Entwicklung und Anwendung eines selbstsynchronen linearen Vibrationssiebs

Autoren: Mao Guozhong, Zhao Baozhong (Yellow River Drilling General Company des Shengli Petroleum Administration Bureau)

Die derzeit in China eingesetzten Vibrationssiebe sind überwiegend einachsige Trägheitssiebe mit kreisförmiger oder quasi-kreisförmiger Bewegungsbahn. Diese Siebart ist zwar einfach aufgebaut, weist jedoch eine geringe Siebleistung, eine kurze Lebensdauer des Siebgewebes und einen hohen Spülflüssigkeitsverlust auf. Seit Anfang der 1970er Jahre wird an selbstsynchronisierenden Linearvibrationssieben geforscht und experimentiert. Aufgrund des ungünstigen Aufbaus des Vibrationssiebs, der Befestigungsmethode des Siebgewebes, der Leistung des Elastomers und des Motors usw. ist das Sieb jedoch sperrig, seine Leistung instabil und die Lebensdauer des Siebgewebes kurz. Bisher wurde noch kein wirtschaftlicher und praktikabler selbstsynchronisierender Linearvibrationssieb eingeführt. Im Ausland wurde bereits intensiv an selbstsynchronisierenden Linearvibrationssieben gearbeitet. Mehrere Unternehmen, wie beispielsweise die Derrick Company in Großbritannien und die KEM-TRON Company in den USA, haben nacheinander selbstsynchronisierende Linearvibrationssiebe eingeführt. Bei Ausschreibungen für ausländische Bohrprojekte sind selbstsynchronisierende Linearschwingsiebe zu einer unverzichtbaren Ausrüstung geworden. Derzeit werden die meisten der in China verwendeten Linearsiebe importiert und vor allem auf Offshore-Bohrplattformen und Onshore-Tiefbohranlagen eingesetzt. Gemessen an der Anwendungswirkung können Reinigungswirkung und Aufbereitungskapazität der Bohrflüssigkeit grundsätzlich den Konstruktionsanforderungen entsprechen, das Siebgewebe muss jedoch häufig ausgetauscht werden, und das importierte Siebgewebe ist teuer. Daher ist es dringend erforderlich, ein leistungsstarkes und langlebiges selbstsynchronisierendes Linearschwingsieb zu entwickeln, das für die aktuelle Bohrsituation im Inland geeignet ist. Die Yellow River Drilling Company hat elastische Verbundelemente zur Verbesserung der Siebwirkung verwendet und in vielerlei Hinsicht strukturelle Modifikationen am Schwingsieb vorgenommen, um die Arbeitsleistung des selbstsynchronisierenden Linearschwingsiebs zu verbessern.
Funktionsprinzip
Das selbstsynchronisierende Schwingungserregergerät mit Doppelmotor ist in Abbildung 1 dargestellt.

Zwei exzentrische Rotoren mit den Massen und werden jeweils von zwei Motoren angetrieben und rotieren in entgegengesetzter Richtung um die Punkte und auf dem Kasten mit einem Radius und einer Geschwindigkeit . Ihre Zentrifugalkräfte betragen , und die Reaktionskräfte der Stützfedern betragen und . Damit der Siebkasten lineare Schwingungen erzeugt, müssen zunächst , , , also die Zentrifugalkräfte , wirken.
Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, heben sich die horizontalen Komponenten der Zentrifugalkräfte der Exzenterrotoren in jeder Position gegenseitig auf. Daher wird bei jeder Umdrehung des Rotors eine vertikale Hin- und Herbewegung des Siebkastens erzeugt, die eine geradlinige Hin- und Herbewegung ausführt. Unter idealen Bedingungen laufen die beiden Exzenterblöcke synchron, wenn die Kennlinien der beiden Motoren im System identisch sind, Steifigkeit und Dämpfung an den jeweiligen Auflagepunkten gleich sind und beim Anlaufen keine Phasendifferenz vorliegt. In der Praxis ist ein synchroner Betrieb jedoch nicht immer möglich. Da die beiden Schwingungserreger in einem bestimmten Winkel auf einer Basis montiert sind, sind ihre anfänglichen Phasenwinkel aufgrund der Schwerkraft nicht gleich. Nach dem Anlaufen tritt eine Phasendifferenz auf. Obwohl die von und erzeugten Zentrifugalkräfte gleich sind, unterscheiden sich die Komponenten in horizontaler und vertikaler Richtung aufgrund der unterschiedlichen Winkel zur Vertikalen. Dadurch entsteht eine ungleiche Kraft, die den Siebkasten auf den Stützfedern bewegt und schwingt. Genau diese Bewegung und Schwingung bewirken eine gegenseitige Beeinflussung. Aufgrund der Trägheitskraft nimmt die Phasendifferenz allmählich ab und wird schließlich Null. Dadurch wird ein stabiler Zustand und ein idealer Synchronzustand erreicht.
Strukturelle Merkmale und Leistungsparameter
2.1 Struktur
Der Aufbau des selbstsynchronen Linearschwingsiebes ist in Abbildung 2 dargestellt.

