鉆井液處理劑自動添加與混合技術(shù)

肖建秋，張全立，楊 暉，邵 強(qiáng)

（1.中國石油集團(tuán) 工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206；2.中國石油集團(tuán) 油田技術(shù)服務(wù)有限公司，北京100007）①

為了保證鉆井液的性能穩(wěn)定及適應(yīng)各種情況下鉆井工藝的要求，需向正在使用的鉆井液中添加鉆井液處理劑，以滿足隨時配置、調(diào)節(jié)和維護(hù)、改善鉆井液性能的需求。目前，我國的鉆井液處理劑種類有上千種，分為固體和液體，一般采用袋裝或桶裝，在油田現(xiàn)場主要靠人力搬運(yùn)和手動添加。這種操作方式存在很多問題：①人工割袋和添加費(fèi)時費(fèi)力，且粉狀揚(yáng)塵吸入人體內(nèi)，可能會影響鉆井液員工的身體健康；②手動添加會受人為因素影響，難以準(zhǔn)確控制添加速度，易造成鉆井液處理劑的沉淀；③粉狀鉆井液處理劑野外添加作業(yè)時，受天氣影響難以避免對環(huán)境造成污染及物料的浪費(fèi)。采用先進(jìn)的鉆井液處理劑自動加料技術(shù)，密閉輸送可以解決以上問題，提供優(yōu)質(zhì)鉆井液，實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速地鉆井。本文闡述了鉆井液處理劑自動加料及混合技術(shù)的起源、發(fā)展、及現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的工藝技術(shù)，分析了該技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為我國鉆井液自動添加技術(shù)提供借鑒。

1 鉆井液處理劑自動加料技術(shù)起源

1984 年，挪威水力鉆探部門（Norsk Hydro Drilling Sector）借鑒化工行業(yè)粉料的高精度自動化處理和混合技術(shù)，啟動了前期研究，隨后進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，最先開啟了鉆井液處理劑自動加料和自動混合技術(shù)的探索。該混合系統(tǒng)包括3個部分［1］：

1） 供料站。

在近海陸地供料站處，液態(tài)、固態(tài)的鉆井液處理劑被罐裝于喂料罐，這些喂料罐被運(yùn)輸?shù)胶Ｉ香@井平臺，連接到鉆機(jī)的鉆井液混合系統(tǒng)喂料站上。

2） 混合設(shè)備。

主要部件包括螺旋輸送機(jī)、泵、管匯、混合漏斗。

3） 計算機(jī)控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是一個基于容器（即喂料罐）的喂料站，喂料罐可通過快速連接安裝在喂料站上。喂料罐的數(shù)量和容積取決于所需要添加的處理劑的種類和數(shù)量。1985年，該鉆井液自動化混合系統(tǒng)配置在Polar Pioneer、Teasure Hunter、Vildkat 3個鉆井平臺上，先后在挪威北海的Oseberg油田共進(jìn)行了14口井的試驗(yàn)。

圖1為Polar Pioneer鉆井平臺上的工藝布局。喂料站可處理10種不同的處理劑。每個喂料罐下方都有1個小型螺旋輸送機(jī)，用于將罐中的處理劑輸送至2個主螺旋輸送機(jī)，這2個主螺旋輸送機(jī)分別通向循環(huán)罐和儲備罐的混合漏斗。系統(tǒng)共有3個混合漏斗：第1個用于將重晶石輸送入儲備罐；第2個用于將處理劑或膨潤土輸送到儲備罐或預(yù)處理系統(tǒng)中（膨潤土的預(yù)水化）；第3個用于重晶石或處理劑輸送至循環(huán)罐。主螺旋輸送機(jī)下游安裝了4個容積泵，用于輸送液體處理劑。在2個主漏斗的文丘里管下游安裝在線攪拌器，防止聚合物結(jié)塊。

圖1 POLAR PIONEER 鉆井平臺鉆井液處理劑混合系統(tǒng)工藝流程

盡管該系統(tǒng)試驗(yàn)過程出現(xiàn)了許多問題和困難，但驗(yàn)證了鉆井液自動加料和混合的可行性。試驗(yàn)過程也積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)：喂料罐中的物料會吸潮，長期不用需倒灌處理；喂料罐在運(yùn)輸及儲存過程中易磨損，建議喂料罐采用玻璃纖維或硬塑料材質(zhì)；建議將破袋機(jī)放置于鉆井平臺或鉆機(jī)上，可降低喂料罐的維護(hù)成本，減少每個鉆井裝置所需的喂料罐數(shù)量；對于某些處理劑用噸袋包裝代替小袋包裝，可減少運(yùn)輸費(fèi)用。

2 鉆井液處理劑自動加料技術(shù)發(fā)展

第1代自動鉆井液處理劑自動加料和混合系統(tǒng)是基于容器式的解決方案，開啟了鉆井液工藝過程自動化的先河和技術(shù)革新，帶動鉆井液處理系統(tǒng)向自動化、節(jié)能環(huán)保、減輕勞動力的方向發(fā)展。該自動化鉆井液處理系統(tǒng)具有可同時混輸多種處理劑的優(yōu)點(diǎn)。但存在一些局限性，例如需要配備專業(yè)的基地供料站和喂料罐的運(yùn)輸、貯存和維護(hù)條件；需要預(yù)研究，以便確定喂料罐的數(shù)量和總?cè)莘e；每個喂料罐均需配1臺動力機(jī)和螺旋輸送器，系統(tǒng)過于復(fù)雜、龐大；需要處理劑的種類較多時，占地面積過大。

