CC BY
24
УДК 622.24.053
УСТРОЙСТВО для гидродинамическом
БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
ОБРАБОТКИ
1 2 А.А.Фигурак , В.Г.Заливин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Объектом исследований является новый тип гидродинамического диспергатора универсального назначения позволяющего повысить эффективность физико-механической обработки различных типов буровых растворов за счет более полного использования кинетической энергии высокоскоростных турбулентных струй, предупреждения образования застойных зон в рабочем объеме, а также стабильного и регулируемого режима работы.
Библиогр. 4 назв. Ил.1. Табл. 1.
Ключевые слова: гидродинамический диспергатор, обработка буровых растворов. DEVICE FOR DRILLING MUD HYDRODYNAMIC TREATMENT A.A. Figurak, V.G. Zalivin
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The object of the study is a new type of the hydrodynamic dispergator for general purposes that allows to enhance the efficiency of physical and mechanical treatment of various types of drilling muds through the better use of kinetic energy of high-speed turbulent jets, prevention of the formation of dead zones in the working volume and stable and controlled operating mode as well.
4 sources. 1 figure. 1 table.
Key words: hydrodynamic dispergator; drilling mud treatment.
Как показали ранее проведенные исследования [3], одним из перспективных направлений экобиозащитных технологий при приготовлении, регулировании и восстановлении параметров буровых растворов и других технологических жидкостей в процессе строительства нефтяных и газовых скважин является применение гидродинамических диспергаторов [1, 4]. По нашему мнению, они должны отвечать следующим требованиям:
- возможность использования для обработки гидрофильных и гидрофобных эмульсионных, малоглинистых, нормальных и утяжеленных глинистых
растворов (суспензий);
- небольшие габариты и массу при достаточно простом устрой-стве, обеспечивающие возможность ремонта и изготовления в условиях нефтегазопро-мыслов;
- наличие модификаций по типоразмерам, производительности и рабочему перепаду давления, соответствующим техническим характеристикам;
- наличие модификаций по типоразмерам, производительности и рабочему перепаду давления, соответствующим техническим характеристикам используемых буровых насосов и циркуляционных систем;
:Фигурак Анатолий Афанасьевич, ст. преподаватель, тел.: (3952)405278. Figurak Anatoly, Senior Lecturer, tel.: (3952)405278.
2Заливин Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952)405278. Zalivin Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: (3952)405278.
- инвариантность типоразмеров, позволяющая использовать дисперга-торы как в условиях централизованного приготовления бурового раствора, так и непосредственно на скважине для регулирования или восстановления заданных параметров в процессе бурения;
- возможность регулирования режима работы или энергии активации при изменении состава и вида активируемого раствора вплоть до кавитацион-ных эффектов образующихся турбулентных струй.
Известные в настоящее время и используемые при глубоком бурении гидродинамические диспергаторы [1, 3, 4] при низком ресурсе имеют ряд существенных недостатков, обусловленных большим перепадом давления (свыше 10 МПа) и малым КПД, а также необходимостью многократной обработки раствора до предельного диспергирования дисперсной фазы или достижения требуемых показателей.
С учетом недостатков известных технических решений и сформулированных выше требований нами разработан новый тип гидродинамического диспергатора универсального назначения [2].
Гидродинамический диспергатор ГД-1 позволяет повысить эффективность физико-механической обработки различных промывочных жидкостей за счет более полного использования кинетической энергии высокоскоростных турбулентных струй; предупреждения образования застойных зон в рабочем объеме, а также стабильного и регулируемого режима работы.
На рис. 1 представлен общий вид гидродинамического диспергатора ГД-1 в разрезе с сечениями по А-А и Б-Б, а также вариант выполнения диска.
Диски в разработанном дисперга-торе установлены в корпусе свободно с
возможностью осевого перемещения, имеют цилиндрические направляющие по наружному диаметру, а отверстия в дисках и шары в каждом каскаде по ходу движения потока жидкости имеют диаметр меньший, чем в предыдущем каскаде.
Рис. 1. Гидродинамический диспергатор ГД-1:
1 - цилиндрический корпус; 2 - диски с цилиндрическими направляющими и концентрическими отверстиями; 3 - шаровая насадка; 4-5 - входная (4) и выходная (5) решетки; 6 - упорное кольцо; 7-8 - соединительные муфты; 9 - компенсационная пружина
Количество отверстий в каждом последующем отражательном диске определяется по следующему выражению:
N2 = к (ё^Н, (1)
где N и N - количество отверстий в предыдущем и последующем дисках соответственно;
ё1 и ё2 - диаметр отверстий в предыдущем и последующих дисках соответственно;
К - коэффициент ускорения скорости потока, принимаемый в зависимости от числа дисков в диспергаторе в пределах 0,1-0,9.
