EA013334B1 - Усовершенствованное устройство для обработки бурового шлама - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству для удаления загрязнений из шлама, получаемого из ствола скважины. Шлам (11) перемещается на конвейерной ленте (13), выполненной из сетчатого материала, в зону удаления загрязнений, где под уменьшенным давлением и при повышенной температуре удаляются органические материалы вместе с некоторым количеством воды. Для обеспечения технологического процесса использован регулятор (14) толщины для контроля толщины шлама (11) на конвейерной ленте (13). Органические материалы могут либо собираться и повторно использоваться, либо, альтернативно, сжигаться. Когда загрязнения удалены из шлама (11), он может безопасно утилизироваться или повторно использоваться как часть технологического процесса бурения. Для обеспечения технологического процесса устройство может включать в себя очищающее средство (112, 113) для очистки конвейерной ленты (13) и удаления уплотненных зон, предотвращая закупоривание сетчатого материала. Также устройство может включать теплообменник (18) для повторного использования тепловой энергии, используемой в зоне удаления загрязнений.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству и способам для переработки бурового шлама с целью уменьшения его загрязнения. Устройство и способ являются особенно подходящими для использования в море, а именно на нефтяной буровой установке.

При бурении нефтяных и газовых скважин производятся большие объемы отходов, общеизвестных как буровой шлам. Буровой шлам является, в первую очередь, глиной или породой окружающего пласта и обычно загрязняется органическими материалами, в первую очередь алифатическими и ароматическими углеводородами, которые являются результатом смазки, используемой в технологии бурения, или образуются из нефтяных или газовых коллекторов.

В связи с загрязнениями буровой шлам невозможно легко утилизировать, поскольку законодательство запрещает затопление за бортом морской буровой установки шлама, имеющего более 1 вес.% органической фазы.

Для устранения указанных недостатков наиболее используемыми способами являются сбор шлама и его транспортировка на береговые предприятия переработки, на которых органический материал удаляется перед утилизацией шлама, из которого удалены загрязнения, на обычной площадке свалки мусора. Однако такой способ является дорогостоящим частично из-за транспортных расходов, а также дает нагрузку на местные площадки свалки мусора.

Публикация XVО 03/104607 раскрывает способ, в котором используется перемещающаяся текучая среда для промывки бурового шлама трением. Этот способ может использоваться и на суше и на море.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных проблем и создание усовершенствованного устройства и способа для обработки бурового шлама.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения создано устройство для очистки бурового шлама от органических загрязнений, содержащее конвейерное средство, включающее в себя бесконечную конвейерную ленту из сетчатого материала для перемещения шлама через зону удаления загрязнений; средство для уменьшения давления вокруг шлама и пропускания воздуха через шлам и сетчатый материал; нагреватель для нагрева воздуха перед его прохождением через шлам, при этом нагретый воздух направляется посредством короба, расположенного с одной стороны конвейерной ленты, и удаляется с частью органических загрязнений и воды посредством противоположного короба, расположенного с другой стороны конвейерной ленты.

Вышеописанное устройство уменьшает уровень загрязнений быстро и эффективно.

Устройство может содержать регулятор толщины для контроля толщины слоя бурового шлама на конвейерной ленте.

Предпочтительно органические загрязнения и вода собираются в конденсационный аппарат. При этом органические материалы могут вторично использоваться или безопасно утилизироваться.

Устройство может содержать печь для сжигания органических загрязнений.

Предпочтительно устройство включает в себя вторую бесконечную конвейерную ленту из сетчатого материала для размещения шлама перед его входом в зону очищения от загрязнений. Вторая конвейерная лента обеспечивает выполнение первоначальной предварительной обработки. Вторая конвейерная лента может иметь форму цилиндра, вращающегося вокруг его основной оси. Предпочтительно используются вторая конвейерная лента и средство для уменьшения давления вокруг шлама и прохождения воздуха через шлам и вторую конвейерную ленту. Толщина слоя шлама на второй конвейерной ленте управляется вторым регулятором толщины. Предпочтительно размер ячейки сетчатого материала первой и второй конвейерных лент превышает 5 мкм. Предпочтительно размер ячейки сетчатого материала второй конвейерной ленты меньше, чем у первой конвейерной ленты. Больший размер ячейки сетчатого материала предоставляет возможность обеспечить более экономичную надежную в эксплуатации конвейерную ленту.

Предпочтительно устройство содержит датчик потока воздуха для определения потока воздуха через одну или обе конвейерные ленты. Датчик может быть соединен посредством блока управления с регуляторами скорости конвейерной ленты и регуляторами толщины слоя шлам.

