方懌民

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

鉆井泥漿系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)在鉆井作業(yè)時(shí)所依賴的一整套核心系統(tǒng)。主要包括5個(gè)系統(tǒng)：散裝材料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)、泥漿混合系統(tǒng)、高壓泥漿系統(tǒng)、低壓泥漿吸入系統(tǒng)和低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)。

散裝材料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)用于儲(chǔ)存和輸送調(diào)配鉆井泥漿、固井水泥所需的各種散裝干粉材料。泥漿混合系統(tǒng)用于將干粉泥漿材料和基礎(chǔ)液體混合、調(diào)配成液體泥漿。高壓泥漿系統(tǒng)是鉆井泥漿的應(yīng)用系統(tǒng)，用于提供鉆井作業(yè)所需的高壓泥漿。低壓泥漿吸入系統(tǒng)是為高壓泥漿泵服務(wù)的配套系統(tǒng)。低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)用于對(duì)井下返回的泥漿進(jìn)行處理，去除其中所含的固體顆粒物，使返回的泥漿可重復(fù)使用。

1 鉆井泥漿的作用和分類

鉆井泥漿（Drilling mud）又稱鉆井液，是鉆井平臺(tái)（包括鉆井船、鉆井駁等海工裝備）在鉆井作業(yè)時(shí)必不可少的一種工作介質(zhì)。鉆井泥漿是將黏土、加重材料和各種化學(xué)處理劑按照特定的比例均勻混合在基礎(chǔ)液體中形成的一種類似膠體的液狀混合物。它在鉆井作業(yè)時(shí)的作用主要有以下5個(gè)方面：

1）懸浮并攜帶鉆屑出井；

2）冷卻、潤(rùn)滑鉆頭和鉆具；

3）平衡井下壓力，防止井噴；

4）保護(hù)井壁，防止井壁垮塌；

5）為井下動(dòng)力鉆具提供動(dòng)力。

鉆井泥漿按照調(diào)配時(shí)所用基礎(chǔ)液體的不同，大致可以分為水基泥漿（Water based mud）和油基泥漿（Oil based mud）兩大類［1］。

水基泥漿是一種以水為分散介質(zhì)，以黏土（膨潤(rùn)土，Bentonite）、加重材料（重晶石，Barite）及各種化學(xué)處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體系。其主要組成是水、黏土、加重劑和各種化學(xué)處理劑。根據(jù)水中含鹽和油狀態(tài)的不同，又可再細(xì)分為淡水泥漿、鹽水泥漿、乳化液（水包油）泥漿等。

油基泥漿是一種以基礎(chǔ)油（Base oil，主要是柴油和原油）為分散介質(zhì)，以有機(jī)黏土、加重劑、各種化學(xué)處理劑及水等為分散相的溶膠懸浮混合體系。其主要組成是原油、柴油、加重劑、化學(xué)處理劑和水等。根據(jù)所含水分的數(shù)量和存在狀態(tài)的不同，又可再細(xì)分為油相泥漿和反相乳化（油包水）泥漿等。

鉆井平臺(tái)上使用的鉆井泥漿主要有三個(gè)來源：

1）由供應(yīng)船運(yùn)來的、在陸地上事先配置好的基礎(chǔ)液體泥漿，使用前根據(jù)需要添加加重材料和各種化學(xué)處理劑。

2）鉆井平臺(tái)利用自身的泥漿混合系統(tǒng)，將散裝或袋裝膨潤(rùn)土粉和重晶石粉，與淡水、海水、鹽水或基油等液相物質(zhì)混合配制。

3） 鉆井作業(yè)時(shí)從井底沿環(huán)形空間返回鉆井平臺(tái)的泥漿，經(jīng)過一系列處理，去除所攜帶的鉆屑、砂石、氣體等雜質(zhì)后，循環(huán)重復(fù)利用。

圖1 散裝材料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)示意圖

鉆井平臺(tái)上待用的泥漿存放于泥漿池（Mud pit）中。由于在鉆井過程中可能穿過各種不同性質(zhì)的地層，鉆井平臺(tái)通常需要預(yù)備多種不同配方的鉆井泥漿。另外，當(dāng)鉆井系統(tǒng)使用鉆井泥漿的時(shí)候，平臺(tái)上有可能還需要在同一時(shí)刻配制新的鉆井泥漿以備使用，因此平臺(tái)上的泥漿池一般需要分隔成相互獨(dú)立的數(shù)個(gè)至十?dāng)?shù)個(gè)。

