Оптимизация вакуумных систем и способов высушивания выбуренной породы
Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к области обработки буровых растворов для буровых скважин. Устройство содержит, по меньшей мере, один фильтр вибрационного сита, имеющий верхнюю и нижнюю сторону, воздушную вакуумную систему, соединенную с по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита или его секцией для всасывания через них рабочего объема воздуха, систему сбора бурового раствора. Воздушная вакуумная система способна втягивать объем воздуха, обеспечивающий сведение к минимуму разрушения обломков выбуренной породы и поддержание рабочего потока обломков породы без их прихватывания на по меньшей мере одном фильтре вибрационного сита или его секции. Повышается эффективность процесса отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы. 2 н. и 48 з.п. ф-лы, 4 табл., 22 ил.
Область техники
Изобретение относится к системам и способам отделения текучих сред от обломков выбуренной породы. В частности, изобретение относится к вибрационным ситам, включающим вакуумные системы, и способам использования таких систем, обеспечивающим высокую эффективность отделения текучей среды. Эффективность описанных систем и способов обеспечивается в широком диапазоне размеров сит, расхода всасывания и для различных конструкций вакуумной системы.
Уровень техники
Потери бурового раствора в промышленности разведки и добычи ископаемых источников энергии создают ряд проблем в отношении технологии и издержек добычи. Эти проблемы в основном связаны с потерями бурового раствора за счет его ухода в породу, извлечением бурового раствора на поверхности и(или) удалением бурового шлама или обломков выбуренной породы, загрязняющих буровой раствор. В настоящем описании под "буровым раствором" понимаются как промывочная жидкость, приготовленная на поверхности и используемая в неизменном виде для бурения, так и все текучие среды, выходящие из скважины, которые могут включать различные загрязнители из скважины, в том числе, воду и углеводороды.
Известно, что в процессе горных работ и бурения потери бурового раствора при выполнении программы бурения могут достигать 300 кубометров. При использовании некоторых буровых растворов, стоимость которых превышает 1600$ за кубометр, потеря таких объемов раствора оборачивается значительными затратами компании, проводящей буровые работы. Специалистам известно, что буровые растворы обычно имеют водную или нефтяную основу и могут включать большое количество дорогих и специализированных химических веществ. Желательно поэтому, чтобы в процессе выполнения программы бурения терялось минимальное количество бурового раствора, и для достижения этого были разработаны многочисленные способы, позволяющие уменьшить потери бурового раствора как в скважине, так и на поверхности. Кроме того, в некоторых районах доставка нефти или воды для приготовления буровых растворов для ряда работ может требовать больших затрат, в частности, в пустынях, на морском шельфе или даже некоторых территориях, где местные жители не допустят использования воды для подобных нужд.
Как отмечалось выше, одной из конкретных задач является извлечение из породы на поверхности земли бурового раствора и любых углеводородов, которые могли налипнуть на обломки выбуренной породы (объединены здесь термином "текучие среды"). Для эффективного удаления различных текучих сред из выбуренных обломков использовались различные способы, включая применение, среди прочего, гидроциклонных сепараторов, глиноотделителей, вибрационных сит с линейным перемещением, шнековых центрифуг, вертикальных корзиночных центрифуг (VBC - от англ. vertical basket centrifuge), вакуумных устройств и вихревых сепараторов. Специалистам известно, что обычно аренда таких устройств стоит от $1000 до $2000 в день и требует больших расходов от компаний, проводящих буровые работы. Поэтому для того чтобы операция по извлечению текучих сред была экономически оправданной, необходимо, чтобы стоимость извлеченной текучей среды превышала стоимость аренды оборудования. Дневная арендная плата за использование специализированного сепарационного оборудования может окупаться при выполнении земельных работ, где теряются большие количества дорогого бурового раствора (например, более трех кубометров в день). Кроме того, компания-оператор также скорее всего учтет при разработке систем отделения/восстановления буровых растворов/обломков породы экологические воздействия и(или) стоимость утилизации обломков породы, загрязненных буровым раствором.
Более того, существующие ранее технологии извлечения бурового раствора из выбуренных обломков также включали использование систем распыления жидкости для подачи "моющих" жидкостей к обломкам породы при их обработке над вибрационными ситами. Такие моющие жидкости и соответствующие системы снабжения текучими средами используются для подачи различных моющих жидкостей при обработке обломков породы над вибрационным ситом, и могут включать самые разнообразные конструкции для подачи различных моющих текучих сред, в зависимости от типа обрабатываемого бурового раствора. Например, моющие жидкости могут состоять из нефти, воды или гликоля, в зависимости от бурового раствора и выбуренных осколков, обрабатываемых над вибрационным ситом. Обычно эти моющие жидкости используются для снижения вязкости и(или) сил поверхностного натяжения текучих сред, прилипших к обломкам породы, что позволяет сделать извлечение более эффективным. К сожалению, рентабельность этих способов при использовании в отношении многих буровых растворов получается невысокой из-за того, что применение разбавляющих текучих сред часто приводит к неприемлемому увеличению объема бурового раствора и(или) изменениям его химического состава и, вследствие этого, реологических свойств бурового раствора.
Таким образом, несмотря на то, что различные сепарационные системы отличаются эффективностью и рентабельностью, обеспечивая определенный уровень отделения текучих сред/обломков породы, каждая разновидность процесса разделения эффективна, как правило, только в определенном диапазоне условий или параметров, и при определенных затратах. Например, стандартные вибрационные сита, использующие фильтры, обладают относительно высокой эффективностью и постоянством параметров при удалении определенного объема текучей среды из обломков породы и, при типовых условиях работы вибрационного сита, компания-оператор обычно получает степень отделения бурового раствора/обломков породы на уровне 12-40 мас.% отношения раствора к обломкам породы (т.е. 12-40% полного веса извлеченных обломков составляет буровой раствор). Интервал весового процентного соотношения буровой раствор/обломки породы обычно регулируется размером ячейки сита, при этом оператор может обеспечить более высокую степень разделения бурового раствора/обломков, используя сита с большими ячейками (например, 50-75 меш), и меньшую степень разделения бурового раствора/обломков, используя сита с меньшими ячейками (например, до 325 меш). Выбор между использованием сита с большими ячейками и сита с малыми ячейками определяется влиянием размера ячейки сита на количество твердого вещества, прошедшего через сито. При этом, хотя оператор может снизить количество текучих сред, оставшихся на обломках после вибрационного сита с фильтром с большими ячейками (50-75 меш), через фильтр сита пройдет значительно большее количество твердого вещества, что окажет сильное влияние на реологию и плотность извлеченных текучих сред, и(или) потребует использования дополнительной и возможно менее эффективной технологии разделения для удаления этих твердых веществ из извлеченного бурового раствора. И, наоборот, при использовании фильтра сита с мелкой ячейкой, и ослаблении тем самым необходимости использования дополнительного разделения на последующих этапах для удаления твердых веществ из извлеченного бурового раствора, значительно большие объемы бурового раствора окажутся не извлеченными, поскольку они скорее всего пройдут над ситом, что приведет к потере бурового раствора и(или) потребует дальнейшей обработки.
В соответствии со сказанным, во многих случаях, оператор будет подвергать извлеченную из вибрационного сита текучую среду дополнительной обработке в устройстве, использующем центробежную силу, для снижения плотности текучей среды и удаления из нее как можно больше твердого вещества, перед повторным использованием или регенерацией бурового раствора. Однако подобное доведение до нужного качества требует более дорогого оборудования, например, центрифуг, шнековых центрифуг, гидроциклонных сепараторов и т.д., что увеличивает общую стоимость извлечения. Эти технологии обработки также напрямую зависят от качества обрабатываемой текучей среды, поэтому текучие среды, предварительно обработанные на вибрационных ситах, не будут оптимизированы в той же степени, как полученные из сит с более тонкими фильтрами.
Кроме того, работа центрифуг и гидроциклонных сепараторов, и другого оборудования напрямую зависит от вязкости и плотности подаваемой в них текучей среды. Поэтому для оборудования для извлечения бурового раствора, направляющего тяжелые, нагруженные твердым веществом текучие среды в установки вторичной обработки, требуются более интенсивные технологии, например, использующие большие ускорения и(или) вакуум для осуществления разделения, которое обычно приводит к разрушению обломков породы.
