Поступление газа в скважину в процессе бурения может происходить вследствие снижения давления на пласт при поглощении бурового раствора вышележащими горизонтами. Также газопоступление может быть вызвано снижением забойного давления из-за недолива ствола при подъеме инструмента в результате эффекта поршневания.
Кроме того, газонасыщение раствора происходит из-за диффузии газа.
Для безопасного вскрытия нефтегазоносных горизонтов плотность бурового раствора поддерживается с условием превышения гидростатического давления столба жидкости над пластовым давлением на 15 -20 %. Тем не менее газы из пластов проникают в промывочную жидкость в результате диффузии.
Этими факторами и обусловлено газирование бурового раствора.
Для удаления газа из раствора с целью восстановления его плотности очистной блок буровой установки оборудуется дегазатором.
Еще об аппаратах блока очистки бурового раствора можно почитать в статьях: «Вибросито», «Гидроциклон», «Центрифуга».
Понижение давления является одним из эффективных способов дегазации жидкостей. Газированные безалкогольные напитки содержатся в бутылках под давлением углекислого газа, превышающем атмосферное. При откупоривании бутылки газ выходит, снижая давление над жидкостью, что приводит к дегазации - растворенный углекислый газ высвобождается из раствора.
Значит, раствор, помещенный в камеру с пониженным давлением, будет выделять растворенные в нем газы. На этом явлении и основано действие буровых вакуумных дегазаторов. Разрежение в камерах вакуумных дегазаторов создают вакуумные насосы.
Об устройстве вакуумного насоса подробнее рассказывается в статье: «Водокольцевой насос».
Но буровой раствор обладает значительно большей вязкостью и плотностью чем вода. Пузырькам газа легче покидать вязкий раствор из тонкого слоя, распределенного по поверхности. Поэтому резервуар бурового дегазатора оборудуется пакетом пластин.
Под действием разрежения, создаваемого вакуумным насосом насыщенный газом буровой раствор засасывается в центральный манифольд дегазатора. Степень разрежения или величина отрицательного давления является наиболее важным параметром дегазатора. Она определяется не только пределом вакуума, создаваемого вакуум-насосом, но и высотой всасывающего манифольда. Высота манифольда должна обеспечивать давление в камере дегазатора в пределах 0,02 – 0,05 МПа.
Через отверстия в манифольде раствор разбрызгивается на поверхности тарельчатых пластин. Пузырьки газа всплывают из тонких слоев раствора, растекающегося по пластинам, и выходят из него. Выделившийся газ собирается в верхней части резервуара и откачивается насосом в атмосферу. А дегазированный раствор самотеком возвращается в циркуляционную систему. Так работают дегазаторы бурового раствора непрерывного действия.
Производительность таких вакуумных дегазаторов может достигать 50 л/сек. Однако эти аппараты недостаточно эффективны при использовании растворов повышенной вязкости и плотности. Исследования показали, что даже после многократной обработки таких растворов не удается достичь полного удаления газов.
Более эффективными дегазаторами для вязких и утяжеленных растворов являются аппараты центробежно-вакуумного типа.
Внутри цилиндрического вертикального резервуара вращается сепарационное колесо в виде диска с изогнутыми лопастями, подобное крыльчатке центробежного насоса. Раствор засасывается в резервуар вакуум-насосом и разбрызгивается по стенке резервуара сепарационным колесом. В результате такого интенсивного динамического воздействия раствор полностью дегазируется и выводится из дегазатора через выкидной патрубок.
На рисунке показан один из современных дегазаторов со следующими характеристиками:
Диаметр резервуара - 920 мм. Производительность - 360 м3/час.
Вакуум: 0,02 ~ 0.04 МПа. КПД: 95%. Мощность основного мотора - 37 кВт.
Мощность мотора вакуум-насоса - 5,5 кВт.
Скорость вращения крыльчатки: 860 об/мин.
Габариты: 2100 × 1455 × 1712 мм. Масса: 2373 кг.
Также вакуумные дегазаторы бывают циклического действия. Вакуумный дегазатор циклического действия представляет собой автоматизированную установку, состоящую из горизонтального цилиндрического резервуара, разделенного на две одинаковые по объему камеры и вакуум-насоса. Камеры включаются в работу поочередно с помощью золотникового устройства.
Более простыми в эксплуатации и обслуживании по сравнению с вакуумными аппаратами являются дегазаторы атмосферные.
В атмосферной установке раствор не засасывается в камеру вакуум-насосом, а нагнетается насосом центробежным. Поступая струей в цилиндрическую камеру по касательной, поток раствора начинает вращаться, обтекая поверхность цилиндра и прижимаясь к ней. Выделение газов происходит под действием центробежной силы. В результате дегазированный раствор стекает по стенке и сливается через нижний патрубок, а газы выводятся из камеры вытяжным вентилятором.
Дегазаторы применяются в качестве первой ступени блока очистки бурового раствора. Либо в качестве второй ступени после газового сепаратора (при бурении на депрессии).
О бурении на депрессии читаем статью: «Бурение на депрессии».