Устройство для очистки бурового раствора от выбуренной породы Советский патент 1993 года по МПК E21B44/00 B07B1/40 

(pt/.i

Изобретение относится к устройствам для очистки от твердых включений буровых растворов и может быть применено при бурении нефтяных и газовых скважин, а также в химической, строительной и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - снижение энергозатрат на очистку.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - графики, иллю стрирующие особенности устройства.

Устройство для очистки бурового раствора от выбуренной породы (см. фиг. 1) содержит станину 1, сито 2, установленное в раме 3, упругие элементы 4 в виде рессор, вибровозбудитель 5, первый приемный желоб 6, снабженный в начальной части отвер5- стием 7, второй приемный желоб 8, на выходе из которого установлен датчик 9 расхода раствора, протекающего по второму желобу, подводящий патрубок 10 и отводящие патрубки 11 и 12. Устройство содержит также преобразователь расход-напряжение 13, задатчик 14 расхода, элемент 15 сравнения, регулятор 16 расхода, формирователь управляющих импульсов 17, генератор 18 импульсов, усилитель 19 мощности. На фиг. 1 обозначено: Н - длина сита, 12 - наибольший размер отверстия первого желоба в направлении его продольной оси. На фиг. 2 обозначено: Q/S - удельный расход очищенного бурового раствора (т.е. расход, приходящийся на единицу поверхности сита), I - расстояние от начала сита до какого-либо его поперечного сечения, отсчитываемое в направлении продольной оси сита, р - вязкость бурового раствора, поступающего на очистку, А - амплитуда колебаний сита.

Устройство для очистки бурового раствора от выбуренной породы работает следующим образом.

Устройство подключают к источнику питания (не показан). На выходе генератора 18 импульсов формируется последовательность однополярных импульсов напряжения, которые поступают на первый вход формирователя 17 управляющих импульсов. На выходе формирователя 17 импульсы появляются с той же частотой следования, с которой поступают на его первый вход, но с измененной длительностью, причем величина изменения длительности импульсов зависит от величины напряжения на втором входе формирователя 17. С выхода формирователя 17 импульсы напряжения через усилитель 19 мощности поступают на вибровозбудитель 5, установленный на раме 3. Поскольку рама 3 опирается на упругие элементы 4, возникают ее колебания которые

передаются закрепленному на раме ситу 2. Амплитуда возникающих колебаний определяется длительностью импульсов напряжения, поступающих на вибровозбудитель

5, а частота колебаний - настройкой генератора 18 импульсов. При этом частоту колебаний устанавливают такой, чтобы колебания сита 2 происходили в околорезонансном режиме, что повышает амплитуду

0 колебаний и улучшает энергетику колебательной системы.

На колеблющееся сито 2 через подводящий патрубок 10 подают буровой раствор, который стекает вдоль сита. Под влиянием

5 вибрации структура бурового раствора разрушается. Обломки выбуренной породы, остающиеся на сите, сползают с рамы и удаляются через отводящий патрубок 12. Очищенный раствор, прошедший через си0 то 2, направляется в первый приемный желоб 6, откуда через отводящий патрубок 11 поступает для повторного использования.

Интенсивность процесса очистки зависит от реологических характеристик раство5 p3i преимущественно от его вязкости, и амплитуды колебаний сита, С увеличением вязкости раствора при постоянной амплитуде колебаний сита интенсивность очистки снижается, с увеличением амплитудц коле0 баний сита при постоянной вязкости раствора интенсивность очистки повышается. Особенностью буровых растворов, поступающих на очистку, является изменение их вязкости в очень широких пределах, что

5 связано с изменением в широких пределах реологических характеристик породы, подвергающейся бурению (характеристики породы зависят от глубины скважин, от местонахождения скважин, от режима буре0 ния), и начальных характеристик раствора. При неуправляемом режиме работы (работа устройства по схеме прототипа) из-за этой особенности возникает необходимость в установке повышенной амплитуды колебаний

5 сита, обеспечивающей эффективную очистку буровых растворов с повышенной вязкостью. Настройка устройства на повышенную амплитуду колебаний сита приводит к бесполезным затратам энергии в тех

0 случаях, когда вязкость раствора, поступающего на очистку (раствор поступает на очистку с практически постоянным расходом), снижается, что иллюстрируют полученные экспериментальным путем расходные ха5 рактеристики устройства - зависимости удельного расхода Q/S раствора через сито от расстояния I, отсчитываемого от начала сита (см. фиг. 2).

