用于对钻屑进行干燥的系统及方法

专利名称：用于对钻屑进行干燥的系统及方法
技术领域：
本发明描述了用于从钻屑中分离流体的系统及方法。特别地，本发明涉及包含真空系统及/或分区的改装的振荡器，以及操作此类振荡器来实现流体高度分离的方法。该系统和方法在多种筛孔尺寸、真空流以及真空设计中都是有效的。该系统尤其有助于从钻井液中分离气体。
背景技术：
对于能源勘探行业而言，钻井液的损失意味着一些技术及成本上的问题。这些问题通常包含钻井液渗入到地层造成的渗流损失、在表面上的钻井液的回收及/或被钻井液污染的钻探岩屑或钻屑的处理。在本发明的上下文中，“钻井液”既包含在表面上预备的以未变更状态用于钻探的流体，也包含从井中回收的所有流体，这些流体可包含来自井中的多种污染物，污染物包含水以及碳氢化合物(既有液体，也有气体)。
背景技术：
中存在一种已知的情况，即，在挖掘或钻探过程中，钻井液的损失量可达到在钻探项目的整个过程中损失的钻井液接近300立方米。由于一些钻井液的价值超过1600美元每立方米，因此,此类流体的大量损失对钻探运营商来说意味着高成本。钻井液通常可分为水基钻井液或油基钻井液，所属领域的技术人员所熟知的，这些钻井液可能包含许多昂贵并且专用的化学品。因此，在钻探项目中希望钻井液的损失量是最小的，于是人们思考和/或采用了多种技术来使井下和表面上的钻井液损失最小化。此外，在一些地区，通过输送油或水来配制钻井液，对于一些运作而言，这种做法可能会造成一些成本上的问题，特别是在沙漠、近海处，甚至也包含一些不允许将水的配给用于此目的地区。如上文所述，一个具体的问题是，如何将可能在表面处粘附到钻屑上的钻井液与来自地层的所有碳氢化合物(统称为“流体”)分离。已通过各种技术来达成从钻屑中有效分离各种流体，所述技术包含但不限于，水力旋流器、泥浆清洁器、线性运动振荡器、螺旋推进式离心机、立式篮式离心机(VBC)、真空器件，以及涡流分离器。如所属领域的技术人员所熟知的，这些器件通常以每天1000-2000美元的价格出租，因此，对运营商构成显著的成本。因此，流体的回收对补偿这些费用是必要的，这就要求回收的流体的价值大于设备的租赁费用，从而使回收技术在经济上更合理。在挖掘工程中，高成本钻井液的损失量很大(例如，超过3立方米每天)，于是，对专用分离设备按日收取租赁费可实现有利的经济效益。此夕卜，在运营商设计钻井液/钻屑的分离/回收系统时，很可能还会将环境影响及/或被钻井液污染的钻屑的处理成本考虑在内。另外，当钻屑在振荡器设备上处理时，用于从钻屑中分离钻井液的以往技术也使用液体喷淋系统来将“清洗”液输送到钻屑中。当钻屑在振荡器上处理时，此类清洗液以及关联的流体供应系统被用来输送多种清洗流体，并且根据所处理的钻井液的类型，可包含多种类型的设计来输送不同的清洗流体。例如，根据在振荡器上处理的钻井液和钻屑，清洗液可包含油、水或乙二醇。通常，应用这些清洗流体来减少粘附到钻屑上的流体的粘度及/或表面张力，和实现对更多的流体进行回收。然而，通常这些技术对许多钻井液而言都不具有成本效益，因为稀释流体的使用通常造成钻井液的体积增加及/或化学稳定性的改变，这是不可接受的，并且因此造成钻井液流变学性质的改变。因此，虽然有多种分离系统通常能够有效及/或有效率地达成一定水平的流体/钻屑分离，但是每种形式的分离技术通常只在一定范围内的条件或参数下并且在特定的价位上才能有效率地操作。例如，利用筛网的标准振荡器能够相对有效率并且持续地从钻屑中移除一定量的钻井液，在振荡器的通常操作中，操作者通常能够使钻井液/钻屑分离达到流体相对于钻屑重量的12-40%的水平(即，所回收钻屑的总质量的12-40%为钻井液)。·流体/钻屑重量百分比的范围通常由筛孔尺寸来控制，其中通过使用较大的筛孔(例如，·50-75目),操作者可实现较高程度的流体/钻屑分离,通过使用较小的筛孔(例如,最高325目)来实现较低程度的流体/钻屑分离。由于筛孔尺寸影响了通过筛网的固体量，所以须在使用大目筛网与小目筛网之间作出取舍。也就是说，虽然操作者能够通过使用较大的筛孔(50-75目)来降低钻屑上保留的浆料从振荡器脱落，但是使用较大的筛孔的问题是实质上更大量的固体将会通过筛网，随后会显著地影响所回收流体的流变学性质和密度及/或需要使用额外的有可能效率不高的分离技术来将这些固体从所回收的钻井液中移除。相反，如果使用小的筛孔，虽然有可能将对用于从所回收的钻井液中移除固体的进一步下游分离技术的需要降为最低，但实质上会导致较大量的钻井液未被回收，因为这些钻井液更有可能避开筛网并因此导致更大的钻井液损失，以及/或者需要后续的处理。相应地，在许多操作中，操作者将通过离心力式设备调节从振荡器中所回收的流体，使其经受额外的处理，从而在回收或再生钻井液之前减小流体密度并且移除尽可能多的微细固体。然而，此类调节需要更昂贵的设备，例如离心机、螺旋推进式离心机、水力旋流器等，它们会增加回收总成本。这些处理技术也被其处理的流体的质量直接影响，因此由使用粗筛网的振荡器预处理的流体将不如从较微细筛网接收的流体，后者更为优化。此外，离心机和水力旋流器以及其他设备的性能也受到进料流体的粘度和密度的直接影响。