第六代超深水鉆井船泥漿泵艙及泥漿池區(qū)域輪機(jī)布置設(shè)計(jì)研究

顧 偉 申 亮 魯 旭

第六代超深水鉆井船泥漿泵艙及泥漿池區(qū)域輪機(jī)布置設(shè)計(jì)研究

顧 偉 申 亮 魯 旭

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

泥漿泵艙以及泥漿池區(qū)域在整個(gè)鉆井船中處于核心，類似于人體心臟的作用，充分了解合理布置此區(qū)域的相關(guān)鉆井設(shè)備，對保證鉆井液循環(huán)的順暢并滿足不同地質(zhì)鉆井要求，順利安全地完成鉆井作業(yè)有著十分重要的意義。本文基于現(xiàn)有PRD12000 Qdrill第六代超水深鉆井船項(xiàng)目為例，研究相應(yīng)區(qū)域的布置。

鉆井船 泥漿泵艙 泥漿池 輪機(jī)布置

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口的不斷增多，交通運(yùn)輸、工業(yè)、電力等行業(yè)的發(fā)展，陸地資源人均占有量的不斷縮減，人類社會對石油、天然氣等資源的需求量迅猛增長，迫使人類將目光轉(zhuǎn)向海洋油氣資源的勘探開采。然而，隨著各種自升式鉆井平臺、半潛平臺以及其他一些近海淺海鉆井裝置的迅速崛起，必然導(dǎo)致該區(qū)域油氣資源天然存儲量銳減，進(jìn)一步催生出一系列深海鉆井裝置的出現(xiàn)。其中，鉆井船就是典型的一種。它集中代表和反應(yīng)了一個(gè)國家的開采海洋油氣資源的技術(shù)能力。目前，先進(jìn)的第六代超深水鉆井船可以實(shí)現(xiàn)3000米作業(yè)水深，極大地?cái)U(kuò)展了人類對油氣資源的需求來源。鉆井液（后稱泥漿）是鉆井船在深海作業(yè)時(shí)極其重要的部分，主要起到冷卻潤滑鉆頭、鉆具，清除井下碎屑，保持井眼穩(wěn)定，保護(hù)氣層等作用。而保證鉆井液循環(huán)順利進(jìn)行的主要設(shè)備就位于泥漿泵艙和泥漿池區(qū)域。因此，對該區(qū)域的布置設(shè)計(jì)研究，將具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 泥漿泵艙

泥漿泵艙位于整個(gè)鉆井船的心臟位置，是鉆井鉆進(jìn)不同地層所需相應(yīng)比重的高壓泥漿的動力源泉，是實(shí)現(xiàn)儲存低壓泥漿向高壓泥漿轉(zhuǎn)化的唯一重要機(jī)械處所。此區(qū)域一般主要布置有高壓泥漿泵、低壓泥漿泵、低壓泥漿管匯、高壓泥漿管匯等。

圖1　往復(fù)泵工作示意圖

1.1 高壓泥漿泵

高壓泥漿泵是泥漿循環(huán)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，一般用于在高壓下向井底輸送高粘度、大相對密度和含沙量較高的鉆井液，以期實(shí)現(xiàn)冷卻鉆臺和攜帶巖屑等作用。高壓泥漿泵屬于往復(fù)泵的一種（見圖1）。

本項(xiàng)目中采用的是三缸臥式泵，工作時(shí)交替實(shí)現(xiàn)活塞連桿沖程。通過傳動軸、皮帶、齒輪等傳動部件帶動活塞運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)泥漿的吸入和壓縮增壓后排出的過程。因此，排出的高壓泥漿有一定的脈沖波動，可以通過泵排出口處自帶的DAMPENER，實(shí)現(xiàn)有效降低排出高壓泥漿波動脈沖的峰值，從而保證排出泥漿流的相對穩(wěn)定。泥漿在高壓泥漿泵內(nèi)部的工作原理見圖2。

