CN102187051A - 用于干燥钻屑的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种用于使用加压空气和/或真空将钻液与钻屑分离的设备和方法。在第一实施例中，所述设备提供在振动器中钻液与钻屑的改进的分离，所述振动器包含振动筛、真空系统和钻液收集系统。在第二实施例中，所述振动器包含振动筛和鼓风系统。

Description

用于干燥钻屑的系统和方法
技术领域
本发明描述用于使用加压空气和/或真空将钻液与钻屑分离的系统和方法。
背景技术
由于污染钻液的钻凿碎粒或钻屑的形成和/或处置带来的钻液损失，钻液损失对能量勘探工业提出若干代价较大的挑战。在此描述的上下文中，“钻液”是在未改变的状态下用于钻凿的表面处所制备的流体，以及从井回收的所有流体，其可包含来自井的包含水和烃的各种污染物。
通过背景技术，在挖掘或钻凿过程期间，钻液损失可达到钻凿计划的过程期间接近300立方米所损失钻液的水平。在一些钻液具有超过$1000/立方米的价值的情况下，此类体积的流体的损失代表对钻凿操作者造成相当大的成本。钻液一般表征为“基于水”或“基于油”的钻液，其可包含如此项技术中已知的许多昂贵且专门的化学物。因此，期望损失最小量的钻液，且已采用许多技术来使下向井眼和表面两者处的钻液损失最小化。
一个特定问题是钻液和来自可粘附到表面处的钻屑的形成物的任何烃(统称为“流体”)的移除。各种流体从钻屑的有效移除已通过包含涡形离心机(scroll centrifuge)、垂直篮筐式离心机(VBC)、真空装置和涡林离器(vortex separator)的各种技术实现。通常，这些装置以每天$1000到$2000的价格租出。因此，抵偿此成本所必需的流体的回收要求所回收的流体价值大于设备租用成本以便使回收技术经济上合理。在大量高成本钻液遭受损失(例如超过每天3立方米)的挖掘工程中，因而每天的租用费用可产生接近于平衡值的作用。
然而，经验展示比如VBC和真空系统等最具侵入性且最好的回收技术常常产生必须通过例如涡形离心机等另外的设备处理的所回收流体，以从所回收流体移除非常精细的钻凿碎粒。这增加了额外处理成本并增加了流体回收的复杂性。
此外，在每天发生小于约3立方米的损失的挖掘操作中，当前技术的代价一般超出了消费者的容限。
另外，可粘附到钻屑的烃的体积对于保证有效回收可能具有显著的商业价值。同样，随着相对于钻屑的补救的环境要求增加，愈加需要有效且经济的清洁系统。
用于从钻屑移除钻液的过去的技术也已涉及使用液体喷射系统，所述液体喷射系统用于当钻屑在振动器设备上经处理时将“清洗”液体递送到钻屑。此类清洗液体和相关联的流体供应系统用于当钻屑在振动器上经处理时递送各种清洗流体，且可包含依据正处理的钻液的类型递送不同清洗流体的多种设计。举例来说，清洗液体可由油、水或乙二醇组成，这取决于正在振动器上经处理的钻液和钻屑。
一般来说，应用这些清洗流体以减小粘附到碎屑的流体的粘性和/或表面张力，并允许回收更多流体。
遗憾的是，这些技术一直不能对于许多钻液具成本效益，因为稀释流体的使用常常产生钻液体积的不可接受的增加和/或钻液的化学消耗的变化。
因此，需要开发一种可增强流体回收且以与当前采用的机制和技术相比较小的成本水平进行此操作的低成本改型技术。
发明内容
根据本发明，描述用于使用加压空气和/或真空将钻液与钻屑分离的系统和方法。
在第一方面中，本发明提供一种用于改进在振动器上将钻液与钻屑分离的设备，所述设备包括：振动筛，其具有用于将钻液污染的钻屑支撑于振动器内的上侧和下侧；真空系统，其操作地定位于振动筛下方以用于拉动有效体积的空气穿过振动筛以增强钻液穿过振动筛的流动和钻液与钻屑的分离；以及钻液收集系统，其用于从筛的底侧收集经分离的钻液。
