2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment
0 引言
近年来国内钻井公司通过对钻机进行升级改造，增加不同形式的移运装置，实现快速搬家，大量出口钻机在沙特、阿联酋、科威特等中东国家进行钻井服务。经过调研分析得知，5 000 m沙漠钻机配套的固控系统普遍存在的问题是系统冗余性能较差、零排放系统不达标以及无法实现快拆和快装。经过改进设计，整套固控系统在井深5 000 m(16 405 ft)的钻井作业中能够储存、净化和调配钻井液, 控制钻井液中的固相含量，保持和维护钻井液性能，提高钻井效率。该系统适应钻机的快速移运要求，满足当地环境保护要求。
1 技术分析 1.1 总体方案固控系统成“L”形布局(见图 1)。储备系统的4个钻井液罐并排布置，整体布局紧凑。钻井液储备系统并排依次布置，就近摆放在固控系统旁边。离心机安装在高架上，独立摆放在固控系统旁边。固控系统由1个振动筛罐、1个吸入罐、1个混合橇、2套混合泵、4个储备罐、振动筛、除气器、搅拌器以及其他辅助设备组成。系统为3级净化处理，能完成钻井液的配制、加重和添加化学药剂等工艺, 检测发现井涌和井漏等事故，可通过改善钻井液性能积极处理和预防。
|
| 图 1 固控系统和钻井液储备系统布局图 Fig.1 Layout of solid control system and drilling fluid reserve system 1—喇叭口；2—回流管；3—振动筛罐；4—DERRICK HYPERPOOL 4P振动筛；5—补给泵；6—螺旋输送机；7—岩屑收集盒；8—SWACO 518HV高速离心机；9—2#储备罐；10—零排放管线；11—搅拌器；12—海底阀；13—储备系统钻井液罐；14—传输泵；15—传输管线；16—4#储备罐；17—超声波液位计；18—3#储备罐；19—1.5MT大袋料吊装装置；20—SWACO 175SE漏斗；21—混合橇；22—MISSION 8×6混合泵；23—1#储备罐；24—吸入罐；25—ZSCQ300真空除气器；26—驱虫风机。 |
1.2 固控系统流程 1.2.1 钻井液的净化流程
从井底返回的钻井液进入振动筛，筛除较大的固相颗粒。筛分后的钻井液汇集于沉砂仓沉淀分离部分固相(也可通过分流槽直接流入流浆渡槽内，不经过沉砂仓沉淀)后, 依次流入除气仓和离心机仓，进行相应的除气和固相分离。
在除气仓，当钻井液遭气侵性能改变时，需启动除气器将除气仓内的含气钻井液进行除气处理，处理后再排入离心机仓。若钻井液性能良好，没有气侵，不必进行除气处理，沉砂仓的钻井液通过流浆槽直接流入吸入罐。
1.2.2 钻井液的混合流程固控系统设计了独立的混合系统，混合系统由2台砂泵、3台混合漏斗、吸入管汇和排出管汇等组成。砂泵通过吸入管线可以从吸入罐和储备罐中吸取钻井液，经过混合漏斗加入钻井液材料后可分别向吸入罐和储备罐内配制钻井液。
1.2.3 钻井泵的吸入流程灌注泵通过钻井泵吸入管线可分别从吸入罐和1~4#储备罐中吸取钻井液，灌注到钻井泵吸入端。钻井泵将钻井液吸入后泵入井筒。
1.2.4 钻井液的传输流程钻井液储备系统和固控系统之间的钻井液传输主要有2种方式：①利用储备系统的移动式离心泵实现2个系统间钻井液的相互传输；②通过混合橇上的2台混合泵实现2个系统间的钻井液传输。
1.2.5 钻井液补给工艺流程在起钻过程中，为了保持井筒内钻井液液柱压力，通过补给泵向井筒补给钻井液，平衡地层压力。下钻过程中，溢流的钻井液可以通过溢流管和补给返回管线流回补给仓，可以根据起钻前、后补给罐中钻井液的容积变化来判断井下钻井液漏失的情况。
1.3 技术参数 1.3.1 系统有效容积的确定系统的有效容积V为：
|
(1) |
式中：16 m3为储备容积，V井筒为完井后井筒容积，根据表 1计算为196.5 m3；V堵为假设钻头堵塞，拆卸钻具漏失的钻井液容积，钻机采用直径为139.7 mm(
| 功能 | 钻头直径/ mm | 套管外径/ mm | 套管长度/ m | 水泥封固段长度/m |