In Abbildung 2 besteht die strömungsausgleichende und regulierende Struktur aus Leitschaufeln und einer strömungsausgleichenden Platte. Der mittlere Siebkasten besteht aus einer Rahmenkonstruktion mit Querträger. Der Schwingungserreger ist in der Mitte des Querträgers schräg positioniert. An der Vorderseite des Siebkastens sind links und rechts Winkelverstellmechanismen angebracht, um den Anforderungen unterschiedlicher Siebpartikel und Verdrängung gerecht zu werden. Es kommt ein einlagiges, vorgespanntes Siebgewebe mit Hakenkante zum Einsatz, das durch sechs Querdruckplatten und einen Längsdruckrahmen beidseitig fixiert ist. Die Druckplatten sind mit speziellen Sicherungsschrauben am Siebkasten befestigt. Die Schrauben und Druckplatten sind so konstruiert, dass sie eingeschoben und anschließend um 90° gedreht werden können, was den Siebgewebewechsel erleichtert. Die Anlage hat eine lineare Bewegungsbahn und verfügt über eine parallele Doppelsiebstruktur (Standby). Dies bietet die Vorteile einer hohen Siebleistung, einer großen Verarbeitungskapazität, der Möglichkeit, ultrafeine Siebgewebe zu verwenden und einer langen Lebensdauer des Siebgewebes.
2.2 Funktionen
(1) Die Bewegungsbahn des Siebkastens ist linear, sodass sich die Bohrspäne regelmäßig auf der Sieboberfläche bewegen und die Spanabfuhr reibungslos verläuft. Der Winkel des Siebkastens ist einstellbar, was für unterschiedliche Siebpartikel geeignet ist und eine gute Siebwirkung erzielt.
(2) Durch die Verwendung einer Struktur zur Regulierung und Ausgleichung der Bohrflüssigkeit wird die Abnutzung des Siebgewebes verringert.
(3) Die Verwendung eines vorgespannten Siebgewebes und eines Zweiwege-Siebbefestigungsmechanismus ermöglicht einen bequemen und schnellen Siebgewebewechsel. Gleichzeitig verlängert sich die Lebensdauer des Siebgewebes. Ultrafeine Siebgewebe über 200 Maschen können verwendet werden, ohne dass die Sieblöcher verstopfen oder Bohrflüssigkeit austritt.
(4) Durch die Verwendung spezieller Federn ist es sicher, langlebig und geräuscharm.
2.3 Leistungsparameter
Siebmaschenweite: (2 Stück) ;
Amplitude: ;
Anregungsfrequenz: ;
Verarbeitungskapazität: ;
Gewicht: ;
Erregende Kraft: .
Feldtestsituation
3.1 Nun, Ying45 - X9
Nach der erfolgreichen Probeproduktion des Prototyps wurde dieser zunächst im Bohrloch Ying45-X9 getestet. Dieses Bohrloch ist ein Richtbohrloch mit einer Tiefe von 2500 m. Das Vibrationssieb wurde in Betrieb genommen, als das Bohrloch 780 m tief war. Die Formation besteht hauptsächlich aus Tonstein und die maximale Viskosität der Bohrflüssigkeit beträgt 50 s. Vom Beginn der Nutzung des Vibrationssiebs bis zur Fertigstellung des Bohrlochs war es insgesamt 210 Stunden in Betrieb. In der unteren Schicht wurden fünf Siebgewebe ausgetauscht, zwei mit 60 Maschen und drei mit 40 Maschen. Die durchschnittliche Betriebszeit betrug 42 Stunden. Die ausgetauschten Siebgewebe stammten hauptsächlich vom Siebkörper Nr. 2, und die Siebgewebe der Siebkörper Nr. 1 und 3 waren in gutem Zustand. Zwei Siebgewebe mit 175 Maschen wurden in der oberen Schicht verwendet und waren nicht beschädigt. Das Vibrationssieb arbeitete stabil, und die Mechanismen zur Winkeleinstellung und Durchflussausgleichung funktionierten normal. Dies beweist, dass die Grundstruktur des Schwingsiebs realisierbar ist und feine Siebmaschen verwendet werden können. Das Problem besteht darin, dass die Lebensdauer des Siebgewebes kurz ist. Analyseergebnisse zeigen, dass dies hauptsächlich auf die unzureichende Gesamtsteifigkeit des Siebkastens zurückzuführen ist und die Schwingungen von Siebgewebe und Siebkasten nicht vollständig synchron erfolgen können.
3.2 Nun Wang24 - X30
