Удаление шлама из скважины происходит

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

способ эвакуации бурового шлама из скважины и устройство для его осуществления - патент РФ 2281378

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении взрывных скважин с применением для эвакуации бурового шлама (БШ) сжатым воздухом (СВ). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса эвакуации БШ и снижения удельных затрат на бурение скважин путем уменьшения расхода СВ, снижения расходов на изготовление и ремонт бурового става (БС), соответствия параметров СВ условиям очистки скважины. Способ включает транспортирование БШ на поверхность СВ, подаваемым через центральный канал БС и продувочные каналы долота на забой и далее, вместе с БШ, в затрубную зону. В БС, образующем со стенками скважины призабойную, шнековую и затрубную зоны, СВ разделяют на два потока с равными расходами, первый из которых подают непосредственно в затрубную зону, второй - в призабойную зону, из которой он, вместе с БШ, образуя воздушно-шламовый поток, поступает в шнековую зону и далее, в затрубную зону скважины, где соединяется с первым потоком СВ. При этом из шнековой зоны эвакуацию БШ производят комбинированно шнековым и пневматическим транспортированием, а из затрубной зоны скважины до ее устья БШ транспортируют энергией СВ. Причем на границе шнековой и затрубной зон воздушно-шламовый поток подвергают эжекции первым потоком СВ. Во всех зонах скважины осуществляют автоматическое регулирование концентрации потока БШ путем регулирования параметров СВ с помощью механизма управления. В устройстве для осуществления способа БС состоит из гладкоствольных штанг и шнекового забурника-эвакуатора, имеющего центральный канал для подачи СВ в призабойную зону. Также БС снабжен верхним и нижним конусами, образующими со стенками скажины диффузорный и конфузорный участки для эжекции воздушно-шламового потока. Нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой штанге. В верхнем конусе выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления, разделяющий поток СВ и регулирующий его параметры. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.

(56) (продолжение):

A1, 15.01.1991. SU 1682517 A1, 07.10.1991. RU 2182213 C1, 10.05.2002. US 5016718 А, 21.05.1991. DE 3939245 A, 31.05.1990.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении взрывных скважин с применением для эвакуации бурового шлама сжатого воздуха.

Известен способ удаления бурового шлама из скважины путем шнекового транспортирования его на поверхность (Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. М.: Недра, 1983, с.76-101).

К недостаткам этого способа следует отнести: большие затраты мощности на процесс бурения, небольшую глубину бурения, которая ограничивается резким увеличением крутящего момента на буровом ставе.

Известен шнекопневматический способ удаления бурового шлама из скважины, при котором сжатый воздух обеспечивает подачу бурового шлама из призабойной зоны на первый виток шнека и способствует передвижению частиц породы вверх по спиралям (Катанов Б.А. Теоретические и экспериментальные основы создания эффективных средств шнекопневматического бурения взрывных скважин на карьерах. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук. Кемерово, 1989, с.63-89).

К недостаткам этого способа следует отнести шнекопневматичесое транспортирование бурового шлама по всей глубине скважины, что сопровождается значительными затратами мощности на очистку, особенно при бурении скважин большого диаметра, который в настоящее время на открытых горных работах преимущественно составляет 250-270 мм по условиям применения современных взрывчатых веществ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятый за прототип способ эвакуации бурового шлама из скважины, включающий его транспортирование на поверхность сжатым воздухом, подаваемым через центральный канал бурового става и продувочные каналы долота на забой и далее, вместе с буровым шламом в затрубную зону скважины (Лопатин Ю.С., Осипов Г.М., Перегудов А.А. Бурение взрывных скважин на карьерах. М.: Недра, 1979, с.57-110).

Недостатки прототипа заключаются в том, что на его реализацию требуется значительный расход сжатого воздуха, затрудняется эвакуация бурового шлама при прохождении прослойков глин из-за возникновения сальников и забивания продувочных каналов долота; ухудшаются условия очистки призабойной зоны при смене режущего бурового инструмента на шарошечные долота; отсутствует возможность регулирования концентрации потока бурового шлама в процессе бурения скважин.

Известно устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее шнековые штанги, соединенные друг с другом с помощью замкового механизма (Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992, с.54, рис.3.13 а).

К недостаткам этого устройства следует отнести: ограничение механической скорости бурения за счет недостаточной транспортирующей способности бурового става, состоящего из шнековых штанг; низкую износостойкость спиралей штанг; возможность заклинивания (прихватывания) бурового става при бурении в мягких обводненных породах.

Известно устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее шнековые буровые штанги для бурения с шнекопневматической очисткой, с различной формой спирали (Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992, с.55, рис 3.15).

К недостаткам этого устройства следует отнести: большие затраты мощности на вращение бурового става, состоящего из шнековых штанг; сложность конструкции и трудоемкость изготовления шнековых штанг. Кроме того, шнековый буровой став увеличенного диаметра обладает большой массой, его изнашивание носит интенсивный характер, а восстановление требует значительных затрат.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, включающее буровой став, состоящий из долота, а также концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха (Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987, с.210-212, рис.7.12).

Недостатки прототипа заключаются в том, что в процессе бурения отсутствует возможность регулирования концентрации потока бурового шлама путем регулирования параметров сжатого воздуха, поступающего в скважину. Это может привести к зашламовыванию призабойной зоны и продувочного канала долота, особенно при повышении скорости бурения в мягких прослойках породы.

Основными задачами изобретения являются: повышение эффективности процесса эвакуации бурового шлама и снижение удельных затрат на бурение скважин путем уменьшения расхода сжатого воздуха по сравнению с применением пневмоочистки, проходки глин и закарстованных массивов без тяжелых шнеков, снижения расходов на изготовление и ремонт бурового става, соответствия параметров сжатого воздуха условиям очистки скважины.

Поставленные задачи достигаются тем, что способ эвакуации бурового шлама из скважины, включающий его транспортирование на поверхность сжатым воздухом, подаваемым через центральный канал бурового става и продувочные каналы долота на забой и далее, вместе с буровым шламом, в затрубную зону, предусматривает, что в буровом ставе, образующем со стенками скважины призабойную, шнековую и затрубную зоны, сжатый воздух разделяют на два потока с равными расходами, первый из которых подают непосредственно в затрубную зону, второй - в призабойную зону, из которой он, вместе с буровым шламом, образуя воздушно-шламовый поток, поступает в шнековую зону и далее, в затрубную зону скважины, где соединяется с первым потоком сжатого воздуха; при этом из шнековой зоны эвакуацию бурового шлама производят комбинированно шнековым и пневматическим транспортированием, а из затрубной зоны скважины до ее устья буровой шлам транспортируют энергией сжатого воздуха, причем на границе шнековой и затрубной зон воздушно-шламовый поток подвергают эжекции первым потоком сжатого воздуха; кроме того, во всех зонах скважины осуществляют автоматическое регулирование концентрации потока бурового шлама путем регулирования параметров сжатого воздуха с помощью механизма управления.

Поставленные задачи достигаются также тем, что в устройстве для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, включающем буровой став, состоящий из долота с продувочным каналом, и концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха, буровой став снабжен шнековым забурником-эвакуатором, имеющим центральный канал для подачи сжатого воздуха в призабойную зону, и верхним и нижним конусами, образующими со стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный участки для эжекции воздушно-шламового потока, основные и концевая буровые штанги выполнены гладкоствольными, причем нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой буровой гладкоствольной штанге, при этом в верхнем конусе шнекового забурника-эвакуатора выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления для разделения потока сжатого воздуха и регулирования его параметров; кроме того, в верхнем конусе установлены съемные насадки, направленные вверх под острым углом к оси скважины, а механизм управления содержит подвижный клапан с проходными каналами, который расположен непосредственно под эжекционными каналами и зафиксирован от вращения регулирующей гайкой; при этом эжекционные каналы шнекового забурника-эвакуатора и проходные каналы подвижного клапана выполнены с равными площадями сечений, сумма которых равна площади сечения продувочного канала долота, для обеспечения равенства расходов потоков сжатого воздуха, подаваемых в затрубную и призабойную зоны скважины, при их разделении и регулировании; вместе с тем параметры шнекового забурника-эвакуатора отвечают условиям, при которых скорости сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах скважины находятся в зависимости:

где V_пр и V_ш - скорости сжатого воздуха соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, м/с; М_пр и М_ш - силы давления сжатого воздуха, действующие на частицы бурового шлама соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, Н; а=S_пр/S _ш - аэродинамический коэффициент, равный отношению площадей сечений призабойной и шнековой зон скважины, м²; при этом в механизме управления диапазон регулирования параметров сжатого воздуха, обеспечивающих концентрацию потока бурового шлама, не превышающую предельно допустимых значений устанавливают исходя из условия:

G= Р·S_k,

где G - вес подвижного клапана, Н; Р - заданный перепад давления сжатого воздуха в центральных каналах шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги при зашламовывании забоя, Па; S_k - площадь сечения днища подвижного клапана, м².

Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих предлагаемый способ эвакуации бурового шлама из скважины, с достигаемыми техническими и технологическими результатами заключается в следующем.

Разделение сжатого воздуха на потоки с равными расходами как отличительный признак создает эвакуацию бурового шлама во всех зонах скважины с максимально стабильной концентрацией бурового шлама, не превышающей предельно допустимых значений. Если поток сжатого воздуха, подаваемого в призабойную зону, будет иметь больший расход, чем поток сжатого воздуха, подаваемого в затрубную зону, то вследствие большей скорости воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах возможно зашламовывание затрубной зоны, особенно в месте соединения шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги. Если поток сжатого воздуха, подаваемого в призабойную зону, будет иметь меньший расход, чем поток сжатого воздуха, подаваемого в затрубную зону, возможно зашламовывание призабойной или шнековой зоны скважины вследствие уменьшения скорости воздушно-шламового потока в этих зонах либо из-за возникновения противодействия воздушного потока в затрубной зоне, способного направить его вниз по скважине. Раздельная подача сжатого воздуха в призабойную и затрубную зоны позволяет осуществлять эжекцию воздушно-шламового потока, что увеличивает порозность шламового слоя, снижает концетрацию потока бурового шлама и облегчает его эвакуацию на поверхность скважины за счет придания ему в затрубной зоне дополнительной скорости подъема. Кроме того, стабильная концентрация обеспечивается возможностью ее автоматического регулирования путем регулирования параметров сжатого воздуха (давления и расхода) в зонах скважины.

Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих предлагаемое устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины, с достигаемыми техническими и технологическими результатами заключается в следующем.

Формирование бурового става из гладкоствольных буровых штанг и шнекового забурника-эвакуатора и распределение в нем потоков сжатого воздуха, подаваемых раздельно в затрубную зону и на забой, обеспечивает эффективную эвакуацию бурового шлама во всех зонах скважины с минимальными энергетическими затратами на выработку сжатого воздуха и преодоление сил трения бурового става о породу и породы о стенки скважины и буровой став. Указанный отличительный признак заявляемого изобретения создает условия для существенного уменьшения длины шнековой части бурового става по сравнению со шнековой и шнекопневматической очисткой до размеров, равных 6-8 диаметрам скважины, что согласуется с конструкцией буровых станков и соответствует расстоянию от устья скважины до направляющих и центрирующих устройств платформы станков. Это приводит к снижению требуемой мощности вращателя, одновременно улучшает условия бурения глинистых пород и закарстованных массивов.

Наличие на шнековом забурнике-эвакуаторе нижнего и верхнего конусов создает между их поверхностями и стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный сечения. В диффузорном сечении скорость сжатого воздуха уменьшается, что обеспечивает дополнительный напор воздуха, увеличивающий силу давления, действующую на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины. В конфузорном сечении, в месте соединения шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги, скорость сжатого воздуха увеличивается, а давление снижается. При подаче потока сжатого воздуха в конфузорное сечение через эжекционные каналы и съемные насадки шнекового забурника-эвакуатора происходит дополнительный рост скорости и снижение давления, что приводит к эжекции образованного на забое скважины воздушно-шламового потока в конфузорном сечении и повышению его скорости в затрубной зоне скважины. Этот отличительный признак предлагаемого устройства приводит к увеличению порозности шламового слоя и уменьшению концентрации твердой фазы в воздушно-шламовом потоке.

Возможность регулирования площадей сечений эжекционных каналов как отличительный признак заявляемого изобретения позволяет регулировать параметры сжатого воздуха. Так, при зашламовывании призабойной или шнековой зоны (например, в случае бурения встретившихся пропластков с небольшой крепостью, когда резко увеличивается скорость проходки) вследствие увеличения давления в центральном канале шнекового забурника-эвакуатора подвижный клапан, поднимаясь вверх, изменяет площадь сечений эжекционных каналов, при этом регулируя не только параметры сжатого воздуха, но и концентрацию твердой фазы в воздушно-шламовом потоке.

Применение подвижного клапана как отличительный признак предлагаемого устройства позволяет осуществлять регулирование параметров сжатого воздуха в диапазоне, который устанавливается зависимостью между весом подвижного клапана и величиной перепада давления в центральных каналах шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги. Чем меньше будет вес подвижного клапана, тем меньше будет диапазон регулирования давления и расхода сжатого воздуха, а следовательно, стабильнее уровень концентрации бурового шлама в воздушно-шламовом потоке. При этом значение перепада давления Р устанавливается исходя из требуемого значения расхода воздуха, обеспечивающего концентрацию потока бурового шлама, не превышающую предельно допустимых значений.

Параметры шнекового забурника-эвакуатора (шаг между витками, угол подъема спирали, диаметры шнека и вала) устанавливают такими, чтобы обеспечить максимальные значения силы давления потока сжатого воздуха, действующего на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины. Это достигается при условии, если угол между векторами абсолютной и переносной скоростей этих частиц равен 45°.

Этот отличительный признак заявляемого изобретения позволяет достичь максимальных значений скорости воздушного потока в шнековой зоне скважины, при установленных значениях заданных режимов и условий процесса бурения скважины.

Таким образом, совокупность новых существенных решений позволяет повысить эффективность процесса эвакуации бурового шлама и снизить затраты на бурение скважин путем уменьшения расхода сжатого воздуха по сравнению с применением гладкоствольного бурового става, проходки глин и закарстованных массивов без тяжелых шнеков, соответствия параметров сжатого воздуха условиям очистки скважины. Этими новыми решениями, в конечном итоге, достигаются поставленные задачи.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - общий вид бурового става; на фиг.2 - узел А на фиг.1; на фиг.3 - подвижный клапан; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - регулирующая гайка; на фиг.6 - разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.8 - положение подвижного клапана при открытых эжекционных каналах; на фиг.9 - положение подвижного клапана при закрытых эжекционных каналах.

Устройство для осуществления способа эвакуации бурового шлама из скважины содержит (фиг.1) буровой став с гладкоствольными штангами 1, из которых концевая штанга соединена со шнековым забурником-эвакуатором 2. Гладкоствольные штанги 1 со стенкой скважины 3 образуют затрубную зону I-II, а шнековый забурник-эвакуатор 2 со стенкой скважины 3 образуют шнековую зону II-III. На шнековом забурнике-эвакуаторе 2 установлены верхний конус 4 и нижний конус 5, которые со стенками скважины 3 образуют соответственно конфузорный участок (в области сечения II-II) и диффузорный участок (в области сечения III-III). В нижний конус 5 шнекового забурника-эвакуатора 2 установлено долото 6, которое со скважиной 3 образует призабойную зону III-IV. Гладкоствольная штанга 1 содержит центральный канал 7 (фиг.2) и муфту 8, в которой закреплен шнековый забурник-эвакуатор 2 с помощью ниппеля 9. В верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 установлен механизм управления, содержащий подвижный клапан 10 (фиг.2-4), расположенный непосредственно под эжекционными каналами 11 и зафиксированный от вращения регулирующей гайкой 12 (фиг.2 и 5) посредством выступов 13 (фиг.6). Шнековый забурник-эвакуатор 2 содержит спираль 14, витки которой расположены под острым углом к горизонтальной плоскости. Подвижный клапан 10 имеет конусную часть 15 (фиг.4), цилиндрическую часть 16, проходные каналы 17 и днище 18, находящееся непосредственно над центральным каналом 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 (фиг.2).

Осуществляется способ и работает устройство следующим образом.

Сжатый воздух с расходом F_k от компрессора бурового станка подается через центральный канал 7 гладкоствольной штанги 1 в верхний конус 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 (фиг.1), где распределяется на два потока с расходами F₁ и F ₂ с помощью подвижного клапана 10 (фиг.2). Один поток сжатого воздуха с расходом F₁, отражаясь от конусной части 15 подвижного клапана 10, поступает через эжекционные каналы 11 (фиг.8) и насадки (не показаны) в затрубную зону I-II (фиг.1). Другой поток сжатого воздуха с расходом F₂ через проходные каналы 17 клапана 10 (фиг.3) поступает в центральный канал 19 (фиг.2 и 8) шнекового забурника-эвакуатора 2 и далее, через продувочные каналы долота 6 на забой скважины 3 (сечение IV-IV, фиг.1). В призабойной зоне III-IV скважины сжатый воздух с расходом F ₂ поднимает буровой шлам и подает его на первый виток шнекового забурника-эвакуатора 2. Образующийся в призабойной зоне III-IV воздушно-шламовый поток перемещается вверх по межвитковому пространству, образуемому витками спирали 14 (в шнековой зоне скважины), установленной на шнековом забурнике-эвакуаторе 2. В шнековой зоне скважины эвакуация бурового шлама, таким образом, происходит комбинированно: за счет потока сжатого воздуха, создающего силу давления, действующую на частицы бурового шлама, и за счет сил трения этих частиц о витки спирали 14 и стенку скважины 3.

