Очистка бурового раствора от твёрдой фазы

Кратко о главном

Выбуренная порода — бесполезная твёрдая фаза: в отличие от бентонита и барита, она лишь загущает раствор. Насосы, долото и поток в трубах дробят её на каждом цикле, а чем мельче частицы, тем больше их поверхность и тем труднее их отделить. Поэтому шлам убирают в первом же цикле, пока он крупный.
Частицы отделяют просеиванием (вибросита) и ускоренным осаждением (гидроциклоны и центрифуги), остаток мелочи разбавляют. По закону Стокса скорость осаждения пропорциональна $d^2(\rho_s - \rho_f)$ : мелкие частицы в ёмкостях почти не оседают, а центробежное ускорение в сотни и тысячи $g$ делает их отделимыми.
Граница разделения $d_{50}$ — размер частиц, которые устройство отправляет в отход наполовину. Для барита она меньше, чем для выбуренной породы, — в воде примерно в $\sqrt2$ раз. Поэтому гидроциклоны выбрасывают барит, и утяжелённый раствор чистят виброситами, ситогидроциклонными установками и центрифугами.
Систему выстраивают по убыванию размера удаляемых частиц: вибросита, дегазатор, пескоотделитель, илоотделитель, центрифуга; у утяжелённого раствора вместо гидроциклонов — ситогидроциклонная установка, а центрифуга возвращает барит.
Всё, что оборудование не удалило, приходится разбавлять: $V_{\text{разб}} = (1 - E)V_{ds}/f_{ds}$ . Повышение эффективности очистки с 0,4 до 0,8 сокращает разбавление втрое, а новый раствор и отходы в примере урока — в 2,6–2,7 раза, и дополнительное оборудование обычно окупается.
Работу системы проверяют по фактическому разбавлению: сколько раствора наработали по расходу воды и сколько выбуренной породы в нём осталось по реторте и метиленовому тесту.

Ключевые соотношения

V_{ds} = \frac{\pi}{4}D^2 L\,k_w(1-\phi)

объём выбуренной породы на интервале

v_s = \dfrac{a\,d^2(\rho_s - \rho_f)}{18\,\mu}

скорость осаждения по Стоксу; $a = g$ в ёмкости, $a = \omega^2 r$ в центрифуге

d_{50,b} = d_{50}\sqrt{\dfrac{\rho_{LGS} - \rho_f}{\rho_{HGS} - \rho_f}}

граница разделения для частиц барита

V_{\text{разб}} = \dfrac{(1 - E)\,V_{ds}}{f_{ds}}

раствор, нужный для разбавления неудалённой породы

Где чаще всего ошибаются

Ставить гидроциклоны на утяжелённый раствор: вместе с песком и илом они выбрасывают барит.
Ставить сетки мельче, чем вибросита могут пропустить: раствор переливается через сетку вместе со шламом.
Разбавлять утяжелённый раствор водой: падает плотность, и на её восстановление уходят барит и реагенты.
Пускать раствор в обход оборудования или питать следующую ступень из той же секции ёмкости, куда она сливает очищенный раствор.
Судить об очистке по виду шлама на сетках, а не по анализу раствора и балансу твёрдой фазы.

После урока вы сможете

объяснить, откуда в растворе выбуренная порода, почему она измельчается и почему мелкие частицы вреднее крупных;
описать работу вибросит и сеток, гидроциклонов, ситогидроциклонных установок и центрифуг, прочитать кривую разделения и объяснить, почему для барита граница разделения меньше;
рассчитать объём выбуренной породы и составить баланс твёрдой фазы: сколько удаляет оборудование, сколько раствора уходит на разбавление и сколько получается отходов;
оценить эффективность системы очистки по фактическому расходу воды и анализу раствора и сравнить стоимость очистки и разбавления;
выбрать схему системы очистки для неутяжелённого и утяжелённого раствора и для раствора на углеводородной основе.

Выбуренная порода в растворе

Долото превращает породу в шлам, и вся она попадает в раствор. Шлам плотностью около 2,6 г/см³ — в анализе раствора его объединяют с бентонитом в твёрдую фазу низкой плотности — приходит на поверхность обломками от долей миллиметра до сантиметра. По дороге его дробят долото, турбулентный поток в трубах и насосы, а глины ещё и размокают. Каждый новый цикл делает частицы мельче — и удалять их становится всё труднее.

Полезной твёрдой фазы в растворе две: бентонит (или другой структурообразователь) и утяжелитель — барит. Выбуренная порода полезной не бывает. Она повышает пластическую вязкость, ЭЦП и давление на насосах, делает корку толще и проницаемее — а с ней растёт риск дифференциального прихвата, — истирает насосы и задвижки и снижает механическую скорость. Удалить её целиком невозможно, поэтому программа бурения задаёт допустимое содержание — обычно несколько процентов объёма — и способ его поддерживать.

Твёрдые частицы бурового раствора по размеру

Класс: Песок
Размер: больше 74 мкм
Что это обычно: крупный шлам, песок, обломки
Чем отделяют: вибросита, пескоотделители

Класс: Ил (silt)
Размер: 2–74 мкм
Что это обычно: измельчённый шлам, большая часть барита
Чем отделяют: илоотделители, центрифуги

Класс: Коллоидные частицы
Размер: меньше 2 мкм
Что это обычно: бентонит, тончайшая глина
Чем отделяют: почти не отделяются: разбавление

Класс	Размер	Что это обычно	Чем отделяют
Песок	больше 74 мкм	крупный шлам, песок, обломки	вибросита, пескоотделители
Ил (silt)	2–74 мкм	измельчённый шлам, большая часть барита	илоотделители, центрифуги
Коллоидные частицы	меньше 2 мкм	бентонит, тончайшая глина	почти не отделяются: разбавление

Границы — по классификации Американского нефтяного института (API); 74 мкм — ячейка сита № 200, на котором измеряют содержание песка (испытания раствора).

