張貴磊，趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，阮雄，田榮劍

（1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065200；2.中海油服油化湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524000）

泥漿靜態(tài)混合器研究與應(yīng)用

張貴磊1，趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)2，阮雄2，田榮劍1

（1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065200；2.中海油服油化湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524000）

本文介紹的泥漿靜態(tài)混合器是應(yīng)用于海洋深水鉆井表層作業(yè)時(shí)，應(yīng)對表層鉆井風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。從海洋鉆井平臺實(shí)際操作環(huán)境出發(fā)，對國家863課題“深水表層鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目子課題深水表層動態(tài)鉆井技術(shù)”成果優(yōu)化研究，對混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研制出一套能夠快速、均勻地混合鉆井液，安裝便捷、操作簡單、精度較高、性能可靠、能夠滿足施工要求的鉆井液密度混合設(shè)備。

動態(tài)壓井；靜態(tài)混合器；混合精度；混合排量；混合效果

深水海底常常潛伏著高壓淺層流，在表層鉆遇淺層流時(shí)，由于沒有常規(guī)的井口裝置產(chǎn)生回壓來平衡地層壓力，常規(guī)的壓井方法就不再適用，處理手段不當(dāng)則會引起井涌、井噴等事故。動態(tài)壓井鉆井技術(shù)是由Baker Hughes提出的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)通過隨鉆測得井底壓力，計(jì)算所需平衡地層壓力泥漿密度，通過混合裝置，將提前配制好的重泥漿與海水按照一定比例混合，混合好的泥漿迅速泵入井內(nèi)，結(jié)合環(huán)空摩阻的作用平衡地層壓力，防止淺層井涌，并提高井壁穩(wěn)定性。動態(tài)壓井技術(shù)在深水表層鉆井中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，動態(tài)壓井鉆井技術(shù)的核心設(shè)備就是泥漿靜態(tài)混合裝置。國家863課題深水表層關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中研究動態(tài)壓井鉆井技術(shù)可行性并驗(yàn)證了靜態(tài)混合器在鉆井工程中的應(yīng)用，本文介紹的靜態(tài)混合 器基于該課題研究內(nèi)容，結(jié)合施工鉆井平臺的實(shí)際工況條件，對混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 動態(tài)壓井鉆井技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

動態(tài)壓井鉆井的實(shí)質(zhì)是根據(jù)作業(yè)需要，可隨時(shí)將預(yù)先配制好的高密度泥漿與海水，通過泥漿靜態(tài)混漿裝置，調(diào)節(jié)到平衡地層壓力所需的密度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地向井內(nèi)泵送壓井液。在鉆進(jìn)作業(yè)期間，只要隨鉆儀器監(jiān)測到井下有地層異常高壓，控制調(diào)節(jié)該裝置立即混合出所需要的密度泥漿，直接泵送入井，不需要等待循環(huán)配制時(shí)間，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊加重壓井的鉆井作業(yè)模式。

與常規(guī)表層井控鉆井，海水加隔段重漿控制方式不同，動力壓井鉆井技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）可以有效解決淺水流動誘發(fā)嚴(yán)重的井漏、井涌問題，是對付流體最有效辦法。

（2）延伸表層套管下入深度，提高表層套管破裂壓力，有利于井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高泥漿當(dāng)量密度控制范圍。

（3）減少鉆井液的配制量和儲存量，節(jié)省平臺空間，提升作業(yè)效率，提升應(yīng)對地層災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，降低鉆井總體成本。

（4）高密度泥漿鉆井，有利于提高井壁穩(wěn)定性，保證井眼規(guī)則，提高表層固井質(zhì)量。

2 靜態(tài)混合器原理

靜態(tài)混合器的工作原理，通過固定在混合器的單元內(nèi)件，使二股或多股流體在管線中流動沖擊各種類型板元件，增加流體層流運(yùn)動的速度梯度或形成湍流，層流時(shí)是“分割-位置移動-重新匯合”，湍流時(shí)，流體除上述三種情況外，還會在斷面方向產(chǎn)生劇烈的渦流，有很強(qiáng)的剪切力作用于流體，使流體進(jìn)一步分割混合，最終混合形成所需要的混合液。之所以稱之為“靜態(tài)”混合器，是指管道內(nèi)沒有運(yùn)動部件，只有靜止元件。

3 泥漿靜態(tài)混合器的研究

泥漿靜態(tài)混合器是動態(tài)壓井鉆井技術(shù)的關(guān)鍵裝備。主要由快速連接管匯、流量控制閥門、流量計(jì)、混合器等組成?；镜墓に嚵鞒虉D如圖1所示。高密度壓井泥漿、海水或稀釋液通過兩個(gè)或三個(gè)分支管路注入到混合器，經(jīng)過混合器的混合剪切，混配好的壓井液由泥漿泵泵注到井內(nèi)，平衡地層壓力，實(shí)現(xiàn)邊壓井邊鉆井，完成動態(tài)壓井鉆井作業(yè)。

圖1 混合系統(tǒng)工藝流程圖

3.1 泥漿靜態(tài)混合器的發(fā)展

泥漿靜態(tài)混合器是隨著動態(tài)鉆井技術(shù)提出使用發(fā)展而來，經(jīng)過了近十多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了三代系統(tǒng)。第一代系統(tǒng)具備了基本的動態(tài)壓井鉆井功能，但設(shè)備體積過大，限制其推廣。第二代系統(tǒng)使用了一個(gè)雙重作用的混合器，該混合器提供動態(tài)壓井鉆井作業(yè)所需要的混配功能，測量精度和安裝便利性也有了提高。第三代系統(tǒng)是當(dāng)前使用廣泛的，該系統(tǒng)改進(jìn)了功能，并進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便捷安裝、混合精度高等優(yōu)勢。