При этом оператор постарается найти компромисс между стоимостью потерянного бурового раствора и качеством извлеченной текучей среды, вместе с другими факторами. В то время как у операторов обычно не столь велик выбор среди имеющихся технологий обработки выбуренной породы и извлечения текучих сред, многие из них используют сепарационное оборудование так, чтобы извлечь буровой раствор с плотностью, превышающей примерно на 200-300 кг/м3 плотность циркулирующей в системе текучей среды. Эта более тяжелая текучая среда будет содержать значительное количество высокодисперсного твердого вещества, которое, будучи оставленным в буровом растворе, сразу же или с течением времени ухудшит работу бурового раствора или любой другой текучей среды.
В результате, сохраняется потребность в системах, которые без роста затрат увеличат объем извлекаемой текучей среды из вибрационного сита, не ухудшая реологические свойства извлеченного бурового раствора. В частности, требуются сепарационные системы, с помощью которых можно получить текучую среду, плотность которой превышает на 5-100 кг/м3 плотность исходной текучей среды, и которые не изменяют реологические свойства, например, пластическую вязкость и стойкость геля.
Кроме этого, необходимо создание недорогой технологии доработки оборудования, позволяющей повысить степень извлечения при затратах, составляющих долю тех, что характерны для оборудования и технологий, используемых в настоящее время. Одним из способов улучшения отделения бурового раствора было использование вакуумной технологии. Однако вакуумная технология сама по себе создает различные проблемы, включая недостаточное разделение обломков породы и текучих сред, что, как отмечалось выше, требует дополнительной дорогостоящей последующей обработки, и ее неспособность эффективно отделить мелкие частицы от извлекаемого бурового раствора, что приводит к росту плотности извлеченного бурового раствора. Более того, вакуумные системы с интенсивной обработкой также разрушают обломки, вследствие чего проблема образования мелких частиц только нарастает.
Помимо этого, различные вакуумные технологии также могут создавать запыленность и мглу на рабочих местах, что раньше приводило к необходимости регулярно проводить промывку забитых фильтров сит вакуумных установок. Промывка сит под высоким давлением порождает висящую в воздухе пыль и мглу, что представляет опасность для рабочих. Таким образом, необходима технология, сводящая к минимуму потребность в промывке сит.
Далее, существовала потребность в усовершенствованных системах отделения текучей среды с обратной стороны фильтра вакуумного сита, обеспечивающих эффективное и рентабельное отделение относительно больших объемов воздуха, втягиваемого через фильтр вакуумного сита, от относительно небольшого объема бурового раствора, втягиваемого через фильтр вакуумного сита. Другими словами, требуется усовершенствованная система разделения текучей среды и воздуха. Также требуются вакуумные технологии, способствующие окислению жирных кислот в буровом растворе, что может снизить потребность в дополнительных эмульгаторах.
Также существовала потребность в усовершенствованных способах эксплуатации вакуумных систем, обеспечивающих существенное снижение риска засорения фильтров и, при этом, возможность использования более тонких фильтров сит.
Далее, существовала потребность в системах, обеспечивающих возможность рентабельной замены фильтров сит, с использованием усовершенствованных прокладок и уплотнителей между вакуумной системой и ситами.
Обзор известного уровня техники
Обзор известного уровня техники показывает, что в прошлом для отделения бурового раствора от обломков породы использовались различные вакуумные технологии, включая вибрационные сита.
Например, в US 4350591 описаны устройство очистки бурового раствора, имеющее наклонный движущийся ленточный фильтрующий слой вибрационного сита, и установка дегазации, имеющая вытяжной колпак и нагнетательный вентилятор. В патентной публикации US 2008/0078700 раскрывается самоочищающееся вибрационное сито, имеющее сменные распылительные форсунки для очистки фильтров сит. В канадской патентной заявке 2664173 описано вибрационное сито с системой создания перепада давлений, прилагающей прерывистое давление по фильтру сита, а другие известные решения, включая US 6092390, US 6170580, патентную публикацию US 2006/0113220 и публикацию РСТ 2005/054623, описывают различные сепарационные технологии.
Таким образом, несмотря на то, что известные технологии обладают определенной эффективностью в осуществлении разделения бурового раствора и обломков породы, в них не проработаны особенности конструкции и работы устройств сепарации, обеспечивающих более эффективное извлечение текучих сред. В частности, в уровне техники не описывается достижение остаточного уровня текучей среды на обломках породы, составляющее примерно 12 мас.%, и отсутствие негативного воздействия на плотность извлеченного бурового раствора.
Раскрытие изобретения
Далее приводится описание систем и способов отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы в усовершенствованных вакуумных системах, в соответствии с изобретением.
В соответствии с первой особенностью изобретения предлагается устройство для улучшения отделения бурового раствора от обломков породы на вибрационном сите, включающее: фильтр (сетка) вибрационного сита, имеющий верхнюю сторону и нижнюю сторону, для помещения на нем внутри вибрационного сита обломков породы, загрязненных буровым раствором;
воздушную вакуумную систему, функционально связанную с секцией вибрационного сита для всасывания рабочего (эффективного) объема воздуха через секцию фильтра вибрационного сита для усиления потока бурового раствора через секцию фильтра вибрационного сита и отделения бурового раствора от обломков породы; и систему сбора бурового раствора для сбора отделенного бурового раствора с обратной стороны фильтра сита и воздушной вакуумной системы; при этом воздушная вакуумная система всасывает объем воздуха через фильтр сита, чем сводится к минимуму повреждение обломков породы и увеличивается количество извлеченного бурового раствора из обломков породы и поддерживается рабочий (эффективный) поток обломков породы с вибрационного сита.
В различных вариантах осуществления, изобретение имеет дополнительные функции и структуры.
В одном варианте осуществления, воздушная вакуумная система включает: вакуумный коллектор для функционального соединения вибрационного сита с секцией фильтра сита; вакуумный трубопровод, функционально соединенный с вакуумным коллектором, и вакуумный насос, функционально соединенный с вакуумным трубопроводом.
В другом варианте осуществления, изобретение дополнительно включает систему разделения текучая среда/газ, функционально соединенную с вакуумным насосом.
В другом варианте осуществления, система разделения текучая среда/газ представляет собой многоступенчатую систему отделения текучей среды.
В другом варианте осуществления, вакуумный коллектор имеет воронкообразную часть для функциональной связи с вакуумным трубопроводом.
В еще одном варианте осуществления, вакуумный коллектор расположен вблизи выходного конца фильтра вибрационного сита.
В других вариантах осуществления, вакуумный коллектор перекрывает до 75% полной длины фильтра вибрационного сита в направлении к его входному концу, до 33% полной длины фильтра вибрационного сита или до 15% полной длины фильтра вибрационного сита. В одном варианте осуществления, вакуумный коллектор приспособлен для стыковки с фильтром вибрационного сита по 5-15% длины фильтрующего слоя.
В других вариантах осуществления, вакуумный насос может быть приспособлен для управления разрежением и(или) для создания пульсирующего разрежения.
В другом варианте осуществления, вакуумный коллектор включает систему управления положением для изменения положения вакуумного коллектора относительно фильтра вибрационного сита.
В еще одном варианте осуществления, фильтр вибрационного сита включает раму вибрационного сита, и рама вибрационного сита и связанные с ней элементы вибрационного сита изготовлены из композитных материалов.
В других вариантах осуществления, фильтр вибрационного сита имеет ячейки 50-325 меш или их комбинацию, либо ячейки 80-150 меш или их комбинацию.
В одном варианте осуществления, вакуумная система втягивает воздух через фильтр сита со скоростью менее 8400 фут/мин.
В другом варианте осуществления, скорости воздуха, проходящего через фильтр сита, достаточно для того, чтобы выходящие из вибрационного сита обломки выбуренной породы приобрели консистенцию полусухого цемента.
В другом варианте осуществления, коллектор включает фланец с лежащей на нем прокладкой, а фильтр сита функционально соединен с прокладкой и фланцем.