Поток сжатого воздуха с расходом F₁ при выходе с большой скоростью из эжекционных каналов 11 и насадок шнекового забурника-эвакуатора 2 поступает в конфузорный участок, образуемый верхним конусом 4 и стенкой скважины 3, где создается эжекционное сечение II-II с давлением сжатого воздуха, значения которого ниже давления воздушно-шламового потока, поступающего из шнековой зоны II-III скважины 3. В эжекционное сечение II-II устремляется воздушно-шламовый поток; при этом увеличивается порозность шламового слоя и снижается концентрация твердой фазы (шлама). Далее, в затрубной зоне I-II, до устья скважины, эвакуация бурового шлама осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха с расходом F_k=F₁ +F₂.

Для обеспечения бесперебойного шламоудаления площадь сечения проходных каналов 17 подвижного клапана 10 принята равной площади сечений эжекционных каналов 11, выполненных в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2, а их сумма равна площади сечения продувочного канала долота 6. При этом обеспечивается равенство расходов потоков сжатого воздуха, разделяемых в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2, то есть F₁=F₂=0,5F_k. При F₁ <F₂ может произойти зашламовывание затрубной зоны I-II скважины 3. При F₁>F₂ из-за падения скорости воздуха может произойти зашламовывание призабойной зоны III-IV или шнековой зоны II-III скважины 3. Кроме того, в затрубной зоне II-III возможно возникновение противодавления, при котором поток сжатого воздуха с расходом F₁ может устремиться вниз и приостановить эвакуацию бурового шлама.

Равенство расходов разделенных потоков сжатого воздуха, обеспечиваемое с помощью равенства площадей сечений проходных каналов 17 подвижного клапана 10, создает устойчивый режим эвакуации бурового шлама из скважины. Подвижный клапан 10 при этом займет нижнее положение в шнековом забурнике-эвакуаторе 2 (фиг.8). В случае нарушения устойчивого режима эвакуации бурового шлама из скважины (например, при увеличении скорости проходки скважины во встретившихся прослойках с небольшим коэффициентом крепости повысится концентрация бурового шлама), вследствие повышения стесненности движения, расход сжатого воздуха на выходе из долота 6 снизится. В результате этого, в центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2, а следовательно, в области Ж (фиг.2) давление сжатого воздуха возрастет на величину Р, по сравнению с давлением в области Е, и, действуя на днище 18 подвижного клапана 10, поднимет его вверх (фиг.9). Таким образом, включится в работу механизм управления: подвижный клапан 10 своей цилиндрической частью 16 перекроет часть площади сечений эжекционных каналов 11. При этом ширина эжекционных каналов 11 уменьшится на величину h=h₁-h₂, что приведет к снижению расхода сжатого воздуха на величину F=F₁-F₁¹ (фиг.8). Вместе с этим, при подъеме подвижного клапана 10 увеличится ширина проходных каналов 17 на величину l=l₂-l₁. В этом случае произойдет перераспределение расходов F₁ и F₂ потоков сжатого воздуха. В зону забоя долота 6 через центральный канал 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 поступит поток сжатого воздуха с расходом F₂¹=F₂+ F, который увеличит скорость воздушно-шламового потока в призабойной и шнековой зонах и стабилизирует режим эвакуации бурового шлама, снизив уровень стесненности движения за счет увеличения порозности шламового слоя и уменьшения концентрации твердой фазы в воздушно-шламовом потоке. Давление в наддолотной части, центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 понизится, подвижный клапан 10 займет крайнее нижнее положение в верхнем конусе 4, открыв эжекционные каналы 11. Это приведет к выравниванию расходов F₁ и F₂ потоков сжатого воздуха и их давлений в областях Е и Ж и обеспечит устойчивый режим эвакуации бурового шлама. Для эффективного регулирования параметров сжатого воздуха подвижный клапан 10 в верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 устанавливают таким образом, чтобы его проходные каналы 17 не совпадали с эжекционными каналами 11. Это достигается посредством регулирующей гайки 12, выступы 13 которой входят в проходные каналы 17 подвижного клапана 10. При резьбовом соединении регулирующей гайки 12 в верхнем конусе 4 между проходными каналами 17 и эжекционными каналами 11 устанавливают угол =45° (фиг.7). Резьбовое соединение регулирующей гайки 12 с верхним конусом 4 позволяет регулировать ход подвижного клапана 10, что дает возможность обеспечить равенство площадей сечений проходных каналов 17 и эжекционных каналов 11.

Параметры шнекового забурника-эвакуатора 2, такие как угол подъема спирали, шаг спирали, диаметр шнека и диаметр вала, устанавливают из условия обеспечения максимальной скорости потока сжатого воздуха в шнековой зоне скважины, при этом значения силы давления воздушного потока, действующие на частицы бурового шлама, будут иметь также максимальные значения, если угол между векторами абсолютной и переносной скоростями движения этих частиц будет равен 45°.

Например, при бурении песчаников крепостью f=6-8 долотом с тремя зубчато-дисковыми шарошками, имеющим диаметр 244,5 мм, установленным на буровом станке типа СБШ, со скоростью бурения V_п=1,5 м/мин, частотой вращения бурового става n=125 мин^-1, при давлении сжатого воздуха, подаваемого компрессором Р=0,6 МПа, расходе F_k=20 м³/мин, рациональные параметры шнекового забурника-эвакуатора 2 и параметры потока сжатого воздуха в межвитковой зоне скважины будут иметь следующие значения (табл.1).

Примечание: Н - шаг спирали; Д - диаметр шнека; d - диаметр вала; - угол подъема спирали; а - аэродинамический коэффициент; М_ш - максимальная сила давления сжатого воздуха, действующая на частицы бурового шлама в шнековой зоне скважины; М_пр - сила давления сжатого воздуха, действующая на частицы бурового шлама в призабойной зоне.

Для принятых условий бурения параметры сжатого воздуха в зонах скважины при реализации предлагаемого способа, по сравнению с прототипом, будут иметь следующие значения (табл.2).

Диапазон регулирования параметров сжатого воздуха (давления и расхода) устанавливают исходя из условия обеспечения такой концентрации потока бурового шлама, которая не должна превышать предельно допустимых значений. Это достигается путем установления заданных значений перепада давления в центральном канале 19 шнекового забурника-эвакуатора 2 и центральном канале 7 гладкоствольной штанги 1 при зашламовывании призабойной или шнековой зоны.

В зависимости от величины заданных значений перепада давления выбирают вес подвижного клапана 10. Так, при предельно допустимой концентрации потока бурового шлама до 0,01 м³/м³ требуемый расход сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах должен быть равным F ₁=8-10 м³/мин. При этом заданный перепад давления должен быть Р=0,001-0,004 МПа. Для принятых условий бурения значения веса подвижного клапана 10 даны в табл.3.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют повысить эффективность процесса эвакуации бурового шлама за счет управления (авторегулирования) его концентрацией посредством изменения режимов подачи сжатого воздуха, снизить затраты на бурение, осуществлять проходку глинистых пород и закарстованных массивов с меньшими затратами на процесс бурения, снизить мощность вращателя бурового станка, уменьшить расходы на изготовление и ремонт сложных по конструкции шнеков.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ эвакуации бурового шлама из скважины, включающий его транспортирование на поверхность сжатым воздухом, подаваемым через центральный канал бурового става и продувочные каналы долота на забой и далее вместе с буровым шламом в затрубную зону, отличающийся тем, что в буровом ставе, образующем со стенками скважины призабойную, шнековую и затрубную зоны, сжатый воздух разделяют на два потока с равными расходами, первый из которых подают непосредственно в затрубную зону, второй - в призабойную зону, из которой он вместе с буровым шламом, образуя воздушно-шламовый поток, поступает в шнековую зону и далее в затрубную зону скважины, где соединяется с первым потоком сжатого воздуха, при этом из шнековой зоны эвакуацию бурового шлама производят комбинированно шнековым и пневматическим транспортированием, а из затрубной зоны скважины до ее устья буровой шлам транспортируют энергией сжатого воздуха, причем на границе шнековой и затрубной зон воздушно-шламовый поток подвергают эжекции первым потоком сжатого воздуха; кроме того, во всех зонах скважины осуществляют автоматическое регулирование концентрации потока бурового шлама путем регулирования параметров сжатого воздуха с помощью механизма управления.

2. Устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее буровой став, состоящий из долота с продувочным каналом, и концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха, отличающееся тем, что буровой став снабжен шнековым забурником-эвакуатором, имеющим центральный канал для подачи сжатого воздуха в призабойную зону, и верхним и нижним конусами, образующими со стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный участки для эжекции воздушно-шламового потока, основные и концевая буровые штанги выполнены гладкоствольными, причем нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой буровой гладкоствольной штанге, при этом в верхнем конусе шнекового забурника-эвакуатора выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления для разделения потока сжатого воздуха и регулирования его параметров.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в верхнем конусе установлены съемные насадки, направленные вверх под острым углом к оси скважины, а механизм управления содержит подвижный клапан с проходными каналами, который расположен непосредственно под эжекционными каналами и зафиксирован от вращения регулирующей гайкой.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что эжекционные каналы шнекового забурника-эвакуатора и проходные каналы подвижного клапана выполнены с равными площадями сечений, сумма которых равна площади сечения продувочного канала долота, для обеспечения равенства расходов потоков сжатого воздуха, подаваемых в затрубную и призабойную зоны скважины, при их разделении и регулировании.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что параметры шнекового забурника-эвакуатора отвечают условиям, при которых скорости сжатого воздуха в призабойной и шнековой зонах скважины находятся в зависимости:

где V_пр и V_ш - скорости сжатого воздуха соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, м/с;

М_пр и М_ш - силы давления сжатого воздуха, действующие на частицы бурового шлама соответственно в призабойной и шнековой зонах скважины, Н;

a=S_пр /S_ш - аэродинамический коэффициент, равный отношению площадей сечений призабойной и шнековой зон скважины, м² .

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в механизме управления диапазон регулирования параметров сжатого воздуха, обеспечивающих концентрацию потока бурового шлама, не превышающую предельно допустимых значений, устанавливают, исходя из условия:

G= P·S_k,

где G - вес подвижного клапана, Н;

Р - заданный перепад давления сжатого воздуха в центральных каналах шнекового забурника-эвакуатора и гладкоствольной штанги при зашламовывании забоя, Па;

S_k - площадь сечения днища подвижного клапана, м².

www.freepatent.ru

Декольматаж

Разглинизация и декольматаж водоносных пластов и фильтров является важнейшей операцией при освоении скважин, обеспечивающей достижение максимально возможного дебита.

Различают два вида разглинизации.

1. Наружная разглинизация заключается в разрушении и отделении глинистой корки от стенок скважины и водоприемной поверхности фильтра, а также в извлечении глинистого раствора из скважины.

2. Внутренняя разглинизация заключается в удалении частиц глины и бурового шлама из пор и каналов водоносного пласта.

Методы декольматажа скважин можно разделить на четыре основные группы: гидравлические, импульсные, вибрационные, реагентные и комбинированные.

Наиболее широко применяются гидравлические методы раз-глинизации, основанные на использовании кинетической и потенциальной энергии потока жидкости.

Обязательной заключительной операцией при использовании различных способов разглинизации скважин является откачка воды через рабочую поверхность фильтра, которая производится чаще всего эрлифтом, реже скважинным центробежным и водоструйным насосами. Как самостоятельный вид обработки откачка не эффективна из-за ограниченного перепада давления в водоносном пласте и полости фильтра и соответственно недостаточной кинетической энергии фильтрационного потока воды, поступающей в скважину. Откачка является более эффективным методом наружной и внутренней разглинизации после обработки скважины другими методами, вызывающими нарушение структурных связей в закольматированной породе, разрушение и диспергирование глинистой корки. Интенсивная откачка через промывочные окна в фильтре и рабочую поверхность с применением пакеров вызывает обрушение закольматированных глинистым раствором пород водоносного пласта, прилегающих к фильтру и их удаление за пределы фильтра. В этом случае происходит как внутренняя, так и внешняя разглинизация скважин.

Обработка скважин свабированием близка по физической сущности к откачке, так как при движении поршня вверх в скважине создается депрессия и фильтрационный поток с частицами глины, бурового шлама и мелким песком устремляется через рабочую поверхность внутрь скважины. Этим обеспечивается частичная разглинизация фильтра и водоносной породы.

Промывка водоносных пластов производится нагнетанием воды в скважину и обеспечивает в основном наружную разглинизацию. При промывке через башмак или открытый конец фильтровой колонны удаляется глинистый раствор из скважины, частично разрушается слабопроницаемый глинистый экран между стенками скважины и водоприемной поверхностью фильтра. При промывке через рабочую поверхность происходит разрушение глинистой корки, находящейся на водоприемной поверхности фильтра, и ее удаление по зафильтровому пространству. Процесс промывки через рабочую поверхность интенсифицируется струйной промывкой посредством гидронасадков и гидроершей, а также пакеров, локализирующих и усиливающих воздействие потока промывочной воды на водоприемную поверхность. Эффективность промывки увеличивается при совмещении ее с откачкой, которая обычно производится эрлифтом.

Нагнетание воды в пласт обеспечивает его гидроразрыв с образованием дренажных каналов в водоносной породе и увеличение водопритока.

Импульсные методы разглинизации основаны на использовании энергии, выделяющейся в течение короткого времени в результате химического превращения вещества (взрыва твердых и газообразных ВВ), при выхлопе сжатого воздуха в жидкость (пневмовзрыве), при электрическом разряде в жидкости (электровзрыве), при резком изменении скорости движения жидкости (гидравлическом ударе).

Механизм воздействия импульсных нагрузок на фильтр и прифильтровую зону практически не зависит от источников их создания. Под действием ударных волн, возникающих при взрывах всех видов, разрушается глинистая корка на поверхности фильтра и на стенках скважины, формируются дополнительные трещины и дренажные каналы в водоносной породе, частично разрушающейся у стенок скважины, нарушаются структурные связи между частицами глины, породой и фильтром. Гидродинамические и фильтрационные потоки, образующиеся при взрывах вследствие изменения давления внутри скважины, способствуют удалению разрушенного осадка с поверхности фильтра, из пор и трещин.

Воздействие ударной волны на каркас фильтра вызывает возникновение в нем упругой волны, распространяющейся в радиальном направлении от места приложения нагрузки. Действие взрывов усиливаете за счет отражения ударных волн от жестких неперфорированных частей поверхности каркаса фильтра.

Различные импульсные источники имеют следующие энергетические показатели. Энергия, выделяемая при подводном взрыве 1 м детониру ющего шнура ДШ-В, составляет около 70 кДж (тротиловый эквивален 17—18 г). Несмотря на значительные энергетические возможности торпед, из тротилового детонирующего шнура (ТДШ), их применение ограничен трудностью регулирования импульсных давлений, действующих на фильтр при взрыве и достигающих 50 МПа. В связи с этим взрывы тротиловых шнуров целесообразно использовать при разглинизации скважин, оборудованных фильтрами в виде трубчатого или стержневого каркаса с проволочной обмоткой.

При газовой детонации энергия единичного импульса составляет около 20 кДж при объеме газовой камеры 1,5 дм3 (тротиловый эквивалент 5—6 г). Пневмоизлучатели типа АСП-Т при давлении поступающего в рабочую камеру сжатого воздуха 10 МПа обладают запасом энергии на производство единичного выхлопа около 25 кДж на 1,0 дм3 рабочего объема камеры (тротиловый эквивалент 6—7 г). В электрогидравлических (ЭГ) установках при напряжении разрядного контура V = 60—70 кВ и емкости конденсаторов С = 0,5 мкФ энергия единичного электрического разряда составляет около 1,25 кДж (тротиловый эквивалент 0,3—0,4 г). Несмотря на ограниченные энергетические возможности этих установок, они обеспечивают многократное импульсное воздействие, надежное воспроизведение процесса от импульса к импульсу, что позволяет применять их в широком диапазоне гидрогеологических условий работы скважин, оборудованных различными типами фильтров.

При гидравлических ударах, создаваемых сбрасыванием тяжелой желонки в скважину, выстрелом в воду, пульсационной промывкой, взрывом газовой смеси над поверхностью воды в скважине, прерывистой откачкой эрлифтом или насосом, создаются ударные волны и происходи резкое перемещение воды в скважине и прифильтровой зоне. Воздействие указанных факторов способствует нарушению сплошности закольматированной водоносной породы и разрушению глинистой корки, что обеспечивает эффективную внутреннюю и внешнюю разглинизацию скважин при одновременной или последующей откачке.

