2. 宝鸡石油机械有限责任公司
2. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd
0 引言
俄罗斯及北极地区拥有丰富的油气资源，随着油气资源勘探领域的不断拓宽，其战略地位在国际上逐渐凸显。荷兰皇家壳牌、英荷能源集团和埃克森美孚石油等国际能源公司纷纷游说各自政府，争取为极地油气开发提供资金、技术和政策支持。俄罗斯石油公司分别与挪威国家石油公司、埃克森美孚石油公司签订协议，共同开发北极周边油气资源。油气勘探领域向俄罗斯及极地等低温环境地区发展，将是未来油气藏开采发展的趋势，因此适应极地地区作业的油气钻井装备需求将会越来越大[1-6]。
目前，在俄罗斯及极地地区作业的钻机所配套的固控系统大多数设备陈旧、保温性能差、使用效率低[7]。通过对四川宏华、山东科瑞、德国奔泰克和俄罗斯乌拉尔机械厂等国内外制造厂商研制的低温钻机进行分析研究后，宝鸡石油机械有限责任公司研制了7 000 m极地轮轨钻机固控系统。该系统能在-45 ~40 ℃的环境温度下正常工作，储存温度范围为-60 ~50 ℃，满足俄罗斯及极地地区环境钻井作业要求。极地轮轨钻机固控系统在布置特点上，调整了系统的仓室结构划分，优化了管线流程布置。特殊设计的除气流程，有效地解决了由于单个模块过长造成的仓内钻井液容积不足的问题，使得固控系统钻井液净化效果良好、工艺流程完善，具有较高的可靠性、冗余性以及处理突发事故的能力[8]。
1 技术分析 1.1 总体方案研制的固控系统根据7 000 m极地轮轨钻机的作业特点，以减少系统热量散失为目的，通过采用保温棚保温和蒸汽加热，实现固控系统在环境温度-45 ℃时的正常工作。固控系统通过布置在底橇下方的轮轨，实现随主机在滑轨轨道上整体移运，满足极地钻机丛式井钻井作业要求[9]。系统采用模块化设计，在节省空间易于保温的同时能够显著提高固控系统的搬家效率。固控系统采用振动筛、真空除气器、一体机和离心机五级净化设备，能够满足钻井液的循环、灌注、加重及特殊情况下的事故处理等工艺要求。此外，为了保证固控系统能够在俄罗斯境内运输，系统的最大外形尺寸除满足中国铁路和公路运输要求外，还需满足俄罗斯道路运输限界要求。
1.2 固控系统布置设计固控系统布置示意图如图 1所示。
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| 1—钻井水模块；2—钻井液回流管；3—计量罐；4—振动筛；5—除气器；6—粗净化模块；7—螺旋输送机；8—精净化模块；9—检修吊装导轨；10—离心机；11—1#储备模块；12—2#储备模块；13—3#储备模块；14—4#储备模块；15—吸入模块；16—混浆模块；17—混合漏斗；18—搅拌器；19—一体机排出管线；20—离心机排出管线；21—混合泵排出管线；22—一体机。 图 1 固控系统布置示意图 Fig.1 Schematic layout of solid control system |
固控系统由钻井水模块、粗净化模块、精净化模块、储备模块、吸入模块和混浆模块组成。整套系统配置三台振动筛、一台钻井液清洁器、一台离心式除气器、两台离心机等。整套系统与钻机主机共用两条平行的导轨，系统内部模块之间通过销子耳板连接形成一个整体，并通过连杆与主机连接，通过液缸实现与主机整体移动。钻井液处理区域空间上采用分层结构设计，根据钻井液处理工艺要求，设备布置在处理模块的下层、中层和上层，以减小固控系统的总体长度，便于系统保温[10]。整套系统工艺流程设计满足钻井液的筛分、除气、除砂、除泥、离心五级净化处理及加重等要求。
1.3 主要技术参数固控系统总容积：363 m3；
钻井液模块数量：9个；
钻井水模块容积：60 m3；
系统设计最大处理量：240 m3/h；
钻井液配置能力：240 m3/h；
水管线额定工作压力：1 MPa；
钻井液枪管线额定工作压力：1.6 MPa；
