基金項(xiàng)目：寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司2022年生產(chǎn)項(xiàng)目“ZJ90/6750DBT1鉆機(jī)”（2022-163）；寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司2023年技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“高效低壓鉆井液系統(tǒng)研制”（BOMCO KJ 2023-1013）。

為了滿足科威特地區(qū)9 000 m超深井鉆機(jī)的作業(yè)需求，研發(fā)了高效低壓鉆井液系統(tǒng)。該系統(tǒng)比同級(jí)別系統(tǒng)安全性高、工藝流程復(fù)雜、環(huán)境更友好，可同時(shí)滿足水基鉆井液、油基鉆井液作業(yè)工況。首次在9 000 m超深井鉆機(jī)配套的低壓鉆井液系統(tǒng)上應(yīng)用節(jié)能型攪拌器、多功能螺旋輸送機(jī)、雙機(jī)械密封離心泵，使得低壓鉆井液系統(tǒng)更加節(jié)能、環(huán)保。該系統(tǒng)采用雙通道工藝流程，雙層鉆井液罐設(shè)計(jì)罐面通道更為順暢。廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)噪聲低于82 dB，設(shè)備軸承溫升不高于 32 ℃，工藝流程正常，滿足設(shè)計(jì)要求。隨鉆機(jī)開展了2 h的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和2 h的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，低壓鉆井液系統(tǒng)工作穩(wěn)定正常。研究成果豐富了鉆機(jī)產(chǎn)品的多樣性，可廣泛應(yīng)用于科威特、阿聯(lián)酋、沙特等中東地區(qū)超深井作業(yè)。

超深井鉆機(jī)；低壓鉆井液系統(tǒng)；攪拌器；螺旋輸送機(jī)；離心泵；混合漏斗；鉆井液罐

Development and Application of High-Efficiency and

Low-Pressure Drilling Fluid System

Zhang Hushan¹ Xu Xiaopeng¹ Luo Xiaochun¹ Huang Zhihu¹ Suo Wentao¹ Hou Wenhui^1，2 Yang Baixue¹

（1.CNPC Baoji Oilfield Machinery Co.， Ltd.; 2.CNPC National Petroleum Drilling Equipment Engineering Technology Research Center Company Limited）

In order to meet the operation requirements of 9 000 m ultra-deep rig in Kuwait， a high-efficiency and low-pressure drilling fluid system was developed. The system is safer， more complex and environmental than similar systems， and can meet the operating conditions of water-based drilling fluid and oil-based drilling fluid. Energy-saving agitator， multifunction worm conveyer and dual mechanical seal centrifugal pump were applied to the low-pressure drilling fluid system of 9 000 m ultra-deep rig for the first time， making the system more energy saving and environmentally friendly. The system adopts a dual-channel process， making the channel on the surface of the double-layer drilling fluid tank smoother. A shop test was conducted， showing that the noise of the system is lower than 82 dB， the temperature rise of the equipment bearing is not higher than 32 ℃， and the process flow is normal to meet the design requirements. Finally， a 2 h operational test and a 2 h joint debugging test were conducted with the rig， showing that the low-pressure drilling fluid system worked stably and normally. The research results enrich the diversity of" rig products， and the low-pressure drilling fluid system can be widely applied to ultra-deep well operations in Kuwait， United Arab Emirates， Saudi Arabia and other countries in the Middle East.

ultra-deep rig; low-pressure drilling fluid system; agitator; worm conveyer; centrifugal pump; mixing hopper; drilling fluid tank

0 引 言

近年來，隨著中東地區(qū)的阿聯(lián)酋、科威特、沙特等地鉆井市場(chǎng)對(duì)超深井鉆機(jī)的需求量加大，對(duì)鉆井裝備的安全性要求越來越高、工藝流程越來越復(fù)雜。隨著國(guó)內(nèi)外油氣勘探開發(fā)工作不斷向縱深發(fā)展^［1-4］，不但要滿足鉆機(jī)作業(yè)時(shí)鉆井液的循環(huán)量、低壓鉆井液系統(tǒng)容積，還要對(duì)凈化效果、混配效率、設(shè)備的匹配性等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在鉆機(jī)調(diào)試井場(chǎng)驗(yàn)證。據(jù)了解，鉆井液中每減少1%的固相含量，鉆井速度提高10%，且固相粒度越小，機(jī)械鉆速受影響越大。隨著鉆深的增加和井下環(huán)境的變化，產(chǎn)生的鉆屑量和種類都不斷增加，需要高性能的鉆井液來滿足工藝要求，同時(shí)各級(jí)凈化設(shè)備配合使用完成固相的清除。良好的處理系統(tǒng)既能保證鉆井速度，也能節(jié)約鉆井液成本。

