Prospettiva storica dei sistemi fluidi di perforazione

Il fluido di perforazione fu utilizzato a metà del 1800 nella perforazione degli utensili a cavo per sospendere le talee fino a quando non fu liberato dal foro. Con l'avvento della perforazione rotativa nel settore della perforazione di pozzi d'acqua, il fluido di perforazione era ben noto per raffreddare la punta del trapano e sospendere i tagli perforati per la rimozione dal pozzo.

Nel 1890 furono aggiunte argille al fluido di perforazione e quando Spindletop fu scoperto nel 1901, si riteneva necessario avere solidi sospesi (argille) nel fluido di perforazione per sostenere le pareti del pozzo.

Questi solidi (argille) derivavano dalla disaggregazione delle formazioni penetrate dalla punta del trapano. Se le formazioni penetrate non riuscivano a produrre argilla sufficiente nel processo di perforazione, l'argilla veniva estratta sulla superficie da una fonte vicina e aggiunta al fluido di perforazione. Si trattava di fanghi nativi creati da "formazioni di fanghi" o, come detto, aggiungendo materiali specifici da una sorgente superficiale.

Il fluido di perforazione è stato fatto ricircolare e è stata aggiunta acqua per mantenere il peso e la viscosità migliori per condizioni di perforazione specifiche. Le talee, o pezzi di formazione (piccole rocce) che non sono stati sciolti dall'acqua, hanno richiesto la rimozione dal fluido di perforazione per continuare l'operazione di perforazione. Sotto la sola discrezione del trapano o del pusher, è stato scavato un sistema di fosse e fossati sul posto per separare le talee dal fluido di perforazione mediante sedimentazione per gravità (la gravità ha costretto le talee a depositarsi nelle fosse e nei fossati). Questo sistema comprendeva un fossato dal pozzo, o forse un ugello a campana, pozzi di sedimentazione e una fossa di aspirazione da cui il fango "pulito" veniva prelevato dalla pompa di fango e fatto ricircolare.

Il fango veniva fatto circolare attraverso questi pozzi, e talvolta una fessura veniva posizionata nei pozzi di sedimentazione per accelerare la rimozione di sabbia e talee indesiderate. Questa partizione si estendeva fino a un paio di piedi dalla parte inferiore della fossa, costringendo così tutto il fango a spostarsi verso il basso sotto la partizione e di nuovo verso l'alto per confluire nel fossato verso la fossa di aspirazione. Gran parte del materiale più pesante si è depositato, per gravità, sul fondo della fossa. Con il tempo, le fosse riempite di talee e il fluido sono diventate troppo spesse per pompare a causa delle talee finemente tritate trasportate nel fluido di perforazione. Per ovviare a questo problema, i getti furono collocati nelle fosse di sedimentazione per spostare il fango inutilizzabile in una fossa di riserva. Quindi, è stata aggiunta acqua per assottigliare il fango e riprendere la perforazione.

Alla fine degli anni 1920, i trapani iniziarono a cercare di vedere come altre industrie risolvessero problemi simili. È stato scoperto che gli impianti di preparazione del minerale e le punte del carbone stavano usando:
1 Schermi a barra fissa posizionati su un'inclinazione
2 schermi a tamburo rotante
3 schermi vibranti

Questi ultimi due metodi sono stati adottati per rimuovere le talee dai fluidi di perforazione.

Il tamburo rotante, o schermi di tipo a botte (chiamati schermi a trommel), erano ampiamente usati con le prime strutture a bassa altezza. Queste unità potrebbero essere posizionate nel fossato o incorporate nella linea di flusso dal pozzo. Il fango che scorreva nella macchina ruotava una ruota a pale che ruotava lo schermo del tamburo, attraverso il quale passava il fluido di perforazione. Lo schermo utilizzato in quel momento era molto grossolano, o da 4 a 12 mesh. Queste unità erano piuttosto popolari perché non era necessaria elettricità e le fosse di sedimentazione non si riempivano così rapidamente. Oggi, i tamburi rotanti sono quasi scomparsi.

