В процессе бурения отличное качество бурового раствора является предпосылкой для увеличения скорости бурения, снижения затрат на бурение, предотвращения аварий на забое и защиты нефтегазоносных пластов. Система контроля твердой фазы бурового раствора является гарантией поддержания его качества.
С развитием нефтеразведочной отрасли глубина бурения постоянно увеличивается, а встречающиеся пласты становятся все более сложными. Все чаще встречаются специальные скважины, такие как глубокие, сверхглубокие, горизонтальные и скважины с пониженным давлением, что предъявляет повышенные требования к системам контроля твердой фазы бурового раствора.
В последние годы системы контроля твердой фазы претерпели значительные технологические улучшения, от емкостей для циркуляции бурового раствора до оборудования для контроля твердой фазы, а технологический процесс стал более рациональным. Однако до сих пор существует множество заблуждений относительно согласования систем контроля твердой фазы.
1. Емкость для циркуляции бурового раствора.
Эффективный объем емкости для циркуляции бурового раствора должен быть достаточным для размещения максимального объема циркуляции бурового раствора во время бурения и иметь достаточный резерв. Он также должен быть способен легко осуществлять циркуляцию и контролировать скважину в чрезвычайных ситуациях. В последние годы, с непрерывным расширением зарубежных рынков и растущими требованиями технологии бурения к системам контроля твердой фазы бурового раствора, наблюдается явление слепого увеличения объема емкостей для циркуляции бурового раствора.
Чрезмерный объем системы контроля твердой фазы увеличивает стоимость перемещения буровой установки и затраты на буровой раствор. Поэтому разумный объем является целью, к которой стремятся пользователи.
Размер отдельной емкости и количество емкостей для циркуляции в системе контроля твердой фазы обычно определяются исходя из таких факторов, как высота основания вышки, местные условия транспортировки и требуемый эффективный объем буровой установки. На поверхности емкости для циркуляции должно быть достаточно места для размещения оборудования контроля твердой фазы, перемешивающих устройств и насосов для перекачки бурового раствора. Кроме того, необходимо предусмотреть место для подключения трубопроводов, грязевых емкостей, вспомогательного оборудования, напорных и всасывающих трубопроводов насосов, трубопроводов для воды и другого оборудования. Объем каждого отсека в основном определяется доступным пространством для установки оборудования контроля твердой фазы, такого как вибросита, пескоотделители, илоотделители и центрифуги, а также их вспомогательного оборудования.
2. Технологический процесс и согласование оборудования системы контроля твердой фазы.
Технологический процесс всей системы контроля твердой фазы должен соответствовать требованиям пяти стадий контроля твердой фазы бурового раствора (грохочение—дегазация—пескоотделение—илоотделение—центрифугирование) и утяжеления бурового раствора. Оптимизированное согласование оборудования контроля твердой фазы имеет решающее значение. Производительность стадий 1-5 оборудования контроля твердой фазы должна быть взаимно согласована, с соответствующим интервалом между разделенными размерами частиц и определенной степенью перекрытия, позволяя более мелким частицам, не полностью обработанным предыдущей стадией, все же обрабатываться следующей стадией.
2.1 Процесс очистки и циркуляции бурового раствора.
Грязь из устья скважины, возвращающаяся по трубопроводам, может индивидуально или одновременно транспортироваться к различным виброситам. После обработки виброситами она поступает в камеру осаждения песка. Грязь, переливающаяся из камеры осаждения песка, поступает в камеру пескоотделения через грязевую емкость (если происходит газопроявление, может быть активирован вакуумный дегазатор для забора грязи из камеры дегазатора для дегазации перед поступлением в камеру пескоотделения).
Грязь, обработанная пескоотделителем, поступает в камеру илоотделения. Грязь, обработанная илоотделителем, поступает в камеру центрифугирования через грязевую емкость. Грязь, обработанная центрифугой, поступает в камеру всасывания бурового раствора через грязевую емкость. Затем она повторно закачивается в скважину для повторного использования буровым насосом. Более рациональная схема технологического процесса системы контроля твердой фазы бурового раствора показана на рисунке ниже.
2.2 Технологический процесс и выбор вибросит.