為防止泥漿長(zhǎng)時(shí)間靜置后發(fā)生分層、沉淀、固結(jié)等現(xiàn)象，在各泥漿池內(nèi)需設(shè)置攪拌器（Agitator）和泥漿槍（Mud gun）等設(shè)備，以保持池內(nèi)存放的泥漿始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證泥漿成分和密度的均勻和穩(wěn)定。泥漿攪拌器的工作原理，是通過防爆電動(dòng)機(jī)或其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)安裝在泥漿池內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉片，攪動(dòng)泥漿；而泥漿槍則是由泥漿混合泵從泥漿池抽吸泥漿，然后將帶壓力的泥漿通過安裝在泥漿池內(nèi)的泥漿槍噴射，攪動(dòng)泥漿。

2 散裝材料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)

散裝材料儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)（Bulk material system），也稱輸灰系統(tǒng)，主要用于儲(chǔ)存和輸送兩種用途的散裝材料：一種是用于調(diào)配鉆井泥漿的干粉材料，如膨潤(rùn)土粉和重晶石粉，輸送至泥漿混合系統(tǒng)；另一種是用于調(diào)配固井水泥的水泥干粉，輸送至固井裝置。由于這兩種材料的用途互不相容，故鉆井平臺(tái)上這兩種散裝材料的儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)通常應(yīng)分成兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)。

散裝材料輸送系統(tǒng)（見圖1）主要由散裝材料儲(chǔ)罐（P-Tank）及壓縮空氣吹送管路和閥件等組成。散裝材料儲(chǔ)罐一般為立式圓筒形，底部為錐形，便于出料和清掃。為減輕平臺(tái)作業(yè)人員工作強(qiáng)度，壓縮空氣吹送管路上的閥件可采用遙控閥。散裝材料儲(chǔ)罐的底腳應(yīng)帶有稱重裝置，能夠稱量罐中儲(chǔ)存的散裝材料數(shù)量，并在控制板上顯示。

散裝材料輸送系統(tǒng)的動(dòng)力通常為0.25 MPa的干燥壓縮空氣，需由鉆井平臺(tái)提供。散料壓縮空氣的來源，可以設(shè)置獨(dú)立的散料空壓機(jī)，也可由主空壓機(jī)輸出經(jīng)降壓獲得。無論哪種方式，均應(yīng)為散料壓縮空氣系統(tǒng)配置獨(dú)立的干燥機(jī)和空氣瓶，以保證氣源的干燥和穩(wěn)定供應(yīng)。

鉆井平臺(tái)上另外還需要存放一定數(shù)量的袋裝材料（Sack packaged material），包括袋裝膨潤(rùn)土粉、袋裝水泥和各種袋裝化學(xué)品等。這些袋裝材料通常堆放在袋裝料儲(chǔ)存艙內(nèi)，需要配備1臺(tái)能避免粉塵爆炸的防爆型電動(dòng)叉車用于搬運(yùn)操作。機(jī)械化程度較高的鉆井平臺(tái)還會(huì)配備升降機(jī)和割袋機(jī)等設(shè)備，用于在使用袋裝材料時(shí)的處理工作。

3 泥漿混合系統(tǒng)

泥漿混合系統(tǒng)（Mud mixing system）是鉆井平臺(tái)上用于將干粉泥漿材料和基礎(chǔ)液體混合、調(diào)配成液體泥漿的專用系統(tǒng)，也可用于向液體泥漿內(nèi)添加鉆井作業(yè)所需要的特定化學(xué)處理劑。

泥漿混合系統(tǒng)（見圖2）［1］主要由泥漿池、泥漿混合泵（Mud mixing pump）、土粉/重晶石緩沖罐（Surge tank）、泥漿混合漏斗（Mud mixing hopper）、泥漿池?cái)嚢杵骷澳酀{循環(huán)管路和閥件等組成。

圖2 泥漿混合系統(tǒng)示意圖

泥漿混合泵的吸入管路從泥漿池下部接出，泵的排出管路經(jīng)過泥漿混合漏斗后返回泥漿池。這樣，預(yù)先注入泥漿池的泥漿基礎(chǔ)液體由混合泵建立起一個(gè)流經(jīng)混合漏斗的循環(huán)流動(dòng)。散裝材料輸送系統(tǒng)將散裝材料儲(chǔ)罐內(nèi)的土粉/重晶石粉供應(yīng)至土粉/重晶石緩沖罐，然后由緩沖罐均勻地加入泥漿混合漏斗，與基礎(chǔ)液體混合成為液體泥漿。同時(shí)，泥漿池內(nèi)設(shè)置的攪拌器和泥漿槍等設(shè)備也保持工作，以使池內(nèi)的泥漿始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證泥漿成分和密度的均勻和穩(wěn)定。

