海洋鉆井平臺懸臂梁泥漿處理區排風管效能分析

唐曾艷， 周中良

(上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

鉆井系統的核心設備之一是高壓泥漿泵。在鉆井作業成本中，泥漿費用高昂。泥槳屬于稀缺資源，大都循環利用。因此，鉆井平臺配置低壓泥漿凈化處理系統，回收利用井下返回的泥漿，用以降低作業成本，減小對海洋環境的影響[1-2]。

從海底返回的泥漿帶有大量泥沙、巖屑甚至油氣，需經過處理才能返回泥漿池循環使用。在海底鉆探過程中，隨著巖層被鉆頭刺穿，原本貯藏在海底的各種可燃氣體和有毒氣體跟隨鉆井液回到鉆井平臺，對懸臂梁和井上的工作人員的安全構成巨大的威脅，必須將其有效分離，并集中在安全區域排放。通常泥漿處理設備集中在鉆井平臺的懸臂梁上、下甲板的泥漿處理區域，因此該區域的通風系統尤為重要。

以上海振華重工股份有限公司某型號自升式海洋鉆井平臺泥漿處理區域的通風系統為研究對象，采用流體動力學方法對低壓泥漿處理區域的兩套排風系統的設計進行效能分析。對比兩種方案的排風管通風效果，擇優選取設計方案，并提出在確定方案時應考慮的技術因素[3-4]。

1 泥漿處理區域的排風管CFD數學模型

1.1 CFD模型的初始/邊界條件

該海洋鉆井平臺的泥漿處理區域通風邊界條件和初始條件如下：

泥漿處理區域上甲板艙室溫度：55 ℃；

外部大氣環境溫度：40 ℃；

泥漿處理設備排風管入口溫度：100 ℃；

泥漿處理設備排風管入口風速：4.2 m/s；

泥漿處理區域排風管入口風速：4.2 m/s；

風管材質：316 LSS；

風管厚度：3.5 mm；

在55 ℃環境溫度下，316 LSS不銹鋼的密度取7 870 kg/m3，比熱容為 455 J/(kg·K)，導熱系數為72.1 W/(m·K)。

1.2 CFD數學模型

懸臂梁泥漿處理區域通風布置有兩套方案，需擇優選取。

方案1：泥漿處理區域的8個入風口均以4.2 m/s的速度從懸臂梁泥漿處理設備口以垂直于風口截面法線的方向抽出100 ℃(373 K)的流體，經過風管豎直向下引出至懸臂梁與主甲板之間，外界環境溫度為45 ℃(318 K)。幾何模型考慮風管內的實際流道走向、懸臂梁甲板下表面的T型材、楔三角支撐、泥漿回流槽、懸臂梁軌道及支撐等模型。為了控制計算量，基于上述模型向x、y、z方向均延展4 m以模擬外界大氣環境。

方案2：泥漿處理區域的排風管從8個入風口以4.2 m/s的速度從泥漿處理設備口抽出100 ℃(373 K)的流體，經過風管水平穿艙進入鉆臺區域，避開與防噴器(Blow-Out Preventer， BOP)設備的干涉，向井架、月池區域擴散排放至大氣。

該平臺的低壓泥漿處理系統包括1臺刮泥器、4臺振動篩、1臺泥漿清潔器、2臺除氣器、1臺除泥器、1臺除砂器、2臺離心機(未來安裝)、2臺除泥/除砂泵、2臺計量泵、2臺離心機供液泵(未來安裝)、1臺隔膜泵和1臺巖屑甩干機[1-4]。該系統通過去除從井眼返回泥漿中的天然氣和巖屑而循環輸回泥漿池,并提高鉆井效率，在建模時忽略其他設備等次要因素，主要考慮排放流體的流場和溫度、危險區域的防爆等級、H2S毒氣不可聚集的要求以及室內氣動噪聲分貝控制等問題。圖1為兩種方案的幾何模型。

