海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)設計分析

趙建亭 李福建 曾 湛

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)設計分析

趙建亭 李福建 曾 湛

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

對海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)的基本流程進行了闡述，并基于業(yè)主個性化要求，對適應不同船型的泥漿處理系統(tǒng)的布置等設計中的關鍵問題進行了分析，提出了系統(tǒng)設計需要注意的問題及解決方案。特別探討了振動篩總成、入篩泥漿分配、出篩泥漿分配及出篩巖屑排放等方面的問題，并對國內海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)設計提出建議。

海洋鉆井；泥漿處理；振動篩總成

引 言

海洋鉆井使用的泥漿處理系統(tǒng)在鉆井行業(yè)內又稱“泥漿凈化系統(tǒng)”或者“固控系統(tǒng)”，它是石油鉆機重要的支持系統(tǒng)之一，它可以清除泥漿體系中不必要的固相，保持泥漿性能的穩(wěn)定，能夠使泥漿重復循環(huán)利用，節(jié)省鉆井成本；在鉆井作業(yè)過程中有效利用泥漿處理系統(tǒng)可以提高泥漿攜帶巖屑的能力和鉆頭的工作效率，減少泥漿泵水力消耗，降低設備和循環(huán)系統(tǒng)的磨損，以防止發(fā)生鉆井安全事故［1-2］。

海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)設計源于陸地鉆機的泥漿處理方法，同時又需要兼顧考慮海洋鉆井裝置的特殊性。海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)是鉆井支持系統(tǒng)內個性化要求比較高的一個系統(tǒng)，系統(tǒng)除了滿足規(guī)范要求外，還需要根據船型及業(yè)主的作業(yè)習慣統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的設計。

鉆井泥漿處理控制固相的方法主要有機械處理、化學處理、稀釋泥漿、噴沖或拋棄泥漿等四種方法；本文主要是基于機械處理方法對海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)的設計問題進行探討。

1 流程概述

海洋鉆井泥漿由井口轉噴器（或喇叭口）的返流口經由返流管線（或槽）進入泥漿處理系統(tǒng)。返流的泥漿首先進入刮泥器，它可以除掉比較大的巖屑和粘土球，并將其排出舷外或者收集處理；經刮泥器初級處理的泥漿通過泥漿分配器（或篩頭箱）到達泥漿振動篩進行篩除處理；振動篩處理后的泥漿通過泥漿槽可以實現進入任何一個泥漿處理罐，進行相應的除氣、除砂、除泥、分離等流程處理。

流程處理完畢的泥漿溢流返回到日用泥漿池后利用高壓泥漿泵重新入井利用；振動篩排出的巖屑可以選擇排出舷外或者收集處理。典型海洋鉆井泥漿處理流程原理示意圖參見圖1，針對各個類型的實際工程項目詳細的泥漿處理流程及設備配置會由于不同船型及業(yè)主要求而有所差異。

圖1 典型海洋鉆井泥漿處理流程原理示意圖

泥漿處理系統(tǒng)的最重要的目標是盡量第一時間去除從井口循環(huán)上來的固相顆粒，盡量降低泥漿內的固相對泥漿體系的破壞和設備的損壞。泥漿處理設備的能力至少為井口最大泥漿返流量的 100%～125%。

2 固相分類［3］

任何泥漿體系的固相可以分為商業(yè)固相和鉆出固相兩部分：商業(yè)固相是指為獲得一定性能和執(zhí)行一定功能而添加到泥漿系統(tǒng)內的顆粒；鉆出固相是指來自鉆頭的以巖屑的型式進入泥漿系統(tǒng)的顆粒，或者是指井壁脫落掉進井筒內形成的顆粒。

商業(yè)固相除了重晶石和循環(huán)損失材料外，大多數的相對粒度尺寸小于1 μm；而鉆出固相的粒度從小于1 μm到大于2 000 μm不等，反映了被鉆地層的構成及鉆頭牙齒的形狀。

為了評估泥漿處理系統(tǒng)內的各種機械設備的去除固相的能力，根據固相的顆粒大小對泥漿內的固相涵義作如下頁表1所示的定義及分類。

表1 泥漿內固相粒度分類表

泥漿處理系統(tǒng)內機械去除泥漿內固相設備主要包含振動篩、除砂器、除泥器、清潔器和離心機等，每類機械設備能夠處理一定粒度范圍內的固相，各項泥漿處理設備的粒度去除范圍如表2所示。系統(tǒng)設計時根據船型及業(yè)主要求設置全部設備或者部分設備，并且泥漿處理作業(yè)時需要根據返流泥漿的性能選擇相應的泥漿處理設備。