在另一实施例中，真空系统包含：真空歧管，其用于操作地连接到振动筛的一部分；真空软管，其操作地连接到真空歧管；以及真空泵，其操作地连接到真空软管。真空系统可包含至少两个真空歧管。
在一个实施例中，真空系统包含钻液分离系统，其用于从真空软管移除钻液。在另一实施例中，真空泵可经调节以改变真空压力。
在其它实施例中，真空歧管适于跨越振动筛的长度的少于三分之一而配置到所述振动筛，且可包含用于改变真空歧管相对于振动筛的位置的定位系统。
在又一实施例中，振动筛包含振动框架，且所述振动框架和相关联的振动部件由复合材料制造。
在另一实施例中，所述设备进一步包括鼓风系统，其操作地定位在振动筛上侧上，用于在首先通过振动筛的钻液污染的钻屑上方喷吹有效体积的空气，以增强钻液与钻屑的分离。鼓风系统优选地包含至少一个空气分布系统，其包括至少一个空气分布条和多个操作地定位在振动筛的宽度上的空气喷嘴；且还可包含空气包含系统，其操作地围绕所述至少一个空气分布条，用于包含邻近于振动筛上侧的钻屑和钻液。还可提供空气加热系统以加热通过鼓风系统分布的空气。
在另一方面中，本发明提供一种用于改进在振动器上将钻液与钻屑分离的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将有效的真空压力施加到支撑钻液污染的钻屑的振动筛的下表面以增强钻液穿过振动筛的流动以及钻液与钻屑的分离；
b)从筛的上侧收集钻屑；以及，
c)从筛的下侧收集钻液。
在另一实施例中，所述方法包含以下步骤：将有效体积的空气施加到振动筛的上表面以增强钻液穿过振动筛的流动以及钻液与钻屑的分离。
附图说明
通过以下详细描述和图式描述本发明，图式中：
图1是根据现有技术的可经改型以包含根据本发明的鼓风系统和/或真空系统的振动器的透视图；
图2是根据本发明的第一实施例包含鼓风系统的振动器的平面图；
图3是根据本发明的第一实施例包含鼓风系统的振动器的端视图；
图4是根据本发明的第二实施例真空歧管和框架的仰视图；
图4A是根据本发明的第二实施例真空歧管和框架的端视图；
图5A和5B是根据本发明的两个实施例真空系统的示意侧视图；
图6是根据本发明的一个实施例筛框架的仰视图；以及
图7是展示与现有技术处理方法相比真空处理的钻液的成本分析的表。
具体实施方式
根据本发明且参看图式，描述改进的钻液回收方法和设备的实施例。
本发明解决现有方法的在钻凿操作期间在表面处清洁钻屑和回收钻液的各种技术问题，且尤其是结合已知振动器系统的问题。图1展示具有大体平坦的筛床12的已知振动器10，所回收的钻液和钻屑在所述筛床12上通过。振动器10通常包含双运动振动系统14，其将机械振动能量施加到筛床。所回收的钻液和钻屑经由入口16引入到平坦的筛床。振动器和筛床的振荡运动实现钻屑与钻液的分离，其中钻液通过筛床且从振动器10的底侧被回收，且钻屑从筛床的末端18被回收。除了地心引力外，筛床的振荡运动还向钻屑粒子施加机械能量以“振动-松弛”可能粘附到钻屑的外表面的流体。钻液将因地心引力而流动穿过筛。
根据如图2和3展示的本发明的第一方面，为了改进分离能量，振动器具备压缩空气系统19。所述压缩空气系统在正由振动器处理的碎屑上方喷吹压缩空气，其中使用高和/或低压力空气来致使钻液与钻屑有效分离。一般来说，压缩空气由压缩机(未图示)供应，且被喷吹穿过距筛床12较近距离的适当的分布条20和喷嘴20a，使得当钻屑通过经受高剪切能量(当空气冲击钻屑时)而横越振动器10时粘附到钻屑的流体被有效吹离钻屑。
如图所示，所述系统可采用多个分布条和喷嘴，其在类似或相异的压力下操作且在振动器上定位在不同位置和角度以便提供有效分离。空气还可经加热以便辅助降低碎屑上流体的粘性和(因此)表面张力。
依据钻液，利用风扇(未图示)的替代鼓风系统可适当地经采用且可包含如上所述的适当的加热系统。
