雙層多通道固控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

摘"" 要：為滿足中東地區(qū)石油勘探開發(fā)的作業(yè)需求，推進(jìn)我國石油鉆井裝備走出國門，開發(fā)了在高溫、沙漠環(huán)境條件下，大容量、大流量、多通道低壓鉆井液處理的固控系統(tǒng)。從鉆井工藝流程、叢式井作業(yè)需求、結(jié)構(gòu)布局、安全環(huán)保要求、吊裝載荷要求等多方面因素考慮，開發(fā)了具有輪式移運(yùn)，滿足叢式井作業(yè)需求的多功能固控系統(tǒng)。采用自動(dòng)加料技術(shù)和遠(yuǎn)距離鉆井液傳輸技術(shù)、減少了勞動(dòng)強(qiáng)度;采用雙層鉆井液罐結(jié)構(gòu)，保證了作業(yè)人的逃生通道。

關(guān)鍵詞：固控系統(tǒng);鉆機(jī);攪拌器;輪式移運(yùn)

中圖分類號(hào)：TE926"""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.011

文章編號(hào)：1001-3482（2025）01-0067-06

收稿日期： 2024-07-24

基金項(xiàng)目： 陜西省秦創(chuàng)原“科學(xué)家+工程師”項(xiàng)目“含油污泥無害化處理技術(shù)與設(shè)備”（2022KXJ-119）。

作者簡介： 張虎山（1985-），男，甘肅定西人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)與科技管理工作，E-mail：bomco@163.com。

Development and Application of Two-Layer Multi-Channel Solid Control Systems

ZHANG Hushan，YANG Baixue，LUO Xiaochun，REN Yanzhu，LI Wei，GUO Rui，SUO Wentao

（ Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.， Baoji 721002，China）

Abstract： In order to meet the demands of oil exploration and development in the Middle East and facilitate the export of Chinese oil drilling equipment， a reliable control system with substantial capacity， high flow rates and multi-channel low-pressure drilling fluid treatment under harsh conditions， including high temperatures and desert environments， has been developed. A multi-functional solid control system with wheeled transport was developed to meet the needs of cluster well operation， taking into account a number of factors， including the drilling process， cluster well operation requirements， structure layout， safety and environmental protection requirements， and lifting load requirements. The incorporation of automatic feeding technology and long-distance drilling fluid transmission technology serves to diminish the necessity for manual labour， while the double-layer drilling fluid tank structure provides the operator with an escape channel.

Key words： solid control system;drilling rig;agitator;wheeled transport

近年來，我國石油裝備通過國內(nèi)鉆探公司帶設(shè)備服務(wù)或者通過當(dāng)?shù)劂@井公司采購國內(nèi)設(shè)備，服務(wù)于國外油田公司，走出國門。固控系統(tǒng)作為鉆井裝備的重要部分，對(duì)鉆井液性能的維護(hù)起到至關(guān)重要的作用。鉆井液性能的好壞對(duì)攜帶巖屑、保護(hù)井壁、冷卻鉆頭的作用不同[1-5]。隨著我國石油裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，在國際市場(chǎng)的地位越來越高，能夠與發(fā)達(dá)國家的高端裝備競(jìng)爭(zhēng)，不斷沖擊著國際重要設(shè)備供應(yīng)商。性能優(yōu)越的鉆井裝備和完善的服務(wù)體系是保證了我國鉆井裝備走向全球化必要條件。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司（簡稱：寶石機(jī)械）終端服務(wù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋國內(nèi)熱點(diǎn)區(qū)塊、國際主產(chǎn)油區(qū)，產(chǎn)品銷往全球80多個(gè)國家和地區(qū)，建成16個(gè)維保服務(wù)共享中心，為國家級(jí)服務(wù)型制造示范企業(yè)。在國外科威特、埃及、阿布扎比、沙特、阿曼等5地建立維保共享中心，保證了售后服務(wù)的快速響應(yīng)，為石油裝備的出口提供有力的保障。目前國內(nèi)固控系統(tǒng)多為單通道、單層罐模式，無法滿足多種材料的混配和快速響應(yīng)的要求，為此本文研究了大容量、大流量、多通道低壓鉆井液處理的固控系統(tǒng)。

1 技術(shù)分析

通過優(yōu)化鉆井工藝流程，調(diào)整罐型結(jié)構(gòu)，結(jié)合叢式井作業(yè)的需求，對(duì)鉆井裝備的性能進(jìn)行升級(jí)，解決了大流量鉆井液的處理需求和遠(yuǎn)距離鉆井液的傳輸問題，實(shí)現(xiàn)鉆井液的快速混配。

