Текущее состояние и меры по улучшению систем контроля содержания твердой фазы в буровом растворе

В процессе бурения превосходные эксплуатационные характеристики бурового раствора являются необходимым условием для повышения скорости бурения, снижения затрат на бурение, предотвращения аварий в скважинах и защиты нефтегазодобывающих пластов. Система контроля содержания твердой фазы в буровом растворе является гарантией поддержания его эксплуатационных характеристик.

С развитием нефтегазоразведочной отрасли глубина бурения постоянно увеличивается, а встречающиеся пласты становятся все более сложными. Все более распространенными становятся специальные скважины, такие как глубокие, сверхглубокие, горизонтальные и скважины на депрессии, что предъявляет повышенные требования к системам контроля содержания твердой фазы в буровом растворе.

В последние годы системы контроля содержания твердой фазы значительно усовершенствовались: от циркуляционных емкостей бурового раствора до оборудования для контроля содержания твердой фазы, а технологический процесс стал более рациональным. Однако все еще существует множество заблуждений относительно подбора систем контроля содержания твердой фазы.

1. Циркуляционный бак для бурового раствора.

Эффективный объём циркуляционного бака для бурового раствора должен быть достаточным для максимального циркулирующего объёма бурового раствора во время бурения и иметь достаточный резерв. Он также должен быть способен быстро включиться в циркуляцию и контролировать скважину в аварийных ситуациях. В последние годы, в связи с постоянным расширением зарубежных рынков и растущим спросом на системы контроля содержания твёрдой фазы бурового раствора, наблюдается тенденция к бездумному увеличению объёма циркуляционных баков для бурового раствора.

Избыточный объём системы контроля содержания твёрдой фазы увеличивает стоимость перемещения буровой установки и стоимость бурового раствора. Поэтому пользователи стремятся к разумному объёму.

Размер одного бака и количество циркуляционных баков в системе контроля содержания твёрдой фазы обычно определяются с учётом таких факторов, как высота основания буровой вышки, местные условия транспортировки и эффективный объём, необходимый буровой установке. На поверхности циркуляционного бака должно быть достаточно места для размещения оборудования контроля содержания твёрдой фазы, агитаторов и насосов перекачки бурового раствора. Кроме того, необходимо предусмотреть пространство для подключения трубопроводов, резервуаров для бурового раствора, вспомогательного оборудования, всасывающих и напорных трубопроводов насосов, водопроводов и другого оборудования. Объем каждого отсека в первую очередь определяется пространством для установки оборудования для очистки бурового раствора, такого как вибрационные грохоты, пескоотделители, илоотделители и центрифуги, а также их вспомогательного оборудования.

2. Технологическая схема системы очистки бурового раствора и подбор оборудования.

Вся технологическая схема системы очистки бурового раствора должна соответствовать требованиям пяти стадий очистки бурового раствора от взвешенных частиц (просеивание — дегазация — пескоотделение — илирование — центрифугирование) и утяжеления бурового раствора. Оптимизированная подборка оборудования для очистки бурового раствора имеет решающее значение. Производительность ступеней 1–5 системы очистки бурового раствора должна быть согласована, с соответствующим расстоянием между размерами отделяемых частиц и определенной степенью перекрытия, что позволяет перерабатывать более мелкие частицы, не полностью обработанные на предыдущей стадии, на следующей.

2.1 Процесс очистки и циркуляции бурового раствора.

Устьевой буровой раствор, возвращаемый по трубопроводам, может по отдельности или одновременно транспортироваться на различные вибросита. После обработки виброситами он поступает в камеру отстоя песка. Буровой раствор, переливаемый из камеры отстоя песка, через шламовый бак поступает в камеру отстоя песка (в случае попадания газа в буровой раствор может быть активирован вакуумный деаэратор для откачки бурового раствора из камеры отстоя песка для его дегазации перед подачей в камеру отстоя песка).

Буровой раствор, обработанный пескоотделителем, поступает в камеру отстоя. Буровой раствор, обработанный илоотделителем, поступает в камеру центрифуги через шламовый бак. Буровой раствор, обработанный центрифугой, поступает в камеру всасывания бурового раствора через шламовый бак. Затем он повторно закачивается в скважину для повторного использования буровым насосом. Более рациональная схема системы контроля твердой фазы бурового раствора представлена на рисунке ниже.

2.2 Технологическая схема и выбор виброситовых установок.

