авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Исследование и разработка техники и технологии регу­лирования свойств буровых промывочных жидкостей с использованием центрифуг.

-- [ Страница 2 ] --

Предложен новый методический подход к расчету процесса оса­ждения частиц твердой фазы в потоке бурового раствора в роторе шнековой центрифуги. Очистная способность центрифуги – это от­ношение объема твердой фазы, удаляемой центрифугой из раствора, к объему твердой фазы в растворе до поступления в центрифугу. Благодаря особенностям течения раствора в роторе центрифуги (структурный режим течения) очистную способность центрифуги по частицам диаметром впервые удалось определить непосредственно из выведенной автором формулы:

(10)

где L, D,, – длина, м, диаметр, м, и частота вращения, об/мин, рото­ра центрифуги, соответственно, Q – производительность центрифуги, м3/с, - пластическая вязкость промывочной жидкости, Пас, 0 - динамическое напряжение сдвига промывочной жидкости, Па, - разность плотностей твердой и жидкой фаз раствора, кг/м3.

Если распределение размеров частиц задано в дискретной форме, то суммарную очистную способность автором предложено вычислять по формуле:

, (11)

i – очистная способность центрифуги по частицам i-ой фракции, вычисляемая по формуле (10), сi – концентрация частиц i-ой фракции в общем объеме твердой фазы, n – число фракций.

Если известна непрерывная функция распределения f(), то суммарную очистную способность автором предложено определять по формуле: , (12)

где Б, М – наибольший и наименьший эквивалентные диаметры час­тиц твердой фазы, поступающие в центрифугу с буровым раствором, мкм, k – коэффициент, k = 0 при < 0, k = 1при 0 1, k = 1/ при >1. В развернутом виде:

, (13)

где k = 0 при 10-6< 0,

k = 1 при 0 10-6 1,

k = 1/10-6 при

10-6 > 1,

индекс 1 относится к параметрам распределения частиц 1 группы, индекс 2 относится к параметрам распределения частиц 2 группы.

Аналогично впервые предложено определять потери утяжелителя при работе шнековой цен­трифуги в режиме регенерации:

, %, (14)

где 50у, у – параметры распределения размеров частиц утяжелителя, Бу, Му – наибольший и наименьший размеры частиц утяжелите­ля, Бу 100 мкм, Му 0,01 мкм, у – разность плотностей утяжелителя и жидкой фазы раствора, кг/м3.

Отклонения экспериментальных значений укладываются в доверительный интервал ±4-5% при доверительной вероятности 95%. При этом экспериментальные значения очистной способности центрифуги и потерь утяжелителя при регене­рации утяжелителя впервые предложено определять по приближенным формулам:

, (15)

где , сл, тв, ж – плотности исходного раствора, раствора на выхо­де, твердой фазы и жидкой фазы раствора, соответственно, кг/м3,

, %, (16)

где пу – плотность пульпы утяжелителя на выходе из центрифуги, кг/м3.

При проектных расчетах пу 3000 кг/м3, тв 2600 кг/м3. Величины , сл, ж – легко измеримые в полевых условиях параметры.



Раздел 3. Разработка шнековой осадительной центрифуги, адап­тированной к условиям бурения.

Как следует из уравнений (13) и (14), эффективность центрифуги возрастает с увеличением диаметра и частоты вращения ротора. Од­нако увеличение этих параметров ограничено конструктивно – частота вращения ротора не должна превышать предельную частоту вращения nпр подшипников, которая тем меньше, чем больше диаметр ро­тора по эмпирической формуле

nпр = (700…875)/D, 1/с. (17)

Таким образом, существует задача выбора рационального соотноше­ния между диаметром D и частотой вращения n ротора, при которых достигается наибольшая эффективность центрифуги. Для определе­ния такого соотношения по неутяжеленным растворам впервые использовано понятие параметра эффективности . Q, который, с учетом представленных выше соотношений, равен:

, л/с. (18)

