深水鉆井船高壓泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

佟國志，王 帥，寧 俊

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

深水鉆井船高壓泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

佟國志，王 帥，寧 俊

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

以“大連開拓者”深水鉆井船為例，介紹了深水鉆井船高壓泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了高壓泥漿系統(tǒng)在材料選擇時需注意的特殊要求，為其他類似海工產(chǎn)品高壓泥漿鉆井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

深水鉆井船；高壓泥漿系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著人類對油氣資源開發(fā)利用的深化，油氣勘探開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋。鉆井工程作業(yè)也隨之在浩瀚的海洋中進(jìn)行。隨著淺海石油勘探逐漸飽和，海洋石油勘探逐漸走入深水區(qū)域，深水鉆井船或鉆井平臺的研究方興未艾，而深水鉆井系統(tǒng)中的高壓泥漿系統(tǒng)是其中的核心系統(tǒng)，高壓泥漿系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)是關(guān)系著平臺鉆井功能能否實(shí)現(xiàn)的重要因素。本文以“大連開拓者”號鉆井船為背景，就深水鉆井船高壓泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及材料選擇做一探討和總結(jié)，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 高壓泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能是將高壓泥漿泵入井口實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)（圖1），可以用于驅(qū)動流體帶動高速混合器或輸送高壓海水到燃燒臂等，也可作為隔水立管增壓管線連接至深水立管增壓閥。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力基于最大排出壓力51.7MPa，此時的流量最低，缸套尺寸最小。當(dāng)使用不同的缸套，輸出壓力和流量就會隨之變化。如果泥漿泵用作其他的用途，如上面提到的情況，那么需要考慮在排出管線上安裝壓力調(diào)節(jié)器或安全卸壓閥。

圖1 高壓泥漿系統(tǒng)流程圖

高壓泥漿泵是本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，又是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的核心動力。泥漿泵產(chǎn)生的壓力推動著泥漿在地上和地下部分循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭潤滑和冷卻、巖屑排出等功能。考慮海上鉆井作業(yè)高成本和高危險(xiǎn)的特點(diǎn)，必須通過科學(xué)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來保障泥漿泵的穩(wěn)定、可靠和安全運(yùn)行。

高壓泥漿系統(tǒng)通常包含三或四臺高壓三級單作用泥漿泵（圖2），其最大的輸出功率1640kW，并與低壓泥漿送料泵對應(yīng)使用，一般情況下有一臺泥漿泵作為備用。幾臺高壓泥漿泵的出口通常設(shè)計(jì)為閥組的型式，以保證任何兩臺高壓泵均可選擇為工作泵，其它為備用泵使用。且泥漿泵出口閥組設(shè)計(jì)為有兩根高壓排出總管將高壓泥漿輸送至鉆臺上的雙立管管匯，以達(dá)到互為備用。同時系統(tǒng)內(nèi)的閥門均選擇51.7MPa高壓泥漿閘閥，通常不選擇其他類型的閥門，如高壓球閥等。

圖2 三缸單作用高壓泥漿泵

高壓泥漿泵通常設(shè)有一個三開口的吸入管匯，吸口管線只可以選用閘閥或者蝶閥；泵出口裝有排出管匯，并用于連接十字濾器、減震器、壓力釋放閥、出口壓力表等；動力端分齒輪和皮帶傳動兩種形式；高壓泥漿泵及其關(guān)聯(lián)的設(shè)備受司鉆控制；根據(jù)廠家要求在高壓泥漿泵的進(jìn)口端需要安裝安全閥，且不同廠家的泥漿泵要求的安全閥的設(shè)定壓力通常不同，比如LEWCO W2215要求設(shè)定壓力為0.31MPa，NOV 14P-220設(shè)定壓力為 0.52MPa，AKER TPK 2200設(shè)定壓力為28.8MPa。

泥漿泵的設(shè)計(jì)主要包含輸入端、輸出端、輔助系統(tǒng)和控制儀表等，核心的部分就是安全因素。所以首先從安全性角度出發(fā)，以下三方面需要注意：

1）現(xiàn)在泥漿泵基本都是三缸單作用往復(fù)泵，泥漿排出時伴隨著嚴(yán)重的高壓脈沖，通過安裝出口壓力緩沖器緩和出口流體的震動和壓力脈沖，避免共振破壞高壓管線和支架。一旦出現(xiàn)密封不嚴(yán)，就有泄露的危險(xiǎn)，從而不得不終止鉆井作業(yè)，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，泥漿泵的高壓出口必須配備壓力緩沖器（罐）。

2）因?yàn)楦邏耗酀{泵是往復(fù)泵，存在超壓工作的隱患，所以必須設(shè)置安全閥，確保泵的工作壓力不超過系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)壓力，同時也是往復(fù)式泵保護(hù)泵本身的需要。安全閥的設(shè)定值的余量也不能與常規(guī)系統(tǒng)一概而論，不推薦超過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，通常設(shè)定值取設(shè)計(jì)壓力51.7MPa即可。另外根據(jù)安全閥的要求，安全閥的出口的管路布置走向要平緩向下、無急轉(zhuǎn)彎的放泄到泥漿池[1]。