В других вариантах осуществления, оставшийся на обломках породы буровой раствор составляет менее 12 мас.%, менее 10 мас.%, менее 8 мас.%, или менее 6 мас.%.
В другом варианте осуществления, система дополнительно содержит устройство впрыска сжатого воздуха для впрыска сжатого воздуха в буровой раствор для вспенивания бурового раствора перед его контактом с фильтром вибрационного сита.
В другом варианте осуществления, система дополнительно включает газоанализатор в вакуумной системе для определения количества и(или) состава газа, извлеченного из бурового раствора.
В другом варианте осуществления, система дополнительно содержит по меньшей мере одну систему измерения массы, функционально соединенную с вибрационным ситом для измерения относительной массы обломков выбуренной породы и текучей среды на вибрационном сите.
В одном варианте осуществления, система измерения массы включает по меньшей мере два датчика, расположенных в различных местах на фильтрующем слое вибрационного сита, и систему отображения данных, которая показывает относительную массу в различных местах вибрационного сита.
В другом варианте осуществления, система дополнительно содержит распределитель, функционально соединенный с вибрационным ситом для впрыскивания газа в буровой раствор перед тем, как буровой раствор подается на фильтр вибрационного сита.
В одном варианте осуществления, предложена воздушная вакуумная система для присоединения к вибрационному ситу при его модернизации.
Согласно другой особенности, в изобретении предложен способ оптимизации работы вибрационного сита для обломков породы, при осуществлении которого: а) помещают обломки выбуренной породы, загрязненные буровым раствором, на входной конец фильтрующего слоя вибрационного сита, имеющего фильтр вибрационного сита; и б) прикладывают вакуумное разрежение к фильтру вибрационного сита, достаточное для значительного сокращения количества бурового раствора, оставшегося на обломках, до более низкого уровня по сравнению с получаемым без использования вакуума.
В другом варианте осуществления изобретения, также собирают буровой раствор с обратной стороны фильтра сита, при этом пластическая вязкость бурового раствора по существу эквивалентна пластической вязкости исходного бурового раствора до его введения в скважину.
В различных особенностях выполнения способа, оставшийся на обломках породы после шага б) буровой раствор составляет менее 12 мас.%, менее 10 мас.%, менее 8 мас.%, или менее 6 мас.%.
В других вариантах осуществления, разрежение прикладывается к области, составляющей до 75% полной длины фильтра вибрационного сита, до 33% полной длины фильтра вибрационного сита или на последних 5-15% на выходе фильтра вибрационного сита.
В другом варианте осуществления, воздушным потоком управляют для предотвращения прихватывания обломков выбуренной породы на фильтре сита.
В еще одном варианте осуществления, воздушный поток достаточен для того, чтобы выходящие из вибрационного сита обломки выбуренной породы приобрели консистенцию полусухого цемента.
В других вариантах осуществления, воздушный поток составляет менее 8400 фут/мин и(или) воздушным потоком управляют для удаления пены в буровом растворе.
В одном варианте осуществления, буровой раствор вспенивают перед его контактом с фильтром вибрационного сита.
В одном варианте осуществления, количество и(или) состав газа, извлеченного из бурового раствора, измеряется внутри вакуумной системы.
В еще одном варианте осуществления, воздушным потоком через фильтр вакуумного сита управляют для окисления жирных кислот в буровом растворе.
Краткое описание чертежей
Изобретение раскрыто в приведенном ниже подробном описании и чертежах, на которых:
на фиг.1 представлен перспективный вид снизу узла вакуумной рамы и коллектора, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.1А представлено изображение с торца в разобранном виде фильтра сита, узла вакуумной рамы и коллектора, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.1Б представлен вид сбоку узла вакуумной рамы и коллектора, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.1В представлен перспективный вид сверху узла вакуумной рамы и коллектора, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.1Г представлен в перспективе вид узла фильтра сита, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.1Д представлен перспективный вид снизу узла вакуумной рамы и фильтра сита, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2А представлен вид сбоку вибрационного сита, модернизированного введением узла вакуумной рамы и вакуумной системы, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2Б представлен вид сбоку вибрационного сита, модернизированного введением узла вакуумной рамы и вакуумной системы, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3А представлен вид сверху вибрационного сита, модернизированного введением фильтра сита и вакуумной системы, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3Б представлен вид сверху вибрационного сита, модернизированного введением вакуумной системы, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3В представлен вид спереди вибрационного сита, модернизированного введением фильтра сита и вакуумной системы, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.3Г представлен вид спереди вибрационного сита для модернизации в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.4 представлен вид сверху типового фильтрующего слоя вибрационного сита для модернизации введением вакуумной рамы и коллектора, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.5 представлен вид сверху типового фильтрующего слоя вибрационного сита, модернизированного введением вакуумной рамы и коллектора, на котором показаны вакуумные трубы, отходящие от фильтрующего слоя вибрационного сита, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.6, представлен вид сверху типового фильтрующего слоя вибрационного сита, модернизированного введением вакуумной рамы и коллектора и фильтра сита, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.7 приведена таблица, представляющая анализ стоимости бурового раствора, подвергнутого вакуумной обработке, в сравнении с известным способом обработки;
на фиг.8 представлен график зависимости параметров бурового раствора от глубины скважины для бурового раствора, подвергнутого вакуумной сепарации во вращающемся барабане;
на фиг.10 представлен график зависимости параметров бурового раствора от глубины скважины для бурового раствора, подвергнутого сепарации на вакуумном фильтре, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.11 представлен график зависимости параметров бурового раствора от глубины скважины для бурового раствора, подвергнутого сепарации на вакуумном фильтре, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.12 схематически показан другой вариант осуществления, имеющий систему впрыскивания газа, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения; и
на фиг.13 представлен график сравнения применения основных и вторичных эмульгаторов в скважинах, использующих вакуумную сепарацию во вращающемся барабане и сепарацию на вакуумном фильтре.
Подробное описание осуществления изобретения
Приводится описание вариантов осуществления усовершенствованного способа и устройства для извлечения бурового раствора, в соответствии с изобретением и со ссылками на чертежи.
Описанные системы и способы повышают эффективность разделения бурового раствора и обломков выбуренной породы, улучшая извлечение бурового раствора, или снижая количество бурового раствора, оставшегося на обломках. Кроме того, описанные системы и способы могут обеспечить улучшенное разделение, не оказывая заметного влияния на реологические свойства бурового раствора.
В частности, в изобретении решены различные технические проблемы, присущие используемым ранее способам очистки обломков выбуренной породы и извлечения бурового раствора на поверхности при проведении буровых работ, и особенно известным системам вибрационных сит. Кроме того, в изобретении описаны способы оптимизации отделения текучих сред от обломков выбуренной породы, извлекаемых на поверхность.
В качестве иллюстрации на фиг.2А-2Б и фиг.4 представлено известное вибрационное сито 10, включающее в целом плоский фильтрующий слой 12, содержащий несколько секций 20, над которым проходят извлеченные буровой раствор и осколки породы. Вибрационное сито 10 обычно включает двухкоординатную вибрационную систему 14, сообщающую механическую энергию вибраций фильтрующему слою. Извлеченные из скважины буровой раствор и обломки породы подаются на входной конец фильтрующего слоя 16, где смесь бурового раствора и обломков перемещается к выходному концу 18, где "высушенные" обломки выбуренной породы сбрасываются с конца вибрационного сита. Вибрирующее движение сита и фильтрующего слоя осуществляет разделение обломков породы и раствора, при этом буровой раствор проходит через фильтрующий слой и собирается с обратной стороны вибрационного сита 10, а обломки породы собираются на выходном конце 18 фильтрующего слоя. Вместе с силой притяжения вибрационные перемещения фильтрующего слоя сообщают механическую энергию частицам обломков породы, "стряхивая" текучие растворы, прилипшие к их наружным поверхностям под действием сил поверхностного натяжения. После отделения буровой раствор стекает через фильтр под действием силы тяжести, атмосферного давления, гидростатического давления раствора на фильтре или под действием всех этих факторов, и собирается. Известно, что вибрационные сита такого типа и другие обычно могут отделять буровой раствор от обломков породы от исходного состояния, где соотношение буровой раствор/обломки породы превышает 100 мас.%, до уровня примерно 40-15 мас.%. Как показано на фиг.2А-2Б, и в соответствии с изобретением, вибрационное сито оснащено вакуумной системой 50, расположенной под фильтрующим слоем 12 для усиления отделения бурового раствора от обломков породы и потока бурового раствора через фильтр. Как хорошо видно на фиг.1-1Д и 6, фильтр 7 имеет по меньшей мере один вакуумный коллектор 1, 1a, 1a' для приложения разрежения к обратной стороне фильтра 7 и фильтрующего слоя 12 вибрационного сита. Таким образом, вакуумный коллектор предназначен для присоединения к обратной стороне фильтра с тем, чтобы при прохождении обломков и раствора сверху фильтра, мягким воздействием вакуума способствовать прохождению бурового раствора через фильтр и(или) эффективно противодействовать силе поверхностного натяжения, прикрепляющей текучие среды к обломкам породы и(или) фильтру, тем самым повышая эффективность разделения и снижая количество бурового раствора, остающегося на обломках породы. В предпочтительном варианте, вакуумный коллектор сужается и(или) изгибается для облегчения отвода извлеченных вакуумом материалов от фильтра, снижая риск того, что в противном случае со временем в системе образуются скопления или отложения твердого вещества.