因此，能够将重且含固体颗粒的流体输送到二级处理设备的钻井液回收技术需要力度更强的技术，例如增加重力及/或真空来实现分离，而这通常会导致钻屑的破碎。此外，此类二级处理设备通常不能以相同的振荡器吞吐量值来处理钻屑及钻井液，结果造成可能需要额外的分离设备，或是可能需要额外的存储槽来临时存放所积累的钻井液。因此，操作者会试图将钻井液损失的成本，与所回收的流体的质量，连同其他的考虑因素一起衡量。虽然操作者通常对钻屑处理的质量以及可用的流体回收技术没有多少选择余地，但是许多操作者将操作分离设备，使得从分离设备所回收的钻井液密度会比系统中的循环流体的密度重大约200-300kg/m3。当这种含有显著量的微细固体的较重流体被留在钻井液中时，将会立刻或在一段时间后破坏钻井液或其他任何类型流体的性能。因此，依然需要这样的系统，其能经济地增大从振荡器中所回收的流体的体积，且不会对所回收的钻井液的流变学性质造成不利影响。具体而言，需要这样的分离系统，其可使所回收的流体密度相对于原始流体密度在5-100kg/m3的范围内，并且不影响塑性粘度、胶凝强度等流变学性质。此外，需要开发低成本的改装技术，所述技术可强化流体回收并且低于当前所采用的机制和技术的成本。此外，还需要这样的改装技术，其可用于由不同制造商制造的各种振荡器，并且可用来强化现有振荡器的操作。此外，还需要开发能强化二级分离设备的操作的分离技术。真空技术的使用是改善钻井液分离的一个解决方案。然而，真空技术本身具有多种问题，包含对钻屑/流体分离不充分，如上所述，其需要额外且昂贵的下游处理，并且其不能从所回收的钻井液中有效地移除细粒，从而增大了所回收的钻井液的密度。此外，力度 强的真空系统也将使钻屑破碎，从而使生成细粒的问题增大。此外，在工作场所中多种真空技术还可能出现尘埃和薄雾问题,例如使用过去的真空技术，需要用高压冲洗来定期地清理堵塞的筛网。筛网的高压冲洗产生的空气中漂浮的尘埃以及薄雾对操作者造成了危害。因此，仍然需要能使对筛网的清洗的需求最小化的技术。此外，在真空筛网的下侧需要改善的流体分离系统，其允许被吸入穿过真空筛网的相对较大体积的空气与被吸入穿过真空筛网的相对较小体积的钻井液有效地并且有效率地分离。也就是说，需要改善的流体/空气分离系统。还需要有助于钻井液中脂肪酸氧化的真空技术，从而减少对额外乳化剂的需要。在操作上，还需要改善的操作真空系统的方法，该方法有效地使筛网堵塞的风险最小化并且能够使用更微细的筛网。此外，需要这样的系统，其既允许有效率地替换筛网，还能改善在真空系统与筛网之间的垫圈与密封。此外，还需要改装系统，该类改装系统可用于通用的各种振荡器，而且无需实质修改当前的振荡运动，并且能够在工作地点快速且容易的安装。此外，还需要改装系统，该类改装系统能够实现便利的系统拆解，以便于运输及/或维护。此外，还需要这样的系统，其能够实现钻探项目中的整体固体控制项目的改善，从而允许在固体控制设备的管理中有更大灵活性，使得较少的流体被输送到二级处理设备，同时可将更多昂贵的钻井液更有效率且更有效地回收。脱气已知，在钻探操作中常常发生来自地层的气体进入到循环的钻井液中的情况，其中来自地层的压缩气体与循环的钻井液混合，并且会溶解在钻井液内，是否发生溶解取决于气体的量与压力是否会使钻井液完全饱和。这种情况尤其发生在钻头进入油层时，此时钻头处于地层中，在井孔中会发生地层气体的回流，这就会导致钻井液与地层气体的饱和。随着钻井液升高到表面且压力变小，气体会从钻井液中释放。在表面上，气体“迸入”或不受控制地进入到循环系统中的首要征兆之一是在振荡器处出现泡沫化的钻井液，这是由于在粘性的钻井液内形成了气泡所造成的。在振荡器上，泡沫化的钻井液通常会造成钻井液的损失，这是因为在振荡器上气泡可能不会破裂，且/或这些气泡使得钻屑与振荡器筛网的接触最小化，进而减少了振荡器在给定时间内的应有效力。也就是说，振荡器的重力可能会滞后，或者不足，以至于不能立即克服气泡的表面张力。此问题常通过增加筛孔尺寸(即较粗大的筛孔)来解决，但是，上述动作将造成所回收的钻井液的质量下降。或者，此问题常常也通过如下方式来解决绕过振荡器，直接用可能引发钻井液降解的其他气体分离设备。因此，仍需要这样的系统，其能改善振荡器系统在振荡器处分离气体/流体的能力，也能够将关于钻头相对于油层的位置的有效信息提供给操作者。现有技术回顾 对现有技术的回顾揭示了包含真空技术在内的多种技术在以前已用于从钻屑中分尚钻井液，这些技术包含振动式振荡器。例如，美国专利4，350，591描述了钻探泥浆清洁装置，所述装置具有倾斜的传送带筛网(travelling belt screen)以及包含排风罩和鼓风机的脱气装置。美国专利申请公开案2008/0078700揭示了具有用于清洁筛网的改装喷淋喷嘴的自清洁振动式振荡器。加拿大专利申请2，664，173描述了具有压力差分系统的振荡器，所述压力差分系统在整个筛网上施加非连续的压力，并且包含美国专利6，092，390、美国专利6，170, 580、美国专利申请公开2006/0113220以及PCT申请公开2005/054623的其他现有技术描述了多种分离技术。因此，虽然以前的技术可在一定程度上有效促使钻井液/钻屑分离，但是在能够使流体的移除达到实质改善水平的分离器件的设计及操作方面，现有技术无能为力。具体而言，对于实现保留在钻屑上的流体的水平低于约12重量％并且对所回收的钻井液的密度不具有负面影响而言，现有技术无能为力。用于检测井中气体的存在情况的以往系统及方法的实例包含在以下文献中揭示的系统及方法中美国专利申请公开2006/0254421、美国专利6，389，878、美国专利4，635，735、美国专利4，492，862号以及美国专利4，298，572。

