Технология обработки буровых растворов

Изменение свойств буровых растворов при бурении происходит в основном вследствие его загрязнения активной выбуренной породой (глины, известняки, мергели и др.). Степень очистки раствора от выбуренной породы в массовом бурении, как правило, не превышает 30%. Оставшаяся в растворе твердая фаза приводит к изменению его свойств, а дополнительные обработки раствора должны заключаться не только в добавках химических реагентов, но и соответствующем разбавлении системы водой.

В ОАО «ИКФ» разработана технология управления составом и свойствами буровых растворов с применением комбинированного реагента (КР). В состав КР входят растворенные в воде основные химические реагенты, входящие в буровой раствор, в количествах на 5-10% превышающих их содержание в циркулирующем растворе. Твердая фаза в состав КР не вводится (ИККАРБ, бентонит и др.).

Комбинированный реагент добавляется в циркулирующий буровой раствор непрерывно в процессе бурения, не дожидаясь изменения свойств. Темп ввода КР зависит от характера разбуриваемых пород и, в случае, поступления в раствор активной твердой фазы составляет 4-6м³ на каждый 1м³ выбуренной породы. Не следует опасаться переобработки раствора комбинированным реагентом, это менее опасно, нежели недообработка и легко корректируется. Такая технология химической обработки обеспечивает стабильность состава и свойств бурового раствора и позволяет на 20-30% сэкономить расход реагентов и материалов.

Стабильные свойства раствора позволяют эффективно использовать механические средства очистки, сократить затраты времени на выравнивание и обработку раствора, ибо большинство из этих операций совмещены с основными процессом бурения.

В случае необходимости (рост водоотдачи или снижение рН под влиянием забойной температуры) состав комбинированного реагента постепенно корректируется в сторону увеличения или уменьшения концентрации одного или нескольких реагентов в КР.

Такие реагенты как ИКДЕФОМ, ИКСТАБ, ИККАРБ и др. вводятся в раствор периодически в составе КР или раздельно

§ 10. Очистка буровых растворов

В данном пособии нет специального раздела, посвященного системам с низким содержанием твердой фазы, с применением которых достигаются максимальные технико-экономические показатели работы долот. Одновременно, не трудно заметить, что все рецептуры приведенных в главе V растворов либо безглинистые либо с низким содержанием твердой фазы.

Существенное повышение концентрации активной твердой фазы (глины, мергели, аморфные известняки) происходит при бурении вследствие загрязнения бурового раствора выбуренной породой. Особенно это ощутимо при высоком темпе углубления скважины.

Для поддержания концентрации твердой фазы на заданном уровне используются механические средства очистки, а также разбавление комбинированным реагентом, когда тонкодисперсные фракции не удаляются механическими средствами.

За последние годы создана масса различного оборудования для механической очистки буровых растворов. Их можно разделить на следующие виды:

- вибросита

- гидроциклоны

- илоотделители

- сито - гидроциклонные агрегаты

- центрифуги.

Эффективность работы этих устройств в значительной степени зависит от конструктивных особенностей и в немалой степени от технологии применения.

Наиболее эффективными виброситами оказалось оборудование «DERRICK-M58 и М48» с пирамидальными сетками. На этих агрегатах (два сита) даже при высокой производительности насосов (25-35л/с) можно работать сетками с ячейками в 100, 150 и 200меш.

Из центрифуг наиболее эффективны агрегаты с регулируемым режимом работы марки ALFA LAVAL (414 или 418).

Эффективность центробежных устройств (гидроциклон, илоотделитель) во многом зависит от технических характеристик и состояния подающих раствор насосов. При работе этих агрегатов следует стремиться к максимальной плотности поступающей из насадок пульпы и минимальным потерям раствора.

Метод регулирования концентрации твердой фазы с использованием разбавления комбинированным реагентом является практически неотъемлемой частью технологии обработки буровых растворов. Это связано с тем, что активные породы как на забое, так и при движении от забоя до поверхности в большом количестве (до 50-70%) диспергируются до частиц малого размера и механическими средствами очистки не удаляются.

Определенное повышение степени очистки достигается с применением высокоэффективных избирательных флокулянтов на основе частично гидролизованного полиакриламида большого молекулярного веса (6-10х10⁶). Макромолекулы этого полимера (ИКСТАБ-Л) укрупняют мелкие частички шлама до более крупных блоков, которые потом удаляются из раствора механическими средствами очистки.