Уменьшение удельного расхода (на фиг. 2 приведены усредненные расходные характеристики) по мере удаления от начала сита связано с тем, что по мере удаления от начала сита снижается концентрация жидкой фазы, т.е. снижается количество жидкой фазы, приходящееся на единицу объема раствора, Если при максимально возможной в конкретных условиях вязкости /л раствора установить амплитуду колебаний At, при которой вся длина I сита является рабочей (фиг. 2 а, зависимость 1), то при сохранении повышенной амплитуды AI колебаний и поступлении раствора с пониженной вязкостью для очистки используется лишь часть длины I сита (фиг. 2 а. зависимости 2,3), т.е. сохранение повышенной амплитуды колебаний сита при очистке растворов с пониженной вязкостью приводит к бесполезным энергозатратам.

Характерной особенностью устройства является автоматическое корректирование амплитуды колебаний сита в зависимости от вязкости раствора, поступающего на очистку, а именно, с понижением вязкости раствора амплитуда колебаний сита снижается. Возможность корректирования вытекает из экспериментальных расходных характеристик, приведенных на фиг. 2 б. Из характеристик следует, что при снижении вязкости раствора до значений fi2 и рз возможен такой выбор пониженных амплитуд колебаний А2 и Аз, при которых рабочей является вся длина 1 сита. Это эквивалентно устранению бесполезных энергозатрат.

Для осуществления коррекции требуется оценка вязкости раствора, поступающего на очистку. Другой характерной особенностью устройства является то, что оценка вязкости раствора осуществляется с использованием специфических особенностей процесса очистки через сито, без использования датчиков вязкости, построение которых для растворов, содержащих обломки выбуренной породы, связано с большими техническими трудностями.

Анализ изменений удельного расхода Q/S очищенного бурового раствора при изменении расстояния I от начала сита и постоянстве его амплитуды колебаний (фиг. 2 а) показывает, что в начальной части сита, на его длине 2, удельный расход возрастает с понижением вязкости раствора, т.е. зависимость удельного расхода от вязкости раствора монотонна. Эта тенденция сохраняется и при амплитудах колебаний сита, меньших чем Ai. Изменяется лишь наклон зависимостей 1,2,3 на фиг. 2 а, т.е. в начальной части сита имеется участок длиной la, который можно использовать для косвенной оценки вязкости раствора, поступающего на очистку. При I la монотонный характер зависимости удельного расхода от вязкости раствора исчезает (фиг. 2 а). Зависимость либо принимает экстремальный 5 характер, либо с понижением вязкости удельный расход уменьшается, т.е. при I г расходные характеристики непригодны для оценки вязкости раствора.

При неизменяемой геометрии сита сум0 марный расход очищенного раствора на длине h сита (см. фиг. 2} будет также зависеть от вязкости раствора. Для количественного определения суммарного расхода на длине 2 сита первый приемный желоб б

5 снабжен отверстием 7 длиной г см. фиг. 1). Раствор, прошедший через отверстие 7, направляется во второй приемный желоб 8, в котором установлен датчик 9 расхода этого раствора. На выходе преобразователя рас0 ход-напряжение 13, вход которого соединен с датчиком 9 расхода, формируется сигнал в виде напряжения постоянного тока, уровень которого зависит от вязкости раствора, поступающего на очистку.

5 Из второго приемного желоба 8 очищенный раствор поступает в тот же отводящий патрубок 11, в который поступает очищенный раствор из первого приемного желоба 6.

0 Для изменения амплитуды колебаний сита при изменении вязкости раствора, поступающего на очистку, т.е. для устранения бесполезных энергозатрат, используется совокупность элементов, включающая за5 датчик 14 расхода, элементсравнения, регулятор 16 расхода и формирователь 17 управляющих импульсов. Эти элементы совместно с остальными элементами устройства образуют автоматическую систему с

0 обратной связью, стабилизирующую суммарный расход очищенного раствора на длине сита г путем воздействия на амплитуду колебаний сита. При этом изменение вязкости раствора, поступающего на очист5 ку, является для этой системы возмущением.

Уставкузадатчика 14 расхода выбирают таким образом, чтобы при максимально возможной в данных конкретных условиях

0 вязкости раствора его очистка происходила на всей длине h сита, т.е. чтобы очистка раствора происходила по характеристике 1 на фиг. 2 а. В установившемся режиме работы системы с обратной связью на выходе

5 регулятора 16 расхода появится напряжение, которое, воздействуя на формирователь 17 управляющих импульсов, установит такую длительность импульсов, поступающих на вибровозбудитель 5, при которой сигнал на выходе преобразователя расходнапряжение 13 сравняется с сигналом на выходе задатчика 14 расхода. При указанной уставке задатчика колебания сита 2 будут происходить с амплитудой, максимально необходимой в данных конкретных условиях.