隨著人們對質(zhì)量、安全性、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性、效率、可操作性和人體工程學(xué)的重視，鉆井液處理的自動化技術(shù)越來越被重視，研究從未間斷。

2.1 挪威北海區(qū)塊鉆井平臺上的海上演示系統(tǒng)

2011年的SPE／IADC 139943 中介紹了NOV（National Oilwell Varco）為Seawell研制的“鉆井液自動化海上演示系統(tǒng)”［2］，該演示系統(tǒng)在挪威北海區(qū)塊的鉆井平臺上進(jìn)行了現(xiàn)場性能試驗(yàn)。該系統(tǒng)的工藝技術(shù)流程如圖2所示，包括散裝系統(tǒng)、鉆井液混合系統(tǒng)、液體添加劑系統(tǒng)和低壓鉆井液混合循環(huán)系統(tǒng)4個子功能系統(tǒng)。

圖2 NOV-Seawell的“鉆井液自動化海上演示系統(tǒng)”工藝流程

1） 散裝系統(tǒng)。用量大的干散粉料，例如膨潤土、重晶石等處理劑通過氣動方式從供應(yīng)船（或陸上鉆機(jī)上的卡車或火車）輸送至儲罐。當(dāng)需要添加時，儲罐中的物料被空氣加壓后輸送到指定的目的地，例如緩存罐、高速攪拌機(jī)、或鉆井液罐等。在輸送過程中，旋風(fēng)分離器將空氣從較大的塵埃顆粒中分離，收集在收集罐中。無法收集的細(xì)小顆粒隨空氣排放到外部安全區(qū)域，收集罐中回收的粉料可以再利用。緩存罐下有一個旋轉(zhuǎn)落料閥，用于控制和調(diào)節(jié)添加的數(shù)量和速率。

2） 鉆井液混合系統(tǒng)。其作用是將干粉料混合到鉆井液中，混合系統(tǒng)包括小袋破袋機(jī)單元、噸包破袋機(jī)單元和噴射式混合漏斗。小袋和噸包中的粉粒處理劑經(jīng)破袋機(jī)自動破袋后，通過可調(diào)速加藥螺旋機(jī)投加到漏斗，經(jīng)噴射器的射流作用，局部形成真空，將粉末吸入到流體中，增強(qiáng)了混合效果。用可調(diào)螺旋輸送機(jī)控制物料添加速率。

3） 液體添加劑系統(tǒng)。其功能是用液體添加劑泵從散裝容器（IBC）、液體桶中添加所需的液體添加劑，以獲得各種特性的鉆井液。某些液體聚合物和油潤濕劑需要少量使用，為了保證鉆井液混合均勻，準(zhǔn)確供應(yīng)化學(xué)液體添加劑非常重要。

4） 低壓泥漿混合循環(huán)系統(tǒng)。使用離心泵把鉆井液混合系統(tǒng)、液體添加劑系統(tǒng)、散裝系統(tǒng)中的處理劑添加到鉆井液混合罐，再通過混合裝置（噴射器）把混合罐中的液體反復(fù)循環(huán)，直到達(dá)到所需的泥漿性能。

這些子功能系統(tǒng)可單獨(dú)應(yīng)用，也可組合實(shí)現(xiàn)特定的功能需求，例如處理劑的自動輸送功能、鉆井液的密度自動調(diào)節(jié)功能、自動鉆井液混合功能。

2.2 New Xle Jack-ups自升式平臺上的系統(tǒng)

2014-08 至2015-02，NOV 公 司 為 Maersk Drilling研制的DORS 系統(tǒng)［3］，在馬士基無畏號上（Maersk Intrepid）的3個自動化的New Xle Jackup自升式平臺進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過改進(jìn)，不間斷服務(wù)。該鉆井液自動輸送系統(tǒng)布局如圖3所示。系統(tǒng)包括散裝粉料系統(tǒng)、鉆井液混合系統(tǒng)、存儲和泵送系統(tǒng)，貯存和泵送系統(tǒng)由鉆井液罐、泵和一系列進(jìn)出液體的管匯組成。

圖3 DORS系統(tǒng)鉆井液工藝流程

2.3 國內(nèi)鉆井液處理劑自動添加及混合技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，我國十分重視鉆井液處理技術(shù)的革新。川慶鉆探工程公司研制的氣動充填加料系統(tǒng)［4］，實(shí)現(xiàn)了重晶石、膨潤土、石灰石粉等用量大的處理劑正壓氣力自動化輸送，已經(jīng)在部分油田成功應(yīng)用，效果良好。一些用量稍大的鹽類處理劑采用噸包包裝和運(yùn)輸，添加時吊機(jī)吊運(yùn)，人力劃破噸包袋后靠重力添加至混合漏斗或鉆井液罐，鉆井液工的勞動量大幅降低，但不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制加料速度。小袋裝及桶裝液體的處理劑還是靠人力搬運(yùn)和手動添加，添加速度受人為因素影響，對人的健康和環(huán)境有不利影響。隨著人們HSE 意識的增強(qiáng)，鉆井液處理劑自動加料技術(shù)研究也逐步得到重視［5-10］，但目前還沒有成熟的產(chǎn)品規(guī)模應(yīng)用。