Почему мелочь вреднее

Раздробим кубик породы со стороной 1 мм на кубики со стороной 10 мкм: их станет миллион, а суммарная поверхность вырастет в 100 раз — площадь поверхности единицы объёма обратно пропорциональна размеру частиц, $6/d$ . На вязкость раствора влияет не только объём твёрдой фазы, но и её поверхность: на ней удерживается вода, через неё частицы взаимодействуют. Поэтому тот же объём шлама, раздробленный в ил, загущает раствор намного сильнее.

Объём выбуренной породы

V_{ds} = \frac{\pi}{4}\,D^2\,L\,k_w\,(1 - \phi), \qquad q_{ds} = \frac{\pi}{4}\,D^2\,v_{\text{мех}}\,k_w\,(1 - \phi)

где:

$V_{ds}$ объём выбуренной породы (её минерального скелета) на интервале, м³
$q_{ds}$ то же в единицу времени бурения, м³/ч
$D$ диаметр долота, м
$L$ длина пробуренного интервала, м
$v_{\text{мех}}$ механическая скорость проходки (ROP), м/ч
$k_w$ коэффициент кавернозности — отношение фактического объёма ствола к номинальному, не меньше 1, —
$\phi$ пористость породы, доли единицы

Единицы: СИ (метры и часы)

Справедливо, если

поровый флюид породы в баланс твёрдой фазы не входит;
вся разрушенная порода поступает в раствор; обвалы стенок добавили бы к ней ещё, поглощения — унесли бы часть в пласт.

Поступление породы пропорционально площади забоя и механической скорости: быстрое бурение большим долотом даёт системе очистки больше всего работы.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

q_{ds}\,[\text{bbl/h}] = \frac{(1-\phi)\,d^2\,[\text{in}^2]\;\text{ROP}\,[\text{ft/h}]}{1029}

диаметр долота — дюймы, механическая скорость — футы в час, результат — баррели в час (без кавернозности).

$1029 = 144\cdot 5{,}615\cdot 4/\pi$ : квадратные дюймы в квадратные футы и кубические футы в баррели.

Расчётный примерСколько породы приносит рейс

Исходные данные (условные)

Интервал: 2600–3000 м, долото 215,9 мм — рейс из урока о гидравлике долота
Механическая скорость: 25 м/ч
Кавернозность и пористость: $k_w = 1{,}10$ ; $\phi = 0{,}15$
Раствор в циркуляции: около 250 м³ (ёмкости и скважина)

Решение

Площадь забоя $\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}2159^2 = 0{,}03661$ м²; объём ствола интервала с кавернами $0{,}03661\cdot 400\cdot 1{,}10 = 16{,}11$ м³.
Выбуренная порода: $16{,}11\cdot(1 - 0{,}15) = 13{,}69$ м³, или $13{,}69\cdot 2{,}6 = 35{,}6$ т.
За час бурения: $0{,}03661\cdot 25\cdot 1{,}10\cdot 0{,}85 = 0{,}856$ м³ (около 2,2 т); весь интервал — 16 ч бурения.
Если бы вся эта порода осталась в 250 м³ раствора, её доля выросла бы на $13{,}69/(250 + 13{,}69) = 5{,}2$ % объёма.

Ответ: За рейс в раствор поступит около 13,69 м³ (35,6 т) породы — по 0,856 м³ за каждый час бурения.

Что это значит. Пять с лишним процентов объёма за шестнадцать часов — больше, чем обычно допускают для всего содержания выбуренной породы в растворе. Значит, почти всю породу нужно вывести из раствора, и лучше всего в первом же цикле, пока она не раздроблена. Данные примера условные.

Как отделяют частицы: сито, осаждение, разбавление

Способов три. Просеивание задерживает всё, что крупнее отверстий сетки, — это работа вибросит. Осаждение разделяет частицы по скорости, с которой они оседают в жидкости, то есть по размеру и плотности; в ёмкости для этого слишком мало силы тяжести, поэтому гидроциклоны и центрифуги многократно ускоряют осаждение центробежной силой. Наконец, разбавление: то, что не удалось отделить, держат в допустимых пределах, добавляя свежий раствор и сбрасывая часть старого.

Скорость осаждения частицы (закон Стокса) и фактор разделения

v_s = \frac{a\,d^2\,(\rho_s - \rho_f)}{18\,\mu}, \qquad a = g\ \text{или}\ a = \omega^2 r, \qquad G = \frac{\omega^2 r}{g}

где:

$v_s$ скорость оседания частицы относительно жидкости, м/с
$a$ ускорение: силы тяжести $g$ в ёмкости или центробежное $\omega^2 r$ в гидроциклоне и центрифуге, м/с²
$d$ диаметр частицы, м
$\rho_s,\ \rho_f$ плотности частицы и окружающей жидкости, кг/м³
$\mu$ вязкость жидкости вокруг частицы, Па·с
$\omega,\ r$ угловая скорость вращения и радиус, с⁻¹, м
$G$ фактор разделения — во сколько раз центробежное ускорение больше $g$ , —

Единицы: СИ

Справедливо, если

шарообразная частица, ламинарное обтекание: число Рейнольдса частицы $\rho_f v_s d/\mu$ меньше примерно 1;
жидкость ньютоновская; у бурового раствора берут эффективную вязкость при скорости сдвига вокруг частицы, а в покое гель может удерживать мелкие частицы совсем;
частицы не мешают друг другу; в густой суспензии оседание медленнее.

Скорость оседания растёт как квадрат размера: частица в 5 мкм оседает в 16 раз медленнее, чем в 20 мкм. Ускорение и разность плотностей входят линейно; гидроциклоны и центрифуги многократно увеличивают ускорение.