Как показано на фиг.1-1Д и 2А-3Б, горизонтальная длина вакуумного коллектора выбрана так, чтобы прикладывать вакуум по относительно малой области общей площади фильтрующего слоя 12 и на выходном конце фильтра. На этих чертежах показана область вакуума, проходящая по всей горизонтальной ширине фильтрующего слоя, и в обычном вибрационном сите занимающая примерно 7 дюймов от полной длины фильтрующего слоя 12. В предпочтительном варианте, эта величина составляет примерно 5-15% полной длины фильтрующего слоя.
Использование относительно малой части от общей поверхности фильтрующего слоя является предпочтительным для того, чтобы разграничить различные механизмы разделения. Другими словами, желательно, чтобы на входном конце вибрационного сита использовались средства механического разделения для осуществления первичного разделения, в то время как на выходном конце использовался вакуум для вторичного разделения (в дополнение к вибрации). Это физическое разделение вибрационных и вакуумных механизмов сепарации позволяет добиться максимальной эффективности обоих механизмов без вредного воздействия разрушения обломков и любых результирующих воздействий, при которых разрушение обломков и(или) прохождение через фильтр могут влиять на реологию бурового раствора, например, пластическую вязкость. Как будет более подробно рассмотрено далее, сохранение пленки бурового раствора до окончательной вакуумной обработки сводит к минимуму абразивные и разрушительные воздействия от трения друг о друга обломков выбуренной породы.
Кроме того, как для примера показано на фиг.1, хотя это и не является критичным, по ширине фильтра используются раздельные вакуумные коллекторы 1a, 1b' с тем, чтобы обеспечить относительно равномерную и управляемую величину вакуумного разрежения, приложенного по поверхности фильтра.
Как показано на фиг.1Б, 1Д, 3А и 3В, к вакуумной раме и коллектору 1 функционально присоединен (-ы) ситовый фильтр (-ы) 7, при этом труба подвода текучей среды/вакуумная труба 3 соединена с вакуумной системой 50 посредством вакуумного манометра 12d и нерегулируемого вакуумного устройства 12f (фиг.3А) или регулируемого вакуумного устройства 12g (фиг.3Б). В обоих вариантах осуществления используется система 13 отделения и сбора текучей среды, обеспечивающая отвод извлеченного бурового раствора от вакуумной системы в резервуар-хранилище для повторного использования.
На фиг.2А и 2Б показаны предпочтительные варианты осуществления системы 13 отделения текучей среды, выполняющей многоступенчатое разделение текучей среды и твердого вещества. В этой системе первичный накопительный резервуар 51 обеспечивает первую ступень разделения текучая среда/газ. Вторичный накопительный резервуар 52, соединенный последовательно с первичным накопительным резервуаром, обеспечивает вторичное разделение текучая среда/газ. Каждая ступень имеет соответствующие системы определения уровня текучей среды и клапаны, обеспечивающие отключение системы в случае, если уровень накопленной текучей среды поднимается слишком высоко. Система 13 отделения текучей среды скомпонована с вакуумной рамой и коллектором 1, и с вакуум-насосом 53. Буровой раствор может отбираться со дна накопительного резервуара 51 через отверстие 54.
Как показано на фиг.2А и 2Б, система управления вакуумом может представлять собой ограничительное отверстие 12f, либо регулируемая утечка атмосферного воздуха в вакуумную линию 12g, что хорошо известно специалистам. Ограничительное отверстие дросселирует поток, что ведет к нарастанию давления в вакуумной линии, в то время как регулируемая утечка атмосферного воздуха не ограничивает потока. Вакуумный манометр 12d может использоваться для настройки, но не является необходимым.
Сопряжение источника разрежения с фильтром и конструкция фильтра
Как показано на фиг.1-1Д, по меньшей мере один вакуумный коллектор 1а, 1а' приспособлен для компоновки и герметизации с фильтром 7 с использованием несущей рамы 6 вакуумного коллектора (объединяет вакуумную раму и коллектор 1). Несущая рама 6 вакуумного коллектора может включать разделительный стержень 8, определяющий область 11 разрежения и открытую область 5. Каждый вакуумный коллектор 1a, 1a' имеет в целом воронкообразную конструкцию, которая позволяет направлять текучую среду, проходящую через фильтр, в по меньшей мере один вакуумный трубопровод 3. Как показано на фиг.1А, верхний край вакуумного коллектора включает соответствующую соединительную и герметизирующую систему для прикрепления к фильтру 7, например, стыковочный фланец 2 и уплотнительную прокладку 9. Как схематически показано на фиг.1А, вакуумные рама и коллектор установлены над несущими балками 20 кассеты вибросита, а фильтр 7 присоединен к верхней стороне вакуумных фильтра и коллектора. Несущие балки, вакуумные фильтр и коллектор скреплены зажимным устройством. Сборка для модернизации, состоящая из вакуумных рамы и коллектора и фильтра, прикрепленных к вибрационному ситу, подробно показана на фиг.4-6. На фиг.4 показан вид сверху типового вибрационного сита и его фильтрующего слоя, где для ясности не показаны двигатели вибрационного сита. Фильтрующий слой вибрационного сита включает несколько отдельных секций несущих элементов (20а, b, с, d), на которые обычно устанавливается фильтр 7. Секции могут быть расположены на одинаковой высоте или на разных высотах, как это известно специалистам. Как правило, если секции расположены на разных высотах, одна или более входных секций могут быть расположены выше, чем одна или более секций на выходе.
Как показано на фиг.1А и 5, вакуумные рама и коллектор помещены поверх несущих элементов, а фильтр помещен сверху так, что вакуумные рама и коллектор состыкованы с обратной стороной фильтра (фиг.1А и 6). Вакуумные рама и коллектор и фильтр прикреплены к несущим элементам зажимными устройствами, например, клиновыми зажимами. К коллектору, к патрубкам 3, соответствующей соединительной системой прикреплены вакуумные трубопроводы, которые выходят наружу вибрационного сита, где присоединяются к вакуумной и сепарационной системе 50.
Помимо этого, вакуумные коллектор и рама имеют уплотнитель 9, проходящий вокруг с четырех сторон для обеспечения надежного соединения между рамой и коллектором, и предотвращения утечки текучих сред. В предпочтительном варианте, уплотнитель 9 представляет собой устойчивую к действию растворителей прокладку, например, Viton™ или нитриловый каучук.
Также желательно, чтобы фильтр можно было снимать с вакуумной рамы 6 без снятия с несущих балок 20 вакуумных коллектора и рамы.