圖1 泥漿處理區域的排風幾何模型

2 計算結果的分析與討論

2.1 通風方案流場對比

在方案1中，在鉆井作業工況下，懸臂梁滑移出主甲板，除了鄰近主甲板的鉆井點的排風口受主甲板干涉外，其余鉆井點均可直接排放廢氣至大氣，故方案1重點模擬受干涉的鉆井點的排風效果和數據。風管出口界面速度場的分布結果(見圖2)表明，風管收集的高溫氣體大部分從懸臂梁底部以2 m/s的速度擴散，在船首尾方向產生回流。該回流現象是模擬空間只向外延展4 m造成的。在實際工況下，廢氣可擴散至無限外部環境。因此，該方案的H2S等廢氣不會在懸臂梁與主甲板之間產生毒氣聚集。

圖2 方案1風管出口速度場

在方案2中，從風管排出的高溫廢氣能否順利排出至外部大氣，是否在BOP房間產生紊流導致聚集不散，需重點關注。模擬結果給出關鍵區域的速度矢量圖，箭頭方向表示流體速度方向，箭頭大小表示該單元速度的相對大小。

圖3是BOP和鉆臺井架區域的流場分布圖。圖3表明：大部分廢氣順著排風管出口向鉆臺區域擴散，但由于左舷BOP與風管出口存在干涉，BOP房間左舷區域廢氣存在紊流，這與該方案設計之初的預期結果一致。

圖4是井架及月池區域的流場分布圖。圖4表明：穿過BOP房間的廢氣以2.2～4.5 m/s的速度進入鉆臺區域，與壁面發生碰撞后分別向月池和井架空間擴散至大氣。月池和桁架兩個區域存在紊流，廢氣出現聚集。

與方案2對比，方案1無明顯廢氣回流聚集現象，更易于泥漿處理區域的廢氣排入大氣。

圖3 方案2BOP及鉆臺區域流場分布

圖4 方案2井架及月池區域流場分布

2.2 通風方案溫度場對比

圖5為方案1的溫度場分布。整體溫度分布云圖表明，排風管內的廢氣溫度為100 ℃，排風口局部廢氣溫度較高，達到90 ℃，然后迅速向大氣擴散驟降，主甲板與懸臂梁之間區域的廢氣溫度在40 ℃左右。排風管出口截面溫度分布結果與整體溫度分布結果一致。排風管出口附近廢氣溫度約90 ℃，擴散區域溫度約47 ℃，接近室外環境溫度。

圖5 方案1溫度場分布

方案2的整體溫度分布云圖(見圖6)顯示，BOP所在房間左舷局部溫度較月池區溫度高。這表明高溫氣流因設備干涉在BOP房間產生聚集，但大部分流體垂直于風管出口流出直至月池后壁，上層氣流直接從月池頂部開口流出，下層氣流沿艙壁和甲板回流后從頂部開口流出。

與流場對比結果一致，方案1更易于泥漿處理區域的高溫廢氣排入大氣。

圖6 方案2溫度場分布

2.3 通風方案室內噪聲對比

經實測，在方案1中，BOP房間的噪聲為86.6 dB，主要是泥漿處理區域設備運行產生的機械噪聲。

在方案2中，BOP房間的噪聲為94.7 dB，除設備運行的機械噪聲外，還疊加了排氣管內外部的氣動噪聲等。

綜合HAB(OS)、IMO和UK HSE.OTR的規范規定，方案1的BOP房間噪聲滿足規范要求。規范對噪聲的要求及方案1的實測噪聲如表1所示。

表1 規范對噪聲的要求及方案1的實測噪聲

2.4 危險區域防爆問題

根據該項目的危險區域防爆等級劃分[5]：鉆臺區域(包含BOP房間)屬于二類危險區域，懸臂梁泥漿處理區域屬于一類防爆區域。一類防爆區域的防爆等級和要求均高于二類防爆區域。基于危險區域的防爆問題，兩套方案擇優選用方案1，以避免兩類危險區域間的穿艙及一類防爆區域的擴大。

3 結 論

應用CFD理論，建立懸臂梁低壓泥漿處理區設備排風方案的數值模擬研究，通過模擬通風和換熱的耦合效應，得出關鍵區域的流場和溫度場分布。綜合考慮噪聲控制和危險區域防爆等級劃分要求，最終選擇方案1作為泥漿處理區域排風方案。