修井機用輪式移運固控系統研制

行浩楠，張虎山，徐小鵬，楊曉哲， 左文佳， 索文濤， 劉登

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

當今，我國科學技術發展勢頭猛進，新技術的出現加快了石油裝備的更新換代，新型石油裝備廣泛應用于鉆井作業。傳統固控系統存在運輸車次多、拆裝困難大、耗時多等缺點，輪式移運固控系統采用快速移運技術，可以減少拆卸安裝時間，縮短鉆井作業時間，降低生產成本。

1 技術分析

1.1 總體方案

固控系統由3個拖掛式罐體和1個混合模塊組成，配備有振動篩、真空除氣器、除砂器等3級鉆井液凈化設備，同時配有補給泵、混合泵、除砂供液泵、攪拌器、混合泵等輔助設備，可實現鉆井液凈化流程、鉆井液循環流程、鉆井液吸入流程、混合加重流程；有鉆井液回流管線（從井口至振動篩）、混合吸入排出管線、鉆井泵吸入管線、清水管線、罐間連通管線等。并且配備走道、梯子、欄桿等安全防護裝置，滿足修井工藝的要求。

如圖1所示，單口井作業工況時，集中“L形”布局，整體布局緊湊。如圖2所示，在6口井叢式井作業時，混合模塊、吸入罐、儲備罐固定不動，振動篩罐通過輪式移運到作業井位，通過傳輸泵、管排實現振動篩罐中鉆井液返回到吸入罐。

圖1 固控系統布局圖（單井作業）

圖2 固控系統布局圖（叢式井作業）

1.2 流程分析

1.2.1 凈化流程

井口鉆井液通過喇叭口溢流，經由鉆井液回流管，進入鉆井液分配器，再通過鉆井液分配器排出管線，然后進入振動篩中進行第一級凈化處理。經過第一級凈化處理后，較大顆粒的巖屑通過排砂板排出。

第一級凈化處理后的鉆井液進入振動篩罐沉砂倉，在沉砂倉中沉淀后，真空除氣器將除氣倉中的鉆井液吸入并進行第二級凈化處理，除氣器處理完成的鉆井液排出到除氣排出倉。除砂器將除氣排出倉中鉆井液吸入并進行第三級凈化處理，此流程會分離出直徑50～150 μm的固相顆粒。三級凈化處理完成后的鉆井液返回到固控系統，可通過鉆井泵正常使用。

1.2.2 混合流程

固控系統配有混合模塊，可對鉆井液進行混藥、加重，保證鉆井液品質、提高鉆井液性能。混合模塊由梯子、2臺混漿漏斗、2臺混合泵、1套大袋料吊裝裝置組成，混合泵可吸入吸入罐中鉆井液，通過大袋料漏斗加藥混合，混液完成后經混合泵排出到儲備罐，完成混合流程。2臺混合泵互為備用，混合流程中若有1臺混合泵出現故障，另1臺混合泵通過轉換閥門可代替其工作，保證混合加藥流程正常運轉。

1.2.3 遠程傳輸流程

固控系統可用于單口井、叢式井鉆井液的循環處理。單口井作業時，利用罐間管線即可完成全部鉆井液循環處理流程；叢式井作業時振動篩罐與吸入罐、儲備罐距離遠，通過多個管排系統連接，配合遠程輸送泵，可完成整套固控系統凈化處理循環流程。

1.2.4 鉆井液補給流程

振動篩罐設有1個補給倉，利用1臺鉆井液補給泵，在起鉆過程中通過補給泵向井口灌入鉆井液；下鉆時，鉆井液溢流回振動篩罐補給倉。

1.2.5 清水管路流程

利用罐體上框架的方鋼管連通組成清水管線，罐間連接采用膠管連接，清水管線能實現清水循環，用以清洗罐面設備并向罐內輸水。

罐的每個隔倉設置1個2 in閥門，用來向倉內加水，通過2 in閥門可向罐內每個隔倉注水，還可做其它用途。1 in不銹鋼球閥用于清洗罐面。

1.2.6 鉆井液槍管路流程

罐內設置專用的3 in鉆井液槍管路，每個隔倉設置一定數量的鉆井液槍（沉砂倉和補給倉除外），管路的額定工作壓力為0.6 MPa。通過混合泵供給鉆井液，可輸送鉆井液到設置有鉆井液槍的任意隔倉，鉆井液槍帶可轉向軸能夠使噴嘴旋轉330°。

1.3 技術參數

輪式移運固控系統有效容積為230 m3，系統裝機總功率為365 kW，罐體數量為3個。振動篩罐、吸入罐、儲備罐外形尺寸為16 m×3 m×3.1 m，混合模塊外形尺寸為7.7 m×3 m×3.1 m。鉆井液槍管線額定工作壓力為0.6 MPa，清水管線額定工作壓力為0.6 MPa。

2 關鍵技術

2.1 罐體移運技術

2.1.1 車架設計

輪式移運固控系統中，鉆井液罐整體結構形式和移運性能主要由車架決定。車架屬于鉆井液罐的重要部件，在實現鉆井液處理的同時，還需滿足相應強度要求。因此，車架的結構設計至關重要。車架大梁選用500×200規格H型鋼，材質為Q355B，全車框架選擇焊接形式，既滿足強度需求，又可承受一定程度的扭轉彎曲變形。通過牽引銷將車架與牽引車頭連接,連接處進行加強，前后2根橫梁采用箱型斷面結構設計。