Расчётный примерОседание в ёмкости и в центрифуге

Исходные данные (условные)

Частицы: выбуренная порода 2,6 г/см³, размеры 20 и 5 мкм
Жидкость: 1,00 г/см³; эффективная вязкость 5 мПа·с (принята)
Центрифуга: барабан диаметром 360 мм, 2500 об/мин; слой жидкости у стенки 50 мм

Решение

В ёмкости: $v_s = \dfrac{9{,}81\cdot(20\cdot10^{-6})^2\cdot 1600}{18\cdot 0{,}005}\cdot 3600 = 0{,}251$ м/ч — метровый слой частица проходит за 4,0 ч. Частица 5 мкм оседает в 16 раз медленнее: 64 ч на метр.
Центрифуга: $\omega = 2\pi\cdot 2500/60 = 261{,}8$ с⁻¹, у стенки $a = \omega^2 r = 261{,}8^2\cdot 0{,}18 = 12\,337$ м/с², то есть $G = 12\,337/9{,}81 = 1258$ .
Скорости в центрифуге в 1258 раз больше: 0,088 и 0,0055 м/с; слой 50 мм частицы проходят за 0,6 и 9 с.
Проверка: число Рейнольдса частицы 20 мкм в центрифуге $1000\cdot 0{,}088\cdot 20\cdot10^{-6}/0{,}005 = 0{,}35$ — меньше 1, закон Стокса применим.

Ответ: В ёмкости частица 20 мкм опускается на метр за 4,0 ч, частица 5 мкм — за 64 ч; в центрифуге они пересекают слой жидкости за 0,6 и 9 с.

Что это значит. Пока частица ила опускается в ёмкости, раствор давно ушёл к насосам, а гель и вовсе держит её во взвеси: отстойники ил не удаляют. В центрифуге та же частица отделяется за секунды — пока раствор проходит барабан. Ускорение взято у стенки барабана, а ближе к оси оно меньше, поэтому на деле частицы пересекают слой примерно на 15–20 % дольше. Вязкость здесь условная: в загущённом растворе оседание медленнее, и граница разделения центрифуги смещается к крупным частицам. Данные примера условные.

Ни сито, ни гидроциклон, ни центрифуга не режут частицы точно по одному размеру. Каждое устройство описывают кривой разделения (partition curve): какая доля частиц данного размера уходит в отход. Размер, при котором в отход уходит половина частиц, называют границей разделения (cut point, $d_{50}$ ). Часть мелочи уходит в отход при любом размере — вместе с жидкостью, которая сопровождает отделённые частицы.

РасчётРасчётные кривые разделения для выбуренной породы: сетка вибросита с отверстием около 75 мкм, пескоотделитель, илоотделитель и центрифуга; штриховая — тот же илоотделитель для частиц барита. Половину частиц они отправляют в отход при размерах около 65, 44, 17 и 5 мкм, барита — около 12 мкм. Внизу кривые гидроциклонов и центрифуги не опускаются до нуля: несколько процентов жидкости уходят в отход вместе с мелкими частицами, и из-за этого граница чуть мельче, чем без уноса (45, 18 и 5 мкм). Параметры условные.

Граница разделения для частиц другой плотности

d_{50,b} = d_{50}\sqrt{\frac{\rho_{LGS} - \rho_f}{\rho_{HGS} - \rho_f}}

где:

$d_{50}$ граница разделения устройства для выбуренной породы, мкм
$d_{50,b}$ граница разделения того же устройства для барита, мкм
$\rho_{LGS},\ \rho_{HGS},\ \rho_f$ плотности выбуренной породы (2,6), барита (4,2) и жидкости — обозначения те же, что в анализе твёрдой фазы, г/см³

Единицы: любые одинаковые единицы

Справедливо, если

частицы разделяются по скорости осаждения в стоксовом режиме, условия работы устройства те же;
в утяжелённом растворе крупную частицу окружает смесь жидкости с тонкой твёрдой фазой, а не вода, — оценка приближённая.

Частица барита оседает так же, как частица породы, крупнее её в $\sqrt{(4{,}2 - 1)/(2{,}6 - 1)} = \sqrt2$ раз (в воде). Илоотделитель с границей 18 мкм по породе отправляет в отход половину частиц барита размером около 13 мкм — и бо́льшую часть более крупных, а их в барите значительная часть.

Вибросита и сетки

Раствор из скважины по жёлобу приходит в приёмный ящик вибросита (shale shaker) и растекается по наклонным сеткам. Рама с сетками колеблется: жидкость и мелкие частицы проходят сквозь отверстия, а шлам подпрыгивает и движется к краю, откуда падает в отход. Вибросита — первая и самая дешёвая ступень очистки: они убирают крупный шлам, пока он не раздроблен, и защищают от него остальное оборудование. Через них проходит весь поток из скважины.

У старых машин рама описывала круг или эллипс, у современных обычно движется по прямой под углом к сетке: так шлам можно гнать вверх по наклонной сетке, а жидкость дольше остаётся на ней — это позволяет ставить более тонкие сетки. Интенсивность колебаний оценивают ускорением в единицах $g$ : при полном ходе $s$ и угловой частоте $\omega$ это $G = s\omega^2/(2g)$ . Например, при ходе 4 мм и 1800 колебаниях в минуту $G \approx 7{,}2$ — у современных машин обычно несколько $g$ . Сильнее трясти — быстрее сходит шлам и больше пропускная способность, но быстрее рвутся сетки.

Раньше сетки обозначали числом нитей на дюйм (mesh), например 80 × 80. Но при той же густоте отверстие зависит от толщины проволоки, а у многослойных сеток отверстия вообще разные. Поэтому с середины 2000-х годов сетку испытывают и присваивают ей номер API — номер стандартного сита, отверстие которого соответствует размеру частиц, задерживаемых сеткой практически полностью. На этикетке указывают и проводимость (conductance) — насколько легко сквозь сетку проходит жидкость, — и неперекрытую площадь панели, через которую идёт поток (non-blanked area). В отечественной практике тканые сетки обозначают номинальным размером ячейки в миллиметрах.

