高效低壓鉆井液系統研制與應用

基金項目：寶雞石油機械有限責任公司2022年生產項目“ZJ90/6750DBT1鉆機”（2022-163）；寶雞石油機械有限責任公司2023年技術開發(fā)項目“高效低壓鉆井液系統研制”（BOMCO KJ 2023-1013）。

為了滿足科威特地區(qū)9 000 m超深井鉆機的作業(yè)需求，研發(fā)了高效低壓鉆井液系統。該系統比同級別系統安全性高、工藝流程復雜、環(huán)境更友好，可同時滿足水基鉆井液、油基鉆井液作業(yè)工況。首次在9 000 m超深井鉆機配套的低壓鉆井液系統上應用節(jié)能型攪拌器、多功能螺旋輸送機、雙機械密封離心泵，使得低壓鉆井液系統更加節(jié)能、環(huán)保。該系統采用雙通道工藝流程，雙層鉆井液罐設計罐面通道更為順暢。廠內試驗結果表明，該系統噪聲低于82 dB，設備軸承溫升不高于 32 ℃，工藝流程正常，滿足設計要求。隨鉆機開展了2 h的設備運轉試驗和2 h的聯調試驗，低壓鉆井液系統工作穩(wěn)定正常。研究成果豐富了鉆機產品的多樣性，可廣泛應用于科威特、阿聯酋、沙特等中東地區(qū)超深井作業(yè)。

超深井鉆機；低壓鉆井液系統；攪拌器；螺旋輸送機；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)的阿聯酋、科威特、沙特等地鉆井市場對超深井鉆機的需求量加大，對鉆井裝備的安全性要求越來越高、工藝流程越來越復雜。隨著國內外油氣勘探開發(fā)工作不斷向縱深發(fā)展^［1-4］，不但要滿足鉆機作業(yè)時鉆井液的循環(huán)量、低壓鉆井液系統容積，還要對凈化效果、混配效率、設備的匹配性等進行設計，并在鉆機調試井場驗證。據了解，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，同時各級凈化設備配合使用完成固相的清除。良好的處理系統既能保證鉆井速度，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，對于超深井作業(yè)，會出現高溫高壓的鉆井工況，存在潛在風險。發(fā)生井涌時，除了相關井控工作，低壓鉆井液系統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、地下油氣地質結構的特殊性，對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)、降低運維成本已成為中東市場及沙漠鉆井作業(yè)地區(qū)的發(fā)展趨勢。2023年8月，寶雞石油機械有限責任公司（以下簡稱“寶石機械”）針對科威特用戶9 000 m超深井鉆機的特殊需求，成功研制了9 000 m超深井鉆機用低壓鉆井液系統^［6-9］。常規(guī)9 000 m鉆機低壓鉆井液系統流程簡單、安全性不高，處理效率低，無法適應該地區(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，該系統滿足9 000 m超深井鉆機的使用要求^［10-13］。

1 技術方案

1.1 總體布局

低壓鉆井液系統布局如圖1所示，包含12個鉆井液罐、4臺HYPERPOOR 4P振動篩、1臺鉆井液清潔器、2臺液壓調速離心機、1臺真空除氣器、2臺散料罐、38臺節(jié)能型攪拌器、15臺雙機械密封離心泵、4臺螺旋輸送機、1套大袋料吊裝裝置、1臺液氣分離器以及其他附件。

系統立面圖如圖2所示。鉆井液罐采用雙層結構，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。通過螺旋輸送機的切換，實現油基鉆屑、水基鉆屑的不落地輸送。

1.2 系統容積

低壓鉆井液系統各罐容積分布如表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鉆井液罐的切換等工況。

2 關鍵設備及受力分析

2.1 鉆屑輸送系統

螺旋輸送機直徑為350 mm，輸送處理量為30 m³/h，轉速為50～60 r/min?？仆赜吞锕緦β菪斔蜋C的設計要求極高，螺旋輸送機必須具有沖洗、互鎖、報警、急停等功能，即任何一臺螺旋輸送機開蓋，則螺旋輸送機停機。發(fā)生緊急情況時，可快速切斷電源，緊急關停設備，且松開后螺旋輸送機不會自動恢復啟動。應急開關裝置具備明確的指示及手動復位功能。射流沖洗系統沿著整個螺旋輸送機的兩側布置清水沖洗管線，帶噴頭和閥門，可實現不打開蓋板沖洗螺旋葉輪防止堵塞。每節(jié)槽體兩側噴嘴交叉布置可增加沖洗面積，噴嘴采用不銹鋼扇形結構。