Устройство может содержать датчик давления для определения давления, воздействующего на шлам. Датчик может соединяться посредством блока управления с регуляторами скорости конвейерной ленты и регуляторами толщины слоя шлама.

Предпочтительно поддержание температуры в устройстве 120-140°С. Предпочтительно, чтобы уменьшенное давление на шлам составляло 18-35 дюймов (38-89 см) водного столба.

Устройство может содержать теплообменник, расположенный между шламом и конденсационным аппаратом, для удаления избыточного тепла из потока загрязненного воздуха.

Устройство может содержать очищающее средство для очистки каждой конвейерной ленты, которое может быть выполнено, необязательно, в виде одной или нескольких щеток линейного или вращательного очищающего действия или газовой струи. Ячейки сетчатого материала, таким образом, поддерживаются чистыми и обеспечивается поток воздуха. Дополнительно, при использовании двух и более очищающих средства по меньшей мере два из них расположены на противоположных сторонах конвейерной ленты.

- 1 013334

Устройство может содержать сопло для выпуска газовой среды для встряхивания бурового шлама на конвейерной ленте, открывая большую часть шлама поднятого на поверхность и предотвращая формирование уплотненных зон на конвейерной ленте.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны только в виде примера три варианта осуществления устройства обработки бурового шлама.

Фиг. 1 изображает схему первого варианта осуществления устройства.

Фиг. 2 - схему второго варианта осуществления устройства.

Фиг. 3 - схему третьего варианта осуществления устройства.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 показан первый вариант осуществления устройства для обработки бурового шлама. Устройство предусматривает пропускание горячего воздуха через материал слоя шлама, который подлежит обработке. Горячий воздух вызывает испарение летучих органических компонентов и воды из материала, эти загрязнители и вода затем удаляются из потока горячего воздуха посредством конденсационного аппарата. Буровой шлам, из которого удалены загрязнения, поскольку он находится в пределах требований законодательства, может быть утилизирован, например затоплением в море. Органические составляющие, собранные в конденсационном аппарате, могут дополнительно утилизироваться путем добавления в ствол скважины для обеспечения бурения или утилизированы обычными способами.

Более подробно, буровой шлам подается в вакуумную установку первой ступени. Данная установка представляет собой вращающийся барабан 10. В этот момент буровой шлам может включать в себя до 20 вес.% органических углеводородов. Обычно шлам перемещается в устройство из вибросит обычным средством. Такое средство может быть механическим, как в случае шнеков и цепных конвейеров. Альтернативно, могут использоваться вакуумные способы или способы с избыточным давлением.

Барабан 10 обеспечивает установление первоначального потока воздуха через шлам и содержит фильтр из мелкоячеистого сетчатого материала в форме цилиндра, вращающегося относительно его центральной оси. Для прохождения воздуха через шлам и фильтр во внутренний объем барабана 10 создается вакуум. Для контроля толщины слоя 11 шлама на фильтре используется регулятор 12 толщины, который управляет потоком шлама из питателя.

Первоначальная обработка выполняет двойную функцию. Во-первых, обеспечивает задание надлежащей высоты, на которую должен быть установлен второй регулятор толщины, который описывается ниже. Во-вторых, мелкодисперсный буровой раствор, который имеет относительно высокую пропорцию органических углеводородов, может проходить через фильтр и уноситься в приемник 23 бурового раствора. После первоначальной обработки уровень органических веществ часто уменьшается примерно до 4-5 вес.%.

Из барабана 10 шлам проходит далее на бесконечную проницаемую тканую транспортерную ленту из сетчатого материала 13. Такие транспортерные ленты являются хорошо известными в промышленности и часто содержат сетчатый материал толщиной до 1 см, образованный стальной проволокой толщиной 3 мм. Толщина слоя шлама регулируется посредством второго регулятора 14 толщины. Транспортерная лента 13, которая приводится в движение электромотором 15, доставляет шлам в зону испарения под коробом 16 распределения воздуха. Для предохранения транспортной ленты 13 от провисания вследствие массы шлама, условий потока воздуха и разницы давления транспортерная лента 13 опирается на стальные направляющие (не показаны).

В зоне испарения шлам подвергается воздействию низкого давления и потока горячего воздуха, создаваемого вакуумным вентилятором 17. Вентилятор способен доставлять 400 куб.футов/мин воздуха на транспортерную ленту. Воздух имеет температуру и давление, достаточные для удаления большинства летучих органических составляющих из шлама 11, а также большого количества воды. Этому процессу способствует то, что обычно большинство органических веществ расположено на поверхности частиц шлама или близко к ней, а не во внутренних объемах частиц.

