自升式鉆井平臺雙輸灰系統的設計與應用

鐘元吉 邱萬濤 趙 銳 范延品 王 飛

（1.大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連116021；2.大連船舶重工集團海洋工程公司 大連116021）

引 言

海洋工程技術的發展日新月異，對于新技術、新方法的需求越來越多，尤其是涉及到效率和安全的要求更是越來越嚴格。雙輸灰系統便是一項既提高效率又安全冗余的創新性應用，其主要服務對象是大排量固井單元，優勢體現在提高混漿和泵注速度，有效提升作業效率，縮短稠化時間，減少水泥漿在環空內受污染程度，保障固井質量，實現優質快速固井以及提高安全保障力度。

1 系統功能和組成

固井是一項關乎到平臺安全的重要作業。固井需要使用大量散裝水泥，而作為固井作業主體的固井單元一般布置在鉆臺或者懸臂梁內，散裝水泥則存放于主船體的散裝水泥罐艙內，這就需要一套輸灰系統將散裝水泥從水泥罐輸送給固井單元。對于鉆井平臺而言，輸灰都需要通過管道來完成，可以分為真空輸灰系統和氣力輸灰系統，其中氣力輸灰系統的應用更為廣泛和普及，本文闡述的雙輸灰系統便是氣力輸灰系統。

氣力輸灰系統一般由散裝水泥罐、緩沖罐、粉塵收集罐、輸灰管路、壓縮空氣系統和液壓系統構成：散裝水泥罐用于儲存散裝水泥，數量和容積需要根據工況而定，一般不少于3個；緩沖罐作為散裝水泥輸送系統的末端緩沖設備給固井單元供料，一般設置1個，布置在固井單元旁；粉塵收集罐用于收集水泥粉塵和排出空氣，一般設置2個，分別為水泥罐和緩沖罐服務；輸灰管路用于輸送散裝水泥，可細分為注入管路、透氣管路、排出管路；壓縮空氣系統用于為散裝水泥的輸送提供動力；液壓系統用于控制遙控閥門，實現自動控制。［1-2］

雙輸灰系統比傳統輸灰系統多了1個緩沖罐和1套散裝水泥的輸送管路，可以實現雙管路同時輸灰。采用雙輸灰系統后，一方面可以增加輸灰系統工作效率和質量，為大排量固井單元連續供料；另一方面可以互為備用，保證固井作業安全可靠。

2 設計要點及優化

氣力輸灰系統是以壓縮空氣為動力來輸送散裝水泥，這與常規的流體傳輸和氣體傳輸都有很大不同，需要連續不斷利用壓縮空氣將散裝水泥從水泥罐吹到緩沖罐。水泥罐底部呈錐形，正上方罩著一個喇叭形排出口，周圍一圈壓縮空氣噴嘴利用壓縮空氣將散裝水泥從喇叭口吹進了排出管路，一直注入到緩沖罐，再由緩沖罐給固井單元供料。這個過程需要用大量壓縮空氣，而這些壓縮空氣最終必須要從系統排出，但又要避免帶走過多水泥，這就需要用粉塵收集罐。

粉塵收集罐的入口是個螺旋結構，當壓縮空氣帶著粉塵進入之后會繞著螺旋結構旋轉，較重的粉塵會落入粉塵收集罐，壓縮空氣則從頂部排出，而收集的散裝水泥可以再次通過輸灰管路注入緩沖罐，這便是氣力輸灰系統的主要原理。水泥罐不直接向固井單元供料是因為氣力輸灰系統很難精準供料，所以需要使用緩沖罐，緩沖罐一般依靠伺服電機帶動螺旋輸送器向固井單元供料，可以保證供料穩定準確。

氣力輸灰系統設計過程中還要注意以下要點：

（1）散裝水泥輸送管路容易堵塞，需要使用特殊的維特利接頭，方便拆卸；彎頭的彎曲半徑至少5D，三通要使用Y形斜三通或者Y形正三通，以便減少阻力，防止堵塞。［3］

（2）由于不同工況下使用的水泥品牌和性能都有所不同，實際使用過程中往往需要采用轉駁操作，即把散裝水泥從一個水泥罐轉駁到另一個水泥罐，需要有專門的轉駁設置。

（3）由于是以壓縮空氣為動力，為了避免潮氣和水汽使散裝水泥受潮凝固，要求壓縮空氣必須保持干燥，至少需要設置2臺大功率的空氣干燥器。［4］

（4）懸臂梁需要在主甲板上滑移，為了不影響散裝水泥的輸送，需要設置幾組由壬接頭。對于壓縮空氣系統，設置2組接頭、配合1根軟管，即可滿足使用要求；而對于散裝水泥輸送管路，則需要設置多組接頭，避免軟管過長造成垂放堆積和堵塞。

（5）自動化控制方面需要綜合考慮經濟性和方便性，以確定哪些閥門需要自動控制，哪些閥門只需手動控制。

傳統氣力輸灰系統的簡圖如下頁圖1所示。其作業流程簡述如下：

（1）加注作業

散裝水泥從加注站注入，沿著加注管線分別經過1號遙控閥、4號遙控閥、7號遙控閥進入三個水泥罐。固井作業時，散裝水泥分別經過9號遙控閥、12號遙控閥、8號遙控閥進入排出管線，經過20號手動閥后進入懸臂梁的緩沖罐內，即可進行固井作業。