隨著井深的不斷增加，地層壓力和井底溫度不斷升高，對(duì)于超深井作業(yè)，會(huì)出現(xiàn)高溫高壓的鉆井工況，存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)生井涌時(shí)，除了相關(guān)井控工作，低壓鉆井液系統(tǒng)要有高效的加重鉆井液配制能力。中東地區(qū)由于其地域環(huán)境、地下油氣地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)鉆井裝備的要求也有特殊要求，要滿足沙漠、戈壁等環(huán)境55 ℃的高溫要求^［5］，因此高效作業(yè)、降低運(yùn)維成本已成為中東市場(chǎng)及沙漠鉆井作業(yè)地區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)。2023年8月，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“寶石機(jī)械”）針對(duì)科威特用戶9 000 m超深井鉆機(jī)的特殊需求，成功研制了9 000 m超深井鉆機(jī)用低壓鉆井液系統(tǒng)^［6-9］。常規(guī)9 000 m鉆機(jī)低壓鉆井液系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單、安全性不高，處理效率低，無法適應(yīng)該地區(qū)作業(yè)需求。為此，筆者開發(fā)了一種安全可靠、環(huán)境友好、操作便捷的高效低壓鉆井液系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足9 000 m超深井鉆機(jī)的使用要求^［10-13］。

1 技術(shù)方案

1.1 總體布局

低壓鉆井液系統(tǒng)布局如圖1所示，包含12個(gè)鉆井液罐、4臺(tái)HYPERPOOR 4P振動(dòng)篩、1臺(tái)鉆井液清潔器、2臺(tái)液壓調(diào)速離心機(jī)、1臺(tái)真空除氣器、2臺(tái)散料罐、38臺(tái)節(jié)能型攪拌器、15臺(tái)雙機(jī)械密封離心泵、4臺(tái)螺旋輸送機(jī)、1套大袋料吊裝裝置、1臺(tái)液氣分離器以及其他附件。

系統(tǒng)立面圖如圖2所示。鉆井液罐采用雙層結(jié)構(gòu)，第二層高度700 mm，主要用于攪拌器、鉆井液槍、管線、電纜線槽等的布置，保證了罐面通道。通過螺旋輸送機(jī)的切換，實(shí)現(xiàn)油基鉆屑、水基鉆屑的不落地輸送。

1.2 系統(tǒng)容積

低壓鉆井液系統(tǒng)各罐容積分布如表1所示。其充分考慮了超深井鉆井作業(yè)工況，包括鉆井、起鉆、下鉆、堵漏、不同開次油基鉆井液和水基鉆井液切換時(shí)鉆井液罐的切換等工況。

2 關(guān)鍵設(shè)備及受力分析

2.1 鉆屑輸送系統(tǒng)

螺旋輸送機(jī)直徑為350 mm，輸送處理量為30 m³/h，轉(zhuǎn)速為50～60 r/min?？仆赜吞锕緦?duì)螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)要求極高，螺旋輸送機(jī)必須具有沖洗、互鎖、報(bào)警、急停等功能，即任何一臺(tái)螺旋輸送機(jī)開蓋，則螺旋輸送機(jī)停機(jī)。發(fā)生緊急情況時(shí)，可快速切斷電源，緊急關(guān)停設(shè)備，且松開后螺旋輸送機(jī)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)啟動(dòng)。應(yīng)急開關(guān)裝置具備明確的指示及手動(dòng)復(fù)位功能。射流沖洗系統(tǒng)沿著整個(gè)螺旋輸送機(jī)的兩側(cè)布置清水沖洗管線，帶噴頭和閥門，可實(shí)現(xiàn)不打開蓋板沖洗螺旋葉輪防止堵塞。每節(jié)槽體兩側(cè)噴嘴交叉布置可增加沖洗面積，噴嘴采用不銹鋼扇形結(jié)構(gòu)。

