Центробежный осушитель бурового шлама

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам для осушения бурового шлама при бурении на морской буровой платформе. Устройство содержит вертикальный центробежный сепаратор с вертикальным приемным каналом и коническим фильтром, по меньшей мере, одно сливное отверстие для вывода жидкости в горизонтальном направлении сбоку устройства, размещенный сбоку устройства проем для выгрузки твердых частиц шлама и транспортер, размещенный внутри сепаратора с возможностью подачи твердых частиц шлама в указанный проем. При осуществлении способа сушки шлама его подают в сепаратор со встроенными винтовыми транспортерами, отделенную от шлама жидкость сливают, а шлам нагревают внутри сепаратора улавливаемой теплотой от нескольких источников отходящей теплоты, собирают во встроенных винтовых транспортерах и выгружают во внешние накопители и транспортеры для его отправки на другой участок. Повышается эффективность сушки, обеспечивается автономность работы и безопасность. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к вертикальным центробежным сепараторам и, в частности, к усовершенствованию конструкции таких сепараторов для повышения их эффективности при сушке шлама, образующегося при бурении нефтяных и газовых скважин с морских установок.

Уровень техники

Вредное влияние нефтесодержащего бурового шлама на экологию часто не позволяет сразу сбрасывать его в окружающую среду, что вынуждает проводить предварительную обработку бурового шлама для его захоронения в специальных дорогостоящих скважинах. Кроме того, по причине высокой ценности содержащихся в шламе остатков нефти и химических реагентов в практике буровых работ получила распространение переработка нефтесодержащего бурового шлама в твердый материал, который можно складировать на территории буровой или возвращать его обратно в скважину, из которой он был поднят, не нанося ущерба окружающей среде и не повреждая скважину. Один из методов обработки нефтесодержащего бурового шлама предусматривает использование системы отмывки бурового шлама жидкостью с химическими реагентами. В такой системе нефтесодержащий буровой шлам обрабатывается различными реагентами, включая поверхностно-активные вещества (ПАВ), при довольно интенсивном перемешивании. Затем эту смесь разделяют на твердую фазу со сравнительно малым содержанием нефти (т.е. собственно шлам), и полученную жидкую фазу, представляющую собой смесь воды, нефти и ПАВ, используемых в системе отмывки химическими реагентами. Затем шлам захороняют или закачивают в скважину. Однако в шламе может оставаться еще достаточно нефти и/или химических реагентов, попадание которых в скопления воды, например поверхностные воды, озера или океан, может привести к повышению содержания токсичных веществ в воде до экологически неприемлемого уровня. Кроме того, обрабатывать необходимо и оставшуюся после отмывки жидкую фазу, отделяя нефть от воды, чтобы эту воду можно было слить или избавиться от нее иным образом, не создавая проблем загрязнения окружающей среды. Выделенные из шлама нефть и дорогостоящие буровые растворы обычно собирают и используют в различных целях, например в качестве топлива или добавок к буровым растворам на углеводородной основе и т.п.

Примеры установок для отмывки шлама при помощи химических реагентов приведены в патентах US 2266586, US 3860019 и US 3766997. Предлагались и другие различные установки для удаления из бурового шлама остатков нефти и химических реагентов, позволяющего безопасно складировать шлам на поверхности или закачивать его в земные породы. Например, были предложены различные установки термической обработки для удаления из бурового шлама остатков нефти. Примеры решений по прокаливанию шлама приведены в патентах US 3693951, US 2266586 и US 4139462. В таких установках шламовую массу нагревают и длительно выдерживают при повышенных температурах, превышающих 500°F. Затем нагретый шлам перемещают через специальную камеру, пока не испарятся все содержащиеся в нем летучие элементы, получая в остатке не содержащий нефти твердый материал, который безвреден для окружающей среды. Такая термическая обработка шлама является довольно дорогой, поскольку для ее проведения необходимы большие объемы инертного газа, расходуемого для предотвращения взрывов внутри установки вследствие контакта нагретого шлама с воздухом при столь высоких температурах. Использование инертного газа в сравнительно больших объемах усложняет извлечение из камеры жидких материалов из-за нежелательно высокого расхода газа в конденсатор и других проблем. Но наиболее существенный недостаток такого способа обработки нефтесодержащего бурового шлама заключается в опасности взрыва, который может произойти в установке при контакте воздуха или другого газообразного окислителя с нагретыми парами нефти, образующимися при перегреве нефтесодержащего шлама. В случае прекращения подачи инертного газа из-за аварии или по неосторожности контакт воздуха с нефтяными парами может привести к очень сильному взрыву и пожару. Такие установки нельзя эксплуатировать на территории, окружающей нефтяные скважины, особенно во время их бурения.