发明内容
根据本发明，提供改善的振荡器系统及方法，所述改善的振荡器系统及方法用于钻井液与钻屑的分离、钻井液的脱气以及改善的钻井液固体处置。在第一实施例中，提供一种用于改善在振荡器上将钻井液从钻屑中分离的系统，该振荡器具有振荡器筛网和支撑系统，用于在振荡器内支撑被钻井液污染的钻屑；该装置包含第一流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第一区段中收集钻井液；以及第二流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第二区段中收集钻井液。在一项实施例中，从所述第一及第二流体收集系统中的每一者中收集所述钻探浆料，并且被彼此独立地处理。在另一个实施例中，所述第二流体收集系统包含筛网延伸物和筛网，用于改装连接到所述振荡器筛网和支撑系统，所述筛网延伸物和筛网延伸并超过所述振荡器筛网和支撑系统的原始长度；以及改装的钻井液收集系统，操作性连接到所述筛网延伸物，用于从所述筛网延伸物和筛网中收集流体。在另一实施例中，具有不同的筛孔尺寸的分离的筛网操作性定位在所述第一及第二流体收集系统中的每一者之上。在一个实施例中，所述第一及第二浆料收集系统中的至少一者包含料斗。在另一个实施例中，所述系统还包含至少一个第三流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第三区段中收集钻井液，并且其中具有不同的筛孔尺寸的分离的筛网操作性定位在所述第一及第二浆料收集系统以及至少一个所述第三浆料收集系统中的每一者之上。在其他实施例中，所述流体收集系统的至少一个区段包含真空系统；所述第一及第二流体收集系统被壁式分区分开；以及/或所述壁式分区是可调节的，从而允许操作者 调节所述第一及第二流体收集系统中的每一者的相对尺寸。在另一个实施例中，所述系统还可包含雾气收集系统，所述雾气收集系统操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统之上，以收集在所述振荡器的操作中释放的钻井液雾气。所述雾气收集系统可包含干燥剂。在另一个实施例中，所述系统包含一级分离槽，所述一级分离槽操作性连接到所述第一流体收集系统，其中从所述第一流体收集系统中收集的钻井液被输送到所述一级分离槽；以及二级分离槽，所述二级分离槽操作性连接到所述第二流体收集系统，其中从所述第二浆料收集系统中收集的钻井液被输送到所述二级分离槽。在另一个实施例中，所述振荡器筛网和支撑系统的所述第一及第二区段中的每一者操作性地支撑筛孔尺寸不同的筛网，其中筛孔尺寸较小的筛网位于所述振荡器筛网和支撑系统的上游区段内。在其他实施例中，来自所述二级分离槽的钻井液被输送到用于移除固体的二级分离系统，被输送到所述一级分离系统，然后再次用于钻探。在另一个实施例中，所述振荡器筛网和支撑系统的下游区段中的一部分包含真空系统，所述真空系统操作性连接到所述振荡器筛网和支撑系统以及所述二级分离槽，所述真空系统用于给所述振荡器床中的一区段施加真空压力。在优选实施例中，所述真空系统包含与所述振荡器筛网和支撑系统相邻的气阀，用于将一定量的空气引入到所述真空系统中，以在所述真空系统中引发湍流来强化气/液分离。所述真空系统还可包含具有气体传感器的气/液分离器，以便检测在所述钻井液内的地层气体的浓度。在一个实施例中，所述真空系统包含真空歧管及真空气阀，所述真空歧管操作性连接到筛网，而所述真空气阀与所述真空歧管相邻或者构成所述真空歧管的一部分，用于调节所述歧管内的真空。在一个实施例中，被改装到所述振荡器筛网和支撑系统的所述筛网延伸物和筛网包含操作性连接到流体收集系统的歧管。在一个实施例中，所述料斗连接到所述振荡器筛网和支撑系统，并且在所述振荡器的操作期间与所述振荡器筛网和支撑系统一起振动。在另一方面，本发明提供一种在具有振荡器筛网的振荡器上将钻屑与钻井液分离的方法，包含步骤对在振荡器筛网的第一及第二区段上的钻井液及钻屑进行筛网分离；以及将来自所述第一及第二区段的钻井液分别收集到第一及第二流体收集系统中。所述第一及第二区段可能具有不同的筛孔尺寸。所述方法还可包含进一步的步骤对来自所述第二流体收集系统的钻井液进行二级分离以移除固体；使用真空系统通过所述振荡器筛网对来自所述第二区段的钻井液中的一部分进行真空分离；以及/或者控制穿过所述振荡器筛网的空气流来改善从所述真空系统回收的钻井液的乳液稳定性。