Глава 8. Контроль содержания твердой фазы.

ВВЕДЕНИЕ

 

От типа и концентрации твердых частиц в буровом растворе зависит плотность, вязкость, статическое напряжение сдвига, качество фильтрационной корки и водоотдача, а также другие химические и физические параметры бурового раствора. От типа и концентрации твердых частиц зависит и стоимость приготовления раствора, и затраты на строительство скважины. Это влияет и на скорость проходки, гидродинамический режим в скважине, величину крутящего момента и затяжек, пикового и поршневого давление при СПО, образование дифференциальных прихватов инструмента, потерю циркуляции, устойчивость стенок скважины, образование сальников долота и КНБК. Все это не может не отражаться на сроке эксплуатации долот, насосов и прочего инструмента и оборудования.

Для выравнивания параметров бурового раствора в него добавляют разнообразные реагенты, глины и утяжеляющие материалы. Твердая фаза, состоящая из частиц выбуренной породы и глин, является частью бурового раствора. Твердые частицы оказывают негативное влияние на многие характеристики раствора. Однако полностью очистить буровой раствор от твердых частиц, будь то применением механических или иных систем очистки, не представляется возможным, поэтому твердую фазу можно считать постоянно присутствующей в растворе загрязняющей примесью.

Очистка раствора от твердой фазы – один из важнейших технологических аспектов применения растворов, так как твердая фаза оказывает непосредственное влияние на производительность буровых работ. Затраты на очистку раствора от твердой фазы и решение связанных с этим проблем являются значительной частью общих затрат на строительство скважин. Контроль содержания твердой фазы – ежедневная задача при бурении любой скважины.

 

Основы

 

Твердые частицы, присутствующие в буровом растворе, можно разделить на две категории: легкие твердые частицы (ЛТЧ или LGS) с удельным весом (у.в.) от 2,3 до 2,8 и тяжелые твердые частицы (ТТЧ или HGS) с удельным весом (у.в.) 4,2 и выше. В категорию тяжелых частиц попадают и утяжелители, например барит или гематит, добавляемые в раствор для увеличения его плотности выше 10,0 фунтов/галлон (у.в. > 1,2). Категория легких частиц состоит из частиц выбуренной породы, глин и большинства видов добавок к буровым растворам; зачастую это – единственный тип твердых частиц, используемых для утяжеления раствора до 10,0 фунтов/галлон (у.в.< 1,2). На Рис.1 изображен диапазон рекомендуемых концентраций твердой фазы буровых растворов на водной основе.

 

 

Контроль содержания твердой фазы осуществляется одним или несколькими основными методами сепарации:

 

• Осаждением.

• Просеиванием.

• Очисткой в гидроциклонах.

• Центрифугированием.

 

За счет центробежной силы в гидроциклонах и центрифугах достигается более высокая эффективность сепарации по сравнению с осаждением под действием силы тяжести. Эти методы аналогичны осаждению, они подчиняются известным законам физики. Если в движущемся растворе происходит разрушение его структуры, процесс осаждения частиц подчиняется закону Стокса, который имеет следующий вид:

 

где:

 

V_s – скорость осаждения (фут/сек)

g_c – константа силы тяжести (фут/сек²)

D_s – диаметр твердых частиц (фут)

ρ_s – плотность твердых частиц (фунт/фут³)

ρ_l – плотность жидкости (фунт/фут³)

μ – вязкость жидкости (сП)

 

Данное уравнение – это математическое выражение повсеместно наблюдаемого явления: чем больше разница между плотностью твердых частиц и плотностью жидкости (rs – rL), тем выше скорость осаждения; чем ниже вязкость жидкости (μ), тем выше скорость осаждения. Если бы можно было механически увеличить действующую на частицы силу (g_c), скорость осаждения так же возросла бы. Для вращательного движения, характерного для гидроциклонов и центрифуг, сила, осаждающая частицу, пропорциональна диаметру круговой траектории, умноженному на квадрат частоты вращения (об/мин) и массу частицы. Практические наблюдения подтвердили, что при низкой вязкости раствора в сочетании с низкой скоростью прокачки увеличивается скорость осаждения крупных и тяжелых частиц. Поэтому наиболее эффективный и практичный способ очистки бурового раствора от песка и частиц выбуренной породы – осаждение или обработка в центрифуге или гидроциклоне. Осаждаться может и содержащийся в буровом растворе барит. Единственное возможное условие отделения всех частиц шлама от всех частиц барита – если все частицы шлама и все частицы барита имеют одинаковый размер, причем размер и масса частиц шлама должны значительно отличаться от размера и массы частиц барита. Согласно закону Стокса, частицы различной плотностью и размера с одинаковой массой (плотность, умноженная на объем) имеют одинаковую скорость осаждения. Например, песчинка или частица глины (у.в. = 2,6) размером 1,5 раза меньше частицы барита (у.в. = 4,2) будут осаждаться с одинаковой скоростью (1,5 х 2,6 = 3,9) вне зависимости от того, где это происходит – в отстойнике, гидроциклоне или центрифуге. С практической точки зрения отделить частицы глины диаметром 60 микрон от частиц барита диаметром 40 микрон методом осаждения не представляется возможным.

Гидроциклоны и центрифуги тоже не могут обеспечить полную очистку бурового раствора от нежелательных твердых частиц. Однако их преимущества намного перевешивают ограничения. Каждое из устройств системы очистки бурового раствора предназначено для удаления значительного количества твердых частиц определенного типа, чтобы общая концентрация твердой фазы находилась на приемлемом уровне. Механические устройства очистки раствора рассчитаны на сепарацию частиц определенных размеров. Поэтому важно использовать правильное сочетание устройств очистки раствора в зависимости от конкретных условий, качественно выполнить монтаж и поддерживать их в рабочем состоянии.