При бурении нефтяных и газовых скважин буровой раствор постоянно циркулирует между скважиной и наземным оборудованием. Он выполняет сразу несколько функций: выносит выбуренную породу на поверхность, охлаждает и смазывает буровой инструмент, помогает стабилизировать стенки скважины и участвует в создании необходимого гидростатического давления. После возвращения на поверхность раствор содержит большое количество твердых частиц различного размера, поэтому перед повторной подачей в скважину его необходимо очистить.
Для этой задачи используется многоступенчатое оборудование контроля твердой фазы. Одним из вариантов является сито-гидроциклонная установка на базе вибросита СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO. Такая конфигурация объединяет механическое разделение на вибрационном сите и центробежное разделение в гидроциклонах. В результате буровой раствор проходит несколько ступеней очистки, а отделяемый шлам дополнительно обезвоживается.
По данным производителя СВЛК-2, типовая установка может комплектоваться пескоотделителем с двумя гидроциклонами диаметром 250 мм и илоотделителем с двенадцатью гидроциклонами диаметром 100 мм. Комплекс предназначен для работы в составе циркуляционных систем буровых установок и может использоваться в схемах безамбарного и малоотходного бурения.
Что представляет собой СВЛК-2
СВЛК-2 - промышленное вибросито для очистки буровых растворов от выбуренной породы. Раствор подается на ситовые кассеты, которые совершают колебательные движения. Жидкая фаза и достаточно мелкие частицы проходят через ячейки сетки, тогда как более крупный шлам перемещается по поверхности сита к разгрузочной части.
В типовой конструкции СВЛК-2 рабочая площадь сит составляет не менее 2,04 м². Производитель указывает две вибрационные приводные установки мощностью до 1,5 кВт каждая, а также возможность регулирования угла наклона вибрирующей рамы. Для указанной конфигурации заявлено виброускорение не менее 7,5 g.
Вибросито является первой важной ступенью удаления твердой фазы, однако сетки не способны эффективно отделить весь диапазон мелких частиц. Именно поэтому после первичного механического разделения в системе могут использоваться гидроциклоны.
Зачем вибросито дополняют гидроциклонами
Частицы выбуренной породы имеют разные размеры. Крупные фрагменты сравнительно легко задержать сеткой вибросита, но более мелкие частицы могут пройти вместе с жидкой фазой.
Если они продолжают циркулировать в системе, постепенно увеличивается содержание нежелательной твердой фазы. Это может изменять плотность и реологические свойства раствора, ускорять износ насосов и другого оборудования и увеличивать объем химических реагентов, необходимых для поддержания заданных свойств.
Гидроциклон позволяет отделять частицы меньшего размера, используя центробежные силы. В типичной схеме буровой раствор под давлением поступает внутрь конуса по касательной и начинает интенсивно вращаться.
Более тяжелые твердые частицы перемещаются к стенкам и направляются вниз, а очищенная жидкость концентрируется ближе к оси и выводится через верхний патрубок.
Как работает гидроциклон
Гидроциклон не имеет вращающегося электромеханического ротора. Движение рабочей среды формируется за счет энергии потока, создаваемого питающим насосом.
Раствор поступает через входной патрубок в верхнюю часть корпуса по касательной. Внутри формируется вихревое движение.
Частицы, плотность которых выше плотности жидкости, под действием центробежной силы стремятся к наружной стенке. По спиральной траектории они движутся к нижнему выходу.
Одновременно внутри возникает обратный внутренний вихрь, по которому более очищенная жидкость направляется вверх к сливному патрубку.
Эффективность разделения зависит от диаметра гидроциклона, давления на входе, размеров частиц, их плотности, вязкости раствора и геометрии выходных отверстий.
Двухступенчатая схема очистки
Особенность сито-гидроциклонной установки заключается в объединении двух технологий.
Гидроциклон сначала концентрирует твердую фазу в нижнем потоке. Этот поток не обязательно сразу отправляется в отходы.
В установках класса mud cleaner нижний слив гидроциклонов направляется на вибросито. Такое двухступенчатое разделение характерно и для оборудования M-I SWACO: гидроциклоны выполняют первичное разделение, после чего нижний поток поступает на вибрирующую сетку для дополнительного извлечения жидкой фазы.
Благодаря этому часть ценного бурового раствора возвращается в циркуляционную систему, а выбрасываемый шлам получается более сухим.
Пескоотделительная ступень
В типовой конфигурации установки СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO применяется пескоотделитель ПГС-2.