在另一个实施例中，所 述真空系统包含气/液分离器及气体传感器，并且所述方法进一步包含监测从所述钻井液回收的地层气体的浓度的步骤。在另一方面中，本发明提供一种操作性连接到振荡器下游端的模块扩展系统(MEU)，其包含主体，用于操作性连接到在所述振荡器上的振荡器床，所述主体支撑筛网以及流体收集系统，所述流体收集系统操作性连接到所述筛网。在另一个实施例中，所述主体包含开放的漏斗形歧管，用于朝真空歧管开口排放钻井液，其中所述真空歧管开口包含用于连接到真空系统的真空连接系统。在另一个实施例中，所述MEU包含操作性连接到所述漏斗形歧管的前构件、后构件以及复数个侧角接板，其中所述前构件、后构件及侧角接板操作性地支撑筛网和筛网支撑系统。在另外一个实施例中，所述侧角接板包含复数个托架，用于将所述侧角接板操作性连接到振荡器框。


参考随附的附图来描述本发明，其中图I是根据本发明的一个实施例的用延伸筛网及真空歧管改装的振荡器的侧视图；图2是根据本发明的一个实施例的用延伸筛网及真空歧管改装的振荡器的平面图；图3是根据本发明的一个实施例的用延伸筛网及真空歧管改装的振荡器的端视图；图3A至图3H是用于配置到不同的振荡器的示意性模块扩展单元(MEU)的等角视图；图4是根据本发明的一个实施例的用雾气收集系统及除湿系统改装的振荡器的侧视图；图5是根据本发明的一个实施例的用分区的平板振荡器筛网和三个筛网、雾气收集系统及真空歧管改装的振荡器的侧视图；图6是根据本发明的一个实施例的用分区的平板振荡器筛网和三个筛网、以及双重流体收集系统改装的振荡器的侧视图；图6A是根据本发明的一个实施例的钻井液/钻屑分离系统的示意图；图6B是根据本发明的一个实施例的用分区的平盘改装的振荡器的侧视图；图6C是图6B的分区振荡器平盘的侧视图6D是图6B的分区振荡器平盘的平面图；图6E是根据本发明的一个实施例的分开的流体收集系统的侧视图；图6F是根据本发明的一个实施例的分开的流体收集系统的平面图；图7是在变化的每分钟转速之下的底部钻井液、真空筛网钻井液及经离心分离的钻井液的粘度的曲线图；图8是图示在变化的每分钟转速之下的底部钻井液、真空筛网钻井液及经离心分离的钻井液的粘度的双对数曲线图；图9是图示底部钻井液、真空筛网钻井液以及经离心分离的钻井液的塑性粘度、屈服点以及胶凝时间为IOmin以及IOs的曲线图；
图10是图示底部钻井液、真空筛网钻井液以及经离心分离的钻井液的固体分布的曲线图；图11是图示底部钻井液、真空筛网钻井液以及经离心分离的钻井液的乳液稳定性的曲线图；图12是图示底部钻井液、真空筛网钻井液以及经离心分离的钻井液的微粒大小分布的曲线图；图13是图示底部钻井液、真空筛网钻井液以及经离心分离的钻井液的微粒大小分布(<2μπι)的曲线图；图14是图示钻屑与根据本发明的真空系统的筛网的基本相互作用的简图；以及图15是图示在各种筛孔尺寸之下用于克服各种不同的流体的表面张力的相对真空的曲线图。
具体实施例方式将参考附图来描述改善的钻屑/钻井液分离系统的实施例。含延伸物的振荡器筛网在多个实施例中，如图I至图3及图3Α至图3Η所示，振荡器10具有延伸筛网11和模块扩展单元(MEU) 12a。确切地说，这些MEU实施例实现了可出于各种功能性原因用较长的筛网床来改装由不同制造商制造的振荡器，这些功能性原因包含并入真空歧管12或双重流体收集系统或分开的流体收集系统，下文将对此进行详细解释。确切地说，在一些振荡器设计中，当振荡器床下方的空间或容积不能很好地容纳真空歧管时，将真空歧管系统12 (如在本案申请人的同时待审申请案中所描述)附接到振荡器在技术上是有挑战性的。另外，在一些设计中，在振荡器床下方添加真空软管会造成真空软管的过早磨损及/或故障，这是由于与不同的振荡器结构的冲击/摩擦所造成的。如图I至图3及图3A至图3H所示，可将呈MEU 12a形式的振荡器延伸物并入以形成更大的振荡器床，以使得额外的筛网可配置到新的振荡器床，该振荡器床延伸并超过振荡器的常规末端。如图I所示，所述MEU还使得真空歧管12以本案申请人的同时待审申请案及本文描述的方式，配置到振荡器床的延伸部分。在振荡器床的原始部分中，流体穿过筛网10a，并且被振荡器的常规流体收集系统(通常为具有排液口的平盘)收集。在筛网11的延伸部分中，流体以分开的方式被收集，例如通过被配置到MEU 12a的真空歧管12。
因此，借助于延伸物，在振荡器外围导引真空歧管12、真空软管16以及其他真空设备，较在先的系统具有更大的优势。例如，对于由特定制造商构建的振荡器而言，实质上，MEU降低了成本，这是因为，与在振荡器主结构内用真空歧管系统改装相比，可实质地减少改装的时间成本及/或劳力成本。此外，在将单个真空泵配置到在不同振荡器上的一个以上的真空歧管的情况中，MEU可简化配置，这是因为连接管路得到了简化。此外，如果在操作期间真空回收线路被堵塞，因为MEU位于振荡器外部，所以通常无需关闭振荡器，也就不会影响钻探操作，这样在保持振荡器操作的同时仍可对堵塞的线路进行修理。图2图示振荡器10的俯视图，振荡器10具有含延伸的筛网床的MEU 12a ;图3图示振荡器的端视图，所述振荡器含MEU及延伸的筛网床。最佳如图3所示，所述MEU包含真空歧管12及与其附接的真空软管16。还应注意，图I图示的是振荡器床在上部分IOa与下部分IOb之间为台阶构造的形态的实施例。