Lo schermo vibrante, o shaker, divenne la prima linea di difesa nella catena di rimozione dei solidi e per molti anni fu l'unica macchina utilizzata. I primi agitatori venivano generalmente utilizzati in applicazioni di dimensionamento a secco e subivano diverse modifiche prima di arrivare a un tipo e una dimensione di base per la perforazione. La prima modifica ha ridotto le dimensioni e il peso dell'unità per il trasporto tra le posizioni. Il nome "shale shaker" è stato adottato per distinguere la differenza tra gli shaker (classificatori) utilizzati nelle miniere e gli shale shaker utilizzati nella perforazione dei pozzi di petrolio poiché entrambi sono stati ottenuti dagli stessi fornitori.

Altre modifiche includevano uno schermo a striscia da 4 '× 5' che si tendeva dai lati con bulloni di tensione. Il movimento era ellittico, il che rendeva necessaria una discesa per spostare le talee dallo schermo. La mesh dello schermo era limitata a 20-30 mesh quadrate. Questa unità è stata il cavallo di battaglia del settore fino alla fine degli anni '60. Anche se sostituiti dal movimento circolare e dallo shaker lineare, gli shaker standard sono ancora richiesti e vengono prodotti oggi.

Alla fine degli anni '20 e all'inizio degli anni '30, le più grandi compagnie petrolifere organizzarono laboratori di ricerca e iniziarono a esplorare i problemi di perforazione dei pozzi di petrolio. Cominciarono a capire che i tagli più piccoli, o particelle, lasciati nel fluido di perforazione erano anche dannosi per il processo di perforazione e un'altra macchina per la ravvivatura del minerale fu introdotta dall'industria mineraria, il classificatore a cono. Questa macchina, unita al concetto di separatore centrifugo tratto dall'industria lattiero-casearia, divenne il desander di idrociclone. Il principio di base alla base della separazione dei materiali più pesanti e grossolani dal fluido di perforazione è l'azione centrifuga di ruotare il volume del fango carico di sabbia verso il limite esterno, o periferia, del cono. Le particelle più pesanti escono dal fondo del cono e il liquido di perforazione più pulito sale verso l'alto ed esce come effluente. Il desander, di dimensioni comprese tra 6 e 12 pollici di diametro, rimuove la maggior parte dei solidi di dimensioni superiori a 30-60 micron. I desander sono stati notevolmente perfezionati grazie all'uso di materiali più resistenti all'abrasione e alla geometria del corpo più accuratamente definita e sono oggi parte integrante della maggior parte dei sistemi di separazione dei solidi.

Dopo lo sviluppo del desander del giacimento di petrolio, divenne evidente che l'attaccamento della parete laterale della corda del trapano sulla parete del pozzo fosse generalmente associato a pastiglie di filtro morbide e spesse. Utilizzando il design del desander già esistente, nei primi anni '60 fu introdotto un desander da 4 pollici. I risultati sono stati migliori del previsto e includevano una maggiore durata della punta, costi di riparazione della pompa ridotti, tassi di penetrazione aumentati e costi di fango inferiori. Questi idrocicloni più piccoli sono diventati "desilter" poiché rimuovono una particella molto più piccola, chiamata limo, che è più piccola della "sabbia API".

Man mano che la barite e altri composti venivano sviluppati per migliorare la perforazione, il fluido di perforazione divenne molto complesso. Inoltre, la fase liquida per il trasporto di solidi veniva ridotta dall'aggiunta di barite e altri composti. Lo shaker ha rimosso le talee più grandi (più grandi di 541 micron o 30 mesh), mentre i desander e i desilter hanno rimosso le particelle più piccole (da 60 a 15 micron). Tuttavia, le particelle di dimensioni intermedie (da 541 a 60 micron) erano ancora lasciate nel fluido di perforazione.

