NO783887L - Apparat for stroemningsregulering og partikkelseparasjon - Google Patents

Description

Apparat for strømingsregulering og partikkelseparasjon.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et partikkelsegregerings-apparat for selektiv segregering av partikler basert på partikkel-størrelse og -densitet.

Forskjellige metoder og apparater har vært benyttet for å segregere partikler som har varierende egenskaper. Segregering av partikler fra hverandre og separasjon av partikler fra fluider som tjener som bærere for partiklene, må utføres av mange industrier. Eksempler på slike prosesser er behandling av gasser og behandling av væsker som inneholder forskjellige faste materialer som krever segregering i henhold til partikkel-egenskaper så som størrelse og densitet. I fluider kan det være suspendert forskjellige væsker og faste partikler som krever segregering fra hverandre og separasjon fra gassene som partiklene er suspendert i. En blanding av fluider kan kreve segregering i henhold til molekylvekten av de forskjellige partikler som utgjør hver av gassene som danner blandingen.

Et spesielt viktig problem som påtreffes i petroleum-industrien er behandling av borefluider som involverer behandling av større kvanta blandinger av væske og faste partikler, hvilke blandinger inneholder faste partikler som skal beholdes i borefluidsystemet og faste partikler som er plukket opp av fluidet under boringen og som skal fjernes fra systemet. Inn-holdet av faste partikler i en borefluid må reguleres nøye for å sikre at borefluidet skal funksjonere på riktig måte under boreoperasjonen. Kontroll av viskositet og vekt er forhold som må tas hensyn til ved tilberedelse og håndtering av borefluider. Borefluidet kan være fortynget med et pulver-materiale med relativt høy densitet, så som baritt. Viskositeten jav borefluidet reguleres til en verdi som er overensstemmende J

Jmed forønskede krav til lav pumpeenergi innenfor den ramme som gir passende borehullkondisjonering. Ved sikrulasjon av borefluid gjennom et borehull vil fint fordelte borespon

.samles i fluidet, og viskositeten av fluidet vil øke som et resultat av dette, ofte i en slik grad at fluidet ikke lenger

kan pumpes. Slike forhold krever både fjerning av noen av de finfordelte borespon og reetablering av fluidets nødvendige viskositet. Viskositeten kan reduseres ved å tilføre suspensjons-medium, men i et lukket sirkulasjonssystem må det tas ut en fluidmengde ekvivalent med den tilførte mengde. Uten bruk av metoder og apparater for å segregere uønskede spon fra de som skal beholdes, vil avtappning av fluider i samme mengde som de som tilføres for å redusere viskositeten, resultere i tap av dyre fortyngningsmaterialer som i betydelig grad øker boreomkostningene.

Et vanlig benyttet apparat for separasjon av faste partikler

fra fluider har vært dekanteringssentrifugen. I bruk krever sentrifugen vanligvis rotasjon av hele den masse av materialer som behandles. Videre medfører rotasjon av hele materialmassen som behandles i en konsentrasjon av materiale i form av slam langs innerveggen av sentrifugens roterende trommel. På grunn av visse merkelige egenskaper ved enkelte borefluider, støter man på vanskeligheter ved bruk av en sentrifuge til å utføre separasjonsprosesser for fluider og faste stoffer. Borefluider som inneholder faste stoffer er slik oppbygget at

de har en tendens til å stivne eller sette seg under statiske betingelser. Når denne type borefluider behandles i en sentrifuge hvor hele massen antar vinke lhastigheten til de roterende partier av sentrifugen, vil borefluidene ha en tendens til å stivne og således få en konsistens som vil motvirke den nødvendige forflyttning av partiklene som skal separeres.

Et apparat for utførelse av partikkelsegregering som benytter

en gjennomtrengelig roterende ringformet del hvor det er unødvendig å rotere hele massen av materialet som behandles ved hastigheten til det roterende element, er vist i US patent nr. 3 400 819, som medtas her som referanse. Partikkelseparasjons-,evnen til dette apparat er hovedsakelig avhengig av at. det

får funksjonere innenfor sin kapasitetsbegrensning og krever kontinuerlig justering av strømningsvolumhastigheten som deles i understrøm og overstrøm (eller avløpsstrømmer). Dette

.apparat kan benyttes på flere forskjellige arbeidsmåter for

bruk i et boreslamsystem. Eksempelvis kan apparatet modifiseres slik at det beholder understrømmen og kasserer overstrømmen (eller avløpet). Denne programmering ville være å foretrekke når det er ønskelig å øke vekten av borefluidsystemet. Alternativt, .. når det er ønskelig å benytte et lettere borefluid, kan apparatet programmeres slik at overstrømmen beholdes mens understrømmen kasseres.

