田 雪 趙建亭 程 峰 曾慶松

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

泥漿系統(tǒng)是鉆探作業(yè)的重要支持系統(tǒng)，為鉆進、固井、井控等作業(yè)提供不同的泥漿，是大洋鉆探船的重要組成部分。泥漿系統(tǒng)主要包括高壓泥漿系統(tǒng)、泥漿配置系統(tǒng)、泥漿存儲輸送系統(tǒng)、泥漿處理系統(tǒng)、散料存儲輸送系統(tǒng)和高壓固井系統(tǒng)等。［1］

泥漿系統(tǒng)設(shè)計常常面臨著系統(tǒng)設(shè)備眾多、參數(shù)匹配困難、鉆井作業(yè)效率低、安全性和經(jīng)濟性差等問題，直接影響大洋鉆探效果。本文開展大洋鉆探船泥漿系統(tǒng)設(shè)計分析，對泥漿系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高系統(tǒng)功能性，提高鉆探過程中的作業(yè)效率、安全性和經(jīng)濟性。

1 泥漿需求論證

整個鉆探作業(yè)周期內(nèi)的泥漿需求是確定泥漿池艙容、泥漿原材料（重晶石和土粉）和固井原材料（水泥）的基本依據(jù)［2］。泥漿需求量與大洋鉆探船最大作業(yè)水深和鉆深有關(guān)，此外，它們在船上的存儲能力也會對補給船的供應(yīng)周期產(chǎn)生影響。

初步認為無隔水管鉆井作業(yè)時，日用泥漿池的容量至少滿足把泥線下的井筒灌滿，并留有一定的裕量；隔水管鉆井作業(yè)時，日用泥漿池的容量至少要滿足把隔水管與套管形成的完整井筒灌滿并留有一定的裕量。備用泥漿池除了具有一定的儲備功能外，還需要考慮泥漿體系替換時存儲不同體系泥漿的功能，推薦備用泥漿池艙容為日用泥漿池的1.25～1.5倍。

大洋鉆探船具有隔水管鉆井作業(yè)和無隔水管鉆井作業(yè)兩種作業(yè)方式。大洋科學(xué)鉆探作業(yè)時，可采用無隔水管鉆井作業(yè)方式，總鉆深11 000 m（含水深），采用典型井筒模型（如圖1所示）。

圖1 典型井筒模型圖

在總鉆深不變的情況下，對不同水深和井深進行組合，估算泥漿需求。為考慮井筒容積需求最大情況，D3-D5井段均采用套管掛型式。無隔水管鉆井作業(yè)模式下的日用泥漿需求量見表1。

表1 無隔水管鉆井作業(yè)日用泥漿需求量

采用隔水管鉆井作業(yè)方式時，最大作業(yè)水深2 500 m，總鉆深6 000 m（含水深），估算的日用泥漿需求量見表2。

表2 隔水管鉆井作業(yè)日用泥漿需求量

由表1和表2可知，泥漿池艙容需求由鉆井作業(yè)方式?jīng)Q定，大洋鉆探船日用泥漿池艙容應(yīng)不小于870 m3，泥漿池總艙容應(yīng)不小于1 780 m3。

2 系統(tǒng)工藝流程分析

2.1 高壓泥漿系統(tǒng)

高壓泥漿系統(tǒng)為鉆井作業(yè)提供高壓泥漿，起到潤滑井壁、攜帶巖屑、冷卻鉆頭、平衡井內(nèi)壓力等作用，［3］主要包括泥漿泵、立管管匯、高壓泥漿軟管等設(shè)備。船上通常采用3臺高壓泥漿泵，分別設(shè)置3路完全獨立的高壓泥漿總管，其中2路連接至鉆臺上的泥漿立管管匯，另1路連接至隔水管增壓管線。泥漿的增壓管線接到月池區(qū)的固定接口位置，由跨接軟管將增壓管線與隔水管柱上的固定管線連通。此外，每臺高壓泥漿泵出口安裝1個安全閥，安全閥的排出口可以直接排泄到泥漿池中。［4］高壓泥漿系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 高壓泥漿系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.2 泥漿配置系統(tǒng)

泥漿配置系統(tǒng)的主要原料是重晶石、土粉及袋裝品，主要包含緩沖罐、混合漏斗、化學(xué)添加劑撬、切包機、大袋混合裝置等設(shè)備。通過壓縮空氣，由散料罐輸送來的重晶石、土粉經(jīng)過緩沖罐下料到混合漏斗內(nèi)，并由混合泵運來的泥漿經(jīng)過混合漏斗的噴射泵混合后重新回到泥漿池，實現(xiàn)泥漿的配置功能。一些袋裝品的添加劑由叉車搬運到切包機將袋裝品的散料通過螺旋輸送器輸送到混合漏斗內(nèi)實現(xiàn)泥漿的添加調(diào)配功能。泥漿配置系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

圖3 泥漿配置系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.3 泥漿存儲輸送系統(tǒng)