La rimozione di particelle di dimensioni intermedie ha portato allo sviluppo di movimenti circolari, o tandem, agitatori. Lo sviluppo è stato lento per questi agitatori a schermo fine e ad alta velocità per due motivi. Innanzitutto, la tecnologia dello schermo non era sufficientemente sviluppata per la forza dello schermo, quindi la durata dello schermo era breve. La massa nei fili dello schermo era insufficiente per fissare correttamente gli schermi senza strapparli. In secondo luogo, il paniere di vagliatura richiedeva una maggiore competenza di sviluppo rispetto a quanto richiesto per precedenti modifiche nelle apparecchiature di rimozione dei solidi.

Durante questo periodo, la ricerca di una grande compagnia petrolifera ha riconosciuto i problemi associati alle ultra-fini (colloidali) di dimensioni pari o inferiori a 10 micron. Queste ultra-fini "hanno legato" grandi quantità di liquido e creato problemi di viscosità che potevano essere risolti solo aggiungendo acqua (diluizione). Le centrifughe sono state utilizzate in molti settori per anni e sono state adattate alle operazioni di perforazione nei primi anni '50. Sono stati usati per la prima volta su fanghi ponderati per rimuovere e scartare le particelle sottili colloidali inferiori a 2-4 micron e per salvare la barite di dimensioni maggiori delle particelle (materiale di ponderazione) e alcuni solidi perforati.

Negli ultimi anni è stata applicata una centrifuga a fluidi di perforazione non ponderati per ridurre e scaricare solidi fini nel sistema di fango attivo. Questa applicazione consente di risparmiare la più costosa fase liquida del fango per il riutilizzo. La diluizione è ridotta al minimo, riducendo così il costo del fango; tuttavia, queste macchine sono piuttosto costose e richiedono molta cura.

All'inizio degli anni '70, il detergente per fanghi è stato sviluppato come aggiunta al desander e al desilter per ridurre le perdite nella costosa fase liquida. Gli idrocicloni eliminano una sospensione, compresa la fase liquida, che può essere costosa nel tempo. Il pulitore del fango prende il flusso insufficiente da una banca di idrocicloni e introduce la sospensione a uno schermo vibrante molto fine e preteso. La costosa fase liquida e la maggior parte della barite passano attraverso lo schermo e rientrano nel sistema mentre i solidi più grandi vengono eliminati.

Questa è stata la prima applicazione riuscita di uno schermo, legato a un telaio rigido, usando schermi molto fini. Molti detergenti per fanghi hanno detergenti per schermi, o cursori, che sono pezzi di plastica circolari che vibrano contro la parte inferiore dello schermo per prevenire l'accecamento dello schermo. Nei fanghi ponderati si possono usare schermi di 200 mesh (74 micron), che è la dimensione superiore per la barite commerciale. Per i fanghi non pesati, la dimensione pratica più piccola è di 250 mesh (58 micron) per un funzionamento economico.

Uno sviluppo più recente, introdotto negli anni '80, è lo shaker lineare. Gli sviluppi nella tecnologia dello schermo hanno permesso di stratificare schermi pretensionati per ottenere tagli molto precisi pur mantenendo una vita economica dello schermo. Il movimento lineare è il miglior movimento di trasporto per spostare i solidi fuori dallo schermo ed è possibile trasmettere talee "in salita". Gli schermi possono essere elevati per trattenere più a lungo le talee per ottenere uno scarico del contenuto di liquido ridotto all'essiccatore. Inoltre, è possibile utilizzare schermi più sottili, con aperture più piccole, sull'agitatore a movimento lineare. Un'applicazione di shaker lineari è quella di schermare il flusso insufficiente da desander e desilter anziché utilizzare un detergente per fanghi. Questo dispositivo è chiamato "condizionatore di fango".