Der zweite Test des Vibrationssiebs wurde in der Richtbohrung Wang24-X30 durchgeführt. Die fertiggestellte Bohrungstiefe beträgt 2325 m. Das Vibrationssieb wurde in Betrieb genommen, als die Bohrungstiefe 750 m betrug. Es lief insgesamt 192 Stunden. Drei Siebe mit 40 Maschen wurden ausgetauscht. Die Dichte der Bohrflüssigkeit betrug , und die maximale Viskosität lag bei 55 s. Die durchschnittliche Betriebszeit des Siebgewebes betrug 64 Stunden, und andere Komponenten funktionierten normal, was beweist, dass die Verbesserungen des Vibrationssiebs Ergebnisse brachten. Die Ursache für die Beschädigung von zwei Siebgeweben war diesmal menschliches Versagen, d. h. die Befestigungsschrauben des Siebgewebes waren locker und wurden nicht rechtzeitig entdeckt, wodurch sich Sand ansammelte und das Siebgewebe vorzeitig beschädigt wurde. Durch die Tests der beiden Bohrungen wurde festgestellt, dass das Vibrationssieb in Details wie der Installation der Bohrflüssigkeitszuleitung, der Befestigung des Siebgewebes und der Stabilität des Siebkastens noch verbessert werden muss. Daher wurde eine doppelte parallele Siebstruktur neu hinzugefügt, ein einlagiges Siebgewebe verwendet, ein Zweiwege-Siebbefestigungsmechanismus und eine kombinierte Pufferbox eingesetzt.
3.3 Brunnen Jiao5 - X281
Nach der Verbesserung wurde das Vibrationssieb in der Richtbohrung Jiao5 – X281 getestet. Die fertiggestellte Bohrungstiefe beträgt 2560 m. Der kleine Zyklus begann bei 750 m und die obere Formation besteht hauptsächlich aus Tonstein. Die maximale Viskosität der Bohrflüssigkeit beträgt 60 s. Das Vibrationssieb lief 130 Stunden. 60-Maschen-Hakenkanten-Siebgewebe wurden ohne Austausch verwendet, ohne dass Bohrflüssigkeit austrat oder die Sieblöcher verstopften. Aufgrund der schlechten Öl- und Gasvorkommen wurde die Bohrung verfüllt und neu gebohrt. Das Vibrationssieb wurde weitere 120 Stunden verwendet. Das Siebgewebe wurde insgesamt 250 Stunden ohne Beschädigung verwendet. Danach wurde das Vibrationssieb in der Bohrung Guangbei9 – 16 168 Stunden lang verwendet. Das Siebgewebe Nr. 1 wurde insgesamt 418 Stunden verwendet und das Siebgewebe Nr. 2 380 Stunden Im Bohrloch Guang3-X28 war das Sieb 102 Stunden im Einsatz und funktionierte einwandfrei. Bis Oktober 2002 wurden in den Ölfeldern Shengli, Huabei, Daqing, Liaohe und anderen Ländern über 80 selbstsynchronisierende lineare Vibrationssiebe eingesetzt, davon 64 im Ölfeld Shengli. Sie wurden bei über 1.000 Bohrlöchern eingesetzt, darunter 38 Horizontalbohrungen, 6 wissenschaftliche Testbohrungen und 62 Richtbohrungen. Sie kamen auch in den Bohrlöchern Xuegu-1 und Xuegu-2 in Zusammenarbeit mit Chevron im Ölfeld Shengli zum Einsatz und wurden hoch gelobt. Im Vergleich zum herkömmlichen Vibrationssieb wurden die durchschnittlichen Bohrkosten pro Bohrloch um etwa 14.000 Yuan eingespart.
Schlussfolgerungen
(1) Die Bewegungsbahn des selbstsynchronisierenden linearen Vibrationssiebs ist leicht zu erreichen und bietet die Vorteile einer einfachen Struktur, eines zuverlässigen Betriebs, einer hohen Effizienz und einer langen Lebensdauer.
(2) Der Gesamtaufbau des selbstsynchronisierenden linearen Vibrationssiebs ist sinnvoll, mit kleinem Volumen, kompakter Struktur und leicht zu transportieren und zu installieren.
(3) Das selbstsynchronisierende lineare Vibrationssieb kann ultrafeine Siebmaschen über 200 Maschen verwenden, hat eine hohe Reinigungswirkung auf die Bohrflüssigkeit, schafft Bedingungen für die Bereitstellung einer qualitativ hochwertigen Bohrflüssigkeit mit niedrigem Feststoffanteil zum Bohren und kann gleichzeitig Bohrlochunfälle reduzieren.
(4) Dieses Vibrationssieb verwendet spezielle Federn mit niedrigem Geräuschpegel, was sich positiv auf die Gesundheit des technischen Personals auswirkt.
Verweise
[1] Gong Weian. Technologie und Ausrüstung zur Kontrolle von Bohrflüssigkeitsfeststoffen. Peking: Petroleum Industry Press, 1995 - 04
[2] Shen Hong. Handbuch des Maschinenbaus. Peking: Machinery Industry Press, 1983 - 11

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