所述系统可结合包含清洗流体的其它过去的技术操作，但这将仅在经济上有利的情况下采用。
在采用高压力、高粘性空气的情况下，可能必须包含适当的屏蔽物、偏转器或多孔托盘以确保碎屑不被吹离振动器且确保空气压力流有效地经导向以处理所有钻屑。类似地，所述系统可包含收集系统以确保再收集蒸发和冷凝的钻液。
在一个实施例中，所述系统可包含气垫船式裙部22(以点线展示)以将钻屑包含于裙部内以促进对碎屑的有效处理。在此实施例中，气垫船裙部22将在振动筛上方“浮动”，且高压力空气将导向筛。
在第二方面中，如图4-6中描述，振动器具备位于筛床12以下的真空系统30以增强钻液穿过筛的流动并将钻液从钻屑剥离。如图4和4A中所示，筛12a具备至少一个真空歧管12b，用于将真空压力施加到筛12a的一部分的底侧。即，真空歧管经设计以连接到筛的底侧，以便当碎屑和流体通过所述筛时，真空压力促使钻液通过筛，因此改进分离效率。另外，真空压力可能足以有效地打破振动期间施加的粘附到钻屑粒子的流体的表面张力以便进一步改进流体与钻屑的分离。在图4中，真空歧管的水平长度经设计以在筛的总水平长度的相对小部分(如图4所示，近似1英寸)上施加真空，而如图5A和5B所示，歧管具有近似7英寸的较长水平长度(近似筛的长度的三分之一)。
优选地，在筛上利用单独的真空歧管以确保在筛上施加相对均匀的真空压力。
如图5A和5B中示意展示，筛选筛12操作地附接到真空歧管12b，所述真空歧管12b具有流体运送管/真空管12c，所述流体运送管/真空管12c具有真空计12d和固定的真空装置12f连同可变控制真空装置12g(图5A)或可变真空装置12g(图5B)。两个实施例均具有流体收集系统13，其允许通过地心引力将所回收的钻液与真空系统分离而到达储存罐以供再使用。振荡马达10a驱动筛12的振荡。
真空调节系统12e可为如所属领域的技术人员已知的到真空管线中的节流孔口或受控空气/大气漏孔。节流孔口限制流量且导致在真空管线中的积累，而受控大气漏孔不限制流量。真空计12d可用于调谐但不是绝对必需的。
到筛界面的真空和筛设计
如图4和4A所示，真空歧管12b适于通过真空歧管支撑框架60而配置到筛12。真空歧管支撑框架60包含界定真空区域64和开放区域66的等分条62。真空歧管12b具有大体漏斗形设计，其允许将通过筛的流体导向真空软管12c。真空歧管的上边缘包含用于附接到框架60的适当的连接系统，例如配对唇缘和夹紧系统，其允许将真空歧管安置并锁定于框架内而不会在操作期间发生振动松弛。真空歧管的下部出口12h具备适当的管连接系统和锁，例如唇缘和凸轮锁，用于将真空软管12c附接到歧管。筛经安装并固定到框架的上表面。
实例
真空筛的试验是在Nabors 49(加拿大落基山脉的钻机)的钻凿操作期间进行。所述试验在钻机正进行钻凿的同时进行，且使用基于油的逆乳状液钻液。来自钻凿期间使用的井的钻液特性展示于表1中且代表针对给定粘性的典型钻液。
表1-钻液特性
  深度   4051m
  T.V.深度   3762m
  密度   1250kg/m3
  梯度   12.3kPa/m
  流体静力   46132kPa
  漏斗粘性   45s/l
  塑料粘性   10Mpa.s
  屈服点   2P
  胶凝强度   1/1.5Pa 10s/10分钟
  油/水比率   90∶10
  HTHP   16ml
  结块   1mm
  氯化物   375714mg/l
  沙含量   微量
  固体含量   12.88％
  高密度   402kg/m3(9.46重量％)
  低密度   89kg/m3(3.42％)
  流线   42℃
  过多石灰   22kg/m3
  水活度   0.47
  电稳定性   396伏
  油密度   820kg/m3
测试在MI-Swaco Mongoose振动器上进行。
