海洋鉆井平臺泥漿系統(tǒng)綜述

方懌民

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

鉆井泥漿系統(tǒng)是鉆井平臺在鉆井作業(yè)時所依賴的一整套核心系統(tǒng)。主要包括5個系統(tǒng)：散裝材料儲存輸送系統(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)。

散裝材料儲存輸送系統(tǒng)用于儲存和輸送調配鉆井泥漿、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液體混合、調配成液體泥漿。高壓泥漿系統(tǒng)是鉆井泥漿的應用系統(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的配套系統(tǒng)。低壓泥漿凈化處理系統(tǒng)用于對井下返回的泥漿進行處理，去除其中所含的固體顆粒物，使返回的泥漿可重復使用。

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（包括鉆井船、鉆井駁等海工裝備）在鉆井作業(yè)時必不可少的一種工作介質。鉆井泥漿是將黏土、加重材料和各種化學處理劑按照特定的比例均勻混合在基礎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)時的作用主要有以下5個方面：

1）懸浮并攜帶鉆屑出井；

2）冷卻、潤滑鉆頭和鉆具；

3）平衡井下壓力，防止井噴；

4）保護井壁，防止井壁垮塌；

5）為井下動力鉆具提供動力。

鉆井泥漿按照調配時所用基礎液體的不同，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，以黏土（膨潤土，Bentonite）、加重材料（重晶石，Barite）及各種化學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、加重劑和各種化學處理劑。根據(jù)水中含鹽和油狀態(tài)的不同，又可再細分為淡水泥漿、鹽水泥漿、乳化液（水包油）泥漿等。

油基泥漿是一種以基礎油（Base oil，主要是柴油和原油）為分散介質，以有機黏土、加重劑、各種化學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，又可再細分為油相泥漿和反相乳化（油包水）泥漿等。

鉆井平臺上使用的鉆井泥漿主要有三個來源：

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

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

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

圖1 散裝材料儲存輸送系統(tǒng)示意圖

鉆井平臺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的地層，鉆井平臺通常需要預備多種不同配方的鉆井泥漿。另外，當鉆井系統(tǒng)使用鉆井泥漿的時候，平臺上有可能還需要在同一時刻配制新的鉆井泥漿以備使用，因此平臺上的泥漿池一般需要分隔成相互獨立的數(shù)個至十數(shù)個。

為防止泥漿長時間靜置后發(fā)生分層、沉淀、固結等現(xiàn)象，在各泥漿池內(nèi)需設置攪拌器（Agitator）和泥漿槍（Mud gun）等設備，以保持池內(nèi)存放的泥漿始終處于運動狀態(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，是通過防爆電動機或其他動力源驅動安裝在泥漿池內(nèi)的旋轉葉片，攪動泥漿；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，攪動泥漿。

2 散裝材料儲存輸送系統(tǒng)

散裝材料儲存輸送系統(tǒng)（Bulk material system），也稱輸灰系統(tǒng)，主要用于儲存和輸送兩種用途的散裝材料：一種是用于調配鉆井泥漿的干粉材料，如膨潤土粉和重晶石粉，輸送至泥漿混合系統(tǒng)；另一種是用于調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，故鉆井平臺上這兩種散裝材料的儲存輸送系統(tǒng)通常應分成兩個相互獨立的系統(tǒng)。

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

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

鉆井平臺上另外還需要存放一定數(shù)量的袋裝材料（Sack packaged material），包括袋裝膨潤土粉、袋裝水泥和各種袋裝化學品等。這些袋裝材料通常堆放在袋裝料儲存艙內(nèi)，需要配備1臺能避免粉塵爆炸的防爆型電動叉車用于搬運操作。機械化程度較高的鉆井平臺還會配備升降機和割袋機等設備，用于在使用袋裝材料時的處理工作。

3 泥漿混合系統(tǒng)

泥漿混合系統(tǒng)（Mud mixing system）是鉆井平臺上用于將干粉泥漿材料和基礎液體混合、調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）、泥漿池攪拌器及泥漿循環(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，預先注入泥漿池的泥漿基礎液體由混合泵建立起一個流經(jīng)混合漏斗的循環(huán)流動。散裝材料輸送系統(tǒng)將散裝材料儲罐內(nèi)的土粉/重晶石粉供應至土粉/重晶石緩沖罐，然后由緩沖罐均勻地加入泥漿混合漏斗，與基礎液體混合成為液體泥漿。同時，泥漿池內(nèi)設置的攪拌器和泥漿槍等設備也保持工作，以使池內(nèi)的泥漿始終處于運動狀態(tài)，保證泥漿成分和密度的均勻和穩(wěn)定。