Технологические возможности диспергатора ограничиваются гидравлической мощностью или рабочим давлением насосов, прокачивающих обрабатываемую жидкость. Общий перепад давления на диспергаторе и соответственно необходимая гидравлическая мощность насоса определяются диаметрами шаров и отверстий в дисках, а также толщиной слоя шаров в каждом каскаде и их числом. Поэтому, с целью снижения общей энергоемкости дис-пергатора расстояние между дисками, регулируемое толщиной слоя шаров, установлено в каждом каскаде по ходу движения потока меньшим, чем в предыдущем каскаде.
Как известно из гидравлики, при движении потока жидкости возникают сопротивления, на преодоление которых затрачивается определенная часть энергии потока, определяющая энергетический КПД устройства. Величина гидравлических сопротивлений зависит от потерь напора по длине потока и местных потерь, связанных с внезапным изменением сечения каналов и направления движения потока. Таким образом, критерием минимизации суммарных гидравлических потерь может служить выражение, вытекающее из известного
в гидравлике определения:
AP=£n -V2p/2q ^ min, (2)
где ni - коэффициент местных сопротивлений;
р - плотность воднодисперсной системы;
V - скорость потока или отдельной струи;
q - ускорение свободного падения. Для рассматриваемого дисперга-тора превалирующими являются местные гидравлические сопротивления на входе и выходе из отверстий дисков, а также при внезапных расширениях и сужениях, обусловленных организующим действием шаровой насадки и геометрией плотной упаковки шаров в каскадах. При этом, в каждом каскаде по ходу движения потока ввиду уменьшения диаметров отверстий в дисках и шаров, а также роста скоростей движения отдельных струй, на которые разделяется поток прокачиваемой жидкости, суммарные гидравлические сопротивления возрастают.
Наибольший прирост числа внезапных расширений и сужений соответствует толще шаров каждого каскада. Поэтому при постоянном гидравлическом сопротивлении на дисках, ограничивающих толщину слоя шаров, расстояние между дисками определяет прирост перепада давления на определенном каскаде диспергатора. В первом приближении число расширений и сужений в толще шаров каждого каскада обратно пропорционально диаметру шаров и определяется соотношением
a = l/dm , (3) где a - число внезапных расширений и сужений; l - расстояние между дисками в каскаде.
При равенстве величины в первом и последующем каскаде справедливо соотношение
Ь/ёш1 = Шш2 или 12 = ёш2 ЬМш1, (4) где 11 и 12 - расстояние между двумя предыдущими и последующими по ходу движения потока дисками соответственно первого и последующего каскадов;
ёш1 и ёш2 - диаметр шаров насадки первого и последующего каскадов соответственно.
Следовательно, оптимальное расстояние между смежными дисками, характеризующее толщину слоя шаров каждого каскада, определяется неравенством
12 < ^2 /ёш1- 11 . (5)
Принцип работы диспергатора описывается следующим образом. Обрабатываемая воднодисперсная система (суспензия или эмульсия) под перепадом давления 1-10 МПа поступает через решётку 4 в первый каскад диспергатора, где, проходя толщу шаров 3, разделяется на множество отдельных потоков или струй. Каждый поток испытывает организующее действие шаровой насадки и характеризуется последовательным чередованием зон повышенного и пониженного давления за счет геометрии каналов, образованных плотной упаковкой шаров. При этом происходит многократное преломление, слияние и турбулизация струй, сопровождающиеся их соударением с шарами, истиранием твердой фазы и эмульгированием водо-нерастворимых добавок. Кроме того, при определенной скорости движения потока, определяющейся расходом прокачиваемой жидкости и сечением проводящих каналов, в том числе отверстий в дисках и диаметром шаров, могут возникать ультразвуковые колебания и кавитация в местах расширения каналов, что увеличивает эффективность дисперги-
рования. Интенсивность возникающих гидродинамических колебаний ], имеющих довольно широкий спектр частот, имеет степенную зависимость от скорости струй V:
} = Б (V), где 1< п < 6 . (6)
На основе феноменологических представлений можно выделить следующие формы воздействия на частицы дисперсной фазы в диспергаторе: соударение с рабочими поверхностями дисков и насадки, друг с другом и гидродинамическими струями; диспергирующее действие кавитации при ультразвуковых частотах генерируемых гидродинамических колебаний.
На выходе из первого каскада поток вторично разделяется на множество струй и через отверстия диска 2 поступает в следующий каскад, где описанная схема движения повторяется.
