Приготовление буровых промывочных жидкостей

Приготовление БПЖ – это технология получения промывочной жидкости с определенными свойствами в результате переработки исходных материалов и взаимодействия компонентов. Задача процесса приготовления - обеспечение необходимых начальных свойств бурового раствора, от которых зависят его стабильность и реализация технологических функций.

Основными показателями процесса приготовления буровых растворов являются: эффективность использования исходных материалов, производительность технологического процесса приготовления и качество получаемого бурового раствора, т.е. соответствие его технологических свойств заданным параметрам.

С точки зрения эффективности использования исходных материалов нередко бывает полезно выдержать приготовленный раствор некоторое время перед применением, чтобы используемые компоненты и реагенты полностью прореагировали.

Технология приготовления бурового раствора зависит от его рецептуры, состояния исходных материалов и технического оснащения.

Буровые промывочные жидкости могут готовиться непосредственно на буровой с помощью специальных технических средств; в скважине при бурении на технической воде в отложениях глины или иных подходящих по составу породах; централизованно на глинозаводе.

Буровые промывочные жидкости готовятся в специальных устройствах — растворо- или глиномешалках механического или гидравлического действия.

Механические растворо- или глиномешалки подразделяются: по конструктивному исполнению — лопастные, роторные, шаровые; по характеру действия — на прерывного (цикличного) и непрерывного действия; по расположению валов — горизонтальные и вертикальные. Лопастные растворо- или глиномешалки делятся по числу валов на одно- и двухвальные.

Механические глиномешалки используются для приготовления промывочных жидкостей из комовых и порошковых глин. Привод глиномешалок осуществляется от индивидуальных двигателей или через трансмиссию. Механическая лопастная глиномешалка с горизонтальным валом состоит из металлической емкости-корпуса, в которой враща­ется вал с укрепленными на нем поперечными ло­пастями для измельчения и перемешивания глины с водой. Лопасти расположены одна относительно другой под углом 90°. Между внутренней поверхностью корпуса и лопастями имеется просвет в 30-35 мм. Как правило, глиномешалка устанавливается на автономном основании.

Механические лопастные растворо- или глиномешалки отличаются простотой конструкции, но в то же время имеют и ряд существенных недостатков: сравнительно невысокую производительность; трудность доступа внутрь глиномешалки для выполнения ремонта и чистки; частые заклинивания и поломки лопастей при попадании в глину твердых включений большого размера; уменьшение рабочего объема глиномешалки при наращивании слоя глины на внутренних стенках.

Разновидность механических глиномешалок — фрезерно-струйные мельницы (ФСМ) для приготовления и утяжеления промывочных растворов. ФСМ — машины непрерывного действия, используются для приготовления промывочных жидко­стей из комовых глин и глинопорошков.

Фрезерно-струйная мельница состоит из следующих основных узлов: лопастного ротора, при­емного бункера, предохранительной шарнирной плиты, диспергирующей рифленой плиты, ловуш­ки и лотка для отвода готовой глинистой промывочной жидкости.

Принцип работы ФСМ заключается в следую­щем. Глина и вода, подаваемые в приемный бункер мельницы, захватываются лопастями ротора. При перемещении вдоль диспергирующей плиты происходит первичное измельчение глины. Дополнительное, более тонкое измельчение ее осуществляется при ударе струй, выбрасываемых лопастями ротора, о выходную решетку, а также при последующем перемещении суспензии вдоль ре­шетки и прохождении глинистой промывочной жидкости через ее отверстия. Частицы, не успевшие измельчиться в мельнице, вследствие циркуляции промывочной жидкости вновь попадают под лопасти ротора.

Непрерывная работа ФСМ может быть обеспечена только при наличии механизированной загрузки исходных материалов.

К преимуществам ФСМ относятся: высокая производительность как по комовым глинам, так и по глинопорошку; простота конструкции и небольшие габариты; высокая экономичность. Недостатком является низкое качество раствора, т. к. он содержит много нераспустившихся час­тиц глины.

При разведочном бурении нефтяных и газовых скважин в условиях автономного расположения буровых подчиненное значение имеет гидравлический способ приготовления глинистых промывочных жидкостей, при котором для разрушения части твердой фазы используется только кинетическая энергия струи. Устройства для гидравлического способа приготовления глинистых промывочных жидкостей получили название гидравлических смесителей или гидромешалок. Различают гидромониторные и эжекторные гидросмесители.

