鄧自強(qiáng)，鄧福成，馮定，何良，李思行

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

郭偉

(中石化勝利油田分公司井下作業(yè)公司，山東 東營 257077)

在鉆井過程中，在鉆桿卸扣上提時(shí)，鉆桿中的泥漿有四濺噴射的現(xiàn)象，導(dǎo)致工作現(xiàn)場濕滑，存在較大的安全隱患；泥漿防噴盒回收噴濺出的泥漿，有效地控制了泥漿的四處飛濺，也提高了泥漿的再利用率，節(jié)約了鉆井成本，使鉆井過程更快捷，對于實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)符合HSE(健康、安全、環(huán)保)要求和鉆井作業(yè)走向自動(dòng)化都有積極作用[1]。為減少鉆井平臺(tái)工人工作強(qiáng)度，降低工作危險(xiǎn)系數(shù)，同時(shí)提高鉆井平臺(tái)機(jī)械化自動(dòng)化，自動(dòng)化防噴泥漿盒作為其中一種石油設(shè)備被應(yīng)用到鉆井平臺(tái)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和在機(jī)械自動(dòng)化大背景下，泥漿防噴盒也經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：人工操作、半自動(dòng)化、自動(dòng)化[2～5]。自動(dòng)化泥漿防噴盒主要由泥漿盒和支撐臂等組成，泥漿盒與井口同心對中依靠支撐臂的旋轉(zhuǎn)或伸縮?，F(xiàn)將國外自動(dòng)化泥漿防噴盒根據(jù)支撐臂結(jié)構(gòu)功能不同，分為翻轉(zhuǎn)式、自支撐式、仿手臂式、水平伸縮式、嵌入式泥漿防噴盒5大類。

1 國外現(xiàn)狀

目前國外石油設(shè)備生產(chǎn)公司對自動(dòng)化泥漿防噴盒產(chǎn)品的研究已經(jīng)很成熟了，例如Cameron公司和TSC公司的仿手臂式泥漿防噴盒，MHWirth公司的平行四邊形伸縮式泥漿防噴盒，美國Forum Energy Technologies(下文簡稱FET)公司生產(chǎn)的自支撐式泥漿防噴盒，NOV公司生產(chǎn)的翻轉(zhuǎn)式和嵌入式泥漿防噴盒。

1.1 NOV公司的翻轉(zhuǎn)式泥漿防噴盒

NOV公司的翻轉(zhuǎn)式泥漿防噴盒由底座、翻轉(zhuǎn)液壓缸、翻轉(zhuǎn)臂、泥漿盒、閉合液壓缸、泥漿排液管6大部分組成，如圖1所示。底座固定在鉆井平臺(tái)上，翻轉(zhuǎn)臂一端鉸接在底座上，另一端通過螺栓固定泥漿盒，翻轉(zhuǎn)液壓缸兩端分別鉸接在底座和翻轉(zhuǎn)臂上，通過翻轉(zhuǎn)液壓缸的伸出和縮回，使翻轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)泥漿盒與井口處于垂直(非工作位)和水平狀態(tài)(工作位)，閉合液壓缸控制泥漿盒的開啟和閉合，泥漿排液管構(gòu)成泥漿盒與泥漿池通道[6～8]。

在鉆井起鉆鐵鉆工解扣后，翻轉(zhuǎn)液壓缸伸出，翻轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使泥漿盒由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)， 泥漿盒和井口同心對正，閉合液壓缸伸出使泥漿盒閉合，頂驅(qū)提起鉆桿，鉆桿中泥漿液流入泥漿盒，泥漿排液管進(jìn)入泥漿池；操作完畢后，閉合液壓缸縮回，泥漿盒打開，翻轉(zhuǎn)液壓缸縮回，整體歸位。