Стабильность режима работы дис-пергатора и однородность суспензий и эмульсий обеспечивается тем, что диски 2 установлены в корпусе 1 с возможностью осевого перемещения. Под действием потока обрабатываемой жидкости по мере износа шаров, заполняющих каскады, диски перемещаются и способствуют восстановлению плотной упаковки шаров, а наличие цилиндрических направляющих на боковой поверхности дисков предупреждает перекос и заклинивание дисков при их перемещении. Фиксированному положению дисков после прекращения подачи жидкости и снижения давления способствует пружина 9, установленная между решеткой 4 и муфтой 7.
Наличие нескольких каскадов, где прокачиваемая суспензия или эмульсия подвергаются последовательной гидродинамической обработке во все более интенсивном режиме в связи с уменьшением диаметров отверстий в дисках и диаметров шаров в каскадах,
позволяет получить на выходе из диспергатора высокодисперсные и имеющие узкий диапазон фракционного состава эмульсии или суспензии. Увеличение интенсивности гидродинамического воздействия на дисперсную фазу жидкостей в каждом последующем каскаде достигается за счет последовательного роста скорости движения единичных струй на выходе из дисков и внутри каскадов.
Регулируя режим обработки путем изменения диаметра отверстий в дисках и шаров, изменения живого сечения дисков, а также коэффициента ускорения скорости потока и числа каскадов в диспергаторе, можно получить суспензию или эмульсию с заданной степенью дисперсности и высокой стабильностью.
При наличии прямых углов между дисками и стенками корпуса дис-пергатора в этих участках образуются застойные зоны, где эффективность диспергирования снижается и возможно скопление крупнодисперсных частиц твердой фазы. Для предотвращения
этого рабочие поверхности дисков могут выполняться двояковогнутыми. При этом в результате косого удара струй о диск происходит дополнительное соударение встречных вихревых струй, концентрация их кинетической энергии и увеличение эффективности диспергирования за счет кумулятивного эффекта.
Критерием оценки эффективности работы диспергатора может служить относительное содержание коллоидной фракции, т. е. частиц размером менее 1 мкм, в глинистой суспензии до и после активации. Для оценки фактических значений этого критерия при гидродинамической активации глинистых суспензий было проведено исследование фракционного состава суспензий в зависимости от числа циклов активации (таблица). Оценка содержания коллоидных глинистых частиц осуществлялась методом адсорбции метиленовой сини.
Проведённые стендовые исследования позволили выявить ряд особенностей эксплуатации гидродинамического диспергатора. Рабочий (оптималь-
Зависимость фракционного состава глинистых суспензий от кратности гидродинамической обработки ГД-1
Состав суспензии, масс.% Исходные данные После обработки
Вязкость Фракция <1 мкм, % 1 цикл Вязкость 1 цикл 2 цикл 3 цикл
МПас дПа МПас дПа Фракция менее 1 мкм, %
Харанорская глина -10% (1070 кг/м3) 2,0 13,0 21 2,8 14 28 35 40
Харанорская глина -5% (1070 кг/м3) 1,5 10,0 19 2,6 12 25 32 33
Черногорский порошок- 5% (1040 кг/м3) 2,9 15,0 32 3,2 17 36 39 40
То же + 0,3% КМЦ-600 (1040 кг/м3) 4,2 18,0 33 4,0 19 35 38 41
ный) режим работы диспергатора, соответствующий максимальной интенсивности гидродинамического воздействия на воднодисперсную систему в пред-или кавитационном диапазоне, диагностируется характерным звуком и механическим постукиванием шаровой насадки. По мере увеличения кратности обработки раствора перепад давления на диспергаторе уменьшается на 0,3-1,0 МПа (на 10-20%), что показывает повышение прокачиваемости активированных растворов за счёт изменения реологических свойств.
Библиографический список
1. Гидродинамический шаровой диспергатор буровых растворов и результаты его применения /С.Р. Убай-дуллаев, Т.К. Карабаев, А.Г. Урусляков и др. // Бурение нефт. и газ. скважин в осложнен. условиях. Ташкент, 1981. №
Иркутского
9. С.69-75.
2.Гидродинамический диспергатор: А.с. 1111802 СССР, МКИ6 B01F 5/06/ Фигурак А. А.; Ирк. отд. ВИТР -№ 3424914/23-26 Заявл. 20.04.82: Опубл. БИ № 33.
3. Марамзин А.В., Фигурак А. А. Физические способы приготовления и регулирования технологических параметров промывочных жидкостей /Обзор. Серия «Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства». М.: Изд-во ВИЭМС, 1983. 45 с.
4. Применение многокамерных гидродинамических диспергаторов для получения стабильных гидрофобных эмульсий /В.Ф. Горский Б.Д. Емчук, Г.Г. Пытляр и др. // Физико-химическая механика промывочных и тампонаж-ных дисперсий. Киев: Наукова Думка, 1979. С. 13-15.
Рецензент кандидат технических наук, доцент енного технического университета П.С.Пушмин
