CC BY
122
УДК 620.178.620.179
ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ СИСТЕМА ОЧИСТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
© 2014 г. А.Я. Третьяк, Ю.М. Рыбальченко, А.И. Безбородое
Третьяк Александр Яковлевич - д-р техн. наук, академик РАЕН, профессор, заведующий кафедрой «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Рыбальченко Юрий Михайлович - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Безбородов Артём Игоревич - студент, кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
Tretyak Aleksandr Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences, academician «Russian Academy of Natural Sciences», professor, head of department «Drilling oil and gas wells and Geophysics », Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Ribal'chenko Yurij Mihajlovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Bezborodov Artem Igorevich - student, department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).
Рассматриваются системы очистки буровых растворов. Показаны преимущества двухступенчатой системы очистки буровых растворов. Приведены схемы очистки на примере высокоингибирован-ного бурового раствора.
Ключевые слова: системы очистки; буровые растворы; двухступенчатая система очистки; высокоингибирован-ный буровой раствор.
Systems of clearing of chisel solutions are considered. Advantages of two-level system of clearing of chisel solution are shown. Clearing schemes on an example a highly inhibition chisel solution are resulted.
Keywords: clearing systems; chisel solution; two-level system of clearing; a highly inhibition chisel solution.
Важнейшие условия повышения технико-экономических показателей бурения - совершенствование буровых растворов и систем их очистки. Буровой раствор - сложная коагуляционно-тиксотропная полидисперсная система особенности структуры, которой обусловливают его реологические и технологические свойства.
Проектирование современной системы очистки буровых растворов, особенно при сооружении наклонно направленных и горизонтальных скважин, должно включать, наряду с разработкой реологических свойств и технологии промывки, мероприятия по способам очистки буровых растворов таким образом, чтобы обеспечивалась высокая скорость бурения без дополнительных затрат на средства очистки.
Современная буровая установка для проходки глубоких скважин на нефть и газ оснащается комплексом оборудования, механизмов и устройств заводского изготовления, предназначенных для приготовления, химической обработки, хранения, подачи, очистки и дегазации буровых растворов [1 - 3]. Этот комплекс объединяется понятием «Циркуляционная система» (ЦС) и монтируется на заранее выровненной
и подготовленной (например, целиком покрытой толстой полиэтиленовой пленкой) площадке дневной поверхности. При этом стараются избегать широко применявшихся ранее земляных работ по устройству отстойников, амбаров, желобных систем и пр.
Для очистки бурового раствора от шлама используется комплекс различных механических устройств: вибрационные сита, гидроциклонные шламоотделите-ли (песко- и илоотделители), сепараторы, центрифуги. В составе циркуляционной системы все эти механические устройства должны устанавливаться в строгой последовательности. При этом схема прохождения промывочной жидкости должна соответствовать следующей технологической цепочке: скважина - газовый сепаратор - блок грубой очистки от шлама (вибросито) - дегазатор - блок тонкой очистки от шлама (песко- и илоотделители, сепаратор) - блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель) - буровые насосы - скважина.
Существующие в настоящее время 3- и 4-ступен-чатые активные механические системы очистки бурового раствора от шлама имеют недостатки, а именно
дополнительные затраты на пассивные и механические средства очистки. Предлагается новая система очистки буровых растворов, где основная масса шлама (частиц выбуренной породы) удаляется из бурового раствора без участия активных механизмов и агрегатов. За счет низкого давления (ламинарных потоков) в системе к минимуму сведены процессы отрицательного воздействия на реологические свойства буровых растворов. Качество очистки достигается двухступенчатым технологическим циклом.
Особенности 2-ступенчатой системы:
- замена традиционной 4-ступенчатой схемы очистки 2-ступенчатой при повышении качественных показателей;
- использование в полной мере гравитационных пассивных возможностей очистки с системой автоматического удаления шлама;
- выделение из бурового раствора как твердых, так и газообразных примесей; удаление частиц разного размера (от 30 мм до 2 мкм);
- управляемость процесса за счет скорости вращения активатора, перемешивания и активного контроля удельного веса бурового раствора;
- небольшие затраты электроэнергии;
- высокая степень ремонтопригодности;
- проектная наработка на отказ более 3000 ч;
- высокая степень технической безопасности (отсутствие давления в системе, отсутствие открытых движущихся частей механизмов);
- количество механизмов и деталей уменьшено в три раза, что существенно снизило трудоемкость обслуживания и упростило управление;
- малый вес и габариты позволяют транспортировку системы рядовыми контейнеровозами по общим магистралям и даже доставку на вертолетах;
- улучшены условия труда персонала за счет использования блок-контейнеров с замкнутыми тепловыми контурами.
Характеристика системы:
- производительность по очистке бурового раствора - до 40 л/с;
- общий полезный объем технологических емкостей - от 75 м3;
- наименьший размер удаляемых твердых частиц - 0,02 мм;
- степень очистки - 92 - 95 %;
- установленная электрическая мощность, не более - 150 кВт;
- монтажная база блока для транспортировки -полуприцеп авт.
Температура бурового раствора - не более 60 °С.
Полная сухая масса - не более 5 т.