Номер сетки API и отверстие соответствующего стандартного сита

Номер: API 40
Отверстие, мкм: 425
в мм: 0,425

Номер: API 60
Отверстие, мкм: 250
в мм: 0,250

Номер: API 80
Отверстие, мкм: 180
в мм: 0,180

Номер: API 120
Отверстие, мкм: 125
в мм: 0,125

Номер: API 140
Отверстие, мкм: 106
в мм: 0,106

Номер: API 200
Отверстие, мкм: 75
в мм: 0,075

Номер: API 325
Отверстие, мкм: 45
в мм: 0,045

Номер	Отверстие, мкм	в мм
API 40	425	0,425
API 60	250	0,250
API 80	180	0,180
API 120	125	0,125
API 140	106	0,106
API 200	75	0,075
API 325	45	0,045

Чем больше номер, тем тоньше сетка и тем меньше раствора она пропускает на единицу площади. API 200 соответствует границе песка (74–75 мкм).

Тонина против пропускной способности. Сетку выбирают самую тонкую из тех, что пропускают весь поток: обычно стремятся, чтобы раствор уходил сквозь сетку, покрывая около трёх четвертей её длины. Если раствор переливается через край, вместе со шламом теряется раствор — тогда ставят больше вибросит, а не грубее сетки.
Забивание. Частицы размером почти с отверстие застревают в нём, и сетка «слепнет»; липкая глина (гумбо) залепляет сетки — перед основными ставят грубые предварительные вибросита.
Утяжелённый раствор. По требованиям к бариту частиц крупнее 75 мкм в нём не больше 3 % массы, но частицы 45–75 мкм в нём есть в заметном количестве, поэтому сетки тоньше API 200 начинают задерживать барит. Самая тонкая сетка на утяжелённом растворе — компромисс между очисткой и потерями барита.
Раствор на углеводородной основе. Шлам уносит с собой основу (шлам и отходы), а разбавлять дорогой раствор невыгодно: тонкие сетки не пускают в него мелочь, а сушилки шлама возвращают часть основы.

Гидроциклоны и ситогидроциклонные установки

Гидроциклон (hydrocyclone) — конус без движущихся частей. Центробежный насос подаёт раствор по касательной в его верхнюю цилиндрическую часть, и раствор закручивается. Крупные и тяжёлые частицы отбрасываются к стенке и по спирали сползают вниз, к узкому выходу — нижнему сливу (underflow). Жидкость с мелкими частицами поворачивает к оси, поднимается и уходит через патрубок в крышке — верхний слив (overflow). Гидроциклоны с конусами 150–300 мм называют пескоотделителями (desanders), их граница разделения по выбуренной породе — около 40 мкм и больше; с конусами около 100 мм — илоотделителями (desilters), около 20 мкм. Чем меньше конус, тем мельче граница и тем меньше раствора он пропускает — поэтому илоотделители собирают в батареи по многу конусов.

СхемаГидроциклон и декантирующая центрифуга. В гидроциклоне закрученный поток отбрасывает крупные и тяжёлые частицы к стенке и вниз, к нижнему сливу, а жидкость с мелочью уходит вверх по оси. В центрифуге раствор подают внутрь шнека; частицы оседают на стенку вращающегося барабана, шнек, вращаясь с небольшой разницей скоростей, сдвигает осадок к узкому концу, а жидкость с мелочью сливается через пороги у широкого. Схема, не в масштабе.

Гидроциклон рассчитан на определённый напор — у многих конструкций около 23 м (75 футов) столба раствора. Манометр на входе показывает давление, а не напор: $p = \rho g H$ , так что для 23 м напора при растворе 1,10 г/см³ нужно 0,25 МПа, а при 1,30 г/см³ — 0,29 МПа. При слишком малом напоре граница разделения смещается к крупным частицам, при слишком большом быстрее изнашивается конус. За работой конуса следят по нижнему сливу. В норме он разлетается расходящимся веером брызг (spray discharge). Плотная струя-жгут (rope discharge) означает, что твёрдой фазы приходит больше, чем пропускает выходное отверстие: разделение ухудшается, часть частиц проскакивает в верхний слив, а отверстие вот-вот забьётся.

Гидроциклон теряет и жидкость: с нижним сливом уходят несколько процентов подачи вместе с мелкими частицами. На неутяжелённом растворе это приемлемо, и пескоотделитель с илоотделителем — обычные ступени очистки. На утяжелённом растворе гидроциклон выбросил бы барит: его частицы по размеру те же, что ил, а тяжелее породы (граница для барита меньше, см. выше).

Для утяжелённого раствора нижний слив гидроциклонов направляют на тонкую вибрирующую сетку (обычно API 140–200: более тонкая задерживала бы и барит) — это ситогидроциклонная установка (mud cleaner). Барит и мелкие частицы проходят сквозь сетку и возвращаются в раствор, а задержанные песок и крупный ил уходят в отход. Так удаляются выбуренные частицы крупнее барита. При плотности раствора больше примерно 1,8 г/см³ нижний слив состоит почти из одного барита, сетка перегружена, и выгоднее центрифуга.

Центрифуги

Декантирующая центрифуга (decanting centrifuge) — горизонтальный барабан, цилиндрический с одного конца и конический с другого, вращающийся с частотой порядка тысяч оборотов в минуту. Внутри — шнек, который вращается в ту же сторону с небольшой разницей скоростей. Раствор подают внутрь шнека; у стенки барабана образуется слой жидкости, в котором частицы оседают на стенку с ускорением в сотни и тысячи $g$ . Шнек сдвигает осадок к узкому концу и выносит его над слоем жидкости, а жидкость с не успевшей осесть мелочью сливается через пороги у широкого конца. Граница разделения — несколько микрометров; её сдвигают частотой вращения, подачей и глубиной слоя жидкости.

Утяжелённый раствор на водной основе — возврат барита. Через центрифугу пропускают часть потока. Осадок — барит и более крупные выбуренные частицы — возвращают в раствор, а жидкость с коллоидной выбуренной глиной сбрасывают. Так снижают вязкость, но вместе с жидкостью уходят реагенты и тонкий барит; при правильной настройке центрифуга возвращает в раствор около 90 % барита и больше. Сброшенную жидкость заменяют свежей — это тоже разбавление.
Неутяжелённый раствор — удаление ила. Центрифуга обрабатывает нижний слив илоотделителей или часть потока: осадок выбрасывают, а жидкость с бентонитом возвращают.
Две центрифуги. Первая, на меньшей частоте, возвращает барит; вторая, быстрая, отделяет мелкую выбуренную породу от жидкости первой, и жидкость возвращается в раствор, а не сбрасывается.
Раствор на углеводородной основе. Основа дорога, поэтому центрифуги работают на возврат жидкости; к ним добавляют сушилки шлама — центрифуги, отжимающие основу из шлама вибросит (раздел для углублённого изучения).