表2 機械處理泥漿內固相的粒度限制范圍

3 設計基礎

泥漿處理系統(tǒng)設計時首先需要基于船型明確如下設計基礎問題：

（1）返流泥漿體系的類型；

（2）井口最大泥漿返流量；

（3）泥漿體系的最大密度；

（4）井口返流泥漿的溫度。

4 設計關鍵

4.1 處理區(qū)域布置

海洋鉆井的泥漿處理系統(tǒng)會根據不同的船型布置在不同的位置，但是均需要布置在靠近鉆臺的位置，以利于泥漿重力返流，防止危險區(qū)域分散布置。表3列舉了幾種不同船型的泥漿處理系統(tǒng)相對船體位置的情況。

表3 泥漿處理系統(tǒng)相對船體位置表

海洋鉆井泥漿處理區(qū)域設計時需要根據作業(yè)環(huán)境條件、業(yè)主要求及船型的特點優(yōu)先考慮此區(qū)域是設計成圍蔽區(qū)域還是開敞區(qū)域，并根據API RP505的要求確定此區(qū)域各個位置的危險區(qū)域等級［4］；同時也需要考慮不同工藝流程設備的安裝要求及相對的高差要求，將其設置在不同的層高位置以滿足流程處理的需求。

泥漿系統(tǒng)如果布置不合理，設備的功能就不能充分發(fā)揮，甚至造成系統(tǒng)不能正常工作，所以基于船型的泥漿處理系統(tǒng)良好的設備布置及優(yōu)化顯得非常必要。系統(tǒng)布置時必須以“重力返流或排放”為設備相對位置首要考慮的問題。

4.2 振動篩總成

振動篩是泥漿固相控制系統(tǒng)的第一級處理設備，它工作的好壞直接影響整個泥漿處理系統(tǒng)的控制效果。由于它的重要性，所以本文將作較詳細的分析探討。

由井口內返出帶有大量巖屑的泥漿，經過振動篩網的篩分，分離并排出尺寸較大的固相顆粒，使較清潔的泥漿進入后幾級的處理設備。

振動篩的激振模式主要分為橢圓非平衡式、圓周平衡式和直線式等三種振動模式，各種振動模式具有自身的特點，市場上均存在產品；目前對于海洋鉆井使用的振動篩主要由BRANDT、SWACO、DERRICK等三個公司的產品占據了絕大部分的市場，而且他們的類型和性能在世界上也都具有代表性。

振動篩的技術水平主要反映在處理能力（處理量和分離粒度）、工作穩(wěn)定性、壽命長短和操作靈活性等幾個方面。振動篩的處理能力與振動篩的結構、運動軌跡、振動頻率、振動強度、篩網面積和篩網的粗細等因素有關。海洋泥漿處理系統(tǒng)設計在振動篩方面主要需解決在設備選型完畢基礎上的布置方式、入篩泥漿分配、出篩泥漿分配與出篩巖屑排放等多方面的問題。

4.2.1 布置方式

目前海洋鉆井的振動篩總成布置存在直列式和對置式兩種比較典型的方案。直列式方案占用長度方向的空間較大，它可以根據船型特點設置在狹長型的空間內，并能實現單側進泥漿及單側排砂。圖2與圖3所示的振動篩總成布置均為直列式方案。對置式方案可以采用頭靠頭或者尾靠尾的方式將振動篩設置成兩排直列，此種方案適用于區(qū)域長度有限制的空間，排砂可以實現同側排放或者兩側排放。圖4所示的對置式振動篩布置方案為頭靠頭布置、中間進泥漿、兩側排砂。

在振動篩設備選型前，需要基于船型優(yōu)先確定振動篩是采用直列式還是對置式總成方案，并且根據既定的振動篩總成方案統(tǒng)籌規(guī)劃此區(qū)域的總布置、層高設置、主要骨材及開槽（口）位置等。

4.2.2 入篩泥漿分配

圖2 典型直列式振動篩總成平面示意圖

圖3 BEM650六聯(lián)篩與分配器總成側視示意圖

圖4 典型對置式振動篩總成側視示意圖

入篩泥漿分配方法現有泥漿分配器和篩頭箱等兩種典型的設計方案；泥漿分配器為獨立的的帶閘板的多邊形箱體設備，它的泥漿出口與振動篩的數量相適應，并通過管系與振動篩的泥漿入口連接在一起（參見圖3），其布置相對振動篩總成更靈活。篩頭箱為長條型帶閘板的箱體設備，它的泥漿出口與振動篩緊靠在一起，并與振動篩整體集成在一起，總成結構緊湊。BRANDT公司振動篩與篩頭箱的典型總成參見圖5。