Разновидности гидромониторных глиномешалок (ГСТ, ГВФТ, Папировского, Резниченко и др.) используются при бурении глубоких скважин. Производительность таких гидромешалок 40-120 м³/ч, давление жидкости перед насадками гид­ромониторов 4-10 МПа. В процессе приготовления суспензия несколько раз циркулирует по замкнутому циклу буровой насос — смеситель — запасной резервуар — буровой насос до полного диспергирования твердой фазы, т. к. за один цикл нельзя получить высококачественную глинистую промывочную жидкость.

Производительность гидромониторного смесителя ГСТ — 40 м³/ч, объем резервуара 14 м³, рабочее давление при работе одного насоса — 4-5 МПа, двух насосов — 7,5-9,5 МПа, масса — 8390 кг.

Мешалки гидравлические эжекторного типа (гидроворонки) используются для приготовления промывочной жидкости из глинопорошка. Это — устройство непрерывного действия. В настоящее время наибольшее распространение имеет гидрав­лическая мешалка МГ.

Имея относительно небольшие массу и габариты, гидроворонки отличаются высокой производительностью. Так, производительность гидравлической мешалки эжекторного типа МГ составляет по готовой промывочной жидкости 80 м³/ч при объ­еме воронки 0,175 м³ и объеме бака 1 м³. Масса гидроворонки 1120 кг.

Качество глинистой промывочной жидкости, приготовленной в гидро- воронках, довольно низкое. Несмотря на тонкий помол, частицы глинопорошка в процессе перемешивания с водой должны пройти дальнейшее диспергирование. Однако происходит оно недостаточно интенсивно. За счет броуновского движения происходит частичное диспергирование глины, но качество промывочной жидкости остается хуже, чем при приготовлении в лопастных глиномешалках.

Качество промывочной жидкости может быть существенно улучшено за счет ее многократного пропуска через гидроворонку без добавления твердой фазы.

Кроме описанных, выше имеются глиноме­шалки иного принципа действия: вихревого типа (перемешивание осуществляется по принципу действия стиральной машины); комбинированно­го типа (совмещены процесс предварительной пластической деформации, измельчения глины и перемешивание ее с жидкостью) и др.

Наиболее простая технологическая схема приготовления буровых растворов представлена на рисунке 9.6.

Рисунок 9.6 - Простейшая схема приготовления бурового раствора

В емкость 1 заливают расчетное количество дисперсионной среды и с помощью насоса 2 по нагнетательной линии с задвижкой 3 подают ее через гидроэжекторный смеситель 4 по замкнутому циклу. Мешок с порошкообразным материалом подают к воронке, откуда с помощью гидровакуума подается в камеру гидроэжекторного смесителя, где происходит смешивание. Суспензия сливается в емкость, где перемешивается перемешивателем. Круговая циркуляция прекращается тогда, когда смешано расчетное количество компонентов и раствор имеет требуемые параметры.

Утяжеление наполнителями и обработка порошкообразными химическими реагентами бурового раствора осуществляется по той же схеме после приготовления порции исходной коллоидной системы.

Недостаток данной технологии: слабая механизация работ, неравномерная подача компонентов, слабый контроль за процессом. Максимальная скорость приготовления раствора по этой технологии 40 м³/ч.

В настоящее время широко используется технология приготовления бурового раствора с использованием блока приготовления бурового раствора (БПР), выносного гидроэжекторного смесителя, гидравлического диспергатора, емкости ЦС, механических и гидравлических перемешивателей, поршневого насоса.

Наиболее широко применяется БПР Хадыженского машзавода (рисунок 9.7). Блок включает два бункера с разгрузочными пневматическими устройствами, резинотканевыми гофрированными рукавами и воздушными фильтрами. В комплект БПР входит выносной гидроэжекторный смеситель, который монтируется непосредственно на емкости ЦС и соединяется с бункером при помощи гофрированного рукава. Бункера предназначены для приема, хранения и подачи порошкообразных материалов в камеру гидроэжекторного смесителя.

Порошкообразный материал загружается в силосы 1 пневмотранспортом при помощи компрессора (рисунок 9.8). При этом материал отделяется от воздуха и воздух выходит в атмосферу через фильтр 2. При необходимости подачи порошка в гидроэжекторный смеситель сначала аэрируют материал в силосе, чтобы исключить его зависание на стенках при опорожнении силоса, затем открывают заслонку для обеспечения подачи материала в подводящий гафрированный шланг. Жидкость, прокачиваемая насосом через штуцер гидросмесителя создает в камере смесителя разряжение, а так как в силосе поддерживается атмосферное давление, то на концах гафрированного шланга создается перепад давления под действием которого порошок перемещается в камеру гидросмесителя, где смешивается с жидкостью.

