No processo de perfuração, o excelente desempenho do fluido de perfuração é um pré-requisito para melhorar a velocidade de perfuração, reduzir os custos de perfuração, prevenir acidentes no poço e proteger as formações produtoras de petróleo e gás. O sistema de controle de sólidos do fluido de perfuração é a garantia para manter o desempenho do fluido de perfuração.
Com o desenvolvimento da indústria de exploração de petróleo, as profundidades de perfuração estão aumentando constantemente e as formações encontradas estão se tornando cada vez mais complexas. Poços especiais como poços profundos, ultraprofundos, horizontais e de subpressão estão se tornando mais comuns, colocando demandas mais altas nos sistemas de controle de sólidos do fluido de perfuração.
Nos últimos anos, os sistemas de controle de sólidos têm visto melhorias significativas na tecnologia, desde tanques de circulação de fluido de perfuração até equipamentos de controle de sólidos, e o fluxo do processo tornou-se mais racional. No entanto, ainda existem muitas concepções errôneas em relação à correspondência dos sistemas de controle de sólidos.
1. Tanque de Circulação de Fluido de Perfuração.
O volume efetivo do tanque de circulação de fluido de perfuração deve ser suficiente para acomodar o volume máximo de circulação de fluido de perfuração durante a perfuração, e ter capacidade de reserva adequada. Ele também deve ser capaz de engajar prontamente na circulação e controlar o poço em emergências. Nos últimos anos, com a contínua expansão dos mercados internacionais e as crescentes demandas da tecnologia de perfuração em sistemas de controle de sólidos de fluidos de perfuração, tem havido um fenômeno de expansão cega do volume dos tanques de circulação de fluidos de perfuração.
O volume excessivo do sistema de controle de sólidos aumenta o custo de realocação da sonda de perfuração e os custos do fluido de perfuração. Portanto, um volume razoável é o objetivo buscado pelos usuários.
O tamanho de um único tanque e o número de tanques de circulação em um sistema de controle de sólidos são geralmente determinados com base em fatores como a altura da base da torre, as condições de transporte locais e o volume efetivo exigido pela sonda de perfuração. Espaço suficiente deve ser fornecido na superfície do tanque de circulação para acomodar equipamentos de controle de sólidos, agitadores e bombas de transferência de fluido de perfuração. Além disso, o espaço deve ser considerado para conectar tubulações, tanques de lama, acessórios, tubulações de sucção e descarga de bombas, tubulações de água e outros equipamentos. O volume de cada compartimento é determinado principalmente pelo espaço de instalação disponível para equipamentos de controle de sólidos, como peneiras vibratórias, dessaboador, dessiltador e centrífugas, bem como seus equipamentos auxiliares.
2. Fluxo do Processo do Sistema de Controle de Sólidos e Correspondência de Equipamentos.
O fluxo do processo do sistema de controle de sólidos deve atender aos requisitos de cinco estágios de controle de sólidos do fluido de perfuração (peneiramento — desgaseificação — dessaboador — dessiltador — centrifugação) e densificação da lama. A correspondência otimizada dos equipamentos de controle de sólidos é crucial. As capacidades de processamento dos estágios 1-5 dos equipamentos de controle de sólidos devem ser mutuamente correspondentes, com espaçamento apropriado entre os tamanhos de partículas separados e um certo grau de sobreposição, permitindo que partículas menores não completamente processadas pelo estágio anterior ainda sejam processadas pelo próximo estágio.
2.1 Processo de Purificação e Circulação de Fluido de Perfuração.
A lama do cabeçalho do poço retornada por meio de tubulações pode ser transportada individualmente ou simultaneamente para várias peneiras vibratórias. Após o processamento pelas peneiras vibratórias, ela entra na câmara de assentamento de areia. A lama que transborda da câmara de assentamento de areia entra na câmara de dessaboador através do tanque de lama (se ocorrer intrusão de gás na lama, um desgaseificador a vácuo pode ser ativado para aspirar lama da câmara de desgaseificação antes que ela entre na câmara de dessaboador).
A lama processada pelo dessaboador entra na câmara de dessiltador. A lama processada pelo dessiltador entra na câmara de centrífuga através do tanque de lama. A lama processada pela centrífuga entra na câmara de sucção do fluido de perfuração através do tanque de lama. Ela é então bombeada repetidamente para o poço para reutilização pela bomba de perfuração. Um fluxograma mais razoável para o sistema de controle de sólidos do fluido de perfuração é mostrado na figura abaixo.
2.2 Fluxo do Processo e Seleção de Peneiras Vibratórias.
Os cascalhos de perfuração gerados no fundo do poço durante a perfuração são transportados para a superfície pelo fluido de perfuração. As peneiras vibratórias são o primeiro, mais rápido e de maior volume equipamento de controle de sólidos para remover cascalhos de perfuração, e são um dispositivo essencial de tratamento de primeira etapa para perfuração.