圖5 VSM300五聯(lián)篩與篩頭箱總成示意圖

不管是何種入篩泥漿分配方案，均需要考慮能夠將振動篩上游的泥漿旁通直接進入下游泥漿系統(tǒng)，此旁通需要設置短節(jié)、盲板或者眼鏡法蘭等措施，防止誤操作使含有危險氣體的泥漿體系進入下游，造成危險區(qū)域擴大或者升級。

4.2.3 出篩泥漿分配

各個振動篩出篩后的泥漿需集中并設置泥漿槽（或管），將泥漿導至任何一個泥漿處理罐內。泥漿處理罐總成需要根據作業(yè)區(qū)域及設備流程的要求采用沉砂罐、除氣罐、除砂罐、除泥罐、離心罐和緩沖罐等6個或者其中部分處理罐組成。所有泥漿處理罐內壁應光滑、宜采用V型坡底，設置高位帶閘板溢流口和底位連通平衡閥，泥漿輸送砂泵吸口盡量靠近罐底部，罐頂可以采用格柵開式或者板殼封閉式方案。

振動篩排出的泥漿進行首級處理的沉砂罐應采用高位進罐、高位溢流的重力沉砂方式，并且此罐需要定期清淤和泄放；由于泥漿清淤損失及直接排放對環(huán)境的影響等問題，此種分離砂（和重晶石）的方式越來越少用，現在的沉砂罐只是設置底部吸口并與泥漿處理泵相連的首級處理罐而已。

泥漿處理罐的容量設計需要滿足單個泥漿處理罐容量大于泥漿處理泵一分鐘排量的數值；對于浮式鉆井作業(yè)的泥漿處理系統(tǒng)，單個泥漿處理罐的容量應適當放大。

4.2.4 出篩巖屑排放

目前海洋鉆井作業(yè)對于油基泥漿體系攜帶的巖屑是禁止排海的，必須采用巖屑收集方案；而對于水基泥漿體系攜帶的巖屑可以采用直接排海方案。若系統(tǒng)設計要求兩種排砂方式均使用，則巖屑由振動篩排出后需要能夠通過轉換裝置進行選擇，巖屑進入螺旋輸送器打包運走或直接排海。典型巖屑轉換裝置參見圖6。如采用打包運走方案，巖屑可以通過螺旋輸送器輸出泥漿處理系統(tǒng)，然后再通過鼓風機、甩干機、巖屑箱等第三方設備進行處理，工作原理見圖1。泥漿處理系統(tǒng)規(guī)劃時需要預留此第三方設備的空間及相應的公用系統(tǒng)設計。

海洋鉆井巖屑進入排砂槽后排海方案或收集方案需要根據船型的特點而量身定制。由振動篩排出的巖屑流動性很差，所以排砂槽的斜度盡量大；另外可以在排砂槽端部設置海水助沖管線，便于巖屑排海。表4列舉了海洋鉆井不同船型采用的典型巖屑直接排海方法。對于巖屑收集方案，在振動篩的排砂位置設置螺旋輸送器，將巖屑輸送出泥漿處理區(qū)，并選擇相應的巖屑收集方案。

圖6 典型巖屑排放轉換示意圖

表4 海洋鉆井典型巖屑直接排海方法示例

對于水基泥漿體系的刮泥器上游泥漿管線及刮泥器泥餅的排放管線需要與巖屑排放管線統(tǒng)籌考慮，盡量實現表4所列的最終“單點排放”功能。

4.3 除氣器

泥漿處理系統(tǒng)的除氣器可以迅速去除侵入泥漿中的氣體，恢復泥漿比重、穩(wěn)定泥漿性能。除氣器目前主要有真空除氣器和離心除氣器兩種類型。

真空除氣器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐內形成負壓，泥漿在大氣壓的作用下，通過吸入管進入旋轉的空心軸，再由空心軸四周的窗口，呈噴射狀甩向罐壁，在碰撞、真空及氣泡分離器的作用下，侵入泥漿中的氣泡破碎，氣體逸出，通過真空泵抽出并排到安全位置，除氣后的泥漿則由于自重進入排空腔，經旋轉的葉片排出罐外，進入泥漿下一步流程。真空除氣器的工作原理如圖7所示。

圖7 典型真空除氣器原理圖

離心除氣器是一種具有獨特設計的除氣裝置。其多采用立式安裝方法，占地面積小，能夠有效節(jié)省空間。通?？蓪⑵渲苯影惭b在除氣罐的上方，泥漿吸口插在罐內（工作原理見圖1）。強大的離心力作用于泥漿，使氣體與泥漿分離；旋流的沖擊使泥漿中的氣泡被分離并且增加了浮力；加速了氣泡的上浮速度，使不含氣的泥漿與游離氣體分離。