| 导管 | — | 762.0 | 12.6 | 12.6 |
| 一开 | 660.4 | 473.1 | 660.0 | 660.0 |
| 二开 | 444.5 | 339.7 | 2 134.0 | 2 134.0 |
| 三开 | 311.2 | 224.5 | 4 572.0 | 4 572.0 |
| 四开 | 215.9 | 无套管 | 428.0 | — |
而实际配套的固控系统容积为421 m3+320 m3=741 m3，完全满足正常钻井、油基钻井液的储备以及处理特殊井内情况的使用要求。
1.3.2 罐内隔仓的容积确定钻机配置2台F-1600E钻井泵，最大缸套直径为117.8 mm(7 in)，在120 min-1的泵冲下，2台泵的最大处理量为327 m3/h。正常钻井过程中，钻井液仓的最小循环容积是要保证在最大处理量的前提下，1 min之内钻井液仓内的钻井液不能被吸空为原则，因此钻井液仓最小为5.5 m3。最小钻井液仓为除气器的吸入和排出仓，为12.0 m3，钻井液的容积分配满足使用要求。
1.3.3 钻井液罐截面的确定最小钻井液罐截面积S为[1]：
|
(2) |
式中：Q为最大循环量。
1 500 HP钻机配2台F-1600E钻井泵，最大处理量为5.45 m3/min，计算得S为3.34 m2。
而钻井液罐的实际有效截面积为6.45 m2＞3.34 m2，完全满足气体释放要求，保证了钻井液的性能。
1.3.4 主要技术参数系统有效容积：421 m3+320 m3；系统总装机功率：422 kW；罐体数量：6件+4件；罐体振动筛罐尺寸：13.600 m×3.048 m×2.975 m；储备罐(固控系统)和吸入罐尺寸：12.820 m×3.048 m×2.975 m；储备罐(钻井液储备系统)尺寸：12.190 m×3.048 m×2.975 m；最大处理能力：327 m3/h。
2 创新技术与关键设备 2.1 多功能钻井液储备系统目前固控系统配置的钻井液储备罐较多，为的是满足不同井深、不同地质情况以及不同钻井工况下的钻井液使用，但是这样造成在整个油区所有固控系统配置的储备罐都过于充分。其实在大多数情况下，许多储备罐都是多余配置。这样会造成制造成本和搬家成本的增加，也增加了钻机整体搬家时间。
一种通用性强、机动性好的多功能钻井液储备系统，能够在整个油区随机调配，做到根据不同井深、不同地质情况和不同的钻井工况，选择不同数量的钻井液储备罐，达到节约成本、快速搬家的目的。配置的多功能钻井液储备系统可独立传输钻井液、独立混合钻井液，且通用性强。储备系统钻井液罐结构如图 2所示。
|
| 图 2 储备系统钻井液罐结构图 Fig.2 Structure of drilling fluid tank in the reserve system 1—梯子；2—进液管汇；3—出液管汇；4—底座；5—喷嘴；6—罐体。 |
2.1.1 钻井液的自传输、自混合工艺
储备系统可以实现储备罐间钻井液的相互传输和单个储备罐内的钻井液自混合，同时储备罐(钻井液储备系统)与固控系统也可实现钻井液的相互传输。
2.1.2 节能、高效的混合移动式离心泵从储备罐内吸入钻井液，再返回到同一个罐内，罐内特殊的管路布置具有增压和罐内循环功能，可以防止固相颗粒的沉淀，使用效果良好。
2.2 基于油基钻井液和水基钻井液的沉砂仓API RP 13C标准推荐的清砂蝶阀高度过高，清砂不彻底。为此，对清砂蝶阀进行专门设计，巧妙地降低了蝶阀的高度，保证了清砂效果。沉砂仓的设计角度为54°，大于API RP 13C推荐值45°，排砂效果更好。在满足标准的基础上进行改型设计，增加了油基钻井液的使用工况。在使用水基钻井液时为实箭头走向，即振动筛处理完的钻井液进入到沉砂仓，通过沉砂仓的沉淀后通过高位钻井液槽进入除气吸入仓；在使用油基钻井液时为虚箭头走向，振动筛处理完的油基钻井液不进入沉砂仓，通过钻井液槽进入到下一个专门使用油基钻井液的钻井液罐(见图 3)。这种设计既满足了水基钻井液的使用，又满足了油基钻井液的使用。
|