При понижении вязкости раствора, поступающего на очистку, его суммарный расход на длине 12 сита увеличивается. Соответственно увеличится сигнал на выходе преобразователя расход-напряжение 13, который по уровню превысит сигнал, поступающий с задатчика 14 расхода. Сигнал на выходе элемента 15 сравнения изменит знак и регулятор 16 расхода уменьшит длительность импульсов на выходе формирователя 17 управляющих импульсов; Колебания сита 2 будут происходить с пониженной амплитудой, при которой вновь сравняются выходные сигналы задатчика 14 расхода и преобразователя расход-напряжение 13.

Таким образом, благодаря принятым техническим решениям амплитуда колебаний сита изменяется в соответствии с изменениями вязкости раствора, поступающего на очистку, в частности, при снижении вязкости раствора соответственно снижается амплитуда колебаний сита 2. Это устраняет бесполезные энергозатраты, так как для получения пониженных амплитуд колебаний сита требуются меньшие энергозатраты.

Экспериментальная проверка работоспособности устройства показывает, что для достижения положительного эффекта в устройстве должно быть выполнено соотношение

h (0,1 -0,2) И,

где И- длина сита, 12 - наибольший размер отверстия первого желоба в направлении его продольной оси.

При выполнении неравенства Is 0,1 d на работоспособность устройства влияет такой фактор, как забивание отверстий сита обломками выбуренной породы. При выполнении же неравенства h 0,1 h забивание отдельных отверстий сита практически не влияет на суммарный расход раствора через сито на его длине h.

При выполнении неравенства h 0,2 И и изменении вязкости буровых растворов в широких пределах (при очистке буровых растворов в диапазоне изменения вязкости

0,t)1-40 Па с) возможно нарушение монотонного характера зависимости удельного расхода раствора через сито от вязкости раствора. При этом устройство теряет управляемость и положительный эффект не достигается. При выполнении же неравенства la 0,2И монотонность указанной зависимости гарантированно сохраняется. Таким образом, соотношение 12 (0,1 0,2) И обеспечивает работоспособность устройства.

В устройстве возможно использование любых вибровозбудителей (инерционных с дебалансами, эксцентриковых и т.д.). Однако при использовании электромагнитных вибровозбудителей аппаратурные затраты минимальны.

Экспериментальные исследования работы устройства показывают, что его применение позволяет сократить энергозатраты в среднем на 34%, что особенно актуально при использовании на буровых установках автономных источников энергии,

Формула изобретения

Устройство для очистки бурового раствора от выбуренной породы, содержащее станину, сито, упругие элементы, вибровозбудитель и приемный желоб, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения энергозатрат на очистку, оно снабжено вторым приемным желобом с установленным на его выходе датчиком расхода раствора, протекающего по второму желобу, преобразователем расход-напряжение, задатчиком расхода, элементом сравнения, регулятором расхода, генератором импульсов, фар- мирователем управляющих импульсов и усилителем мощности, причем в первом желобе в начальной части выполнено отверстие, второй желоб расположен под первым желобом, задатчик расхода соединен с первым входом элемента сравнения, с вторым входом которого через преобразователь

расход-напряжение связан датчик расхода, а выход элемента сравнения через регулятор расхода соединен с одним из входов формирователя управляющих импульсов, к второму входу которого подключен генератор импульсов, выход формирователя управляющих импульсов через усилитель мощности соединен с вибровозбудителем, при этом величину наибольшего размера отверстия первого желоба г в направлении

его продольной оси определяют из соотношения 2 (0,1-0,2) li, где И - длина сита.

Редактор

Фиг. 2

Составитель М.Берман Техред М.Моргентал

Корректор С.Шекмар

Изобретение относится к устройствам для очистки от твердых включений буровых растворов и позволяет снизить энергозатраты на очистку. Сущность изобретения: устройство содержит сито 2, установленное в раме 3, упругие элементы 4, вибровозбудитель 5, первый и второй приемные желобы 6 и 8. Первый приемный желоб в начальной части снабжен отверстием. Второй приемный желоб расположен под первым желобом. Устройство содержит систему управления, благодаря которой обеспечивается автоматическое снижение амплитуды колебаний сита при поступлении на очистку бурового раствора с пониженной вязкостью. 2 ил.