Uncovering the key technology of cryogenic drilling rig solid control system in extreme cold environment

O sistema de controle sólido da plataforma de perfuração criogênica visa garantir a separação eficiente de fases sólidas e a estabilização do desempenho da lama sob condições de baixa temperatura por meio de sinergia multimódulo, enquanto medidas especiais são tomadas para se adaptar ao ambiente de baixa temperatura para garantir a operação normal do sistema sob condições de baixa temperatura.

Na área de exploração e desenvolvimento de petróleo e gás, com o crescimento da demanda global por energia, cada vez mais operações de perfuração estão se expandindo para regiões de baixa temperatura, como regiões polares e altas latitudes. O ambiente de baixa temperatura traz muitos desafios para as operações de perfuração. Primeiramente, precisamos saber que em ambientes de baixa temperatura, a viscosidade do fluido de perfuração aumentará significativamente e a fluidez diminuirá, o que não apenas afetará a circulação do fluido de perfuração no poço e reduzirá a capacidade de carga de rochas, mas também poderá levar a uma maior pressão da bomba, aumentar a carga do equipamento e até mesmo causar falhas no equipamento. Ao mesmo tempo, a baixa temperatura pode fazer com que o desempenho de alguns aditivos no fluido de perfuração diminua, afetando seu efeito estabilizador na formação e o efeito lubrificante nas ferramentas de perfuração.

Baixas temperaturas alteram as propriedades físicas dos materiais metálicos, como redução da tenacidade e aumento da fragilidade, resultando em peças estruturais do equipamento, tubulações e outros componentes mais propensos à ruptura. Além disso, baixas temperaturas podem afetar o desempenho da vedação do equipamento, causando vazamento de fluido de perfuração. Para alguns equipamentos que dependem de acionamento hidráulico, baixas temperaturas aumentam a viscosidade do óleo hidráulico e reduzem a fluidez, resultando em funcionamento lento ou até mesmo impossibilitando o funcionamento adequado do equipamento.

Em baixas temperaturas, as partículas da fase sólida no fluido de perfuração têm maior probabilidade de se acumular, aumentando a dificuldade do equipamento de controle de sólidos em separar a fase sólida. Além disso, alguns componentes-chave do equipamento de controle de sólidos, como a malha da peneira vibratória, são menos flexíveis em baixas temperaturas e facilmente danificados, o que afeta o efeito do controle de sólidos. Como um equipamento essencial para garantir o desempenho estável do fluido de perfuração e realizar uma perfuração eficiente, a importância do sistema de controle de sólidos para sondas de perfuração de baixa temperatura é evidente. Neste artigo, discutiremos o princípio de funcionamento, a composição do equipamento, as dificuldades técnicas e outros aspectos do sistema de controle de sólidos da sonda criogênica para proporcionar uma compreensão abrangente deste equipamento de perfuração que desempenha um papel importante em ambientes extremamente frios.

Princípio de funcionamento do sistema de controle de sólidos da plataforma criogênica

A principal tarefa do sistema de controle de sólidos da sonda de perfuração criogênica é controlar e separar eficazmente as partículas em fase sólida no fluido de perfuração em ambiente de baixa temperatura, a fim de manter o bom desempenho do fluido de perfuração e garantir a operação suave da perfuração. Seu princípio de funcionamento baseia-se em uma variedade de métodos físicos e químicos, incluindo principalmente peneiramento, separação centrífuga, separação por gravidade, entre outros.

A peneira vibratória, como equipamento de primeiro nível do sistema de controle de sólidos, separa substâncias em fase sólida, como fragmentos de rocha com partículas maiores, do fluido de perfuração por meio de vibração de alta frequência e uso de malha de peneira. O desareador, por outro lado, utiliza o princípio do ciclone, sob a ação da força centrífuga, para fazer com que as partículas em fase sólida mais pesadas no fluido de perfuração, como partículas de areia, desloquem em espiral para baixo ao longo da parede interna do ciclone e sejam descarregadas pela parte inferior, enquanto o fluido de perfuração purificado flui para fora pela porta de transbordamento na parte superior. O princípio de funcionamento do desareador é semelhante ao do desareador, exceto que ele lida com partículas de tamanho menor. A centrífuga, por outro lado, separa ainda mais as partículas em fase sólida muito finas no fluido de perfuração, girando em alta velocidade para melhorar o grau de purificação do fluido de perfuração.