Зависимости параметра эффективности от D при различной произво­дительности центрифуги, рассчитанные по уравнению (18) при усредненных значениях параметров распределения размеров частиц твердой фазы Б = 70 мкм, М = 0,01 мкм, с1 = 0,15, с2 =0,85, 501 = 50 мкм, 1 =0,75, 502 = 2 мкм, 2 =0,75, = 1500 кг/м3, = 0,02 Па.с, представлены на рис.2. Как видим, параметр эффективности имеет максимум при D 0,5 м. Изменения числовых значений уравнения (18) показывают, что максимум кривых близок к абсциссе D 0,5 м с тен­денцией снижения соответствующего максимуму кривых диаметра при возрастании напря­жения сдвига бурового раствора. Исходя из минимальных габаритов центрифуги, для условий бурения рекомендован диаметр D = 0,5 м, которому по формуле (17) соответствует предельная частота вращения подшипников 1400-1750 об/мин. Как видно из рис.2, примене­ние крупногабаритных центрифуг с диаметром ротора более 0,5 м (и меньшей частотой вращения) нецелесообразно, так как это ведет к не­значительному росту параметра эффективности или даже к его паде­нию.

Для утяжеленных растворов максимум эффективности, опреде­ленный из аналогичных соотношений, также достигается приблизи­тельно при D = 0,5 м.

Производительность центрифуги ограничена максимальной про­пускной способностью ротора, которая задается разностью радиусов

узкого конца ротора и переливного борта, препятствующей выходу жидкости в шламовый патрубок центрифуги. Эта разность радиусов определяется конструктивно и составляет несколько сантиметров. Для ротора диаметром 0,5 м напор, потребный для течения раствора в нем, также со­ставляет величину в несколько сантиметров при Q < 6…7 л/с, что и является пределом производительности.

Момент сопротивления вращению шнека предлагается опреде­лять по новым формулам:

для цилиндрического участка

, Нм, (19)

для конического участка:

, Нм. (20)

где hц, hк – высота валика шлама на цилиндрическом и коническом участках ротора центрифуги, м, R – радиус внутренней поверхности цилиндрической части обе­чайки ротора, м; шл, - плотность шлама и раствора, кг/м3, f – коэффициент трения шлама о рабочую поверхность витка шнека, Lц, Lк – длина цилиндрического и конического участков ротора, м, t – шаг шнека, м, z – число заходов шнека, Rк – средний радиус внутренней поверхности обечайки ротора на коническом участке, м, b - ширина витков шнека, м.

Величина hц вычисляется по формуле:

, м. (21)

Величина hк вычисляется по формуле:

, м, (22)

где fвн – коэффициент внутреннего трения шлама, образующегося в роторе центрифуги, n – разность частот вращения ротора и шнека, об/мин.

Суммарный момент: , Нм. (23)

Установлено, что коэффициент трения шлама по стали составля­ет величину f = 0,4-0,5, коэффициент внутреннего трения fвн = 0,3-0,4, плотность шлама при работе на утяжеленных растворах составляет 2700-2900 кг/м3, на неутяжеленных растворах 1900-2000 кг/м3. При условии нормальной работы центрифуги эти параметры изменяются незначительно.

Экспериментальные данные по моменту на шнеке укладываются в доверительный интервал в пределах10-20% от расчетных значений момента при доверительной вероятности 95%.

Отличие новых формул от известных состоит в учете сопротив­ления трения по торцовым поверхностям витков шнека. В этом случае расчетная величина М возрастает при увеличении числа заходов, что видно из рис.3. Известные формулы других авторов не соответствуют этим экспериментальным данным.

Конструирование специализированной шнековой осадительной центрифуги для буровых растворов осуществлялось в соответствии с разработанными выше рекомендациями по рациональному соотноше­нию между диаметром ротора и его частотой вращения. Новая цен­трифуга, в отличие от ранее выпускавшихся для химической про­мышленности, имеет однозаходный шнек, пониженное передаточное число редуктора при более высоком расчетном моменте 600 кГм, обеспечи­вающем нормальную работу как на неутяжеленных, так и на утяжеленных растворах.

Раздел 4. Разработка технологической обвязки центрифуг для условий бурения.

С целью обеспечения насосами серийного выпуска специализи­рованной центрифуги для буровых растворов автором был проведен комплекс конструкторских работ, а также стендовых и промысловых испытаний насосов различных типов с целью выбора рациональной конструкции. Были исследованы диафрагменные растворонасосы, осевой шнековый насос и различные варианты центробежных насо­сов. Наилучшие результаты получены при использо­вании разработанного автором центробежного полупогружного бессальникового насоса, основные элементы которого изображены на рис.4. Насос состоит из проточной части, включающей рабочее колесо и корпус со вкладышами, подшипникового узла с валом и переходни­ком, рамы, электродвигателя, лепестковой муфты. Работает насос сле­дующим образом. При погружении проточной части и переходника в подлежащую перекачиванию жидкость с уровнем, указанным на ри­сунке 4, жидкость самотеком через окна в переходнике поступает в проточную часть, откуда под действием быстровращающегося рабоче­го колеса нагнетается в трубопровод, и далее поступает в напорную линию.