Как устроена система очистки

Оборудование ставят цепочкой по убыванию размера удаляемых частиц: крупные частицы перегружают и забивают тонкое оборудование, поэтому их убирают первыми. Ёмкости циркуляционной системы делят на секции; каждое устройство забирает раствор из одной секции и сливает очищенный в следующую по ходу.

СхемаПоследовательность очистки для неутяжелённого и утяжелённого раствора. У неутяжелённого после вибросит и дегазатора работают пескоотделитель, илоотделитель и центрифуга, удаляющая ил; у утяжелённого вместо гидроциклонов — ситогидроциклонная установка, а центрифуга возвращает барит и сбрасывает жидкость с коллоидами. Схема, без насосов и перетоков между секциями.

Без обходов. Весь поток из скважины проходит вибросита; ни одна ступень не работает в обход.
Дегазатор — до гидроциклонов. Газированный раствор плохо перекачивают центробежные насосы, и гидроциклоны с ним разделяют хуже.
Питание и слив — в разные секции. Насос гидроциклона забирает раствор из секции, куда сливает предыдущая ступень, а очищенный раствор сливается в следующую. Производительность каждой ступени берут с запасом сверх подачи буровых насосов: тогда часть очищенного раствора перетекает обратно и проходит очистку повторно, а неочищенный не проскакивает дальше.
Разбавление и добавки — после очистки. Свежий раствор, барит и реагенты вводят в секции после оборудования, иначе их частично выбросят. У неутяжелённого раствора воду иногда добавляют перед гидроциклонами: в менее вязком растворе они разделяют частицы лучше.
Отходы. Шлам вибросит, нижние сливы и осадок центрифуг, сброшенный раствор — отходы бурения; как их собирают, перерабатывают и утилизируют, определяют экологические требования и разрешительные документы проекта.

Урок — не инструкция

У вибросит первыми выделяются газ и пары из раствора, в том числе сероводород, поэтому зона очистки — место контроля загазованности и вентиляции. Центрифуги и насосы — вращающееся оборудование под напряжением. Схемы и расчёты урока объясняют принцип; состав системы очистки, режимы её работы и обращение с отходами определяют проект, программа бурения, паспорта оборудования и утверждённые процедуры предприятия.

Очистка или разбавление: баланс твёрдой фазы

Всё, что выбурено, должно куда-то деться: часть породы выводит оборудование, остальное остаётся во взвеси. Чтобы её доля не росла выше предела, раствор приходится разбавлять: делать новый раствор, заполнять им новый ствол, а лишний старый — сбрасывать. Отсюда простой баланс.

Раствор, нужный для разбавления неудалённой породы

V_{\text{разб}} = \frac{(1 - E)\,V_{ds}}{f_{ds}}, \qquad V_{\text{нов}} = V_{\text{разб}} + V_{\text{ун}} - (1 - E)\,V_{ds}

где:

$V_{\text{разб}}$ объём раствора, в котором оставшаяся порода находится при допустимой доле: он уходит в новый ствол или сбрасывается, м³
$E$ эффективность очистки — доля выбуренной породы, которую выводит оборудование, —
$V_{ds}$ объём выбуренной породы, м³
$f_{ds}$ допустимая доля выбуренной породы в растворе по объёму, —
$V_{\text{нов}}$ объём нового раствора, который надо приготовить, м³
$V_{\text{ун}}$ раствор, уносимый вместе с отходами оборудования, м³

Единицы: любые одинаковые единицы объёма

Справедливо, если

содержание выбуренной породы держат постоянным, на пределе $f_{ds}$ ;
мелкие частицы в растворе, уносимом с отходами оборудования, отнесены к удалённым;
раствор не уходит в пласт; поглощения уносят часть породы сами и учитываются отдельно;
выражение для $V_{\text{нов}}$ верно, пока $V_{\text{разб}}$ больше объёма нового ствола; иначе новый раствор нужен прежде всего для его заполнения.

Каждый кубометр неудалённой породы требует $1/f_{ds}$ кубометров раствора: при пределе 4 % — 25 м³. Поэтому повышение эффективности очистки окупается быстро, а более строгий предел (вдвое меньший) вдвое увеличивает разбавление.

Расчётный примерТри варианта очистки на одном интервале

Исходные данные (условные)

Интервал: пример «Сколько породы приносит рейс»: $V_{ds} = 13{,}69$ м³, объём нового ствола 16,11 м³
Предел выбуренной породы: $f_{ds} = 4$ % по объёму
Отходы оборудования: наполовину твёрдое, наполовину уносимый раствор
Варианты: A — вибросита с грубыми сетками, $E = 0{,}40$ ; B — тонкие сетки и ситогидроциклонная установка, $E = 0{,}65$ , аренда 3000 у. е.; C — то же и центрифуга, $E = 0{,}80$ , аренда 8000 у. е.
Цены (условные единицы, у. е.): новый раствор 1,30 г/см³ — 300 у. е./м³, вывоз и утилизация отходов — 70 у. е./м³

Решение

Вариант B: разбавление $V_{\text{разб}} = 0{,}35\cdot 13{,}69/0{,}04 = 119{,}8$ м³; из них 16,11 м³ заполняют новый ствол, а $119{,}8 - 16{,}11 = 103{,}7$ м³ приходится сбросить.
Отходы оборудования: удалённая порода $0{,}65\cdot 13{,}69 = 8{,}90$ м³ и столько же уносимого с ней раствора.
Новый раствор: $119{,}8 + 8{,}90 - 0{,}35\cdot 13{,}69 = 123{,}9$ м³; отходы: $103{,}7 + 8{,}90 + 8{,}90 = 121{,}5$ м³.
Затраты: $123{,}9\cdot 300 + 121{,}5\cdot 70 + 3000 \approx 48\,700$ у. е., или 48,7 тыс. у. е. Так же считаются варианты A и C — 74,8 и 36,2 тыс. у. е. (таблица ниже).

