120 m鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)研制

左文佳，張虎山，徐小鵬，牛保平，春晨,2，行浩楠，索文濤

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

在石油天然氣鉆采過(guò)程中，為了提高鉆井效率，減少非鉆井作業(yè)時(shí)間，進(jìn)行井工廠、叢式井作業(yè)模式，鉆機(jī)主體部分采用導(dǎo)軌式移運(yùn)或者步進(jìn)式移運(yùn)，實(shí)現(xiàn)井口間或井口排間的移運(yùn)。為了減少井場(chǎng)內(nèi)的拆裝時(shí)間，鉆機(jī)配套的動(dòng)力區(qū)、泥漿泵區(qū)、固控區(qū)不需要搬遷，其中固控系統(tǒng)采用鉆井液導(dǎo)流的方式實(shí)現(xiàn)井口泥漿到固控系統(tǒng)的泥漿傳輸。但是隨著井口數(shù)的增加及井間距的加大，針對(duì)國(guó)外某項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)120 m鉆井液的傳輸，就無(wú)法采用鉆井液導(dǎo)流的方式實(shí)現(xiàn)鉆井液的傳輸，容易造成巖屑的沉淀及流動(dòng)性差，無(wú)法滿足正常的作業(yè)需求。通常在遠(yuǎn)距離叢式井作業(yè)時(shí)采用固控系統(tǒng)整體搬遷，在新的井口位置重新組裝，整套固控系統(tǒng)的拆卸、搬遷、安裝需要4～5 d時(shí)間完成。雖然利用目前的固控系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的效果，但是所需要的成本相對(duì)較高，拆裝鉆井周期較長(zhǎng)[1]。

為了解決叢式井作業(yè)固控系統(tǒng)拆裝時(shí)間長(zhǎng)、遠(yuǎn)距離傳輸鉆井液的流動(dòng)性差的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種適用于遠(yuǎn)距離叢式井作業(yè)的鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，能夠滿足在120 m的鉆井液傳輸，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，無(wú)人值守。整套系統(tǒng)按照7000 m鉆機(jī)設(shè)計(jì)，滿足7000 m鉆機(jī)水基鉆井液和油基鉆井液鉆井作業(yè)要求，開(kāi)發(fā)出用于在作業(yè)中固控系統(tǒng)無(wú)需隨鉆機(jī)整體移運(yùn)，在遠(yuǎn)距離輸送時(shí)鉆井液的預(yù)處理和傳送，并能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液防沉砂及解決不同開(kāi)次的鉆井作業(yè)鉆井液排量不同引起鉆井液傳輸?shù)囊缌骱臀諉?wèn)題等功能的鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)布置圖如圖1所示，鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)為整體一體化設(shè)計(jì)，包括1個(gè)罐體，罐體依次分為4個(gè)倉(cāng)，包括計(jì)量倉(cāng)、沉砂倉(cāng)、除氣倉(cāng)、傳輸倉(cāng)，罐體上依次設(shè)置有泥漿分配器、振動(dòng)篩、攪拌器、除氣器，以及其它輔助設(shè)備和相關(guān)配套的管線、閥門等。系統(tǒng)具有鉆井液的預(yù)處理、滿足120 m鉆井液的遠(yuǎn)距離傳輸功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井口返回鉆井液的篩分、除氣、攪拌及傳輸；滿足起下鉆工況下鉆井液的計(jì)量和補(bǔ)給。在鉆井叢式井作業(yè)中，原固控系統(tǒng)不需要移動(dòng)，只需要移動(dòng)鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)并連接鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)和原固控系統(tǒng)的振動(dòng)篩罐之間的管線即可，大大減少非鉆井作業(yè)的周期，提高整體鉆井效率。