§ 11. Флокуляционно - коагуляционная установка (ФСУ, FCU)

При бурении скважин на нефть и газ существуют жесткие экологические требования как к скважине, так и к территории вокруг нее. Причем эти требования на сегодняшний день территориально не равномерны. Есть перспективные месторождения, которые находятся в заповедных зонах или в местах с ужесточенными экологическими ограничениями по землепользованию, где бурение скважин с применением сточных амбаров запрещено. Для таких месторождений разработан и уже применяется в мировой практике (в т.ч. в России), так называемый безамбарный способ бурения, который осуществляется с помощью Флокуляционно-коагуляционной установки (ФСУ).

Применение ФСУ не ограничивает процесс бурения скважины, при этом полностью сохраняется начальная экологическая обстановка территории.

1.11. Принципы работы ФСУ

Основное назначение ФСУ - отделение дисперсной фазы (твердой фазы)от дисперсионной среды (воды) в буровом растворе, отправленном на утилизацию по технологическим причинам. Твердая фаза в виде пастообразного шлама собирается в контейнеры и удаляется на захоронение в специально отведенные места. Вода возвращается обратно в технологический цикл для приготовления новых объемов бурового раствора. Утилизация того или иного объема раствора вызывается следующими технологическими причинами:

- из-за повышения плотности вызванной высокой концентрацией активной твердой фазы, для снижения которой требуется большая степень разбавления;

- из-за ухудшения фильтрационных или реологических характеристик, улучшение которых невозможно стандартными обработками;

- из-за большой наработки раствора, хранение которого ограничивается пределами емкостного порка.

В основе процесса отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды применяется физико-химический метод обработки бурового раствора специальными реагентами - коагулянтом и флокулянтом, приводящий к агломерации частиц твердой фазы в крупные образования - флокулы. Сфлокулированную твердую фазу в дальнейшем отделяют от дисперсионной среды (воды) на центрифуге.

Сам физико-химический метод называется флокуляцией. Целью процесса флокуляции является формирование нестабильных суспензий взвешенных частиц, т. е. перевод бурового раствора из стабильного в нестабильное.

Коагулянт и флокулянт, участвуя в общем процессе агломерации частиц твердой фазы (в конечном итоге - ее флокуляции), работают по разным механизмам.

Коагулянт вызывает дестабилизацию частиц твердой фазы за счет уменьшения или нейтрализации электрического заряда на их поверхностях, которые держат частицы на расстоянии друг от друга. Образующиеся агломераты частиц, уже не имея коллоидную природу, являются еще достаточно мелкими для гравитационного осаждения. Дальнейшее укрупнение агломератов происходят с помощью флокулянтов.

Коагулянты – это, в основном, неорганические вещества: сульфат гидроокиси алюминия, хлорид железа, хлорид магния и другие. Существуют и органические коагулянты на основе полимеров с низкой молекулярной массой. К ним относится и разработанный «ИКФ» катионный коагулянт КФ-91 М, обладающий еще и некоторыми флокулирующими свойствами.

Флокулянт воздействует на частицы твердой фазы без изменения электрических свойств, образуя мостики из макромолекул полимера между частицами твердой фазы за счет адсорбционных сил.

При флокуляции, по сравнению с коагуляцией, происходит образование более крупных соединений (флокул), оседающих под действием сил тяжести; при этом повышается механическая прочность флокул и изменяется пористость осадка. Добавление высокомолекулярных флокулянтов сокращает расход низкомолекулярных коагулянтов, необходимых для агрегации частиц.

Флокулянт - это в большинстве случаев водо-растворимые полимеры с большой молекулярной массой (до 6-10х10⁶у.е.), имеющие анионный, катионный или нейтральный заряд как природного, так и искусственного происхождения. Не все полимеры могут быть эффективными флокулянтами. Это зависит от химического состава макромолекул, наличия и числа ионогенных групп в нем, активность которых зависит даже от структуры и электрического заряда поверхности частиц флокулируемой твердой фазы. При определенном сочетании этих и других факторов могут возникать достаточно прочные мостиковые связи полимера и частиц твердой фазы, образуя совместные агломераты. Непременным условием флокуляции является возможность адсорбции уже закрепленных макромолекул на свободной поверхности других частиц.