NOV公司的翻轉(zhuǎn)式泥漿盒翻轉(zhuǎn)臂采用三角結(jié)構(gòu)，整體的穩(wěn)定性可靠，與井口對中的精度高；但非工作狀態(tài)下，水平外形尺寸變小，高度有較大的增量，同時(shí)翻轉(zhuǎn)空間大；底座距離井口位置固定，對于不同鉆井平臺(tái)不具有較好的兼容性，可根據(jù)客戶要求，制定確定尺寸方案。

1.2 FET公司的P-Quip型自支撐式泥漿防噴盒

FET公司的P-Quip型自支撐式泥漿防噴盒主要由底座、旋轉(zhuǎn)支撐、自支撐式泥漿排液管、旋轉(zhuǎn)液壓缸、泥漿盒、閉合液壓缸組成，如圖2所示。底座下部為方形，直接嵌入鉆井平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)支撐下部固定在底座上，上部和自支撐泥漿排液管固定，通過旋轉(zhuǎn)液壓缸帶動(dòng)泥漿排液管旋轉(zhuǎn)，泥漿盒固定在自支撐式泥漿排液管末端，通過閉合液壓缸開啟和關(guān)閉泥漿盒[9]。

圖1 NOV公司翻轉(zhuǎn)式泥漿防噴盒 圖2 P-Quip型泥漿防噴盒

在鉆井起鉆鐵鉆工解扣后，旋轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)支撐相對于底座和平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)自支撐式泥漿防噴盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使泥漿盒和井口同心對正，此時(shí)閉合液壓缸伸出使泥漿盒閉合，頂驅(qū)提起鉆桿，鉆桿中泥漿液進(jìn)入泥漿盒，通過泥漿排液管進(jìn)入泥漿池；操作完畢后，閉合液壓缸縮回，泥漿盒打開，旋轉(zhuǎn)液壓缸縮回，整體歸位。

由圖2可以看出：①與井口對中依靠旋轉(zhuǎn)液壓缸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)特定角度，伸出距離取決于自支撐式泥漿排液管，對于旋轉(zhuǎn)液行程和泥漿排液管各部分尺寸精度要求比較大；②非工作狀態(tài)下，其外形尺寸沒有變化，占用鉆井平臺(tái)空間大，旋轉(zhuǎn)空間大；③設(shè)計(jì)前，必須結(jié)合鉆井平臺(tái)布置圖，可根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)具體尺寸，每臺(tái)設(shè)備對于不同鉆井平臺(tái)沒有較好兼容性。

1.3 Cameron公司和TSC公司的仿手臂式泥漿防噴盒

Cameron公司的MB 7-H型泥漿防噴盒和TSC公司生產(chǎn)的一款泥漿防噴盒都是仿手臂式，如圖3和圖4。現(xiàn)以Cameron公司的MB 7-H型泥漿防噴盒為例進(jìn)行分析介紹。仿手臂式泥漿防噴盒主要由底座、支撐液壓缸、仿生手臂、閉合液壓缸、泥漿盒等組成。底座通過螺栓固定在鉆井平臺(tái)上，支撐液壓缸一端鉸接在底座上，一端鉸接在仿生手臂②，仿生手臂兩部分和支撐液壓缸構(gòu)成典型搖桿滑塊結(jié)構(gòu)，仿生手臂①一端和仿生手臂②鉸接，另一端固定泥漿防噴盒，通過閉合液壓缸控制泥漿盒開啟和關(guān)閉[10～12]。

在鉆井起鉆鐵鉆工解扣后，支撐液壓缸使仿生手臂展開，帶動(dòng)泥漿盒與井口中心對正，此時(shí)閉合液壓缸伸出使泥漿盒閉合，頂驅(qū)提起鉆桿，鉆桿中泥漿液進(jìn)入泥漿盒，通過泥漿排液管進(jìn)入泥漿池；操作完畢后，閉合液壓缸縮回，泥漿盒打開，支撐液壓缸縮回，整體歸位。