Вибрация поршня или дисков в столбе жидкости внутри скважины вызывает разрушение закольматированных пород в прифильтровой зоне нарушение структурных связей между отложениями глины и водоносной породой. Низкочастотные колебания (до 1000 Гц) создаются электромеханическими, гидравлическими или пневматическими вибраторами, высокочастотные колебания (более 1000 Гц) — ультразвуковыми вибраторами различных типов.

При использовании реагентных методов обработки скважин глинистые соединения разрушаются за счет потери структурных связей, ионообменных процессов, частичного растворения глинистых образований в реагентах, ослабления гельных свойств глины, снижения сил адгезии и когезии, а также адсорбционных сил. Однако реагентные методы не всегда обеспечивают эффективную разглинизацию скважин, так как растворители не способны проникнуть в сцементированную глинистым раствором зону водоносного пласта из-за низкой ее проницаемости и фильтрационной неоднородности.

Более высокая степень разглинизации скважин и восстановления структуры и пористости водоносной породы достигается при использовании комбинированных методов обработки скважин, сочетающих гидравлическое, импульсное или вибрационное воздействие с последующей или одновременной реагентной обработкой. Под действием гидродинамических нагрузок при различных источниках их создания водонепроницаемые структуры разрушаются, создаются дополнительные трещины и каналы, увеличивается контакт реагента с глинистыми отложениями, обеспечивается более глубокое проникновение реагента за контур фильтра за счет интенсификации массообмена между растворителем и кольматантом и лучший отвод растворенных веществ из зоны контакта. Это способствует более полному извлечению кольматирующих образований из прифильтровой зоны скважины.

Импульсно-реагентные методы обработки сочетают воздействие на фильтр и водоносный пласт взрыва заряда ВВ, электровзрыва, пневмо-взрыва с реагентной обработкой.

Виброреагентная обработка скважин, совмещающая механическую обработку дисковым или поршневым рабочим органом с обработкой реагентами, обеспечивает восстановление проницаемости фильтра и водоносного пласта за счет пульсации реагентов в прифильтровой зоне скважины.

Метод электровибрационной обработки основан на создании в реагенте низковольтных электрических разрядов, сопровождающихся образованием импульсных давлений и пульсирующего движения реагента в водоносной породе.

Положительный эффект при освоении скважин дает применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), вызывающих флокуляцию глинистых частиц, выпадение их в виде хлопьевидных несвязных осадков, нейтрализацию и вспенивание. Это способствует лучшему удалению глинистых частиц и бурового шлама из пласта при последующей откачке.

Защитные пасты и пленки служат для предотвращения глинизации сетчатых и проволочных фильтров и способствуют значительному сокращению срока освоения скважин.

geofpro.com

Электрогидроимпульсная технология восстановления дебита артезианских скважин

Балтаханов А.М., Иванов Е.Н., Касаткин В.К., Иванов С.Е.

ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД»

Электрогидроимпульсная технология очистки от накипи и отложений теплообменного оборудования находит широкое применение в различных областях народного хозяйства. Настоящая статья посвящена одной из перспективных областей использования электрогидроимпульсных установок - очистке артезианских скважин с целью восстановления их дебита. Опыт эксплуатации водозабора подземных вод показывает, что их проектная производительность может существенно снижаться во времени. Одной из причин этого явления могут быть различные виды кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин, что вызывается:

• закупоркой отверстий частицами пород водоносного горизонта (механический кольматаж),
• выделением из подземной воды с последующем отложением на конструктивных элементах фильтра и частицах прифильтрационной зоны карбонатных, силикатных, железистых и других химических соединений, переходящих из растворимых форм в нерастворимые, при изменении физико-химических условий в воде (физико-химический кольматаж).
• отложением нерастворимых органических и неорганических соединений на элементах скважин в результате жизнедеятельности железистых, марганцевых, сульфатопродуцирующих и других видов бактерий (биохимический кольматаж).

Зарастание призабойной зоны и фильтра скважины может происходить при наличии высоких скоростей притока к скважине, когда в призабойной зоне и на входе в фильтр возникает турбулентный режим течения пластовой воды. Турбулентность способствует активному ее перемешиванию и окислению железа кислородом, растворенным в воде в небольших количествах. Выпадение в нерастворимый осадок химических соединений происходит также вследствие нарушения физико-химического равновесия в пластовой воде, обусловленного изменением давления, температуры и окислительно-восстановительного потенциала.

При работе скважины вследствие падения давления в пределах радиуса влияния уменьшается растворимость газов и происходит выделение их из воды. Вследствие удаления из воды СО₂ нарушается углекислотное равновесие, которое приводит к образованию СаСО₃ и МgСО₃. Появившиеся в результате химических реакций гидраты окисей железа, кремния, карбонат кальция и другие продукты образуют природную агрегатно-устойчивую взвесь, которая, проходя через поровое пространство прифильтровой зоны и фильтр, забивает его. Это приводит к тому, что фильтр закупоривается, водоносные породы вокруг него цементируются, в результате чего дебит скважины уменьшается.

Для увеличения производительности скважин и срока их службы возникает необходимость проведения мероприятий по декольматации. С этой целью используют импульсные, реагентные и комбинированные методы.

Один из импульсных методов — электрогидравлическая обработка скважины. Метод основан на преобразовании электрической энергии в энергию ударной волны при электроразряде в жидкости. Мощный электроразряд в воде приводит к формированию ударной волны, амплитуда которой может достигать 1500 атм при длительности от десятков до сотен микросекунд. Благодаря такой сверхмалой длительности исключаются повреждения фильтра. Кроме ударной волны разряд приводит к образованию пульсирующих гидродинамических потоков с локальными скоростями движения до 100 м/с и давлениями до 30 атм. Основные преимущества электрогидроимпульсного метода — высокая эффективность при низкой стоимости обработки, а также исключение возможности каких-либо повреждений фильтра. В отличие от других методов обработки скважин (реагентных, взрывных, пневмовзрывных и др.) [1] электрогидроимпульсный метод обладает достаточно высокой эффективностью при низкой стоимости обработки [2]. Кроме того, этот метод может быть использован в широком диапазоне гидрогеологических условий [3] Электрогидроимпульсное воздействие на призабойную зону скважин рекомендуется для повышения проницаемости пород, улучшения сообщаемости со стволом скважины и увеличения числа трещин, очистки перфорационных отверстий с целью облегчения притока и снижения энергетических потерь в этой области пласта.

В настоящей статье обсуждаются вопросы повышения эффективности электрогидроимпульсного воздействия на призабойную зону скважины вариацией схемных решений выполнения разрядной цепи установки ЗЕВС – 42 (разработчик и изготовитель ООО «ЗЕВС-ТРУБОПРОВОД»), описание работы и технические характеристики которой изложены в [2], исследована возможность работы установки с использованием кабеля РК - 50 - 9 - 11 длиной 300 метров и кабелей РК50-17-17 и КВИМ длиной до 700 м. Блок схема (а) и схематическое изображение (б) электрогидроимпульсной обработки скважины установкой ЗЕВС представлены на рис.1.

        а)     б)

Рис.1. Блок-схема (а) и схематическое изображение (б) электрогидроимпульсной обработки скважины установкой ЗЕВС

При работе установки фиксировалось напряжение на батарее накопительных конденсаторов с помощью высоковольтного универсального делителя и разрядный ток с помощью воздушного трансформатора (пояса Роговского) и электроннолучевого осциллографа. При этом зарядное напряжение на конденсаторах составляло 30 кВ, емкость накопительных конденсаторов 3 мкФ, величина рабочего промежутка между электродами рабочего органа составляла 5 мм. Типичные осциллограммы разрядного тока и на­пряжения на конденсаторах установки ЗЕВС-42 при длине кабеля РК-50-9-11 составляющей 100м приведены на рис. 2.

Рис. 2. Осциллограммы разрядного тока и напряжения на батарее установки ЗЕВС -42. Масштаб по оси времени составляет 20 мкс/дел. Масштаб для разрядного тока I составляет 2 кА/дел. Масштаб для напряжения U на батарее составляет 10кВ/дел.

По данным, полученным из осциллограмм, были определены: период колебаний разрядного тока, его амплитуда, а затем были рассчитаны индуктивность, активное сопротивление и величина давления на фронте ударной волны на расстоянии 15 см от канала разряда, которые соответственно составили: Т = 100 мкс, I_m =3.5 кА, L_ц.р. =72 мкГн, R._ц.р.=4.5 Ом. Р=3.86 МПа.

Давление на фронте ударной волны Р рассчитывалось по формуле [3]:

Анализируя полученные результаты сделаны следующие выводы: разрядная цепь установки ЗЕВС - 42 имеет значительные индуктивность и активное сопротивление, что приводит к большим потерям энергии.