Ответ: Чем выше эффективность очистки, тем меньше нового раствора и отходов: при

E = 0{,}40

— 203 м³ нового раствора и 74,8 тыс. у. е., при

E = 0{,}80

— 77 м³ и 36,2 тыс. у. е. даже с арендой центрифуги.

Что это значит. Разница определяется множителем $1/f_{ds} = 25$ : каждый лишний кубометр удалённой породы избавляет от 25 м³ разбавления, а в итоге экономит около 23 м³ нового раствора и столько же отходов — с удалённой породой уходит и немного раствора, а оставшаяся порода сама добавляла бы раствору объём. Если бы система не удаляла ничего, на 400 м понадобилось бы 329 м³ нового раствора — больше всего, что есть в циркуляции. Расчёт упрощён: в отходах оборудования утяжелённого раствора теряется и барит, а при тонкой очистке растёт доля раствора, уходящего с отходами; оба эффекта уменьшают выгоду, но не меняют вывода. Данные и цены примера условные.

Три варианта очистки на интервале 2600–3000 м

Вариант: A
$E$: 0,40
Новый раствор, м³: 202,6
Отходы, м³: 200,2
Затраты, тыс. у. е.: 74,8

Вариант: B
$E$: 0,65
Новый раствор, м³: 123,9
Отходы, м³: 121,5
Затраты, тыс. у. е.: 48,7

Вариант: C
$E$: 0,80
Новый раствор, м³: 76,7
Отходы, м³: 74,3
Затраты, тыс. у. е.: 36,2

Вариант	$E$	Новый раствор, м³	Отходы, м³	Затраты, тыс. у. е.
A	0,40	202,6	200,2	74,8
B	0,65	123,9	121,5	48,7
C	0,80	76,7	74,3	36,2

Затраты — новый раствор, вывоз и утилизация отходов и аренда дополнительного оборудования (0, 3000 и 8000 у. е.). Цены условные.

РасчётНовый раствор на интервале 2600–3000 м в зависимости от эффективности очистки при пределе выбуренной породы 4 % (сплошная) и 6 % (штриховая); точки — варианты A, B и C. Отходов получается почти столько же, сколько нового раствора. При эффективности около 0,95 кривые сходятся: разбавления уже почти не нужно, и новый раствор идёт на заполнение ствола и на то, что уносится с отходами.

Как проверить работу системы

Ежедневный анализ раствора показывает, справляется ли очистка: растёт ли содержание твёрдой фазы низкой плотности по реторте и выбуренной породы за вычетом бентонитового эквивалента (расчёт по реторте и метиленовому тесту), растёт ли пластическая вязкость при неизменной плотности, сколько песка. Отдельные устройства проверяют по их отходам: сухой ли шлам на сетках, веером ли идёт нижний слив гидроциклонов, какова плотность нижнего слива и осадка центрифуги. Но лучший итоговый показатель — эффективность всей системы, которую можно найти по тому, сколько раствора пришлось наработать.

Эффективность очистки по фактическому разбавлению

E = 1 - \frac{f_{ds}\,V_{\text{разб}}}{V_{ds}}, \qquad V_{\text{разб}} \approx \frac{V_w}{f_w}

где:

$V_w$ объём воды (основы раствора), добавленной за интервал на приготовление раствора, м³
$f_w$ доля воды в растворе по реторте, —
$f_{ds}$ средняя доля выбуренной породы в растворе за интервал, —
$V_{ds}$ объём выбуренной породы на интервале, м³

Единицы: любые одинаковые единицы объёма

Справедливо, если

вода идёт только на приготовление раствора; испарение и утечки не учтены;
доля воды в новом растворе такая же, как в циркулирующем;
раствор не уходит в пласт; при поглощениях их объём учитывают отдельно;
наработанный раствор с уносимым на отходах условно считается раствором разбавления — это немного занижает $E$ .

Если бы оборудование ничего не удаляло, вся порода осталась бы в наработанном растворе, и $E = 0$ . Чем меньше раствора понадобилось на тот же объём породы при том же её содержании, тем выше эффективность.

Расчётный примерКакую эффективность показала система

Исходные данные (условные)

Интервал: 2600–3000 м, $V_{ds} = 13{,}69$ м³
Добавлено воды за интервал: 98 м³
Средний анализ раствора: 1,30 г/см³; реторта: вода 87,5 %; метиленовый тест — 8,0 см³ красителя на 2,0 см³ раствора

Решение

Твёрдая фаза по реторте — 12,5 %, её средняя плотность $(1{,}30 - 0{,}875)/0{,}125 = 3{,}40$ г/см³; твёрдая фаза низкой плотности $12{,}5\cdot(4{,}2 - 3{,}40)/1{,}6 = 6{,}25$ %, или 162,5 кг/м³.
Бентонитовый эквивалент $14{,}25\cdot 8{,}0/2{,}0 = 57{,}0$ кг/м³; выбуренная порода $162{,}5 - 57{,}0 = 105{,}5$ кг/м³, по объёму $105{,}5/2600 = 0{,}0406$ .
Наработанный раствор $98/0{,}875 = 112{,}0$ м³; в нём выбуренной породы $0{,}0406\cdot 112{,}0 = 4{,}55$ м³.
Эффективность: $E = 1 - 4{,}55/13{,}69 = 0{,}67$ .

Ответ: Система вывела около 67 % выбуренной породы.

Что это значит. Это между вариантами B и C предыдущего примера: оборудование работает, но мелочь копится, и предел выдерживается за счёт почти сотни кубометров воды и соответствующего количества барита и реагентов. Если в растворе много активной выбуренной глины, она тоже поглощает краситель и записывается в бентонит; тогда выбуренной породы на деле больше, а эффективность ниже (уточнение метиленового теста). Данные примера условные.