При флокуляции твердой фазы в буровых растворах на водной основе наибольшее применение получил флокулянт на основе частично гидролизованного полиакриламида. Высокомолекулярная амидная группа способствует образованию мостиковых связей с частицами твердой фазы благодаря действию Вандер-ваальсовых связей. На основе этого полимера в виде его модификаций существует целая группа флокулянтов с различными свойствами относительно обрабатываемых суспензий.

В «ИКФ» разработан высокомолекулярный флокулянт ГРИНДРИЛ-ФЛ специально для утилизации буровых растворов на водной основе с различной степенью минерализации. Его применение вместе с катионным коагулянтом КФ-91 М позволяет вести флокуляцию до полного осветления воды при малой степени разбавления (от 1: 0, 2 до 1: 0, 4). Оба реагента работоспособны в широком диапазоне рН = от 4 до 10. Активность флокулянта ГРИНДРИЛ-ФЛ мало зависит от структуры и распределения зарядов на поверхности частиц твердой фазы и поэтому менее чувствителен к изменению типа выбуренной породы в процессе углубления скважины.

Оба реагента поставляются в жидком виде, что делает их технологичными в применении. КФ-91М - в виде 40% водного раствора, ГРИНДРИЛ-ФЛ - в виде концентрированной эмульсии полимера в органическом растворителе. Они применяются в форме разбавленных водных растворов (2-2, 5% на товарный продукт). Рабочие растворы коагулянта и флокулянта дозируются в основной поток специальными насосами с тонко регулируемой подачей.

В зависимости от количества твердой фазы в растворе и уровня её стабильности рецептура обработки коагулянтом и флокулянтом может меняться.

Совокупность факторов заставляет подбирать окончательную рецептуру обработки бурового раствора непосредственно на буровой. Эту работу, как и собственно эксплуатацию установки, должен проводить специально обученный специалист по ФСУ.

11.2 Устройство ФСУ

Установка ФСУ включает в себя (см. рис. 4) блок химической обработки, помещенный в контейнер, а также смонтированную на металлической раме, деконтирующую центрифугу, укомплектованную питающим винтовым насосом с изменяющейся скоростью подачи. Установка комплектуется также электрической системой управления, сведенной на пульт управления, а также всеми обвязочными материалами: трубами, шлангами с быстросъемными соединениями и вентилями. По желанию заказчика в блок ФСУ может быть включена небольшая мастерская с инструментами и запчастями.

Все электрооборудование, включая центрифугу и насос, изготовлено во взрывобезопасном исполнении и соответствует Российским стандартам эксплуатации. В состав электрооборудования входит также калориферная, вентиляционная и осветительная аппаратура.

Секция химической обработки располагается в 20-ти футовом или 30-ти футовом контейнере, в котором имеется дополнительный лабораторный отсек с пультом управления. Внутри секции располагаются нержавеющие стальные резервуары на 1500л каждый для приготовления растворов коагулянта (один резервуар) и флокулянта (два резервуара). Все резервуары снабжены двумя дублированными дозировочными насосами и стационарными перемешивателями. На каждом из них имеется устройство для подачи реагентов, с помощью которых устраняется их комкование во время растворения. Использование двух резервуаров для флокулянта вызвано его большим временем растворения по сравнению с коагулянтом. На этой же площади располагается двухсекционная ловушечная емкость, снабженная двумя откачивающими насосами. С ее помощью можно не прерывая процесса производить корректировку рецептуры и следить за качеством осветления воды, выходящей из центрифуги.

В состав секции может входить полиэтиленовый кислотный резервуар на 800л с двумя дозирующими насосами в кислотостойком исполнении. Этот узел применяется, если есть необходимость в предварительном регулировании рН утилизированного бурового раствора.

Кислотный резервуар снабжен автоматическим сигнализатором нижнего уровня с выводом на пульт управления.

Весь резервуарный и насосный парк обвязан трубопроводимой и запорной арматурой. Схема обвязки обладает гибкостью и позволяет использовать оборудование ФСУ для разных задач:

1. Утилизация отдельных объемов раствора.

2. Частичное удаление выбуренной твердой фазы с возвращением «облегченного» раствора в циркуляционную систему.

При утилизации бурового раствора, он по рабочему трубопроводу с помощью винтового насоса подается в секцию химической обработки. На основе подобранной рецептуры обеспечивается темп ввода рабочих растворов флокулянта и коагулянта дозировочными насосами. Их регулировка проводится с пульта управления. На время выхода в рабочий режим обработки, раствор возвращается обратно в емкость хранения. В это же время (или ранее) центрифуга приводится в эксплуатационный режим (примерно 1800об/мин). При удовлетворительной оценке воды, она направляется в водяную емкость. Твердая фаза в виде пастообразной массы из центрифуги собирается в специальные контейнеры для дальнейшего вывоза в места захоронения.

