馮加罡 劉慶祝 萬(wàn) 亦

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

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第六代超深水鉆井船回流泥漿處理系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

馮加罡 劉慶祝 萬(wàn) 亦

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

摘 要：本文基于現(xiàn)有第六代超深水鉆井船PRD12000 Qdrill項(xiàng)目，全面系統(tǒng)地分析介紹了鉆井液（泥漿）從井底攜帶大量鉆井巖屑回到處理單元后，如何處理回收再利用的全過(guò)程。同時(shí)，對(duì)于相關(guān)泥漿處理設(shè)備的布置以及管路設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的問(wèn)題做了比較全面的說(shuō)明，以便為其他相同或相近項(xiàng)目的相同區(qū)域設(shè)計(jì)提供重要參考，也為后期鉆井船向更深海域鉆探在更加復(fù)雜、要求更高的泥漿處理部分提供有效例證。

關(guān)鍵詞：鉆井船 泥漿處理設(shè)備 泥漿處理系統(tǒng)

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著世界人口迅猛增長(zhǎng)以及相應(yīng)帶來(lái)的汽車工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、電力工業(yè)等的大發(fā)展，加劇了人類對(duì)自然資源特別是油氣資源需求量的飛速增長(zhǎng)。與此同時(shí)，隨著陸地資源的日趨枯竭，也客觀促使著人類向海洋進(jìn)軍，并逐步從近海岸灘向深藍(lán)進(jìn)發(fā)。鉆井船就是順應(yīng)海洋油氣資源深海開發(fā)而生的浮式動(dòng)力定位集成。眾所周知，鉆井液（后面統(tǒng)稱泥漿）對(duì)于鉆井船來(lái)說(shuō)，就好比人體的血液一樣，無(wú)可替代。同時(shí)，泥漿作為海上鉆井作業(yè)最重要的一環(huán)，其更換新配成本極高,被業(yè)內(nèi)形象地稱作液體黃金。因此，如何提高泥漿使用效率，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)再利用，有很高的現(xiàn)實(shí)研究?jī)r(jià)值，對(duì)于降低整個(gè)鉆井工程的成本也至關(guān)重要。而本文所研究的來(lái)自于井底的回流泥漿處理系統(tǒng)，就是實(shí)現(xiàn)這一功能的唯一方式。

1 鉆井液

鉆井液，又稱泥漿，是通過(guò)添加各種散料及化學(xué)劑，配制而成且性能可控的一種流體。鉆井液主要是通過(guò)高壓泵加壓，經(jīng)井架鉆臺(tái)立管，水龍頭打入井底并回到地面的一整套持續(xù)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。

鉆井液的功能主要包括兩方面。

第一，保證優(yōu)質(zhì)高效的鉆井過(guò)程。（1）潤(rùn)滑并冷卻鉆頭、鉆具；（2）清楚井底巖屑并帶回地面；（3）對(duì)地層施加一定的反力以防地層流體入井；（4）傳遞水功率；（5）保持井眼穩(wěn)定。

第二，保護(hù)油氣層，提供準(zhǔn)確的層樣本資料，以供分析。（1）利于地層測(cè)試，不影響地層的評(píng)價(jià)；（2）對(duì)井壁產(chǎn)生的一定壓力，防止井塌；（3）對(duì)井下鉆具鉆頭不產(chǎn)生腐蝕。

2 回流泥漿處理

眾所周知，從井底回流的泥漿，其成分已經(jīng)發(fā)生了很大變化。內(nèi)部攜帶了大量的泥砂、巖塊，還有可能溶解有一定的有害氣體。所有這些成分如果不進(jìn)行處理就繼續(xù)泥漿的循環(huán)，可能導(dǎo)致很多不利的影響，例如，大的巖屑石塊可能造成刮傷管材附件及設(shè)備，堵塞管道；含有大量泥沙也增加了泥漿的延程阻力，降低了其攜帶能力；有害氣體溢出，可能會(huì)造成危險(xiǎn)區(qū)域范圍擴(kuò)大；泥漿攜帶氣體因壓力降低而破裂，很可能產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象等。因此，井底泥漿回到平臺(tái)以后，必須進(jìn)行及時(shí)有效的處理，才可繼續(xù)循環(huán)使用。