Габаритные размеры блока, не более:
- длина - 12700 мм;
- ширина - 2500 мм;
- высота - 2500 мм.
Система состоит из двух ступеней очистки. Первая ступень - пассивная очистка, вторая ступень -активная (рис. 1, 2). Пассивная система очистки представляет собой набор емкостей со шнековым транспортером с клапаном для вывода отстоявшегося шлама. Данная система позволяет работать с любыми типами буровых растворов и при любых залповых выбросах. При этой новой технологии очистки отсутствует отрицательное воздействие активных механизмов традиционных систем на реологические свойства буровых растворов (из-за дополнительного измельчения выбуренных пород).
Блок пассивной очистки (рис. 1) бурового раствора состоит из контейнера объемом 90 м3, технологической емкости 30 м3, трубопровода, ввода раствора и трубопровода, вывода чистого раствора на корректировку параметров, кранов переключения режимов, трубопровода слива чистого раствора, транспортера перегрузки шлама, шнекового транспортера вывода шлама, успокоителя потока и плоского патрубка.
Характеристики системы:
- производительность - 40 л/с;
- установленная мощность - 10 кВт;
- емкость - 30 м3;
- габариты 1200x2500x2500 мм.
Рис. 1. Блок пассивной очистки бурового раствора: 1 - контейнер V = 90 м3; 2 - технологическая емкость V = 30 м3; 3 - трубопровод ввода раствора; 4 - трубопровод вывода раствора; 5 - плоский патрубок; 6 - краны переключения режимов; 7 - трубопровод слива чистого раствора; 8 - транспортер перегрузки шлама; 9 - успокоитель потока; 10 - шнековый транспортер вывода шлама
3
2
6 7
11
Рис. 2. Блок пассивно-активной очистки бурового раствора: 1 - контейнер V = 90 м3; 2 - технологическая емкость V = 30 м3; 3 - трубопровод ввода раствора; 4 - успокоитель потока; 5 - трубопровод вывода раствора; 6 - плоский патрубок; 7 - краны переключения режимов; 8 - трубопровод слива чистого раствора; 9 - фильтр полноточный центробежный; 10 - транспортер перегрузки шлама; 11 - шнековый транспортер вывода шлама
1
1
Система очистки собирается из трех типовых блоков: блок пассивной очистки, блок пассивно-активной очистки (рис. 2), блок перекачки и приготовления бурового раствора. И комплектуется в зависимости от заданного объема. Все блоки выставляются на монтажные сани с перепадом в 100 мм относительно друг друга для обеспечения перетока раствора по трубопроводам (рис. 3). Все блоки ставятся и подключаются к системе слива из устья скважины параллельно по трубопроводу ввода раствора. Оставшийся в мерниках буровой раствор сливается в блок перекачки.
Конструкция и компоновка основных агрегатов значительно повышает культуру эксплуатации оборудования, облегчает условия труда бурового персонала. Система спроектирована с перспективной автоматизации управления процессов очистки, контроля параметров и величин поглощения буровых растворов. Все это позволит, в сочетании с новыми технологиями бурения, строить скважины, значительно снизив затраты на их освоение, увеличив надежность работы забойных двигателей и долот.
Сегодня заметно сокращается объем буровых работ, и на фоне прогрессирующего износа основного фонда добывающих скважин для поддержания уровня
добычи углеводородов резко возрастает уровень капитального ремонта скважин (КРС). Однако существенного улучшения качества очистки технологических жидкостей не происходит. Это связано с высокой стоимостью блока очистки и с затратами по транспортировке его на скважину. Для развития современного инженерного сопровождения технологических жидкостей при бурении, освоении и ремонте скважин нужны новые отечественные агрегаты, ориентированные на сокращение затрат в структуре себестоимости сооружения скважин. На наш взгляд этим требованиям вполне отвечает двухступенчатая система очистки бурового раствора.
Разработанный на кафедре «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика» ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова высокоингибирующий полимергли-нистый раствор (ВИПГР) обладает всеми качествами эффективного многофункционального бурового раствора, имеет достаточно выраженные ингибирующие свойства при высоком уровне экологической безопасности. Применение ВИПГР позволяет успешно сооружать скважины на нефть и газ глубиной более 3000 м на участках, представленных неустойчивыми высокопластичными разупрочняющимися глинами и самодиспергирующимися сланцами.