Рассмотренным выше способам присущи и другие серьезные недостатки, особенно при их использовании на морских буровых платформах. Например, доставка на морские сооружения больших объемов химических реагентов связана с большими затратами. Кроме того, такие морские платформы не имеют лишних запасов пара, газа, электричества или других источников энергии. Поэтому технология обработки нефтесодержащего бурового шлама на морских платформах должна быть автономной по условиям технологических процессов на морских платформах. Кроме того, обработка нефтесодержащего бурового шлама должна быть безопасной, реализуемой без чрезмерно длительного пребывания шлама в устройстве, не должна мешать проведению бурильных работ на морской платформе и при этом должна обеспечивать переработку бурового шлама в твердый материал, который можно безопасно сбрасывать в зоне бурения скважины без ущерба для окружающей среды. Установка по обработке нефтесодержащего бурового шлама на месте бурения скважины, в особенности на морской платформе, должна иметь возможность работать без непрерывной подачи химических реагентов, топлива, азота или других материалов.

К тому же, сушильные аппараты должны удовлетворять жестким техническим нормам, которые могут затрагивать применимость этого оборудования на морской платформе, где пространство в большой цене. Согласно техническим нормам оборудование, поставляемое для использования на морских сооружениях после их проектирования и постройки, должно удовлетворять определенным ограничениям по высоте и весу соответственно месту его нахождения. Такие ограничения призваны стимулировать производителей выпускать оборудование, занимающее как можно меньшую площадь, с акцентом на экономичность.

Было установлено, что для извлечения остатков нефти и дорогостоящих химических реагентов, а также их утилизации не обязательно требуется прокаливать буровой шлам. Остатки нефти и реагентов можно удалять из бурового шлама и утилизировать методами сжатия и разделения, как это описано в патентах US 6279471 и US 6170580. Однако для транспортировки и дальнейшей обработки шлама для его закачивания в земные породы все же целесообразно, чтобы он был можно более сухим.

Как отмечалось выше, в сепараторной установке сушка бурового шлама имеет вторичное значение, а основное внимание уделяется удалению из шлама содержащихся в нем жидкостей и обезвреживанию остатков нефти и химических реагентов путем прокаливания. В случаях, когда буровой шлам до складирования или транспортировки должен пройти дополнительную обработку, полная очистка шлама от остатков содержащихся в нем веществ не требуется и главной задачей становится сушка шлама для облегчения его перегрузки, транспортировки и дальнейшей обработки. Поэтому важно получить наиболее эффективный и экономичный способ сушки бурового шлама.

Для эффективного отделения текучих сред от твердых материалов широкое применение нашли центробежные сепараторы, или центрифуги. Однако их не принято относить к сушильным аппаратам, и в их конструкцию обычно не включают каналов ввода теплоты в той или иной форме, что обусловлено относительно малым временем пребывания материала в таком сепараторе.

Обычная конструкция вертикального центробежного сепаратора, подобная описанной в патенте US 5256289, включает корпус, содержащий приводной механизм, с которым соединены узел вращения и узел сетчатого фильтра. Сепаратор включает также приемный канал для загрузки подлежащего разделению материала. Загруженный материал увлекается вращающимся барабаном, и по мере движения этого материала вниз содержащиеся в нем или на нем жидкости или мелкие частицы отбрасываются наружу, проходя через тонкую сетку в пространство между сетчатым фильтром и корпусом центробежного сепаратора. Основная часть жидкостей уходит на слив, а твердые частицы обычно выгружаются через разгрузочное устройство, расположенное ниже механизма вращательного привода. Разгрузочное устройство обычно выполняется в виде конического бункера для засыпки твердого материала в контейнер или на транспортер для его перемещения на другие технологические участки, в результате чего осушитель получается довольно высоким.

В изобретении предлагается устройство с центробежным сепаратором в качестве сушильного аппарата, выполненное таким образом, чтобы удовлетворять всем требованиям, связанным с его применением при бурении нефтяных скважин и особенно с его использованием на морских платформах, и не иметь недостатков уровня техники, обеспечивая автономность работы при минимальном участии оператора, а также абсолютную безопасность.