2.1 泥漿處理工藝過(guò)程

泥漿處理系統(tǒng)，常稱作泥漿凈化/固控系統(tǒng)，主要包括粘土箱（gumbo box）、振動(dòng)篩、泥漿攪拌器、除氣器、除泥器、除砂器、泥漿清潔器、多級(jí)沉淀池和輸送泵等。泥漿從井底返回后，經(jīng)分流器（Diverter）進(jìn)入泥漿箱；分離出一部分粘土后，流入振動(dòng)篩組；將一些較大顆粒石塊和大量巖屑篩出來(lái)排海（這里，應(yīng)該注意，油基泥漿或者含油的巖屑不可以直接排海，需要進(jìn)一步處理達(dá)標(biāo)后，方可）；經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩初步處理后的泥漿，進(jìn)入一級(jí)泥砂沉淀艙，完成初步沉淀；然后，經(jīng)由除氣泥漿輸送泵，將泥漿抽送到除氣器進(jìn)行伴生氣去除；除氣后再分別經(jīng)除砂輸送泵送至除砂器；除泥輸送泵送至除泥器兩級(jí)處理后，經(jīng)回流管路回注到位于泥漿池區(qū)域的泥漿儲(chǔ)存艙。典型的原理如圖1所示。

圖1 非加重鉆井液的密閉固控系統(tǒng)（1,2,3,4,5-罐；S為固相）

泥漿處理的工藝可以細(xì)分為兩個(gè)階段。第一階段是去除大顆粒巖屑碎石及粘土的過(guò)程（即Treatment），第二階段是三級(jí)沉淀處理過(guò)程（即Processing）。

2.2 泥漿處理設(shè)備

了解研究泥漿處理的工藝流程，必須首先掌握處于兩個(gè)階段所包含有哪些處理設(shè)備、這些設(shè)備的工作原理、在安裝布置中的注意事項(xiàng)及其在管路原理中所處位置（考慮管路布置的影響等）。下面分別對(duì)兩個(gè)階段的處理設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題及注意事項(xiàng)進(jìn)行分析研究。

2.2.1 粘土箱（Gumbo box）

本項(xiàng)目所選用的是兩用粘土分離箱（DUAL GUMBO BOX SEPARATOR）。實(shí)際上，它是原始的粘土箱和流量分配器的結(jié)合體（見圖2）。上部是粘土分離器，側(cè)邊配有一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，以帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)傳輸分離圓形鋼條的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將大量的粘土塊分離輸送到位于末端的泄放口排海。這里的連接排海管路應(yīng)盡量粗（一般選用22”），且布置此管路需要最小60°的斜度，以免造成管路堵塞。而處理過(guò)程中，泥漿會(huì)通過(guò)鋼條間隙漏到位于下部的流量分配器。為避免流量不均衡地流入振動(dòng)篩，導(dǎo)致部分振動(dòng)篩流量過(guò)大超出最大許用處理量而影響固體篩除效果，或振動(dòng)篩流量過(guò)小造成浪費(fèi)，可在流量分配器出口設(shè)置遙控閥控制流量均橫性。

圖2 粘土箱

2.2.2 振動(dòng)篩

泥漿經(jīng)粘土箱初處理后，會(huì)流入振動(dòng)篩（見圖3）。實(shí)際上，振動(dòng)篩的工作原理就是通過(guò)電機(jī)馬達(dá)帶動(dòng)偏心輪（連著篩網(wǎng)）振動(dòng)而去除大塊巖屑。振動(dòng)篩的篩網(wǎng)是可以根據(jù)需要拆換的，可以設(shè)有一層或兩層篩網(wǎng)，網(wǎng)格的目數(shù)及大小由廠家根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。一般，在振動(dòng)篩的篩網(wǎng)正下方設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)槽（MUD DITCH）。除去巖屑的泥漿會(huì)通過(guò)此通道進(jìn)入mud processing tank進(jìn)行三級(jí)處理。