一般可通过焊接或将延伸物螺栓连接到振动托盘(如模块扩展单元(MEU) 12a)的方式来延伸振荡器床。在这种情况下，MEU包含用于实现将MEU 12连接到振荡器床的各种凸缘、角接板及/或托架。如图3A所示,所示MEU具有单层筛歧管12b,所述单层筛歧管12b定义MEU的底部，用于连接到真空软管。该MEU包含前构件12c、后构件12d及侧角接板12e，这些构件构成MEU的末端。所述后构件及侧角接板包含合适的螺栓孔12f，用于将该MEU连接到特定振荡器，及/或用于另外的托架连接。例如，如图3B所示，所述MEU可包含额外的托架12g，这些额外的有合适的孔的托架12g来实现与特定振荡器的连接。如图3A所示，后构件、侧角接板及前构件中的每一者包含合适的轨道12h，以便操作性支撑筛网框。图3C及图3D图示另外的实施例，其中MEU具有不同的侧角接板12e、托架12g及后构件12d以便连接到不同的振荡器。如图3D所示，所示筛网床13固定到该MEU。在此实例中，该筛网床包含其自身的框13a，框13a具有侧块13b，从而实现将筛网框13a放置到该MEU上，其中侧块13b在由成角度的托架12i与该MEU界定的槽口内固定筛网框。图3E至图3H图示侧角接板及托架的另外实例。重要的是，该MEU既可在有真空的条件下操作，也可在无真空的条件下操作。换言之，该MEU可用来加长振荡器床，从而较易地实现不同筛孔尺寸的筛网的配置，和/或实现真空系统的并入。在不同区段中的筛孔不同的筛网在如图6至图6F所示的另一个实施例中，提供在位置3、位置4及位置5处并入筛孔不同的筛网的振荡器系统。在这些实施例中，操作者可能愿意在振荡器的下游真空区段上的位置5处使用较粗大的筛网，在振荡器的上游区段上的位置3、4处使用较微细的筛网。例如，尽管一般人们希望使得筛网尽可能微细来防止小颗粒通过筛网，这是因为小颗粒可能对钻井液的性能具有不良影响，但是过于微细的筛网可能造成大量的流体溢出振荡器，进而造成钻井液/钻屑分离不良，并因此影响到钻井液的回收，即使在存在真空系统的条件下也会这样。因此，根据本发明，可在振荡器的下游部分中利用较粗大的筛网，以改善钻井液/钻屑的整体分离。尽管使用筛孔不同的筛网可能会使得在筛网下游区段处穿过筛网的较大颗粒增多，但是上游区段8和下游区段6上的分开的流体收集系统可以确保从上游区段所回收的流体基本上没有较大固体颗粒。因此，尽管从下游区段6回收的流体有可能含有较大比例的固体颗粒，但是可用二级分离技术对从这些下游区段回收的流体进行分开处理。因为一般使用这些二级分离技术对较小量的所回收的钻井液进行处理，所以与在对较大量的所回收的钻井液应用此类二级分离技术时相比，这些技术显得更有效率。例如，在通常的钻探操作下，钻头通常会以2m3/min来循环使用流体，并且可能有两台振荡器及一台离心机来作为固体分离设备的一部分。该离心机可能具有O. 3m3/min的最优处理速率，这意味着对速率为I. 7m3/min的钻井液，不能以与流体循环相同的速率来对其进行处理。另外，为了防止在振荡器上的钻井液的损失，要求操作者只能使用切割点大于82微米的API 170目筛网。这就意味着速率为I. 7m3/min的含小于82微米的固体颗粒的流体被再次循环到井下，在井下这些固体颗粒经抽吸、钻头处的剪切，以及在钻头岩面处的粉碎等侵蚀性条件下大小减小。在这些条件下，最终在钻井液系统中堆积了颗粒微细的物质，这些物质相应地具有高的表面积及高的电荷密度，从而产生随后可能需要的比重更大的流体，但粘度也随之增加，这不是人们所希望的；因此可通过加大所添加的化学品的量/浓度来减轻这些影响。 为解决这些问题，通过将分区并入振荡器的振荡器及流体分离系统的实例来描述。在此实例中，较微细筛网(例如，API 325目筛网)定位在振荡器的上游位置。在正常操作中，这些筛网可有效地处理以大约为I. 7m3/min通过筛网的流体，并进而分离出大小大于41.5微米的颗粒。粗大筛网并入在振荡器的下游位置(例如，API140目)上以允许剩余的
O.3m3/min穿过筛网，并防止流体流出振荡器的末端。因此，这个筛网会允许所有小于98微米的颗粒穿过筛网。如此分区实现了从不同的振荡器区段分开收集流体。来自粗大筛网区段的流体占越过振荡器的流体的总体积的相对小比例，该流体接着由离心机来处理，以移除小至2微米的固体颗粒。因此，本系统及方法通过更有效地分离粗大固体颗粒，并在这些粗大固体颗粒再次进入循环系统而破碎之前将其移除，有效地延缓了在循环利用的钻井液中的固体颗粒的堆积。另外，在粗大筛网区段的一区段或一部分上并入真空系统(不论是否分区)，仍可以以极相同的方式起作用，从而允许操作者使用更微细的筛网，且不会有流体流出振荡器末端。然而，因为可能在振荡器床的较大区段上不应用真空系统，所以分区处理通常可提供的处理体积(即O. 3m3/min) 一般大于真空处理每秒通常所提供的O. 1-0. 2m3/hr。