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9000m鉆機(jī)固控系統(tǒng)研究
作者：西安華揚(yáng)油氣設(shè)備有限公司 發(fā)布日期：2020-05-07
  9000m鉆機(jī)固控系統(tǒng)研究
1
、隨著鉆機(jī)向著深井、超深井發(fā)展
，與之配套的鉆井液固控系統(tǒng)對(duì)鉆井作業(yè)所起的積極作用越來(lái)越大
。鉆井液的維護(hù)成本及整個(gè)鉆井成本可通過(guò)采用合理的固控技術(shù)大大降低。固控系統(tǒng)已成為直接影響安全
、優(yōu)質(zhì)
、快速鉆、保護(hù)油氣層和快速搬運(yùn)的重要因素?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，F(xiàn)世界各國(guó)廣泛采用自 20 世紀(jì) 70 年代開始發(fā)展并逐步完善的振動(dòng)篩＋除砂器（或除砂清潔器）＋除泥器（或除泥清潔器）＋離心機(jī)這一鉆井液固相控制系統(tǒng)模式
，近年來(lái)固控設(shè)備如振動(dòng)篩、除砂器
、除泥器
、清潔器、離心機(jī)等設(shè)備快速更新發(fā)展
；同時(shí)鉆井液罐也從泥漿地坑
、鋼制方罐發(fā)展為更為合理的圓弧底的鉆井液罐等
，固控系統(tǒng)的工藝流程也更加合理。而超深井及復(fù)雜井
、大位移水平井
、大斜度井等油氣勘探和開發(fā)對(duì)鉆機(jī)固控系統(tǒng)的配套和流程等也提出了更高的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外油田今后超深井及復(fù)雜井、大位移水平井
、大斜度井等鉆井要求
，根據(jù)出口印尼的 ZJ90DBS 鉆機(jī)的配套要求，設(shè)計(jì)研制開發(fā)了 9000 米超深井鉆機(jī)的固控系統(tǒng)
。鉆機(jī)配置 4 臺(tái) 35 MPa 高壓泥漿泵
、3 臺(tái)HFF1600 泥漿泵工作和 1 臺(tái) HFF1600 泥漿泵備用的要求，ZJ90DBS 鉆機(jī)固控系統(tǒng)由 8 個(gè)鉆井液罐組成
，總有效容積為 611 m3。系統(tǒng)符合SY/T 6276﹑ISO/CD14690《石油天然氣工業(yè)健康﹑安全環(huán)保與環(huán)境管理體系》要求
；工藝流程和設(shè)備符合 API 13C 及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
；系統(tǒng)耐高溫、防爆
、防滲漏
、防腐；該固控系統(tǒng)采用振動(dòng)篩
、真空除氣器
、除砂器
、除泥器
、離心機(jī)五級(jí)凈化設(shè)備，能夠滿足鉆井液的循環(huán)
、灌注
、加重、藥品剪切及特殊情況下的事故處理等工藝要求
。其布局示意圖如圖 1 所示。1 ZJ90DBS 鉆機(jī)固控系統(tǒng)的研制根據(jù)超深井工程設(shè)計(jì)要求
，以及 ZJ90DBS
。

補(bǔ)給罐 2.振動(dòng)篩罐 3.吸入罐 4.泥漿實(shí)驗(yàn)室 5.攪拌器6.三方藥品罐 7.混漿罐 8.鉆井液攪拌器 9.儲(chǔ)備罐 I 10.吊機(jī)11.儲(chǔ)備罐 II 12.儲(chǔ)備罐 III 13.儲(chǔ)備罐 IV 14.中速離心機(jī)15.中速雙變頻離心機(jī) 16.除氣器17.除砂除泥一體化清潔器 18.振動(dòng)篩
  系統(tǒng)整體性能滿足深度不大于 9000 m 鉆井作業(yè)工藝技術(shù)要求。在鉆井作業(yè)中
，起著儲(chǔ)存
、調(diào)配鉆井液
，控制鉆井液中的固相含量
，保持
、維護(hù)鉆井液優(yōu)良性能，提高鉆井效率
，保證井下安全ZJ90DBS 鉆機(jī)固控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合鉆機(jī)平面布置
、總體設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)的鉆井液處理。工藝流程
，能滿足國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)投標(biāo)的要求和滿足鉆井工藝的要求
。ZJ90DBS 鉆機(jī)固控系統(tǒng)基本配置如表 1 所示
。
表 1 ZJ90DBS 鉆機(jī)固控系統(tǒng)基本配置表
2 當(dāng)前超深井鉆機(jī)固控系統(tǒng)的問(wèn)題