Примеры
Первые испытания системы были проведены в ходе бурильных работ в Nabors 49, на буровой установке в Скалистых Горах в Канаде. Испытания проводились в процессе бурения с использованием инверсионно-эмульсионного бурового раствора на нефтяной основе. Параметры скважины и используемого в процессе бурения бурового раствора показаны в Таблице 1 и соответствуют типичным параметрам скважины и бурового раствора.
| Таблица 1 | |
| Параметры бурового раствора | |
| Глубина | 4051 м |
| T.V. Глубина | 3762 м |
| Плотность | 1250 кг/м3 |
| Градиент давления | 12,3 кПа/м |
| Гидростатическое давление | 46132 кПа |
| Вязкость по Маршу | 45 с/л |
| Пластическая вязкость | 10 МПа·с |
| Предел текучести | 2 пуаз |
| Стойкость геля | 1/1,5 Па 10 с/10 мин |
| Соотношение нефть/вода | 90:10 |
| НТНР | 16 мл |
| Фильтрационный осадок | 1 мм |
| Хлориды | 375714 мг/л |
| Содержание песка | следы |
| Содержание твердых частиц | 12,88% |
| Высокая плотность | 402 кг/м3 (9,46 мас.%) |
| Низкая плотность | 89 кг/м3 (3,42 мас.%) |
| Выкидная линия для бурового раствора | 42°С |
| Избыточная известь | 22 кг/м3 |
| Активность воды | 0,47 |
| Электростабильность | 396 В |
| Плотность нефти | 820 кг/м3 |
Вакуумные испытания проводились на вибрационном сите типа Mi-Swaco Mongoose.
Для первого испытания была присоединена только одна сторона вакуумной системы, поэтому соответствующие образцы могли отбираться с обеих сторон фильтра для получения количественной и качественной оценки влияния вакуума на процесс разделения.
Вакуумная система включала вакуумную установку Westech S/N 176005 Model.-Hibon vtb 820 (максимальный расход 1400 куб.фут/мин). В процессе испытания вакуумная установка создавала разрежение 23 дюйма рт.ст. в вакуумном коллекторе размером 22 дюйма ×1 дюйм. Использовался фильтр 84 меша (т.е. с сечением, открытым на 50%, поэтому фактическое сечение потока через фильтр составляло 0,07625 кв. фут). В процессе работы поток обломков породы проходил этот вакуумный промежуток примерно за 3 с.
В собранных в процессе испытания образцах наблюдалось заметное различие между образцами, обработка которых производилась над вакуумным стержнем, и образцами, прошедшими через секцию без вакуумной обработки.
Качественно, обломки породы, подвергшиеся вакуумной обработке, были более гранулированными и сухими (сходными по консистенции с полусухим цементом), в то время как необработанные (без воздействия вакуума) обломки породы имели шламоподобную текстуру, типичную для обломков породы с высоким содержанием нефти.
Полученные в испытании образцы затем подвергались дистилляции (образцы по 50 мл) с использованием стандартной реторты для перегонки нефти в эксплуатационных условиях. Результаты ретортного анализа в эксплуатационных условиях сведены в Таблице 2.
| Таблица 2 | |||||||||
| Испытание | Образец (г) | Нефть (мл) | Вода (мл) | Нефть (г/см3) | Нефть (г) | Нефть % | Вода % | Мас.% извлеченной нефти/мас.% обломков породы | Об.% извлеченной нефти/об.% обломков породы |
| 1 (вакуум) | 90 | 14,5 | 2,0 | 0,82 | 11,9 | 88 | 12 | 13,8 | 29,00 |
| 2 (без вакуума) | 97 | 18,9 | 2,1 | 0,82 | 15,5 | 90 | 10 | 15,99 | 37,80 |
Эти результаты показывают, что примерно 3-секундное воздействие разрежения дает значительный эффект. В частности, испытание 1 показало, что воздействие разрежения улучшило извлечение нефти из обломков породы примерно на 8% по объему.
В процессе испытания было обнаружено, что чрезмерно высокие и(или) неизменные вакуумное разрежение и скорость воздушного потока на 1-дюймовом фильтре могут подавить вибрации фильтра и задержать обломки на экране, тем самым предотвращая успешное удаление обломков с сита. В результате, оказывается предпочтительной конструкция вакуумной системы и фильтра, показанная на фиг.5, где разрежение прикладывается по области примерно 7-10 дюймов (обычно примерно 5-15% длины фильтра), поскольку при этом может быть осуществлено лучшее управление разрежением. Здесь важно, чтобы для сведения к минимуму повреждений обломков породы при прохождении их по фильтру, положение области вакуума должно быть таким, чтобы слой бурового раствора между обломками выбуренной породы и фильтром был минимальным в точке, где они подвергаются воздействию вакуума, и чтобы "высушенные" обломки, на которых нет слоя бурового раствора, не сцеплялись с фильтром надолго, что ведет к повреждению обломков и создает мелкодисперсные фракции, которые могут пройти фильтр.
Кроме того, в качестве средства эффективного удаления бурового раствора с обломков породы могут быть использованы пульсации или постоянные изменения вакуумного разрежения. Частота таких пульсаций и(или) величина пульсаций давления могут быть переменными для предотвращения прихватывания обломков на фильтре, и также для уменьшения продолжительности контакта обломков с фильтром.
Кроме того, известно, что буровые растворы при подаче на вибрационное сито часто вспениваются из-за того, что растворенные в них газы на поверхности расширяются, что и приводит к вспениванию
В прошлом это вспенивание бурового раствора мешало работе вибрационного сита и, в зависимости от силы проявления вспенивания, приходилось добавлять пеногасящие присадки для обеспечения эффективного отделения бурового раствора на вибрационном сите. В соответствии с изобретением, использование вакуума не только гасит пену в буровом растворе;
было замечено, что у вспененного бурового раствора под воздействием вакуума также улучшается его отделение от обломков породы, при этом количество бурового раствора, оставшееся на обломках породы, может снизиться на 1 мас.%. В результате, в одном варианте осуществления, изобретение предлагает эффективный способ обеспенивания бурового раствора при обработке на вакуумном вибрационном сите. Кроме того, буровой раствор также может быть подвержен пеноудаляющей обработке сжатым газом с тем, чтобы способствовать дальнейшему процессу разделения на вакуумном вибрационном сите. Обесценивание может быть достигнуто различными способами, включая, среди прочего, помещение распределителя 100 (с системой инжекции газа) в поток текучей среды перед ее прохождением над вибрационным ситом (фиг.12). Кроме того, вакуум также оказывает дегазирующее воздействие, что также может служить в качестве средства раннего предупреждения в случае, если в буровом растворе содержится большое количество опасных газов. Как будет более подробно показано ниже, один или более газовых датчиков 101, расположенных под фильтрами, могут давать сигнал о значительном количестве газа, включающий оборудование дегазации.
Анализ стоимости
На фиг.7 представлены результаты анализа выигрыша в затратах, получаемого при использовании системы разделения в соответствии с изобретением. Как видно из данных, вычисление объемов бурового раствора и объемов обломков выбуренной породы основано на конкретной длине и диаметре буровых скважин.
В таблице на фиг.7 показано, что при условии выполнения 8-дневной программы бурения, только при уменьшении на 3 мас.% количества бурового раствора, оставшегося на обломках породы, экономия в стоимости текучих сред составит $7291 за счет извлечения бурового раствора стоимостью $900 за куб. метр.
Как будет показано ниже, приведенные оценки являются заниженными, поскольку улучшение может составлять более 3 мас.%, и стоимость бурового раствора может быть значительно выше. Например, если, в другой ситуации, на типовой установке извлекается более 2,4 кубометра бурового раствора в день стоимостью $1650/м3, экономия составит по меньшей мере $4000 в день.
По сравнению с существующими, или обычными сепарационными системами, где требуются расходы по монтажу и демонтажу существующего оборудования для обработки обломков выбуренной породы, а также арендная плата в размере $1500-$2000 в день, использование обычного оборудования обработки обломков породы в качестве средства сокращения общих расходов по выполнению программы бурения нерентабельно. Система в соответствии с настоящим изобретением, напротив, может быть использована при значительно более низких дневных затратах и поэтому позволяет компании, выполняющей бурение, достигнуть рентабельности при извлечении текучей среды.