Краткое описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением для сушки бурового шлама перед его транспортировкой или дальнейшей обработкой предлагается использовать вертикальный центробежный сепаратор. Сепаратор приспособлен для использования отходящей теплоты из любого источника и выполнен с возможностью встраивания в него внутренних транспортеров, что снижает его рабочие габариты и увеличивает время пребывания шлама в нагреваемой среде.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущности и целей настоящего изобретения ниже приводится его подробное описание, поясняемое следующими чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же номерами позиций:

фиг.1 - вид спереди предлагаемого в изобретении осушителя в предпочтительном варианте его выполнения;

фиг.2 - вид сверху предпочтительного варианта осушителя;

фиг.3 - вид сбоку предпочтительного варианта осушителя;

фиг.4 - вид спереди обычного вертикального центробежного сепаратора с платформой и разгрузочным бункером;

фиг.5 - вид сверху вертикального центробежного сепаратора, изображенного на фиг.4, и

фиг.6 - вид предпочтительного варианта осушителя в разрезе плоскостью 6-6, обозначенной на фиг.2.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретения

В общем случае обычный вертикальный центробежный сепаратор 10 можно приспособить для отделения от бурового шлама жидкостей и мелких частиц, просто подняв сепаратор 10 и установив его на опорную конструкцию, например станину, таким образом, чтобы твердые частицы шлама ссыпались в контейнер-накопитель или передвижной транспортировочный контейнер (на чертежах не показан), расположенный непосредственно под коническим разгрузочным бункером 12, прикрепленным к днищу сепаратора 10, как показано на фиг.4. По периметру сепаратора 10 обычно устанавливают мостки 14 для его эксплуатации и обслуживания, как это показано на фиг.4 и 5. Хотя в такой компоновке устройство вполне можно использовать при бурении на суше, большая габаритная высота и необходимость транспортировки бурового шлама на другие технологические участки буровой платформы делают его непригодным для эксплуатации на морских платформах.

Морское бурение скважин на стационарных или плавающих платформах - часто накладывает значительные ограничения на рабочее пространство для размещения оборудования. Поэтому важно, чтобы каждый элемент оборудования был как можно более компактным и экономичным. Как показано на фиг.1, сам по себе вертикальный центробежный сепаратор 10, без разгрузочных или накопительных бункеров, устанавливаемых на него для управляемой выгрузки твердых частиц шлама и/или их погрузки на транспортер или в контейнер, как это показано на фиг.4, имеет относительно малую габаритную высоту. Как видно на фиг.1, сепаратор 10 может быть установлен непосредственно на палубу посредством фланца 16 корпуса, проходящего по периферии основания сепаратора 10 на уровне его днища. Вместе с тем, габаритную высоту сепаратора можно подогнать, нарастив корпус установкой подставки 18 и предусмотрев второй фланец 20. На установочном фланце 16, расположенном в основании сепаратора 10, можно закрепить плиту таким образом, чтобы основание сепаратора было практически наглухо закрыто.

В сепаратор 10 можно тем или иным способом подавать шламовую массу, или поток полусухого бурового шлама, который загружается в конический приемный канал 22 сверху сепаратора, где вся содержащаяся в шламе жидкость удаляется за счет центробежной силы и сливается через сливное отверстие 23. Поскольку важно, чтобы из сепаратора тем или иным способом выводились прошедшие через него твердые частицы шлама, и желательно, чтобы габаритная высота осушителя была минимально возможной, осушитель может быть снабжен парой винтовых транспортеров 24а и 24b. Транспортеры 24а и 24b проходят через обе стенки корпуса 17 сепаратора, как показано на фиг.2, располагаясь параллельно по обе стороны корпуса 26 привода, установленного в центре сепаратора по его вертикальной оси 10 и выступающего через стенку корпуса 17 наружу, а также являющегося опорой для внешнего приводного двигателя 28. Встроенные винтовые транспортеры 24а и 24b подают сухой шлам на отводящий транспортер 30, расположенный снаружи сепаратора перпендикулярно встроенным в него винтовым транспортерам 24а и 24b и сопряженный с ними, примыкая к одному концу каждого из них. Вместо отводящего транспортера можно использовать и любую другую систему улавливания твердых частиц, например нагнетающую или вакуумную систему, используемую для перемещения сухого шлама на другой участок буровой платформы для дальнейшей обработки, транспортировки или захоронения в окружающей среде.

Каждый встроенный винтовой транспортер 24а и 24b и отводящий транспортер работают с приводом от внешних приводных двигателей 32.

Как было указано выше, основной по важности задачей является сушка бурового шлама. Поэтому прокаливание шлама для удаления из него возможных остатков нефти и/или химических реагентов не обязательно. Соответственно, не требуется и нагрев шлама до температуры свыше 500°F. Тепловую энергию для обработки шлама в пределах этой температуры можно легко получить за счет утилизации улавливаемой отходящей теплоты при помощи теплообменников, систем охлаждения двигателей и аналогичного оборудования, обычно имеющегося на буровых платформах. Теплота может аккумулироваться в теплоизолированных коллекторах системы утилизации теплоты и подаваться по трубам в каналы 34 подвода теплоты, расположенные в боковых стенках сепаратора, как это показано на фиг.3, и между смотровыми панелями 36, что видно также на фиг.2.

