Авторы настоящей статьи, являясь разработчиками значительной части отечественного оборудования и технологий в области циркуляционных систем буровых установок, поставили целью проинформировать буровых специалистов о номенклатуре и техническом уровне этого оборудования.
За период 1990-2004 г.г. произошло достаточно полное переоснащение циркуляционных систем новым современным оборудованием, обеспечивающим решение технологических и экологических проблем в области промывки скважин. Его качество и надежность растут, как итог укрепляется тенденция закупки буровыми компаниями более дешевых изделий отечественного производства. Кроме ценовых вопросов, для буровых компаний тем самым решается и проблема запасных частей, сервиса и квалификации обслуживающего персонала.
К сожалению, все современные разработки ранее и сейчас выполняются на инициативной основе и не финансируются ни бюджетом, ни нефтегазодобывающими предприятиями. Существующая тендерная система закупок зачастую производится при недостаточном участии технических специалистов, что приводит к приобретению более дешевого, но не всегда качественного оборудования. Вследствие этого научно-производственные компании, занимающиеся созданием новых изделий, ограничены в сбыте своей более современной продукции и в финансировании собственных научных разработок.
Циркуляционная система буровой установки (ЦС) предназначена для обес-печения технологически правильной циркуляции бурового раствора, его очистки, приготовления, поддержания требуемых свойств, предотвращения загрязнения окружающей среды отходами бурения, причем, требования экологической безопасности бурения становятся далеко не последними.
Циркуляционная система представляет достаточно сложную систему распределения потоков бурового раствора и химреагентов, водо- и электроснабжения, отопления и т.д. Основные составные ЦС: блок очистки, промежуточные и приемные емкости, блоки приготовления буровых растворов и химреагентов.
Основы экологии бурения, несомненно, лежат в очистке буровых растворов. Грамотное оснащение блоков очистки необходимым оборудованием в 2-3 раза снижает объем наработки бурового раствора, а получаемый шлам в этом случае нетекуч, легко поддается транспортировке и обезвреживанию по известным технологиям.
Рис.1
Блок очистки (рис.1) снабжен дегазатором «Каскад 40», виброситом СВ1ЛМ, ситогидроциклонным сепаратором (СГС — вибросито с установленным над ним пескоотделителем), илоотделителем, центрифугой ОГШ-50.
Вибросито (рис. 2) является первой ступенью очистки и удаляет шлам разме-ром от 100 мкм и выше. Фактически им удаляется не более 10-20% грубодисперсной выбуренной породы. Очистная и пропускная способность вибросит определяется площадью ситовой поверхности, размером ячейки ситовой кассеты и виброускорением. Эти факторы для отечественных и импортных вибросит практически идентичны, т.е. их технологические характеристики близки. Так, вибросито СВ1ЛМ по своим техническим и технологическим показателям соответствует виброситу фирмы «Свако» (виброускорение — 5,5 g, площадь ситовой поверхности — 2,6 м2). Оно оснащается трехслойными кассетами со сроком службы 400 ч. и выше, причем их стойкость зависит только от правильной эксплуатации. Известны экземпляры, простоявшие 700-1000 часов.
Рис.2
Определяющими для выбора вибросита являются, как правило, ценовые характеристики, надежность и конструктивные параметры. Последний фактор весьма важен при оснащении действующих установок. Так, например, вибросито СВ1ЛМ может заменять ранее выпускавшееся вибросито ВС-1, и перепланировка оборудования при замене не требуется.
Вторая и третья ступени очистки – пескоотделители ПГ 60/300 и илоотделители ИГ 45М или ИГ 45/75. Как показали наши исследования, эти гидроци-клонные установки справляются со своей задачей по качеству очистки. Минимальный размер удаляемых на 90% частиц (граничное зерно разделения): пескоотделителей — 70-80 мкм, илоотделителей — 40-50 мкм. В целом гидроциклоны могут выделить до 30-40% выбуренной породы.
Рис.3
Блоки очистки комплектуем установкой очистки на базе центрифуги ОГШ-50 (рис.3), разработанной еще в 80-е годы и инициативно доведенной до промышленного производства в начале 90-х г. С 1990 г. на предприятия отрасли нами поставлено более 150 таких установок, из них около 40 — в ОАО «Сургутнефтегаз».
Определяющие факторы при выборе центрифуг — стоимость, степень очистки, надежность, простота эксплуатации и ремонта.
Степень очистки зависит от диаметра, длины и частоты вращения ротора. Обычно при бурении используются центрифуги с частотой вращения не более 2000-2200 об./мин, т.к. работа на более высоких скоростях резко увеличивает износ и снижает срок службы. Производительность центрифуг по раствору является побочным фактором, завышаемым многими фирмами в рекламных целях. Её увеличение резко уменьшает качество очистки, т. к. склонный к диспергированию мелкий шлам остается в буровом растворе. Регулирование производительности центрифуги осуществляется простым изменением подачи питающего насоса.
Надежность центрифуг высока. Срок службы составляет 4-6 лет и более.