Другие полевые испытания
Были проведены другие полевые испытания, результаты которых представлены в Таблице 3.
| Таблица 3 | ||||||||||
| Полевые испытания с изменяемыми размерами фильтра и параметрами вакуума | ||||||||||
| Тест | Меш фильтра (№ меша) | Площадь пропускного сечения фильтра (%) | Расход вакуум-насоса (фут3/мин) | Размеры вакуумного коллектора | Вакуум (дюймов рт. ст.) | Площадь пропускного сечения вакуума (фут2) | Расчетная воздушная скорость (фут/мин) | Нефть на обломках породы (мас.%) | Примечания | |
| Ширина (дюйм) | Длина (дюйм) | |||||||||
| 1 | 84 | 49,80 | 1400 | 0,17 | 2 | 23 | 0,17 | 8434 | 7 | Обломки прихватило |
| 2 | 84 | 47,90 | 400 | 0,17 | 4 | 21 | 0,32 | 1253 | 8 | Работоспособна |
| 3 | 84 | 49,80 | 400 | 0,50 | 4 | 16 | 1,00 | 402 | 8,5 | Работоспособна |
| 4 | 84 | 47,90 | 0 | 0,50 | 4 | 0 | 1,92 | 0 | 19 | Без вакуума |
| 5 | 84 | 49,80 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,99 | 201 | 9 | Работоспособна |
| 6 | 105 | 46,90 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,88 | 213 | 8 | Работоспособна |
| 7 | 130 | 47,0 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,88 | 213 | 7,6 | Работоспособна |
| 8 | 145 | 46,40 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,86 | 216 | 7,2 | Работоспособна |
| 9 | 130 | 47,00 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,86 | 216 | 6,2 | Работоспособна |
| 10 | 130 | 47,00 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,86 | 216 | 5,8 | Работоспособна |
| 11 | 130 | 47,00 | 400 | 0,50 | 4 | 7 | 1,86 | 216 | 5,6 | Работоспособна |
Представленные данные показывают влияние различного расхода вакуумного потока, размеров коллектора, давления вакуума, расчетной воздушной скорости и измеренного количества бурового раствора, оставшегося на обломках. В тестах использовались фильтры с размерами ячейки 84, 105, 130 и 145 меша. В каждом случае вакуумный насос работал с расходом 400 куб.фут/мин, за исключением Теста 1, где использовались очень высокие расходы, и Теста 4, проводимого без воздействия вакуума. Для каждого теста и для каждых размеров коллектора, наблюдаемое манометрическое разрежение регистрировалось и составляло от 7 до 23 дюймов рт.ст. Максимальное манометрическое разрежение, которое мог создавать вакуум-насос, составляло 27 дюймов рт.ст. при полностью закрытых вакуумных патрубках. С учетом размеров коллектора и расхода вакуумного насоса вычислялась расчетная воздушная скорость. При этом расчетная воздушная скорость в Тесте 1, где площадь пропускного сечения коллектора составляла 0,17 кв.фута, была примерно 8400 фут/мин.
Тест 1 показывает результаты при высокой расчетной воздушной скорости через фильтр. Такая скорость привела к прихватыванию обломков на фильтре и накоплению обломков в этой области. Потребовалась остановка вибрационного сита через несколько минут работы для очистки вакуумной области от обломков породы. Результаты показывают, что высокая воздушная скорость дает эффект в удалении текучей среды с обломков (на обломках остается 7 мас.% текучей среды), однако из-за необходимости ручной очистки обломков возможности применения невелики.
Тесты 2 и 3 демонстрируют влияние увеличения площади сечения коллектора с соответствующим снижением воздушной скорости. В каждом из этих случаев работоспособность системы сохранялась, т.е. обломки не прихватывались к фильтру, и была возможна непрерывная работа.
Тест 4 показывает контрольные характеристики вибрационного сита с выключенным вакуумом. В этом случае количество оставшегося на обломках породы бурового раствора составляло 19 мас.%
Тесты 5-11 иллюстрируют влияние изменения размера ячейки фильтра на количество бурового раствора, оставшегося на обломках породы. Следует отметить, более тонкий фильтр (например, 130 меш) позволил снизить количество бурового раствора на обломках породы до 5,6 мас.%.
С точки зрения практического использования, полученные обломки с оставшимися на них 5-9 мас.% бурового раствора имеют вид и консистенцию полусухого цемента.
В таблице 4 показаны другие параметры различных образцов, извлеченных с поверхности фильтра 130 меша, и соотношение материалов для расчета мас.% и об.% количества бурового раствора, оставшегося на обломках породы.
| Таблица 4 | |||||||||||
| Характерные параметры извлеченных образцов на фильтре 130 меш | |||||||||||
| № меша фильтра | Плотность нефти (кг/м3) | Кажущаяся плотность твердого вещества (кг/м3) (полученного над фильтром) | Реторта(50 мл) (после дистилляции) | Концентрация высокой плотности | Концентрация низкой плотности | Нефть на обломках | |||||
| Нефть (мл) | Вода (мл) | Твердое вещество (мл) | (кг/м3) | % | кг/м3 | % | Мас.% | Об.% | |||
| 130 | 818 | 2751 | 11,0 | 2,0 | 37,0 | 33,0 | 0,80 | 284,0 | 10,72 | 8,7 | 22,0 |
| 130 | 818 | 2751 | 8,5 | 2,0 | 39,5 | 33,0 | 0,80 | 284,0 | 10,72 | 6,3 | 17,0 |
| 130 | 818 | 2706 | 8,0 | 2,0 | 40,0 | 13,0 | 0,32 | 208,0 | 7,85 | 5,9 | 16,0 |
| 130 | 818 | 2706 | 8,5 | 2.0 | 39,0 | 13,0 | 0,32 | 208,0 | 7,85 | 6,4 | 17,0 |
| 130 | 818 | 2662 | 7,5 | 2,0 | 40,5 | 2,0 | 0,05 | 149,0 | 5,62 | 5,6 | 15,0 |
На фиг.8-11 представлено сравнение извлеченных буровых растворов в различных системах фильтров. На фиг.8 и 9 показано влияние активного подхода к разделению фильтром, использующего роторное вакуумное устройство, в соответствии с уровнем техники. В роторном вакуумном устройстве обломки попадают на вращающуюся трубу фильтра, к которой приложено сильное вакуумное разрежение. Текучая среда высасывается на наружную поверхность трубки, когда обломки перекатываются друг по другу при вращении трубы. На фиг.8 и 9 показаны измеренные и представленные графически свойства бурового раствора (на некоторой глубине) при использовании роторного вакуумного разделения. Те же свойства были измерены и графически представлены на фиг.10 и 11 для сепарации бурового раствора с использованием вакуумной фильтрации в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фиг.8 и 9, реологические свойства, например, пластическая вязкость (PV - от англ. plastic viscosity) и 10-минутная стойкость геля, подверглись существенному изменению с течением времени в результате физической деградации выбуренных обломков породы под действием вращения вакуумной установки, и был зарегистрирован существенный рост обеих этих величин. В сравнении с ними, показанные на фиг.10 и 11 пластическая вязкость и 10-минутная стойкость геля для предложенной в изобретении технологии остались неизменными. В случае вакуумной фильтрации также благоприятна и зависимость стойкости эмульсии, демонстрирующая рост.
Таким образом, предложенная в изобретении технология направлена на решение ключевых проблем существующих систем, в которых результатом активного отделения буровых растворов являются существенные и негативные воздействия на реологию бурового раствора. Другими словами, предложенная технология сохраняет реологию и, в частности, пластическую вязкость, 10-минутную стойкость геля и может улучшить стойкость эмульсии, путем существенного сокращения концентрации твердого вещества в извлеченной текучей среде так, что реология извлеченной текучей среды не подвергается существенному влиянию.
Кроме того, проведенное после обработки сравнение бурового раствора, извлеченного роторным вакуумным устройством с использованием стандартной центрифуги, и вакуумным фильтром, для демонстрации снижения образования мелких частиц, показало, что буровой раствор, полученный вакуумным фильтром, имел содержание мелких частиц, составляющее долю (менее 10 об.%) от содержания мелких частиц в буровом растворе, обработанном на роторном вакуумном сепараторе.