圖1 鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)布局圖

圖2 120 m傳輸管排在井場(chǎng)調(diào)試

1.2 鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)流程

1.2.1 鉆井液的預(yù)處理流程

從井口返回的鉆井液通過(guò)鉆井液回流管進(jìn)入鉆井液分配器，鉆井液分配器將其均勻分配給2臺(tái)振動(dòng)篩，篩除較大的固相顆粒；經(jīng)振動(dòng)篩處理后鉆井液進(jìn)入沉砂倉(cāng)，沉淀分離部分固相，沉砂倉(cāng)里的鉆井液高位溢流到除氣倉(cāng)，攪拌器防止鉆井液自然沉淀，除氣器將除氣倉(cāng)鉆井液中的有害氣體去除后鉆井液進(jìn)入傳輸倉(cāng)，最后，通過(guò)2臺(tái)傳輸泵將鉆井液輸送到原固控系統(tǒng)中。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)行除氣處理，處理后再排入傳輸倉(cāng)。若鉆井液性能良好，沒(méi)有氣侵，不必進(jìn)行除氣處理。除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)中的鉆井液可通過(guò)2臺(tái)傳輸泵不斷地在除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)之間自循環(huán)，進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井液的預(yù)處理。

1.2.2 鉆井液的自動(dòng)傳輸流程

2臺(tái)傳輸泵將鉆井液輸送到原固控系統(tǒng)中，司鉆可通過(guò)防爆控制箱遠(yuǎn)程操作，將傳輸泵的起動(dòng)方式選擇為“遠(yuǎn)程”，此時(shí)可通過(guò)司鉆房操作盒里的啟停按鈕控制起停，實(shí)現(xiàn)鉆井液自動(dòng)傳輸。鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)配備電動(dòng)閥門，所有閥門均配備電動(dòng)執(zhí)行器，該電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)閥門可實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉或調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程控制、集控和自控，提高自動(dòng)化程度，降低工人勞動(dòng)效率，鉆井液傳輸無(wú)需人工值守，實(shí)現(xiàn)鉆井液自動(dòng)傳輸功能。在傳輸倉(cāng)設(shè)置液位傳感計(jì)，實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)功能。液位計(jì)配合傳感器和精密電子元器件等構(gòu)成的電子模塊和變送器模塊，可以變送輸出電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遠(yuǎn)程控制的結(jié)合。

1.2.3 鉆井液補(bǔ)給工藝流程

提升鉆具時(shí)，井筒內(nèi)環(huán)空造成鉆井液缺少，司鉆啟動(dòng)振動(dòng)篩下方的2臺(tái)補(bǔ)給泵，補(bǔ)給泵可吸入計(jì)量倉(cāng)中的鉆井液，然后鉆井液通過(guò)管線進(jìn)入喇叭口中，最終進(jìn)入井筒內(nèi)。運(yùn)行補(bǔ)給泵時(shí)間長(zhǎng)短決定所需補(bǔ)充泥漿的容積，計(jì)量倉(cāng)中液位傳感器把信號(hào)傳遞給儀表系統(tǒng)，儀表系統(tǒng)后臺(tái)計(jì)算后把信號(hào)傳遞顯示器，司鉆房可顯示泥漿的容積，司鉆可方便地判斷關(guān)閉補(bǔ)給泵的時(shí)機(jī)，即完成了提升鉆具工況的補(bǔ)給泥漿的情況；下放鉆具時(shí)計(jì)量倉(cāng)中的液位傳感器檢測(cè)到泥漿液位的高度變化，反饋給儀表系統(tǒng)，通過(guò)后臺(tái)運(yùn)算后反饋給司鉆房顯示，可以根據(jù)起鉆前后計(jì)量倉(cāng)中鉆井液的容積變化來(lái)判斷井下鉆井液漏失的情況，提醒司鉆及時(shí)調(diào)整泥漿性能。

1.3 技術(shù)參數(shù)