圖2　三缸式往復(fù)泥漿泵工作原理

本項(xiàng)目中，高壓泥漿泵最高壓力可以達(dá)到7500PSI，并且可以根據(jù)鉆頭鉆入不同地層時(shí)所需的泥漿壓力，通過更換缸套尺寸來實(shí)現(xiàn)所需排出壓力及排出流量?？梢姡哂泻芨叩膶?shí)用性，可以適應(yīng)不同地層環(huán)境的工作要求。

1.2 低壓泥漿泵

這里所說的低壓泥漿泵，按用途可分為三種：低壓泥漿混合輸送泵、低壓泥漿灌注泵和低壓泥漿循環(huán)泵。低壓泥漿混合輸送泵的主要作用是將低壓泥漿從各個(gè)儲存艙抽出經(jīng)低壓泥漿管匯輸送至各個(gè)用戶單元，實(shí)現(xiàn)泥漿的加散料混合，泥漿池間泥漿互駁等。低壓泥漿灌注泵是給高壓泥漿泵工作提供所需的吸入壓力，同時(shí)也可以與泥漿混合輸送泵互為備用。當(dāng)兩大低壓泥漿吸入系統(tǒng)其中任一系統(tǒng)出現(xiàn)故障，均可利用另一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

1.3 總體布置要求

隨著海工日趨向緊湊型、復(fù)雜性鉆井船或鉆井平臺發(fā)展，泥漿泵艙相應(yīng)的空間設(shè)置也越發(fā)有限。因此，為了避免因早期設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致后期移動設(shè)備困難情況發(fā)生以及可能由此造成的返工重新改造損失，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)綜合考慮，根據(jù)具體空間合理布局。

（1）高壓泥漿泵的布置一般有兩種擺放方法：一種是并排放置，一種是對稱布置。一般，空間相對狹長可以建議并排擺放，否則對稱擺放比較合理。這樣在兩端將低壓泥漿泵數(shù)量均等地布置，利于四周低壓泥漿循環(huán)吸入總管圍繞泥漿池就近布置，減少泥漿吸入延程損失。同時(shí)，此布置還利于高低壓泥漿泵共用維修空間（見圖3）。

圖3　泥漿泵對稱布置圖

（2）高壓泥漿泵會因鉆進(jìn)地層所需提供的泥漿壓力不同，而較為頻繁更換不同尺寸的缸套以及一些備件。所以，在布置泥漿泵時(shí)，需要額外考慮預(yù)留臨時(shí)存放這些缸套及相關(guān)備件的空間。

（3）泥漿泵艙大型輪機(jī)附件配件的吊運(yùn)，主要是高壓泥漿泵曲軸的維修拆裝吊運(yùn)。需要充分考慮吊梁吊運(yùn)能力，不能設(shè)計(jì)吊運(yùn)載重和實(shí)際曲軸重量大致相當(dāng)，而應(yīng)留有充分余量。同時(shí)，應(yīng)該留有臨時(shí)擺放曲軸的空間，在曲軸需要橫縱吊梁轉(zhuǎn)換吊運(yùn)時(shí)臨時(shí)放置，以便吊裝解扣重新綁扣。

（4）泥漿泵艙重量較輕部件的吊裝（一般按ABS規(guī)范及船東要求大于50Kg），一般主要包括低壓泥漿泵的馬達(dá)、高壓泥漿泵的吸口濾器、高壓泥漿泵排出安全閥以及高壓泥漿閥等，可以考慮采用固定吊耳和臨時(shí)可拆吊耳相結(jié)合。采用臨時(shí)吊耳，需考慮人可到達(dá)，并充分考慮協(xié)調(diào)總體布置及吊運(yùn)空間的合理調(diào)和。

（5）泥漿泵日常維護(hù)，備件缸套更換以及吸口管路維修等，不可避免有泥漿、油水等泄漏濺出。為保持維修及逃生空間路面清潔以及泥漿的集中處理，需要在高低壓泥漿泵周圍設(shè)置扁鐵圍欄和污泥池，集中收集并利用氣動隔膜泵將其輸送泄放至廢泥漿收集艙。