| 图 3 振动筛罐结构图 Fig.3 Structure of shaker tank 1—计量仓；2—精确计量仓；3—清砂蝶阀；4—沉砂仓；5—除气吸入仓；6—除气器排出仓。 |
API RP 13C要求计量仓的容积为3~8 m3，项目中的计量仓在振动筛罐内，容积分别为3.2和6.4 m3，满足标准要求，且满足2种工况。第1种工况为常规工况，即正常起下钻时使用计量仓；第2种工况为在环形防喷器关闭时，对井内钻具的微动引起的钻井液变化进行计量，此时使用精确计量仓，精确计量仓的底面积仅为1.45 m2。这样的设计可以达到的效果是：井筒内的钻井液液位微小的变动很容易引起仓内液位计高度的变化，进而能够准确计量钻井液的体积[2]。
2.3 橇装式钻井液混合装置目前大部分固控系统把混合泵分别安装在不同的钻井液罐的橇头，这样做存在的弊端就是操作人员加料不集中、每次搬家时大袋料吊装需拆卸以及混合漏斗没有实现相互备用，这样就造成了操作人员加料不方便、搬家时间太长以及钻井作业的安全系数较低。
整体式钻井液混合装置能实现搬家方便、加料便捷，且钻井作业安全系数高。混合装置整体成橇设计，混合泵、混合漏斗和大袋料吊装装置等设备全部安装在一个底橇上。方便搬家、操作便捷、作业安全、环保。
2.4 易于安装的全密封喇叭口伸缩式喇叭口密封装置保证了现有喇叭口密封时高位操作的便捷性和安全性。喇叭口为上、下2节，上端与转盘梁法兰连接，下端与防喷器法兰连接，中间为可伸缩式密封结构。这种密封结构通过偏心锁止手把实现锁紧压环向密封圈的方向移动，实现对密封圈的挤压变形，形成密封。效果是结构简单、省力、操作方便，保证了高位操作的安全性，操作人员不需要任何辅助工具就可以操作实现密封。
2.5 管路的冗余布置和良好的吸入性能灌注泵和混合泵各有2条吸入管线，钻井液罐内管线采用零交叉布置方法。吸入管线采用S形布置方式(见图 4)，且2条管线可实现相互备用。灌注泵和混合泵吸入管线各有2条吸入管线，可相互备用，安全可靠；吸入管线采用零交叉的布置方法，给离心泵的良好吸入性能提供有力的保障。
|
| 图 4 吸入管线布置图 Fig.4 Layout of suction line 1—4#储备罐；2—3#储备罐；3—2#储备罐；4—1#储备罐；5—吸入罐；6—蝶阀；7—海底阀。 |
配套4台离心泵，其中2台为灌注泵，2台为混合泵。每个离心泵都需要有单独的管线，而用户要求吸入管线不能出现交叉。这就要求吸入管线需要有特殊的布置方法。这种布置方法有以下优点：
(1) 采用零交叉的布置方式，可减小离心泵的吸入阻力。
(2) 4台离心泵有4条独立的吸入管线，保证了离心泵的吸入性能良好。
(3) 2台灌注泵或2台混合泵中，如有一台泵出现故障时，另外一台离心泵通过调整阀门的开闭，可以使用故障离心泵的吸入管线，提高了安全系数和冗余性[3-4]。
(4) 布置2条灌注泵吸入管线，2条混合泵吸入管线，各有1处接口，与混合泵排出管线连接，即为钻井液反冲管线，其目的在于：当固控系统需要搬家或清罐时，混合泵吸入清水，反冲到吸入管线内，冲洗吸入管线。这种布置方式能实现快速清洗管路，为固控系统的快速搬家节省了时间[5-7]。
2.6 大容量振动筛的应用振动筛采用4台新型HYPERPOOL 4P大容量振动筛。采用4筛布的新型筛框结构，比常规FLC 504的处理能力强。使用API 170目棱锥形筛布，钻井液密度1.3 g/cm3，处理量为66.2 L/s。表 2数据为振动筛筛布使用情况。
| 井深/m | API RP 13C筛网规格 | DRRICK筛网处理颗粒直径/μm |
| 0~2 133 | API 80，API100 | 184，154 |
| 2 133~3 048 | API120，API140 | 120, 115 |
| 3 048~5 000 | API170, API200 | 97, 78 |
2.7 快速开关的海底阀设计
快速开关的海底阀结构如图 5所示。海底阀的阀座为锥形，密封圈为O形，通过对O形圈的挤压变形实现密封。海底阀的开启通过罐面以上的手柄来实现，手柄旋转大于180°，带动连接组件实现阀门打开，反之关闭。可实现阀门快速开关，且密封圈可在罐外更换，不用把罐内的钻井液排出，检修更为方便，工作效率大大提高。开或者关只需3 s，方便快捷。