根據輪式運移固控系統的設定容積及車架總體布局情況，確定車架總長度為16 300 mm；車架的寬度為3000 mm，滿足固控系統整體布局情況，符合道路運輸要求。為了盡可能減輕固控系統在原地工作時輪胎承受的重力，車輛采用專用掛車車軸，雙車軸8輪胎輪，車輛額定載荷為32 t，車輪輪距為1550 mm，輪胎采用12-20工程胎。掛車拖撬主體外形結構如圖3所示。

圖3 掛車拖撬主體

2.1.2 快速移運

固控系統作業時置于地面進行鉆井液的循環處理，搬遷運輸時先將罐體與牽引車頭連接一端吊起，保證離地高度，再將牽引車頭與罐體連接，連接成功后進行搬遷運輸，以振動篩罐為例，吊裝移運示意如圖4所示。

圖4 搬遷運輸示意圖

2.2 罐體設計

罐體采用結構型鋼與瓦楞鋼板焊接而成，墻板采用8 mm瓦楞鋼板焊接，罐底采用10 mm鋼板焊接，沉砂倉罐底板向清砂門傾斜，罐內隔倉采用8 mm瓦楞鋼板，罐內各隔倉均有可到達罐底的梯子，便于設備維護與罐內清理。罐體上框架采用140 mm×140 mm×8 mm的方形焊接鋼管作為框架主體，罐面上需要安裝振動篩、除氣器、除砂器等專業設備，設備在運轉時會產生較大的振動，在每個設備的安裝位置進行加強處理，保證有足夠的強度；同時配套使用模塑格柵。固控系統罐體布局合理，運行穩定、無干涉，設備布置便于維護，罐體運輸方便，拆裝快捷。固控系統罐體結構如圖5所示。

圖5 罐體結構圖

2.3 罐內管線設計

通過3級凈化流程（振動篩、除砂器、真空除氣器）、鉆井液循環流程、加重混合流程、鉆井液泵吸入三大流程實現鉆井過程中鉆井液的凈化與循環。管線設計過程中，為減少拆裝工作量，提高工作效率，絕大多數管線都布置在罐體內部，罐間管線選擇軟管連通。罐間管線兩端均選擇錘擊由壬，由壬之間選擇膠管連通，解決了固控裝配中因誤差帶來的罐體錯位，降低裝配難度，實現快速拆裝，同時滿足現場使用的可靠性和安全性。鉆井液槍管線與清水管線直接利用上框架方鋼管作為管線通路，簡化管線布局，節約材料，提高生產效率。根據工藝流程，在罐內各隔倉均設置溢流口，并在每個隔倉（不含沉砂倉）都設置攪拌器和鉆井液槍，保證鉆井液得到充分攪拌，并且可減少隔倉內邊角的沉積泥砂，鉆井液罐內所有管線及罐間連通管線均設有蝶閥進行控制。該套固控系統管路設計合理、流程調控方便、固相控制效果顯著、操作安全便捷。

2.4 鉆井液傳輸

叢式井作業時，振動篩罐與鉆機需要移運至不同井位，與吸入罐、儲備罐間距較大，經振動篩罐凈化處理后，鉆井液傳輸距離較遠，常規管線在遠距離輸送鉆井液的過程中易出現沉砂，壓力損失大。通過45 kW傳動泵傳輸鉆井液，并布有注沖管線，避免沉砂后管線堵塞。

3 試驗和現場應用情況

3.1 試驗內容

固控系統均在寶雞石油機械有限責任公司進行組裝、單元設備試驗、聯調試驗、移運系統電路、氣路及行車制動試驗。鉆井液罐進行24 h密封性試驗，固控設備進行12 h運轉試驗。聯調的目的是為了測試電控系統的負載能力和穩定性，同時測試固控設備的性能和固控系統流程。試驗結果表明，鉆井液罐的密封性能良好，無滲漏情況，滿足零排放要求。固控設備運轉平穩，無異常噪聲。固控系統流程滿足用戶要求，系統整體性能良好。

3.2 現場應用

2套固控系統隨修井機于2021年9月發往科威特，目前2套固控系統已投入使用，性能穩定。現場應用情況表明固控系統性能良好，實現了快速拆裝，滿足用戶的使用要求。

4 結論

1）固控系統結構布局合理、工藝流程完善，操作安全、方便，滿足零排放要求，符合HSE規范,滿足修井作業需求。

2）固控系統可實現鉆井液凈化、加重、儲備、灌注及緊急情況下的事故處理等工藝流程，可在溫度為0～55 ℃、濕度為100%的沙漠環境條件下的正常修井作業。

3）固控系統運載能力大，力學性能好、移運快捷、拆裝方便，整體移運性能穩定，作業效率提升效果顯著，在鉆井環境惡劣的情況下依舊能夠平穩作業、快速拆裝。隨著輪式運移固控系統投入使用，縮短了拆裝作業時間，降低修井成本，推廣價值較高，發展潛力巨大。