Мокрая класифікація — це розділення твердих частинок по масі (розміру і щільності) часток методами, відмінними від вібраційного відсівання. Усі пристрої мокрої класифікації здійснюють сепарацію згідно із законом Стокса. Якість мокрої класифікації залежить від кількох факторів:
1. Більш крупні частинки осаждаются швидше, ніж більш дрібні частинки, навіть якщо вони мають одинаковий удельный вес.
2. Твердая фаза високої плотності осаждается швидше, ніж тверда фаза малої плотності, навіть якщо вони мають одинаковий розмір.
3. При збільшенні в'язкості та/або щільності бурового розчину замедляется швидкість осаджування частинок.

ПРИМІТКА: Часто при видаленні мілкових частинок на центрифузі розчин розбавляють для зниження в'язкості. Однак в цьому випадку необхідно учесть наступне:
а) існує якийсь «предел розбавлення», при досягненні якого подальше зниження в'язкості або щільності розчину не впливає на якість сепарації.
б) і наоборот, недостатнє розведення розчину не дозволить якісно очистити розчин від твердої фази.

Устройства мокрої класифікації, які найчастіше використовуються для очищення бурового розчину від твердих частинок, — це гідроциклони та центрифуги. Як було сказано раніше, принцип дії гідроциклонів і центрифуг, заснований на законі Стокса у відношенні щільності, в'язкості і сили G. Збільшення швидкості охолодження і пропускної здатності досягається в цих умовах завдяки посиленню сили G, що діє на частинки. Діюча на частку сила G прямо пропорційна (діаметр кругового руху) х (квадрат частоти обертання [об/хв]) х (маса частки).

 

Тому центробежные насосы змішувальних воронок і гідроциклони повинні відключатися всякий раз, коли в їх роботі немає необхідності. Із-за низької пропускної здатності центрифуг можлива установка поршневих насосів, які на відміну від центробежних не вимагають значного зменшення розмірів частинок.

На Рис. 6 зображений гідроциклон. Це пристрій не має рухомих частин. Жидкость, перекачиваемая центробежным насосом, поступає в гідроциклон по зовнішньої касової воронкообразного конуса. Форма конуса надає рідині вихровий рух, збільшуючи силу G. Це дозволяє здійснити розділення більш важких частинок при високій продуктивності. Тверді важкі частинки виходять через нижнє відверстя, тоді як більша частина рідини поміщається в конусну воронку, розташовану у верхній частині пристрою. Незважаючи на деякі труднощі в досягненні четвертої вираженої точки відсіку певної фракції частинок, гідроциклон — простий, надійний і економічний пристрій з високою пропускною здатністю.

Зазвичай на нафтопромислах використовуються центрифуги декантирующего типу. Це високошвидкісні центрифуги, сила яких G досягає від 600 до 800. Завдяки своїм конструкціям і здатності розвивати силу перевантаження G понад 500 такі центрифуги можуть забезпечити відносно четкую точку відсіку певної фракції твердих частинок. Один із недоліків більшості декантуючих центрифуг — досить низька пропускна здатність (менше 40 галлонів/хв [<151,4 л/хв]), так як одна центрифуга обробляє лише невеликий об’єм циркулюючого розчину.

Із ілюстрації на Рис. 2 (передущий розділ «Вибросита«) легко понять, чому видалення піску і іла з містить барит утяжеленного розчину з практичної точки зору нецелесообразно.

За своїми розмірами частинки бариту відносяться до категорії іла, тому після обробки піско- або іловідділювачем розчином все ще буде містити велику кількість цього цінного матеріалу. Пісковіддільники повинні мати середню точку відсічки (в залежності від характеристики гідроциклону) в діапазоні від 45 до 74 мікрон, а іловідділювачі — від 15 до 35 мікрон. Так як середній діаметр частинок бариту знаходиться в діапазоні від 15 до 30 мікрон, більша частина бариту буде виходити разом з ілом або піском.

Тому для ефективної сепарації бариту застосовуються спеціальні центрифуги для вилучення бариту і мікрогідроциклони (гідроциклони малого діаметра, що працюють під високим тиском), розраховані на видалення частинок від 7 до 9 мікронів (D50). Однак, якщо обладнання для вилучення бариту не працює одночасно з іншими правильно подібними та добре налаженними пристроями системи очищення, якась частина іла та піска може діяти навпаки в активній системі.