Videre krever apparatet vist i US patent 3 400 819 bruk av

tre separate pumpeenheter, et hydraulisk system og et styrepanel for betjening av pumpene, så vel som andre valgfrie mekaniske elementer. I en foretrukket arbeidsmåte har dette apparat sin innløpsvolumhastighet etablert ved innstilling og kalibrering av omdreiningshastigheten for en av de tre pumper, dvs. slam-pumpen, som er direkte koblet til en andre pumpe eller vann-pumpe ved hjelp av et synkroniseringsbelte eller ved hjelp av en hydraulisk styreventil og en hydraulisk motor. Når inn-løpsvolumhastigheten er bestemt, vil imidlertid separasjonen eller "fraksjoneringen" som oppnås avhenge av styring av understrøm/overstrøm-volumhastigheten. Dette oppnås ved å innmontere i enheten en pumpe ved understrømsutløpet og regulere dennes hastighet med en hydraulisk styreventil og hydraulisk motor. For hver innløpsstrømningshastighet, hver slamvekt og hver slam-vannfortynningshastighet, er det en optimal strømnings-deling og pumpen må justeres tilsvarende. Dersom apparatet således justeres riktig og kontinuerlig, vil apparatet gi den forønskede separasjon eller "fraksjonering". Den angitte separasjon eller "fraksjonering" er ikke alltid mulig å oppnå

i og med at pumpens forhold mellom omdreiningshastighet og strømningskapasitet kan variere i betydelig grad. Videre krever mangfoldigheten av styrekomponenter betydelig trening •

for å sikre riktig funksjon av maskineriet, samt øker vedlike-holdsomkostningene.

.Det er blitt, fastslått at "fraksjoneringen" eller separeringen i i I

son oppnås ved hjelp av dette apparat, er direkte proporsjonalt med forholdet mellom understrømsvekt og tilført borefluidvekt. Vider.e er det oppdaget at en passende strømningshastighets-deling mellom understrøm og overstrøm kan oppnås på tilfreds-stillende måte ved å benytte en chokemekanisme eller strømningsregulator isteden for understrømspumpen. Denne . modifikasjon ville resultere i eliminasjon av understrømspumpen, hydrauliske styringer, hydraulikkreservoir og varmeveksler i apparatet.

Foreliggende oppfinnelse vedrører bruk av et apparat for å oppnå selektiv partikkelseparasjon i en væskeblanding som inneholder faste partikler av forskjellig vekt, hvilket apparat omfatter en beholder som er forsynt med et trykktett, lukket kammer. En første ledning er festet til beholderen og benyttes for innføring av blandingen av væske og faste partikler i kammeret. En hul sylinder er roterbart under-støttet i kammeret, og en andre ledning er anordnet for fjerning av overstrømsdelen av blandingen av væske og faste partikler som inneholder klassifiserte finere og faste partikler fra det indre av den sylindriske innretning. En tredje ledning er anordnet for fjerning av understrømdelen av væskeblandingen som inneholder klassifiserte grovere partikler fra kammeret på utsiden av den sylindriske innretning. Den sylindriske innretning i beholderen danner en ytre flate med flere åpninger som hver er et multiplum av tverrsnittsarealet av de største partikler i blandingen for å forhindre partiklene i å sperre åpningene, idet totalarealet av åpningene er mellom omtrent 5 og omtrent 30% av det sylindriske overflateareal av den sylindriske innretning, hvor den sylindriske innretning har et forhold mellom lengde og radius på minst omtrent 2.0, idet forholdet mellom diameteren av åpningene og diameteren av den sylindriske innretning er omtrent mellom 0.01 og omtrent 0.1. En chokeinnretning med full åpning står i forbindelse med

i det minste den andre eller den tredje ledning og gir selektiv regulering av strømningshastigheten mellom overstrømmen av blanding av væske og faste partikler og understrømmen av blandingen av væske og faste partikler. Det er også tilveiebragt midler for understøttelse og rotasjon av den sylindriske inn-iretning med en forutbestemt hastighet i kammeret for å gi selektiv

separasjon av de faste partikler.

Beskrivelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til

de utførelseseksempler som er vist på tegningene.