Далее, использование вакуумного фильтра, в соответствии с изобретением, также оказывает положительное влияние на реологию текучей среды, способствуя окислению жирных кислот в буровом растворе на основе нефти, что может улучшить использование эмульгаторов в скважине. На фиг.13 приведены результаты сравнения использования основного и вторичного эмульгаторов в скважинах, где применяется сепарация вакуумным фильтром и роторно-вакуумным сепаратором. Показано, что при использовании вакуумного фильтра не требуется добавления эмульгатора или требуется незначительное его добавление в извлеченный буровой раствор в процессе буровых работ, в то время как в скважинах с роторно-вакуумным сепаратором требуются дополнительные эмульгаторы. В частности, там, где могут быть окислены эмульгаторы жирных кислот, использование вакуумных фильтров может способствовать окислению этих жирных кислот за счет смешивания мощного воздушного потока с буровым раствором, что способствует окислению жирных кислот. Например, результатом улучшенного окисления эмульгаторов ненасыщенных жирных кислот могут стать улучшенные эмульгирующие свойства повторно используемого бурового раствора после того, как такой буровой раствор повторно вводится в скважину. При этом по мере окисления жирных кислот, окисление противодействует потенциальному вредному влиянию на обломки породы, способствуя сохранению вязкости текучей среды, в которую не требуется введения дополнительных эмульгаторов, чем улучшается рентабельность химического обеспечения буровых работ.
Другие возможности по конструкции и эксплуатации
Регулируемое разрежение
Понятно, что оператор установки может установить величину разрежения, размер фильтра и(или) площадь вакуумного воздействия исходя из оптимизации отделения бурового раствора для конкретных условий работы.
Помимо этого, в других вариантах осуществления возможна регулировка величины разрежения и области вакуумного воздействия в зависимости от соотношения площадей вакуумного коллектора и обратной стороны фильтра. Например, вакуумный коллектор может иметь перекрывающиеся пластины, что позволит оператору легко увеличивать или уменьшать ширину коллектора с тем, чтобы в процессе работы площадь пропускного сечения коллектора могла быть изменена посредством соответствующей системы регулирования для оптимизации разделения обломков породы и текучей среды, в частности изменением времени, в течение которого обломки подвергаются воздействию разрежения.
Очистка фильтра
Другим важным преимуществом предложенной системы являются пониженные требования к очистке фильтра. Как известно из практики, в недоработанных установках вибрационных фильтров необходимо, чтобы фильтр, в особенности его выходные области, подвергались периодической очистке из-за засорения фильтра. В случае вакуумной системы, напротив, столь частой очистки фильтра не требуется, что при использовании органических текучих сред сводит к минимуму риск для здоровья из-за вредных испарений, вдыхаемых персоналом, выполняющим эту работу.
Выбор размера фильтра
В конечном счете, выбор размеров фильтра будет сделан, в основном, с учетом вязкости бурового раствора, при этом оператор может выбрать более тонкий фильтр для текучей среды с малой вязкостью, и более грубый фильтр для более вязких текучих сред. Оператор, однако, обычно выбирает наиболее тонкий фильтр для данной вязкости бурового раствора, что обеспечит желаемое или оптимальное количество текучей среды, оставшейся на обломках породы.
Конструкция фильтра
Далее, поскольку кассеты вибросита обычно не бывают одинакового размера даже у вибрационных сит одной и той же модели, в конструкции фильтра могут быть сделаны различные модификации для того, чтобы обломки породы не попадали в зазоры, которые могут существовать в установке. Например, часто может существовать зазор между краем фильтра и кассетой вибрационного сита, в результате чего обломки породы и(или) буровой раствор проходят в этот зазор и далее между фильтром и вакуумным коллектором, даже и с установленной прокладкой. Таким образом, при различном размещении и(или) в вибрационных ситах различных моделей, могут потребоваться усовершенствованные уплотнительные системы, например, фланец, выступающий из коллектора в корпус фильтра для улучшения герметизации, и(или) добавление материала прокладки со стороны фильтра между стороной фильтра и кассетой для предотвращения выпадения твердого вещества в нижнюю область лотка.
Газоанализатор
Также желательно установить газоанализатор 101 в приемную вакуумную зону и(или) под фильтром для обнаружения накопления вредных газов в камере. Газоанализатор может быть использован в качестве средства предупреждения оператора для использования средств дегазации.
Исходное оборудование
В приведенном выше описании вариантов осуществления подчеркивалась возможность встраивания вакуумной системы в различные конструкции известных вибрационных сит. Однако вакуумная система также может быть введена в новые конструкции вибрационных сит, как должно быть понятно специалистам. Также понятно, что возможность встраивания предложенной конструкции в различные существующие вибрационные сита может иметь пространственные ограничения на предпочтительном для использования выходном конце вибрационного сита. Однако многие из вышеописанных преимуществ могут быть реализованы при использовании вакуумной системы, расположенной в другой части вибрационного сита, включая среднюю часть фильтрующего слоя вибрационного сита.
Кроме того, могут быть реализованы другие конструкции в системе соединений между вакуумным коллектором и фильтрующими слоями, в зависимости от конкретной конструкции вибрационного сита. Например, в вибрационных ситах с натянутыми фильтрами будут использоваться другие системы соединений и герметизации для обеспечения эффективного присоединения к обратной стороне фильтра.
Монтаж системы
Также желательно установить вакуумную систему ниже уровня вибрационного сита с тем, чтобы собранная текучая среда не только всасывалась, но и стекала в вакуумную камеру. Благодаря этому снизится вероятность того, что медленно движущиеся обломки породы (текучая среда) будут накапливаться в системе трубопровода, проходящего между вакуумными средствами и соединителем фильтра с источником разрежения.
Акселерометры/Тензодатчики
В другом варианте осуществления, вибрационное сито имеет один или более акселерометров и(или) тензодатчиков, функционально соединенных с одной или более точками на вибрационном сите. Датчики приспособлены для косвенных измерений относительной суммарной массы бурового раствора и обломков породы на вибрационном сите для получения качественной и(или) количественной оценки массы текучей среды/обломков породы на вибрационном сите в различных точках. Таким образом, определив массу текучей среды/обломков породы в одном месте, и сравнив ее с массой текучей среды/обломков породы в другом месте, можно найти степень разделения бурового раствора и обломков породы. Эти данные могут быть использованы для управления работой вибрационного сита и(или) вакуумной системы.
Композиционные материалы
Согласно еще одной особенности, вибрационное сито может быть выполнено из легких материалов, например, композиционных материалов, вместо используемой в настоящее время стали. За счет использования композиционных материалов, например, стеклопластика, Кевлара, и(или) углеволокна, может быть снижена масса части вибрационного сита, совершающая возвратно-поступательное движение (включая раму фильтра и связанные с ней вибрирующие элементы), получены более высокие частоты вибрации благодаря снижению момента инерции вибрационного сита, и достигнуто лучшее управление амплитудой вибрации сита. Другими словами, при использовании конструкции с композиционными материалами, вибрация обломков выбуренной породы и текучей среды может проводиться с более высокими частотами, что приведет к снижению вязкости буровых растворов, обычно тиксотропных по своей природе. Полученное в результате снижение вязкости обеспечит лучшее разделение текучей среды и обломков породы.
Кроме того, вибрационное сито из композиционных материалов будет достаточно легким для того, чтобы под кассетой вибрационного сита могли быть установлены тензометрические датчики и акселерометры для контролирования потока массы по ситу таким образом, чтобы оператор мог знать относительное количество обломков выбуренной породы, непрерывно поступающей из скважины. Эта информация, вместе с данными об известной скорости проходки и диаметре ствола скважины может быть использована для регулирования параметров текучей среды, как правило, вязкости, для оптимизации извлечения обломков породы из буровой скважины в процессе выемки породы.
Хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано на примере предпочтительных вариантов осуществления и использования изобретения, изобретение не сводится только к ним, поскольку в нем могут быть сделаны модификации и изменения в пределах полной предполагаемой области притязаний изобретения.