3 現(xiàn)有鉆井液處理劑自動添加及混合系統(tǒng)

目前能提供鉆井液自動混合及加料系統(tǒng)的主要廠家有：丹麥的OFFSHORE SYSTEM 公司、美國的NOV、美國的Schlumberger的CAMERON 公司等。3家公司的鉆井液自動化系統(tǒng)原理相同，工藝流程大同小異，但又各具特色。

3.1 OFFSHORE SYSTEM 公司的鉆井液混合系統(tǒng)（MUD MIXING SYSTEM）

丹麥Offshore System 公司所提供的鉆井液自動混合系統(tǒng)是一個體系完整的鉆井液混合系統(tǒng)。系統(tǒng)布局如圖4所示，包括緩存罐散裝系統(tǒng)（SURGE TANK）、破 袋 機(jī) 系 統(tǒng)（SACK SLITTING MACHINE）、液體添加劑注入裝置（LSCI-CHEMICAL INJECTION）、堿混合機(jī)（CAUSTIC MIXER）。該系統(tǒng)是完全自動化的，由PLC 控制，擁有人機(jī)界面［12］。

圖4 Offshore System 公司鉆井液自動混合系統(tǒng)

3.2 CAMERON 公司的鉆井液自動混合系統(tǒng)

CAMERON 公司所提供的鉆井液自動混合系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示［13］。包含以下子系統(tǒng)：散裝單元（重晶石／膨潤土）、噸袋加料單元（BBG）、小袋破袋機(jī)加料單元（SDU）、液體添加劑系統(tǒng)（LAS）。包袋搬運(yùn)可應(yīng)用袋搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)。各個單元自成獨(dú)立系統(tǒng)，可根據(jù)需要進(jìn)行產(chǎn)品組合，這使得鉆井液混合和添加劑的操作更智能、安全、準(zhǔn)確。

圖5 CAMERON 公司鉆井液自動混合系統(tǒng)工藝流程

3.3 NOV 的鉆井液自動混合系統(tǒng)

NOV 公司所提供的鉆井液自動混合系統(tǒng)的空間布局如圖6所示。處理劑自動加料和混合單元主要包括：散裝單元、噸包單元、破袋機(jī)單元、液體單元［14］。系統(tǒng)的集成度較高。

4 認(rèn)識與思考

鉆井液處理劑自動加料和混合的試驗(yàn)從1984年開始，歷經(jīng)不斷發(fā)展，取得了鉆井液處理工藝過程的重大進(jìn)步；解決了鉆井液處理劑自動添加和混合的問題，減輕了鉆井液工的體力勞動，改進(jìn)HSE 問題；減少混合時間，提高效率；提高了鉆井液質(zhì)量。

圖6 NOV 的鉆井液自動混合系統(tǒng)空間布局

1） 隨著鉆井液處理劑種類的增多和物料自動化輸送技術(shù)的發(fā)展，鉆井液處理劑自動加料和混合技術(shù)由最初的基于容器的輸送方式，發(fā)展為更加靈活的散裝氣力輸送單元、噸袋單元、小袋單元、及液體添加劑單元等多種輸送方式的組合，通過自動化控制程序，可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)密度、自動混漿、自動輸送等多種功能。

2） 我國的鉆井液處理工藝近年發(fā)展很快，新性能的鉆井液處理劑不斷涌現(xiàn)，種類繁多，物理化學(xué)性質(zhì)差別較大。欲使這些處理劑發(fā)揮最大效能，鉆井液配置及維護(hù)時應(yīng)根據(jù)處理劑的理化性質(zhì)合理控制和調(diào)整添加速度。鉆井液處理劑自動化加料和混合技術(shù)的研究，對提高鉆井液的性能，減輕鉆井液工的勞動強(qiáng)度、安全環(huán)保、避免物料浪費(fèi)都具有重大意義。

3） 我國鉆井液處理劑自動添加劑及混合技術(shù)的發(fā)展應(yīng)立足我國實(shí)際現(xiàn)狀，借鑒和學(xué)習(xí)國外成熟的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。目前已實(shí)現(xiàn)重晶石、石灰石粉、膨潤土等用量大的散裝粉料正壓氣力自動化輸送，現(xiàn)場需要解決的是噸袋、小袋裝及液體添加劑的自動化加料問題。

4） 我國的物料自動輸送和混合技術(shù)與國際相比無明顯差距，鉆井液處理劑自動加料技術(shù)的提高在技術(shù)水平上不存在困難，需要克服的是人們對傳統(tǒng)操作習(xí)慣的依賴，提高對自動化技術(shù)的認(rèn)識程度。