Рисунок 9.7 – Схема БПР Хадыженского машзавода:

1 – бункер; 2 – воздушный фильтр, 3 – резинотканевые гафрированные рукова; 4 – гидроэжекторный смеситель; 5 – рама; 6 – стойки; 7 – разгрузочное пневматическое устройство.

Рисунок 9.8 – Схема работы блока БПР

1 - силос; 2 – фильтр; 3 – загрузочная труба; 4 – разгрузочное устройство; 5 – система аэрирования; 6 – аэродорожка; 7 – подводящий шланг; 8 – гидросмеситель

Воронка гидросмесителя служит для подачи материала в зону смешивания вручную.

Блок БПР-70 оборудован гидравлическим измерителем массы порошкообразного материала ГИВ-М. На неподвижной части силоса смонтировано разгрузочное устройство, включающее тарельчатый питатель, пневматический эжектор и гидравлический смеситель, который может устанавливаться как на площадке блока, так и на емкости ЦС буровой установки. В последнем случае применяется шиберный затвор с аэратором в верхней его части. Подача порошкообразного материала регулируется изменением положения специального ножа, входящего в комплект питателя.

Широкое распространение в последние годы за рубежом получила технология приготовления буровых растворов с помощью автономного блока фирмы «Халибуртон» (рисунок 9.9)

Рисунок 9.9 – Система фирмы «Халибуртон» для приготовления бурового раствора: I – нагнетательная линия; II – вса-

сывающая линия; III, IV – возджушная линия пневмотранспорта материала; 1 – передвижное средство; 2 – перегрузочный бункер; 3, 4 – бункер – хранилище; 5 – расходный бункер; 6, 7 - загрузочные воронки; 8 – индикатор веса; 9 –центробежный насос; 10 - перемешиватель; 11 – емкость.

Порошкообразный материал поступает на буровую остановку в мешках, контейнерах или металлических емкостях на передвижных средствах 1. С помощью пневматического перегрузчика (вакуум-компрессора и перегрузочного бункера) материал транспортируется пневмотранспортом в бункер-хранилище. Практически 4 т порошка перегружаются из бункера в бункер-хранилище за 5-6 мин при рабочем давлении пневмотранспорта 0,2 МПа. По мере необходимости приготовления раствора порошкообразный материал перемещается в расходные бункера через нижние отводы, создавая при этом избыточное давление (0,07-0,08 МПа) в верхней части бункера хранилища при помощи вакуум-компрессора.

Подведенный к расходным бункерам воздух позволяет аэрировать порошок и интенсифицировать его подачу в воронку гидроэжекторного смесителя. Допустимое давление при этом – 0,02 МПа. Расход порошка регулируется положением заслонки и давлением аэрации.

Технология приготовления раствора в системе «Халибуртон».

В один из секторов емкости 11 заливают расчетное количество дисперсионной среды и центробежным насосом прокачивают ее через гидроэжекторный смеситель с загрузочными воронками 6, 7. после стабилизации подачи насоса подают воздух к расходному бункеру 5 и устанавливают давление на воздушной линии 0,015 – 0,02 МПа. Открывают до определенного положения нижнюю заслонку расходного бункера и подают с определенной скоростью порошок в загрузочную воронку 7. За счет гидровакуума, созданного центробежным насосом, в камере гидроэжекторного смесителя, порошкообразный материал засасывается в камеру эжектора и смешивается с потоком дисперсионной среды. Полученная таким образом гомогенная суспензия поступает снова в тот же отсек емкости.

Круговая циркуляция по схеме емкость – насос- камера эжектора - емкость продолжается до тех пор, пока расчетное количество порошкообразного материала не попадет в поток. После этого доступ материала в воронку прекращают, закрыв нижнюю заслонку расходного бункера и прекратив подачу воздуха. Аналогично осуществляют утяжеление раствора. Количество израсходованного материала определяют по индикатору веса расходного бункера.

После тщательного перемешивания раствора с помощью механических перемешивателей 10 его при необходимости подвергают химической обработке. Для обработки сухим реагентом или добавки в малых дозах бентонита в ЦС установлена дополнительная гидроворонка с аэрожолобом и или вибрационным побудителем перемещения порошка. В случае применения жидких реагентов используют вертикальную цилиндрическую емкость объемом до 1,5 м³, оборудованную механической мешалкой, подогревателем и сливным патрубком.