Системы буровых растворов Историческая перспектива

Буровая жидкость использовалась в середине 1800-х годов при бурении канатного инструмента для приостановки черенков, пока они не выйдут из пробуренной скважины. С появлением вращательного бурения в индустрии бурения водяных скважин буровой раствор хорошо понимал для охлаждения бурового долота и приостановки бурения для удаления из ствола скважины.

Глины добавлялись в буровой раствор к 1890-м годам, и к тому времени, когда Spindletop был обнаружен в 1901 году, считалось необходимым иметь взвешенные твердые частицы (глины) в буровом растворе для поддержки стенок скважины.

Эти твердые вещества (глины) возникли в результате дезагрегации пластов, проникших в буровое долото. Если пробитые пласты не дали достаточного количества глины в процессе бурения, глина добывалась на поверхности из близлежащего источника и добавлялась в буровой раствор. Это были природные грязи, созданные либо "грязеобразующими образованиями", либо, как уже упоминалось, путем добавления определенных материалов из поверхностного источника.

Буровой раствор рециркулировали и добавляли воду для поддержания оптимального веса и вязкости для конкретных условий бурения. Отрезки или куски пласта (мелкие камни), которые не были растворены водой, требовали удаления из бурового раствора для продолжения операции бурения. По единоличному усмотрению бурильщика или толкателя инструмента на месте была вырыта система ям и канав, чтобы отделить шламы от бурового раствора путем гравитационного осаждения (гравитация вынудила шлаки осесть в ямах и канавах). Эта система включала в себя канаву из скважины или, возможно, раструбный ниппель, отстойники и всасывающую яму, из которой «чистый» грязь собирался грязевым насосом и рециркулировал.

Грязь циркулировала через эти ямы, и иногда в отстойники помещали перегородку для ускорения удаления нежелательного песка и шлама. Эта перегородка простиралась до фута или двух от дна ямы, тем самым заставляя весь ил двигаться вниз под перегородкой и снова подниматься в канаву к всасывающей яме. Большая часть более тяжелого материала осела под действием силы тяжести на дне ямы. Со временем ямы, заполненные черенками и жидкостью, стали слишком толстыми для перекачивания из-за тонко измельченного шлама, который переносился в буровом растворе. Чтобы решить эту проблему, в отстойники были помещены струи, чтобы переместить непригодную грязь в запасную яму. Затем добавляли воду для разбавления бурового раствора и бурение возобновляли.

В конце 1920-х бурильщики начали искать, как другие отрасли решают подобные проблемы. Было обнаружено, что обогатительные фабрики и угольные шахты использовали:
1 Фиксированные линейные экраны, расположенные на склоне
2 вращающихся барабанных экрана
3 вибрационные грохоты

Последние два метода были приняты для удаления шлама из буровых растворов.

Вращающийся барабан или грохоты бочкообразного типа (так называемые грохочущие грохоты) широко использовались в ранних конструкциях с низкой высотой. Эти блоки могут быть размещены в канаве или включены в линию потока из ствола скважины. Грязь, стекающая в машину, вращала лопастное колесо, которое вращало сетку барабана, через которую проходил буровой раствор. Экран, используемый в это время, был очень грубым, или от 4 до 12 меш. Эти единицы были довольно популярны, потому что электричество не требовалось, и отстойники не заполнялись так быстро. Сегодня вращающиеся барабанные установки почти исчезли.

Вибрационный грохот, или шейкер, стал первой линией защиты в цепи удаления твердых частиц и в течение многих лет была единственной используемой машиной. Ранние шейкеры, как правило, использовались для сухих шлихтов и прошли несколько модификаций, прежде чем пришли к базовому типу и размеру для бурения. Первая модификация уменьшила размеры и вес устройства для транспортировки между локациями. Название «сланцевый шейкер» было принято, чтобы различать шейкеры (классификаторы), используемые в горнодобывающей промышленности, и шейкеры, используемые при бурении нефтяных скважин, поскольку оба были получены от одних и тех же поставщиков.

Другие модификации включали сито 4 × 5 ', которое натягивалось с боков с помощью натяжных болтов. Движение было эллиптическим, что создавало наклон, необходимый для удаления черенков с экрана. Сетка экрана была ограничена от 20 до 30 квадратных сеток. Это устройство было рабочей лошадкой в отрасли до конца 1960-х годов. Несмотря на то, что шейкеры заменены круговыми движениями и вибраторами с линейным движением, они по-прежнему востребованы и производятся сегодня.

В конце 1920-х и начале 1930-х годов крупные нефтяные компании организовали исследовательские лаборатории и начали изучать проблемы бурения нефтяных скважин. Они начали понимать, что мелкие шламы или частицы, оставшиеся в буровом растворе, также наносят ущерб процессу бурения, и в горнодобывающей промышленности была введена другая машина для обогащения руды - классификатор конусов. Эта машина в сочетании с концепцией центробежного сепаратора, взятого из молочной промышленности, стала десандером гидроциклонов. Основным принципом отделения более тяжелых и грубых материалов от бурового раствора является центробежное действие, заключающееся в вращении объема загруженного песком бурового раствора до внешнего предела или периферии конуса. Более тяжелые частицы выходят из нижней части конуса, а более чистая буровая жидкость поднимается к вершине и выходит в виде сточных вод. Десандер размером от 6 до 12 дюймов в диаметре удаляет большинство твердых частиц размером более 30 - 60 микрон. Дезандеры были значительно усовершенствованы благодаря использованию более стойких к истиранию материалов и более точно определенной геометрии корпуса, и сегодня они являются неотъемлемой частью большинства систем разделения твердых частиц.