圖 1 傳統輸灰系統簡化圖

（2）轉駁作業

如果從1號水泥罐向2號水泥罐轉駁，散裝水泥從1號水泥罐出口排出，沿著10號手動閥進入排出管路，經過15號手動閥和轉駁管路進入加注管路，最后經過4號遙控閥進入2號水泥罐；如果從3號水泥罐向1號水泥罐轉駁，散裝水泥從3號水泥罐的排出口排出，經過8號遙控閥進入排出管路，可以經過18號手動閥和轉駁管路進入加注管路，也可以經過16號手動閥和轉駁管路進入加注管路，最后經過2號手動閥進入1號水泥罐。

可以看出，圖1的設計滿足了上述的設計要點，也滿足了各項基本操作。然而，為了滿足轉駁操作，此系統在1號和2號水泥罐的散料進出口各設置1套三通組件，又在1號和2號水泥罐之間、2號和3號水泥罐之間各設置2條轉駁管路。但這樣設計使整個系統變得冗余復雜，也加重了操作的復雜程度，在轉駁操作時需要考慮流向，需要特別注意壓縮空氣助吹閥的開閉，這樣的復雜設計也給接下來的雙輸灰系統設計增加了難度。

雙輸灰系統需設置2條獨立的輸灰管線，為2個獨立的緩沖罐連續輸灰。傳統的氣力輸灰系統設計復雜，在此基礎上再增設一條輸灰管線會造成系統更加復雜，因此需要考慮優化和簡化系統設計。

雙輸灰系統的簡圖見下頁圖2，其作業流程簡述如下：

（1）加注作業

散裝水泥從加注站注入，沿著加注管線分別經過1號遙控閥、2號遙控閥、3號遙控閥進入3個水泥罐。

（2）固井作業

散裝水泥分別經過4號遙控閥、6號遙控閥、8號遙控閥進入排出管線1，經過11號手動閥后進入懸臂梁的2號緩沖罐內；也可以經過5號遙控閥、7號遙控閥、9號遙控閥進入排出管線2，經過12號手動閥后進入懸臂梁的1號緩沖罐內，即可進行固井作業，這便是雙輸灰系統的主要功能。

（3）轉駁作業

圖2 雙輸灰系統簡化圖

如果從1號水泥罐向2號水泥罐轉駁，散裝水泥從1號水泥罐出口排出，沿著4號遙控閥進入排出管線1，經過13號手動閥和轉駁管路進入加注管路，最后經過2號遙控閥進入2號水泥罐；如果從3號水泥罐向1號水泥罐轉駁，散裝水泥從3號水泥罐的排出口排出，經過8號遙控閥進入排出管線1，經過13號手動閥和轉駁管路進入加注管路，最后經過1號遙控閥進入1號水泥罐。

可以看出，相比圖1的傳統輸灰系統，圖2的雙輸灰系統取消了水泥罐進出口的三通組件和水泥罐之間的轉駁管路，僅在1號水泥罐左側設置1條轉駁管路。所有轉駁操作都需要經過這條轉駁管路。同時，這樣的設計將加注管路和排出管路都改為單向管路，整個系統變得簡明易懂，在滿足所有功能的基礎上極大地簡化了操作，不用擔心流向錯誤問題，也降低了后期布置的難度。

3 布置難點及要點

輸灰系統的布置難點在于狹小空間內的管路布置，由于需要使用特殊的附件及5D彎頭，管路的布置需要占用很大的空間，而雙輸灰系統增加了一路輸灰管線，對于管路布置來說難度更大。

圖 3 雙輸灰系統實際布置

圖3所示是平臺優化后的雙輸灰系統實際管路布置圖。可以看出，加注管、助吹管、排出管路2都緊貼地面布置。這是由于一方面要避免與水泥罐的底部人孔蓋相碰，另一方面是為了保持通道順暢，方便維修。排出管路1則布置在通道頂部，既為了保證通道順暢，也為了滿足5D彎頭和Y形三通的布置需要，可謂一舉兩得。

圖2所示是雙輸灰系統優化設計后的效果，取消了非必要的冗余設計，縮減了管路數量，降低了布置難度，對于日后的操作和維護也非常便利。

對于輸灰系統的設備和管路布置還應注意：

（1）需考慮介質流向，注意專用附件流向要求；

（2）盡量減少使用彎頭（尤其是90°彎頭），減少堵塞的可能性；［5］

（3）由于維特利接頭剛性較差，管路需要良好的支架固定，布置時需格外注意；

（4）閥門的布置需要考慮維修的方便性，同時要考慮閥門的維修空間和吊運空間，較重的閥門上方要設置吊裝眼板；

（5）助吹管路與輸灰管路必須斜生支管，且支管盡量不要放在輸灰管路下方，避免散裝水泥在助吹管內沉積堵塞；

（6）水泥罐檢修孔的位置要方便進出，水泥罐上輸灰管路位置可以根據布置進行調整，要充分利用這一點進行管路布置；

（7）控制管路和電纜的布置需要特別注意保護，避免檢修時被踩踏和碰撞損壞。

圖4是某平臺雙輸灰系統實際安裝后的現場圖。

由此可見，實際的設備和管路布置已經達到了預期效果。

4 結 語

對于輸灰系統而言，不同的鉆井平臺在不同的作業區域和不同的作業時間都有特殊的使用需求，本文所述的雙輸灰系統可以滿足所有散裝水泥的使用要求。

圖4 雙輸灰系統實際安裝后現場圖

設備和管路實現冗余功能，平臺在常規工況時可以使用任意一條輸灰管路作業，在大功率緊急固井作業工況時可以使用雙輸灰系統管路作業。當然，雙輸灰系統也提高了系統和設備的采辦成本，這需要船東在建造和運營平臺時綜合考慮。本文所述雙輸灰系統作為成功的范例，可為日后類似項目提供借鑒意義，也能給船東提供更多選擇。