O nível técnico de uma peneira vibratória é principalmente refletido em sua capacidade de processamento (volume de processamento e partículas separadas), confiabilidade operacional, vida útil e facilidade de operação e manutenção. Com o tamanho, conteúdo e viscosidade das partículas sólidas do fluido de perfuração permanecendo constantes, quanto maior a tensão de cisalhamento dinâmica nas partículas sólidas, maior a resistência inicial ao movimento das partículas e menor a velocidade de transporte das partículas.
A pesquisa teórica sobre peneiras vibratórias no exterior reconheceu totalmente este ponto. Antes que o fluido de perfuração flua do distribuidor para a peneira vibratória, uma calha de impacto de fluido de perfuração é instalada para evitar a abrasão direta da tela pelo fluido de perfuração, minimizando a tensão de cisalhamento dinâmica no fluido de perfuração retornado do cabeçalho do poço.
Não apenas a força e o movimento das partículas sólidas são mais racionais, mas também reduz o vazamento de fluido de perfuração e aumenta a vazão de fluido de perfuração, estendendo a vida útil da tela. No entanto, devido a diferenças em materiais, tecnologia de processamento, precisão de processamento e equipamentos gerais compatíveis entre os fabricantes, o desempenho técnico real dos produtos varia significativamente.
Portanto, ao selecionar uma peneira vibratória, é crucial entender os materiais, a tecnologia de processamento, a precisão de processamento e os equipamentos gerais compatíveis em detalhes, em vez de simplesmente confiar nos parâmetros técnicos declarados. Além de selecionar uma tela adequada com base na distribuição do tamanho das partículas sólidas, outro fator importante a ser considerado ao escolher uma peneira vibratória é sua vazão permitida. A capacidade de vazão da peneira vibratória deve ser capaz de acomodar a taxa máxima de descarga durante a perfuração.
Fatores que afetam a vazão da peneira vibratória incluem seus próprios parâmetros de movimento, tipo de fluido de perfuração, densidade, viscosidade, distribuição e conteúdo de tamanho de partícula sólida, e tamanho da tela. Para atender aos requisitos de altas taxas de descarga, às vezes 2-3 peneiras vibratórias precisam ser usadas em paralelo.
2.3 Processo de Trabalho e Equipamentos de Hidrociclone.
A maioria dos fabricantes de equipamentos de controle de sólidos em meu país pode produzir hidrociclones, ou seja, dessaboador e dessiltador. O principal indicador de qualidade para hidrociclones é a resistência ao desgaste, e seu desempenho é determinado principalmente pelo tamanho da partícula de separação, D50. Um D50 menor indica melhor eficiência de separação.
Ao configurar dessaboador e dessiltador, é importante garantir que as faixas de separação de partículas tenham espaçamento e sobreposição suficientes. De acordo com os padrões de classificação e os tamanhos de partículas de separação de hidrociclones, hidrociclones com um diâmetro interno de voluta cilíndrica de Φ150–300 mm e um tamanho de partícula de separação de 44–74 μm são classificados como dessaboador.
Hidrociclones com um diâmetro interno de voluta cilíndrica de Φ100–125 mm e um tamanho de partícula de separação de 15–44 μm são classificados como dessiltador. No entanto, muitos dessaboador e dessiltador realmente usados em campo separam partículas de tamanhos semelhantes (dessaboador para 20–50 μm e dessiltador para 15–45 μm). O fluido de perfuração tratado por um dessaboador é então tratado por um dessiltador, tornando o dessiltador ineficaz na remoção de partículas sólidas. A principal razão para isso é que muitos hidrociclones são mal fabricados e não atendem aos requisitos do processo de perfuração. Portanto, muitos usuários optam por uma configuração de dois dessaboador em vez de um único dessaboador e dessiltador.
Alguns usuários simplesmente instalam um segundo dessaboador na localização original do dessiltador sem alterar o fluxo do processo. Essa abordagem não é recomendada, pois ambos os dessaboador têm parâmetros de desempenho idênticos. Um fluxo de processo paralelo deve ser usado, servindo como backups um para o outro ou aumentando a vazão de fluido de perfuração durante a perfuração rápida.
Para poços especiais com altos requisitos de desempenho de fluido de perfuração, uma configuração razoável ainda é um dessaboador e um dessiltador em série. No entanto, ao selecionar dessaboador e dessiltador, produtos com diferentes faixas de tamanho de partícula devem ser escolhidos. Por exemplo, um dessaboador com um tamanho de partícula de separação de 47–76 μm e um dessiltador com um tamanho de partícula de separação de 15–47 μm podem alcançar um melhor efeito de tratamento.