На Рис. 6 представлений поперечний розріз гідроциклона (або центробежного сепаратора «циклонного» типу).
Високопродуктивний центробежный насос дає буровий розчин через отверстие на широкому конце воронкообразного гідроциклона. При достатньому напорі (давленні) створюється вихровий потік, у формі напоминающего водяну воронку, торнадо або циклон. Вихровим потоком вологі і важкі частки витісняються з гідроциклону через нижнє відверстя, а очищена рідина надходить у верхню частину гідроциклону. Таким чином, принцип дії всіх гідроциклонів (илоотделителей, глиноотделителей і пескоотделителей) один і той же. Зависимість напору від тиску має наступний вид:Напор (фунтів) = тиск (фунтів/ кв.дюйм) / [0,052 х щільність розчину (фунтів/галон)]

Більша частина гідроциклонів розрахована на 75 футів (22,9 м) напору на впускному колекторі (см. технічні дані заводу виробника). Так як щільність розчину входить до наведеного вище рівня, тиск для створення зазначеного напору може змінюватися в залежності від щільності бурового розчину. Напор повинен вимірюватися на впускному манифолде, т.к. между насосом и манифолдом гидроциклона напор будет уменьшаться. Якщо напор буде недостатнім, знизиться пропускна здатність гідроциклона і точка відсічки стане більше, ніж потрібно. Наприклад, якщо напор рівня 45 футів (13,7 м) замість бажаних 75 футів (22,9 м), гідроциклон діаметром 4 дюйма (101,6 мм) матиме пропускну здатність 40 галлонів/хв (151,4 л/хв) замість 50 галлонів/хв (189,3 л/хв), а точка відсічки — 55 мікрон замість 15. Черезмерний напор також негативно вказує на якість очищення: у цьому випадку більша частина твердих частинок буде діяти навпаки в системі.

У верхній частині гідроциклона розташований короткий відрізок труби, так званий «вихреуловитель». Віхровий потік рухається по направленню до нижньої — конусної — частини гідроциклона. Крупні та/або важкі частки сбрасуються через нижнє відверстя, а рідина з дрібними і легкими частинками, що рухаються разом з потоком більш повільно, надходять у вихреуловитель. Так як гідроциклон призначений для видалення тільки твердих частинок, зберігаючи в той же час більшу частину рідини, нижнє (конусне) отверстие має менший діаметр, ніж верхнє (вихрове). З нижнього отвору виходять крупні частинки і мала частина рідини. Велика частина рідини з дрібними частинками змінює напрямок руху, переміщаючись вгору по трубе-вихреуловілю і виходячи по ній з гідроциклона.

На Рис. 7 зображень різних способів застосування гідроциклона. При використанні гідроциклонів в якості песко- і іловідділювачів рідина з великими твердими частинками, що виходить з нижнього отвору, відбраковується, а діюча з верхнього отвору рідина повертається в активну систему. Якщо гідроциклон застосовується в якості баритовідділювача або глинотделителя, що містить барит, потік рідини з нижнього отвору направляється назад в систему, потік з верхнього отвору, що містить глин або інші мілкі частинки, направляється на утилізацію.

Типоразмер і кількість гідроциклонів залежать від конкретних умов експлуатації. Діаметр гідроциклонів-пескоотделителей зазвичай становить 6 дюймів (152,4 мм) і більше; часто використовують два 12-дюймових (304,8 мм) гідроциклона. У якості іловідділювачів працюють гідроциклони діаметром від 4 до 6 дюймів (від 101,6 до 152,4 мм), зазвичай ставлять 12 і більше 4-дюймових (101,6 мм) гідроциклонів. У глиноотделителях і мікроциклонах використовують 2-дюймові (50,8 мм) гідроциклони; число 2-дюймових (50,8 мм) гідроциклонів зазвичай доходить до 20. Продуктивність гідроциклонів залежить від його діаметра: для обробки одного і того ж об'єму розчину потрібно більше гідроциклонів малого діаметра, ніж більшого. Приклад, що ілюструє ефективність роботи типових 3-, 4- і 6-дюймових (76,2, 101,6 і 152,4 мм) гідроциклонів по точкам відсічки D₁₀— Д₅₀— Д₉₀, показано на Рис. 8.

Для оцінки якості роботи гідроциклона необхідно дослідити потік рідини на виході. Вихідний потік повинен мати форму дрібного спрею з пульверизатора, причому в центрі потоку повинна знаходитися область розряження. І наоборот, вихідний потік «струйного типу» без області розряду говорить про погану якість роботи гідроциклона, т.к. точки очищення і наклон збільшуються (см. Рис. 8 і 9). Однак при бурінні скважин великого діаметра при високій швидкості проходки гідроциклон може виявитися перевантаженим, про що буде свідчити «струйний» тип потоку вихідної рідини. З цим іноді можна миритися, оскільки установка гідроциклона не буде кращим рішенням. Якщо потік на вихід гідроциклона починає теряти форму «зонтика», а оброблюваний буровий розчин не перевантажений твердою фазою, це означає недостатнє тиск подачі, обсяг або закупорювання гідроциклону. Деякі типи гідроциклонів дозволяють регулювати діаметр нижнього отвору, щоб отримати потрібну форму струму. Якщо при достатньому давленні подати це зробити неможливо, це зазвичай означає, що продуктивність гідроциклона для даних умов експлуатації занадто низька.