Для этого режима работы ФСУ важно правильное осуществление ввода и распределения реагентов в потоке утилизируемого раствора: вначале кислота и раствор флокулянта, далее поток проходит через винтовой перемешиватель «турбулизатор», которым флокулянт равномерно распределяется в потоке, и последним вводится рабочий раствор коагулянта. От точки ввода коагулянта до центрифуги участок трубы имеет несколько специальных разворотов для обеспечения мягкого перемешивания при завершении флокуляции. Этот участок должен быть не слишком коротким, чтобы реагенты успели сработать, и не слишком длинным, чтобы в потоке не разрушились образованные флокулы.

В процессе работы иногда бывает выход из оптимального режима флокуляции (по появлению мутности в воде). Раствор через вторую секцию ловушечной емкости отправляется обратно в емкость хранения. Потом уточняется дозировка и поток вновь направляется в центрифугу.

§ 12. Инертизация шлама

В настоящее время законодательством, регулирующим порядок захоронения отходов, предусмотрена обязательная переработка вредных отходов перед захоронением.

Метод отжига шлама не является прогрессивным из-за выделения большого количества сажи и кислых газов, а также это связано с большим расходом энергоносителей.

Наиболее оптимальным для этих целей являются процессы на основе связывающих веществ, они не дороги и технологически просты. Инертизация отходов по этой технологии производится в два этапа.

Первый этап - затвердение, при котором шлам превращается в твердую массу с низкой пористостью и проницаемостью. Это происходит при взаимодействии с одним из химических реагентов. Процесс занимает некоторый период времени, в течение которого увеличивается прочность и снижается проницаемость материала.

Второй этап - стабилизация. Данный термин обозначает совокупность процессов, при которых вредные вещества, содержащиеся в отходах, собираются в стабильную, нерастворимую форму с низкой активностью по отношению к окружающей среде. Процесс начинается еще на первой стадии загущения массы путем добавления специальных веществ для нейтрализации специфических химических компонентов в отходах.

Затвердение и стабилизация являются совокупными процессами, неотделимыми друг от друга, потому что материалы, образующие вещества и связывающие вредные компоненты, первоначально находятся в перерабатываемых отходах бурения и способствуют их химической стабилизации.

Установка для инертизации шлама состоит из реактора-смесителя, транспортера подачи шлама в реактор, шнека для подачи в смеситель затвердителя, а также стабилизатора и транспортера для отбора инертизированного шлама (рис. 4). Установка по инертизации шлама может использоваться как на центральном пункте захоронения шлама, так и непосредственно на буровой.

Водная вытяжка из инертизованного шлама не содержит вредных веществ, поэтому такой затвердевший не размокающий материал может использоваться для хозяйственных целей (отсыпка дорог и прочее). На инертизованный шлам выдается экологический сертификат.

ОАО «ИКФ» может поставлять установки по инертизации шлама и реагенты для этого процесса.

§ 13. Гидродинамические расчеты в бурении

В различных изданиях приведены методы гидравлических расчетов для буровых растворов с использованием различных моделей течения (бингама и степенной) с множеством формул и номограмм. Эти расчеты отличаются сложностью многоступенчатых операций и часто не очень согласуются с реальной обстановкой (например, показания манометра). Трудно учитывать геометрию всего ствола и режимы течения на различных участках, особенно в кавернах. Кроме того, для выявления оптимальных свойств раствора и режима промывки необходимо просчитывать несколько вариантов с различными свойствами раствора. На все это требуется много времени, которым инженер по буровым растворам чаще всего не располагает.

В настоящее время в большинстве регионов имеются компьютерные гидравлические программы, которыми легко пользоваться и они отличаются довольно высокой достоверностью получаемых данных.

«ИКФ» имеет несколько компьютерных гидравлических программ и при необходимости может поставить буровым предприятиям. Для этих расчетов требуются реологические константы бурового раствора, лучше, если они измерены на 6-ти или 8-ми скоростном вискозиметре «FANN»; это особенно важно при использовании систем на основе ХВ-Полимера, а также растворов с большой концентрацией полиакриламида (0, 1-0, 3%).

Глава VI