Растут пластическая вязкость и доля твёрдой фазы низкой плотности при той же плотности — очистка не успевает; проверить сетки, напор и разгрузку гидроциклонов, работу центрифуги.
Растёт содержание песка — порваны сетки или раствор идёт в обход вибросит; песок быстро изнашивает насосы.
Растут бентонитовый эквивалент и динамическое напряжение сдвига (ДНС) без добавок бентонита — в растворе копится активная выбуренная глина: её удаляют центрифугой, а раствор при необходимости ингибируют (ингибирующие растворы).
Слишком мокрый шлам или раствор переливается через сетки — сетки перегружены; потери раствора с отходами растут.

Термины и обозначения

Вибросито: первая ступень очистки: вибрирующие сетки, на которых задерживается крупный шлам; через них проходит весь поток из скважины.
Номер сетки API: обозначение сетки по размеру частиц, которые она задерживает практически полностью, через номер стандартного сита (API 200 — 75 мкм).
Гидроциклон: конус, в котором закрученный поток отделяет крупные и тяжёлые частицы; пескоотделители (около 40 мкм) и илоотделители (около 20 мкм).
Ситогидроциклонная установка: гидроциклоны над тонкой сеткой: барит проходит сетку и возвращается, выбуренные частицы крупнее барита уходят в отход.
Декантирующая центрифуга: вращающийся барабан со шнеком; отделяет частицы в несколько микрометров, возвращает барит или жидкость.
Граница разделения, $d_{50}$: размер частиц, половину которых устройство отправляет в отход; для барита меньше, чем для породы.
Эффективность очистки, $E$: доля выбуренной породы, которую система выводит из раствора; остальное приходится разбавлять.
Разбавление: приготовление нового раствора и сброс части старого, чтобы доля выбуренной породы не превышала предел.
Верхний и нижний слив: выходы гидроциклона: сверху — жидкость с мелкими частицами, снизу — крупные и тяжёлые частицы с небольшой долей жидкости.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Чем тоньше сетки на виброситах, тем лучше».

На самом деле

Тонкая сетка пропускает меньше раствора: если поток не успевает пройти сквозь неё, раствор вместе со шламом уходит в отход. На утяжелённом растворе слишком тонкая сетка задерживает и барит. Сетку выбирают самую тонкую из тех, что пропускают весь поток.

Неверно

«Гидроциклоны подходят для любого раствора».

На самом деле

Частицы барита по размеру те же, что ил, и тяжелее породы: гидроциклон утяжелённого раствора выбросит барит. Утяжелённый раствор чистят ситогидроциклонной установкой и центрифугой.

Неверно

«Отстойная ёмкость заменит илоотделитель».

На самом деле

Частица в 20 мкм оседает в ёмкости примерно на четверть метра в час, а гель раствора её и вовсе удерживает. Отделить ил можно только центробежным ускорением.

Неверно

«Разбавить проще, чем очищать».

На самом деле

Каждый кубометр неудалённой породы при пределе 4 % требует 25 м³ нового раствора, который потом становится отходами. Разбавление нужно только для того, что оборудование не может удалить.

Неверно

«Центрифуга в режиме возврата барита очищает раствор от выбуренной породы».

На самом деле

Она возвращает в раствор вместе с баритом и выбуренные частицы того же размера, а убирает лишь коллоидную мелочь. Крупную породу должны удалить вибросита и ситогидроциклонная установка.

Подробно: для продвинутых

Кривая разделения подробнее

Кривые разделения на рисунке урока построены по распространённой эмпирической форме. Сначала описывают «исправленную» кривую — без мелочи, которую уносит жидкость, — затем добавляют этот унос.

Эмпирическая кривая разделения с уносом мелочи

E(d) = R_f + (1 - R_f)\,\frac{e^{\alpha x} - 1}{e^{\alpha x} + e^{\alpha} - 2}, \qquad x = \frac{d}{d_{50c}}

где:

$E(d)$ доля частиц размера $d$ , уходящая в отход, —
$d_{50c}$ исправленная граница разделения — без учёта уноса, мкм
$\alpha$ показатель остроты разделения: чем больше, тем круче кривая, —
$R_f$ доля жидкости, уходящей в отход вместе с мелкими частицами, —

Единицы: безразмерные

Справедливо, если

форма подобрана по опытам и описывает гидроциклоны и центрифуги; параметры определяют испытанием конкретного устройства на конкретном растворе;
на рисунке урока: сетка — $d_{50c} = 65$ мкм, $\alpha = 8$ , $R_f = 0$ ; пескоотделитель — 45 мкм, 3 и 0,05; илоотделитель — 18 мкм, 3 и 0,05; центрифуга — 5 мкм, 3 и 0,02.

При $x = 1$ дробь равна 1/2; при больших $x$ — стремится к 1, при малых — к 0. Из-за уноса $R_f$ фактическая граница разделения чуть мельче исправленной, а самая мелкая твёрдая фаза — бентонит и тонкий барит — частично уходит в отход при любом размере.

Граница разделения зависит от условий: в более вязком растворе она смещается к крупным частицам примерно как $\sqrt\mu$ (по закону Стокса), при перегрузке твёрдой фазой — тоже к крупным. У центрифуги при меньшей подаче частицы дольше находятся в барабане, и граница мельчает; у гидроциклона меньшая подача означает меньший напор и более слабое закручивание потока, и граница, наоборот, смещается к крупным частицам. Поэтому паспортные границы разделения — ориентир, а не константа устройства.

Раствор на углеводородной основе: основа на шламе

В растворе на углеводородной основе каждый кубометр жидкости дорог, а шлам с основой — особый вид отходов. Поэтому систему очистки строят так, чтобы возвращать жидкость: центрифуги работают на её возврат, а шлам после вибросит отжимают в сушилках — центрифугах для влажного шлама.