Выбуренная порода, образующаяся на дне скважины во время бурения, выносится на поверхность буровым раствором. Вибросита являются первым, самым быстрым и самым крупнообъемным оборудованием для контроля твердой фазы для удаления выбуренной породы и являются неотъемлемым устройством первичной обработки при бурении.
Технический уровень вибросит в основном отражается в их производительности (объем переработки и разделяемые частицы), эксплуатационной надежности, сроке службы и простоте эксплуатации и обслуживания. При постоянном размере, содержании и вязкости твердых частиц бурового раствора, чем больше динамическое сдвиговое напряжение на твердые частицы, тем больше начальное сопротивление движению частиц и ниже скорость переноса частиц.
Теоретические исследования вибросит за рубежом полностью признали этот факт. Перед поступлением бурового раствора из распределителя в вибросито устанавливается лоток для удара бурового раствора, чтобы избежать прямого воздействия бурового раствора на сетку, минимизируя динамическое сдвиговое напряжение на буровой раствор, возвращающийся из устья скважины.
Не только сила и движение твердых частиц становятся более рациональными, но и уменьшается утечка бурового раствора и увеличивается его расход, продлевая срок службы сетки. Однако из-за различий в материалах, технологиях обработки, точности обработки и совместимом общем оборудовании у разных производителей фактические технические характеристики продукции значительно различаются.
Поэтому при выборе вибросит крайне важно подробно изучить материалы, технологию обработки, точность обработки и совместимое общее оборудование, а не просто полагаться на заявленные технические параметры. Помимо выбора подходящей сетки в зависимости от распределения твердых частиц по размерам, еще одним важным фактором при выборе вибросит является их допустимая производительность. Производительность вибросит должна соответствовать максимальной скорости выгрузки во время бурения.
Факторы, влияющие на производительность вибросит, включают их собственные параметры движения, тип бурового раствора, плотность, вязкость, распределение твердых частиц по размерам и содержание, а также размер сетки. Для обеспечения требований высокой скорости выгрузки иногда требуется использовать 2-3 вибросита параллельно.
2.3 Рабочий процесс и оборудование гидроциклонов.
Большинство производителей оборудования для контроля твердой фазы в нашей стране могут производить гидроциклоны, а именно пескоотделители и илоотделители. Основным показателем качества гидроциклонов является износостойкость, а их производительность в основном определяется размером разделяемых частиц, D50. Более низкий D50 указывает на лучшую эффективность разделения.
При комплектации пескоотделителей и илоотделителей важно обеспечить, чтобы диапазоны разделения частиц имели как достаточный интервал, так и перекрытие. Согласно стандартам классификации и размерам разделяемых частиц гидроциклонов, гидроциклоны с внутренним диаметром цилиндрической спирали Φ150–300 мм и размером разделяемых частиц 44–74 мкм классифицируются как пескоотделители.
Гидроциклоны с внутренним диаметром цилиндрической спирали Φ100–125 мм и размером разделяемых частиц 15–44 мкм классифицируются как илоотделители. Однако многие пескоотделители и илоотделители, фактически используемые в полевых условиях, разделяют частицы схожих размеров (пескоотделители для 20–50 мкм и илоотделители для 15–45 мкм). Буровой раствор, обработанный пескоотделителем, затем обрабатывается илоотделителем, что делает илоотделитель неэффективным в удалении твердых частиц. Основная причина этого заключается в том, что многие гидроциклоны плохо изготовлены и не соответствуют требованиям технологического процесса бурения. Поэтому многие пользователи выбирают двухпескоотделительную установку вместо одного пескоотделителя и илоотделителя.
Некоторые пользователи просто устанавливают второй пескоотделитель на месте илоотделителя, не изменяя технологический процесс. Такой подход не рекомендуется, так как оба пескоотделителя имеют одинаковые параметры производительности. Следует использовать параллельный технологический процесс, служащий резервом друг для друга или увеличивающий расход бурового раствора при быстром бурении.
Для специальных скважин с высокими требованиями к качеству бурового раствора разумной конфигурацией остается один пескоотделитель и один илоотделитель последовательно. Однако при выборе пескоотделителей и илоотделителей следует выбирать изделия с различными диапазонами размеров частиц. Например, пескоотделитель с размером разделяемых частиц 47–76 мкм и илоотделитель с размером разделяемых частиц 15–47 мкм могут обеспечить лучший эффект обработки.