На фиг.6 показано, что во время работы устройства шламовая масса или полусухой буровой шлам подается в сепаратор 10 через верхний конический приемный канал 22 и движется вниз в пространстве между вращающимся конусом 36 и неподвижным фильтром 38, при этом жидкость с мелкими частицами шлама под действием центробежной силы проходит через фильтр 38 и в конечном итоге сливается через одно или несколько сливных отверстий 23, расположенных по периметру сепаратора 10. Не прошедшие через фильтр 38 твердые частицы шлама попадают в винтовые транспортеры 24а и 24b, расположенные по обе стороны от корпуса 40 привода, в котором расположен приводной шкив вращающегося конуса, и выступающие наружу через стенку корпуса 17 сепаратора. Для улавливания твердых частиц и их направления в транспортеры 24а и 24b осушитель снабжен экранами, расположенными между желобами шнеков винтовых транспортеров и расходящимися в стороны от них. В устройстве предусмотрены эксплуатационные люки, створки которых можно снять для доступа внутрь корпуса 40 привода при его обслуживании. Как видно на фиг.3, установленные в стенках корпуса 17 сепаратора каналы 34 подвода теплоты (теплоносителя) обязательно должны быть расположены ниже транспортеров 24а и 24b. Таким образом, передача теплоты твердым частицам шлама происходит путем теплообмена при их контакте с нагретыми стенками желобов транспортеров. При необходимости наличия выпускного отверстия в стенках корпуса 17 сепаратора могут быть размещены клапаны для регулирования противодавления.

Поскольку сущность настоящего изобретения допускает его осуществление в различных вариантах, а в конкретные варианты осуществления изобретения, приведенные в данном описании в соответствии с законодательными требованиями относительно раскрытия изобретения, могут вноситься различные изменения, следует иметь в виду, что данное подробное описание изобретения носит поясняющий характер, никоим образом не ограничивая патентные притязания.

1. Устройство для осушения бурового шлама, извлекаемого при бурении на морской буровой платформе, содержащее а) вертикальный центробежный сепаратор с вертикальным приемным каналом, принимающим двигающийся вниз поток бурового шлама, и коническим фильтром, б) по меньшей мере, одно сливное отверстие для вывода жидкости в горизонтальном направлении сбоку устройства, в) размещенный с боку устройства проем для выгрузки твердых частиц шлама и г) транспортер, размещенный внутри сепаратора с возможностью подачи твердых частиц шлама в указанный проем.

2. Устройство по п.1, в котором сепаратор снабжен средством подвода к нему теплоты.

3. Устройство по п.1, в котором сепаратор снабжен средством его наращивания по высоте.

4. Устройство по п.3, в котором средство наращивания сепаратора представляет собой подставку под корпус и фланец.

5. Устройство по п.1, в котором сепаратор снабжен дополнительным отводящим винтовым транспортером, который сопряжен со встроенным транспортером и расположен перпендикулярно ему снаружи сепаратора.

6. Устройство по п.1, в котором сепаратор содержит экраны, направляющие твердые частицы во встроенный транспортер.

7. Устройство по п.2, в котором подводимая к сепаратору теплота отбирается от существующих источников теплоты в составе не относящегося к осушителю тепловыделяющего оборудования.

8. Устройство для осушения бурового шлама для морских буровых платформ, содержащее а) вертикальный центробежный сепаратор с коническим фильтром и несколькими сливными отверстиями для жидкости, б) внешний корпус с расположенным в основании фланцем, ограничивающим проем для выгрузки твердых частиц шлама, в) корпус привода, расположенный по вертикальной оси сепаратора и перпендикулярно выступающий через внешний корпус наружу, а также являющийся опорой для внешнего приводного двигателя, г) пару винтовых транспортеров, расположенных по обе стороны корпуса привода, выступающих через внешний корпус и встроенных в сепаратор под указанным фланцем, и

д) отводящий винтовой транспортер, расположенный снаружи сепаратора перпендикулярно встроенным в него винтовым транспортерам и примыкающий к одному из концов каждого из них.

9. Устройство по п.8, содержащее средство для отбора отходящей теплоты от существующего оборудования и подвода этой теплоты к сепаратору.

10. Способ сушки бурового шлама, заключающийся в том, что буровой шлам подают в вертикальный центробежный сепаратор со встроенными винтовыми транспортерами, отделенную от шлама жидкость сливают, а шлам нагревают внутри сепаратора улавливаемой теплотой от нескольких источников отходящей теплоты, собирают во встроенных винтовых транспортерах и выгружают в сухом состоянии во внешние накопители или транспортеры для его отправки на другой участок буровой платформы.

11. Способ по п.10, в котором используется транспортер, размещенный внутри сепаратора для вывода твердых частиц шлама.

12. Способ по п.11, в котором используются два параллельно расположенных винтовых транспортера.