От вакуумного вентилятора 17 воздух вместе с органическими веществами и водой проходит сначала в блок 18 извлечения тепла и затем на конденсационный аппарат 19. В конденсационном аппарате 19 различные компоненты, удаленные из шлама 11, разделяются на разнообразные фракции. Вода проходит через насос 20 выброса воды, а органические вещества - через насос 21 выброса нефти. При сборе множества фракций с разными точками кипения устройство может включать дополнительные конденсационные аппараты/насосы.

Как альтернатива органические вещества можно пропустить через печь (не показана) для их превращения в безвредный углекислый газ и воду.

Любые частицы бурового раствора из шлама, которые проходят в конденсационный аппарат 19, собираются на его дне и выкачиваются с помощью насоса 22 выброса отстоя бурового раствора в приемную емкость 23 бурового раствора. Если необходимо, поток в приемную емкость 23 может усиливаться использованием вакуумного насоса 24. Приемная емкость 23 бурового раствора принимает мелкие фракции исходного материала, проходящие через барабан 10 и обычно имеющие высокое содержание органических веществ. Собранный буровой раствор из приемной емкости 23 может периодически выбрасы

- 2 013334 ваться и повторно использоваться на буровой установке. Альтернативно, буровой раствор может повторно нагнетаться на транспортерную ленту 13 через сопло 33 повторного нагнетания бурового раствора. На этом этапе материал на бесконечной транспортерной ленте 13 находится в форме корки и препятствует проходу мелкодисперсного бурового раствора через транспортерную ленту.

Толщина слоя шлама на барабане 10 и транспортерной ленте 13 обусловливается прохождением воздуха через слой. Поток воздуха определяется датчиками 25, 26 потока воздуха, которые относятся к барабану 10 и транспортерной ленте 13 соответственно. Датчики 25, 26 потока воздуха передают результаты измерений на панель 27 управления программируемого логического контроллера (ПЛК), который осуществляет надзор за функционированием устройства. Установлено, что подходящим потоком воздуха является приблизительно 14 л/с, хотя эта величина может выбираться и регулироваться оператором в зависимости от конкретного обрабатываемого шлама. Когда величина установлена, панель 27 управления ПЛК регулирует высоты регуляторов 12, 14 толщины для увеличения или уменьшения потока шлама на барабан 10 или транспортерную ленту 13. Чем больше толщина шлама, тем меньше поток воздуха. Панель 27 управления ПЛК также задает скорость барабана 10 или транспортерной ленты 13, которая также обусловливает поток воздуха.

Установлено, что хороший уровень управления может таким образом действовать за счет регулирования потока воздуха, одного или в сочетании с регулированием высоты регуляторов и скорости транспортерной ленты. Главным параметром, который обусловливает поток воздуха, является размер частиц бурового шлама. В общем, чем меньше средний размер частиц шлама, тем тоньше должен быть допустимый слой шлама. Для обеспечения быстрого нагревания шлама нагретым воздухом до необходимой температуры устройство включает в себя блок 28 нагрева для нагрева воздуха, втягиваемого всасывающим вентилятором 29, обычно до температуры 130°С. Затем воздух пропускается вентилятором 29, работающим в сочетании с вакуумным вентилятором 17, через короб 16 сквозь шлам. В этой секции устройства установлено, что величина вакуума 18-35 дюймов (38-89 см) водного столба эффективна и обычно используется величина 28 дюймов (71 см) водного столба.

Для улучшения нагрева предпочтительно, чтобы устройство включало в себя подогреватель 30 воздуха. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, нагрев в установке утилизации тепла используется для дополнения нагрева, обеспечиваемого в подогревателе 30 воздуха. Для уменьшения повреждения от любого взрыва паровой фазы в подогревателе 30 или блоке 28 нагрева имеется противопожарная заслонка 31. Противопожарная заслонка 31 включает в себя газовый детектор для обнаружения нежелательных органических веществ.

При выходе из устройства шлам, который находится в сухом и свободно текущем состоянии, просыпается с конвейерной ленты 13, когда конвейерная лента 13 проходит над барабаном 34 конвейера.

При использовании вышеописанного устройства сочетание потока горячего воздуха с применением вакуума означает, что большинство органических веществ удаляется и за один проход через устройство можно достичь их уровня менее 1 вес.%.

