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9 000 m超深井鉆機的作業需求，研發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、環境更友好，可同時滿足水基鉆井液、油基鉆井液作業工況。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能、環保。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、沙特等中東地區超深井作業。

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工作不斷向縱深發展^［1-4］，不但要滿足鉆機作業時鉆井液的循環量、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，會出現高溫高壓的鉆井工況，存在潛在風險。發生井涌時，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。中東地區由于其地域環境、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、戈壁等環境55 ℃的高溫要求^［5］，因此高效作業、降低運維成本已成為中東市場及沙漠鉆井作業地區的發展趨勢。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，無法適應該地區作業需求。為此，筆者開發了一種安全可靠、環境友好、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。科威特油田公司對螺旋輸送機的設計要求極高，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、液體等不同狀態的散料混配，其主要依靠高效混合器作業。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、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動態剪切、加速混合，獨特的噴嘴設計，高真空，動態剪切，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。灰罐內氣化裝置將粉狀物料進行氣化，當內外壓差合適時就可將流態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；為了保證結構的穩定，對下部大梁的局部節點約束了3個線位移。灰罐模型的坐標系+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

科威特當地環境溫度最高達55 ℃，這種工作環境對現場人員是個很大挑戰。為了改善高溫作業環境，設計了針對鉆井液罐區的噴霧降溫系統。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，蒸發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］。節能型攪拌器比常規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，作業區域在中東沙漠地區，在環境溫度達55 ℃、濕度100%的環境下使用，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，保證了作業安全。

（3）通過優化傳動機構和葉輪型式，實現高效、節能攪拌，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環境，改善了作業環境；同時降低了沙漠環境下地基的要求，更加適應現場作業。

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