系统装机总功率：约750 kW；
模块尺寸(长×宽×高)：12.9 m×3.0 m×2.6 m。
2 关键技术 2.1 钻井液循环流程设计极地轮轨钻机固控系统由于其作业属地的特殊性，罐体布置方式与常规钻机配套的固控系统布置方式不同，整套固控系统排列布置在两条平行的导轨上，可跟随钻机主机同步滑移。因此其钻井液循环流程与常规钻机配套的固控系统流程有很大区别。该布置方式的主要目的就是充分利用固控系统内部仓室空间，减少固控系统的占用面积，同时还要满足钻井液循环处理的要求。
从井口返出的钻井液通过回流管线进入钻井液分配槽，通过钻井液分配槽可分别或同时输送到3个振动筛，经过振动筛处理后的钻井液进入粗净化模块内的沉砂仓/除气仓。沉砂仓/除气仓内的钻井液可通过两种方式进入到除砂仓：第一种方式为钻井液可以通过除气器处理后排入到除砂仓；第二种方式为钻井液可通过钻井液槽高位溢流至除砂仓。除砂仓内的钻井液通过除砂器处理后进入到除泥仓，除泥仓内的钻井液经过除泥器处理后，可重新返回至除泥仓内或者由管线传输至储备模块、吸入模块和混浆模块，再由钻井泵重新泵入井内循环使用。
2.2 模块化结构设计针对7 000 m极地轮轨钻机总体结构的布置特点，固控系统采用模块化设计，并减少了各模块装配之间的接口种类，提高了安装效率。根据功能的不同，固控系统划分为钻井水模块、粗净化模块、精净化模块、储备模块、吸入模块和混合模块。每一个模块执行一个特定的处理工艺，整套固控系统功能由多个模块组合完成。极地轮机钻机固控系统立面图如图 2所示。
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| 图 2 固控系统立面图 Fig.2 Elevation drawing of solid control system |
钻井水模块的主要功能是向固控系统其他模块内部供水。水罐总容积设计为60 m3，罐内和泵仓区内带蒸汽管线。罐体底部设置底部阀用于罐体泄放。罐体上框在离心泵上方设置盖板和吊耳(或吊梁)，便于离心泵维修吊装。水罐上方分别布置补给罐和钻井液分配槽，用于井口灌浆和将从井口返回的钻井液分配到振动筛内。
粗净化模块的主要功能是将井口返回钻井液中的气体和粒径大于40 μm的钻屑颗粒分离出来。该模块为多层结构，底层为钻井液隔仓，内部带蒸汽管线，钻井液总容积为43 m3，分为3个隔仓。模块顶层布置振动筛，模块底层外部和中层分别布置一台螺旋输送机。两台螺旋输送机配合使用，可将振动筛排出的岩屑输送至距离模块13 m外的坑内。同时，模块底层外部的螺旋输送机可沿中层布置的螺旋输送机排砂口轴向旋转±10°，满足岩屑排放要求。
粗净化模块如图 3所示。
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| 图 3 粗净化模块 Fig.3 Rough purification module |
精净化模块的主要功能是将钻井液中粒径2~74 μm的固相颗粒分离出来。该模块为多层结构，底层布置除砂泵、除泥泵、中速离心机供液泵和高速离心机供液泵，预留有维护人员通道。模块中层布置各类工艺管道，顶层布置1台一体机、1台中速离心机、1台高速离心机，2台离心机串联设计[11]。模块中部沿罐体长度方向布置1根吊装导轨，用于吊装维护设备。吊装导轨向外延伸出模块外4.5 m，伸出的吊装导轨在模块外部设置有门形支撑。精净化模块如图 4所示。
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| 图 4 精净化模块 Fig.4 Fine purification module |
储备模块中钻井液总容积为60 m3。模块内部设计有钻井液流程管线和清水管线，罐体内部带蒸汽管线。固控系统内部共配备了4个储备模块。
吸入模块中钻井液总容积为60 m3，分为两个隔仓。模块内部设计有钻井液流程管线和清水管线，罐体内部带蒸汽管线。