Рисунок 4 - Насос полупогружной бессальниковый

Насос бессальниковый и в регулировке сальникового узла не нуждается, что и является основным отличием насоса от известных. Насос данной конструкции под маркой ПН выпускается серийно как в качестве комплектующего для блоков очистки на базе центрифуги, так и отдельным изделием.

На выкиде насоса устанавливается регулирующий дроссель. Экс­перименты с различными конструкциями показали, что наилучшая характеристика у шарового крана, который меньше, чем пробковые краны или вентили подвержен засорению. Кроме того, на входе в по­гружной насос устанавливается фильтр. Разработано и испытано спе­циальное переливное байпасное устройство, которое устанавливается на загрузочную трубу центрифуги и обеспечивает нормальную работу питающей линии центрифуги. Кран используется только для гру­бой регулировки. Спроектирована рама определенной конфигурации, позволяющая быстро монтировать на нее как саму центрифугу, так и съемный лоток для шлама. Конструкция рамы обеспечивает установку лотка как вдоль, так и поперек оси центрифуги, и, таким образом, по­зволяет выводить шлам из центрифуги в любом направлении.

При работе на утяжеленном растворе в режиме регенерации утяжелителя необходимо непрерывно смешивать пульпу утяжелителя с циркулирующим раствором. Эксперименты показывают, что пульпа

утяжелителя поступает из центрифуги в виде крупных липких комьев, не размешиваемых в растворе стандартными механическими пере­мешивателями. Опытным путем подобрана специальная конструкция быстроходного перемешивателя, который немедленно по поступлении комьев утяжелителя в поток раствора, движущегося в желобе емко­стей циркуляционной системы, разбивает комья крыльчаткой и сме­шивает их с раствором.

Описанные устройства объединены в единую систему, совокуп­ность технических признаков которой позволила получить новый эф­фект, защищенный патентом на установку для регенерации утяжели­теля буровых растворов (пат. РФ №1764343). С использовани­ем данных устройств разработаны серийно выпускаемые комплект­ные агрегаты для обработки буровых растворов на базе центрифуги. Один из вариантов агрегата представлен на рис. 5.

Рассмотрены основные принципы размещения центрифуг на стационарных и мобильных циркуляционных системах буровых установок различных классов.

Раздел 5. Повышение эффективности систем регулирования свойств промывочных жидкостей за счет использования центрифуг.

В порядке обобщения известных схем очистки впервые разработана классификация технологических схем обработки буровых растворов центрифугами. Классификация схематически изображена на рис.6. Разработанная классификация позволяет более обоснован­но выбирать необходимую схему очистки из большого количест­ва пред­лагаемых и систематизировать процесс проектирования цирку­ляци­онной системы.





В соответствии с представленной классификацией на неутяжеленных растворах центрифуги обычно используют в качестве четвертой ступени очистки, когда часть очищенного раство­ра из песко- или илоотделителя направляется в одну или несколько центрифуг. По этой

схеме шлам сбрасывается в отвал, а очищенный в центрифуге раствор возвращается в циркуляцию. Если для очистки неутяжеленных растворов используются высокоэффективные шламоотделители с гидроциклонами малого диаметра, рекомендуется с помощью центрифуг либо сгущать пульпу гидроциклонов, либо, если пульпа до этого уже сгущается на мелкоячеистых ситах, очищать подситовую жидкость перед возвращением ее в циркуляцию.

