CC BY
47УДК 622.24.062
В.Ф. Черныш к.т.н., П.Г. Дровников к.т.н., Институт нефти и газа ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» e-mail: [email protected]
ОЧИСТКА ВЫСОКОВЯЗКИХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
В сложных геолого-физических условиях строительства скважин на площадях западной части Сибирской платформы вообще и на разведочных площадях Юрубчено-Тохомской зоны, в частности, исключительно важное значение придается типу и параметрам бурового раствора. Без преувеличения можно утверждать, что от правильного выбора и использования бурового раствора зависит, будет скважина доведена до проекта или нет.
Связано это с тем, что в средней части геологический разрез представлен породами с пропластками соли (в этом случае необходим минерализованный раствор, а это сопровождается его высокой плотностью), пластами интрузий, на контактах которых с осадочными породами отмечается высокая проницаемость пород и аномалии низких пластовых давлений (в данных условиях необходим буровой раствор с низкой плотностью и фильтрацией). Продуктивные толщи сложены пласта-
ми с весьма низкой проницаемостью и давлениями (здесь необходим раствор с минимальной плотностью и твердой фазой, который должен обладать совместимостью с вскрываемыми породами).
Практикой установлено, что наиболее полно этим требованиям (экологические требования опускаем) отвечают растворы на углеводородной основе (РУО), инвертные эмульсионные растворы (ИЭР). Используя такие растворы, удаётся избегать кавернообразование
в солях, поглощений в контактных (и других) зонах с наименьшей репрессией вскрывать продуктивные пласты. Однако этот тип бурового раствора имеет один весьма существенный недостаток: обладая высокой вязкостью (условно вязкость минимальная -100 с, максимальная - до 500 с), они плохо очищаются от выбуренного шлама, особенно тонкодисперсного. Проблема состоит в том, что тонкодисперсная фаза в этих высоковязких растворах стандартными техническими
БУРЕНИЕ
МЭР
Рис . 1. Схема вихревого сепаратора
1. Кожух; 2. Фильтр; 3. Спираль направляющая; 4. Сальник; 5. Регулятор фильтрации; 6. Фиксатор байонетный; 7,8 Сборник очищенного и сгущенного ИЭР (пульпа).
средствами (виброситами, гидроциклонами, отстойниками)не удаляется. Попытки снизить плотность дополнительным введением углеводородной фазы вызывают перерасход материалов и не решают проблему.
В связи с этим в момент вскрытия продуктивного пласта с использованием ИЭР данный раствор набирает за счёт разбуривания вышележащих толщ высокую плотность и обогащается твердой фазой, которая достигает 25% и более. Причем неудаляющаяся твердая тонкодисперсная фаза обладает наибольшей кольматирующей способностью,снижая естественную проницаемость при-скваженной зоны. Поэтому без очистки эмульсии бурение с использованием ее не допустимо.
Несмотря на то, что система очистки сложная и дорогая, в большинстве случаев применение ее рентабельно вследствие значительного увеличения скоростей бурения и снижения расхода химреагентов и углеводородов для ре-
гулирования свойств бурового раствора и удовлетворения требований защиты окружающей среды. Каждый тип очистных устройств предназначен для выполнения вполне определенных функций и не является универсальным для всех геолого-технических условий бурения. А чтобы выбор оказался правильным, необходимо знать технологические способности.