Fig. 1 er et strømningsdiagram som viser en partikkelsegregator som benyttes i et system for å redusere mengden av fine faste partikler for gjenvinning av baritt fra forurensede borefluider. Fig. 2 er et lignende strømningsdiagram som illustrerer bruk av den justerbare choke i et apparat som benytter kun én pumpe-mekanisme. Fig. 3A er et snitt gjennom et utførelseseksempel på den justerbare chokemekanisme ifølge foreliggende oppfinnelse som illustrert på fig. 1 og 2, hvilken justerbar choke er vist i fullt åpen stilling. Fig. 3B er et snitt i likhet med fig. 3A og viser den justerbare choke i delvis sammentrykket stilling. Fig. 4 er et skjematisk snitt som viser apparatets separasjons-kammer.

På fig. 1 er apparatet vist innlemmet i et borefluidsirkulasjons-system. Borefluid gjenvinnes fra et borehull og føres til et slamlager som inkluderer en bunnfellingstank og en sugetank 11. Borefluidet fjernes fra bunnfellingstanken gjennom ledningen 12 ved hjelp av pumpen 13, som fortrinnsvis er en positiv fortrengningspumpe, og føres gjennom innløpsledningen 14 inn i partikkelsegregereren 15 som kan være montert på en ramme eller trailer. For å tilveiebringe suppleringsvæske samt å forbedre kapasiteten av anordningen, kan vann fjernes fra et vannlager gjennom ledning 16 ved hjelp av en vann-pumpe 17 og innføres i innløpsledningen 14 for å fortynne matningen til partikkelsegregereren. Selv om det er å foretrekke at vannet fortynner matningen til segregereren, er det klart at vann alternativt kan tilføres andre steder i systemet.

j

iSora vist på fig. 4 blir det fortynnede fluid bestående av væske<J>

og faste partikler pumpet inn i et stasjonært løp eller partikkelsegregerer 15 i tangensiell retning. Separasjons-kammeret 15 omfatter en ytre.stasjonær hylse 15A som har et hult indre. Et perforert sylindrisk element 15B bæres inne i hylsen 15A og kan roteres ved hjelp av en kraftenhet og et transmisjonssystem som påvirker en perforert rotoraksel 15C som bærer den perforerte sylinder 15B rundt sitt ytre. Blandingen av væske og faste partikler må enten passere gjennom den perforerte sylinder 15B og ut gjennom den perforerte aksel 15C, eller alternativt må den passere mellom den perforerte sylinder 15B og ut gjennom understrømsporten. Ytelsen av apparatet er igjen avhengig av styring av volumhastighetjusteringen mellom overstrøm og understrøm. Ved riktig justering vil de

fine lette leirepartikler komme ut i overstrømmen og de tyngre barittpartikler vil komme ut gjennom understrømmen.

For å oppnå passende strømningshastighetsdeling mellom over-

strøm og understrøm, foreslås det ifølge foreliggende oppfinnelse å benytte en justerbar chokemekanisme 100 (som vist på fig. 3A

og 3B) som fortrinnsvis er plassert umiddelbart inntil partikkelsegregereren og som står i forbindelse med understrømsledningen som strekker seg fra partikkelsegregereren til sugetanken. Den justerbare choke 100 er et langstrakt legeme 101 som har en boring 101A. Legemet 101 er forbundet ved hjelp av gjenger 101B til understrømsporten i partikkelsegregereren. En trykkindikator 102 av kjent konstruksjon kan festes i legemet 101 av den justerbare choke 100 for måling av trykket i den justerbare choke 100 for å bidra ved justering av choken 100, men dette er ikke nødvendig for dennes funksjon. Et utvidet sentralt legeme 103 er festet til hovedlegemet 101 ved hjelp av gjenger 103A,

og en elastomer O-ring 104 som er anordnet i et spor 104A for-hindrer fluidkommunikasjon mellom legemene 101 og 103. Et langs-gående elastomert element 105 som har en boring 105A derigjennom og som står i forbindelse med boringen i legemet 101, bæres i det utvidede legeme 103, idet den indre ende 101C på legemet 101 og den innadvendende skulder 103B på det indre legeme 103 fastholder det elastomere element 105 i det utvidede legeme 103. En kobling 106 er festet ved hjelp av gjenger 106A på dét utvidede legeme 103 og danner begynnelsen av en ledning for overføring

jav .understrømmen til sugetanken. i I Den justerbare choke 100 kan lett justeres for sammentrekning av åpningen gjennom det indre av det elastomere legeme 105

kun ved å rotere det sentrale eller utvidede legeme 103 i forhold til legemet 101, idet gjengene 103A tillater legemet 103