Пескоотделители

Пісковіддільники служать для очищення розчину перед його поступом на іловідділювачі. Зазвичай в якості пескоотделителей використовуються гідроцикли діаметром 6 (152,4 мм) і більше дюймів. Часто в якості пісковідділювачів застосовують два 12-дюймових (304,8 мм) гідроциклони з пропускною здатністю 500 галлонів/хв (1893 л/хв) кожен. Пескоотделители великого діаметра мають перевагу — пропускну здатність (продуктивність) і недолік — широкий діапазон видаляються частинок, від 45 до 74 мікрон. Щоб отримати оптимальні результати, необхідно подавати буровий розчин в гідроциклон під досить високим тиском.

Илоотделители

Для максимальної ефективності роботи і запобігання перевантаження іловідділювача перед подачею на нього бурового розчину необхідно обробити пескоотделителем. Зазвичай в якості іловідділювачів використовуються гідроцикли діаметром 4 дюйма (101,6 мм). Блок іловідділювачів може складатися з 12 і більше 4-дюймових (101,6 мм) гідроциклонів, кожен з яких розрахований на пропускну здатність 75 галлонів/хв (284 л/хв). Загальна продуктивність пісковідділювачів і іловідділювачів повинна на 25–50% перевищувати витрати при циркуляції. При бурінні скважин великого діаметра з високим витратою під час циркуляції необхідна установка більшого числа гідроциклонів. Зазвичай гідроциклони-іловідділювачі обробляють досить великий об'єм рідини і мають узкий фракційний діапазон видаляються частинок (див. Рис. 8). За умови хорошого продуманного проектування та правильної експлуатації, у 4-дюймових (101,6 мм) гідроциклів точка відсічки частинок (D₅₀) становить 15–35 мікрон, а точка відсічки (D₉₀) може доходити до 40 мікрон. Так як за розмірами частинок бариту знаходиться в тій же категорії, що і ил, барит буде видалятися з розчину при обробці іловідділювачем. Тому іловідділювачі рідко використовуються для очищення утяжелених розчинів щільністю понад 12,5 фунтів/галон (1,5 кг/л). Пісковідділювачі та іловідділювачі основним чином використовуються при бурінні кондукторів і спрямовані на неутяжеленных розчинах з низькою щільністю.

Ситогідгоциклонні установки

Ситогидроциклонная установка (СГУ) для тонкої очистки бурового розчину — це по суті іловідділювач, смонтований над виброситом. Установка складається з 12 і більше 4-дюймових (101,6 мм) гідроциклонів, встановлених над потужним виброситом з дуже дрібним сеточним полотном (см. Рис. 10). СГУ призначена для видалення з розчину частинок розміру піску і збереження при цьому барита. Розтвор відбувається спочатку в іловідділювач, після чого проходить обробка на вибросите, сетки якого мають ячейки малого розміру. Буровий розчин і тверді частинки, що проходять через сетки виброситу (розмір видалених частинок залежить від розміру сеток у мішок), використовуються повторно. Більш крупні частинки, не минулі сквозь сетки, збрасуються.

Відповідно до стандартів API, розмір 97% частинок бариту становить менше 74 мікрон. Тому більша частина бариту, видаленого гідроциклонами, вільно проходить через сітку осушувального виброситу, після чого відбувається навпаки в системі. По суті, ситогидроциклонная установка видаляє пісок з утяжеленного розчину і служить допоміжним засобом для викидання руйнівних речовин. Розмір ячеек сеток СГУ може знаходитися в межах від 120 до 325 меш. Для забезпечення ефективності роботи СГУ розмір ячеек сеток установки повинен бути менше, ніж у сеток устьевых вибросит.

Хоча основне призначення ситогидроциклонной установки — видалення шламу і вилучення бариту, збереження дорогостоящей рідкої фази (синтетичних матеріалів, масел, насиченої солі, KCl і т.д.) наряду зі збереженням бариту знижує вартість бурових розчинів. Крім того, буровий шлам при роботі на СГУ піддається сушці. Це веде до скорочення обсягів твердих відходів, що дозволяє знизити витрати на утилізацію шлама. Якщо ситогідроциклонастановка не видаляє значну кількість твердих частинок, робота подавального центробежного насоса призведе до витирання частинок і зменшення їх розмірів. У цьому випадку навіть при правильній експлуатації сеток установки з розміром ячеек 200 меш і менше і обробці всього об'єму розчину застосування СГУ не дає додаткових переваг.