Наш двадцатилетний опыт работы с отечественными и импортными центрифугами показал, что наиболее простыми в эксплуатации, монтаже и обслужива-нии являются ОГШ-50 с диаметром ротора 500 мм. Увеличенный диаметр ротора уменьшает его забиваемость шламом и исключает обязательное требование для центрифуг с меньшим диаметром ротора — предварительную тонкую очистку бурового раствора. Эти центрифуги могут удалять до 3 т шлама в час, в том числе и грубодисперсного.
Рис.4
Обязательный элемент ЦС — дегазатор «Каскад 40», заменивший известный ДВС-III. «Каскад 40» (рис. 4) — это дегазатор непрерывного действия с периодической разгрузкой и площадью дегазационных пластин 5 м2. К примеру, площадь поверхности дегазации ДВС-III – 1 м2, дегазатора фирмы «Свако» — около 2,5 м2. Одно из достоинств «Каскада 40» — полная автономность в системе циркуляции бурового раствора. Его запуск в работу в отличие от импортных дегазаторов со струйными насосами не зависит от газосодержания бурового раствора. Напротив, запуск струйного насоса проблематичен, если содержание газа в растворе более 6-7%, т. е. всегда требуется незагазированный буровой раствор. Кроме того, КПД вакуум-насоса дегазатора «Каскад 40» — около 90%, а КПД струйного насоса редко превышает 20%. Как следствие, вакуум в дегазато-рах со струйными насосами всегда меньше, а значит, и ниже качество дегазации.
Рис.5
В ЦС входит также блок приготовления буровых растворов и химреагентов БПР-2 (рис.5), включающий насосы 6Ш8-2 и ПР63, перемешиватели типа ПЛМ, гидросмесители СГМ-100 и СГ-101, диспергаторы ДШМ-100 и ДГ-2, а также емкости для приготовления буровых растворов и химреагентов с выдачей по-следних на обработку раствора в БПР-2 или в систему циркуляции. Блок БПР-2 обеспечивает механизированное приготовление растворов, т.к. реагент подается на гидросмеситель из мешков или контейнеров через воронку или специальным пневмозагрузчиком.
Отдельное направление в производстве оборудования для промывки скважин — мобильные циркуляционные системы (МЦС), служащие для бурения скважин малого диаметра, вторых стволов и комплектации передвижных буровых установок.
Особенности проектирования и изготовления мобильных циркуляционных систем определяются следующими факторами:
- уменьшенный по сравнению с обычным бурением требуемый объем промывочной жидкости на дневной поверхности и невысокий её расход (8-20 л/с);
- заниженная высота устья (не более 2,5-3 м);
- минимальные габариты транспортных блоков;
- высокая монтажеспособность;
- низкая энергоемкость;
- средства очистки должны выделять шлам пониженной влажности (нетекучий) в целях уменьшения объема вывозимых отходов бурения.
Исходя из этого, применение обычных средств очистки, приготовления и хранения бурового раствора не всегда целесообразно, а иногда просто невозможно. Поэтому, помимо оборудования обычных ЦС, в комплектацию мобильных ЦС входит специальное малолитражное малогабаритное оборудование.
Так, специально для мобильных ЦС нами налажено производство линейного вибросита СВ1ЛМ-02, имеющего длину 2400 мм и высоту уровня перелива бурового раствора 600 мм. Для бурения с расходом промывочной жидкости до 12 л/с разработано и выпускается однокассетное вибросито СВМ с площадью ситовой поверхности 1,2 м2 и высотой уровня перелива 440 мм (рис. 6).
Рис.6
Оно же применяется для осушки шлама пескоотделителей. В малогабаритных пескоотделителях используются, как правило, гидроциклоны диаметром 150 мм, из которых набирается батарея циклонов на любой требуемый расход жидкости. Есть модификация с отключаемыми гидроциклонами, что удобно при бурении с разными расходами жидкости по мере углубления скважины. В мобильных ЦС целесообразно применение центрифуг небольшой мощности (до 12 кВт) типа ОГШ-32 и ОГШ-35. При подаче буровых насосов до 15 л/с, центрифуги позволяют без разбавления бурить на плотности 1,1 г/см3, а в комплекте с виброситом и ситогидроциклонным сепаратором являются достаточным набором средств для эффективной очистки буровых растворов в мобильных блоках очистки с выходом нетекучего шлама.
Для приготовления буровых растворов в мобильных ЦС используются стандартные гидросмесители в комплекте с насосом 6Ш8-2 или малолитражные гидросмесители, работающие от специальных бессальниковых погружных насосов типа ПН мощностью до 12 кВт и производительностью до 60 м3/час. Эти же насосы применяются для обвязки пескоотделителя, а в комплекте с автоматическим регулятором уровня и для и перекачки раствора из специальной устьевой емкости на вибросито в случае недостаточной высоты устья буровой установки. Насосы типа ПН требуют только периодической смазки подшипникового узла. Срок службы первых насосов, эксплуатируемых в настоящее время, превышает 8 лет. Для приготовления буровых растворов в малогабаритные ЦС встраивается система приготовления, аналогичная блоку БПР-2, или непосредственно исполь-зуется БПР-2.