重要的是，上述系统及方法可有效预防系统中的微细颗粒的产生。也就是说，应理解，在岩面上的钻头动作并未将极微细的固体颗粒产生到显著量，所以在分区/真空形式下，振荡器的强力度的初处理进行的固体分离可有效预防微细颗粒的产生。在另一个实施例中，如图4及图5所示，用于给真空歧管12施加真空压力的真空泵系统20也可包含雾气收集系统22，用于收集可能从钻井液及切削物在筛网上的的振荡动作中释放出的钻井液雾气。雾气收集系统22 —般包含抽雾机2，抽雾机2配置在振荡器上，包含合适的管路I、压力控制阀7、8以及真空泵9。如图4所示，该雾气收集系统可还包含脱水系统22a，所述脱水系统22a含有用于从所回收的雾气中除水的干燥剂。如上提及，图6及图6A至图6F展示了使用二级流体收集系统的实施例。该二级流体收集系统可呈，例如一个或多个料斗6、6a (图6、图6E及图6F)的形式、一个或多个分区(图6B、图6C、图6D)或具有分开的管路系统的料斗、分区及MEU (图6A)的组合。在该料斗系统中，一个或多个料斗用于从振荡器的特定区域收集流体，其中在这个区域穿过筛网的流体将掉落在料斗中，实现收集的目的。料斗6、6a可直接连接到振荡器床，使得料斗与振荡器床一起移动，或者可连接到与该振荡器床分开的振荡器，以使得料斗并不与振荡器床一起移动。重要的是，在料斗配置到振荡器的情况中，振荡的料斗可对接触料斗的钻井液具有剪切稀化效应，促进了钻井液流动离开振荡器床，这是由于剪切力诱发了流体粘度的减小以及振荡施加给流体的动量的减小。如下文更详细描述，这样可改善在系统内的流体及固体的总体处理。在分区系统中，一个或多个分区28配置到振荡器平盘30内的托架29，以在振荡器平盘内产生分开的容纳区域。正常地，每个分区会位于不同筛孔大小的筛网之间的过渡点。此外，在另外的实施例中，这些分区可重新定位在不同的托架29内，使得在操作中要调整筛孔大小时操作者可快速地调整这些分区的位置，如图6B至图6D所示。
图6A还图示了完整的分离系统，包含分区振荡器、MEU 12a、真空系统20以及二级流体处理系统60。如图示，振荡器已用延伸的筛网改装，其中延伸的部分配置有真空歧管
12。所示料斗6朝振荡器下游端被配置到振荡器，而分开的流体收集系统30被提供在料斗的上游。在此实施例中，朝振荡器的上游端引入钻屑，并且使得钻屑朝下游端前进。在上游区段中，该振荡器通常配置有较微细的筛网，进而大体防止粗大的颗粒穿过筛网，但这同样限制了钻井液穿过筛网。通过管路26a从振荡器平盘30的这些区段收集的钻井液由于大体上不存在固体颗粒而可立即返回到“清洁”的钻井液槽26中以便于通过管路27而在井中再次被利用。在振荡器内，较粗大的筛网定位在料斗6上方，使得较大比例的钻井液及粗大固体颗粒穿过此筛网区段。由于所回收的流体会含有较高比例的固体颗粒，所以一般需要二级流体分离。因此，在“不洁”的钻井液槽19中收集这些流体以用于二级处理。将槽19中的浆料通过离心机管路24a泵入到离心机24中，进行固/液分离。经分离后，将清洁好的流体输送到清洁的钻井液槽26，并移除固体颗粒23。由于一般需要该离心机来分离所回收的钻井液的总量中的较小比例，所以与需要对所有所回收的钻井液进行二级分离的离心机相比，该离心机一般体型更小。因此，可实现高的操作效率。此外，该系统还可包含真空系统20，用于对从振荡器10离开的钻屑提供最后的处理。在此区段中的筛孔大小大体上等同于紧靠着的振荡器上游区段的筛孔大小，但是可能还会更微细，因为在此区段上通过的钻屑受到了更大的分离力，这是由于所应用的真空的作用。在图6A中，所示振荡器配置有MEU 12a，尽管对于某些振荡器而言未必需要如此配置。从振荡器的MEU区域回收的流体一般会返回到不洁槽19，尽管如果在MEU上应用微细筛网，这些流体也可直接回到清洁槽26。可能使用其他的泵(未图示)来确保合适的流体运动。所属领域的技术人员将理解，可根据上述基本原理，基于所观察到的操作条件，来实施特定设计的各种变体。例如，尽管前述描述主要详细描述了改装现有振荡器来增加额外的功能性，但是应理解也可将上述功能性并入到最初的设备设计中。实例
重要的是，上述系统提供了一种从钻井液中分离钻屑且对所回收的钻井液质量没有显著不利影响的有效方法。为便于说明，对典型的钻井液进行评估，以确定不同分离技术对所回收的钻井液的有效性。以下数据取自在通常的钻井过程中所使用的EDSI 4G油浸泥的样本(Engineered Drilling Solutions Inc.，Calgary, Alberta)。钻井液从井中被回收并且在具有经改装的真空筛网的振荡器上通过。从真空筛网回收的钻井液被回收，并且保留样本以用于测试(称为“真空筛网样本”)。接着使用沉降离心机，利用二级分离技术对所回收的钻井液进行处理，并保留从离心机器件回收的样本以用于测试(称为“离心机样本”)。收集从振荡器筛网下方回收的钻井液的另外样本(称为“底部样本”)，以用于与真空筛网样本与离心机样本进行比较。表I及图7至图13图示每个样本的各种性质表I-经添加重晶石的油浸泥性质
对购 Suncor Ρ30的样本进行_油浸-测试——经添加:重品的钻井液_