1. Устройство для улучшения отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы на вибрационном сите, содержащее:
по меньшей мере один фильтр вибрационного сита, имеющий верхнюю сторону и нижнюю сторону, на который внутри вибрационного сита опираются обломки выбуренной породы, загрязненные буровым раствором;
воздушную вакуумную систему, функционально размещенную и соединенную с по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита или секцией по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита для всасывания через них рабочего объема воздуха для усиления проходящего через них потока бурового раствора и отделения бурового раствора от обломков выбуренной породы; и
систему сбора бурового раствора для сбора отделенного бурового раствора с обратной стороны фильтра и воздушной вакуумной системы;
при этом воздушная вакуумная система способна втягивать объем воздуха через упомянутые по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита, обеспечивающий сведение к минимуму разрушение обломков выбуренной породы с одновременным увеличением количества бурового раствора, извлекаемого из обломков выбуренной породы, и поддержания рабочего потока обломков выбуренной породы, выходящего с вибрационного сита, без их прихватывания на упомянутых по меньшей мере одном фильтре вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
2. Устройство по п.1, в котором воздушная вакуумная система содержит:
вакуумный коллектор для функциональной связи с вибрационным ситом и по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита или секцией по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита;
вакуумный трубопровод, функционально соединенный с вакуумным коллектором, и вакуумный насос, функционально соединенный с вакуумным трубопроводом.
3. Устройство по п.2, дополнительно содержащее систему отделения текучей среды от газа, функционально соединенную с вакуумным насосом.
4. Устройство по п.3, в котором система отделения текучей среды от газа представляет собой многоступенчатую систему отделения текучей среды.
5. Устройство по любому из пп.2-4, в котором вакуумный коллектор имеет воронкообразную часть для функционального соединения с вакуумным трубопроводом.
6. Устройство по п.5, в котором вакуумный коллектор расположен вблизи выходного конца по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
7. Устройство по п.2, в котором вакуумный коллектор занимает до 75% полной длины по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита в направлении его входного конца.
8. Устройство по п.7, в котором вакуумная система занимает до 33% полной длины по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита в направлении его входного конца.
9. Устройство по п.2, в котором вакуумная система занимает до 15% полной длины по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита в направлении его входного конца.
10. Устройство по п.2, в котором вакуумный насос может регулироваться для управления разрежением.
11. Устройство по п.10, в котором вакуумный насос создает пульсирующее разрежение.
12. Устройство по п.2, в котором вакуумный коллектор приспособлен для стыковки с по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита или секцией по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита вдоль 5-15% длины фильтрующего слоя.
13. Устройство по п.2, в котором вакуумный коллектор включает систему управления положением для изменения положения вакуумного коллектора относительно по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
14. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секция по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита включают раму вибрационного сита, и рама вибрационного сита и присоединенные к ней вибрирующие элементы изготовлены из композиционных материалов.
15. Устройство по п.1, в котором каждый фильтр вибрационного сита имеет ячейки 50-325 меша или комбинацию таких ячеек.
16. Устройство по п.1, в котором каждый фильтр вибрационного сита имеет ячейки 80-150 меша или комбинацию таких ячеек.
17. Устройство по п.1, в котором вакуумная система способна втягивать воздух через по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита со скоростью менее 8400 фут/мин.
18. Устройство по п.17, в котором скорость достаточна для получения на выходе вибрационного сита обломков выбуренной породы с консистенцией полусухого цемента.
19. Устройство по п.2, в котором коллектор включает фланец с лежащей на нем прокладкой и по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секция по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита функционально соединены с прокладкой и фланцем.
20. Устройство по п.1, в котором на обломках породы остается менее 12 мас.% бурового раствора.
21. Устройство по п.1, в котором на обломках породы остается менее 10 мас.% бурового раствора.
22. Устройство по п.1, в котором на обломках породы остается менее 8 мас.% бурового раствора.
23. Устройство по п.1, в котором на обломках породы остается менее 6 мас.% бурового раствора.
24. Устройство по п.1, дополнительно содержащее устройство впрыскивания воздуха для управляемого впрыска сжатого газа в буровой раствор для вспенивания бурового раствора перед его контактом с по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита.
25. Устройство по п.1, дополнительно содержащее газоанализатор в вакуумной системе для измерения количества и (или) состава газа, выделяемого из бурового раствора.
26. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере одну систему измерения массы, функционально связанную с вибрационным ситом для измерения относительной массы обломков выбуренной породы и текучей среды на вибрационном сите.
27. Устройство по п.26, в котором система измерения массы включает по меньшей мере два датчика, расположенные в разных местах на фильтрующем слое вибрационного сита, и систему отображения для вывода данных об относительной массе на вибрационном сите в различных его местах.
28. Устройство по п.1, дополнительно содержащее распределитель, функционально соединенный с вибрационным ситом для инжекции газа в буровой раствор перед подачей бурового раствора на фильтр вибрационного сита.
29. Устройство по п.1, в котором воздушная вакуумная система выполнена с возможностью соединения с вибрационным ситом для его модернизации.
30. Способ оптимизации работы вибрационного сита для обломков выбуренной породы, при осуществлении которого:
а) помещают обломки выбуренной породы, загрязненные буровым раствором, на входной конец фильтрующего слоя вибрационного сита, имеющего по меньшей мере один фильтр вибрационного сита;
б) обеспечивают поток воздуха через по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита, достаточный для эффективного сокращения количества бурового раствора, оставшегося на обломках породы, до более низкого уровня, чем получаемый при отсутствии указанного потока воздуха, и за счет этого потока воздуха сводят к минимуму повреждение обломков породы, одновременно увеличивая количество извлеченного бурового раствора из обломков породы без прихватывания обломков выбуренной породы на вибрационном сите.
31. Способ по п.30, в котором собирают буровой раствор с обратной стороны по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита, при этом пластическая вязкость бурового раствора по существу эквивалентна пластической вязкости исходного бурового раствора перед его подачей в скважину.
32. Способ по п.30, в котором количество бурового раствора, оставшегося на обломках породы после шага (б), составляет менее 12 мас.%.
33. Способ по п.30, в котором количество бурового раствора, оставшегося на обломках породы после шага (б), составляет менее 10 мас.%.
34. Способ по п.30, в котором количество бурового раствора, оставшегося на обломках породы после шага (б), составляет менее 8 мас.%.
35. Способ по п.30, в котором количество бурового раствора, оставшегося на обломках породы после шага (б), составляет менее 6 мас.%.
36. Способ по п.30, в котором разрежением воздействуют по области, размер которой составляет до 75% полной длины по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
37. Способ по п.30, в котором разрежением воздействуют по области, размер которой составляет до 33% полной длины по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
38. Способ по п.30, в котором разрежением воздействуют на 5-15% по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита или секции по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
39. Способ по п.30, в котором воздушный поток достаточен для получения на выходе вибрационного сита обломков выбуренной породы с консистенцией полусухого цемента.
40. Способ по п.30, в котором скорость воздушного потока составляет менее 8400 фут/мин.
41. Способ по п.30, в котором скорость воздушного потока составляет от 201 до 1253 фут/мин.
42. Способ по п.30, в котором скорость воздушного потока составляет от 201 до 402 фут/мин.
43. Способ по п.30, в котором скорость воздушного потока составляет от 201 до 216 фут/мин.
44. Способ по п.30, в котором управляют воздушным потоком для вспенивания бурового раствора.
45. Способ по п.30, в котором вспенивают буровой раствор перед его контактом с по меньшей мере одним фильтром вибрационного сита или секцией по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита.
46. Способ по п.30, в котором извлекают из бурового раствора газ и измеряют его количество внутри вакуумной системы.
47. Способ по п.30, в котором управляют воздушным потоком через вакуумный фильтр для окисления жирных кислот в буровом растворе.
48. Устройство по п.1, в котором вакуумная система способна всасывать воздух через по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита со скоростью от 201 до 1253 фут/мин.
49. Устройство по п.1, в котором вакуумная система способна всасывать воздух через по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита со скоростью от 201 до 402 фут/мин.
50. Устройство по п.1, в котором вакуумная система способна всасывать воздух через по меньшей мере один фильтр вибрационного сита или секцию по меньшей мере одного фильтра вибрационного сита со скоростью от 201 до 216 фут/мин.