Для снижения собственной индуктивности и активного сопротивления генератора импульсных токов существует несколько путей. Это можно сделать, применив несколько передающих кабелей, соединенных параллельно, либо выполнив всю конструкцию генератора совместно с рабочим органом в едином погружном контейнере [4].

Эти способы имеют свои преимущества и недостатки. Наиболее прогрессивным является выполнение генератора в виде единого погружного блока. Но, принимая во внимание условия эксплуатации данного устройства, при его разработке необходимо решить сложные научно - технические проблемы, связанные с малыми размерами скважин. Поэтому в данной работе рассмотрен способ снижения индуктивности и активного сопротивления путем применения нескольких, соединенных передающих кабелей, а также использование выпускаемых промышленностью кабелей типа РК50-9-11, РК50-17-17 и КВИМ.

Ниже приведены исследования работы такой установки. При этом активное сопротивление канала разряда принималось постоянным и равным 0.5 Ом.

Было рассмотрено три варианта выполнения разрядной цепи установки с одним, двумя и тремя передающими кабелями.

Схема замещения разрядной цепи приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема замещения разрядной цепи.

На схеме приняты следующие обозначения:

• С1 - емкость накопительных конденсаторов равная 3 мкФ;
• L1, R1 - индуктивность и активное сопротивление передающих кабелей;
• R2 - активное сопротивление рабочего разрядного промежутка;
• U - зарядное напряжение, равное 30 кВ.
• Р1 - коммутатор

Как известно [5], выражение для разрядного тока такой цепи имеет вид:

где:

ω - собственная круговая частота разрядной цепи

b - коэффициент затухания.

Исходя из данной формулы, были рассчитаны и построены графики изменения тока в разрядной цепи при разном количестве передающих кабелей типа РК-50-9-11. Результаты расчета приведены на рис. 4.

Рис. 4. Графики изменения разрядного тока

Результаты расчетов сравнивались с осциллограммами разрядного тока установки ЗЕВС - 42, полученными в лабораторных условиях и условиях промышленной эксплуатации. Согласие расчетных и экспериментальных результатов лежит в пределах погрешности измерения (не более 10%).

Как показано выше, уменьшение индуктивности передающей линии приводит к заметному увеличению, амплитуды токового импульса через разрядный промежуток, что в конечном счете, как правило, увеличивает производительность установки. На практике создание передающей кабельной линии, состоящей из большого числа кабелей, сдерживается технологическими возможностями изготовления, удобства эксплуатации и в реальных установках передающая линия состоит не более чем из 2 - 3 параллельных линий.

В настоящее время в качестве рабочего кабеля для электрогидроимпульсных установок «ЗЕВС», предназначенных для очистки фильтров водозаборных скважин, используются кабель РК50-17-17 и кабель КВИМ. До сегодняшнего дня максимальная глубина скважин, очищаемых с помощью данной технологии, составляла 300 метров. Соответственно, длина рабочего кабеля также составляла 300 метров. При такой длине передающего кабеля качество очистки фильтра скважины полностью удовлетворяла заказчика.

Однако в последнее время возникла потребность очистки скважин  глубиной 700 и даже 1000 метров.

Как известно, эффективность передачи энергии в нагрузку в емкостных накопителях энергии, которые являются основой установок «ЗЕВС», в очень большой степени зависит от индуктивности разрядной цепи. При увеличении длины рабочего кабеля с 300 до 700 метров, соответственно будет увеличиваться и его индуктивность и активное сопротивление. Поэтому перед созданием такой установки были проведены проверочные расчеты. И первым вопросом, возникшем при этом, был вопрос о методе расчета разрядной цепи емкостного накопителя энергии. Можно ли применить метод расчета цепи с сосредоточенными параметрами либо необходимо применять методы расчета цепей с распределенными параметрами. Для этого надо сравнить длину волны в кабеле с длиной самого кабеля.

Для расчета были взяты обе марки кабеля. Технические характеристики кабелей приведены в таблице №1.

Таблица №1

Длина волны в кабеле определяется по формуле:

λ=v*T

где

v – скорость распространения волны по кабелю;

T – период колебаний разрядного контура.

Период собственных колебаний разрядной цепи определяется следующим соотношением:

Скорость распространения электромагнитной волны по кабелю вычисляется как:

где:

с=300 000 км/с – скорость света;

ε=2.3 диэлектрическая проницаемость полиэтилена.

Результаты расчета всех этих величин сведены в таблицу №2.

Таблица №2

Анализируя данные таблицы №2, мы видим, что при использовании кабеля любой марки можно использовать методы расчета цепей с сосредоточенными параметрами.

Дальнейшие расчеты величины разрядной цепи проводились по схеме замещения, которая приведена на рис. 5.

С – емкость батареи конденсаторов и кабеля;

R – сопротивление разрядной цепи;

L – индуктивность разрядной цепи;

Z – изменяемое сопротивление нагрузки.

Рис. 5. Схема замещения для расчета величины разрядной цепи

Результаты расчета тока в цепи приведены на рис. 6.

Рис. 6. Расчет тока в цепи

Иллюстрация мощности, выделяющейся в нагрузке, при изменении ее от 0.5 Ом до 2 Ом при длине кабеля 700 м, показана на рис. 7, для сравнения на рис. 8 представлены те же кривые, но при длине кабеля 300 м.

Рис. 7. Зависимость изменения мощности от изменения нагрузки

Анализируя полученные результаты можно с большой долей уверенности сказать, что установки ЗЕВС можно эффективно использовать для очистки фильтров скважин глубиной до 700 и более метров.

Рис. 8. Результаты изменения мощности для установок с длиной кабеля 300 метров

При очистке скважины рабочий орган, подключенный к коаксиальному кабелю, опускают в скважину на необходимую глубину (см. рис.1б), включают установку и обрабатывают очищаемую зону. Перемещают рабочий орган обычно с помощью ручной или электрической лебедки.

Основные рекомендации по применению электрогидравлической обработки отражены в [6]. Общее время обработки определяется конструкцией скважины. На 1 м фильтров с проволочной обмоткой или штампованным листом достаточно 300 - 500 импульсов, сетчатых фильтров — 100-200 импульсов. Для фильтрованных каркасов, установленных в полускальных породах, количество импульсов на 1 м фильтра должно быть не менее 500.

В [9] приведен пример использования электрогидравлической установки ЗЕВС для восстановления дебита скважин водозабора "Кедровый" МУПУ "Гор-водоканал". Помимо указанной установки в работе применялись: электрическая лебедка с ба­рабаном для перемещения кабеля РК-50-11-11, на конце которого закреплялся рабочий орган диаметром 120 мм; водоподъемная колонна диаметром 114 мм; электрический и бензиновый компрессоры; труба ПНД32"Т"; электроуровнемер. Электрогидроимпульсная обработка фильтра скважин проводилась при перемещении рабочего органа установки сверху вниз, при этом разряды происходили в относительно чистой воде, что приводило к увеличению амплитуды ударной волны. Рабочий орган перемещался дискретно с подачей импульсов с частотой 1,7-3 Гц через каждые 15-20 см. При этом на 1 погонный метр фильтра приходилось 500-1000 импульсов.

По окончании обработки скважины отбитые отложения собираются в области фильтра. По своему составу они близки к песчаным пробкам. Поэтому для их удаления применимы те же методы, что и для удаления песка. Для извлечения песчаных пробок и шлама из скважин может применяться прокачка эрлифтом, водоструйным насосом или погружным электронасосом [8].

При прокачке эрлифтом воздушная и водоподъемная труба монтируются на небольшом расстоянии от верха песчаной пробки, затем по мере размывания и выноса песка из скважины трубы эрлифта опускают ниже. В случае недостаточности притока воды к скважине для обеспечения интенсивности прокачки, вода в обрабатываемую скважину подается извне. При прокачке водоструйным насосом специальная конструкция такого насоса на трубах опускается в скважину. По нагнетательному трубопроводу подается вода с повышенным давлением. Во всасывающем патрубке водоструйного насоса создается разряжение и туда увлекается песок. Затем песок вместе с подаваемой водой по отводящему трубопроводу выносится из скважины. Аналогично предыдущему случаю по мере удаления песчаной пробки насос по-интервально перемещается по полости скважины. Прокачка скважин погружными электронасосами возможна только теми типами насосов, которые допускают повышенное содержание механических примесей в воде. Обработка скважины заканчивается после того, как вода не будет содержать песка при максимальном дебите. Эксплуатационный дебит назначается ниже максимального на 10-20% .