2.2 高效鉆井液混合系統(tǒng)

高效鉆井液混合系統(tǒng)單臺(tái)處理量4.55 m³/min，進(jìn)出口直徑為152.5 mm。主要用于粉末、顆粒、液體等不同狀態(tài)的散料混配，其主要依靠高效混合器作業(yè)。當(dāng)高流量、高固體含量的流體以高速泵入剪切混合器入口時(shí)，高效剪切混合器依靠低壓真空和動(dòng)態(tài)、液壓剪切更易于將添加劑混合到液體中。它比傳統(tǒng)的文丘里噴射器提供更高的添加劑加載率，使添加劑混合更完全，動(dòng)態(tài)剪切流體能迅速水化和均勻分散添加劑，最大限度地減少鉆井液壓力損失的影響，同時(shí)增加了管道的距離和高度，混合鉆井液可通過出料管道輸送。徑向預(yù)混化學(xué)添加劑的加入，可防止形成團(tuán)塊或者鉆井液凝膠。徑向預(yù)混室沖洗有助于抑制空氣進(jìn)入鉆井液。在混合啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)，鉆井液可通過徑向預(yù)混器再循環(huán)清理剪切混合器混合室沉淀的添加劑。

該混合器關(guān)鍵部件高效混合漏斗流體走向效果圖如圖3所示。高效混合漏斗具有以下特點(diǎn)：①動(dòng)態(tài)剪切、加速混合，獨(dú)特的噴嘴設(shè)計(jì)，高真空，動(dòng)態(tài)剪切，減少堵塞；②具有最大混合和流量通過率，開放式混合室可明顯減少堵塞；③渦流作用產(chǎn)生液體緩沖，抑制空氣進(jìn)入；④旋流沖洗和預(yù)混合減少結(jié)塊；⑤可處理難混合添加劑（如黏土或聚合物等）。

2.3 無塵加料系統(tǒng)

無塵加料系統(tǒng)中灰罐主要用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)運(yùn)密度在（0.5～3.5）×10³" kg/m³的重晶石粉等干粉物料，是重要的存儲(chǔ)和傳輸裝置?；夜迌?nèi)氣化裝置將粉狀物料進(jìn)行氣化，當(dāng)內(nèi)外壓差合適時(shí)就可將流態(tài)化的氣灰混合物通過管道輸送到指定位置。物料自動(dòng)稱重系統(tǒng)通過電子傳感器可直接液晶數(shù)字顯示物料質(zhì)量。單罐使用和并聯(lián)使用操作方法相同，并聯(lián)操作時(shí)需注意流程管線上閥門的開關(guān)。

無塵加料系統(tǒng)中灰罐模塊支架在工作工況下，灰罐模塊支架上安裝有2套容積為24 m³的灰罐，考慮一定的袋料擺放載荷300 kN，灰罐模塊支架載荷為800 kN。在下部大梁處設(shè)置豎向支承，約束豎向位移；為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對(duì)下部大梁的局部節(jié)點(diǎn)約束了3個(gè)線位移?；夜弈Ｐ偷淖鴺?biāo)系+x方向指向正前方，+y為豎直向上，+z指向結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向（縱向）。由計(jì)算結(jié)果可知，最大軸向應(yīng)力為-167.819 MPa，發(fā)生在第二榀結(jié)構(gòu)的斜撐上，架體材質(zhì)為Q355，屈服強(qiáng)度為355 MPa，許用強(qiáng)度355 MPa/1.67=212.57 MPa，安全系數(shù)為212.57/167.819=9.27。因此灰罐模塊支架能滿足使用要求。

2.4 噴霧降溫系統(tǒng)