結(jié)合圖3和圖4可以看出：①仿生手臂由兩部分組成，仿生手臂內(nèi)部是由平行四邊形結(jié)構(gòu)組成，整體伸出或者縮回時(shí)，泥漿盒與平臺(tái)垂直度不變，對中穩(wěn)定，工作可靠；②收回時(shí)，其水平尺寸有大幅度減小，能合理利用鉆井平臺(tái)空間；③可水平伸縮不同尺寸，對于鉆井平臺(tái)的兼容性較好，也可根據(jù)客戶要求具體設(shè)計(jì)尺寸。

1.4 MHWirth公司的CBT型平行四邊形伸縮式泥漿防噴盒

MHWirth公司的CBT型平行四邊形伸縮式泥漿防噴盒主要由底座、旋轉(zhuǎn)支撐、立柱、支撐液壓缸、平行四邊形伸縮臂、閉合液壓缸、泥漿盒等組成，如圖5所示。底座通過螺栓固定在鉆井平臺(tái)上，伸縮臂一端鉸接在立柱上，另一端固定有泥漿盒；支撐液壓缸一端鉸接在立柱上，一端鉸接在伸縮臂上；閉合液壓缸鉸接在泥漿盒兩側(cè)，立柱和底座之間連接有旋轉(zhuǎn)支撐，立柱及其其他部分可以相對底座旋轉(zhuǎn)一定角度。從圖5可以看出，其伸縮臂采用整體式平行四邊形結(jié)構(gòu)，和仿生手臂的結(jié)構(gòu)原理相同[13,14]。

圖3 Cameron公司MB 7-HN泥漿防噴盒 圖4 TSC公司仿手臂式泥漿防噴盒 圖5 MHWirth公司CBT型泥漿防噴盒

在鉆井起鉆鐵鉆工解扣后，支撐液壓缸使平行四邊形伸縮臂展開，泥漿盒水平移動(dòng)并井口中心對正，此時(shí)閉合液壓缸伸出使泥漿盒閉合，頂驅(qū)提起鉆桿，鉆桿中泥漿液進(jìn)入泥漿盒，通過泥漿排液管進(jìn)入泥漿池；操作完畢后，閉合液壓缸縮回，泥漿盒打開，支撐液壓缸縮回，整體歸位。從工作過程可以看出：①平行四邊形伸縮臂和仿生手臂一樣，能夠很好保證泥漿盒的垂直度，能很好確保泥漿盒的同心對中；②收回時(shí)，水平尺寸減小更多，占用空間小；③可水平伸縮不同尺寸，對于鉆井平臺(tái)的兼容性好，也可根據(jù)客戶要求具體設(shè)計(jì)尺寸；④底座上安裝有旋轉(zhuǎn)支撐，具有自支撐式泥漿防噴盒的部分特點(diǎn)。

1.5 NOV公司的嵌入式泥漿防噴盒

圖6 NOV公司嵌入式泥漿防噴盒 圖7 NOV公司ARN270鐵鉆工和嵌入式泥漿防噴盒

NOV公司的嵌入式泥漿防噴盒由固定支架，擺動(dòng)支架，擺動(dòng)液壓缸，泥漿盒，閉合液壓缸，泥漿排液管6大部分組成，如圖6所示。嵌入式泥漿防噴盒作為一個(gè)功能模塊，嵌入在鐵鉆工中，圖7是NOV公司ARN270鐵鉆工，嵌入有泥漿防噴盒模塊。固定支架懸掛固定在鐵鉆工左側(cè)或右側(cè)，擺動(dòng)支架一端鉸接在固定支架上，另一端鉸接泥漿盒，擺動(dòng)液壓缸控制擺動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)角度，閉合液壓缸控制泥漿盒的開啟和閉合[15,16]。在利用ARN270鐵鉆工時(shí)，嵌入式泥漿防噴盒在鉆井起鉆鐵鉆工解扣后，鐵鉆工張開并后退，擺動(dòng)液壓缸①和擺動(dòng)液壓缸②分別帶動(dòng)擺動(dòng)支架①和擺動(dòng)支架②旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，保證泥漿盒和井口的同心對中，之后閉合液壓缸伸出使泥漿盒閉合，頂驅(qū)提起鉆桿，鉆桿中泥漿液進(jìn)入泥漿盒，通過泥漿排液管進(jìn)入泥漿池；操作完畢后，閉合液壓缸縮回，泥漿盒打開，兩擺動(dòng)液壓缸縮回，整體歸位。結(jié)合圖6和圖7可以看出：①嵌入式泥漿防噴盒作為一個(gè)功能模塊，鑲嵌在鐵鉆工中；②和鐵鉆工形成整體后，占用的空間小；③嵌入式泥漿防噴盒對于不同鉆井平臺(tái)兼容性好，其尺寸固定不需根據(jù)客戶需求，個(gè)性化定制。