Очистка полости скважин от песка и шлама может также производиться желонированием. В данном случае скважина обрабатывается путем сбрасывания специального снаряда – желонки. Процесс аналогичный применению желонок в ударно-канатном либо ручном бурении. При попадании желонки на песчаную пробку клапан в ней открывается и внутрь поступает песок. Такие манипуляции повторяются при возвратно-поступательном движении желонки в скважине, которое передается по несущим канатам. После забора песка желонка извлекается из скважины и песок из желонки удаляется. Затем операция повторяется до полного удаления песчаной пробки.

В настоящее время электрогидроимпульсные установки ЗЕВС применяются для обработки скважин на предприятиях ООО "Тюменьтрансгаз" и ООО "Сибгеотехнология" (Тюмень), ОАО "Сургутгазпром", ОАО "Диагностика" (Краснодар), ООО "Металл-Транс" (Ташкент), МУПУ "Горводоканал" (г. Радужный), МУП "Водоканал" (г. Обнинск), МУП "Водоканал" (г. Саяны) и др.

1. Романенко А. А.. Вольницкая Э. М. Восстановление производительности водозаборных скважин. - Ленинград: Недра, 1986.
2. Балтаханов А. М.. Иванов Е. Н., Касаткин В. К.. Балтаханов Р. X. Электрогидроимпульсная установка ЗЕВС - 42 для восстановления производительности скважин. Журнал «Водоснабжение и санитарная техника»,№6, 2002.
3. СНиП 2.04.02-84. Пособие по проектированию сооружений для забора подземных вод.—М.: Стройиздат, 1989.
4. Коковязин Н. И.. Ипполитов В. В., Косенков В. М, и др. Методика определения и экспериментальные исследование удельного импульса давления, создаваемого возмущениями от источника электроразрядного типа. Журнал «Нефть и газ», №1, 2000.
5. Зевеке Г. В., Ионкин П. А., Нетушил Л. В., Страхов С.В. Основы теории цепей. - Москва: Энергия, 1975.
6. Рекомендации по импульсным методам восстановления производительности скважин на воду. —М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1979.
7. Кривицкий Е. В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова Думка, 1986.
8. Белорусская государственная политехническая академия, Кафедра «Водоснабжение и водоотведение», Методическое пособие по разделу «Эксплуатация водозаборных скважин» курса «Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения» для студентов 4 курса специальности I 70.04.03.01. «Водоснабжение, водоотведение и охрана водных ресурсов»,Минск, 2002 УДК 628.112
9. Агаев Б.Д., Касаткин В.К., Погорелов О.Г. Электрогидроисмульсное восстановление производительности артезианских скважин. – Промышленная энергетика, №6, 2004.

www.zevs-irp.ru

Производственные отходы при бурении и буровой шлам

Библиографическое описание:

Рахметова А. Е., Кутузова Е. И. Производственные отходы при бурении и буровой шлам // Молодой ученый. — 2018. — №3. — С. 59-61. — URL https://moluch.ru/archive/189/47817/ (дата обращения: 02.04.2020).

В данной работе рассматриваются производственные отходы при бурении и их утилизация.

Ключевые слова: производственные отходы, бурение, буровой шлам.

Отходы бурения можно классифицировать на 3 типа: бытовые отходы, отходы, требующие сортировки и промышленные отходы. Бытовые отходы состоят из твердых отходов столовых, жилых помещений и офисов, а также неопасных отходов из рабочих и технических зон, таких как упаковывание отходов, порожние контейнеры и изоляция стекловатой. Для некоторых твердых отходов требуется сортировка в целях дальнейшего повторного использования / утилизации, и они не подлежат сбросу в корзины, используемые для бытовых отходов.

Каждый тип промышленных отходов имеет свою особенную технологию ликвидации, которые используются для обработки и повторного использования, либо обработки и ликвидации отдельных типов отходов. Такие отходы можно отсортировать в смешанный и буровой шлам / промышленные отходы промывочных жидкостей.

Предпочтительный способ ликвидации буровых растворов на водной основе (БРВО) и бурового шлама — испарение и разбрасывание в почву. Однако заключение последнего мелиоративного проекта говорит о том, что шлам нельзя разбрасывать по почве, а необходимо складировать их в общий полигон для захоронения отходов ОПЗО, находящийся на Комплексном Объекте Ликвидации Отходов (КОЛО). БРВО и шлам собираются в грунтовые отстойники с синтетической футеровкой в местах скважин и хранятся там до внедрения Экологическим отделом Проекта рекультивации земли. С момента попадания шлама и растворов в грунтовые отстойники с синтетической футеровкой, до момента начала Проекта рекультивации земли, вся жидкость испаряется, и в отстойнике остается сухой буровой/разбуренный шлам.

Некоторые жидкие отходы утилизируются в зоне буровой установки, но большинство отправляется на переработку. Жидкость перекачивается, проходя через вибрационные сита, армированные мелкой сеткой, перед тем как пройти переработку через ряд центрифуг, где большинство твердых частиц удаляются перед попаданием в баки-отстойники / отстойные сепараторы, где масло отделяется от нефти. Масло отделяется от отделенной жидкости и повторно используется для смешивания нового БРНО, вода используется для образования минерального соляного раствора, или проходит очистку через фильтровальную установку и передается в установку очистки стоков для ликвидации в поглотительную скважину.

Самый критический тип буровых отходов — шлам бурового раствора на нефтяной основе (БРНО). БРНО образует наибольший объем и самую высокую стоимость ликвидации отходов. Существует два метода обработки, которые используются на настоящий момент: Вертикальный центробежный сепаратор (Verti-G) и ТОШ (Термомеханический очиститель шлама от нефти), установка термической сепарации. После обработки с применением одного из этих методов, твердые частицы отправляются на полигон для заключительной ликвидации. Основной метод обработки шлама БРНО — переработка с использованием ТОШ. Сходы с сита ТОШ можно отправить на Общий полигон для захоронения отходов (ОПЗО) или на Полигон для промышленных отходов (ППО).

Процесс термомеханической десорбции основан на прямом механическом нагревании посредством использования измельчения бурового шлама фрезерованием. В данном типе процесса десорбции отсутствует источник возгорания, таким образом, происходит фрикция или трение. Метод трения исключает потребность в большой площади и комплексных систем разогрева и поддержки среды тепловой передачи, например, горячего масла, пара или выхлопного газа. Данный процесс обеспечивает быстроту, чистоту и эффективность эксплуатации. Выработка механической энергии удобоприменяема, что дает возможность предусматривать системы компактные и соответствующие высоким стандартам техники безопасности и взрывоопасности. Основные преимущества фрикционной десорбции с физио-химической точки зрения — ограниченные температуры технологического процесса и очень короткое время удержания, требуемое для полного удаления масла из твердых частиц. Это значительно сокращает риск термической деградации восстановленных базовых жидкостей.

Технологические преимущества с физико-химической точки зрения,

‒ Интенсивное колебание эффективно разбивает твердые частицы, создавая минимальную диффузионную длину для масел, частицы которых имеют внутреннюю связку капиллярными силами, тем самым, в дальнейшем, сокращая необходимое время удерживания в технологической установке для удаления масла из твердых частиц.

‒ Пониженная температура технологического процесса

‒ Очень короткое время удержания, требуемое для полного удаления масла из твердых частиц

‒ Короткое время удержания и низкая температура значительно сокращают риск термической деградации ценных буровых растворов на нефтяной основе

‒ Дактилоскопические сканеры ГХ не препятствуют повторному использованию восстановленного масла. (при установке специального пылеотделителя восстановленное масло обычно содержит менее 0.1 % мельчайших сверхтонких глинистых частиц).

Установка Verti-G компании MI — центрифуга-грохот непрерывного действия с контролем автоматической подачи, предназначенная для разнесения жидких и твердых отходов. Установка Verti-G устроена таким образом, чтобы восстанавливать жидкую фазу бурового раствора из бурового шлама, подвергая очень большой силе центробежного ускорения, которая улучшает разнесение жидкости и бурового шлама. Затем жидкий буровой раствор очищается от примесей и подается обратно в систему активного запаса бурового раствора. Эта машина экономит средства, восстанавливая дорогие буровые растворы и сокращая объем шлама, переработанного при помощи ТОШ. Система регенерации улавливает весь потерянный раствор и возвращает его в систему активного запаса. Она функционирует с раствором на основе дизельного, нефтяного и синтетического топлива. Кроме того, система сокращает объем отходов в зоне буровой установки, тем самым, сокращая затраты, связанные с захоронением отходов. При работе трех буровых вышек, две установки ТОШ не смогут переработать образующийся объем шлама. Чтобы устранить этот пробел, используются установки Verti-G, для сокращения количества шлама, направляемого в ТОШ, тем самым, сокращая общую стоимость переработки шлама до его отправки на захоронение в полигон.