Он включает два гидроциклона диаметром 250 мм. Производитель указывает суммарную пропускную способность не менее 60 л/с и минимальный напор в коллекторе 0,22 МПа.
Большой диаметр гидроциклонов делает эту ступень подходящей для удаления относительно крупных песчаных частиц.
Для типовой рабочей среды с плотностью раствора около 1,1-1,2×10³ кг/м³ производитель указывает диапазон частиц плотностью около 2,6×10³ кг/м³, удаляемых с эффективностью не менее 95%, от 44 до 100 мкм.
Фактическая эффективность зависит от свойств конкретного раствора и режима работы.
Илоотделительная ступень
После пескоотделителя в системе может работать илоотделительная группа.
Для типовой СГУ на базе СВЛК-2 указывается илоотделитель ИГ-60-12 с двенадцатью гидроциклонами диаметром 100 мм. Их суммарная пропускная способность составляет не менее 57 л/с при минимальном напоре в коллекторе 0,22 МПа.
Меньший диаметр гидроциклонов позволяет воздействовать на более мелкие частицы.
Для типичных условий производитель указывает диапазон отделяемых частиц примерно 25-100 мкм при эффективности от 95% для частиц соответствующей плотности.
Таким образом, песко- и илоотделительная ступени работают с разными фракциями загрязнений.
Роль гидроциклонов SWACO
Гидроциклоны SWACO известны как элементы систем очистки бурового раствора от песчаной и илистой фракции.
Современные mud cleaner системы M-I SWACO строятся по тому же общему принципу: гидроциклоны располагаются над виброситом, а концентрированный нижний слив попадает на ситовую поверхность.
Для илоотделительных систем производитель SWACO применяет полиуретановые конусы. Полиуретан интересен для подобных узлов прежде всего стойкостью к абразивному воздействию суспензий, содержащих твердые минеральные частицы.
В рассматриваемой конфигурации СВЛК-2 также используются полиуретановые гидроциклоны SWACO.
Почему материал гидроциклона имеет значение
Буровой раствор содержит большое количество абразивных частиц.
Во время работы они движутся внутри гидроциклона с высокой скоростью и постоянно контактируют с внутренней поверхностью конуса.
Износ особенно интенсивен в областях изменения направления потока и возле нижнего выпускного отверстия.
Если геометрия гидроциклона меняется из-за абразивного износа, изменяются гидравлические характеристики. Это может привести к снижению эффективности разделения.
Поэтому состояние полиуретановых деталей необходимо регулярно контролировать.
Значение давления на входе
Гидроциклон не способен нормально разделять поток без достаточного перепада давления.
Именно входная скорость создает центробежное поле внутри конуса.
Если давление слишком низкое, вращение становится недостаточно интенсивным и мелкие частицы остаются в очищаемом потоке.
Чрезмерно высокое давление тоже нежелательно. Оно увеличивает гидравлические нагрузки, расход и скорость абразивного износа.
Для типовой конфигурации СВЛК-2 с гидроциклонами минимальный напор в коллекторах песко- и илоотделителя указан на уровне 0,22 МПа.
Поэтому питающий насос и трубопроводы должны обеспечивать расчетный режим.
Сопла гидроциклонов
Нижний выпуск гидроциклона существенно влияет на характер работы.
Если отверстие слишком мало, концентрированный поток может стать нестабильным или произойдет закупоривание.
Если оно слишком велико, вместе с твердой фазой будет теряться чрезмерное количество бурового раствора.
В рассматриваемой установке предусмотрена возможность применения сменных сопел различных диаметров. Это позволяет адаптировать гидроциклоны к конкретному составу и расходу раствора.
Однако подбирать сопло следует по технологическим параметрам, а не только по визуальному виду нижнего слива.
Правильный характер нижнего слива
При стабильной работе гидроциклона концентрированный поток обычно должен выходить таким образом, чтобы твердая фаза эффективно удалялась, но отверстие оставалось открытым.
Если выход полностью заполнен плотной струей, это может свидетельствовать о перегрузке твердой фазой, неправильном размере сопла или недостаточном режиме разделения.
Слишком широкий водянистый слив, наоборот, увеличивает потери жидкой фазы.
Поэтому оператор контролирует форму потока, давление и состояние гидроциклонов одновременно.
Вибросито как средство осушки шлама
После гидроциклонов шлам содержит заметное количество жидкой фазы.
Если его сразу отправить на утилизацию, вместе с твердыми отходами будет теряться буровой раствор.
СВЛК-2 позволяет дополнительно разделять концентрат.