泥漿存儲及輸送系統(tǒng)為高壓泥漿系統(tǒng)存儲、輸送、分配并補給所需的泥漿，主要包括灌注泵、混合泵、日用泥漿池、備用泥漿池等設(shè)備及輔助系統(tǒng)。泥漿的輸送主要由離心泵來完成。泥漿的存儲主要由泥漿池來完成，泥漿存儲輸送系統(tǒng)工藝流程如下頁圖4所示。

2.4 泥漿處理系統(tǒng)

泥漿處理系統(tǒng)主要包括泥漿分配器、振動篩、除砂/除泥器、除氣器及離心機等設(shè)備。從井內(nèi)攜帶巖屑返回的泥漿由轉(zhuǎn)噴器返流管線進入泥漿處理系統(tǒng)，返流的泥漿首先通過分配器進入振動篩，除去較大顆粒的巖屑，分離出的巖屑可以排舷外或收集后集中處理。泥漿經(jīng)振動篩處理后流進沉砂罐，接著再通過除氣器、聯(lián)合清潔器或離心機進行除氣、除砂、除泥及細固相的處理。經(jīng)除氣器分離的氣體被排放到井架上放空管線。［5-6］處理后的泥漿由回流管線返回到日用泥漿池，通過高壓泥漿泵重新循環(huán)利用，典型的泥漿處理系統(tǒng)工藝流程如下頁圖5所示。

圖4 泥漿存儲輸送系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.5 散料存儲輸送系統(tǒng)

散裝材料采用儲存在密閉壓力罐內(nèi)的方式存放在船體艙室內(nèi)，罐體內(nèi)的散裝材料采用管道氣力輸送的方式在罐體之間、供應(yīng)船與大洋鉆探船間調(diào)撥或者輸送到散裝材料終端設(shè)備上進行泥漿或者水泥漿的配置作業(yè)。［4，7］散料存儲輸送系統(tǒng)的設(shè)計需要實現(xiàn)大洋鉆探船散料補給及外輸、目標散料補給、罐內(nèi)定量補給、罐間批量輸送、輸送率調(diào)節(jié)、管路清掃等主要功能。

圖5 泥漿處理系統(tǒng)工藝流程示意圖

通常，散裝土粉、重晶石的存儲罐可以相互使用，不需分開標識；散裝水泥罐為水泥獨立專用，不能與重晶石、土粉等介質(zhì)混合使用。

對于大洋鉆探船來說，由于具有隔水管鉆探和無隔水管鉆探兩種方式，而且兩種方式需要進行轉(zhuǎn)換，所以可以采取一定的措施將散料罐兼顧使用。

船上設(shè)置8個60 m3裝載能力的散料罐，并安裝3個重晶石/土粉緩沖罐，每個容量約2 m3。緩沖罐帶有安全閥、壓力表、高位傳感器、稱重單元、手動閥和送料器（送料器帶有變頻器，用于自動配漿），船上還配置1套吹灰系統(tǒng)，用于提供散料輸送所需的壓縮空氣。該系統(tǒng)包括1套吹灰空壓機、減壓站、空氣干燥器、空氣瓶等設(shè)備。

2.6 高壓固井系統(tǒng)

高壓固井系統(tǒng)主要是完成固井功能及泥漿的應(yīng)急循環(huán)功能（參見圖6），系統(tǒng)設(shè)計壓力為103.4 MPa（15 000 psi）。

圖6 高壓固井系統(tǒng)工藝流程示意圖

從固井泵撬排出2路高壓管線，1路通向鉆臺上的固井管匯實現(xiàn)固井功能，另1路通向鉆臺上的阻流壓井管匯，實現(xiàn)阻流、壓井功能。井架內(nèi)的固井管線一端與固井水龍帶連接，另一端與鉆臺上的固井管匯連接。

高壓固井系統(tǒng)通常采用冗余設(shè)計，固井泵撬采用雙機雙泵的組合。若固井泵采用電驅(qū)動，固井泵的電機需要接入全船的應(yīng)急供電系統(tǒng)；若采用柴油機獨立驅(qū)動，則可以不必考慮電機的應(yīng)急配電。［4］

3 系統(tǒng)區(qū)域布置

3.1 區(qū)域規(guī)劃原則

泥漿系統(tǒng)功能區(qū)域一般包括位于主甲板上的泥漿處理區(qū)、固井設(shè)備間，以及位于船體內(nèi)的泥漿泵艙與泥漿池艙、散料罐艙、袋裝品庫、配漿區(qū)等。

泥漿處理區(qū)通常需要靠近鉆臺布置，利于泥漿重力返流，防止危險區(qū)域分散布置，設(shè)備布置需要考慮泥漿返流的斜度要求。

固井設(shè)備間通常需要靠近鉆臺布置，水泥罐需靠近固井泵設(shè)置，便于及時輸送水泥到固井緩沖罐內(nèi)，實現(xiàn)快速固井及處理應(yīng)急事故。