關于除氣器分離出的危險氣體的透氣口位置，在船級社的規(guī)范中僅要求到安全位置，并無具體的指導性位置，但是在工程實踐中均需要將除氣出來的危險氣體獨立的接到井架頂部透氣［5-7］。

4.4 泥漿清潔器

海洋鉆井的空間緊湊性要求較高，所以對于除砂器、除泥器等水力旋流設備已經不常單獨存在，而是將其設置在振動篩的頂部，與振動篩集成為泥漿清潔器設備（見圖2和圖3）。泥漿清潔器的性能和質量取決于旋流器與振動篩兩者的性能與質量。兩級處理的泥漿清潔器工作時分兩步：第一步是旋流器將泥漿分離成低密度的溢流和高密度的底流，底流落在振動篩上；第二步是振動篩將高密度的底流再分離成兩部分，一部分是透過篩網的稀流體，另一部分是留在篩面上的顆粒。泥漿清潔器可用來處理加重泥漿或非加重泥漿。

4.5 流程管線

4.5.1 斜 度

泥漿處理系統(tǒng)的泥漿管線的斜度可以分兩部分做出要求：振動篩上游的管線（或者槽）由于泥漿含有固相較多，流動性差，斜度要求至少為1/12以上；篩除固相以后的下游管線斜度要求至少為1/48以上。對于浮式鉆井作業(yè)管線（或者槽）的斜度需要適當加大以平衡船體縱搖及橫搖對其有效斜度的影響。

4.5.2 流 速

振動篩下游泥漿槽內的流速至少為1.22 m/s，但是不超過2.44 m/s。泥漿處理泵的吸入管匯流速至少為1.22 m/s，但是不超過2.44 m/s，對于大直徑管可以達到3 m/s。對于振動篩上游的管線（或者槽）由于泥漿含有的板結性材料較多，容易堵管，所以管徑可以適當放大，流速降低，并考慮在此管線（或者槽）上設置一定的助沖管線。

5 結 論

海洋鉆井泥漿處理系統(tǒng)的設計需基于船型優(yōu)先考慮振動篩總成、固相的處理以及收集或者排舷外的方法。隨著鉆井行業(yè)的泥漿處理設備的發(fā)展，國內外泥漿處理設備的性能均獲得良好的發(fā)展，所以設備選型已經不再是決定此系統(tǒng)性能優(yōu)劣的瓶頸；基于業(yè)主個性化要求，適應不同船型的布置方法顯得尤為重要。

此外，海洋高溫高壓鉆井返流的泥漿對泥漿處理系統(tǒng)的影響及解決方案尚需基于鉆井實踐工程經驗作進一步研究。

［1］ 安國亭， 盧佩瓊. 海洋石油開發(fā)工藝與設備［M］.天津：天津大學出版社， 2001.

［2］ 趙建亭，劉樹祥，晏紹枝.浮式鉆井裝置鉆柱運動補償系統(tǒng)研究［J］.船舶， 2010（3）：1-5.

［3］ IADC Drilling Manual［M］. The 11thEdition，International Association of Drilling Contractor，Houston，Texas：Technical Toolboxes，Inc，2000：5-8.

［4］ API RP-5，Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I，Zone 0，Zone 1 and Zone 2［S］. American National Standards Institute，1997.

［5］ DNV-OS-E101， Drilling Plant［S］. 2009：41-42.

［6］ ABS. Guide for the Classification of Drilling Systems［S］. 2012：56-58.

［7］ 中國船級社.鉆井裝置發(fā)證指南［S］. 2006：20-21.

Design and analysis of mud processing system for off shore drilling

ZHAO Jian-ting LI Fu-jian ZENG Zhan
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper introduces the basic procedure of the mud processing system for off shore drilling, analyzes the critical design issues about the arrangement of the mud processing system for the diff erent ship types based on the owner’s individual requirements, and puts forward the issues and solutions that should be focused on for system design. It especially studies the issues about shale shaker assembly, division of mud in/out of shakers, and discharge of cutting overboard. It also proposes the recommendations on the design of the domestic off shore mud processing system.

off shore drilling; mud processing; shale shaker assembly

U674.38+1

A

1001-9855（2014）05-0089-07

2014-01-13 ；

2014-02-10

趙建亭（1978-），男，高級工程師，研究方向：船舶與海洋工程鉆井系統(tǒng)設計及研究。

李福建（1985-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程鉆井系統(tǒng)設計及研究。

曾 湛（1983-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程機械設計及研究。