Шлам, образующийся на забое скважины во время бурения, выносится на поверхность буровым раствором. Вибросита являются первым, самым быстрым и самым объёмным оборудованием для удаления бурового шлама и незаменимым устройством первой ступени очистки при бурении.

Технический уровень вибросита определяется главным образом его производительностью (объёмом обработки и количеством отделенных частиц), эксплуатационной надёжностью, сроком службы, а также простотой эксплуатации и обслуживания. При постоянных размере, составе и вязкости твёрдых частиц бурового раствора, чем больше динамическое касательное напряжение на твёрдых частицах, тем больше начальное сопротивление движению частиц и тем ниже скорость их перемещения.

Зарубежные теоретические исследования виброситовых установок полностью подтвердили это. Перед поступлением бурового раствора из распределителя в вибросито устанавливается желоб для ударного воздействия бурового раствора, чтобы предотвратить прямое размывание сетки буровым раствором и минимизировать динамическое касательное напряжение на буровом растворе, возвращающемся из устья скважины.

Это не только позволяет более рационально распределять силу и движение твердых частиц, но и снижает утечки бурового раствора и увеличивает его пропускную способность, продлевая срок службы грохота. Однако из-за различий в материалах, технологии обработки, точности обработки и совместимом общем оборудовании у разных производителей фактические технические характеристики изделий значительно различаются.

Поэтому при выборе вибросита крайне важно детально понимать материалы, технологию обработки, точность обработки и совместимое общее оборудование, а не просто полагаться на заявленные технические параметры. Помимо выбора подходящего грохота на основе гранулометрического состава твердых частиц, еще одним важным фактором, который следует учитывать при выборе вибросита, является его допустимая пропускная способность. Пропускная способность вибросита должна обеспечивать максимальную скорость выгрузки во время бурения.

На пропускную способность вибросита влияют такие факторы, как его собственные параметры движения, тип бурового раствора, плотность, вязкость, гранулометрический состав и содержание твердых частиц, а также размер ячеек сита. Для обеспечения высокой скорости выгрузки иногда требуется параллельное использование 2-3 вибросит.

2.3 Рабочий процесс и оборудование гидроциклона.

Большинство производителей оборудования для очистки от взвешенных частиц в моей стране производят гидроциклоны, а именно пескоотделители и илоотделители. Основным показателем качества гидроциклонов является износостойкость, а их производительность в первую очередь определяется размером частиц разделения D50. Более низкий D50 указывает на более высокую эффективность разделения.

При настройке пескоотделителей и илоотделителей важно обеспечить достаточный интервал и перекрытие зон разделения частиц. Согласно стандартам классификации и размерам частиц разделения гидроциклонов, гидроциклоны с внутренним диаметром цилиндрической улитки Φ150–300 мм и размером частиц разделения 44–74 мкм классифицируются как пескоотделители.

Гидроциклоны с внутренним диаметром цилиндрической улитки Φ100–125 мм и размером частиц разделения 15–44 мкм классифицируются как илоотделители. Однако многие пескоотделители и илоотделители, используемые в полевых условиях, разделяют частицы схожего размера (пескоотделители для 20–50 мкм и илоотделители для 15–45 мкм). Буровой раствор, обработанный пескоотделителем, затем обрабатывается илоотделителем, что делает илоотделитель неэффективным для удаления твердых частиц. Основная причина этого заключается в том, что многие гидроциклоны изготовлены некачественно и не соответствуют требованиям к технологическому процессу бурения. Поэтому многие пользователи выбирают установку из двух пескоотделителей вместо одного пескоотделителя и илоотделителя.

Некоторые пользователи просто устанавливают второй пескоотделитель на месте первоначального илоотделителя, не изменяя технологическую схему. Такой подход не рекомендуется, поскольку оба пескоотделителя имеют идентичные рабочие характеристики. Следует использовать параллельную технологическую схему, которая будет дублировать друг друга или увеличивать пропускную способность бурового раствора при быстром бурении.

Для специальных скважин с высокими требованиями к производительности бурового раствора разумной схемой будет последовательное использование одного пескоотделителя и одного илоотделителя. Однако при выборе пескоотделителей и илоотделителей следует выбирать продукцию с различным диапазоном размеров частиц. Например, пескоотделитель с размером частиц разделения 47–76 мкм и демилитор с размером частиц разделения 15–47 мкм позволяют достичь лучшего эффекта очистки.

2.4 Технологическая схема центрифуги.