1.1 總體方案

雙層多通道固控系統(tǒng)方案如圖1～2所示。鉆機(jī)采用叢式作業(yè)，4口井，井間距為50 m，總移運(yùn)距離為150 m，1#處理罐采用輪式移運(yùn)，其余罐為固定部分，鉆機(jī)在井場(chǎng)內(nèi)采用導(dǎo)軌移運(yùn)，1#處理罐和2#處理罐之間采用150 m的管排傳輸，包括雙向鉆井液的傳輸、消防水的傳輸、清水的傳輸、空氣的傳輸。混合模塊采用3套6 t大袋料吊裝對(duì)4臺(tái)漏斗加料，噸包采用機(jī)械化吊運(yùn)。

1.2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)總?cè)莘e為741 m3，鉆井液凈化級(jí)數(shù)為5級(jí)，處理量為272 m3/h，總功率為1 655 kW，總質(zhì)量為520 000 kg，適應(yīng)鉆井液最大密度2.48 g/cm3，鉆井液最大黏度為0.15 Pa·s。

1.3 方案對(duì)比

在以往出口鉆機(jī)項(xiàng)目中，采用常規(guī)的單層罐設(shè)計(jì)，各管道采用單通道設(shè)計(jì)，并設(shè)有單套混漿系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)內(nèi)叢式井作業(yè)，固控系統(tǒng)整體需要拆除、移運(yùn)、安裝等工作，工作量至少3 d。采用本項(xiàng)目方案，在4 h之內(nèi)完成井場(chǎng)內(nèi)叢式井作業(yè)安裝，井場(chǎng)內(nèi)搬安效率提升80%以上。在特殊井段實(shí)現(xiàn)快速配漿，其效率較常規(guī)系統(tǒng)提升60%。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 272 m3/h大流量處理技術(shù)

通過流量處理分析，對(duì)設(shè)備選型、罐型結(jié)構(gòu)、管線優(yōu)化，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析計(jì)算，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，保證了鉆井液的最大處理量272 m3/h下鉆井液流體的通過性能。

2.2 大模塊輪式移運(yùn)技術(shù)

1#處理罐運(yùn)輸質(zhì)量為55 t（包含車橋、車架等），運(yùn)輸時(shí)離地間隙305 mm，最大上坡角度10°，車橋承載50 t，牽引銷規(guī)格為?88.9 mm，牽引高度1 450 mm，移運(yùn)最高速度10 km/h。如圖3所示為不同的工況狀態(tài)。在井場(chǎng)內(nèi)叢式井作業(yè)時(shí)2 h內(nèi)完成拆卸、頂升、移運(yùn)、就位、連接等工作，實(shí)現(xiàn)高效、便捷搬家[7-8]。

2.3 多通道鉆井液處理技術(shù)

鉆井液處理采用雙通道設(shè)計(jì)，即吸入管線2路，排出管線2路，非交叉布置;通過閥門的切換，實(shí)現(xiàn)不同類型鉆井液的混合和傳輸，為鉆井液的高效處理奠定了基礎(chǔ)。既能滿足同時(shí)處理2種不同類型的鉆井液的混配，又能滿足同一種類型的鉆井液高效雙通道混配，雙通道管線布置情況如圖4所示。

2.4 150 m鉆井液自動(dòng)傳輸技術(shù)

通過對(duì)鉆井液性能的分析，計(jì)算傳輸管線、進(jìn)行傳輸泵的選型。通過自動(dòng)傳輸技術(shù)，自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無人值守。鉆井液的自動(dòng)傳輸主要包含防爆控制柜、超聲波液位傳感器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，圖5所示為電子液位監(jiān)測(cè)，能防止鉆井液過多或過少?？紤]到傳輸泵的啟動(dòng)功率較大，防爆控制箱設(shè)置有軟啟動(dòng)功能。在防爆控制箱上設(shè)定軟啟動(dòng)、自動(dòng)控制模式，傳輸泵的啟動(dòng)根據(jù)傳輸泵液位高低來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停。若要進(jìn)行手動(dòng)，控制箱選擇本地即可，此時(shí)傳輸泵的啟停不與液位計(jì)關(guān)聯(lián)。若司鉆想在30 m以外的司鉆房內(nèi)通過防爆控制箱遠(yuǎn)程操作傳輸泵，可通過司鉆房控制傳輸泵起停，實(shí)現(xiàn)鉆井液遠(yuǎn)控傳輸。