針對(duì)近年來(lái)公司國(guó)內(nèi)外 5000 m 和 7000 m 鉆機(jī)固控系統(tǒng)配套的情況和用戶反饋的信息；固控系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：①布局不合理
，如 L 型布局
，管匯內(nèi)置，使泵的吸入管線太長(zhǎng)
，泵的上水效率低；②鉆井液罐泥漿槽設(shè)計(jì)不合理
、坡度小
，高密度鉆井液流動(dòng)性差，易存在死角
；③壓板式底部閥設(shè)計(jì)存在不足
，管匯吸入口高，密封易失效
，不易更換
；④當(dāng)使用高度鉆井液時(shí)常規(guī)的加重混合系統(tǒng)就無(wú)法滿足加重的需求
。
3 ZJ90D 鉆機(jī)固控系統(tǒng)研制方案和措施
通過(guò)對(duì)公司近年來(lái)生產(chǎn)的 5000 m 鉆機(jī)和 7000 m 鉆機(jī)固控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用分析
，和國(guó)內(nèi) 9000 m 鉆機(jī)固控系統(tǒng)的參觀考察，以及相關(guān)技術(shù)在油田現(xiàn)場(chǎng)的推廣和成功應(yīng)用
，并通過(guò)對(duì)用戶技術(shù)協(xié)議的充分研究分析
，研究論證形成以下研制方案和措施，以滿足9000 m 超深井鉆井對(duì)固控系統(tǒng)的特殊要求
。
（1）鉆井液罐的容積
、布局及其它要求鉆井液罐的容量應(yīng)足夠容納鉆井過(guò)程中鉆井液的最大循環(huán)量，并應(yīng)有足夠的儲(chǔ)備能力。一般來(lái)說(shuō)
，6000～8000 m 深的井
，鉆井液罐的容量不小于 270 m3
，儲(chǔ)備罐的容量不小于160 m3
。國(guó)外 9000 m 鉆機(jī)鉆井液罐的有效容積一般在 3000～3500bbl（489～570.5 m3）。通過(guò)研究
、計(jì)算和與用戶的溝通
， 9000 m鉆機(jī)鉆井液罐的有效容積確定為 611 m3，該鉆井液罐在保證常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)配置情況下
，有足夠的儲(chǔ)備能力
，罐內(nèi)鉆井液具備隨時(shí)參與循環(huán)的能力或壓井時(shí)的要求
。該固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合鉆機(jī)平面布置、總體設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)的鉆井液處理工藝流程
。同時(shí)采用泵吸入管線內(nèi)置
，利于搬遷，節(jié)約安裝時(shí)間
。
（2）固控系統(tǒng)凈化工藝流程從井筒中返回的鉆井液經(jīng)溢流管進(jìn)入振動(dòng)篩
，篩除較大的固相顆粒。篩分后的鉆井液匯集于振動(dòng)篩罐的錐形沉砂倉(cāng)
，依次流入除氣倉(cāng)、除砂倉(cāng)
、除泥倉(cāng)和離心機(jī)倉(cāng)
。在除氣倉(cāng)，當(dāng)鉆井液遭氣侵性能改變時(shí)
，需啟動(dòng)除氣器將除氣倉(cāng)內(nèi)的含氣鉆井液進(jìn)行脫氣處理
，處理后再排入除砂倉(cāng)。若鉆井液性能良好
，沒(méi)有氣侵
，不必進(jìn)行除氣處理，錐形倉(cāng)的鉆井液直接流入除砂倉(cāng)
。在除砂倉(cāng)，除砂器供液泵吸取鉆井液供給除砂器
，經(jīng)過(guò)除砂器將鉆井液中大于 44～74 μm 的固相顆粒清除
，除砂后的鉆井液排入除泥倉(cāng)。在除泥倉(cāng)，除泥器供液泵吸取鉆井液供給除泥器
，經(jīng)過(guò)除泥器將鉆井液中大于 15～44 μm 的固相顆粒清除
，除泥后的鉆井液排入離心機(jī)倉(cāng)。在中速和高速離心機(jī)分離倉(cāng)
，兩臺(tái)離心機(jī)供液泵分別依次吸取鉆井液供給離心機(jī)，經(jīng)過(guò)離心機(jī)將鉆井液中大于 2～15 μm 的固相顆粒清除后排入吸入罐
，這樣就完成了鉆井液五級(jí)凈化工藝
。完成凈化的鉆井液流入吸入罐、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I
、儲(chǔ)備罐 II、儲(chǔ)備罐 III
、儲(chǔ)備罐 IV
。三臺(tái)鉆井泵通過(guò)鉆井液吸入管匯可分別從吸入罐、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I、儲(chǔ)備罐 II
、儲(chǔ)備罐III
、儲(chǔ)備罐 IV 中吸取鉆井液打入井筒。
