О механизмах блока очистки бурового раствора рассказывается в статьях: «Вибросито» и «Гидроциклон».
Еще одним элементом очистной системы является центрифуга. Центрифуга представляет собой устройство, использующее для работы центробежную силу.
Сила, возникающая во вращающихся системах и действующая по радиусу от оси вращения впервые была описана и математически сформулирована в 1659 году Христианом Гюйгенсом (Christian Huygens). Центробежная сила, создающая имитацию повышенной силы тяжести, стремится отбросить объекты от центра вращения. На этом явлении и основано разделение эмульсий, взвесей, аэрозолей на фракции. Разделение эффективно для смесей обладающих неоднородностью составляющих компонентов по плотности, размерам, массе, форме включений. А также по прочности, упругости, коэффициентам трения, смачиваемости поверхности, электропроводности, радиоактивности. При этом сепарация не производит изменений химических составов разделяемых веществ.
Этими свойствами и обусловлено широчайшее применение центрифугирования во многих областях деятельности. А первые центрифуги для отделения сливок от молока появились в 1878 году в Швеции.
По сравнению с примитивными центрифугами, такими как в стиральных машинах или соковыжималках, например, буровая центрифуга имеет более сложную конструкцию.
В отличие от соковыжималки, в которой фруктово-овощной жмых мы убираем с сетки вручную, шлам с внутренней поверхности ротора в буровой центрифуге снимает шнек.
Ротор буровой центрифуги представляет собой цилиндроконический барабан с цапфами, помещенными в коренные подшипники, установленные на опорах. Опоры крепятся к станине центрифуги шпильками.
Внутри ротора, соосно с ним в подшипниках установлен шнековый конвейер. Шнековый конвейер – это цилиндрический шнек с полым валом и отверстиями в нем.
Подробнее о шнеках можно почитать в статье: «Шнековое бурение».
Ротор вращается электродвигателем через приводной шкив. Шнек приводится в движение ведомым валом планетарного редуктора, установленного на станине. Планетарный редуктор передает шнеку вращение с пониженными оборотами относительно скорости ротора.
Таким образом, внутри вращающегося на высокой скорости стального барабана-ротора на меньшей скорости одновременно вращается в том же направлении и шнек.
После гидроциклонной установки буровой раствор центробежным насосом подается по питающей трубе в полый вал шнека. И через отверстия вала поступает в полость ротора. Под действием центробежной силы раствор отбрасывается от шнека к стенке барабана-ротора. Частицы шлама, находящиеся в растворе во взвешенном состоянии, придавливаются при этом к стенке ротора. Шнековый конвейер, непрерывно вращаясь счищает слой шлама со стенки ротора, перемещает его в коническую часть, где шлам обезвоживается и затем сбрасывает его через шламовые патрубки. Очищенный раствор вытесняется из ротора в выкидные патрубки и может заново использоваться в циркуляционной системе.
Центрифуги получили широкое распространение в бурении из-за хорошей очистной способности, а также высокой степени обезвоживания отделяемой твердой фазы. Кроме того, центрифугой можно разделять осаждаемый осадок по крупности частиц, плавно изменяя скорость ротора. Поэтому центрифуги используют при бурении на неутяжеленных и на утяжеленных растворах.
Так, при бурении на неутяжеленном растворе центрифугу применяют в качестве четвертой (обычно последней) ступени очистки для финишного удаления из раствора мелких (5 – 30 мкм) частиц шлама, которые песко- и илоотделители не отсеивают. После центрифуги шлам утилизируется, а очищенный раствор возвращается в систему циркуляции. Хотя центрифуги имеют меньшую производительность, по сравнению с гидроциклонами, они удаляют до 40% выбуренной породы, чем существенно повышают очистную способность всей системы.
При утяжеленных растворах назначение центрифуг состоит в извлечении дорогостоящего утяжелителя и возвращении его в циркуляционную систему для регенерации раствора.
Буровой раствор, вращаясь в барабане отбрасывается к его стенке, образуя жидкий круг. На частицы твердой фазы воздействует центробежная сила, превышающая в сотни раз их собственную силу тяжести. Вследствие этого частицы преодолевают сопротивление вязкости раствора и быстро налипают на стенке барабана, образуя слой твердого осадка. А водная дисперсионная среда, освобожденная от частиц взвеси образует жидкую фазу.
Отношение центробежной силы, действующей на частицы твердой фазы в круге жидкости, к их собственной силе тяжести называется коэффициентом разделения центрифуги. Коэффициент разделения прямо пропорционален скорости вращения и радиусу барабана ротора. Центрифуга с большим коэффициентом разделения может отделять более мелкие частицы из взвеси.
Для регенерации раствора формируется двухмашинный комплекс. В этом комплексе низкоскоростная центрифуга с коэффициентом разделения 500 ~ 700, которая является центрифугой для удаления барита помещается на первую ступень. Отделенная этой машиной баритовая пульпа выгружается в бункер для извлеченного барита и в дальнейшем возвращается в систему циркуляции.
А жидкость сливается в буферный резервуар, откуда подается насосом в высокоскоростную центрифугу.
Высокоскоростная машина с коэффициентом разделения 1200 ~ 2100 удаляет из раствора частички шлама размером 2 ~ 5 мкм. После обработки осадок утилизируется, а жидкая фаза поступает в циркуляционную систему. Технология «две машины» эффективно очищает раствор от шлама и сохраняет ценный барит.
Минерал бария, барит (сульфат бария – BaSO4) плотностью 4,2 – 4,5 г/см3 является наиболее распространенным утяжелителем бурового раствора. Частички барита в растворе должны быть величиной от 20 до 40 мкм. При таких размерах обеспечивается равномерное распределение утяжелителя во взвеси и минимизируется риск закупорки пор пластов при проходке скважины.
При эксплуатации центрифуги учитывают и вязкость раствора. Из вязкого раствора шлам осаждается медленнее, что снижает производительность машины. Поэтому раствор перед подачей частично разбавляют водой. Но переизбыток жидкости вызывает образование турбулентных потоков в конусе ротора из-за чего ухудшается качество сепарации.