科威特當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度最高達(dá)55 ℃，這種工作環(huán)境對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員是個(gè)很大挑戰(zhàn)。為了改善高溫作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了針對(duì)鉆井液罐區(qū)的噴霧降溫系統(tǒng)。噴霧降溫是通過高壓泵將過濾后的清潔水增壓至4～12 MPa，由高壓管路輸送到霧化噴嘴，將水噴出霧化（霧滴粒直徑在5～15 μm之間）。由于最大化地將水滴的表面積擴(kuò)大，而且極易蒸發(fā)，蒸發(fā)時(shí)吸熱從而達(dá)到降溫的效果。噴霧降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.5 鉆井液泵送系統(tǒng)

為保證低壓鉆井液系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，離心泵采用雙機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝坏罊C(jī)械密封出現(xiàn)損壞的情況下，還有第二道機(jī)械密封起作用，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用雙通道管路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了2種不同性能鉆井液的傳輸。

2.6 高效節(jié)能型攪拌器輸出扭矩分析

表2為低壓鉆井液系統(tǒng)3種形式的攪拌器輸出扭矩對(duì)比分析。由表2可知，節(jié)能型攪拌器在功率相同的情況下輸出扭矩最大，即傳遞效率最高，能耗最小^［14-15］。節(jié)能型攪拌器比常規(guī)攪拌器的能耗降低約30%。

2.7 接地比壓分析計(jì)算

在科威特現(xiàn)場(chǎng)，低壓鉆井液系統(tǒng)直接安裝在沙漠井場(chǎng)，沒有鋼木或者水泥地基。鉆井液罐橇必須考慮接地比壓，根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)，油田現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)承載0.4 MPa。當(dāng)?shù)劂@井液密度最高以2.58 g/cm³作為輸出計(jì)算參數(shù)。表3為罐橇接地比壓，可基本滿足要求，但若出現(xiàn)偏載就會(huì)出現(xiàn)地基下陷，造成設(shè)備安裝困難。因此，綜合考慮偏載、地基不平等工況，最終按照表4設(shè)計(jì)，接地比壓最大0.06 MPa，完全滿足當(dāng)?shù)匾蟆?/p>

3 試驗(yàn)情況

2023年8月中旬，在寶石機(jī)械鉆機(jī)調(diào)試井場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，包括設(shè)備進(jìn)行2 h的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、2 h的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)以及噴霧降溫系統(tǒng)測(cè)試、大袋料吊裝裝置2 t的載荷測(cè)試等。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備軸承最大溫升32 ℃，噪聲最大為82 dB，工藝流程正常，無漏水、漏油現(xiàn)象，滿足HSE要求。通過廠內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性^［16］。2023年8月底，高效低壓鉆井液系統(tǒng)出廠發(fā)運(yùn)，10月中旬到達(dá)油田現(xiàn)場(chǎng)，12月25日通過甲方驗(yàn)收并開鉆，應(yīng)用于科威特9 000 m鉆機(jī)項(xiàng)目中，作業(yè)區(qū)域在中東沙漠地區(qū)，在環(huán)境溫度達(dá)55 ℃、濕度100%的環(huán)境下使用，目前運(yùn)行情況良好。

4 結(jié) 論

（1）高效混合系統(tǒng)、自動(dòng)加料系統(tǒng)、大袋料吊裝裝置等模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)械化、自動(dòng)化加料，為鉆井液高效處理、快速配漿奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)散料的無塵輸送。

（2）巖屑輸送系統(tǒng)具有互鎖、報(bào)警、緊急停機(jī)等功能，安全可靠，保證了作業(yè)安全。

（3）通過優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和葉輪型式，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能攪拌，降低了低壓鉆井液攪拌系統(tǒng)的整體能耗約30%。

（4）采用人性化的設(shè)計(jì)理念，考慮了當(dāng)?shù)馗邷刈鳂I(yè)環(huán)境，改善了作業(yè)環(huán)境；同時(shí)降低了沙漠環(huán)境下地基的要求，更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

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第一作者簡(jiǎn)介：張虎山， 高級(jí)工程師，生于1985年，2008年畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，本刊青年審稿專家。地址：（721002）陜西省寶雞市。電話：（0917）3462749。email：bomco@163.com。