（3）固控系統(tǒng)配料
、加重和剪切工藝流程固控系統(tǒng)在混漿罐后端設(shè)計(jì)了配料混漿系統(tǒng)
，砂泵和剪切泵的吸入管匯可以分別從吸入罐、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I
、儲(chǔ)備罐 II
、儲(chǔ)備罐III
、儲(chǔ)備罐 IV 中吸取泥漿，經(jīng)過(guò)混合漏斗可分別向吸入罐
、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I、儲(chǔ)備罐 II
、儲(chǔ)備罐 III
、儲(chǔ)備罐 IV 內(nèi)配制泥漿?div id="4qifd00" class="flower right">
；鞚{系統(tǒng)在以上各鉆井液罐設(shè)計(jì)了各自獨(dú)立的吸入和排出管匯
，兩臺(tái)砂泵可以各自獨(dú)立配置性能不同的鉆井液，也可聯(lián)合使用配置性能相同的鉆井液
。并在混漿罐后端設(shè)計(jì)了 2 t 吊機(jī)
，方便起吊加重材料，提高加重效率
，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度
。儲(chǔ)備罐 I 后端設(shè)計(jì)了單獨(dú)的剪切混合系統(tǒng)，用于配制難粘度較大或難以水解混合的高分子聚合物鉆井液
，使其在鉆井液中充分溶解混合，有效提高鉆井液性能
。剪切泵與混漿罐的砂泵吸入管連通
，混合漏斗的排出管匯通入儲(chǔ)備罐 I、儲(chǔ)備罐 II 的每一倉(cāng)
，經(jīng)過(guò)混合漏斗可分別向儲(chǔ)備罐 I
、儲(chǔ)備罐 II 任意倉(cāng)內(nèi)配制鉆井液。
（4）泥漿槍工作流程固控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了低壓旋轉(zhuǎn)泥漿槍
。
 低壓旋轉(zhuǎn)泥漿槍主管線由振動(dòng)篩罐
、吸入罐、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I
、儲(chǔ)備罐 II
、儲(chǔ)備罐 III、儲(chǔ)備罐 IV 頂架一側(cè)方管通過(guò)由壬連通組成
。系統(tǒng)所有砂泵排出管都與該管線連通
，作為低壓泥漿槍的液力源，所以只要開啟任意一臺(tái)砂泵都可以使泥漿槍工作
。該管線罐間采用 3" 軟管和 3"FIG100 連接
。
 低壓旋轉(zhuǎn)泥漿槍由蝶閥、旋轉(zhuǎn)體
、和槍體等組成，由砂泵
、剪切泵或補(bǔ)給泵供液
，蝶閥控制泥漿槍工作狀態(tài)、通過(guò)旋轉(zhuǎn)體的操作手柄控制泥漿槍噴嘴噴射鉆井液的方向
。泥漿槍噴嘴噴射鉆井液
，沖刺攪拌沉積在罐底的鉆井液固相顆粒。
（5）增加高壓剪切管匯，進(jìn)行高密度鉆井液加重高壓剪切管匯通過(guò)鉆井泵和高壓剪切裝置進(jìn)行高密度鉆井液高壓剪切
。使用高密度鉆井液
，在使用常規(guī)加重混合裝置效果不明顯時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)高壓剪切管匯高壓剪切
，通過(guò)鉆井泵高壓管匯上三通分支管線和高壓剪切管匯之間的 2"高壓管線對(duì)各罐的各隔倉(cāng)中高密度鉆井液進(jìn)行剪切，高壓管線上設(shè)壓力表和安全閥
。工作壓力可達(dá) 21～35 MPa
。
（6）系統(tǒng)供水流程
 系統(tǒng)提供兩條供水管線，即淡水管線和鹽水管線
，用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水源情況使用一或兩條
。
 系統(tǒng)配置泥漿的淡水管線由振動(dòng)篩罐、吸入罐
、混漿罐
、儲(chǔ)備罐 I、儲(chǔ)備罐 II
、儲(chǔ)備罐III
、儲(chǔ)備罐 IV 頂架另一側(cè)方管，通過(guò) 3"軟管
 和 FIG100 由壬連通組成
，每一罐倉(cāng)都設(shè)計(jì)了2"的進(jìn)水口
。混漿罐中部設(shè)計(jì)了清水管線進(jìn)水接口
，水源來(lái)自鉆機(jī)供水系統(tǒng)
，通過(guò)軟管與水罐連接。
 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了單獨(dú)的鹽水管線
，通過(guò) 3"軟管和FIG100 由壬連通組成
，每一罐倉(cāng)都設(shè)計(jì)了2"的進(jìn)水口?div id="jfovm50" class="index-wrap">；鞚{罐中部設(shè)計(jì)了鹽水管線進(jìn)水接口