鉆井平臺上通常應至少設置2臺泥漿混合泵、2個土粉/重晶石緩沖罐和2個泥漿混合漏斗。

為幫助膨潤土粉等材料在鉆井泥漿中更好地分散和水合，有些鉆井平臺的泥漿混合系統(tǒng)還設置1臺泥漿剪切泵（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）是鉆井泥漿的應用系統(tǒng)。它以高壓泥漿泵（鉆井泵，Drilling pump）為動力源，將鉆井泥漿由旋轉水龍頭（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，以實現(xiàn)泥漿在鉆井作業(yè)過程中的幾個作用：懸浮并攜帶鉆屑出井；冷卻和潤滑鉆頭；平衡井下壓力，保護井壁。

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

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泵，每臺泵通常配2臺驅動電動機。為了根據(jù)鉆井作業(yè)的需要調節(jié)泵的流量，驅動電動機需能調速。早期的高壓泥漿泵采用晶閘管（SCR）技術調速的電動機，現(xiàn)在由于變頻調速技術成熟，各廠家都已普遍采用變頻調速電動機了。通常，在鉆井平臺上需設置至少3臺高壓泥漿泵，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。在鉆臺上，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的旋轉水龍頭上，實現(xiàn)向鉆柱內(nèi)注入鉆井泥漿的功能。

高壓泥漿管路的設計壓力應依據(jù)鉆井系統(tǒng)的鉆井深度而確定。當今主流的鉆井平臺，鉆井深度一般為30 000英尺（9 144 m）至35 000英尺（10 668 m），對應的高壓泥漿系統(tǒng)設計壓力一般為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度合金鋼ASTM A-519 GR 4130。高壓泥漿管路的壁厚應根據(jù)管系的設計壓力和材料的機械性能計算確定，計算所依據(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的配套系統(tǒng)。它以泥漿灌注泵（Mud charging pump）為動力源，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高于水，常用的最高密度可達2.8 t/m3，而高壓泥漿泵比較高大，吸入能力也不是很強，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，每臺高壓泥漿泵對應設置1臺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)的簡稱，Solid control system），用于對井下返回的泥漿進行處理，去除其中所含的固體顆粒物，使返回的泥漿可重復使用。在鉆井作業(yè)的成本中，泥漿消耗的費用是很大的一塊，因此，鉆井平臺、鉆井船、鉆井駁等都會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，同時也減小對海洋環(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（Centrifuge）等設備，以及相應的管路和閥件等組成。系統(tǒng)里還設有計量罐（Trip tank）/精計量罐（Strip tank）和計量泵（Trip tank pump）/精計量泵（Strip tank pump），用于測量從井下返回的泥漿數(shù)量，便于鉆井作業(yè)時判斷井下的狀態(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振動篩，振動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)過振動篩過濾后的泥漿則進入泥漿處理艙，根據(jù)需要依次進行除砂、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上的泥漿池，供鉆井作業(yè)重復使用。

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

泥漿凈化設備的布置根據(jù)鉆井平臺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構且空間較為高大的船型，泥漿凈化設備可以布置在懸臂梁內(nèi)部。對于大部分類型的鉆井平臺，泥漿凈化設備通常模塊化地布置在主甲板上尾部的一個單獨區(qū)域。因井底返回的泥漿可能含有油氣成分，因此整個泥漿凈化區(qū)域應按照I類防爆區(qū)的要求設計［2］。

圖5 泥漿凈化處理系統(tǒng)示意圖

7 結語

鉆井泥漿系統(tǒng)是鉆井平臺在鉆井作業(yè)時所依賴的一整套核心系統(tǒng)，系統(tǒng)的設計與平臺的鉆井作業(yè)要求密切相關，同時也對鉆井平臺的總體布置有著重大影響。

目前國內(nèi)的船舶、海工設計院所，在鉆井平臺的設計中還基本停留在只負責船體部分的設計，對鉆井相關設備和系統(tǒng)的配置還不甚明了，有待進一步掌握鉆井設備的參數(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泥漿系統(tǒng)設計的基本要素，希望以此拋磚引玉，進一步深入研究，掌握鉆井泥漿系統(tǒng)及其他鉆井相關設備的配置規(guī)律，促進我國具有自主知識產(chǎn)權的鉆井平臺的研究開發(fā)。

［1］安國亭，盧佩瓊.海洋石油開發(fā)工藝與設備［M］.天津：天津大學出版社，2001.

［2］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范［S］.2005.