Мокрая классификация — это разделение частиц по массе (размеру и плотности) методами, обычно от вибрационного отсеивания. Все устройства мокрой организации осуществляют разделение согласно закону Стокса. Состояние мокрой классификации зависит от нескольких факторов:
1. Более крупные частицы осаждаются быстрее, чем более мелкие частицы, даже если они имеют одинаковую удельную массу.
2. Твердая фаза высокой плотности осаждается быстрее, чем твердая фаза малой плотности, даже если они имеют одинаковый размер.
3. По мере увеличения вязкости и/или плотности бурового раствора замедляется скорость осаждения частиц.

ПРИМЕЧАНИЕ. Частое удаление мелких частиц из центрифуги приводит к снижению вязкости раствора. Однако в этом случае необходимо учитывать следующее:
а) существует некоторый «предел разбавления», при применении которого дальнейшее снижение вязкости или плотность раствора не влияет на качество сепарации.
б) и наоборот, недостаточное разбавление раствора не позволяет качественно растворить раствор от твердой фазы.

Устройства влажной классификации, наиболее часто используемые для очистки бурового раствора от твердых частиц, — это гидроциклоны и центрифуги. Как было сказано ранее, принцип действия гидроциклонов и центрифуг основан на законе Стокса в отношении плотности, вязкости и силы G. Увеличение скорости осаждения и пропускной способности в этих условиях благодаря увеличению силы G, действующей на частицы. Действующая на частицу сила G прямо пропорциональна (диаметр кругового движения) х (квадрат частоты звука [об/мин]) х (масса частиц).

 

Поэтому центробежные насосы смесевых воронок и гидроциклонов должны отключаться каждый раз, когда в их работе нет необходимости. Из-за низкой пропускной способности центрифуг возможна установка поршневых насосов, которые в отличие от центробежных не приводят к значительному уменьшению размеров частиц.

На Рис. 6 изображение гидроциклон. Это устройство не имеет движущихся частей. Жидкость, перекачиваемая центробежным насосом, поступает в гидроциклон при внешнем касании воронкообразного конуса. Форма конуса тонкой жидкости вихревое движение, увеличивающее силу G. Это позволяет изучить разделение более сложных частиц при высокой производительности. Твердые тяжелые частицы выводятся через нижнее отверстие, затем часть большой жидкости поднимается в конусную воронку, расположенную в верхней части устройства. Несмотря на некоторую трудность в выполнении четко выраженной точки отсечки разделения частей, гидроциклон — простое, надежное и экономичное устройство с высокой пропускной способностью.

Обычно на нефтепромыслах использовались центрифуги декантирующего типа. В этих средних центрифугах сила G достигает от 600 до 800. Благодаря своей конструкции и способностям увеличивать силу перегрузки G более 500, такие центрифуги могут обеспечить относительно четкие точки отсечки, изменяющие отдельные отдельные частицы. Один из недостатков большинства декантирующих центрифуг — достаточно обоснованная пропускная способность (менее 40 галлонов/мин [<151,4 л/мин]), так как одна центрифугой обрабатывается лишь небольшой объем циркулирующего раствора.

Из иллюстрации на Рис. 2 (предыдущий раздел «Вибросита«) легко понять, почему удаление песка и ила из положения барит утяжеленного решения с практической точки зрения нецелесообразным.

По размеру частички барита относятся к категории ила, поэтому после обработки раствором песко- или илоотделителя все равно останется большое количество этого ценного материала. Пескоотделители должны иметь среднюю точку отсечки (в зависимости от характеристик гидроциклона) в частности от 45 до 74 микрон, а илоотделители — от 15 до 35 микрон. Так как частицы барита среднего диаметра составляют примерно от 15 до 30 микрон, большая часть барита будет выходить вместе с илом или песком.

Поэтому для эффективного отделения барита применяются специальные центрифуги для извлечения барита и микрогидроциклоны (гидроциклоны детского диаметра, работающие под высоким давлением), рассчитанные на удаление частиц от 7 до 9 микронов (D50). Однако если оборудование по извлечению барита не работает совместно с другими правильно настроенными и хорошо налаженными устройствами системы очистки, ни одна часть ила и песка не может поступить обратно в активную систему.