鉆井平臺(tái)上通常應(yīng)至少設(shè)置2臺(tái)泥漿混合泵、2個(gè)土粉/重晶石緩沖罐和2個(gè)泥漿混合漏斗。

為幫助膨潤(rùn)土粉等材料在鉆井泥漿中更好地分散和水合，有些鉆井平臺(tái)的泥漿混合系統(tǒng)還設(shè)置1臺(tái)泥漿剪切泵（Shear pump）。這樣可以節(jié)省泥漿材料的使用，縮短泥漿配置時(shí)間，為鉆井過程提供良好的泥漿性能。

4 高壓泥漿系統(tǒng)

高壓泥漿系統(tǒng)（Highpressuremud system）是鉆井泥漿的應(yīng)用系統(tǒng)。它以高壓泥漿泵（鉆井泵，Drilling pump）為動(dòng)力源，將鉆井泥漿由旋轉(zhuǎn)水龍頭（Rotary swivel）通過中空的鉆桿注入到井底鉆頭，然后由鉆桿與套管/井壁之間的環(huán)形空間返回井口，以實(shí)現(xiàn)泥漿在鉆井作業(yè)過程中的幾個(gè)作用：懸浮并攜帶鉆屑出井；冷卻和潤(rùn)滑鉆頭；平衡井下壓力，保護(hù)井壁。

高壓泥漿系統(tǒng)（見圖3）主要由高壓泥漿泵、高壓泥漿管路、鉆臺(tái)高壓泥漿閘閥組、井架高壓泥漿立管（HPmud stand）、水龍帶（HPmud hose）、旋轉(zhuǎn)水龍頭等組成。

圖3 高壓泥漿系統(tǒng)示意圖

高壓泥漿泵多為三缸單作用往復(fù)泵，每臺(tái)泵通常配2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。為了根據(jù)鉆井作業(yè)的需要調(diào)節(jié)泵的流量，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需能調(diào)速。早期的高壓泥漿泵采用晶閘管（SCR）技術(shù)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在由于變頻調(diào)速技術(shù)成熟，各廠家都已普遍采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)了。通常，在鉆井平臺(tái)上需設(shè)置至少3臺(tái)高壓泥漿泵，二用一備，布置于主船體的泥漿泵艙內(nèi)，其吸入管路從泥漿池下部接出，泵的排出口通過高壓管路分2路接至主甲板以上，然后通過高壓軟管經(jīng)懸臂梁跳接到鉆臺(tái)。在鉆臺(tái)上，這2路高壓泥漿管路接至高壓泥漿管匯（閘閥組），然后通過井架上的2根高壓泥漿立管接至井架上部，最后通過高壓泥漿水龍帶接至頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)水龍頭上，實(shí)現(xiàn)向鉆柱內(nèi)注入鉆井泥漿的功能。

高壓泥漿管路的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)依據(jù)鉆井系統(tǒng)的鉆井深度而確定。當(dāng)今主流的鉆井平臺(tái)，鉆井深度一般為30 000英尺（9 144 m）至35 000英尺（10 668 m），對(duì)應(yīng)的高壓泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力一般為7 500 psi（51.7 MPa），管子尺寸一般為5 英寸（DN125），管子材料普遍選用高強(qiáng)度合金鋼ASTM A-519 GR 4130。高壓泥漿管路的壁厚應(yīng)根據(jù)管系的設(shè)計(jì)壓力和材料的機(jī)械性能計(jì)算確定，計(jì)算所依據(jù)的公式通常采用ASME B31.3-2002 K304.1.2 Straight Pipe Under Internal Pressure（承受內(nèi)壓的直管）。

5 低壓泥漿吸入系統(tǒng)

低壓泥漿吸入系統(tǒng)（Low pressure mud suction system）是為高壓泥漿泵服務(wù)的配套系統(tǒng)。它以泥漿灌注泵（Mud charging pump）為動(dòng)力源，從泥漿池吸入鉆井泥漿，輸送至高壓泥漿泵的入口。低壓泥漿吸入系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 低壓泥漿吸入系統(tǒng)示意圖

由于鉆井泥漿的密度遠(yuǎn)高于水，常用的最高密度可達(dá)2.8 t/m3，而高壓泥漿泵比較高大，吸入能力也不是很強(qiáng)，所以需要泥漿灌注泵來幫助吸取泥漿。為了更有效地吸入泥漿，灌注泵通常布置在泥漿泵艙內(nèi)靠近泥漿池且盡可能低的位置，每臺(tái)高壓泥漿泵對(duì)應(yīng)設(shè)置1臺(tái)排量相配的泥漿灌注泵。

6 低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)