Эксперимент 1.

Образец предварительно обработанного бурового шлама был пропущен через второй участок устройства, описанного на фиг. 1, материал добавляется на вторую конвейерную ленту 13. После предварительной обработки шлам имел первоначально содержание алифатических углеводородов около 4028 мг/кг, а содержание ароматических углеводородов 307 мг/кг, что дает полное содержание углеводородов 4335 мг/кг.

Температура нагретого воздуха была установлена 130°С, а вакуум 25 дюймов (64 см) водного столба, скорость воздуха 12-14 м/с. В исходном образце в 2 кг вышеупомянутого предварительно обработанного шлама общее содержание углеводородов было уменьшено до 0,43 вес.% после прохождения зоны испарения. Если представить в увеличенном масштабе, это будет равно приблизительно 2 т обработанного материала на квадратный метр конвейерной ленты в час.

Хотя вибрационный или плужный механизм может быть задействован, чтобы встряхивать слой шлама и, таким образом, увеличить поток воздуха к каждой частице, необходимо, чтобы такие механизмы не разрушили сами частицы. Разрушение частиц не приведет к отказу в работе устройства, но, тем не менее, увеличит потребление энергии или время, требуемое для уменьшения уровня органических веществ до приемлемой величины. Как указывалось выше, внутренний объем частиц шлама не предназначен для включения органических веществ. Разрушение частицы, таким образом, увеличивает площадь поверхности частиц без увеличения возможности доступа нагрева к органическим веществам, что является, следовательно, неэффективным.

Шлам, выходящий с конвейерной ленты 13, периодически анализируется для определения содержания оставшихся органических веществ. Такой анализ может выполняться обычным средством, таким как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье или газовая хроматография и массовая спектроскопия. Если нужно, его можно направить в устройство для дополнительной обработки. Для поддержания конвейерной ленты 13 в состоянии, в котором возможно ее использование, устройство включает в себя очищающую щетку 32, которая является щеткой обычного типа.

- 3 013334

Предпочтительным является разный размер ячейки сетчатого материала для фильтра барабана и фильтра конвейерной ленты, подходящим является размер ячейки сетчатого материала для фильтра барабана примерно 50 мкм. В общем, хотя размеры ячейки сетчатого материала для двух конвейерных лент могут быть, по существу, одинаковыми, размер ячейки сетчатого материала второй конвейерной ленты должен превышать размер ячейки сетчатого материала фильтра барабана или конвейерных лент предварительной обработки, которые описываются ниже.

Фиг. 2 показывает второй вариант осуществления устройства для обработки бурового шлама, в котором использована единственная конвейерная лента. Общим с описанным выше первым вариантом осуществления изобретения является то, что устройство включает в себя зону испарения, в которой горячий воздух из нагревателя 100 пропускается сквозь слой бурового шлама посредством вакуумного насоса 101. Шлам переносится через зону на бесконечной конвейерной ленте 102, перемещение которой поддерживается опорными барабанами 103А, 103В. Когда летучие вещества и вода удалены из шлама, он конденсируется в конденсационном аппарате 104 и после этого выпускается через насос 105.

Шлам доставляется в устройство на конвейерной ленте 102 с помощью питающей воронки. Для контроля толщины слоя шлама на конвейерной ленте регулятор 106 толщины слоя может подниматься и опускаться под управлением панели управления ПЛК (не показана). Как и в предыдущем варианте осуществления изобретения, толщина слоя задается вакуумными датчиками 107 А, 107В, которые подают информацию на панель управления ПЛК.

Для удаления первоначальной порции органических веществ шлам подвергается воздействию низкого вакуума снизу конвейерной ленты. Вакуум создается вторым вакуумным насосом 108, функционально соединенным со вторым конденсационным аппаратом 109 к зоне доставки устройства. Короб улавливания гарантирует направление испарений от шлама в конденсационный агрегат. Для облегчения испарительного процесса сопло 110 промывки сжатым газом размещается над зоной доставки для подачи струи газа на шлам. Струя газа служит в первую очередь для встряхивания слоя шлама, чтобы предотвратить уплотнение и удалить испарения из шлама. Кроме того, струя препятствует закупориванию материалом ячеек сетчатого материала конвейерной ленты 102.

Процесс встряхивания конвейерной ленты 102 и шлама дополнительно улучшается применением вибратора 111 конвейерной ленты. Когда шлам удален с конвейерной ленты 102 после обработки, конвейерная лента 102 очищается совместным использованием вращающейся щетки 112 и чистящего сопла 113 сжатого газа, действующих на противоположных сторонах конвейерной ленты.