На Рис. 6 представлен поперечный разрез гидроциклона (или центробежного сепаратора «циклонного» типа).
Высокопроизводительный центробежный насос подает буровой раствор через отверстие на широком конце воронкообразного гидроциклона. При достаточном напоре (давлении) создается вихревой поток, по форме образующий водяную воронку, цикл торнадо или он. Влажные и тяжелые частицы с вихревым потоком выталкиваются из гидроциклона через нижнее отверстие, в верхнюю часть гидроцикла попадает очищающая жидкость. Таким образом, принцип действия всех гидроциклонов (илоотделителей, глиноотделителей и пескоотделителей) один и тот же. Зависимость напора от давления имеет следующий вид:Напор (футы) = давление (фунты/кв.дюйм) / [0,052 х поверхности раствора (фунты/галлон)]

Большая часть гидроциклонов рассчитана на 75 футов (22,9 м) напора на впускном коллекторе (см. технические данные завода-изготовителя). Так как раствор растворителя входит в приведенное выше уравнение, давление для образования указанной напора может изменяться в зависимости от плотности бурового раствора. Напор должен проводиться на впускном коллекторе, т.к. Между насосом и коллектором гидроциклона напор будет уменьшаться. Если напор будет спроектирован, уменьшится пропускная способность гидроциклона, и точка отсечки станет больше, чем нужно. Например, если напор равен 45 футам (13,7 м) вместо желаемых 75 футов (22,9 м), диаметр гидроциклона 4 дюйма (101,6 мм) будет иметь пропускную способность 40 галлонов/мин (151,4 л/мин). вместо 50 галлонов/мин (189,3 л/мин), точка отсечки — 55 микрон вместо 15. Чрезмерный напор отрицательный, а также случай зависит от качества очистки: в этой большей части единичных частиц будет поступать обратно в Систему.

В верхней части гидроциклона расположен короткий отрезок трубы, так называемый «вихреуловитель». Вихревой поток движется по направлению к нижней — конусной — части гидроциклона. Крупные и/или тяжелые частицы выбрасываются через нижнее отверстие, жидкость с содержанием и легкими частицами перемещается вместе с потоком более медленно, поступая в вихреуловитель. Так как гидроциклон предназначен для удаления только твердых частиц, сохраняя в то же время большую часть жидкости, нижнее (конусное) отверстие имеет меньший диаметр, чем верхнее (вихревое). Из нижних отверстий выводятся крупные частицы и малая часть жидкости. Большая часть жидкости с использованием частиц меняет направление движения, перемещаясь вверх по трубе-вихреуловителю и выходя по ней из гидроциклона.

На Рис. 7 изображены различные способы применения гидроциклона. При использовании гидроциклонов в качестве песко- и илоотделителей жидкость с крупными твердыми частицами, выходящая из нижних отверстий, отбраковывается, а поступающая из верхних отверстий жидкость возвращается в активную систему. Если гидроциклон применяется в качестве баритоотделителя или глиннотделителя, поток жидкости из нижних отверстий независимо барит направляется обратно в систему, поток из верхних отверстий, одновременно глину или иные мелкие частицы, направляется на утилизацию.

Типоразмер и количество гидроциклонов зависят от конкретных условий эксплуатации. Диаметр гидроциклонов-пескоотделителей обычно составляет 6 дюймов (152,4 мм) и более; часто используют два 12-дюймовых (304,8 мм) гидроциклона. В качестве илоотделителей работают гидроциклоны диаметром от 4 до 6 дюймов (от 101,6 до 152,4 мм), обычно используются 12 и более 4-дюймовых (101,6 мм) гидроциклонов. В глиноотделителях и микроциклонах используются 2-дюймовые (50,8 мм) гидроциклоны; Количество 2-дюймовых (50,8 мм) гидроциклонов обычно доходит до 20. Производительность гидроциклона зависит от его диаметра: для обработки одного и того же объема раствора требуется больше гидроциклонов небольшого диаметра, чем большого. Пример, иллюстрирующий эффективность работы типовых 3-, 4- и 6-дюймовых (76,2, 101,6 и 152,4 мм) гидроциклонов по точкам отсечки D.₁₀— Д₅₀— Д₉₀, показано на Рис. 8.

Для оценки качества работы гидроциклона необходимо учитывать поток жидкости на выходе. Выходной поток должен иметь форму мелкого спрея из пульверизатора, причем в центре потока должна находиться область разряжения. И наоборот, выходной поток «струйного типа» без области разряжения говорит о плохом качестве работы гидроциклона, т.к. Точка очистки и наклон меняются (см. Рис. 8 и 9). Однако при бурении скважин большого диаметра при высоких скоростях проходки гидроциклон может оказаться перегруженным, о чем будет свидетельствовать «струйный» тип потока вытекающей жидкости. С этим иногда можно мириться, поскольку остановка гидроциклона не будет лучшим решением. Если поток на выходе гидроциклона начинает иметь форму «тика», а обрабатываемый буровой раствор не перегружен твердой фазой, это означает недостаточную подачу давления, износ или закупоривание гидроциклона. Некоторые модели гидроциклов позволяют регулировать диаметр нижних отверстий, чтобы добиться необходимой формы струи. Если при достаточном давлении подачи это сделать невозможно, это обычно означает, что производительность гидроциклона по данным условиям эксплуатации слишком завышена.

