Гидравлические принудительные методы очистки ПЖ с помощью гидроцоклонов

Очистка промывочных жидкостей от выбуренных частиц горной породы (шлама) гидравлическим способом осуществляется в гидроциклонах и центрифугах. В основу гидроциклонного разделения твердых частиц и жидкости заложен прин­цип использования центробежных сил, возникающих в аппарате при прокачивании через него жидкости.

Рисунок 9.16 - Принципиальная схема работы гидроциклона

Гидорциклоны являются экономически эффективным средством борьбы с выбуренной породой, прошедшей через вибросита в неутяжеленных буровых растворах. Так как они не имеют движущихся частей, то они достаточно надежны при правильном использовании оборудованием. Гидроциклон – это общее название данного типа оборудования, по размеру отбираемой твердой фазы они делятся на пескоотделители, илоотделители и микроклоны.

На рисунке 9.16 показан принцип работы гидроциклона. Раствор попадает под давлением во входной патрубок по касательной к стенкам цилиндра, создавая, таким образом, спиральное движение жидкости. По мере продвижения раствора по спирали вниз по конической секции центробежные силы оттесняют твердую фазу к стенкам. По мере сужения конуса все большие слои жидкости вовлекаются в поток по направлению вверх из-за создающегося вакуума внутри гидроциклона по принципу Торнадо. Твердая фаза определенной массы, достигая низа конуса, не может подняться наверх из-за действующих на нее сил инерции и отделяется от основной массы раствора. Максимальный износ, как правило, образуется в нижней части конуса, где скорость частиц максимальна. «Сбалансированные» гидроциклоны имеют небольшой выброс раствора через нижнюю насадку, если частицы слишком малы, чтобы быть удалены из раствора, то и раствор не должен выходить из насадок, т.е. при работе на воде не должно быть утечек через насадки. «Не сбалансированные» гидроциклоны будут выбрасывать раствор без признаков присутствия твердой фазы в растворе.

Степень (глубина) очистки промывочной жид­кости и производительность (пропускная способность) гидроциклона зависят от размеров устрой­ства, угла конусности, диаметра входного патрубка и давления жидкости на входе в гидроциклон, площади полезного сечения выходного патрубка и размеров сменных насадок.

Компания «Амоко» провела обширные исследования в области влияния различных факторов на производительность гидроциклонов, результаты сведены в таблицу 9.2.

Таблица 9.2 - Факторы, влияющие на эффективность работы гидроциклона

Диаметр конуса является основным фактором, определяющим пропускную способность гидроциклона. Более крупные гидроциклоны имеют большую пропускную способность и, как правило, меньшую эффективность отделения твердой фазы. Производительность гидроциклонов различных размеров компании «Амоко» приведена в таблице 9.3.

Ускорение жидкости в гидроциклоне достигает больших величин. Так, для гидроциклона диаметром 75 мм при давлении на входе 0,2 МПа ускоре­ние достигает 1400 м/с², что более чем в 140 раз превышает ускорение свободного падения.

Таблица 9.3 - Производительность гидроциклонов Амоко, л/мин

Для подачи раствора на гидроциклоны используются центробежные насосы, т.к. они обеспечивают постоянный напор при заданной подаче.

Чем меньше диаметр используемых насадок, тем меньшее количество твердых частиц достаточной массы будет отделено от раствора – отделяемая пульпа будет суше в ущерб эффективности работы. Форма пульпы дает хорошее представление об эффективности работы гидроциклона.

Выход пульпы зонтиком – характерен для нормально работающего гидроциклона, при этом присутствует небольшой вакуумный эффект в центре насадки. На рисунке 9.17 изображен сплошной выход пульпы из насадки гидроциклона. Это может произойти в случае большой концентрации крупной твердой фазы (например при бурении кондуктора). Она перекрывает доступ воздуха в центр насадки и неочищенный раствор устремляется в выходное отверстие. Если гидроциклон начинает работать

Рисунок 9.17 схематичное изображение выхода

сплошным выходом пульпы и это не является результатом большого объема твердой фазы, то это может означать, что давление на входе не достаточно в результате износа насоса, падения уровня раствора в емкости, аэрированности раствора, износа конуса, забито входное отверстие.