На утяжеленных растворах центрифуги используют, в основном, при разбуривании мощных глинистых отложений с интенсивной на­работкой раствора. Перед сбросом в отвал загрязненного выбуренной глиной утяжеленного раствора, его пропускают через центрифугу,

где промывочная жидкость разделяется на концентрат утяжелителя и на­сыщенный глиной легкий раствор. Легкий раствор удаляют с буровой, а концентрат возвращают в циркуляцию. Взамен сброшенного рас­твора вводят чистые разбавители. Таким образом, предотвращается сброс в отвал дорогостоящего утяжелителя, и одновременно снижается вязкость раствора. Операцию отделения утяжелителя от загрязненно­го раствора с возвратом концентрата в циркуляцию называют регене­рацией утяжелителя. Желательно очищать от глинистых частиц рас­твор, освобожденный в центрифуге от утяжелителя, с возвратом очи­щенной жидкости в циркуляционную систему и сбросом в отвал глины. Этот процесс осуществляется во второй, более скоростной цен­трифуге. Схема двухступенчатой очистки утяжеленных растворов центрифугами имеет ряд разновидностей. Например, центрифуги мо­гут использоваться, как и в случае неутяжеленных растворов, для двухступенчатой очистки подситовой жидко­сти ситогидроциклонного сепаратора.

Автором предложена новая формула для усредненной оценки эффективности шне­ковой осадительной центрифуги при использовании ее на неутяжеленном буровом растворе в качестве четвертой ступени очистки:

, %, (24)

где ц – степень очитки раствора центрифугой, %,

ств – объемное содержание твердой фазы в буровом растворе,

Vмex – объем породы, выбуриваемой долотом в единицу времени, м3/с,

QН – подача буровых насосов, м3/с,

k = 0 при 0,0056(0,45 2 –1,67 ) < 0,

k = 1 при 0 0,0056(0,45 2 –1,67 ) 1,

k = 1/0,0056(0,45 2 –1,67 ) при 0,0056(0,45 2 –1,67 ) > 1.

Результаты расчета по формуле (24) существенно зависят от ве­личины Б, которая определяется эффективностью работы песко- и илоотделителей. Расчеты по формуле (24) показывают, что степень очистки рас­твора центрифугой более 20%, достаточная для компенсации недос­татков трехступенча­той системы, достижима не всегда. При высоких скоростях бурения для промывочных жидкостей с малым содержани­ем твердой фазы степень очистки может оказаться ниже 20%. Напри­мер, при бурении на растворе с ств = 0,05 при эффективной работе гидроциклонных шламоотделителей, степень очистки раствора центрифугой превыша­ет 20% только при Vмex < 0,15 дм3/с, что для долота диаметром Dд =0,2159 м соответствует механической скорости менее 10-15 м/час. В то же время, несмотря на относительно низкую производи­тельность центрифуги по промывочной жидкости, расчетная степень очистки цен­трифугой в ряде случаев достигает 50%, особенно на сильно за­шламленных буровых растворах и при неудовлетворительной работе трехступенчатой очистки.

Учитывая, что для отечественных буровых характерна именно последняя ситуация, применение центрифуг в качестве четвертой ступени очистки оказывается достаточно эффективным даже при производительности меньше 7л/с, что подтверждают данные, приве­денные в табл.1, полученные по результатам авторского надзора за внедрением центрифуг ОГШ-50 на буровых предприятиях в различ­ных районах бурения. По зарубежным данным на неутяжеленных рас­творах применение центрифуг выгодно при высоких затратах на

за­хоронение отходов бурения и при дефиците воды. Известны случаи, когда применение центрифуг даже по сравнению с относительно

эф­фективными илоотделителями позволяло экономить до 140 тыс. долл. на одну скважину.

В последнее время с целью снижения потерь раствора широко распространилась схема сброса пульпы гидроциклонов на мелкоячеистую сетку вибросита. На сетке происходит отделение части раствора от шлама и шлам сбрасывается в отвал с гораздо меньшим содержанием раствора – менее 55%. Преимуществом центрифуг является то, что если этот шлам вместо вибросита сгущать на центрифуге,

Таблица 1 - Степень очистки буровых растворов центрифугами при бурении скважин в Краснодарском крае и в Западной Сибири.

Скважина Забой, м Производи­тельность центрифуги, л/с Степень очистки, %
№3 Черноерковская 240 350 645 645 5,2 3,9 4,4 2,8 56 34 38 33
№2 Варавенская 100 710 2,5 2,0 50 26
№113 Холмская 200 5,0 43
№3 Зап.-Могутлор­ское м-ние - 4,2 44
№9 Конитлорское м-ние 1200 4,5 31
№17 Конитлорское м-ние 2600 5,0 18


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.