å bevege seg langs dette. Når legemet 103 manipuleres vil choken 100 teleskopere og tillater variasjon av åpningen i det elastomere element 105.- Dersom legemet 103 eksempelvis beveges mot legemet 101, vil skulderen 103B på det indre legeme 103 og enden 101C av legemet 101 komprimere det elastomere legeme 105 som et resultat av den indre teleskoperende virkning av legemene 101 og 103. En slik stilling av den justerbare choke 100 er vist på fig. 3B. -

Selv om oppfinnelsen i det foregående er beskrevet i forbindelse med spesielle utførelseseksempler som ér angitt i detalj,

vil det forstås at dette er gjort kun av illustrasjonshensyn og at oppfinnelsen ikke nødvendigvis er begrenset til disse fordi alternative.utførelser og bruksmåter vil være nærliggende for fagmannen i lys av denne beskrivelse. Således tenker man seg modifikasjoner som kan utføres uten å avvike fra opp-finnelsens idé.

Claims (2)

1. Apparat for utførelse av selektiv partikkelseparering i en blanding av en væske og faste partikler, hvilken blanding inneholder partikler av varierende dimensjon og vekt, karakterisert ved at den omfatter: En beholder forsynt med et trykktett, lukket kammer; en første ledningsinnretning festet til beholderen for innføring av væskeblandingen inn i nevnte kammer; en hul sylinderinnretning som er roterbart understøttet i kammeret; en andre ledningsinnretning for fjerning av en overstrø msdel av væskeblandingen som inneholder en øket konsentrasjon av finere faste partikler jfra det indre av nevnte sylindriske innretning; en tredje j

j ledningsinnretning for fjerning av en understrømsdel av nevnte væskeblanding som har en øket konsentrasjon av grovere i faste partikler fra nevnte kammer utenfor nevnte sylindriske innretning, idet den sylindriske innretning har en sylindrisk 'ytre flate som er forsynt med et flertall åpninger som hver har et tverrsnittsareal som er et multiplum av de største partikler i nevnte væskeblanding for å forhindre partiklene i å tilstoppe åpningene, idet totalarealet av åpningene er omtrent mellom 5 og 30% av det sylindriske overflateareal av den sylindriske innretning, og idet den sylindriske innretning har et forhold mellom lengde og radius på i det minste 2.0 og forholdet mellom diameteren av åpningene og diameteren av den sylindriske innretning er omtrent mellom 0.01 og 0.1; en chokeinnretning med full åpning som står i forbindelse med i det minste en av nevnte andre og tredje ledningsinnretning, idet chokeinnretningen tilveiebringer selektivt regulering av strømningshastigheten mellom nevnte overstrøm av nevnte blanding og nevnte understrøm av nevnte blanding; og midler for å under-støtte og rotere nevnte sylindriske innretning ved en forutbestemt hastighet.i nevnte kammer for å tilveiebringe selektiv separering av de faste partikler.

2. Apparat for utførelse av selektiv partikkelseparering i en blanding av væske og faste partikler som inneholder faste partikler med varierende dimensjon og vekt, karakterisert ved at den omfatter: En beholder forsynt med et trykktett lukket kammer; en første ledningsinnretning som er festet til beholderen for innføring av nevnte væskeblanding i kammeret; en hul sylindrisk innretning som er roterbart understøttet i nevnte kammer; en andre lednings- .innretning for fjerning av en overstrømsdel av nevnte væskeblanding inneholdende en øket konsentrasjon*, av finere faste partikler fra det indre av den sylindriske innretning; en tredje ledningsinnretning for fjerning av en understrømsdel av nevnte væskeblanding med en øket konsentrasjon av grovere faste partikler fra nevnte kammer utenfor nevnte sylindriske innretning; en chokeinnretning med full åpning som står i forbindelse med minst en av nevnte andre og tredje ledningsinnretning, hvilken chokeinnretning er forsynt med selektiv regulering av strømnings-^ -jhastigheten mellom avløpet av nevnte blanding og nevnte under- j strøm av nevnte blanding; og midler for understøttelse og Ii rotasj. on av nevnte sylindriske innretning med en forutbestemti hastighet i nevnte kammer for å tilveiebringe selektiv separering av de faste partikler.