1.3.1 傳輸泵的選型

傳輸距離為150 m，傳輸高差為3 m，傳輸管內(nèi)徑d=263 mm；泥漿密度ρ=2.5×103kg/m3；根據(jù)排出口高度、沿程壓力損失、局部壓力損失，計(jì)算傳輸泵實(shí)際需要的壓力為0.129 MPa，算得泵的揚(yáng)程H=33 m；校核離心泵需求功率為41.5 kW。最終確定離心泵流量為240 m3/h，揚(yáng)程為37 m，電動(dòng)機(jī)功率為75 kW，葉輪直徑為13 in。

1.3.2 鉆井液罐截面的確定

最小鉆井液轉(zhuǎn)接罐截面積（CHSA）為：CHSA=Q/1.63[2]。式中：CHSA為最小的鉆井液罐截面積；Q為最大循環(huán)量，m3/min。SB6×8J-13鉆井液傳輸泵最大處理量為4 m3/min，計(jì)算得CHSA為2.45 m2。鉆井液罐的實(shí)際截面圖如圖3所示，有效截面積為5.7 m2＞2.45 m2，完全滿足氣體釋放要求，保證了鉆井液的性能[3]。

圖3 鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)流程圖

1.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)有效容積為40 m3（含沉沙倉(cāng)），系統(tǒng)總裝機(jī)功率約為200 kW，罐體數(shù)量為1件，鉆井液轉(zhuǎn)接罐尺寸為13.5 m×3 m×2.8 m，最大處理能力為240 m3/h，傳輸管排為120 m。

2 創(chuàng)新技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備的應(yīng)用

2.1 120 m遠(yuǎn)距離傳輸防沉砂設(shè)計(jì)

2臺(tái)SB8×6-75 kW的傳輸泵可分別吸入除氣倉(cāng)和傳輸倉(cāng)的鉆井液，通過(guò)管排進(jìn)入到振動(dòng)篩罐；同時(shí)，傳輸泵可以排出鉆井液到除氣倉(cāng)和傳輸倉(cāng)。為防止遠(yuǎn)距離傳輸鉆井液導(dǎo)致沉淀，可關(guān)閉管排3 in蝶閥，開(kāi)啟2 in球閥，傳輸泵通過(guò)3 in管線反沖10 in鉆井液管線。采用雙泵、雙流程傳輸功能，保證鉆井液的正常傳輸。2臺(tái)傳輸泵將鉆井液輸送到原固控系統(tǒng)中；除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)中的鉆井液可通過(guò)2臺(tái)傳輸泵不斷地在除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)之間自循環(huán)，進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井液的預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)防沉砂。

2.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

目前常規(guī)固控系統(tǒng)上的工作基本還靠人工完成，轉(zhuǎn)接系統(tǒng)中所有閥門均配備IQC電動(dòng)執(zhí)行器，該電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)閥門可實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉或調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程控制、集控和自控，提高自動(dòng)化程度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。如圖5所示，執(zhí)行器由電機(jī)、減速器、力矩控制器機(jī)構(gòu)、機(jī)械限位螺釘、精密電位器、智能模塊、液晶顯示操作板、手輪及電氣部分組成。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)通過(guò)電動(dòng)機(jī)齒輪直接帶動(dòng)蝸桿齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)行星齒輪帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)操作總是優(yōu)先，手、電動(dòng)在輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)電位器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)閥位精密電位器檢測(cè)閥位變化。

圖4 鉆井液罐截面圖

圖5 IQC電動(dòng)執(zhí)行器工作原理

2.3 鉆井液自動(dòng)傳輸技術(shù)

鉆井液的自動(dòng)傳輸主要包含防爆控制柜、超聲波液位傳感器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。考慮到傳輸泵的啟動(dòng)功率較大，防爆控制箱具有軟啟動(dòng)功能，防止啟動(dòng)瞬間電流過(guò)大。在防爆控制箱上設(shè)定軟啟動(dòng)、自動(dòng)控制模式，此時(shí)傳輸泵的啟動(dòng)根據(jù)傳輸泵的液位高低來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停。若要進(jìn)行手動(dòng)、本地控制，防爆控制箱選擇本地即可，此時(shí)傳輸泵的啟停不與液位計(jì)關(guān)聯(lián)。此外，若司鉆想在30 m以外的司鉆房?jī)?nèi)通過(guò)防爆控制箱遠(yuǎn)程操作傳輸泵，此時(shí)可通過(guò)司鉆房操作箱里的啟停按鈕控制傳輸泵起停，實(shí)現(xiàn)鉆井液遠(yuǎn)程控制傳輸。