样本I底部样本1 筛W样本I离心机样本
件:质____
,,{ 12601285丨020
序1 -乂_kg/m3_kg/nr、_kg/m3_
-l·镏结果 __ ,__
|._116,00%^1564 kg/m 16.00%1592 kg/m3 丨6.50% 1252 kg/m3
水5.00% 50 kg/m3 3.00%30 kg/m3 2.00% 20 kg/m3
油79.00% 646 kg/m3 81.00%663 kg/m3 91.50% 748 kg/m3
_/水94/696.5/3.597.9/2.1
ASG W 体3524 kg/m33703 kg/m 3870 kg/m;i
i'4 比1TUAl 休323 kg/m'’418 kg/nr209 kg/m^5
低比 lKllllI 体__241 kg/m3___174 kg/W__43 kg/m3
流变f性质
粘度ihR_|[P0i7iI._变|.........................................................................................................................
60041-19.51% 33-19.70% 26,5
30026-28.85% 18.5-16.22% 15.5
20020-30.00% 14-14.29% 12
10014-35.71% 9-11.11% 8
64.5-55.56% 225.00% 2.5
3_[41-50.00% 12丨 0.00% [2
资汉流休作质______
14 S11 O
■剛件粘度 15.OmPa-S -3.33%二 -24.14%
mPa.smPa.s
.M服点5.2 Pa -63.64% 1.9 Pa 12.50% 2.1 Pa
权利要求
1.一种用于改善在振荡器上将钻井液从钻屑中分离的系统，所述振荡器具有振荡器筛网和支撑系统，用于在振荡器内支撑被钻井液污染的钻屑；所述装置包含 第一流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第一区段中收集钻井液；以及 第二流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第二区段中收集钻井液。
2.根据权利要求1所述的系统，其中从所述第一及第二浆料收集系统中的每一者中收集的所述钻井液被彼此独立地处理。
3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的系统，其中所述第二流体收集系统包含筛网延伸物和筛网，用于改装连接到所述振荡器筛网和支撑系统，所述筛网延伸物和筛网延伸并超过所述振荡器筛网和支撑系统的原始长度；以及改装的钻井液收集系统，所述改装的钻井液收集系统操作性连接到所述筛网延伸物，用于从所述筛网延伸物和筛网中收集流体。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的系统，其中具有不同的筛孔尺寸的分离的筛网操作性定位在所述第一及第二流体收集系统中的每一者之上。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的系统，其中所述第一及第二流体收集系统中的至少一者包含料斗。
6.根据权利要求1所述的系统，还包含至少一个第三流体收集系统，用于操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统下方，以从所述振荡器筛网和支撑系统的第三区段中收集钻井液，并且其中具有不同的筛孔尺寸的分离的筛网操作性定位在所述第一及第二流体收集系统以及至少一个所述第三浆料收集系统中的每一者之上。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的系统，其中所述流体收集系统中的至少一个区段包含真空系统。
8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的系统，其中所述第一及第二流体收集系统被壁式分区分开。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述壁式分区为可调节的，允许操作者调节所述第一及第二流体收集系统中的每一者的相对尺寸。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的系统，还包含雾气收集系统，所述雾气收集系统操作性定位在所述振荡器筛网和支撑系统之上，以收集在所述振荡器的操作中释放的钻井液雾气。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述雾气收集系统包含干燥剂。