Специалисты в буровой отрасли в целом сходятся во мнении о ключевой роли центрифуг в системах контроля твердой фазы. Большинство буровых бригад в Китае оснащены среднескоростными центрифугами с мощностью основного агрегата 18,5, 22, 37 или 45 кВт и скоростью вращения 1300–2200 об/мин. В настоящее время центрифуги в основном делятся на два типа: среднескоростные и высокоскоростные.

Среднескоростные центрифуги – это центрифуги со скоростью вращения 1300–2200 об/мин, создающие центробежную силу примерно в 800 раз превышающую силу тяжести, и производительностью 40–60 м³/ч. Эти центрифуги используются для удаления твердых частиц размером 5–7 мкм. Высокоскоростные центрифуги – это центрифуги со скоростью вращения 2500–3300 об/мин, создающие центробежную силу примерно в 1200–2100 раз превышающую силу тяжести, и способные отделять частицы размером 2–5 мкм.

Высокоскоростные центрифуги делятся на два типа: один – высокоскоростные центрифуги с полностью регулируемой частотой вращения. Производительность центрифуги может автоматически регулироваться в зависимости от свойств бурового раствора. Центрифуга может эффективно контролировать свойства бурового раствора благодаря мониторингу нагрузки в режиме реального времени и технологии автоматического управления с полным преобразованием частоты. Это идеальное устройство для очистки твердой фазы при бурении глубоких и горизонтальных скважин с особыми технологическими требованиями.

Другой тип – высокоскоростные центрифуги с фиксированной скоростью вращения. Эти центрифуги обычно имеют скорость вращения в 2–3 раза выше, чем у обычных центрифуг. Операторы оценивают свойства бурового раствора и вручную регулируют скорость центрифуги для достижения лучших результатов очистки бурового раствора. Центрифуги играют всё более важную роль в обработке бурового раствора. Многие буровые бригады оснащены двумя центрифугами. Важно отметить, что при использовании двух центрифуг с идентичными техническими характеристиками (как правило, среднескоростных, иногда с разной производительностью) следует использовать параллельный процесс для резервного копирования или увеличения производительности обработки бурового раствора при скоростном бурении.

В настоящее время зарубежные компании, такие как Derrick и Swaco, производят высокоскоростные центрифуги с полностью регулируемой частотой вращения. Эти высокоскоростные центрифуги дороги и требуют высокой квалификации операторов, что обуславливает необходимость эксплуатации и обслуживания специализированными электротехниками. В настоящее время лишь немногие китайские буровые бригады, работающие за рубежом, оснащены высокоскоростными центрифугами такого типа.

В Китае для специальных скважин с высокими требованиями к эксплуатационным характеристикам бурового раствора рекомендуется использовать технологию, включающую последовательное соединение среднескоростной центрифуги и высокоскоростной центрифуги отечественного производства. Буровой раствор после обработки среднескоростной центрифугой поступает в расходный бак высокоскоростной центрифуги. После дальнейшей обработки в высокоскоростной центрифуге буровой раствор поступает в циркуляционную систему для повторного использования.

На этом этапе происходит эффективная очистка твёрдой фазы бурового раствора, что способствует продлению срока службы оборудования, установленного ниже по технологической цепочке (буровых насосов, бурового инструмента, скважинных приборов и т. д.), экономии бурового раствора и повышению механической скорости бурения.

3. Выводы.

1) Выберите вибросита с хорошей производительностью и рациональной конструкцией, а также необходимое количество и размер сеток вибросит в соответствии со свойствами бурового раствора.

2) Выберите пескоотделители и илоотделители с хорошей производительностью и соответствующими параметрами, а также используйте последовательную технологическую схему для достижения лучшего эффекта удаления пескоотделителя и илоотделителя.

3) Используйте последовательную технологическую схему средне- и высокоскоростных центрифуг для увеличения срока службы оборудования, установленного на технологической цепочке (буровые насосы, буровой инструмент, скважинные приборы и т. д.), экономии бурового раствора и повышения механической скорости бурения.

Результаты статистического анализа показывают, что около 90% ежедневных затрат на обслуживание бурового раствора во время бурения связано с контролем твердой фазы. Стоимость барита, утяжелителя бурового раствора, составляет около 75% от общей стоимости материалов, используемых для бурового раствора.

Таким образом, правильный выбор и использование систем и оборудования для очистки скважин от твердой фазы позволяет значительно удалить буровой шлам, сократить расход бурового раствора, а также сопутствующих материалов и обрабатывающих агентов и, таким образом, добиться большей экономической выгоды.