В заключение можно сказать, что использование установки ТОШ является основным способом обработки шлама БРНО. При работе трех буровых установок, ТОШ не в состоянии переработать то количество шлама, которое образуется, и стала еще одним фактором в пользу использования установки Verti-G [1].

Литература:

1. Сбор информации при прохождении практики в ООО «КаспийМунайГаз».

Основные термины (генерируются автоматически): отход, буровой шлам, частица, Короткое время удержания, захоронение отходов, буровой раствор, нефтяная основа, Общий полигон, буровая установка, активный запас.

moluch.ru

переработка, оборудование, выгода, класс опасности

Утилизация бурового шлама по всем правилам безопасности – это обязательный процесс, осуществляемый ответственными и успешными нефтедобывающими компаниями. Утилизация и переработка буровых отходов позволяет не только защитить окружающую среду от содержащихся в них токсичных элементов, но и получить ценные и безопасные стройматериалы.

Что такое буровой шлам

Под буровым шламом понимается водная взвесь, в которой твердые частицы являются веществами, образующимися при разрушении поверхности отбитой горной породы и при истирании инструмента, опускаемого в скважины. Твердая составляющая бурового шлама может быть представлена также глинистыми минералами (при осуществлении промывки глинистыми растворами).

Подразумевается, что непосредственно к самому шламу относится часть суспензии, которая собирается шламовыми трубами при совершении колонкового бурения.

Класс опасности

Буровой шлам может негативно сказываться на состоянии природной среды, нарушая равновесие экосистем, кроме того, он вреден для здоровья человека. Опасность таких отходов заключается главным образом в том, что они содержат в своем составе токсичные элементы: углеводороды нефти, компоненты растворов, применяющихся при бурении, тяжелые металлы. В связи с этим буровые шламы относят к IV классу опасности отходов (согласно ФККО).

Утилизация и переработка

Перед непосредственной утилизацией буровых отработок необходимо их обезвредить. В промышленной экологии освещены несколько способов обезвреживания бурового шлама:

1. Термический способ. Процесс происходит в специальных установках – печах (или в амбарах) в условиях высоких температурных значений. В результате горения образуется продукт, который может быть использован в дальнейшем для изготовления битума.
2. Физический способ. Методами центрифугирования и флокуляции производят разделение жидкости от твердой части отходов, после чего каждая из выделенных фракций отдельно друг от друга утилизируется.
3. Химический способ. Основан на проведении экстракции из отходов чистых пород путем добавления в шлам растворителей, а затем отвердителей, в состав которых могут входить глина, цемент, смолы, полиуретан и т.д.
4. Физико-химический способ. Заключается в обработке отходов химическими веществами, которые вызывают изменения их свойств, и последующей переработке шламов с использованием определенных установок.
5. Биологический способ. Суть способа состоит в разложении отходов специальными микроорганизмами, которые производят обезвреживание отработок путем извлечения из них веществ для поддержания собственной жизнедеятельности. Обезвреживание таким способом производится на непосредственных местах загрязнения буровыми отработками.

После процесса обезвреживания буровые шламы могут направляться на захоронение или переработку.

При утилизации и переработке чаще всего производится комбинирование разных способов обезвреживания буровых отходов.

Эффективной технологией утилизации буровых отработок является их солидификация. Согласно этому способу осуществляется смешивание очищенного бурового шлама со специальными сорбентами и цементом. Сорбент связывает токсичные соединения, которые после добавления цементной массы переходят в форму, нерастворимую при любых погодных условиях. Поэтому произведенный таким образом обезвреженный продукт применяется в изготовлении материалов для строительства.

Переработка шлама может вестись в нескольких направлениях. Из отходов бурения возможно получить:

• тротуарную плитку;
• бордюрные ограждения;
• бетонные смеси;
• компоненты для автодорожного покрытия;
• шлакоблоки, использующиеся в строительстве подсобных помещений и др.

Схематическое изображение процесса переработки отходов бурения с целью получения новых изделий и материалов можно посмотреть в видео, основанном на применении 3D моделирования

В зависимости от способа обезвреживания буровых шламов используется различное оборудование для переработки. Так, например, актуальной и востребованной для предприятий нефтедобывающей отрасли является установка, в которой осуществляется термическая деструкция буровых отходов. Принцип работы такой установки основывается на проведении пиролиза в низких значениях температуры. В результате обработки отходов происходит образование кондиционной продукции. Работа установки обеспечивается за счет получения в ней пиролизного газа. Такой аппарат для переработки буровых шламов может работать в периодическом или непрерывном режиме (в зависимости от модификации) и иметь производительность, равную соответственно 100 и 1000 кг/час.

О том, как выглядит установка термической деструкции шламов, и о принципе ее работы рассказывают в следующем небольшом видео

Для снижения затрат на переработку буровых отработок и для лучшей защиты природной среды многие компании используют в своей работе вертикальную центрифугу — осушитель бурового шлама. Принцип действия этой установки основывается на создании центробежных сил с целью отделения жидких и твердых фаз в составе отходов. После удаления жидкости такой центрифугой шлам становится более сухим.

Отходы, образующиеся при бурении некоторых скважин, могут иметь в своем составе значительное количество радионуклидов.

Радиоактивные элементы могут попадать в буровые отходы совместно с пластовой водой. Приборы для проведения измерений радиоактивности бурового шлама позволяют выявить необходимость применения специальных методов обезвреживания таких отходов.

При расчетах объемов полученных шламов используют значения их плотности (средней плотности).

Кто перерабатывает буровой шлам? Переработку отходов бурения осуществляют компании, специализирующиеся на охране природной среды. Часто такие компании проводят разные исследования в области безопасного обращения с отходами нефтегазодобывающей отрасли и разрабатывают современные технологии по переработке шламов и т.д. Вывоз буровых отходов также осуществляется организациями, которые производят откачку, транспортировку и/или обезвреживание и переработку шламов. При перевозке отработок бурения используется транспорт, оснащенный специальными контейнерами.

Проблема уничтожения буровых отходов

Суть основной проблемы, касающейся уничтожения отходов бурения в России, заключается в том, что руководители большого числа компаний, занимающихся нефтедобычей, не хотят тратить денежные средства на осуществление правильной и безопасной утилизации шламов. В результате не обезвреженные буровые отходы просто отправляются на хранение в амбары, из которых затем откачивают водную смесь углеводородных соединений. Оставшиеся после откачки жидкости шламы заливаются бетоном и засыпаются грунтом. Как следствие, происходит образование большого количества захоронений, в составе которых содержатся углеводороды нефти, токсичные соединения, металлы и т.д. Причем с увеличением числа установок бурения осуществляется постоянное загрязнение огромных по площади земельных участков, что крайне негативно сказывается на состоянии окружающей среды.

Однако решение проблемы все-таки есть. Оно заключается в принятии комплекса мер:

1. Должны быть ужесточены санкции за нарушения безопасной технологии утилизации отходов бурения.
2. Должно поощряться внедрение в работу нефтедобывающих предприятий новейшего оборудования для переработки бурового шлама с целью его обезвреживания и последующего применения в качестве сырья в различных отраслях промышленности.

Экономическая выгода переработки

Выгоду от переработки постоянно образующихся буровых отходов имеют и компании, осуществляющие непосредственно обработку шламов, и сами нефтедобывающие предприятия. В первом случае перерабатывающим компаниям выгодно из дешевого сырья производить новые материалы с целью их дальнейшей продажи. Причем эти изделия могут быть высококачественными и потому продаваться по хорошим ценам, что, безусловно, делает бизнес по переработке отходов бурения прибыльным.

Экономическая выгода от переработки шлама для нефтедобывающих предприятий заключается в основном в том, что пропадает необходимость уничтожения шламовых амбаров и выплаты штрафов в больших количествах за нанесенный ущерб окружающей среде.

К сожалению, сегодня в нашей стране не все предприятия осуществляют правильную утилизацию бурового шлама. Проблема по переработке отходов бурения требует современных решений. Ведь получение из шламов новых изделий выгодное и с экономической, и с экологической стороны направление, на котором, помимо прочего, может быть построен успешный бизнес.

vtorothody.ru

Смотрите также

• 
  Бактерии в воде из скважины
• 
  Химия для бурения нефтяных скважин
• 
  Калибуш в бурении
• 
  Обследование скважины артезианской
• 
  Изыскатель березники бурение скважин
• 
  Способы бурения скважин на воду
• 
  Анализ воды из скважины клин
• 
  Акт приемки скважины на воду
• 
  Геологическое сопровождение бурения скважин
• 
  Первая в россии нефтяная скважина
• 
  Должностные обязанности мастера капитального ремонта скважин