Колебания ситовой рамы перемещают шлам по сетке, а жидкость проходит сквозь отверстия обратно в систему.
Производитель описывает режим колебаний СВЛК-2 как линейно-эллиптический, ориентированный в том числе на повышение качества осушки шлама.
Практическая эффективность зависит и от правильно выбранной сетки.
Выбор ситовой сетки
Размер ячейки должен соответствовать свойствам обрабатываемого потока.
Слишком крупная сетка хорошо пропускает раствор, но оставляет в системе больше мелкой твердой фазы.
Слишком мелкая увеличивает качество разделения, но быстрее забивается и может ограничить пропускную способность.
Выбор особенно важен при работе с нижним сливом гидроциклонов, поскольку на сетку поступает концентрированная смесь.
Необходимо также учитывать наличие утяжелителя в буровом растворе.
В ряде систем цель состоит не просто в удалении всех мелких частиц, а в отделении нежелательного шлама при сохранении дорогостоящих компонентов раствора.
Утяжеленные буровые растворы
В утяжеленных системах твердая фаза состоит не только из выбуренной породы.
В растворе может присутствовать специально введенный утяжелитель, необходимый для поддержания требуемой плотности.
Если система очистки будет indiscriminately удалять его вместе со шламом, расход материалов резко увеличится.
Именно поэтому двухступенчатые mud cleaner установки используют гидроциклоны совместно с мелкими ситами: концентрат сначала выделяется гидроциклоном, а на сите часть полезной жидкой фазы и мелкого утяжелителя может быть возвращена в активную систему. Такой принцип описывается и для установок M-I SWACO.
Работа с растворами на углеводородной основе
При бурении могут использоваться не только растворы на водной основе, но и системы на углеводородной основе.
Такая среда предъявляет дополнительные требования к материалам уплотнений, покрытий, полимерных элементов и электрическому исполнению оборудования.
Для СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO заявлена совместимость используемых конструкционных материалов и уплотнений с растворами на углеводородной основе. Производитель также указывает температурную стойкость до +110 °C для соответствующих элементов.
При реальной эксплуатации все равно необходимо учитывать ограничения конкретной рецептуры раствора.
Унификация оборудования
В промышленной циркуляционной системе большое значение имеют не только рабочие характеристики, но и монтажные размеры.
Замена оборудования становится сложнее, если новый агрегат требует переделки емкости, площадок и трубопроводов.
Для СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO производитель заявляет унификацию основных габаритов и присоединительных параметров с распространенными зарубежными установками.
Практический смысл подобного решения заключается в возможности модернизировать или заменять отдельный агрегат без полной перестройки блока очистки.
Но перед заменой всегда необходимо сопоставлять реальные чертежи и присоединительные размеры конкретного исполнения.
Подключение манифольда
Гидроциклоны объединяются распределительным коллектором, или манифольдом.
Он должен равномерно распределять поток между работающими конусами.
В рассматриваемой конструкции манифольд может подключаться с разных сторон, что облегчает компоновку оборудования в существующей циркуляционной системе.
Это особенно удобно на буровых установках, где свободное пространство ограничено, а расположение насосов, емкостей и трубопроводов уже определено.
При монтаже необходимо следить, чтобы подводящие трубопроводы не создавали чрезмерных гидравлических потерь.
Быстросъемные соединения
Гидроциклоны относятся к узлам, которые периодически приходится снимать для осмотра или замены.
В СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO для крепления к манифольду используются быстросъемные соединения типа Groove/Victaulic.
Такие соединения упрощают разборку трубной системы по сравнению с полностью фланцевым монтажом.
Особенно это важно в полевых условиях, когда время ремонта непосредственно влияет на длительность простоя циркуляционной системы.
После обслуживания необходимо проверять состояние уплотнений и правильность установки хомутов.
Работа установки в различных режимах
Сито-гидроциклонный агрегат может использоваться не только в одном фиксированном режиме.
Производитель указывает возможность эксплуатации СВЛК-2 как самостоятельного вибросита, а также совместно с песко- или илоотделительной ступенью.
Это позволяет адаптировать оборудование к текущему этапу бурения.
Например, при большом количестве крупного шлама основной акцент может быть сделан на вибросито и пескоотделение.
При необходимости более тонкой очистки подключается илоотделительная группа.
Конкретная схема определяется технологом по буровым растворам.
Место СВЛК-2 в циркуляционной системе
Очистка бурового раствора обычно состоит из нескольких последовательных операций.
Первичная ступень удаляет самые крупные фрагменты породы.