12.根据权利要求1所述的系统，还包含一级分离槽，所述一级分离槽操作性连接到所述第一流体收集系统，其中从所述第一流体收集系统收集的钻井液被输送到所述一级分离槽；以及二级分离槽，所述二级分离槽操作性连接到所述第二流体收集系统，其中从所述第二流体收集系统收集的钻井液被输送到所述二级分离槽。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述振荡器筛网和支撑系统的所述第一及第二区段中的每一者操作性地支撑筛孔尺寸不同的筛网，其中筛孔尺寸较小的筛网位于所述振荡器筛网和支撑系统的上游区段内。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其中来自所述二级分离槽的钻井液被输送到二级分离系统以便移除固体。
15.根据权利要求14所述的系统，其中来自所述二级分离系统的钻井液被输送到所述一级分离系统。
16.根据权利要求14所述的系统，其中来自所述一级分离槽的钻井液被再次用于钻探。
17.根据权利要求12至16中任一权利要求所述的系统，其中所述振荡器筛网和支撑系统的下游区段中的一部分包含真空系统，所述真空系统操作性连接到所述振荡器筛网和支撑系统以及所述二级分离槽，所述真空系统用于给所述振荡器床中的一区段施加真空压力。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述真空系统包含与所述振荡器筛网和支撑系统相邻的气阀，用于将一定量的空气引入到所述真空系统中，以在所述真空系统中引发湍流来强化气/液分离。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中所述真空系统包含具有气体传感器的气/液分离器，以便检测在所述钻井液内的地层气体的浓度。
20.根据权利要求7所述的系统，其中所述真空系统包含真空歧管，所述真空歧管操作性连接到筛网；以及真空气阀，所述真空气阀与所述真空歧管相邻或者构成所述真空歧管的一部分，用于调节所述歧管内的真空。
21.根据权利要求3所述的系统，其中被改装到所述振荡器筛网和支撑系统的所述筛网延伸物和筛网包含歧管，所述歧管操作性连接到流体收集系统。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述雾气收集系统包含真空系统。
23.根据权利要求5所述的系统，其中所述料斗连接到所述振荡器筛网和支撑系统，并且在所述振荡器的操作期间与所述振荡器筛网和支撑系统一起振动。
24.一种在具有振荡器筛网的振荡器上将钻屑与钻井液分离的方法，包含步骤 a)对在振荡器筛网的第一及第二区段上的钻井液及钻屑进行筛网分离；以及 b)将来自所述第一及第二区段的钻井液分别收集到第一及第二流体收集系统中。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一及第二区段具有不同的筛孔尺寸。
26.根据权利要求24或35所述的方法，进一步包含对来自所述第二流体收集系统的钻井液进行二级分离以移除固体的步骤。
27.根据权利要求24至26中任一权利要求所述的方法，进一步包含通过真空系统对来自所述第二区段的钻井液中的一部分经由所述振荡器筛网进行真空分离的步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其中与在所述第一区段中的较微细筛网相比，通过较粗大筛网进行真空分离。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包含控制穿过所述振荡器筛网的空气流以改善从所述真空系统回收的钻井液的乳液稳定性的步骤。
30.根据权利要求27至29中任一权利要求所述的方法，其中所述真空系统包含气/液分离器及气体传感器，并且所述方法进一步包含监测从所述钻井液回收的地层气体的浓度的步骤。
31.一种操作性连接到振荡器的下游末端的模块扩展系统(MEU)，包含 主体，用于操作性连接到在所述振荡器上的振荡器床，所述主体支撑筛网以及流体收集系统，所述流体收集系统操作性连接到所述筛网。
32.根据权利要求31所述的模块扩展系统，其中所述主体包含； 开放的漏斗形歧管，用于朝真空歧管开口排放钻井液，其中所述真空歧管开口包含用于连接到真空系统的真空连接系统； 操作性连接到所述漏斗形歧管的前构件、后构件以及复数个侧角接板，其中所述前构件、后构件及侧角接板操作性地支撑筛网和筛网支撑系统。
33.根据权利要求32所述的模块扩展系统，其中所述侧角接板包含复数个托架，所述托架用于将所述侧角接板操作性连接到振荡器框。
全文摘要
本发明描述了用于从钻屑中分离流体的系统及方法。确切地说，本发明涉及包含真空系统及/或分区的改装的振荡器，以及操作此类振荡器来实现流体高度分离的方法。所述系统和方法在多种筛孔尺寸、真空流以及真空设计中都是有效的。所述系统尤其有助于从钻井液中分离气体。
文档编号B01D21/02GK102906367SQ201180023736
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月11日 优先权日2010年5月12日
发明者丹尼尔·盖·波默洛 申请人:丹尼尔·盖·波默洛