В бурении и обслуживании скважин одна из задач — удаление выбуренной породы из устья. Особую сложность представляют тяжелые, спрессованные частицы или металлические предметы, которые не выносятся стандартной циркуляцией промывочной жидкости. С этой задачей справляется шламоуловитель (ШМУ), который применяет физический принцип, описанный еще в XVIII веке.
Почему «Вентури»?
В основе работы шламоуловителя лежит метод, представленный итальянским физиком Джованни Баттиста Вентури. В своих исследованиях движения жидкостей он экспериментально доказал и описал явление, названное позднее эффектом Вентури.
Ученый обнаружил, что при прохождении потока жидкости или газа через суженный участок трубы, его скорость возрастает, а статическое давление в этой зоне падает ниже давления в широкой части трубы. Снижение давления создает локальный вакуум, способный затягивать вещество из бокового отвода, подключенного к узкой части. Именно этот эффект лег в основу конструкции струйных насосов и, позднее, скважинных шламоуловителей.
Классическая труба Вентури состоит из трех последовательных участков:
- Конфузор — плавно сужающийся участок, где скорость потока увеличивается, а давление уменьшается.
- Горловина — узкая цилиндрический часть с минимальным давлением.
- Диффузор— постепенно расширяющийся сегмент, где скорость потока уменьшается, а давление частично восстанавливается.
Этот принцип применяют в современной технике во многих областях — от ядерной энергетики до пищевой промышленности.
Принцип работы шламоуловителя
В нефтесервисе шламоуловитель типа Вентури реализован в виде струйного насоса. Промывочная жидкость под высоким давлением закачивается через колтюбинговые трубы в верхнюю часть инструмента и проходит через форсунки. Они направляют высокоскоростные струи вниз, через узкую часть камеры Вентури, и через отверстие жидкость выходит в пространство между обсадной колонной и лифтом.
Когда поток жидкости проходит через камеру, в ее горловине возникает область низкого давления — вакуум. Он воздействует на открытый над скоплением шлама нижний вход инструмента, затягивая тяжелые частицы и металлические фрагменты вместе со скважинной жидкостью внутрь ШМУ.
Благодаря силе вакуума, поток жидкости со взвешенным шламом поднимается вверх по корпусу уловителя и проходит через магниты и фильтр, которые задерживают металлические фрагменты и частицы диаметром более 3 мм.
Очищенная жидкость выходит через порты в затрубное пространство скважины выше шламоуловителя. Здесь она включается в основной восходящий поток циркуляции и выносится на поверхность.
Внутри шламоуловителя ниже фильтра установлены картриджи с обратными клапанами. Они открываются под напором входящего потока и автоматически закрываются при остановке циркуляции, чтобы предотвратить выпадение собранного шлама обратно в скважину.
Задержанные фильтром частицы накапливаются во внутреннем контейнере. Чтобы поднять больше твердых элементов за один цикл спуско-подъемной операции, на ШМУ устанавливают удлинитель корпуса.
Чтобы извлечь сжатый в плотную массу шлам, инструмент оборудуют кольцевым фрезером. Шламоуловитель устанавливают на вал винтового забойного двигателя (ВЗД). При его работе фреза вращается, разрыхляет спрессованный шлам, и он затягивается внутрь уловителя.
Особенности ШМУ
- силу всасывания загрязнений определяют параметрами потока через форсунки, а не размерами ствола
- скорость затягивания в зоне Вентури превышает среднюю скорость закачки жидкости в скважину
- для промывки скважины можно использовать азот без риска повреждения конструкции
- инструмент спускают в ствол как на дополнительном лифте, так и в компоновке с ВЗД для фрезерования спрессованных осадков
- система обратных клапанов надежно удерживает частицы внутри инструмента при его подъеме
Шламоуловитель типа Вентури — это результат инженерной мысли и применения фундаментальных законов гидродинамики. Открытый итальянским физиком эффект дает возможность решать сложные практические задачи в нефтегазовой отрасли. Сочетая в себе струйный насос, надежную систему фильтрации и защитные клапаны, ШМУ надежно удаляет даже тяжелые спрессованные осадки и металлические фрагменты. С его помощью улучшают качество очистки ствола и повышают безопасность работ. Шламоуловитель типа Вентури стал незаменимым инструментом в работе современных нефтесервисных компаний.