2.4 Технологический процесс центрифугирования.
Эксперты буровой отрасли в целом согласны с решающей ролью 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 центрифуги.
Среднескоростные центрифуги относятся к центрифугам со скоростью вращения 1300–2200 об/мин, создающим центробежную силу примерно в 800 раз больше силы тяжести, и производительностью 40–60 м³/ч. Эти центрифуги используются для удаления твердых частиц размером 5–7 мкм. Высокоскоростные центрифуги относятся к центрифугам со скоростью вращения 2500–3300 об/мин, создающим центробежную силу примерно в 1200–2100 раз больше силы тяжести и способным разделять частицы размером 2–5 мкм.
Высокоскоростные центрифуги делятся на два типа: один тип - это высокоскоростная центрифуга с полным частотным регулированием. Производительность этой центрифуги может автоматически регулироваться в зависимости от свойств бурового раствора, и она может эффективно контролировать свойства бурового раствора с помощью технологии мониторинга нагрузки в реальном времени и технологии автоматического замкнутого управления с полным преобразованием частоты. Это идеальное устройство для очистки твердой фазы при бурении глубоких и горизонтальных скважин со специальными технологическими требованиями.
Другой тип - это высокоскоростная центрифуга с фиксированной скоростью. Эти центрифуги обычно имеют на 2-3 скорости выше, чем обычные центрифуги. Операторы оценивают свойства бурового раствора и вручную регулируют скорость центрифуги для достижения лучших результатов обработки бурового раствора. Центрифуги играют все более важную роль в обработке бурового раствора. Многие буровые бригады оснащены двумя центрифугами. Важно отметить, что при использовании двух центрифуг с одинаковыми техническими характеристиками (обычно среднескоростных центрифуг, иногда с разной производительностью) следует использовать параллельный процесс для резервирования или увеличения производительности бурового раствора при быстром бурении.
В настоящее время зарубежные компании, такие как Derrick и Swaco, производят высокоскоростные центрифуги с полным частотным регулированием. Эти высокоскоростные центрифуги дороги и требуют высококвалифицированных операторов, что требует эксплуатации и обслуживания специализированными инженерами-электриками. В настоящее время лишь немногие отечественные буровые бригады, работающие за рубежом, оснащены этим типом высокоскоростных центрифуг.
В Китае для специальных скважин с высокими требованиями к качеству бурового раствора рекомендуется использовать последовательный процесс, включающий среднескоростную центрифугу и отечественную высокоскоростную центрифугу. Буровой раствор, после обработки среднескоростной центрифугой, поступает в питающий бак высокоскоростной центрифуги. После дальнейшей обработки высокоскоростной центрифугой он поступает в циркуляционную систему для повторного использования.
На этом этапе твердая фаза бурового раствора эффективно очищается, что способствует продлению срока службы последующего оборудования (буровых насосов, бурового инструмента, скважинного оборудования и т. д.), экономии расхода материалов для бурового раствора и увеличению механической скорости бурения.
3. Выводы.
1) Выбирать вибросита с хорошими эксплуатационными характеристиками и разумной конструкцией, а также выбирать необходимое количество и размер сетки вибросит в соответствии со свойствами бурового раствора.
2) Выбирать пескоотделители и илоотделители с хорошими эксплуатационными характеристиками и разумными параметрами согласования, а также использовать последовательный технологический процесс для достижения лучших результатов удаления песка и ила.
3) Использовать последовательный технологический процесс среднескоростных и высокоскоростных центрифуг для увеличения срока службы последующего оборудования (буровых насосов, бурового инструмента, скважинного оборудования и т. д.), экономии расхода материалов для бурового раствора и увеличения механической скорости бурения.
Результаты статистического анализа показывают, что примерно 90% ежедневных затрат на обслуживание бурового раствора во время бурения связаны с контролем твердой фазы. Стоимость барита, утяжелителя бурового раствора, составляет примерно 75% от общей стоимости материалов бурового раствора.
Поэтому правильный выбор и использование систем и оборудования контроля твердой фазы могут значительно удалить выбуренную породу, сократить потребление бурового раствора и связанных с ним материалов и реагентов для обработки, и, таким образом, достичь лучших экономических выгод.