В этом варианте осуществления изобретения следует выбрать материал конвейерной ленты, обеспечивающий эффективное удаление мелкодисперсной фазы, но не деформирующейся от действия нагрева в зоне испарения.

Третий вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 3, действует аналогично первым двум вариантам осуществления изобретения. Основным различием является использование двух бесконечных конвейерных лент 200, 201, на которых перемещается шлам. Обработка осуществляется в два этапа, первый этап в этом варианте осуществления изобретения проходит, когда материал транспортируется на первой бесконечной конвейерной ленте 200, на которой осуществляется встряхивание шлама посредством струи сжатого газа, выбрасываемого из сопла 202.

Понятно, что изобретение не ограничивается конкретными деталями, описанными в этом документе, которые даются только путем примера, и что разнообразные видоизменения и поправки являются возможными в объеме прилагаемой формулы изобретения.

Claims (21)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для удаления органических загрязнений из бурового шлама, содержащее конвейерное средство, включающее в себя бесконечную конвейерную ленту (13) из сетчатого материала для перемещения шлама (11) через зону удаления загрязнений; средство (17) для уменьшения давления вокруг шлама и пропускания воздуха через шлам (11) и сетчатый материал; нагреватель (28, 30) для нагрева воздуха перед его пропусканием через шлам (11), при этом нагретый воздух направляется посредством короба (16), расположенного с одной стороны конвейерной ленты, и удаляется с частью органических загрязнений и воды посредством противоположного короба, расположенного с другой стороны конвейерной ленты.
2. 2. Устройство по п.1, содержащее конденсационный аппарат (19) для сбора органических загрязнений и воды.
3. 3. Устройство по п.1 или 2, содержащее печь для сжигания органических загрязнений.
4. 4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее регулятор (14) толщины для контроля толщины бурового шлама (11) на конвейерной ленте (13).
5. 5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее вторую бесконечную сетчатую конвейерную ленту (10) для размещения шлама перед его входом в зону удаления загрязнений.
6. 6. Устройство по п.5, содержащее средство (24) для уменьшения давления и пропускания воздуха через шлам (11) и вторую конвейерную ленту (10).

   - 4 013334
7. 7. Устройство по п.5 или 6, в котором вторая конвейерная лента (10) имеет форму цилиндра, вращающегося вокруг основной оси цилиндра.
8. 8. Устройство по любому из пп.5-7, содержащее регулятор (12) толщины для контроля толщины шлама на второй конвейерной ленте (10).
9. 9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором размер ячейки сетчатого материала каждой конвейерной ленты превышает 5 мкм.
10. 10. Устройство по любому из пп.5-9, в котором размер ячейки сетчатого материала второй конвейерной ленты (10) меньше данного размера первой конвейерной ленты (13).
11. 11. Устройство по любому пп.5-10, содержащее датчики (25, 26) потока воздуха для определения потока воздуха через одну конвейерную ленту или обе конвейерные ленты.
12. 12. Устройство согласно п.11, в котором датчики (25, 26) потока воздуха соединены посредством блока (27) управления с регуляторами скорости конвейерной ленты и регуляторами толщины слоя шлама.
13. 13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее датчик давления для определения давления, воздействующего на шлам.
14. 14. Устройство по п.13, в котором датчик давления соединен посредством блока управления с регуляторами скорости конвейерной ленты и регуляторами толщины слоя шлама.
15. 15. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором температура нагретого воздуха поддерживается 120-140°С.
16. 16. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором уменьшенное давление, воздействующее на шлам, составляет 18-35 дюймов (38-89 см) водного столба.
17. 17. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее теплообменник (18), расположенный между шламом (11) и конденсационным аппаратом (19), для удаления избыточного тепла из загрязненного воздушного потока.
18. 18. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее очищающее средство (32) для очистки конвейерной ленты или каждой ленты.
19. 19. Устройство по п.18, в котором очищающее средство представляет собой одну или несколько щеток (112), обеспечивающих вращательное или линейное очищающее действие, или газовую струю (113).
20. 20. Устройство по п.18 или 19, в котором при использовании двух или более очищающих средств по меньшей мере два очищающих средства расположены на противоположных сторонах конвейерной ленты.
21. 21. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее сопло (33) для выпуска газовой струи и встряхивания бурового шлама на конвейерной ленте, обеспечивая открытие большей части поверхности шлама и предотвращение создания уплотненных зон на конвейерной ленте.