После разработки десандера на нефтяном месторождении стало очевидным, что прилипание боковой стенки бурильной колонны к стенке скважины обычно связано с мягкими, толстыми фильтрационными корками. Используя уже существующий дизайн десандера, в начале 1960-х годов был представлен 4-дюймовый десандер. Результаты оказались лучше, чем ожидалось, и включали более длительный срок службы долота, снижение затрат на ремонт насоса, увеличение скорости проникновения и снижение затрат на буровое покрытие. Эти меньшие гидроциклоны стали известны как «десильтеры», поскольку они удаляют частицы намного меньшего размера, называемые илом, которые меньше, чем «песок API».

Поскольку барит и другие соединения были разработаны для улучшения бурения, буровой раствор стал очень сложным. Кроме того, жидкая фаза для переноса твердых веществ уменьшалась добавлением барита и других соединений. Встряхиватель удалил более крупные черенки (более 541 микрон или 30 меш), а десандеры и десилтеры удалили более мелкие частицы (от 60 до 15 микрон). Однако частицы среднего размера (от 541 до 60 микрон) все еще оставались в буровом растворе.

Удаление частиц среднего размера привело к развитию круговых движений или тандемных вибраторов. Разработка этих высокоскоростных шейкеров с тонким экраном шла медленно по двум причинам. Во-первых, технология экрана была недостаточно развита для прочности экрана, поэтому срок службы экрана был коротким. В проводах экрана не было достаточной массы, чтобы надежно закрепить экраны без разрывов. Во-вторых, сортировочная корзина требовала большего опыта разработки, чем требовалась для более ранних модификаций оборудования для удаления твердых частиц.

За это время исследования крупных нефтяных компаний выявили проблемы, связанные с ультрадисперсными (коллоидальными) размерами не более 10 микрон. Эти ультратонкие частицы «связали» большое количество жидкости и создали проблемы с вязкостью, которые могли быть решены только путем добавления воды (разбавления). Центрифуги использовались во многих отраслях в течение многих лет и были адаптированы для буровых работ в начале 1950-х годов. Сначала они использовались на взвешенных растворах для удаления и удаления коллоидных частиц - мелких частиц размером менее 2 - 4 микрон - и для сохранения барита с большим размером частиц (утяжелителя) и некоторых пробуренных твердых частиц.

В последние годы центрифуга была применена к невзвешенным буровым растворам для уменьшения и сброса мелких твердых частиц в активной системе бурового раствора. Это приложение экономит более дорогую жидкую фазу бурового раствора для повторного использования. Разведение сводится к минимуму, тем самым снижая стоимость грязи; Однако эти машины достаточно дороги и требуют особого ухода.

В начале 1970-х годов грязеочиститель был разработан как дополнение к десандеру и десилтеру для уменьшения потерь в дорогой жидкой фазе. Гидроциклоны выбрасывают взвесь, в том числе жидкую фазу, которая со временем может быть дорогой. Очиститель грязи забирает нижний поток из банка гидроциклонов и вводит суспензию в очень тонкий предварительно напряженный вибрационный грохот. Дорогая жидкая фаза и большая часть барита проходят через сито и обратно в систему, а более крупные твердые частицы выбрасываются.

Это было первое успешное применение экрана, приклеенного к жесткой раме, с использованием очень тонких экранов. Многие грязевые очистители имеют очистители экрана или ползунки, которые представляют собой круглые пластиковые детали, которые вибрируют на нижней части экрана, чтобы предотвратить ослепление экрана. В утяжеленных растворах можно использовать сита размером 200 меш (74 микрона), что является максимальным размером для коммерческого барита. Для невзвешенных растворов наименьший практический размер составляет 250 меш (58 микрон) для экономичной работы.

Более поздняя разработка, представленная в 1980-х годах, - это линейный шейкер. Разработки в технологии грохочения позволили наложить предварительно натянутые грохоты для получения очень точных разрезов при сохранении экономичного срока службы грохота. Линейное движение является наилучшим движущим движением для перемещения твердых частиц с экрана, и можно передавать черенки "в гору". Экраны могут быть приподняты, чтобы сохранить черенки дольше, чтобы получить слив с пониженным содержанием жидкости. Также на шейкере с линейным движением можно использовать более тонкие сита с меньшими отверстиями. Одно из применений линейных шейкеров состоит в том, чтобы отфильтровывать нижний поток от дезинфекторов и деситтеров, а не с помощью грязевого очистителя. Это устройство называется «грязевой кондиционер».