2.5 大容量鉆井液攪拌技術(shù)

表1所示為攪拌器TOR計(jì)算值，通過對(duì)攪拌器TOR的數(shù)據(jù)對(duì)比，在鉆井液儲(chǔ)存、凈化各個(gè)階段都滿足要求。對(duì)于立面和斜面葉輪的應(yīng)用，TOR 應(yīng)在 40～85 s之間。隨著TOR接近40 s，渦流形成和可能的空氣夾帶的機(jī)會(huì)會(huì)增加。當(dāng)TOR大于85 s時(shí)，部分懸浮液可能會(huì)受到破壞，固體將開始沉淀。

3 性能分析

3.1 設(shè)備性能方面

用戶對(duì)設(shè)備的性能要求極高。在廠內(nèi)公司質(zhì)檢人員、用戶監(jiān)造人員、用戶甲方三方對(duì)調(diào)試進(jìn)行逐項(xiàng)檢驗(yàn)，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、軸承溫度、電氣設(shè)備熱成像、設(shè)備運(yùn)行噪音、密封性等方面進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)收[10-13]。

3.2 吊裝安全方面

所有吊點(diǎn)、懸掛點(diǎn)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，每個(gè)吊點(diǎn)、懸掛點(diǎn)都有唯一編號(hào)。載荷標(biāo)識(shí)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，完成后進(jìn)行目檢和磁粉探傷。采用3套60 kN載荷的大袋料吊裝裝置，在廠內(nèi)進(jìn)行了1.25倍的載荷試驗(yàn)，即為75 kN載荷。根據(jù)不同的時(shí)間日期進(jìn)行吊點(diǎn)顏色區(qū)分，如圖7所示。所有的鋼絲繩采用鋼制壓制頭，不能采用繩卡、心形環(huán)連接方式。

3.3 通道安全方面

鉆井液罐采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所有閥門、鉆井液槍在下層安裝。根據(jù)不同的需求，布置了6件梯子，分別通往在鉆臺(tái)區(qū)、鉆井泵區(qū)、散料混配區(qū)、水罐區(qū)、井場(chǎng)前側(cè)等區(qū)域，在出現(xiàn)緊急狀態(tài)下，能夠從不同的通道撤離，如圖8所示。

4 技術(shù)特點(diǎn)

1） 輪式移運(yùn)+管排傳輸實(shí)現(xiàn)叢式井作業(yè)。

在第一口井作業(yè)時(shí)無需管排，從第二口井開始1#處理罐通過輪式移運(yùn)到第二口井位，其余罐保持不變，罐間采用傳輸管排，解決了兩個(gè)區(qū)域之間的鉆井液輸送、空氣輸送、消防清水輸送等。

2） 錐形罐底、雙層鉆井液罐保證了清砂和通道。

管線采用外置結(jié)構(gòu)，鉆井液罐底部采用錐形結(jié)構(gòu)，減少了底部的沉砂面積，同時(shí)由于罐內(nèi)底部無管線，清理非常方便。在鉆井液罐的下層布置了鉆井液槍、閥門等罐面通道非常順暢，操作、維護(hù)、逃生方面優(yōu)勢(shì)明顯。

3） 滿足油基工況下的消防安全。

消防系統(tǒng)采用柴油機(jī)泵組提供動(dòng)力，保證在任何情況下均能開機(jī)，不受井場(chǎng)電力影響。柴油機(jī)消防泵組由60 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、消防泵、聯(lián)軸器等組成，如圖9所示。發(fā)動(dòng)機(jī)通過控制面板上的開關(guān)進(jìn)行啟動(dòng)、監(jiān)控運(yùn)行過程，提供穩(wěn)定、充足的壓力水。柴油機(jī)泵組手動(dòng)啟動(dòng)，系統(tǒng)壓力為1.0 MPa，流量為30 L/s。在調(diào)試井場(chǎng)進(jìn)行壓力、流量測(cè)試，測(cè)試水壓能夠達(dá)到11.3 m鉆臺(tái)高度（底座高度+鋼木基礎(chǔ)高度）。