圖3 Brant King Cobra Hybrid Shaker

2.2.3 除氣器

泥漿經(jīng)第一階段處理后，基本去除了較大顆粒的巖屑和粘土塊。后通過(guò)泥漿回流槽進(jìn)入到沉淀池，通過(guò)離心泵輸送至除氣器進(jìn)行除氣。一般，除氣器要配一個(gè)噴射泵、一個(gè)離心泵，以組成一套循環(huán)處理系統(tǒng)（見圖4）。此循環(huán)的工作原理是：首先，需要通過(guò)泥漿輸送泵，將泥漿從沉淀池中抽出，并給其提供一定的壓力；然后，將一定壓力的泥漿輸送到噴射泵，通過(guò)噴射泵內(nèi)部管嘴時(shí)，速度迅速增加而形成真空。這樣待除氣泥漿就會(huì)因大氣壓力，與此處的壓差抽吸到除氣器。通過(guò)除氣器內(nèi)部的玻璃鋼格柵式薄板，從而將泥漿中的伴生氣泡分離收集到除氣器頂部，再通過(guò)真空泵將頂部的氣體，抽送至安全排放區(qū)域（一般要求管路末端高于鉆臺(tái)Fingerboard 5m）。

圖4 DEGASSER FLOW DIAGRAM

這里，尤其要注意的是，必須滿足除氣器的吸口安裝高度距離泥漿處理池液面不超過(guò)約1.5m，否則，噴射泵工作時(shí)，內(nèi)部形成的真空度將不足以克服此液位差造成的水頭損失。

2.2.4 除砂器和除泥器

除砂器與除泥器實(shí)際的工作原理是相同的。兩者都是旋流器，只是根據(jù)不同的分離顆粒尺寸要求，而自身的設(shè)計(jì)尺寸不同而已。實(shí)物圖見圖5，工作原理圖見圖6。含有巖屑的泥漿經(jīng)離心泵加壓后，從旋流器切線方向進(jìn)口進(jìn)入圓柱形上部液腔。因受到離心力作用，摻雜在泥漿中的固相顆粒與泥漿本身比重不同，故所受離心力也不同。這些固相顆粒受較大離心力作用而沿圓柱腔下的錐形腔壁往下匯聚排出，同時(shí)泥漿液會(huì)在旋流器中心離心區(qū)向上經(jīng)溢流管流出。

圖5 水力旋流式除泥除砂器

圖6 旋流器工作原理

這里，應(yīng)該注意，當(dāng)旋流器底部泥砂排泄口沉降下來(lái)的固相顆粒超過(guò)底部流出口的承受量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)旋流器超載現(xiàn)象發(fā)生。此時(shí)，底部沒有空氣被吸入，旋流器內(nèi)部形成閉死空間，將導(dǎo)致旋流器嚴(yán)重受損實(shí)效。所以，應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段根據(jù)實(shí)際泥漿處理量來(lái)選擇相適應(yīng)的旋流器，或者根據(jù)已購(gòu)旋流式除泥除砂器處理能力來(lái)控制入口流量（一般不采用這種處理方式）。

3 結(jié)語(yǔ)

井底回流泥漿處理系統(tǒng)是在整個(gè)泥漿循環(huán)中比較重要的環(huán)節(jié)。全面系統(tǒng)地掌握其工藝流程，合理優(yōu)化相關(guān)處理設(shè)備的布置，避免布置不合理導(dǎo)致的管路布置困難，進(jìn)而導(dǎo)致泥漿處理效果不理想或者不能滿足泥漿循環(huán)質(zhì)量要求，對(duì)于鉆井過(guò)程降本增效影響顯著。因此，本文旨在為后續(xù)或者其他相同相近鉆井船、鉆井平臺(tái)的泥漿處理再利用設(shè)計(jì)，提供有價(jià)值的參考和借鑒。

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The Sixth Generation Ultra Deepwater Drilling Ship Return Sludge Treatment System Research Design

FENG Jiagang,LIU Qingzhu,WAN Yi
(Shanghai cosco shipping engineering co., LTD., Shanghai 200231)

Abstract:This article is based on the sixth generation ultra deepwater drilling shi p PRD12 c urrently in hand 000 Qdrill project, comprehensive analysis sy stematically introduces t he drilling fluid (mud) from the bottom of a large num ber of drilling cuttings to carry back to how to deal with the whole process of recycling after proces sing unit. And relevant for the s ludge treatment equipment layout and piping design should pay attention to the problem of the comprehensive description, the same or similar to other projects, important reference for the des ign of the same area. For development of drilling drilling ship late to deeper waters i n more complex se ction provides e xamples of effective demand higher mud treatment.

Key words:drilling ship, sludge treatment equipment, sludge treatment system