2 國外產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)對比

國外公司的泥漿防噴盒在結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)上各有特點(diǎn)，其技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

翻轉(zhuǎn)式泥漿防噴盒使泥漿盒由水平變?yōu)榇怪?，同時(shí)改變泥漿盒與底座的水平距離，從自動(dòng)化泥漿防噴盒縮回時(shí)的外形尺寸來看，NOV公司嵌入式泥漿防噴盒和MHWirth公司CBT-MB型水平伸縮式泥漿防噴盒對于鉆井平臺(tái)空間利用最好；其中嵌入式防噴盒的伸出臂更為簡單，其重量最輕。

表1 國外自動(dòng)化泥漿防噴盒技術(shù)參數(shù)對比

2.2 與鉆井平臺(tái)兼容性

自動(dòng)化泥漿防噴盒都可根據(jù)客戶需求修改，翻轉(zhuǎn)式和自支撐式泥漿防噴盒一旦安裝，其對于井口位置唯一固定，與鉆井平臺(tái)兼容性差；平行四邊形伸縮式和仿手臂式泥漿防噴盒其伸縮臂水平方向距離可以調(diào)節(jié)，特別是MHWirth公司CBT-MB型水平伸縮式泥漿防噴盒，結(jié)合了自支撐式泥漿防噴盒和仿手臂式泥漿防噴盒優(yōu)點(diǎn)，與鉆井平臺(tái)兼容性較好；但嵌入式泥漿防噴盒作為一個(gè)功能模塊，可嵌入在鐵鉆工中，對鉆井平臺(tái)兼容性最有優(yōu)勢。

3 結(jié)語

自動(dòng)化泥漿防噴盒是海上鉆井平臺(tái)必須的設(shè)備，國內(nèi)寶雞、宏華等石油設(shè)備制造公司有對應(yīng)的自動(dòng)化泥漿防噴盒，通過對國外產(chǎn)品的對比分析發(fā)現(xiàn)：

1)海洋鉆井平臺(tái)對于設(shè)備空間的合理利用有較高要求，嵌入式泥漿防噴盒對于鉆井平臺(tái)的兼容性好，重量輕，占用空間小，通過更換密封圈能夠適應(yīng)不同鉆桿，嵌入式是自動(dòng)化泥漿防噴盒發(fā)展趨勢。

2)刮泥器作為鉆井平臺(tái)上的一種小設(shè)備，防止鉆桿帶出泥漿液飛濺到平臺(tái)，與泥漿防噴盒有相同的作用、相似的結(jié)構(gòu)，可將其簡化成一個(gè)功能模塊嵌入到泥漿防噴盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備多用途化。

3)設(shè)計(jì)自動(dòng)化泥漿防噴盒時(shí)，需結(jié)合相應(yīng)的鉆井平臺(tái)適用性和設(shè)備實(shí)用性，形成模塊化，實(shí)現(xiàn)與其他鉆井平臺(tái)上設(shè)備的兼容和配套，使之適應(yīng)不同鉆井平臺(tái)。

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