，水源來(lái)自鉆機(jī)供水系統(tǒng)，通過(guò)軟管與水罐連接
。
 （7）鉆井液罐的結(jié)構(gòu)
 采用目前公司已普遍使用最優(yōu)的圓弧底鉆井液罐方案
，這種罐罐底不利于沉砂，使攪拌器攪拌更加充分
，減少了罐的死角
，便于清砂；同時(shí)提高了鉆井液罐的有效容積
，還有利于外置管線的布置和拖運(yùn)
。
 底座采用的 H 型鋼作主梁
，制成統(tǒng)一尺寸的油田礦區(qū)自背車拖裝底撬。側(cè)板為瓦棱形鋼板
，圓弧底結(jié)構(gòu)
。頂架用方管作邊框，且分別為鉆井液管線和系統(tǒng)水管線
。
 鉆井液循環(huán)槽分布于罐的一側(cè)或端部
，并有 2%以上的坡度。泥漿渡槽設(shè)計(jì)和走向滿足高密度鉆井液的流動(dòng)性
，鉆井液通過(guò)循環(huán)槽可到達(dá)任一隔倉(cāng)。
 目前公司固控系統(tǒng)普遍使用壓板式底部閥
，但這種底部閥設(shè)計(jì)存在缺陷
，密封易失效，密封膠皮容易被吸入管線
，管線的吸入高度太高
，現(xiàn)場(chǎng)不實(shí)用，密封膠皮損壞后不好更換
。這種方案已不適應(yīng)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)需要
。針對(duì)這一問(wèn)題，參照國(guó)外底部閥產(chǎn)品（如 NABOR 底部閥）采用不銹鋼錐體式底部閥
，具體方案為：在需加底部閥位置的管線底部和上部均開一個(gè)口
，下開口焊接帶有錐型喇叭口的錐型閥座
，錐型口內(nèi)有錐型凡爾體（帶密封圈）
，通過(guò)罐面的手輪絲桿提升凡爾體控制底部閥的開啟。泥漿管線的上開口焊接可供提升絲桿通過(guò)的鋼管
，鋼管延伸至罐面。這種錐體式底部閥由于設(shè)計(jì)合理
、更換方便
、壽命長(zhǎng)，更換密封圈容易
，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用
。
 4 超深井鉆機(jī)固控系統(tǒng)研制拓展
 （1）增加固控系統(tǒng)的保溫棚，以便固控系統(tǒng)在低溫環(huán)境工作
。
 由于超深井、大斜度
、大位移水平井的鉆井周期長(zhǎng)
，鉆機(jī)在環(huán)境溫度－35～＋50℃應(yīng)正常工作
，因此鉆機(jī)固控系統(tǒng)可按用戶要求，參照極地鉆機(jī)保溫要求做整體保溫
。固控系統(tǒng)的保溫對(duì)正常的鉆井生產(chǎn)極為重要
。
 固控系統(tǒng)鉆井液罐內(nèi)應(yīng)設(shè)保溫管線。每個(gè)罐內(nèi)側(cè)沿罐體長(zhǎng)度方向下部各安裝2 條3″保溫管路（采用厚壁油管）
，管線表面采用防腐涂層
，壓力級(jí)別符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)要求。保溫管路應(yīng)避開清砂門和其他管線
。保溫棚采用快裝快卸結(jié)構(gòu)
，統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)，保證任意兩塊互換使用
。保溫棚設(shè)計(jì)符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)
。
 （2）從式井鉆井需求，增加緩沖罐
、轉(zhuǎn)漿泵和管匯組
，將固控系統(tǒng)凈化系統(tǒng)部分隨鉆機(jī)底座在井場(chǎng)內(nèi)平移，可平移 0～50 m
，滿足不移動(dòng)大部分設(shè)備鉆多口井的需求
。
 5 結(jié)論
 ZJ90DBS 鉆機(jī)的固控系統(tǒng)具有合理的工藝流程，具有比較大的鉆井液固控容量和處理能力
，能滿足超深井及復(fù)雜井、大位移水平井
、大斜度井及其它地區(qū)高壓氣井對(duì)固控系統(tǒng)的要求
。公司 ZJ90DB 鉆機(jī)的固控系統(tǒng)的順利研制成功，對(duì)研制 12000 m 和 15000 m 超深井鉆機(jī)固控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配套有一定的借鑒意義
。


參考文獻(xiàn)：
 
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[2]SY/T 6223-2005. 鉆井液凈化設(shè)備配套
、安裝、使用和維護(hù)[S].
 
[3]SY 5255-91. 石油鉆井用砂泵[S].
 
[4]SY/T 6159-1995.鉆井液攪拌器[S].


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