在國際上，主要鉆井設(shè)備服務(wù)商都有泥漿靜態(tài)混合器的設(shè)備和技術(shù)。在中國開始深水鉆井時(shí)，動態(tài)鉆井技術(shù)屬于保密技術(shù)，國外設(shè)備只租不買。國家863課題研究的“深水表層鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”子課題，專門針對動態(tài)壓井技術(shù)進(jìn)行了探索研究，研制了一套自動化泥漿混合器系統(tǒng)，在海油石油981平臺使用，順利的完成了一口表層動態(tài)壓井鉆井作業(yè)自動化控制、混合效果、測量精度都得到實(shí)際，該設(shè)備的缺點(diǎn)是科研產(chǎn)品體積過大，限制了該設(shè)備推廣使用。我們需要優(yōu)化設(shè)計(jì)一套適合平臺安裝、可操作的泥漿靜態(tài)混合器。

3.2 靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混合器本體的一端設(shè)置有鉆井液入口，另一端設(shè)置有混合液出口，周向分別通過接口連接高密度鉆井液和海水入口，接口中心分別安裝橫截面呈紡錘狀的噴嘴，相互錯(cuò)開，呈偏心方向設(shè)置。這種設(shè)計(jì)有利于創(chuàng)建湍流、形成旋渦和均勻混合，因此密度調(diào)節(jié)速度快，調(diào)整精度高，特別是對于高粘度非牛頓流體重泥漿與海水/淡水的混合具有良好的混合效果。根據(jù)海上平臺現(xiàn)場安裝位置狹小，操作空間非常窄，混合排量大，混合精度要求高等要求。主要完成了三種混合器的設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算。

方案一（如圖2、3）：采用原國家“863”深水表層技術(shù)研究成果噴嘴，采用45度角設(shè)置，見圖2。

圖2 方案1密度分布云圖

圖3 方案1 密度變化坐標(biāo)圖

模擬結(jié)果顯示，混合效果很差，兩種流體基本上沒有混合，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。不適合目前的設(shè)計(jì)要求。

方案二（如圖4、5）：采用原國家“863”深水表層技術(shù)研究成果噴嘴，對角噴射外形。

圖4 方案2 密度分布云圖

圖5 方案2 密度變化坐標(biāo)圖

模擬結(jié)果顯示，混合效果較差，不適合目前的設(shè)計(jì)要求。

方案三（如圖6、7）：重新設(shè)計(jì)噴嘴結(jié)構(gòu)。

模擬結(jié)果顯示，在距離混合器噴嘴約300 mm處，混合液密度差異可以控制在0.03 g/cm3（設(shè)計(jì)精度要求0.05 g/cm3），此種設(shè)計(jì)方案為滿足設(shè)計(jì)要求，到達(dá)鉆井工程壓井的密度精度要求。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 設(shè)備連接（如圖8）

圖6 方案3 密度分布云圖

圖7 方案3 密度變化坐標(biāo)圖

圖8 試驗(yàn)連接圖

4.2 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

開泵，調(diào)節(jié)控制閥門的開度，觀察記錄流量計(jì)的瞬時(shí)讀數(shù)。每半分鐘計(jì)時(shí)一次，累計(jì)流量和平均流量分別如表1、2所示。

圖9 流量與開度關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，由圖9可知，流量與調(diào)節(jié)閥的開度成正比，而且隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，流量增加的速度逐漸減小。

建議在實(shí)際操作中，校核標(biāo)記控制閥門的開度，進(jìn)而快速操作閥門至所需流量，使出口密度快速達(dá)到壓井所需密度，減少可調(diào)節(jié)海水與重漿入口調(diào)節(jié)閥的開度時(shí)間，提高設(shè)備功能的使用效率。

5 現(xiàn)場應(yīng)用測試

對該裝置進(jìn)行現(xiàn)場排量測試，測試介質(zhì)海水，得到數(shù)據(jù)如表3所示，其中重漿管線2.1 m3/min，海水管線2.78 m3/min，總排量達(dá)到4.88 m3/min，完全滿足鉆井排量需求。

對該裝置進(jìn)行現(xiàn)場混合效果測試，測試重漿密度1.30（g/cm3），稀釋液（海水）密度1.03（g/cm3），設(shè)定所需壓井密度，得到數(shù)據(jù)如表4所示， 測試數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)100%一致，混合效果滿足壓井作業(yè)精度工程要求。

表1 試驗(yàn)累計(jì)流量表

表2 試驗(yàn)平均流量表

表3 現(xiàn)場應(yīng)用排量測試數(shù)據(jù)

表4 現(xiàn)場應(yīng)用混合效果測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本泥漿靜態(tài)混合器適用于深水表層鉆井中多相、非牛頓、高密度、高粘度鉆井液的混合調(diào)節(jié)，能夠在鉆井過程中獲得調(diào)節(jié)密度的良好效果。

該混合器在混合裝置能夠快速、均勻地混合鉆井液，安裝便捷、操作簡單、精度較高、性能可靠,能夠滿足施工要求，并在中國海洋石油深水鉆井平臺廣泛使用。

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1671-0711（2016）10（上）-0102-04