2.4 Fluxo do Processo de Centrífuga.
Especialistas da indústria de perfuração concordam geralmente sobre o papel crucial das centrífugas nos sistemas de controle de sólidos. A maioria das equipes de perfuração na China está equipada com centrífugas de média velocidade com potência da unidade principal de 18,5, 22, 37 ou 45 kW e velocidades de rotação de 1300–2200 rpm. Atualmente, as centrífugas são divididas principalmente em dois tipos: centrífugas de média velocidade e centrífugas de alta velocidade.
Centrífugas de média velocidade referem-se a centrífugas com velocidade de rotação de 1300–2200 rpm, gerando uma força centrífuga aproximadamente 800 vezes a da gravidade, e uma capacidade de processamento de 40–60 m³/h. Essas centrífugas são usadas para remover partículas sólidas de 5–7 μm. Centrífugas de alta velocidade referem-se a centrífugas com velocidade de rotação de 2500–3300 rpm, gerando uma força centrífuga aproximadamente 1200–2100 vezes a da gravidade, e capazes de separar partículas com tamanho de 2–5 μm.
Centrífugas de alta velocidade são divididas em dois tipos: uma é uma centrífuga de alta velocidade com controle de frequência totalmente variável. A capacidade de processamento desta centrífuga pode ser ajustada automaticamente de acordo com as propriedades do fluido de perfuração, e ela pode controlar efetivamente as propriedades do fluido de perfuração através de tecnologia de controle em malha fechada automática de frequência total e monitoramento de carga em tempo real. É um dispositivo ideal de purificação de fase sólida para perfuração de poços profundos e horizontais com requisitos de processo especiais.
Outro tipo é a centrífuga de alta velocidade de velocidade fixa. Essas centrífugas geralmente têm 2-3 velocidades mais altas do que as centrífugas comuns. Os operadores avaliam as propriedades do fluido de perfuração e ajustam manualmente a velocidade da centrífuga para obter melhores resultados de tratamento do fluido de perfuração. As centrífugas têm desempenhado um papel cada vez mais importante no tratamento de fluidos de perfuração. Muitas equipes de perfuração estão equipadas com duas centrífugas. É importante notar que ao usar duas centrífugas com especificações técnicas idênticas (geralmente centrífugas de média velocidade, às vezes com diferentes capacidades de processamento), um processo paralelo deve ser usado como backup ou para aumentar a capacidade de processamento de fluido de perfuração durante a perfuração rápida.
Atualmente, empresas estrangeiras como Derrick e Swaco produziram centrífugas de alta velocidade com controle de frequência totalmente variável. Essas centrífugas de alta velocidade são caras e exigem operadores altamente qualificados, necessitando de operação e manutenção por engenheiros elétricos especializados. Atualmente, apenas algumas equipes de perfuração domésticas operando no exterior estão equipadas com este tipo de centrífuga de alta velocidade.
Na China, para poços especiais com altos requisitos de desempenho de fluido de perfuração, recomenda-se usar um processo envolvendo uma centrífuga de média velocidade e uma centrífuga de alta velocidade produzida domesticamente conectadas em série. O fluido de perfuração, após ser processado por uma centrífuga de média velocidade, entra no tanque de suprimento de uma centrífuga de alta velocidade. Após processamento adicional pela centrífuga de alta velocidade, ele entra no sistema de circulação para reutilização.
Neste ponto, a fase sólida do fluido de perfuração é efetivamente purificada, o que é benéfico para estender a vida útil de equipamentos downstream (bombas de perfuração, ferramentas de perfuração, instrumentos de fundo de poço, etc.), economizar o consumo de material de lama e aumentar a velocidade de perfuração mecânica.
3. Conclusões.
1) Selecionar peneiras vibratórias com bom desempenho e design razoável, e escolher o número e tamanho de tela necessários de peneiras vibratórias de acordo com as propriedades do fluido de perfuração.
2) Selecionar dessaboador e dessiltador com bom desempenho e parâmetros de correspondência razoáveis, e adotar um fluxo de processo em série para alcançar melhores efeitos de remoção de dessaboador e dessiltador.
3) Usar um fluxo de processo em série de centrífugas de média e alta velocidade para melhorar a vida útil de equipamentos downstream (bombas de perfuração, ferramentas de perfuração, instrumentos de fundo de poço, etc.), economizar o consumo de material de lama e aumentar a taxa de perfuração mecânica.
Resultados de análise estatística mostram que aproximadamente 90% do custo diário de manutenção do fluido de perfuração durante a perfuração está relacionado ao controle de sólidos. O custo da barita, um agente de densificação no fluido de perfuração, representa aproximadamente 75% do custo total de material do fluido de perfuração.
Portanto, selecionar e usar corretamente sistemas e equipamentos de controle de sólidos pode remover significativamente cascalhos de perfuração, reduzir o consumo de fluido de perfuração e seus materiais e agentes de tratamento associados, e assim alcançar melhores benefícios econômicos.