Как правило, ввиду недостаточной высоты устья и необходимости иметь на дневной поверхности требуемый объем бурового раствора, эксплуатация МЦС производится в стационарном варианте, а не с транспортного средства. Наметилась тенденция крупноблочного исполнения МЦС с возможностью перевозки без демонтажа оборудования и быстроразъемным соединением блоков, что исключа-ет дополнительные транспортные расходы, потери времени на монтаж, выход из строя оборудования при сборках, разборках и перевозке. За счет этих факторов дополнительные расходы буровых компаний на приобретение более современного оборудования быстро окупаются.
Рис.7
Нужно отметить, что вариантов компоновки мобильных ЦС достаточно мно-го и их проектирование и поставка производится по разовым техническим требованиям с привязкой к разным типам буровых установок и условиям бурения. На рис.7 демонстрируется один из десяти вариантов мобильной ЦС. Как бы эффективно не работала система очистки, на буровой всегда образуются значительные объемы шлама, избыточного бурового раствора и буровых сточных вод.
Избыточный буровой раствор насыщен коллоидной глиной, не сепарируемой из раствора обычными средствами очистки. Для отделения глины некондицион-ный раствор требуется обработать коагулянтами и флокулянтами с последующим разделением в центрифуге на техническую воду и сгущенный шлам.
Процесс обработки раствора осуществляется в блоке коагуляции и флокуляции БКФ, называемом также блоком химического усиления центрифуги. Он представляет систему емкостей для затворения реагентов, дозировочных насосов, расходомеров и трубопроводной обвязки (рис.8).
Рис.8
Избыточный буровой раствор специальным дозировочным насосом подается в смесительный трубопровод и в него дозировочными насосами вводятся кислота, коагулянт и флокулянт с после-дующим поступлением смеси в центрифугу, в которой вода отделяется от твердой фазы, и они раздельно выводятся из центрифуги. Осветленная жидкость поступа-ет снова в БКФ для контроля и откачивается специальным насосом в емкости хранения. Твердая фаза направляется в шламоприемники или амбар.
Производительность блока по раствору — до 3-4 м3/ч — позволяет перерабатывать 40-50 м3 раствора в сутки.
Важной задачей, которая должна быть решена при бурении скважин в природоохранных зонах, является захоронение или утилизация шлама. Широко распространен метод обезвреживания шлама путем смешения его с порошкообразными поглотителями такими, как цемент, доломит и другие материалы. После смешения шлам приобретает свойства безвредного минерального грунта.
Рис.9
Вариант установки для смешения шлама с порошкообразными материалами представлен на рис.9. Он состоит из скребковых транспортеров, двухвального смесителя и бункера порошкообразного материала с дозатором. Подлежащий обезвреживанию шлам экскаватором подается на первый транспортер, который направляет его в смеситель. Одновременно из бункера в смеситель дозировано поступает порошок. Полученная смесь выгружается на второй транспортер и далее в кузов самосвала или на специальную площадку. Через сутки смесь представляет собой сухую, не размокающую в воде комковую массу, похожую на грунт.
Производительность установки по шламу составляет 4-5 м3/ч. Она может устанавливаться как на скважине, так и на стационарном полигоне.
Такая установка работала в Астрахани на специальном полигоне, куда шлам транспортировался с буровой платформы «Астра», ведущей бурение на Каспийском шельфе, а также с других буровых установок, работающих в пойме Волги. К настоящему времени выпущено еще три модификации установок для обезвреживания шлама.
При необходимости комплекс оборудования циркуляционной системы оснащается блоком очистки буровых сточных вод, что в целом решает задачу экологически безопасного, в т.ч. и безамбарного бурения.
Сложно судить о надежности оборудования ЦС в связи с недостаточным качеством его эксплуатации. Так, при плохом натяжении ситовая кассета на вибросите выходит из строя за 50-100 ч. При правильном натяжении в соответствии с инструкцией срок её эксплуатации увеличивается до 400-500 ч. и более.
Вибраторы выходят из строя из-за негерметичности ввода силового кабеля уменьшенного сечения в клеммную коробку электродвигателя. Хотя кабель нужного сечения поставляется в комплекте с виброситом, на монтаж он зачастую не попадает. Центрифуга ОГШ-50 весьма надежна в эксплуатации, если после остановки ее промывать, при запуске пользоваться автоматикой, имеющейся в силовом шкафе, и не подавать в нее раствор до полного разгона ротора.
Отрадно, что наметилась тенденция специального обучения инженеров по очистке, чему мы в известной степени обязаны сервисным зарубежным компаниям по буровым растворам, предъявляющим повышенные требования к средствам очистки и качеству обслуживания.
Источник: Специализированный журнал «Бурение и Нефть»
Автор: Мищенко В. И., Добик А. А.