2 泥漿池區(qū)間

泥漿池區(qū)域主要包括泥漿池及上部區(qū)間。泥漿池一般又分為動力日用泥漿池、儲存泥漿池、化學(xué)泥漿池、廢泥漿池等。主要的設(shè)備有攪拌器、泥漿槍、高效混合器、高低壓泥漿剪切器等。此區(qū)域主要是完成泥漿的儲存，屬性保持預(yù)防沉淀墮化，循環(huán)駁運(yùn)等。

2.1 泥漿攪拌器

泥漿攪拌器的功能主要包括處理和維持鉆井液（泥漿）的特性，確保實(shí)現(xiàn)鉆井液與添加劑的充分混合，防止沉淀等。攪拌器一個(gè)最為重要的性能參數(shù)是叫做翻轉(zhuǎn)率，即Turn Over Rate（后面簡稱：TOR）。正確合理的選擇TOR對攪拌器能否實(shí)現(xiàn)其實(shí)際效果意義重大。它主要取決于泥漿池的大小以及所選擇的攪拌器槳葉的形式和尺寸。如果TOR過高，會導(dǎo)致泥漿負(fù)壓，有空氣融入泥漿；反之，如果TOR過低，會導(dǎo)致固體沉淀的出現(xiàn)，同樣影響泥漿特性。

槳葉形式主要有圖4、圖5和圖6所示的三種形式。不同的形式作用泥漿流向不同。形式的選擇一般依據(jù)泥漿池的深度：h＜1.5m，選擇Flat-blade impeller；1.5m≤h ＜4.5m，選擇Canted或者Contour blade impeller；h≥ 4.5m， 一 般 可 以 選 擇Canted和Contour blade impeller兩種形式的組合。

圖4　Flat-blade impeller

圖5　Canted-blade impeller

圖6　Contour-blade impeller

2.2泥漿槍

泥漿槍是一種快速有效地解決泥漿潛在沉淀的設(shè)備。它主要是作為攪拌器的一種輔助工具，實(shí)現(xiàn)維持泥漿特性。在攪拌器無法達(dá)到的狹小空間，實(shí)現(xiàn)輔助攪拌預(yù)防沉淀，并實(shí)現(xiàn)添加劑與泥漿的充分混合功能。但應(yīng)該注意的是，泥漿槍噴嘴噴出液可以對泥漿產(chǎn)生很大的剪切作用。因此，它只能作為一種輔助設(shè)備，不能過多地使用，以免造成泥漿墮化。

2.3 高效混合器

高效混合器是一種用于偶然性或者應(yīng)急情況下，實(shí)現(xiàn)將散料迅速混合進(jìn)泥漿而達(dá)到所需配比比重的一種泥漿工作設(shè)備。主要工作原理：當(dāng)?shù)蛪耗酀{通過高效混合器時(shí)，與散料輸送管輸送過來的散料在混合室因高速而形成剪切混合而后注入泥漿池（見圖7）。

圖7　高速混合器

2.4 高壓剪切器

高壓剪切器主要是利用高壓泥漿泵提供的高壓泥漿經(jīng)過其內(nèi)部的管嘴時(shí)產(chǎn)生高速流體，直接沖入泥漿池形成巨大剪切力帶動泥漿轉(zhuǎn)動混合（見圖8）。

圖8　高壓泥漿剪切器

2.5 低壓剪切器

低壓剪切器一般放置在散料添加料斗下游，泥漿混合艙入口上游，或者也可布置于單獨(dú)一套泥漿循環(huán)管路中。當(dāng)散料通過料斗添加進(jìn)低壓泥漿循環(huán)管路中后，在進(jìn)艙前進(jìn)入低壓剪切器，經(jīng)內(nèi)部分成兩股流進(jìn)入混合室前，產(chǎn)生很大的橫向縱向力，經(jīng)混合室旋轉(zhuǎn)槳葉式管嘴入口形成巨大的剪切流，然后兩股剪切流進(jìn)入混合式相互撞擊，充分接觸完成初步混合后進(jìn)艙，見圖9、圖10。