泥漿泵艙及泥漿池艙的規(guī)劃應(yīng)協(xié)同設(shè)計，布置時盡量堅持“靠近井口、對稱設(shè)置”的原則，盡量降低船體運動對泥漿池液面的影響，便于泥漿管系的穿艙布置。單個泥漿池的分割采用“池小量多、功能靈活”的分割理念。

散料罐的布置需要統(tǒng)籌考慮重晶石、土粉及水泥裝載量的情況，采用“分區(qū)設(shè)置、集中布置”的原則，布置時考慮將罐體設(shè)置在船體的較低位置，利于船體的裝載及重心控制。

袋裝品庫和配漿區(qū)通常布置在船體同一區(qū)域內(nèi)，便于配漿。袋裝品庫應(yīng)設(shè)置在整齊規(guī)則的船體艙室內(nèi)，利于叉車作業(yè)、袋裝品堆放，并考慮袋裝品吊運的便利性。

3.2 泥漿泵艙與泥漿池艙布置方案分析

典型的泥漿泵艙及泥漿池艙規(guī)劃方案有“U形”和直列式兩種，兩種規(guī)劃方案的對比分析結(jié)果如表3所示。

表3 泥漿泵艙與泥漿池艙規(guī)劃典型方案比較表

綜合考慮大洋鉆探船船型特點并結(jié)合上述分析結(jié)果，目標船泥漿泵艙與泥漿池艙規(guī)劃采用直列式方案，如下頁圖7所示。泥漿泵艙位于船舯，日用和備用泥漿池對稱布置于泥漿泵艙左右兩舷，以降低船體運動對泥漿池液面的影響，泥漿池數(shù)量多，單個泥漿池艙容小，功能靈活。

3.3 泥漿處理區(qū)布置方案分析

泥漿處理區(qū)布置時需充分考慮泥漿返流的斜度要求，同時也需要考慮不同工藝流程設(shè)備的安裝要求及相對的高差要求，將其設(shè)置在不同的層高位置以滿足流程處理的需求。目標船泥漿處理區(qū)域規(guī)劃方案如下頁圖8所示，設(shè)置在主甲板左舷靠近鉆臺的位置，由轉(zhuǎn)噴器返流的泥漿以最短的路線直接進入泥漿處理流程。

泥漿處理區(qū)分為上下兩層，上層設(shè)置泥漿分配器、振動篩、除氣器、離心機等設(shè)備，下層設(shè)置巖屑螺旋輸送器、泥漿輸送泵、計量泵等設(shè)備和五級凈化池、計量柜、撇油柜等艙柜，同時也預(yù)留了2臺螺桿泵及泥漿冷卻器的位置。

圖7 泥漿泵艙與泥漿池艙布置方案示意圖

圖8 泥漿處理區(qū)布置方案示意圖

4 系統(tǒng)設(shè)備配置方案

4.1 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

在泥漿需求論證和各子系統(tǒng)工藝流程分析基礎(chǔ)上，結(jié)合目標船船型特點和技術(shù)指標，形成了泥漿系統(tǒng)設(shè)備配置方案，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

4.2 泥漿設(shè)備控制需求

（1）泥漿系統(tǒng)中高壓泥漿泵通常由司鉆房控制及鉆井控制系統(tǒng)顯示，本地控制板安裝在泥漿泵艙用于就地控制；

（2）泥漿配置和灌注由司鉆控制并帶有就地起停控制，配漿和灌注管匯的閥應(yīng)帶有位置信息并傳到司鉆控制系統(tǒng)；

（3）泥漿的存儲和輸送由司鉆控制，并將信號傳到船體控制系統(tǒng)，每個泥漿池應(yīng)設(shè)置雙液位計，信號傳到司鉆控制系統(tǒng)和船體控制系統(tǒng)；

（4）泥漿返流系統(tǒng)通常由司鉆控制或本地手動控制，控制方式由客戶決定。泥漿計量設(shè)備由司鉆控制，但計量柜的液位和閥位由司鉆和船體監(jiān)控；

（5）散料/泥漿混料/泥漿處理系統(tǒng)的遠程遙控系統(tǒng)屬于司鉆控制或散料控制系統(tǒng)，部分數(shù)據(jù)通過船體控制系統(tǒng)監(jiān)控；

（6）高壓固井系統(tǒng)中除散料供給外，通常應(yīng)全部由手動操作。

表4 泥漿系統(tǒng)配置清單及參數(shù)

續(xù)表4

5 結(jié) 語

本文基于大洋鉆探船的功能需求和技術(shù)指標，確定了泥漿的總量需求，設(shè)計了合理的高壓泥漿、低壓泥漿配置、存儲、輸送及散料輸送工藝流程，針對目標船型特點，論證了泥漿泵艙與泥漿池艙、泥漿處理區(qū)域規(guī)劃方案，提出了泥漿系統(tǒng)主要艙室規(guī)劃設(shè)計方案和原則，形成了泥漿系統(tǒng)設(shè)備配置方案，并制定了泥漿系統(tǒng)主要設(shè)備的控制策略，對海上浮式鉆井裝置泥漿系統(tǒng)的設(shè)計和建造有一定的借鑒意義。