针对所述测试，真空系统的仅一侧经连接使得代表性样本可从筛的两侧收集以给出真空对分离的影响的定量和定性评估。
真空系统包含Westech S/N 176005型：Hibon vtb 820真空单元(最大1400CFM)。所述真空单元在测试期间经由22英寸x1英寸真空歧管在23英寸Hg.下拉动。80网筛(即，50％的开放区域，使得穿过筛的实际流动面积为0.07625平方英尺)。在操作期间，碎屑流在约3秒内经过此真空间隙。
在测试期间收集样本，且在真空条上方处理的样本与通过所述区段而未经历真空的样本之间存在可见差异。
定性地，真空处理的碎屑更加呈粒状且干燥，而未处理的碎屑(即，无真空)具有高油浓度碎屑所典型的类似浆液的纹理。
接着使用标准油田蒸馏罐蒸馏所回收的测试样本(50ml样本)。油田蒸馏罐分析在表2中概述。
表2-试验性测试结果
Figure BDA0000058446730000061
这些结果展示约3秒的真空暴露期间的显著效应。特定来说，测试1展示真空导致从经真空处理的碎屑的油回收的近似8体积％的改进。
图7展示根据本发明通过使用分离系统实现的代表性成本益处的分析。如图所示，基于钻孔的特定长度和钻孔直径而计算钻液体积和钻屑体积。
图7展示在8天钻凿计划期间，将节省$7291的流体成本。由于现有技术碎屑处理设备的主体需要启动和迁回成本以及每天花费$1500-$2000租金，所以常规碎屑设备作为有效减少钻凿计划的总成本的手段并不是具成本效益的。然而，根据本发明的系统可以每天显著低的成本部署，且因此允许操作者实现流体回收方面的净收回节省。
在试验期间，发现1英寸筛上过多和/或不可变的真空压力可致使真空筛克服筛振荡并停止筛上的碎屑，从而阻止从振动器有效地排出碎屑。因此，如图5A和5B所示的真空系统和筛设计是优选的，因为可实现对真空压力的较大控制。
其它设计和操作考虑
应理解，操作者可调节真空压力、筛大小和/或真空面积以便针对给定现场情境优化钻液分离。
另外，真空歧管可在其水平长度和/或相对于筛的底侧的垂直位置方面调节。举例来说，真空歧管可具备重叠板，其将允许操作者有效地加宽或缩小歧管的宽度，使得歧管的开放面积可在操作期间经由适当的调节系统而变化。
安全性
还优选地包含气体检测器(未图示)，其在真空的接纳区域中用以检测腔内的有害气体的积累。
安装
还有益地在振动器的高度以下的水平面处安装真空系统以允许所收集的流体流动以及被汲取到真空腔中。这将确保缓慢移动的碎粒/流体将具有较少机会收集在真空构件与筛和真空之间的操作性连接之间存在的软管系统中。
在其它实施例中，可在筛上经线性地调节真空区以便使操作者能够优化碎屑/流体分离，且特定来说优化碎屑暴露于真空压力的时间。
在又一方面中，振动器可由例如复合材料等轻型材料构成而不是当前使用的钢。例如玻璃纤维、凯夫拉尔(Kevlar)和/或碳纤维等复合材料的使用可提供振动器系统(包含筛框架和相关联的振动部件)的较低往复运动质量，允许通过最小化振动器的动量而采用较高振荡频率，且允许更多地控制振动器的振幅。即，复合设计允许将较高振荡频率传输到钻屑和钻液，其将导致通常性质上为触变的钻液的粘性降低。所导致的粘性降低将提供流体与碎屑的较大程度的分离。
另外，复合振动器将足够轻以允许应变计传感器和加速计位于振动篮下方，以便以将允许操作者知晓正以连续方式从井排出的钻凿碎粒的相对量的方式跟踪振动器上的质量流。此信息可用于调节流体特性(通常为粘性)以优化挖掘过程期间从井眼移除碎屑。
尽管已相对于优选实施例及其优选用途而描述和说明本发明，但其不应限于此，因为可在其中作出在本发明的完全既定范围内的修改和改变。

Claims (16)

1.一种用于改进在振动器上将钻液与钻屑分离的设备，所述设备包括：
振动筛，其具有用于将钻液污染的钻屑支撑于振动器内的上侧和下侧；
