого амбаров. Эти три класса далее разделены по типам обрабатываемых потоков. Выделены очистка слива вибросит, гидроциклонов, центрифуг, ситогидроциклонных сепараторов. Отмечены типовые и вспомогательные схемы.

10. Выполнен анализ эффективности различных схем обработки буровых растворов центрифугами. Установлено, что использование центрифуги в качестве четвертой ступени очистки неутяжеленных растворов эффективно для сильно зашламленных промывочных жид­костей. При высокой стоимости промывочной жидкости целесообраз­но использовать центрифугу для сгущения пульпы гидроциклонных шламоотделителей, или очистки жидкости, отделяемой на вибросите при сгущении нижнего слива гидроциклонов.

11. Анализ пропускной способности серийных вибросит показал, что существующие вибросита не обеспечивают требуемую производительность при обработке нижнего слива гидроциклонов, что приводит к перегрузке центрифуги по грубодисперсному шламу. Предложены новые кинематические схемы вибросит, защищенные патентами, обеспечивающие получение однородного поля эллиптических колебаний, позволяющего получить более высокую производительность при обработке пульпы гидроциклонов.

12. Установлено, что основной причиной нарушения процесса транспортирования шлама в роторе шнековой центрифуги является снижение напряжения сдвига шлама ниже предельной величины, зависящей от конструктивных параметров ротора центрифуги. Для  обеспечения выгрузки текучего шлама с низким значением напряжения сдвига необходимо повышение уровня жидкости в роторе или увеличение предельного напряжения сдвига шлама за счет введения в шлам песка.

13. Разработаны и внедрены со значительным экономическим эффектом новые технологические схемы очистки буровых растворов шнековыми осадительными центрифугами. В частности, предложена и реализована на практике схема двухступенчатой очистки утяжеленного известково-битумного бурового раствора, включающая регулирование плотности возвращаемой в циркуляцию смеси пульпы утяжелителя и очищенного во второй центрифуге неутяжеленного раствора. Успешно испытана схема снижения плотности бурового раствора с накоплением утяжелителя в промежуточной емкости, а также схема доочистки раствора с использованием искусственной циркуляции через доливную емкость.

14. Показано, что при работе на утяжеленных растворах центрифуги наиболее эффективны в режиме регенерации утяжелителя. Двухсту­пенчатая очистка центрифугами экономически оправдана при невысоких скоростях бурения менее 10 м/час.

15. Разработана программа для ЭВМ по проектированию компонентного состава буровых растворов, учитывающая использование центрифуг для очистки буровых растворов.

16. Агрегаты для обработки буровых растворов на базе шнековых осадительных центрифуг внедрены на буровых предприятиях в ОАО Краснодарнефтегаз, ОАО Сургутнефтегаз, ОАО Башнефть, ОАО Обьнефтегазгеология, ЗАО Арктикнефть и других. Получен значительный экономический эффект. Разработана новая автоматизированная центрифуга с программируемыми параметрами.

17. Исследованы различные типы фильтрующих центрифуг на предмет применимости их в системах обработки буровых растворов. Показано, что фильтрующие центрифуги с инерционной выгрузкой шлама имеют достаточно высокую пропускную способность по буровому раствору и могут применяться вместо 1-2 ступеней стандартной системы очистки. Основная нерешенная проблема – отсутствие износостойких фильтрующих сит.

Основные научные результаты диссертации отражены в следующих работах:

  1. Добик А.А. Олейник М.И. Выбор наилучшей конструкции ротора лопастной центрифуги по условиям кратковременной статической прочности.- Краснодарский политехнический институт. – Краснодар, 1981, 7с. – Деп. ЦНИИТЭИЛегпищемаш 23.04.81, № 268.
  2. Добик А.А. Горбачев Н.А. Кузовлев А.К. Расчетные зависимости для определения извлечения утяжелителя из бурового раствора. - В кн.: Растворы и технологические требования к их свойствам. – Краснодар, ВНИИКРнефть,1986, с.150-156.
  3. Добик А.А. Маевский В.Б. Резниченко И.Н. Использование центрифуги для очистки неутяжеленных буровых растворов при высоких скоростях бурения. – В кн.: Совершенствование техники и технологии промывки скважин. Краснодар, ВНИИКРнефть, 1988, с. 23-27.
  4. Кушнаренко Н.А. Рябченко В.И. Горбачев Н. А. Добик А.А. Можаров В.В. Долгих А.Е. Многоступенчатая система очистки буровых растворов. – Нефтяное  хозяйство, 1991, №3, с. 39-41.
  5. Добик А.А. Маевский В.Б. Мищенко В.И. Волик А.А. Технологические операции при очистке буровых растворов центрифугой. – В кн.:  Вопросы промывки, вскрытия продуктивных пластов и охраны окружающей среды при бурении и ремонте скважин. Краснодар, ВНИИКРнефть, 1991, с. 12-17.
  6. Михайленко О.В. Добик А.А. Оптимизация использования центрифуг в бурении. – Труды/Северо-Кавказское отделение Российской инженерной академии, 1997, с. 242-256.
  7. Добик А.А. Иванисова О.В. Расчет гранулометрического состава твердой фазы буровых растворов. – Труды/ Северо-Кавказское отделение Российской инженерной академии, 1998, с. 80-88.
  8. Добик А.А. Мищенко В.И. Применение центрифуг для очистки утяжеленного известково-битумного раствора. – В кн.: Новые материалы и жидкости для бурения скважин, вскрытия и гидроразрыва пластов. Краснодар, ВНИИКРнефть, 1999, с. 117-122.
  9. Добик А.А. Яковлев Д.Н. Прогнозирование пропускной способности вибросит.- В кн.: Технология и материалы для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Сб. науч. тр. ОАО НПО «Бурение», вып.2. – Краснодар, 1999, с.98-99.
  10. Добик А.А. Прогнозирование гранулометрического состава бурового шлама. В кн.: Основные принципы выбора технологии, технических средств и материалов при строительстве и ремонте скважин. Сб. научн. тр. ОАО НПО «Бурение». Вып.7. – Краснодар, 2002. – с. 57-63.
  11. Добик А.А. Головин М.В. Юрков В.И. Циркуляционные системы для неравновесного бурения. – В кн.: Техника и технология закачивания и ремонта скважин в условиях АНПД. Сб. научн. тр. ОАО НПО «Бурение». Вып.8. – Краснодар, 2002. – с. 109-115.
  12. Добик А.А. Мищенко В.И. Применение центрифуг для очистки буровых растворов. – Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2003, №3, с. 25-27.
  13. Добик А.А. Расчет эффективности шнековых центрифуг при очистке буровых растворов. – Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003, №6, с. 13-15.
  14. Добик А.А. Кичкарь И.Ю. Условия синхронизации вращения дебалансов буровых вибросит.- Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2003, № 8, с. 29-30.
  15. Добик А.А. Оптимизационная задача при проектировании центрифуги для очистки буровых растворов.- Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2003, №12, с.23-25.
  16. Добик А.А. Проблемы и перспективы гидроциклонной очистки буровых растворов.- Бурение и нефть, 2007, №1, с.24-26.
  17. Добик А.А. Особенности проектирования комплектных блоков очистки и приготовления буровых растворов для бурения боковых стволов.- Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2007, №3, с.20-21.
  18. Добик А.А. Оборудование для приготовления и очистки технологических жидкостей, применяемых при капитальном ремонте скважин.- В кн.: Современные технико-технологические решения в области бурения и капитального ремонта скважин. Сб. науч. тр. ОАО НПО «Бурение», вып. 16. – Краснодар, 2007, с. 28-35.
  19. Добик А.А. Повышение эффективности систем очистки буровых растворов.- В кн.: Материалы и оборудование для бурения и ремонта скважин, в том числе импортозамещающие. Сб. науч. тр. ОАО НПО «Бурение», вып. 17. – Краснодар, 2008, с.24-29.
  20. Добик А.А. Применение центрифуг для загущения нижнего слива гидроциклонных очистителей бурового раствора.- Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2008, №4, с.28-29 .
  21. Добик А.А. Обеспечение транспортирования бурового шлама в роторе шнековой центрифуги.- Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2008, №2, с.26-28 .
  22. Добик А.А. Из зарубежного опыта применения центрифуг при бурении нефтяных и газовых скважин.- Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2008, №5, с.22-23.
  23. Добик А.А. Оценка эффективности очистки неутяжеленных буровых растворов центрифугами в промысловых условиях.- В кн.: Материалы и оборудование для бурения и ремонта скважин, в том числе импортозамещающие. Сб. науч. тр. ОАО НПО «Бурение», вып. 17. – Краснодар, 2008, с.153-156.
  24. Добик А.А. Гранулометрический состав твердой фазы буровых растворов.- В кн.: Материалы и оборудование для бурения и ремонта скважин, в том числе импортозамещающие. Сб. науч. тр. ОАО НПО «Бурение», вып. 17. – Краснодар, 2008, с.173-179.
  25. Резниченко И.Н., Мищенко В.И., Пенькова Н.А., Добик А.А. и др. Программа для ЭВМ «Буровой раствор-1», - Свидетельство №2003610395, 14.02.2003.
  26. Ильин М.И. Голобородько Ю.И. Добик А.А. Фильтрующая центрифуга. – А.С. №770549 (СССР).
  27. Ильин М.И. Добик А.А. Степанов В.П. Центрифуга. – А.С. №806133 (СССР).
  28. Добик А.А. Данилин С.В. Ильин М.И. Ротор фильтрующей центрифуги.– А.С. №1109195 (СССР).
  29. Добик А.А. Мищенко В.И. Установка для регенерации утяжелителя буровых растворов. – Пат. №1764343 (РФ).
  30. Добик А.А. Мищенко В.И. Способ очистки утяжеленного бурового раствора. – А.С. №1819979 (СССР).
  31. Добик А.А. Добик Ю.А. Вибрационный грохот.- Св. на полезную модель № 26974 (РФ).
  32. Добик А.А. Кичкарь И.Ю. Грохот вибрационный.- Пат. на полезную модель № 46686 (РФ).
  33. Добик А.А. Тамамянц Т.Л. Блок обработки промывочной жидкости.- Пат. на полезную модель №69912 (РФ).
  34. Iljin M.I. Dobik A.A. Pidal J. Fiedler J. Sitovni lopatky kontinulni filtrani lopatkov odstedivky.- Aut. osv. № 208084 (SSR).





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.