Рис. 3. Монтажная схема блоков отчистки бурового раствора с гидравлической схемой движения бурового раствора: 1 - трубопровод подачи неочищенного бурового раствора; 2 - трубопровод подачи раствора на буровой насос; 3, 4 - шламовые насосы; 5 - трубопровод слива, перекачки; 6 - транспортер перегрузки шлама; 7 - трубопровод слива чистого раствора после активной очистки; 8 - трубопровод слива чистого раствора после пассивной очистки; 9 - фильтр полноточный, центробежный; 10 - шнековый транспортер вывода шлама из технологической емкости; 11 - мотор редуктора привода транспортера вывода шлама из технологических емкостей; 12 - трубопровод долива технологических емкостей
Параметры предлагаемой промывочной жидкости (ВИ111 Р) в процессе бурения
Параметры промывочной жидкости на выходе из систем очистки
Система очистки Плотность, Условная вязкость, Водоотдача, см3/30 мин Пластическая Корка, ДНС, СНС, 1/10, Липкость фильтр. рн Содержание песка
кг/м3 с вязкость, мПа-с мм дПа дПа корки (КТК-2) на входе на выходе
1160 32 4 25-30 0,5 30-45 30-35/45-50 0,0831 8,5 1,0 -
3-ступен- 1160 30 4,5 26-31 1,0 29-44 30-36/44-49 0,0743 9,0 1,5 -
чатая 1180 25 5,0 24-28 1,0 28-42 30-34/46-50 0,0629 8,5 1,0 -
1180 28 4,0 25-29 0,5 29-45 29-35/45-51 0,0699 8,5 1,2 -
1160 32 4,0 27-32 0,5 28-41 29-34/44-49 0,0831 8,5 1,0 0,8
4-ступен- 1170 30 4,5 24-30 0,5 28-44 30-35/44-51 0,0754 8,5 1,5 1,0
чатая 1180 25 5,0 26-30 1,0 27-45 30-34/45-50 0,0636 9,0 1,0 0,5
1180 28 4,0 23-28 0,5 26-45 28-33/44-49 0,0644 8,5 1,2 0,7
1170 30 5,0 25-30 1,0 26-44 31-36/46-52 0,0856 8,5 1,0 0,5
1180 30 5,0 23-29 1,0 27-45 32-36/44-50 0,0784 8,5 1,0 0,5
1180 32 4,0 26-30 0,5 29-46 30-36/45-51 0,0693 9,0 0,8 0,2
2-ступен-чатая 1170 32 4,5 27-31 0,5 30-44 31-36/46-50 0,0746 8,0 0,8 0,1
1170 28 4,0 28-31 0,5 31-45 32-36/44-51 0,0834 8,5 1,0 0,5
1180 25 4,5 25-30 0,5 30-45 32-35/44-50 0,0746 8,5 1,0 0,5
1180 25 4,0 26-30 0,5 29-43 30-36/44-52 0,0638 8,5 1,2 0,6
Высокоингибированный полимерглинистый раствор имеет следующий состав (соотношение компонентов), % по массе:
1. Бентонитовая глина 4,0 - - 10,0;
2. Полианионная целлюлоза (ПАЦ - В) 1,0 - 2,0;
3. Хлористый калий (КС1) 1,0 - 5,0;
4. Феррохромлигносульфат (ФХЛС) 1,0 - 3,0;
5. Ацетат калия (СН3СООК) 0,5 - 1,5;
6. Бишофит ^С12-6Н2О) 2,0 - 5,0;
7. Кремнийорганическая жидкость (Софек- 0,5 - 1,0;
сил 40К)
8. Нитрилотриметилфосфоновая кислота 0,02 - 0,03
9. Графит 0,5 - 1,0;
10. Пеногаситель 0,5 - 1,0;
11. Вода остальное
Предлагаемый раствор прошел производственные испытания на Прибрежной площади Краснодарского края, где очистка осуществлялась с помощью 3-, 4- и 2-ступенчатой системы очистки.
Результаты очистки бурового раствора ВИПГР в полевых условиях приведены в таблице.
Выводы
1. Оценивая результаты очистки бурового раствора ВИПГР с помощью двухступенчатой системы очистки, необходимо отметить, что предложенная система очистки может быть с успехом внедрена на других месторождениях углеводородного сырья, с использованием других типов растворов.
2. Рекомендуемые технология и оборудование ориентированы на сокращение затрат в структуре себестоимости сооружения и ремонта скважин. Поступила в редакцию
3. Предлагаемая двухступенчатая система очистки буровых растворов может конкурировать с традиционной трехступенчатой и четырехступенчатой системами.
4. Преимуществами нового оборудования в сочетании с новыми технологиями бурения является значительное снижение затрат на освоение, при одновременном увеличении надежности работы забойных двигателей и долот.
5. Рецептура бурового раствора ВИПГР, очищенного с помощью 2-ступенчатой системы очистки, сохраняет свой псевдопластичный характер, а по качеству не уступает параметрам раствора, прошедшего 4- и 3-ступенчатую систему очистки.
Литература
1. Третьяк А.Я., Рыбальченко Ю.М. Теоретические исследования по управлению буровым раствором в осложненных условиях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Приложение № 7. С. 56 - 61.
2. Третьяк А.Я., Рыбальченко Ю.М., Онофриенко С.А., Бурда М.Л. Разработка ингибированного раствора для бурения скважин в осложненных условиях // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море / ВНИИОЭНГ. 2009. № 7. С. 31 - 35.
3. Пат. 2303047 РФ, МПК С 09 К 8/20 Высокоингибированный буровой раствор / А.Я. Третьяк, В.А. Мнацаканов, В.С. Зарецкий, С.А. Шаманов, П.А. Фролов, В.Ф. Чи-хоткин, Ю.М. Рыбальченко // Заяв. 10.05.2006, заявка № 2006116111/03. Бюл. №20. 2007.
29 октября 2013 г.