Расчётный примерСколько основы сберегает сушилка шлама

Исходные данные (условные)

Шлам вибросит, если тот же интервал бурить на растворе на углеводородной основе: 60 % выбуренной породы примера «Сколько породы приносит рейс» — $0{,}60\cdot 35{,}6$ т сухой породы
Основа на шламе (на массу влажного шлама): после вибросит 12 %, после сушилки 4 % — условно
Основа: плотность 0,80 г/см³ — раствор урока о растворах на углеводородной основе

Решение

Сухой породы в шламе вибросит: $0{,}60\cdot 35{,}6 = 21{,}36$ т.
Если основа составляет долю $w$ массы влажного шлама, её масса $w/(1 - w)$ на тонну сухой породы. После вибросит: $0{,}12/0{,}88\cdot 21{,}36 = 2{,}91$ т, или 3,64 м³.
После сушилки: $0{,}04/0{,}96\cdot 21{,}36 = 0{,}89$ т, или 1,11 м³.

Ответ: Сушилка возвращает в раствор около 2,5 м³ основы за интервал и уменьшает массу отходов на 2,0 т.

Что это значит. Возвращённая основа окупает часть затрат на сушилку, но главное обычно в другом: после сушилки содержание основы на шламе может уложиться в требования к утилизации, а масса отходов меньше. Вода рассола в шламе здесь не учтена, а долю основы на шламе измеряют ретортой на навеске шлама (шлам и отходы). Данные примера условные.

Связь с другими темами

Буровые растворы: функции и свойства — функции раствора, полезная и вредная твёрдая фаза.
Промысловые испытания бурового раствора — реторта, метиленовый тест и содержание песка — по ним видно, справляется ли очистка.
Растворы на водной основе и химия глин — ингибирование: чем меньше шлам размокает, тем легче его удалить.
Растворы на углеводородной основе — основа на шламе, сушилки и обращение с отходами.
Потери давления при циркуляции — как шлам и мелкая твёрдая фаза повышают ЭЦП.
Оптимизация гидравлики долота — тот же рейс: подача, насадки и вынос шлама.
Повреждение пласта и скин повреждения — мелкие частицы раствора как одна из причин повреждения пласта.
Циркуляционная и вращающая системы буровой — насосы и ёмкости циркуляционной системы буровой.

Проверьте себя

1
Раствор утяжелён баритом до 1,60 г/см³. Каким оборудованием удалить выбуренный песок и ил крупнее частиц барита, сохранив барит?
1. А.Разбавлением водой
2. Б.Илоотделителем
3. В.Ситогидроциклонной установкой
4. Г.Центрифугой в режиме возврата барита
Показать ответ
Правильный ответ: В. Ситогидроциклонной установкой
В ситогидроциклонной установке нижний слив гидроциклонов идёт на тонкую сетку: барит проходит её и возвращается, а крупные выбуренные частицы задерживаются. Илоотделитель выбросил бы и барит; центрифуга в режиме возврата барита вернула бы и крупную породу; разбавление водой снижает плотность.
2
Пробурено 500 м ствола долотом 311,2 мм; коэффициент кавернозности 1,05, пористость пород 0,20. Сколько раствора понадобится для разбавления при эффективности очистки 0,6 и пределе выбуренной породы 5 %? А при эффективности 0,8?
Показать ответ
Объём выбуренной породы $\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}3112^2\cdot 500\cdot 1{,}05\cdot 0{,}80 \approx 31{,}9$ м³. При $E = 0{,}6$ : $V_{\text{разб}} = 0{,}4\cdot 31{,}9/0{,}05 \approx 255$ м³; при $E = 0{,}8$ — вдвое меньше, около 128 м³. Повышение эффективности на 0,2 сэкономило больше 120 м³ раствора.
3
Граница разделения илоотделителя для выбуренной породы (2,6 г/см³) — 24 мкм. Частицы барита (4,2 г/см³) какого размера он отправляет в отход наполовину, если жидкость — вода?
1. А.24 мкм
2. Б.12 мкм
3. В.17 мкм
4. Г.34 мкм
Показать ответ
Правильный ответ: В. 17 мкм
$24\cdot\sqrt{(2{,}6 - 1)/(4{,}2 - 1)} = 24\cdot\sqrt{0{,}5} \approx 17$ мкм: барит тяжелее и оседает так же, как порода в $\sqrt2$ раз крупнее. Поэтому гидроциклон и теряет барит.
4
За интервал израсходовано 60 м³ воды на приготовление раствора; доля воды в растворе по реторте 0,90, выбуренной породы в нём в среднем 3,5 % объёма; пробурено столько, что выбуренной породы получилось 9,0 м³. Какова эффективность очистки?
Показать ответ
Наработанный раствор $60/0{,}90 \approx 66{,}7$ м³; в нём выбуренной породы $0{,}035\cdot 66{,}7 \approx 2{,}33$ м³. Эффективность $E = 1 - 2{,}33/9{,}0 \approx 0{,}74$ : система вывела около трёх четвертей породы.
5
Нижний слив илоотделителя идёт не веером, а плотным жгутом. Что это означает?
1. А.Напор на входе слишком велик
2. Б.В растворе слишком много газа
3. В.Илоотделитель работает идеально
4. Г.Конус перегружен твёрдой фазой: часть частиц уходит в верхний слив, нижний скоро забьётся
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Конус перегружен твёрдой фазой: часть частиц уходит в верхний слив, нижний скоро забьётся
Жгут — признак того, что твёрдой фазы больше, чем может пропустить нижнее отверстие. Разделение ухудшается, и отход забивается. Помогает уменьшить нагрузку — лучше очистить раствор на предыдущей ступени, добавить конусов — или поправить нижнее отверстие.
6
Почему мелкие выбуренные частицы загущают раствор сильнее, чем тот же объём крупных, и что из этого следует для очистки?
Показать ответ
Площадь поверхности единицы объёма частиц обратно пропорциональна их размеру: дробление в десять раз увеличивает поверхность в десять раз. На поверхности удерживается вода, через неё частицы взаимодействуют, поэтому растут вязкость и прочность структуры. Отсюда правило: удалять шлам в первом же цикле, пока он крупный и задерживается на ситах, а не ждать, пока он измельчится до ила и коллоидов, которые можно убрать лишь центрифугой или разбавлением.

Обновлено: 10 октября 2026 г.