3）為了保證平臺鉆井作業(yè)的連續(xù)性，目前正在建造的大多數(shù)的海洋鉆井項(xiàng)目至少是三臺泥漿泵，而作為深水項(xiàng)目的“大連開拓者”更是又增加了第四臺泥漿泵，從而保證最大鉆井負(fù)荷時有備用泵。整個高壓排出系統(tǒng)管路的尺寸和壁厚需要與之相匹配。首先總管的泥漿最大流量加大，流速加快，壓力損失和磨損都會加大，要求高壓管內(nèi)徑不小于 5英寸；其次因?yàn)橄到y(tǒng)的最大壓力一般是51.7MPa，管子的壁厚計(jì)算需要按照ASME B31.3第九章[1]要求，最小壁厚要滿足公式（1）。

其中：tmin為管子最小壁厚，mm；Dmax為管子最大外徑，mm；P為管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，MPa；S為管子材料許用應(yīng)力，MPa，ANSI4130材料取值45.879；C為管子腐蝕余量，mm，碳鋼管通常取值3mm；M為機(jī)械加工（如管子車螺紋）余量，mm，由于本系統(tǒng)無螺紋連接，取值為0。

從材料的特殊性角度出發(fā)，ANSI 4130[2]系列材料特別值得關(guān)注。該材質(zhì)除了價(jià)格及其昂貴，供貨周期特別長以外，在性能、成分、焊接、和熱處理等方面都有十分特殊的要求，實(shí)際設(shè)計(jì)中需滿足以下要求：

1）平臺工作區(qū)域是否有酸性氣體要求？如果是高硫井或者需按高硫井設(shè)計(jì)，那么相應(yīng)的管材、附件、連接件和閥門全部都要滿足美國防腐蝕協(xié)會NACE MR0175的最新要求，金屬材料的Rockwell硬度必須不大于22HRC。

2）低合金鋼ANSI 4130系列是一種不可以直接焊接的材料，需要進(jìn)行焊后熱處理。一般采用淬火加回火的方式（Q&T），消除應(yīng)力集中，回火溫度不低于650℃，屈服應(yīng)力不低于51.7MPa，焊后熱處理要注意降溫（圖3）。圖中，工件焊后一定要降溫低于Mf（馬氏體晶變完全溫度），這樣確保最終工件沒有殘余奧氏體。

圖3 高壓泥漿管焊后熱處理溫度要求

3）關(guān)于材料的測試報(bào)告和證書，包括機(jī)械性能、化學(xué)成分、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)報(bào)告，以及生產(chǎn)廠家出具的一致性聲明，都應(yīng)該包含在技術(shù)要求中，最后交由現(xiàn)場船檢檢查和審核。

通常高壓泥漿系統(tǒng)管附件優(yōu)先選用三倍彎的背部加強(qiáng)彎頭，而在空間特別狹窄受限的地方可以選擇LONG SWEEEP型彎頭，連接法蘭采用API 6A[3]要求的6BX型焊接法蘭；所有附件材料要求廠家根據(jù)管材的外徑和壁厚規(guī)格做好焊接坡口；高壓安全閥的設(shè)定壓力不可以超過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，放泄管路應(yīng)該有良好的自泄功能，至少保證1:50的向下傾斜；除了泥漿管路以外，高壓泥漿泵還需要有海水冷卻管路接到滑油換熱器以及缸套沖洗水換熱器等。

2 總結(jié)

深海是未來取得能源的主要途徑，設(shè)計(jì)和建造深水鉆井船將成為必然趨勢。鉆井高壓泥漿系統(tǒng)作為深水鉆井船鉆井系統(tǒng)里最重要的組成部分，其設(shè)計(jì)是否合理是決定鉆井船鉆井功能能否實(shí)現(xiàn)的重要因素。本文以“大連開拓者”號深水鉆井船為依托，總結(jié)了深水鉆井船高壓泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要注意的一些要點(diǎn)及高壓管路系統(tǒng)在材料選擇時的注意事項(xiàng)，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員在以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中提供參考。

[1] Charles Becht IV. ASME B31.3 PROCESS PIPING[R]. 2010.

[2] ASTM A519-2006 Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing[S]. 2006.

[3] API SPECIFICATION 6A[S]. 20th ed. 2010.

Design of High Pressure Mud System of Deep Water Drill Ship

Tong Guo-zhi, Wang Shuai, Ning Jun

(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

Based on DALIAN DEVELOPER drill ship, this paper introduces the design method of high pressure mud system of deep water drill ship and the special requirements during material chosen process. This research provides good experience for the high pressure mud system design of other offshore project.

deep water drillship; high pressure mud system; design

U663.7

A

1005-7560 (2014) 06-0020-03

佟國志（1977-），男，中級工程師，主要從事常規(guī)船舶及海工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)研究。