К преимуществам гидроциклонов относятся их простота и отсутствие подвижных частей. Недостатками являются узкий диапазон оптимальных режимов работы для каждого типоразмера гидроциклона и невозможность надежной сепарации частиц размером менее 40 мкм. Кроме того, при очистке высоковязких промывочных жидкостей нередко приходится разбавлять раствор водой или очищенным раствором перед вводом его в гидро­циклон. Соотношение воды и раствора может до­ходить до 0,5:1. Степень очистки повышается, но в целом качество раствора ухудшается и требуют­ся дополнительные меры по его восстановлению.

В общем случае количество пескоотделителей и илоотделителей должно обеспечивать производительность в пределах 120 – 150 % от производительности буровых насосов. Для более эффективной работы гидроциклонов, сброс очищенного раствора должен производиться в следующую емкость или хотя бы в другой конец емкости.

При сетках 200 меш, установленных на виброситах, необходимость использования пескоотделителя отпадает, если имеется возможность перетока в емкость илоотделителя. Чем меньше используются центробежные насосы, тем медленнее происходит диспергирование частиц.

В практике бурения скважин применяют одновременно по нескольку гидроциклонов, объединенных в батареи. Известны пескоотделители типа ИГ отечественной конструкции. Для сепарации тонких час­тиц шлама (илов) используются илоотделители, отличающиеся, как правило, меньшими размерами и режимами работы.

Из конструкций зарубежного производства наибольшую известность в России приобрели гидроциклоны песко- и илоотделители фирмы «Swaco» и российско-американского совместного предприятия ИСОТ, изготавливающего и производящего сборку очистного оборудования по нор­малям и частично из комплектующих фирмы «Swaco» на предприятиях ВПК России и являющегося сервисным центром этой компании.

Пескоотделители фирмы «Swaco» используются для удаления из буровых промывочных жидкостей песка и абразивных частиц выбуренной породы размером до 50 мкм. Пескоотделители выпускаются блоками из сдвоенных 12-дюймовых циклонов. Производительность блока составляет 3185 дм³/мин. Сменные насадки различных диа­метров позволяют варьировать степень (глубину) очистки в широком диапазоне. В конструкции пескоотделителя традиционно для фирмы «Swaco» используется угол конусности 20°, что позволяет значительно снизить потери промывочной жидкости, увлекаемой твердой фазой. Кроме спаренных фирмой выпускаются блоки пескоотделителей, состоящие из одного и трех циклонов с диапазоном производительности от 1900 до 5700 дм³/мин. Наиболее эффективными признаны пескоотделители «Swaco» модели 212.

Илоотделители [PDF] фирмой «Swaco» поставляются смонтированными на раме в различном исполнении с производительностью по исходному продукту (буровой промывочной жидкости) от 140 до 340 м³/ч. Используются для удаления в основ­ном частиц ила размером 20 мкм и более.

Уникальная конструкция сдвоенного циклона илоотделителя «Swaco» состоит из двух 4-дюймовых (101,6 мм) полиуретановых циклонов, уста­навливаемых как единый блок.

Конструкция полиуретановых циклонов илоотделителя имеет угол конусности 20° по сравнению с типичным углом 15° на большинстве аналогичных установок, что обеспечивает существенное снижение потерь буровой промывочной жидкости, увлекаемой твердой фазой. Компоновка илоотделителей осуществляется попарно — по два 4-дюймовых полиуретановых циклона на каждый выход. В результате этого производительность на 40-50 % выше, а потери жидкости меньше, чем у других сопоставимых одиночных 4-дюймовых циклонов. Используется несколько модификаций илоотделителей, отличающихся количеством пар циклонов, что обусловливает различие их производительности (таблица 8.4).

Таблица 9.4 - Технические параметры различных модификаций илоотделителя «Swaco»