При бурении скважины в буровом растворе присутствуют твердые частицы самых различных размеров. Размер частиц глинопорошка изменяется от единицы до десятков микрометров, барита -от 5-10 до 75 мкм, шлама - от 10 мкм до 25 мм. Но пока частицы шлама достигнут устья скважины, они уменьшатся за счет механического измельчения и диспергирования. В результате длительного нахождения в циркулярной системе частицы шлама постепенно превращаются в коллоидные частицы (размером менее 2 мкм) и играют весьма заметную
роль в формировании технологических свойств бурового раствора. Особенно это касается прямых и обратных эмульсий на основе углеводородов. При идеальной очистке из бурового раствора должны удаляться твердые примеси шлама размером более 1 мкм. Однако технические возможности аппаратов и объективные технологические причины не позволяют в настоящее время достичь предела. Лучшие мировые образцы вибросит (фирма «Свако» и др.) позволяют удалять из раствора частицы шлама размером более 150 мкм. Максимальная степень очистки буровых растворов достигает 50%. Гидроциклонный пе-скоотделитель увеличивает очистку до 70-80% при удалении частиц шлама размером более 40 мкм. Для более глубокой очистки применяют батарею гидроциклонных илоотделителей (1012 шт.) диаметром не более 100 мм. С помощью этих аппаратов удаляются частицы до 25 мкм и повышается очистка
Таблица 1. Режимы очистки ИЭР от шлама
скорость прокачки подача насоса, л/С давление, мпа объём очищенного ИЭР, л/С объём пульпы, л/С соотношение очищенного ИЭР: пульпы
I 0,34 0 0,13 0,21 1 1,6
II 0,38 0,1 0,15 0,23 1 1,5
III 0,80 0,2 0,20 0,60 1 3,0
IV 1,48 0,3 0,37 1,11 1 3,0
V 2,43 0,4 0,43 2,00 1 4,6
26 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № В \\ август \ 2003
до 90%. Более тонкие фракции твердых частиц удаляются в центрифугах. В связи с вышеизложенным нами были проведены экспериментальные исследования очистки инвертных эмульсионных растворов с использованием гидроциклонных шламоотделителей и других устройств, применяемых впервые, например, в вихревом сепараторе (ВС). Сущность данного метода очистки высоковязких растворов типа ИЭР состоит в прокачке очищаемого раствора через вихревой сепаратор, в котором обеспечивается вихревой поток и турбулентный режим с отделением шлама на фильтре. Сгущение отходящей пульпы достигается путем повторной многоцикловой прокачки ее через ВС. Для проведения исследований был разработан экспериментальный стендовый ВС.
Подача ИЭР в ВС осуществлялась насосом НБЗ-120/40 производительностью 2,6 л/с или насосом 11 л/с /1,2/. Схема фильтрованной установки представлена на рис.1, которая включает: кожух, фильтр, спираль направляющую, сальник, регулятор фильтрации, фиксатор байонетный, сборники очищенного ИЭР и сгущенного ИЭР (шламовая пульпа).
Для очистки использовался ИЭР с параметрами : р-1,16 г\см3;УВ-440 с; Ф 1см3/30 мин; Q1/10 -7-9 дПа; т1-2,5 мПа.с; т0-29о дПа.; и-256 в; Ст.ф-15% масс. Загрязненный твердой фазой ИЭР прокачивали насосом через фильтр в соответствии со схемой установки с заданными скоростями /3, 4/.
Рис. 2. Зависимость образования количества очищенного ИЭР от подачи насоса
Фильтрация раствора через фильтр осуществлялась за счет разности давлений внутри фильтра и стенки кожуха, в котором он расположен. Самоочистка поверхности проволочного фильтра от шлама происходила за счет высоких скоростей потока раствора в замкнутом спираленаправленном пространстве. При этом очищенный от шлама в течение нескольких циклов ИЭР в виде фильтрата выводился в циркуляционную систему, а сгущенный ИЭР в виде пульпы - в запасную емкость для последующей очистки и утилизации. Регулирование скорости потока в фильтре осуществлялось созданием сопротивления на сливе с помощью вентиля. Оптимальная очистка ИЭР достигалась при давлениях 0,1-0,4 МПа. Загрязнение (забивка) поверхности фильтра происходила при увеличении сопротивления сливу пульпы. При увеличении давления в системе более
о,5 МПа наблюдалось интенсивное загрязнение фильтра, в результате чего фильтрация чищенной эмульсии снижалась.
Количественные характеристики очистки ИЭР на фильтровальной установке достигались с использованием поршневого насоса, имеющего широкий диапазон скоростей - с первой до пятой. Результаты исследований приведены в таблице 1, а также показаны в идее кривых рис. 2.