低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)（Low pressure mud processing system），也稱固控系統(tǒng)（泥漿固相控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，Solid control system），用于對(duì)井下返回的泥漿進(jìn)行處理，去除其中所含的固體顆粒物，使返回的泥漿可重復(fù)使用。在鉆井作業(yè)的成本中，泥漿消耗的費(fèi)用是很大的一塊，因此，鉆井平臺(tái)、鉆井船、鉆井駁等都會(huì)配備泥漿凈化處理系統(tǒng)，盡可能地回收利用井下返回的泥漿，以降低作業(yè)成本，同時(shí)也減小對(duì)海洋環(huán)境的影響。

泥漿凈化處理系統(tǒng)（見圖5）［2］主要由泥漿回流槽（Mud ditch）、泥漿分配器（Flow divider）、振動(dòng)篩（Shale Shaker）、若干泥漿處理艙（Processing tank）、除砂泵（Desander pump）、除泥泵（Desilter pump）、除氣泵（Degasser pump）、離心機(jī)（Centrifuge）等設(shè)備，以及相應(yīng)的管路和閥件等組成。系統(tǒng)里還設(shè)有計(jì)量罐（Trip tank）/精計(jì)量罐（Strip tank）和計(jì)量泵（Trip tank pump）/精計(jì)量泵（Strip tank pump），用于測(cè)量從井下返回的泥漿數(shù)量，便于鉆井作業(yè)時(shí)判斷井下的狀態(tài)。

泥漿凈化處理系統(tǒng)的常規(guī)流程是：井底的泥漿攜帶著鉆屑、砂石等，通過鉆桿與井壁/隔水管之間的環(huán)形空間上升返回井口后，先經(jīng)過泥漿/氣體分離器（Mud/gas separator），將所含的大部分油氣分離出來并引至井架高處排放稀釋至大氣，泥漿則通過管路和泥漿回流槽進(jìn)入泥漿凈化處理區(qū)域。通過泥漿分配器，待處理的泥漿被均勻分配至各臺(tái)振動(dòng)篩，振動(dòng)篩將鉆屑和砂石等大顆粒的固體物過濾出來，通過螺旋輸送器送到集裝箱收集，或直接排海。經(jīng)過振動(dòng)篩過濾后的泥漿則進(jìn)入泥漿處理艙，根據(jù)需要依次進(jìn)行除砂、除泥、除氣、離心分離等各道凈化步驟。最后，經(jīng)過凈化處理的泥漿通過回流管路返回鉆井平臺(tái)上的泥漿池，供鉆井作業(yè)重復(fù)使用。

泥漿凈化的的處理工序配置選項(xiàng)較多，要視船東的意向來選擇確定?，F(xiàn)在較新的鉆井平臺(tái)項(xiàng)目，除了振動(dòng)篩是必配的設(shè)備，船東往往希望配置離心分離機(jī)，或至少預(yù)留離心分離機(jī)的位置，以替代后續(xù)的幾道傳統(tǒng)工序如除砂、除泥、除氣等，

泥漿凈化設(shè)備的布置根據(jù)鉆井平臺(tái)總體布局的不同而因地制宜。比如像JU2000這種懸臂梁為箱型結(jié)構(gòu)且空間較為高大的船型，泥漿凈化設(shè)備可以布置在懸臂梁內(nèi)部。對(duì)于大部分類型的鉆井平臺(tái)，泥漿凈化設(shè)備通常模塊化地布置在主甲板上尾部的一個(gè)單獨(dú)區(qū)域。因井底返回的泥漿可能含有油氣成分，因此整個(gè)泥漿凈化區(qū)域應(yīng)按照I類防爆區(qū)的要求設(shè)計(jì)［2］。

圖5 泥漿凈化處理系統(tǒng)示意圖

7 結(jié)語

鉆井泥漿系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)在鉆井作業(yè)時(shí)所依賴的一整套核心系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與平臺(tái)的鉆井作業(yè)要求密切相關(guān)，同時(shí)也對(duì)鉆井平臺(tái)的總體布置有著重大影響。

目前國(guó)內(nèi)的船舶、海工設(shè)計(jì)院所，在鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)中還基本停留在只負(fù)責(zé)船體部分的設(shè)計(jì)，對(duì)鉆井相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的配置還不甚明了，有待進(jìn)一步掌握鉆井設(shè)備的參數(shù)確定方法和鉆井系統(tǒng)的配置規(guī)律。

本文探討了鉆井平臺(tái)泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要素，希望以此拋磚引玉，進(jìn)一步深入研究，掌握鉆井泥漿系統(tǒng)及其他鉆井相關(guān)設(shè)備的配置規(guī)律，促進(jìn)我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井平臺(tái)的研究開發(fā)。

［1］安國(guó)亭，盧佩瓊.海洋石油開發(fā)工藝與設(shè)備［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

［2］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［S］.2005.