Далее раствор может поступать на пескоотделитель и илоотделитель.
При необходимости используются центрифуги, дегазаторы и другое оборудование.
СВЛК-2 с гидроциклонами занимает промежуточное место между грубой механической очисткой и более тонкими методами регулирования состава.
Эффективность всей системы определяется согласованием ее отдельных компонентов.
Взаимодействие с насосной станцией
Гидроциклоны требуют стабильного питающего давления.
Поэтому насос должен иметь производительность, соответствующую числу одновременно работающих конусов.
Если расход недостаточен, давление падает во всей группе.
Если насос существенно переразмерен, приходится использовать дросселирование, что увеличивает энергозатраты и износ.
Рациональная система проектируется так, чтобы насос, диаметр коллектора и число активных гидроциклонов соответствовали друг другу.
Часть конусов при необходимости может отключаться.
В типовой конструкции СГУ предусмотрены заглушки для вывода отдельных гидроциклонов из работы без остановки всей установки.
Что влияет на качество очистки
Даже исправная установка не обеспечивает одинаковый результат при любых условиях.
На эффективность влияют плотность раствора, вязкость, содержание твердой фазы и гранулометрический состав.
При увеличении вязкости частицы труднее перемещаются относительно жидкости, и эффективность гидроциклонного разделения может снижаться.
На свойства также влияет температура.
Поэтому оператор должен контролировать не только давление в манифольде, но и основные параметры самого бурового раствора.
Износ сит
Ситовые кассеты являются расходным элементом.
На них воздействуют вибрация, абразивный шлам и масса поступающей жидкости.
Со временем сетка повреждается или растягивается.
Даже небольшой разрыв может резко ухудшить качество очистки, поскольку крупные частицы проходят через поврежденный участок практически без разделения.
Поэтому состояние сит необходимо контролировать в течение смены.
Правильное натяжение и надежное крепление также влияют на ресурс.
Износ гидроциклонов
Полиуретановый корпус обладает хорошей стойкостью к абразивному воздействию, но не является неограниченно долговечным.
Особенно быстро могут изнашиваться сопла и внутренние зоны с высокой скоростью потока.
Признаком износа становится изменение режима слива, увеличение потерь раствора или ухудшение качества отделения частиц.
Периодичность проверки зависит от абразивности породы и режима эксплуатации.
Регулярный контроль позволяет заменить изнашиваемую деталь до того, как она существенно повлияет на всю систему.
Очистка и техническое обслуживание
После остановки установки остатки бурового раствора желательно удалять до их высыхания.
Засохший материал значительно сложнее очищается и может перекрывать проходные отверстия.
При обслуживании проверяются состояние сит, виброприводов, крепежа, манифольдов, сопел и уплотнений.
Необходимо также контролировать отсутствие повреждений кабелей и электрических соединений.
Гидроциклон перед разборкой должен быть отключен от давления.
Работы выполняются только после безопасной остановки оборудования согласно эксплуатационной документации.
Вибрация и состояние приводов
Для вибросита нормальная вибрация является рабочим процессом, но изменение ее характера может указывать на неисправность.
Причиной может быть износ вибромотора, ослабление крепежа или нарушение распределения массы на ситовой раме.
Производитель СВЛК-2 указывает суммарную установленную мощность вибрационных приводов до двух по 1,5 кВт и максимальную амплитуду колебаний не менее 2,8 мм.
Точные эксплуатационные значения необходимо контролировать по руководству конкретной установки.
Безамбарное бурение
При традиционной технологии часть отходов бурения может направляться в специальные земляные амбары.
Безамбарная технология стремится уменьшить объем жидких отходов и организовать более контролируемую переработку выбуренной породы.
В такой системе качество осушки шлама становится особенно важным.
Чем меньше бурового раствора остается в твердом отходе, тем меньше потери рабочей жидкости и объем материала, требующего дальнейшего обращения.
Сито-гидроциклонные установки поэтому являются одним из элементов малоотходной схемы. Производитель СВЛК-2 прямо указывает безамбарное и малоотходное бурение среди областей применения.
Экономика очистки бурового раствора
Работа системы контроля твердой фазы влияет на расходы в нескольких направлениях.
Первое - сохранение самого бурового раствора.
Если значительная часть жидкости выбрасывается вместе со шламом, приходится дополнительно готовить и добавлять новый раствор.
Второе - расход химических реагентов.
Накопление нежелательной твердой фазы ухудшает свойства системы, что может требовать дополнительной химической обработки.
Третье - износ насосов и трубопроводов.