Анализируя данные таблиц и рисунков, видно, что в зависимости от подачи насоса изменялись давления от нуля до 0,4 МПа. При этом, соответственно, повышался выход фильтрата ИЭР, который достигал максимума на пятой скорости. Соотношение полученных объемов фильтрата и пульпы достигало 1:4,6. Из таблицы 1 видно, что объём очищенного ИЭР, полученный на пятой скорости, выше других в 1,16-3,30 раза, но
llliHIF
HlllünjDIIirCCLI (Willi)
орсин*
МДШННШРСИГСЛЬНЫН
ним
Производит и реализует
запчасти *
К буровому ^W*9*" оборудованию '
462431, Россия, Оренбургская обл., г. Орск, ул. Крупской, 1. Тел./факс: (3537) 34-80-53, 34-80-55. E-mail: [email protected]. Http://www.ormash.ru.
БУРЕНИЕ
Таблица 2. Результаты очистки ИЭР от шлама
№№ п/п наименование раствора содержание твёрдой фазы после очистки ИЭР, г/л
- I цикл II цикл III цикл
1 Исходный ИЭР 150 - - -
2 Очищенный ИЭР - 146 137 128
3 Пульпа - 155 163 174
Рис. 3. Изменение содержания твердой фазы в ИЭР в зависимости от продолжительности очистки
сравнивая с полученным объёмом пульпы на четвёртой скорости, мы пришли к выводу, что оптимальной является эта скорость, т.к. соотношение очищенного ИЭР и пульпы наиболее предпочтительнее и равно 1:3. Качественные показатели очистки ИЭР приведены в таблице 2 и рис. 3, из которых видна динамика изменения содержания твёрдой фазы в зависимости от времени очистки ИЭР. При общем содержании твёрдой фазы 150 г/л в исходном ИЭР при фильтровании через вихревой сепаратор после первого цикла содержание твердой фазы снизилось до 146 г/л (3% мас.), через следующий цикл - до 137 г/л (9% масс.), через третий цикл - до 128 г/л (15% мас.) и т.д. Соответственно повысилась концентрация твердой фазы в пульпе - до 174 г/л (16% масс.). В процессе очистки плотность очищенного ИЭР снизилась с 1,16 до 1,13 г/см3,
условная вязкость - с 440 до 380 с. Плотность пульпы повысилась до 1,19 г/см3, условная вязкость - до 520. Другие параметры очищенного ИЭР существенно не изменились.
на основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы
1. Конструкция вихревого сепаратора работоспособна и обеспечивает очистку высоковязких ИЭР.
2. Эффективность очистки зависит от скорости потока, создаваемой на спи-ралефильтрующей поверхности ВС.
3. Увеличение фильтрующей поверхности фильтра повышает объем очищаемого раствора.
4. При многократном прокачивании раствора через вихревой сепаратор эффективность очистки исходного раствора повышается.
На заводе запущены в эксплуатацию три линии производства:
во линия по производству обсадных труб 0 от 102 до 245 [по ГОСТ Б32-80); во линия по производству насосно-компрессорных труб 0 от 60 до 114 [по ГОСТ 633-80); во линия по производству бурильных труб 0 от 60 до 127 [по ГОСТ Р 50278-92).
Изготавливаем на постоянной основе ВИНТОВЫЕ СВАИ по собственным разработкам, а также по чертежам и техническим заданиям заказчиков.
Литература:
1. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика: Учебное пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1987. 414 с.
2. Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. М.: Химия, 1980. 400 с.
3. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности. М.: Недра, 1981. 260 с.
4. Резниченко И.Н. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов. М.: Недра, 1982. 230 с.
Ключевые слова: буровой раствор, вихревой сепаратор, инвертный эмульсионный раствор, очистка буровых растворов
28 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
620028, г. Екатеринбург, Верх-Исетский бульвар, 13 корпус «В», офис 107 Тел./факс: +7 (343) 379-05-55