真空系统，其操作地定位于所述振动筛下方以用于拉动有效体积的空气穿过所述振动筛，以增强钻液穿过所述振动筛的流动和钻液与钻屑的所述分离；以及，
钻液收集系统，其用于从所述筛的底侧收集所述经分离的钻液。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述真空系统包含：真空歧管，其用于操作地连接到所述振动筛的一部分；真空软管，其操作地连接到所述真空歧管；以及真空泵，其操作地连接到所述真空软管。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述真空系统包含至少两个真空歧管。
4.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的设备，其中所述真空歧管具有用于操作地连接到真空软管的漏斗形部分。
5.根据权利要求2到4中任一权利要求所述的设备，其中所述真空系统包含钻液分离系统，所述钻液分离系统用于从所述真空软管移除钻液。
6.根据权利要求2到5中任一权利要求所述的设备，其中所述真空泵可经调节以改变真空压力。
7.根据权利要求2到6中任一权利要求所述的设备，其中所述真空歧管适于跨越所述振动筛的长度的少于三分之一而配置到所述振动筛。
8.根据权利要求2到7中任一权利要求所述的设备，其中所述真空歧管包含用于改变所述真空歧管相对于所述振动筛的位置的定位系统。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的设备，其中所述振动筛包含振动框架，且所述振动框架和相关联的振动部件是由复合材料制造。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的设备，其进一步包括鼓风系统，所述鼓风系统操作地定位在所述振动筛上侧上，用于在首先通过所述振动筛的钻液污染的钻屑上方喷吹有效体积的空气，以增强钻液与所述钻屑的所述分离。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述鼓风系统包含至少一个空气分布系统，所述空气分布系统包括至少一个空气分布条和多个操作地定位在所述振动筛的宽度上的空气喷嘴。
12.根据权利要求11所述的设备，其进一步包括空气包含系统，所述空气包含系统操作地围绕所述至少一个空气分布条，用于包含邻近于所述振动筛的所述上侧的钻屑和钻液。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的设备，其进一步包括空气加热系统以加热通过所述鼓风系统分布的空气。
14.一种用于改进在振动器上将钻液与钻屑分离的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将有效的真空压力施加到支撑钻液污染的钻屑的振动筛的下表面以增强钻液穿过所述振动筛的流动以及钻液与钻屑的所述分离；
b.从所述筛的上侧收集钻屑；以及，
c.从所述筛的下侧收集所述钻液。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括以下步骤：将有效体积的空气施加到所述振动筛的上表面以增强钻液穿过所述振动筛的所述流动以及钻液与钻屑的所述分离。
16.一种用于从钻屑移除钻液的设备，其包括：
振动筛，其用于支撑钻液污染的钻屑，所述振动筛具有上侧和下侧；
鼓风系统，其操作地定位在所述振动筛上侧上，用于在通过所述振动筛的钻液污染的钻屑上方喷吹有效体积的空气，以致使钻液与所述钻屑的所述分离；以及，
所述下侧上的钻液收集系统，其用于收集与所述钻屑分离的钻液。
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