Абразивные частицы ускоряют разрушение внутренних поверхностей.
Поэтому правильно настроенная очистка влияет не только на состояние раствора, но и на эксплуатационные расходы всего бурового комплекса.
Габариты и масса оборудования
Промышленная сито-гидроциклонная установка представляет собой достаточно крупный агрегат.
Для типовой конфигурации СГУ-2-60/45 на базе СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO указываются габариты до 2700×1803×2285 мм и масса до 2470 кг.
Эти параметры необходимо учитывать при проектировании опорной площадки, подъеме и транспортировке.
Сама базовая модель СВЛК-2 без дополнительной гидроциклонной части имеет меньшую высоту и массу около 1600 кг по данным производителя.
Сертификация и условия промышленного применения
Буровое оборудование работает в потенциально опасной производственной среде.
Для рассматриваемой установки производитель указывает соответствие требованиям ТР ТС 010/2011, регулирующего безопасность машин и оборудования, и ТР ТС 012/2011, относящегося к оборудованию для работы во взрывоопасных средах.
Однако сама по себе сертификация не заменяет соблюдение требований промышленной безопасности на объекте.
Необходимо правильно подключать электропитание, заземление, трубопроводы и технологические системы.
Как оценивать состояние установки
Нормальная эксплуатация предполагает регулярный контроль нескольких групп параметров.
По виброситу оцениваются состояние сеток, равномерность подачи раствора и характер перемещения шлама.
По гидроциклонам - входное давление и форма нижнего слива.
Дополнительно проверяются герметичность манифольда, состояние сопел и количество работающих конусов.
Если качество очистки ухудшилось, необходимо искать причину последовательно.
Простая замена сита или повышение давления без диагностики может не решить проблему.
Типичные причины снижения эффективности
Первая распространенная причина - недостаточное давление питания гидроциклонов.
Вторая - износ сопла или внутренних поверхностей конуса.
Третья - слишком высокая вязкость раствора.
Четвертая - повреждение или неверно подобранная сетка вибросита.
Пятая - чрезмерная подача раствора, превышающая возможности оборудования.
Также причиной может быть неравномерное распределение потока между гидроциклонами.
Поэтому эффективность установки всегда оценивается как результат совместной работы всех узлов.
Заключение
СВЛК-2 с гидроциклонами SWACO стоимость представляет собой сито-гидроциклонную установку для многоступенчатой очистки бурового раствора. Ее рабочая схема объединяет вибрационное сито и центробежные гидроциклоны, что позволяет удалять твердые частицы различных размеров и одновременно возвращать часть жидкой фазы в циркуляционную систему.
В типовой конфигурации используются два пескоотделительных гидроциклона диаметром 250 мм и двенадцать илоотделительных конусов диаметром 100 мм. Их задачи различаются: крупные гидроциклоны предназначены преимущественно для песчаной фракции, а более компактные - для удаления более мелкой илистой твердой фазы.
Принцип работы соответствует общей концепции mud cleaner: гидроциклон сначала концентрирует твердые частицы, а его нижний слив направляется на вибросито для дополнительной осушки. Аналогичная двухступенчатая схема используется в системах M-I SWACO.
Эффективность установки зависит не только от количества гидроциклонов. Необходимо поддерживать расчетное давление в коллекторе, правильно выбирать сопла и ситовые сетки, учитывать плотность и вязкость бурового раствора и регулярно контролировать состояние изнашиваемых элементов.
Вибросито выполняет одновременно две задачи: первичную очистку основного потока и осушку концентрата, поступающего от гидроциклонов. Благодаря этому часть бурового раствора возвращается в технологический цикл, а отходы содержат меньше жидкой фазы.
Такая схема особенно актуальна в системах малоотходного и безамбарного бурения, где требуется сокращать объем жидких отходов и максимально возвращать технологическую жидкость в активный контур.
При этом СВЛК-2 с гидроциклонами необходимо рассматривать не как отдельный универсальный агрегат, а как часть циркуляционной системы буровой установки. Ее эффективность определяется совместной работой питающих насосов, емкостей, трубопроводов, дегазаторов, центрифуг и других ступеней контроля твердой фазы.
Грамотно настроенная сито-гидроциклонная очистка помогает поддерживать стабильные параметры бурового раствора, уменьшать накопление выбуренной породы, снижать потери рабочей жидкости и сокращать абразивное воздействие на оборудование. Именно поэтому состояние гидроциклонов, сит и питающей системы должно контролироваться на протяжении всего процесса бурения.