混浆模块中钻井液总容积为20 m3。模块内部设计有钻井液流程管线和清水管线，罐体内部带蒸汽管线。模块上框在混浆泵区设置盖板和吊装导轨，便于混浆泵维修和吊装。两台混合漏斗布置在混浆泵上方。
2.3 低温材料选择对于露天未采取保温措施的结构和部件，应满足-45 ℃工作温度要求[12-13]。API 8C规范中要求：在规定(或更低)温度试验的3个全尺寸时间的最小平均夏比冲击功应为27 J，单个值不应小于20 J[14]。API 4F中则明确要求零件在最低设计温度下进行冲击功试验。API规范中没有对固控系统结构材料提出设计规范，因此参考钻机井架、底座及主要部件选材要求，对固控系统裸露在外部，且没有采取保温措施的底橇主大梁选用Q345E，该材料满足-45 ℃温度下KV8冲击功值不小于34 J；主要受力的轴类零件(包括销轴)，直径不大于200 mm时采用40CrNiMoA，该材料满足-45 ℃温度下KV8冲击功值不小于27 J[2]；吊耳(吊装管)结构件的设计环境温度为-45 ℃，满足-45 ℃温度下KV8冲击功值不小于34 J。对于已采取加热保温措施的结构和部位，用料应不低于B级钢。主要受力的紧固件螺栓和螺母采用40CrNiMoA。
丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶广泛应用于汽车、航空航天和石油工业，具有优异的耐油和耐寒性能。丁腈橡胶的低温脆性温度可达-61 ℃，氢化丁腈橡胶耐寒温度为-55 ℃[15]。因此系统所用的非金属材料(如气路和油路胶管)优先选用丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶或夹布丁腈橡胶。密封件采用丁腈橡胶或氢化丁腈橡胶。
2.4 钻井液罐结构设计为适应极地轮轨钻机的配套要求，设计了专用钻井液罐。与常规固控系统罐体不同之处为：专用钻井液罐罐体位于橇座中部用于存储钻井液，橇座两端空间用于敷设钻井液流程管线及预留人行通道。为了保证固控系统能够在两条平行的导轨上移动，罐体底部设计有车轮总成用于承载。
2.4.1 底橇结构[8]罐体底橇主横梁采用3根变截面梁设计，底橇两端设计有吊装管，便于安装定位。在正常工作状态下，罐体底橇直接裸露在周围环境中。为了提高罐体的保温效果，底橇内部填充100 mm厚聚氨酯保温材料并采用钢板密封。底橇内部还同时预埋有钻井液排放管线，可将罐体内部钻井液引出罐外。底橇在钻井液流程管线吸入口下方设计有凹槽，使管线吸入口低于底橇上平面，能够保证罐体内钻井液全部被抽吸。在底橇两侧设计有密封槽用于钻井液罐间密封，避免冷空气从罐间进入到固控系统保温区域内。
2.4.2 罐体结构罐体主墙板压制成瓦楞结构，提高了罐体强度。墙板四角增加无缝方管立柱与瓦楞墙体焊接，罐体上框四周采用无缝方管与主墙板焊接。其中一侧无缝方管为清水管线，另一侧无缝方管为钻井液枪管线，管线两端均采用锤击由壬软管连接。
2.4.3 尺寸控制各模块在运输过程中采用铁路和公路两种运输方式，因此在设计罐体时充分考虑俄罗斯及中国铁路、公路运输尺寸及质量要求。由于铁路运输要求更加严格，综合俄罗斯及中国铁路运输限界标准，笔者给出了俄罗斯极地轮轨钻机铁路运输限界截面图，如图 5所示。同时，在铁路运输限界截面图的基础上，还要求各模块部件的运输外廓必须向限界图内移50 mm；严格限制罐体模块长度不超过12.90 m，宽度不超过3.15 m，高度不超过3.10 m，单个模块运输质量不超过40 t。
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| 图 5 铁路运输限界 Fig.5 Limit of railway transportation |
2.5 管线布置