Para garantir o funcionamento adequado desses dispositivos em baixas temperaturas, os sistemas de controle de solidificação são geralmente equipados com sistemas auxiliares, como isolamento e aquecimento. Por exemplo, tanques de circulação e tubulações são isolados para reduzir a perda de calor; dispositivos de aquecimento, como aquecedores a vapor e aquecedores elétricos, são instalados nos tanques ou partes principais do equipamento para manter a temperatura do equipamento e do fluido de perfuração dentro de uma faixa adequada, de modo a garantir a operação normal do equipamento no sistema de controle de solidificação e o efeito do controle de solidificação.

Componentes do sistema de controle sólido da plataforma de perfuração criogênica

1. Equipamento de processamento principal

Peneira vibratória criogênica

A caixa de tela é feita de material resistente a baixas temperaturas, equipada com sistema de lubrificação de baixa temperatura e motor anticongelante.

O design da tela leva em consideração a permeabilidade à água e a resistência ao congelamento em baixas temperaturas para evitar que a lama congele e obstrua.

Desentupidor de lodo de baixa temperatura

O ciclone é feito de materiais de liga resistentes ao desgaste e a baixas temperaturas e equipado com vedações de baixa temperatura.

A bomba de alimentação de polpa é equipada com rastreamento térmico elétrico ou camisa de água quente para evitar que a polpa se solidifique na tubulação.

Centrífuga de baixa temperatura

O tambor e o transportador helicoidal são feitos de liga criogênica para evitar rachaduras frágeis causadas pelo frio.

Sistema de aquecimento integrado (por exemplo, circulação de óleo quente) para manter a fluidez da polpa e evitar aumento de viscosidade em baixas temperaturas.

2. Sistemas Auxiliares

Sistemas de Aquecimento e Isolamento

Traçado de calor elétrico/jaquetas de vapor: cobrem tubulações, tanques e superfícies de equipamentos para manter temperaturas da polpa acima de 0°C.

Isolamento: O tanque e os principais componentes são isolados com espuma de poliuretano ou lã de rocha para reduzir a perda de calor.

Sistema anticondensação e circulação

Agitador: instalado no tanque de polpa para evitar a precipitação da fase sólida e a coagulação da polpa.

Bomba de circulação: equipada com uma unidade de bombeamento de reserva para garantir circulação contínua em baixas temperaturas e evitar entupimentos na tubulação.

3.Sistema de energia e potência

Equipamentos elétricos resistentes ao frio

O motor e o sistema hidráulico adotam lubrificante de baixa temperatura para garantir partida normal abaixo de – 40℃.

A fonte de alimentação de reserva (como um gerador a diesel) é equipada com um dispositivo de partida de baixa temperatura para evitar desligamento.

Sistema de troca de calor de alta eficiência

O trocador de calor recupera o calor residual da plataforma de perfuração para reduzir o consumo de energia.

Dispositivo de aquecimento de óleo combustível (por exemplo, forno de óleo térmico) fornece fonte de calor estável para lama.

Dificuldades técnicas do sistema de controle de sólidos para sondas de perfuração criogênicas

1. Adaptabilidade do equipamento a baixas temperaturas

Seleção de materiais: Para o problema da redução da tenacidade e do aumento da fragilidade de materiais metálicos em ambientes de baixa temperatura, materiais metálicos resistentes a baixas temperaturas, como aço-liga de baixa temperatura, etc., são utilizados na fabricação de equipamentos. Para alguns componentes-chave, como telas de peneira vibratória, tubos, etc., são utilizados materiais poliméricos especiais ou materiais compósitos, que ainda podem manter boa flexibilidade e propriedades mecânicas em baixas temperaturas.

Lubrificação e vedação: escolha lubrificantes com bom desempenho em baixas temperaturas para garantir que o equipamento possa ser lubrificado adequadamente em baixas temperaturas e reduzir o desgaste das peças móveis. Ao mesmo tempo, otimize a estrutura de vedação do equipamento, utilizando materiais de vedação resistentes a baixas temperaturas, como borracha de flúor, etc., para melhorar o desempenho da vedação do equipamento e evitar vazamentos de fluido de perfuração e óleo hidráulico.