Пескоотделители

Пескоотделители допускают решение проблемы перед его поступлением на илоотделители. Обычно в качестве пескоотделителей используются гидроциклоны диаметром 6 (152,4 мм) и более дюймов. Часто в качестве пескоотделителей учитывают два 12-дюймовых (304,8 мм) гидроциклона с пропускной способностью 500 галлонов/мин (1893 л/мин) каждый. Пескоотделители большого диаметра имеют преимущество — главную пропускную способность (производительность) и недостаток — широкий диапазон удаляемых частиц, от 45 до 74 микрон. Чтобы добиться оптимальных результатов, необходимо подавать буровой раствор в гидроциклон под давлением.

Илоотделители

Для обеспечения большей эффективности работы и предотвращения перегрузок илоотделителя перед сдачей бурового раствора следует обращаться с пескоотделителем. Обычно в качестве илоотделителей используются гидроциклоны диаметром 4 дюйма (101,6 мм). Блок илоотделителей может состоять из 12 и более 4-дюймовых (101,6 мм) гидроциклонов, каждый из которых рассчитан на пропускную способность 75 галлонов/мин (284 л/мин). Объемная производительность пескоотделителей и илоотделителей должна на 25–50% превышать расходы на циркуляцию. При бурении скважин большого диаметра с низким расходом во время циркуляции необходима установка большего количества гидроциклонов. Обычно гидроциклоны-илоотделители обрабатывают достаточно большие объемы жидкости и имеют узкий фракционный диапазон удаляемых частиц (см. Рис. 8). При прочном, хорошо продуманном и правильном проектировании эксплуатации, в 4-дюймовых (101,6 мм) гидроциклонах точка отсечки частиц (D₅₀) составляет 15–35 микрон, точка отсечки (D₉₀) может доходить до 40 микрон. Так как по размерам частиц барит находится в той же категории, что и ил, барит будет удаляться из раствора при обработке илоотделителем. Поэтому илоотделители редко использовались для очистки утяжеленных растворов с подсветкой более 12,5 фунтов/галлонов (1,5 кг/л). Пескоотделители и илоотделители в основном используются при бурении проводников и воздействии на неутяжеленных растворах с низким освещением.

Ситогидгоциклические установки

Ситогидроциклонная установка (СГУ) для тонкой очистки бурового раствора — это по существующий илоотделитель, смонтированный над виброситом. Установка состоит из 12 и более 4-дюймовых (101,6 мм) гидроциклов, установленных над мощным виброситом с очень экономичным сеточным полотном (см. Рис. 10). СГУ предназначен для удаления из раствора частиц песка и сохранения при этом барита. Раствор сначала производится в илоотделителе, после чего проходит обработка по вибросите, сетки, которые имеют ячейки цветного размера. Буровой раствор и твердые частицы, проходящие через сетки вибросита (размер удаляемых частиц зависит от размера сеток в мешке), используются повторно. Более крупные частицы, не прошедшие через сетки, выбрасываются.

В соответствии со стандартами API размер 97% частиц барита составляет менее 74 микрон. Поэтому большая часть барита, удаленного гидроциклонами, плавно проходит через сетку осушающего вибросита, после чего происходит обратно в систему. По сути, ситогидроциклонная установка абразивного песка из тяжелого раствора служит вспомогательным средством для устьевых вибросит. Размер ячеек сеток СГУ может находиться в пределах от 120 до 325 меш. Для обеспечения эффективности работы СГУ размер ячеек сеток установки должен быть меньше, чем у сеток устьевых вибросит.

Хотя основное назначение ситогидроциклонной установки — удаление шлама и извлечение барита, сохранение дорогостоящей жидкой фазы (синтетических веществ, масел, насыщенной соли, KCl и т.д.) происходит с сохранением барита низкой стоимости буровых растворов. Кроме того, буровой шлам при обработке в СГУ используется в сушке. Это ведет к сокращению объемов твердых отходов, что способствует снижению расходов на утилизацию шлама. Если ситогидроциклонная установка не заменит количество органических частиц, работа подающего центробежного насоса приведет к истиранию частиц и уменьшению их размеров. В этом случае даже при стандартном порядке эксплуатации установка с размером ячеек 200 меш и меньше и обработка всего объема раствора, применение СГУ не дает преимуществ.