2.4 模塊化設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于井口位置的變化，需要對(duì)整個(gè)固控系統(tǒng)進(jìn)行搬遷。雖然利用目前的固控系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期的效果，但是拆卸、搬遷、安裝等非鉆井周期長(zhǎng)，所需要的成本相對(duì)比較高，工作效率低[4-8]。所有飄臺(tái)、欄桿設(shè)計(jì)為可翻轉(zhuǎn)、可折疊結(jié)構(gòu)，在油田現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸無(wú)需拆卸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離搬遷一體化運(yùn)輸。同時(shí)，罐體底座為自背車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)需吊車即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖6 模塊化設(shè)計(jì)

2.5 離心式真空除氣器

ZLCQ/240型離心式除氣器時(shí)，需將液氣分離筒浸入鉆井液中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣浸鉆井液首先被除氣器底部的葉輪送入其上方的分離腔內(nèi)，分離腔內(nèi)的分離葉片轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)鉆井液隨之旋轉(zhuǎn)。在分離筒內(nèi)壁上形成一個(gè)厚約2～3 cm的呈渦流狀態(tài)作螺旋形向上運(yùn)動(dòng)的液體薄層，此旋轉(zhuǎn)著的液體薄層形成了一個(gè)離心力場(chǎng)，氣液相迅速分離。氣泡向軸心方向移動(dòng)，液體緊貼分離筒內(nèi)壁。當(dāng)氣泡到達(dá)旋流體薄層內(nèi)表面時(shí)，由于除氣器分離腔內(nèi)存在負(fù)壓，因此，氣泡能迅速突破液體表面張力而破裂并迅速被真空泵抽出。除氣后的鉆井液沿分離筒內(nèi)壁螺旋上升從排液口排出。具有以下特點(diǎn)：1）采用真空泵抽吸，排氣效率高，高于85%；2）采用獨(dú)特的減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速恒定；3）采用長(zhǎng)形的液氣分離葉片，增大了分離行程，氣液分離效率高；4）采用新型的排漿裝置，大大提高了鉆井液處理量；5）整機(jī)為立式結(jié)構(gòu)，安裝方便，占地面積小。

3 油田使用情況

該系統(tǒng)第一套于2021 年3 月已發(fā)往中東進(jìn)行作業(yè)，第二套于2021年10月完成廠內(nèi)試驗(yàn)待發(fā)運(yùn)。系統(tǒng)在廠內(nèi)進(jìn)行了罐體密封性試驗(yàn)、管道壓力試驗(yàn)、4 h設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、鉆井液傳輸試驗(yàn)等，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)軸承溫升、設(shè)備噪聲都在合理的范圍之內(nèi)，設(shè)備最高溫升不高于32 ℃，噪聲為82 dB（A）。截至目前，第一套鉆井液轉(zhuǎn)接系統(tǒng)已經(jīng)完成一口井的作業(yè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)正常。

圖7 離心式除氣器

4 結(jié)論

1）采用雙泵、雙流程傳輸功能，保證鉆井液的正常傳輸，2臺(tái)傳輸泵互為備用。除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)中的鉆井液可通過(guò)2臺(tái)傳輸泵不斷地在除氣倉(cāng)與傳輸倉(cāng)之間自循環(huán)，進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井液的預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)防沉砂。

2）所有閥門均配備電動(dòng)執(zhí)行器，該電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)閥門可實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉或調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程控制、集控和自控，提高自動(dòng)化程度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鉆井液的自動(dòng)傳輸、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4）模塊化的設(shè)計(jì)在油田現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸無(wú)需拆卸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離搬遷一體化運(yùn)輸。