2.2 高效鉆井液混合系統

高效鉆井液混合系統單臺處理量4.55 m³/min，進出口直徑為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)。當高流量、高固體含量的流體以高速泵入剪切混合器入口時，高效剪切混合器依靠低壓真空和動態(tài)、液壓剪切更易于將添加劑混合到液體中。它比傳統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。徑向預混化學添加劑的加入，可防止形成團塊或者鉆井液凝膠。徑向預混室沖洗有助于抑制空氣進入鉆井液。在混合啟動或停機時，鉆井液可通過徑向預混器再循環(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：①動態(tài)剪切、加速混合，獨特的噴嘴設計，高真空，動態(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渦流作用產生液體緩沖，抑制空氣進入；④旋流沖洗和預混合減少結塊；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

無塵加料系統中灰罐主要用于鉆井現場儲存及轉運密度在（0.5～3.5）×10³" kg/m³的重晶石粉等干粉物料，是重要的存儲和傳輸裝置?；夜迌葰饣b置將粉狀物料進行氣化，當內外壓差合適時就可將流態(tài)化的氣灰混合物通過管道輸送到指定位置。物料自動稱重系統通過電子傳感器可直接液晶數字顯示物料質量。單罐使用和并聯使用操作方法相同，并聯操作時需注意流程管線上閥門的開關。

無塵加料系統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。在下部大梁處設置豎向支承，約束豎向位移；為了保證結構的穩(wěn)定，對下部大梁的局部節(jié)點約束了3個線位移?；夜弈Ｐ偷淖鴺讼?x方向指向正前方，+y為豎直向上，+z指向結構長度方向（縱向）。由計算結果可知，最大軸向應力為-167.819 MPa，發(fā)生在第二榀結構的斜撐上，架體材質為Q355，屈服強度為355 MPa，許用強度355 MPa/1.67=212.57 MPa，安全系數為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

科威特當地環(huán)境溫度最高達55 ℃，這種工作環(huán)境對現場人員是個很大挑戰(zhàn)。為了改善高溫作業(yè)環(huán)境，設計了針對鉆井液罐區(qū)的噴霧降溫系統。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大，而且極易蒸發(fā)，蒸發(fā)時吸熱從而達到降溫的效果。噴霧降溫系統結構如圖4所示。

2.5 鉆井液泵送系統

為保證低壓鉆井液系統正常運轉，離心泵采用雙機械密封結構，當第一道機械密封出現損壞的情況下，還有第二道機械密封起作用，保證了系統穩(wěn)定性。采用雙通道管路設計，實現了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3種形式的攪拌器輸出扭矩對比分析。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 接地比壓分析計算

在科威特現場，低壓鉆井液系統直接安裝在沙漠井場，沒有鋼木或者水泥地基。鉆井液罐橇必須考慮接地比壓，根據用戶提供的數據，油田現場的基礎承載0.4 MPa。當地鉆井液密度最高以2.58 g/cm³作為輸出計算參數。表3為罐橇接地比壓，可基本滿足要求，但若出現偏載就會出現地基下陷，造成設備安裝困難。因此，綜合考慮偏載、地基不平等工況，最終按照表4設計，接地比壓最大0.06 MPa，完全滿足當地要求。

3 試驗情況

2023年8月中旬，在寶石機械鉆機調試井場進行了系統試驗，包括設備進行2 h的運轉試驗、2 h的聯調試驗以及噴霧降溫系統測試、大袋料吊裝裝置2 t的載荷測試等。試驗結果表明，設備軸承最大溫升32 ℃，噪聲最大為82 dB，工藝流程正常，無漏水、漏油現象，滿足HSE要求。通過廠內試驗，驗證了設計的合理性^［16］。2023年8月底，高效低壓鉆井液系統出廠發(fā)運，10月中旬到達油田現場，12月25日通過甲方驗收并開鉆，應用于科威特9 000 m鉆機項目中，作業(yè)區(qū)域在中東沙漠地區(qū)，在環(huán)境溫度達55 ℃、濕度100%的環(huán)境下使用，目前運行情況良好。

4 結 論

（1）高效混合系統、自動加料系統、大袋料吊裝裝置等模塊化設計，機械化、自動化加料，為鉆井液高效處理、快速配漿奠定了基礎，實現散料的無塵輸送。

（2）巖屑輸送系統具有互鎖、報警、緊急停機等功能，安全可靠，保證了作業(yè)安全。

（3）通過優(yōu)化傳動機構和葉輪型式，實現高效、節(jié)能攪拌，降低了低壓鉆井液攪拌系統的整體能耗約30%。

（4）采用人性化的設計理念，考慮了當地高溫作業(yè)環(huán)境，改善了作業(yè)環(huán)境；同時降低了沙漠環(huán)境下地基的要求，更加適應現場作業(yè)。

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第一作者簡介：張虎山， 高級工程師，生于1985年，2008年畢業(yè)于北京化工大學機械工程及自動化專業(yè)，現從事石油鉆采裝備的設計與研發(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。