Projeto de aquecimento e preservação de calor: Projeto racional do sistema de aquecimento e preservação de calor para garantir que o equipamento possa ser aquecido rapidamente e manter uma temperatura de trabalho estável em um ambiente de baixa temperatura. Calculando com precisão a perda de calor do equipamento, selecionando o dispositivo de aquecimento com a potência adequada e adotando materiais e estruturas de preservação de calor altamente eficientes para minimizar a dissipação de calor.

2.Garantia de efeito de controle sólido

Otimização dos parâmetros do equipamento: Em ambientes de baixa temperatura, os parâmetros de trabalho do equipamento de controle de sólidos são otimizados e ajustados de acordo com as mudanças no desempenho do fluido de perfuração. Por exemplo, aumentar adequadamente a frequência e a amplitude de vibração da peneira vibratória para aprimorar o efeito de peneiramento; ajustar a pressão de entrada e a velocidade de rotação do desareador, do dessilitro e da centrífuga para melhorar a eficiência da separação em fase sólida.

Aumentar a ligação de pré-tratamento: Para reduzir a carga de trabalho do equipamento de controle de sólidos e melhorar o efeito do controle de sólidos, é possível aumentar a ligação de pré-tratamento na extremidade frontal do sistema de controle de sólidos. Por exemplo, o uso de dispositivos de pré-decantação permite que algumas das partículas maiores da fase sólida no fluido de perfuração entrem no equipamento de controle de sólidos para decantação e separação preliminares, reduzindo assim a pressão de processamento do equipamento subsequente.

Reserva e Garantia de Energia: Considerando as possíveis dificuldades de fornecimento de energia em áreas de baixa temperatura, são instalados equipamentos de reserva de energia suficientes, como geradores de emergência e tanques de armazenamento de óleo. Ao mesmo tempo, é necessário estabelecer um sistema de gestão de energia perfeito, monitorar e analisar o consumo de energia em tempo real e planejar o uso racional da energia, para garantir que o sistema de controle sólido possa operar normalmente em caso de fornecimento de energia instável.

Principais características do sistema de controle sólido da sonda de perfuração criogênica em termos de design e produção.

1. Adotar materiais de isolamento térmico para envolver os tanques, tubulações, etc. do equipamento, a fim de reduzir a dissipação de calor, e instalar dispositivos de aquecimento, como serpentinas de aquecimento a vapor e elementos de aquecimento elétrico dentro dos tanques para evitar o congelamento dos fluidos de perfuração. O sistema também é equipado com um galpão de preservação de calor, e a temperatura interna não é inferior a 10°C;

2. Os componentes principais são feitos de materiais de baixa temperatura, usando vedações resistentes ao frio e lubrificantes de baixa temperatura, que podem operar normalmente em baixas temperaturas, e todos os componentes podem garantir a operação normal em baixas temperaturas de -40 ℃；

3. O design redundante dos principais componentes reduz o tempo de inatividade para manutenção em baixas temperaturas.

Exemplo. Os sistemas de controle sólido de sondas de perfuração criogênica são usados principalmente em alguns dos seguintes cenários:

1. Perfuração em regiões polares: como Antártica, Polo Norte e outros ambientes polares;

2. Perfuração em regiões frias em altas montanhas e planaltos: algumas cadeias de montanhas de alta altitude e áreas de planalto;

3. Perfuração de petróleo e gás em terra em condições climáticas frias: em algumas latitudes elevadas ou áreas frias do interior;

4. Perfuração marinha fria: em áreas marinhas de alta latitude.

Como equipamento essencial para operações de perfuração em ambientes extremamente frios, o sistema de controle de sólidos para sondas criogênicas é de grande importância para garantir o desempenho estável do fluido de perfuração, melhorar a eficiência da perfuração, reduzir os custos operacionais e proteger o meio ambiente. À medida que a exploração e o desenvolvimento de recursos de petróleo e gás em áreas de baixa temperatura se aprofundam, o sistema de controle de sólidos para sondas criogênicas enfrenta cada vez mais desafios e oportunidades. Ao superar constantemente problemas técnicos e inovar conceitos de desenvolvimento, o sistema de controle de sólidos para sondas criogênicas proporcionará avanços significativos em inteligência, economia de energia, proteção ambiental e integração de equipamentos no futuro.