圖9　第一種低壓剪切器的工作流程示意圖

圖10　第二種低壓剪切器工作流程示意圖

2.6 總體布置要求

位于泥漿池頂部區(qū)間的空間相對狹小，而管路設(shè)備眾多，相對比較復(fù)雜。因此，合理優(yōu)化設(shè)備布置，對管路優(yōu)化布置，空間通行流暢性等意義重大。大致的布置見圖11所示。

圖11　泥漿池頂設(shè)備布置圖

（1）位于泥漿池頂上區(qū)間，因有很多管路布置在這個(gè)區(qū)域，如海水注入管、低壓泥漿循環(huán)注入管、低壓泥漿混合注入管、基油管、鉆井水管、鹽水注入管等。所以，需要保證留有貫穿整個(gè)區(qū)域的、供逃生和操作每路注艙管隔離閥、泥漿槍、攪拌器的馬達(dá)檢修通道。（2）攪拌器由廠家提供，一般放置在艙頂中間，以便實(shí)現(xiàn)覆蓋最大工作范圍。攪拌器槳葉葉輪形式（上文提到有三種可選形式）以及安裝高度，需經(jīng)廠家按實(shí)際泥漿艙的尺寸計(jì)算確定，并經(jīng)船東認(rèn)可。（3）泥漿槍一般每個(gè)泥漿池配置兩個(gè)，且對角放置。要求泥漿槍據(jù)艙壁保持一定距離，以確保操作手柄實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)。（4）高低壓泥漿剪切器選擇放置在某個(gè)動力日用泥漿池頂上。其中，低壓剪切器可以水平放置艙頂，也可垂直懸掛艙壁；高壓剪切器因其工作流體壓力速度很大，為避免對艙底結(jié)構(gòu)造成破壞，需在其正下方艙底焊接一塊加強(qiáng)護(hù)板。（5）泥漿池還需要配備獨(dú)立的一套洗艙設(shè)備。一般洗艙機(jī)盡量放置靠中部位，以期減少其洗艙覆蓋盲區(qū)。另外，為提高洗艙排放效果，需要將艙底設(shè)計(jì)成帶有一定斜度的形式。

3 結(jié)語

隨著鉆井海工市場的發(fā)展，泥漿泵艙以及泥漿池區(qū)域作為核心區(qū)域，設(shè)備的布置合理性對整個(gè)鉆井作業(yè)十分重要。本文通過對第六代超深水鉆井船泥漿泵艙及泥漿池區(qū)域輪機(jī)布置的設(shè)計(jì)研究，將為后期設(shè)計(jì)人員了解本區(qū)域相關(guān)鉆井設(shè)備以及相應(yīng)布置時(shí)應(yīng)該考慮的注意事項(xiàng)，提供有價(jià)值的參考，也為以后同類的鉆井平臺或者更高級別的鉆井船泥漿泵艙和泥漿池區(qū)域的布置優(yōu)化，提供研究借鑒意義。

[1]孫明光，等.鉆井、完井工程基礎(chǔ)知識手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.

[2]姚壽廣.船舶輔機(jī)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[3]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會.《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》第二冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008.

The Sixth Generation of Ultra-deepwater Drillships Mud Pump Mud Cabin and Pool Area Turbine Layout Design Study

GU Wei,SHEN Liang,LU Xu
(Shanghai COSCO Shipyard Ltd.,Shanghai 200231)

Mud pump cabin and mud pools in the whole region drilling ship at the heart, similar to the role of the human heart,to fully understand the rational arrangement of this area related to drilling equipment to ensure the smooth circulation drilling and geological drilling to meet different requirements, so smooth and safe completion of drilling operations has a very important significance . Based on the sixth generation of ultraexisting PRD12000 Qdrill depth drillship project for the study of the arrangement of the corresponding region.

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