对于极地轮轨钻机固控系统的特殊布置方式，将固控系统钻井液流程管线布置在罐体外部，这样既解决了固控系统模块间距离小管线无法连接的问题，同时也能够增大钻井液罐内的钻井液容积。在管线设计过程中，优化了管线的布置路径，减少了管线的弯曲数量。在满足固控系统工艺流程的基础上，尽可能将管线设计成直线布置方式，最大限度缩短了管线长度，降低了管路系统内部阻力。布置在罐体外部各模块间的连接管线，同一工艺流程管线均采用相同的连接方式，满足模块化结构的快速拆装要求。
2.6 岩屑输送系统俄罗斯及极地对岩屑的排放有严格的规定，即禁止岩屑直接排放至周围环境中，必须统一回收集中处理。在固控系统粗净化模块上，布置有2台螺旋输送机，其中一台位于粗净化模块的中间层；另一台悬挂在粗净化模块的外部，用于将第一台螺旋输送机排出的固相颗粒传输至钻井液坑处。该岩屑输送系统针对极地钻机岩屑排放特点设计了两种工作模式。
第一种岩屑输送模式(见图 6)为将粗净化模块外部悬挂的螺旋输送机拆除，使用布置在中间层的螺旋输送机输送岩屑。该螺旋输送机出口距离固控区保温棚外侧5 m，距离地面高度4 m，能够满足车辆直接停靠在螺旋输送机排出口装载岩屑的要求。第二种模式(见图 7)为将第二台螺旋输送机悬挂在粗净化模块外部。该螺旋输送机可沿第一台螺旋输送机排砂口轴向旋转±10°，用于传输从第一台螺旋输送机传输过来的岩屑，可将岩屑传输至距离井口20 m处的钻井液坑内。该螺旋输送机通过拉杆形式将其整体悬挂固定在粗净化模块的外侧，不需要单独设置地面支撑。
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| 图 6 岩屑输送模式一 Fig.6 Cuttings transportation mode 1 |
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| 图 7 岩屑输送模式二 Fig.7 Cuttings transportation mode 2 |
在这两种工作模式下均不需要地面辅助支撑，能够满足极地钻机进行丛式井钻井移运要求，在移运准备过程中不需要单独拆卸辅助部件即可实现与主机同步移动，提高了移运的便捷性。
3 室内试验及现场应用 3.1 室内试验情况7 000 m极地轮轨钻机固控系统研制完成后，在宝鸡石油机械有限责任公司进行了钻机大配套。以清水代替钻井液，对固控系统配套设备、钻井液处理流程和管线密封等相关设备进行了室内试验。同时根据钻机总体试验要求，进行了固控系统随主机整体移运试验。在移运过程中系统平稳，各模块之间管线连接良好，无泄漏，滚轮与导轨之间无卡阻现象。岩屑输送系统能够按照设计要求在两种工作模式下随主机移运，无明显摆动现象发生。试验中各技术指标均达到了设计要求。
3.2 现场应用2019年初，该固控系统已随钻机在位于北极圈附近的井场组装并调试完成，开始第一口生产井的钻井任务。在钻井作业过程中，固控系统保温棚内部实际温度达到5 ℃以上，各模块间密封可靠，底橇保温性能良好，能够确保钻井作业的正常进行。截至目前，7 000 m极地轮轨钻机固控系统使用正常，功能设计满足现场应用要求。
4 结论(1) 针对俄罗斯及北极地区极地轮轨钻机的固控系统须满足-45 ℃工作要求和钻机整体布置需要，在仓室的划分和钻井液处理流程等方面进行了方案创新，研制了7 000 m极地轮轨钻机固控系统。通过现场验证，该固控系统满足实际钻井作业要求。
(2) 该固控系统采用模块化设计，各模块单独成橇，模块间功能相互独立，能够有效去除钻井液中粒径大于2 μm的固相颗粒。模块与模块之间具有连接简单和拆装方便等显著特点。整套系统结构紧凑，满足丛式井井间移运作业要求。
(3) 粗净化模块与精净化模块采用多层设计，能够充分利用保温棚内空间。各模块外形尺寸满足中国及俄罗斯铁路运输要求。
(4) 针对该固控系统设计的两种岩屑输送系统工作模式，既满足俄罗斯及极地对岩屑的排放规定，又提高了钻机移运的便捷性。
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