|
| 图 5 快速开关的海底阀 Fig.5 Fast switching submarine valve |
2.8 简化的管路设计
省略了吸入罐和储备罐间的连通管，简化了管路设计。罐间的液位平衡通过既有的4条离心泵吸入管线中的任意一条就可以实现，只需要开启需要平衡的钻井液隔仓内相同管路上的海底阀即可。
2.9 零排放的设计中东地区在环境保护方面的要求非常严格，油区环境实现零污染，必须达到零排放的标准[8-10]。在设计过程中严格按照零排放的要求设计，主要体现在以下4个方面：
(1) 每个罐的每个隔仓出口统一汇总到ø325 mm的零排放管线内，在ø325 mm的零排放管线预留1个清砂出口，另一端设有ø60 mm的清水接口，目的是在管内有堵塞的情况下可用清水冲洗。
(2)ø325 mm零排放管线上开有200 mm×100 mm的方孔作为观察口，有堵塞的地方直接用清水冲洗。
(3) 4台振动筛排出的岩屑通过2台岩屑输送机的输送，收集到岩屑输送盒中，统一处理。
(4) 进行混合橇的设计时，在混合橇周围设计有100 mm高的围堰，在混合泵维修时可以收集泄漏的钻井液。
3 试验及现场应用情况截至2017年8月，共计34套固控系统参与到钻机的钻井作业中，最多的已经完成15口井的作业，最少的也已完成1口井。
在正式开钻之前，整个钻机进行联合调试，固控系统也参与其中。固控系统中振动筛、除气器、离心机、搅拌器和混合泵等固控设备至少运行4 h，对轴承温升和噪声进行了检测，都在合理的范围之内，各设备温升不高于40 ℃，噪声小于85 dB；同时通过混合泵进行倒浆试验，通过海底阀进行液位平衡试验，确保各管路和阀门没有泄漏。
油田现场应用结果表明：固控系统性能稳定、搬家便捷、操作方便，完全满足中东沙漠地区的使用环境。
4 结论(1) HYPERPOOL 4P大容量振动筛的使用，满足一开钻井大排量岩屑的处理要求和三开油基钻井液岩屑的处理。
(2) 优化了管路设计，保证了混合泵、灌注泵吸入性能和冗余功能；快速开关海底阀的设计省力、省时、方便、快捷，利用海底阀实现罐间液位的快速平衡和搬家前的快速清罐。
(3) 固控系统最为关键技术是系统流程的合理设计，改进了振动筛罐的结构，满足了同一口井交替使用水基钻井液和油基钻井液的工况，可快速切换钻井液且不影响正常钻井。
(4) 混合泵、混合漏斗和大袋料吊装装置等的模块化集中布置，为高效、快速搬家奠定了基础。
(5) 多功能钻井液储备系统的钻井液罐的通用性设计，满足油区的调配要求；同时自混合功能省去了搅拌器，可以节约能源、降低成本。
| [1] | ANON. Recommended practice on drilling fluids processing systems evaluation: API recommended practice 13C-2014[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2014. |
| [2] | 张虎山, 谢陈平, 杨建辉, 等. 沙漠快速移运钻机固控系统的研制[J]. 石油机械, 2014, 42(11): 60-63. ZHANG H S, XIE C P, YANG J H, et al. Development of solid control system of fast moving rig for desert drilling[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(11): 60-63. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.11.015 |