5 試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 廠內(nèi)試驗(yàn)情況

鉆機(jī)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6680—2013《石油鉆機(jī)和修井機(jī)出廠驗(yàn)收規(guī)范》和SY/T 5612—2018《石油天然氣鉆采設(shè)備鉆井液固相控制設(shè)備規(guī)范》要求進(jìn)行了振動(dòng)篩、鉆井液清潔器、除氣器、離心機(jī)、攪拌器、離心泵、鉆井液槍等單元設(shè)備試驗(yàn)[14-15]，單元設(shè)備試驗(yàn)合格后方可參與在鉆機(jī)聯(lián)調(diào)。在調(diào)試井場(chǎng)共進(jìn)行了15項(xiàng)單元設(shè)備功能性試驗(yàn)和1項(xiàng)鉆機(jī)整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。其中，鉆機(jī)聯(lián)合調(diào)試模擬油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工況，進(jìn)行鉆井液井口溢流試驗(yàn)、鉆井液槽過流試驗(yàn)、輪式移運(yùn)試驗(yàn)等。調(diào)試的目的：①功能測(cè)試，逐個(gè)驗(yàn)證設(shè)備各功能正常;②各種保護(hù)、互鎖正確，保證作業(yè)安全、人員安全;③測(cè)試電控系統(tǒng)、柴油機(jī)的性能匹配，保證性能穩(wěn)定、負(fù)荷能力正常;④設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試，噪聲控制達(dá)標(biāo)、軸承溫升正常。

經(jīng)過廠內(nèi)調(diào)試，使系統(tǒng)及各個(gè)設(shè)備的各方面功能得到了充分的驗(yàn)證。系統(tǒng)及設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)符合試驗(yàn)大綱的要求，能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5.2 油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

寶石機(jī)械2023—2024年總共給沙特AD公司提供12套鉆機(jī)（2 000 hp）。截止2024-06-15，7套鉆機(jī)到達(dá)沙特油田現(xiàn)場(chǎng)，其中4套鉆機(jī)已開鉆，第一套鉆機(jī)2024-05-09開鉆，并完成了第一口井的作業(yè)，目前正在搬家到第二口井。鉆機(jī)整體運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定。其余3套鉆機(jī)正在海運(yùn)途中，剩余2套正在廠內(nèi)組裝調(diào)試階段，預(yù)計(jì)年內(nèi)全部投入油田使用。

通過多套鉆機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)，多層多通道固控系統(tǒng)的應(yīng)用得到了驗(yàn)證。

1） 在復(fù)雜井段，需要快速泵送加重鉆井液，通過混合模塊實(shí)現(xiàn)3臺(tái)加重泵、4臺(tái)混合漏斗同時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速加重混配，處理量達(dá)600 m3/h。

2） 在油區(qū)內(nèi)，井場(chǎng)之間搬家過程中，1#處理罐實(shí)現(xiàn)大模塊快速搬家，減少了設(shè)備、附件的拆安工作量。

3） 通過現(xiàn)場(chǎng)水基鉆井液、油基鉆井液不同鉆井液體系下凈化、混配、傳輸?shù)裙r的應(yīng)用，沒有出現(xiàn)滲漏情況，驗(yàn)證了設(shè)備、閥門耐油方面不存在問題。

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明工藝流程合理、設(shè)備性能穩(wěn)定，順利通過甲方驗(yàn)收，沒有相關(guān)整改。但在是蝶閥性能方面有待提升。蝶閥存在開關(guān)困難的問題，通過技術(shù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，蝶閥閥座為耐油氟橡膠，安裝后閥板旋轉(zhuǎn)與閥座的過盈量過大，導(dǎo)致阻力過大、開關(guān)困難。后續(xù)需要在密封件的配方方面進(jìn)行優(yōu)化提升，控制一定的過盈量且橡膠件硬度不能過大。

6 結(jié)論

1） 大容量的鉆井液攪拌，在不同的作業(yè)需求下，有著不同的TOR值，其最佳的匹配值是為了保證最佳的攪拌效果，保證鉆井液性能的穩(wěn)定性。

2） 多通道鉆井液處理，能夠滿足在快速鉆井工況下鉆井液的匹配性，包括在處理井下事故時(shí)，快速配漿和不同鉆井液體系下的配漿，實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。

3） 遠(yuǎn)距離鉆井液傳輸，配合快速大模塊搬家實(shí)效高效井間移運(yùn)和鉆井液的自動(dòng)傳輸技術(shù)，壓縮了非鉆井周期，實(shí)現(xiàn)叢式井的高效作業(yè)。

4） 雙層錐形鉆井液罐，既能滿足設(shè)備和管線的隱蔽式安裝，又能滿足上層罐面逃生通道順暢，確保在緊急情況下人員的快速撤離。

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（編輯：韓睿超）