| [3] | 张鹏, 刘战锋, 张虎山, 等. 8000 m超深井钻机固控系统的研制[J]. 石油机械, 2016, 44(10): 47-51. ZHANG P, LIU Z F, ZHANG H S, et al. Development of solid control system for 8000 m ultra-deep drilling rig[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(10): 47-51. |
| [4] | 张鹏, 张虎山, 胡楠, 等. 200ft自升式钻井平台泥浆系统研制[J]. 机械工程师, 2016(8): 215-217. ZHANG P, ZHANG H S, HU N, et al. Research on the mud system for 200 ft jack-up drilline platform[J]. Mechanical Engineer, 2016(8): 215-217. |
| [5] | 李亚辉, 侯文辉, 刘志林, 等. 7000 m快速移运拖挂钻机设计[J]. 石油机械, 2015, 43(9): 37-41. LI Y H, HOU W H, LIU Z L, et al. Design of 7000 m quick-carrying trailer-mounted drilling rig[J]. China Petroleum Machinery, 2015, 43(9): 37-41. |
| [6] | 黄治湖, 侯文辉, 肖磊, 等. 7000 m组合式快速移运钻机的研制[J]. 石油机械, 2016, 44(6): 37-40. HUANG Z H, HOU W H, XIAO L, et al. Development of 7000 m modular fast moving rig[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(6): 37-40. |
| [7] | 李鸿涛, 王志忠, 范悦栓, 等. 560 kW快速移运钻机的研制[J]. 石油机械, 2016, 44(6): 28-32. LI H T, WANG Z Z, FAN Y S, et al. Development of the 560 kW fast moving drilling rig[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(6): 28-32. |
| [8] | 吕栓明, 徐炜华, 张辉, 等. 快速移运石油钻机零排放系统技术分析[J]. 石油矿场机械, 2016, 45(2): 16-20. LÜ S M, XU W H, ZHANG H, et al. Technical analysis in zero discharge system of fast moving drilling rig[J]. Oil Field Equipment, 2016, 45(2): 16-20. |
| [9] | 张虎山, 杜永军, 陆俊康, 等. 国内石油钻机固控系统移运技术应用分析[J]. 机械工程师, 2017(3): 72-74. ZHANG H S, DU Y J, LU J K, et al. Analysis on the application of solid control system of domestic oil drilling rig[J]. Mechanical Engineer, 2017(3): 72-74. |
| [10] | 柴占文, 牟长清, 侯召坡, 等. 4000 m低温车载钻机固控系统的研制[J]. 石油机械, 2011, 39(10): 57-60. CHAI Z W, MOU C Q, HOU Z P, et al. Research on the solid control system of the 4000 m low-temperature truck-mounted rig[J]. China Petroleum Machinery, 2011, 39(10): 57-60. |