雙層多通道固控系統研制與應用

摘"" 要：為滿足中東地區石油勘探開發的作業需求，推進我國石油鉆井裝備走出國門，開發了在高溫、沙漠環境條件下，大容量、大流量、多通道低壓鉆井液處理的固控系統。從鉆井工藝流程、叢式井作業需求、結構布局、安全環保要求、吊裝載荷要求等多方面因素考慮，開發了具有輪式移運，滿足叢式井作業需求的多功能固控系統。采用自動加料技術和遠距離鉆井液傳輸技術、減少了勞動強度;采用雙層鉆井液罐結構，保證了作業人的逃生通道。

關鍵詞：固控系統;鉆機;攪拌器;輪式移運

中圖分類號：TE926"""""""" 文獻標志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.011

文章編號：1001-3482（2025）01-0067-06

收稿日期： 2024-07-24

基金項目： 陜西省秦創原“科學家+工程師”項目“含油污泥無害化處理技術與設備”（2022KXJ-119）。

作者簡介： 張虎山（1985-），男，甘肅定西人，高級工程師，現從事石油鉆采裝備的設計研發與科技管理工作，E-mail：bomco@163.com。

Development and Application of Two-Layer Multi-Channel Solid Control Systems

ZHANG Hushan，YANG Baixue，LUO Xiaochun，REN Yanzhu，LI Wei，GUO Rui，SUO Wentao

（ Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.， Baoji 721002，China）

Abstract： In order to meet the demands of oil exploration and development in the Middle East and facilitate the export of Chinese oil drilling equipment， a reliable control system with substantial capacity， high flow rates and multi-channel low-pressure drilling fluid treatment under harsh conditions， including high temperatures and desert environments， has been developed. A multi-functional solid control system with wheeled transport was developed to meet the needs of cluster well operation， taking into account a number of factors， including the drilling process， cluster well operation requirements， structure layout， safety and environmental protection requirements， and lifting load requirements. The incorporation of automatic feeding technology and long-distance drilling fluid transmission technology serves to diminish the necessity for manual labour， while the double-layer drilling fluid tank structure provides the operator with an escape channel.

Key words： solid control system;drilling rig;agitator;wheeled transport

近年來，我國石油裝備通過國內鉆探公司帶設備服務或者通過當地鉆井公司采購國內設備，服務于國外油田公司，走出國門。固控系統作為鉆井裝備的重要部分，對鉆井液性能的維護起到至關重要的作用。鉆井液性能的好壞對攜帶巖屑、保護井壁、冷卻鉆頭的作用不同[1-5]。隨著我國石油裝備技術的不斷發展，在國際市場的地位越來越高，能夠與發達國家的高端裝備競爭，不斷沖擊著國際重要設備供應商。性能優越的鉆井裝備和完善的服務體系是保證了我國鉆井裝備走向全球化必要條件。寶雞石油機械有限責任公司（簡稱：寶石機械）終端服務網絡覆蓋國內熱點區塊、國際主產油區，產品銷往全球80多個國家和地區，建成16個維保服務共享中心，為國家級服務型制造示范企業。在國外科威特、埃及、阿布扎比、沙特、阿曼等5地建立維保共享中心，保證了售后服務的快速響應，為石油裝備的出口提供有力的保障。目前國內固控系統多為單通道、單層罐模式，無法滿足多種材料的混配和快速響應的要求，為此本文研究了大容量、大流量、多通道低壓鉆井液處理的固控系統。

1 技術分析

通過優化鉆井工藝流程，調整罐型結構，結合叢式井作業的需求，對鉆井裝備的性能進行升級，解決了大流量鉆井液的處理需求和遠距離鉆井液的傳輸問題，實現鉆井液的快速混配。

1.1 總體方案

雙層多通道固控系統方案如圖1～2所示。鉆機采用叢式作業，4口井，井間距為50 m，總移運距離為150 m，1#處理罐采用輪式移運，其余罐為固定部分，鉆機在井場內采用導軌移運，1#處理罐和2#處理罐之間采用150 m的管排傳輸，包括雙向鉆井液的傳輸、消防水的傳輸、清水的傳輸、空氣的傳輸?；旌夏K采用3套6 t大袋料吊裝對4臺漏斗加料，噸包采用機械化吊運。

1.2 技術參數

系統總容積為741 m3，鉆井液凈化級數為5級，處理量為272 m3/h，總功率為1 655 kW，總質量為520 000 kg，適應鉆井液最大密度2.48 g/cm3，鉆井液最大黏度為0.15 Pa·s。

1.3 方案對比

在以往出口鉆機項目中，采用常規的單層罐設計，各管道采用單通道設計，并設有單套混漿系統。要實現井場內叢式井作業，固控系統整體需要拆除、移運、安裝等工作，工作量至少3 d。采用本項目方案，在4 h之內完成井場內叢式井作業安裝，井場內搬安效率提升80%以上。在特殊井段實現快速配漿，其效率較常規系統提升60%。

2 關鍵技術分析

2.1 272 m3/h大流量處理技術

通過流量處理分析，對設備選型、罐型結構、管線優化，進行設計分析計算，并進行了試驗驗證，保證了鉆井液的最大處理量272 m3/h下鉆井液流體的通過性能。

2.2 大模塊輪式移運技術

1#處理罐運輸質量為55 t（包含車橋、車架等），運輸時離地間隙305 mm，最大上坡角度10°，車橋承載50 t，牽引銷規格為?88.9 mm，牽引高度1 450 mm，移運最高速度10 km/h。如圖3所示為不同的工況狀態。在井場內叢式井作業時2 h內完成拆卸、頂升、移運、就位、連接等工作，實現高效、便捷搬家[7-8]。

2.3 多通道鉆井液處理技術

鉆井液處理采用雙通道設計，即吸入管線2路，排出管線2路，非交叉布置;通過閥門的切換，實現不同類型鉆井液的混合和傳輸，為鉆井液的高效處理奠定了基礎。既能滿足同時處理2種不同類型的鉆井液的混配，又能滿足同一種類型的鉆井液高效雙通道混配，雙通道管線布置情況如圖4所示。

2.4 150 m鉆井液自動傳輸技術

通過對鉆井液性能的分析，計算傳輸管線、進行傳輸泵的選型。通過自動傳輸技術，自動控制，實現無人值守。鉆井液的自動傳輸主要包含防爆控制柜、超聲波液位傳感器、電動執行機構等，圖5所示為電子液位監測，能防止鉆井液過多或過少?？紤]到傳輸泵的啟動功率較大，防爆控制箱設置有軟啟動功能。在防爆控制箱上設定軟啟動、自動控制模式，傳輸泵的啟動根據傳輸泵液位高低來實現自動啟停。若要進行手動，控制箱選擇本地即可，此時傳輸泵的啟停不與液位計關聯。若司鉆想在30 m以外的司鉆房內通過防爆控制箱遠程操作傳輸泵，可通過司鉆房控制傳輸泵起停，實現鉆井液遠控傳輸。

2.5 大容量鉆井液攪拌技術

表1所示為攪拌器TOR計算值，通過對攪拌器TOR的數據對比，在鉆井液儲存、凈化各個階段都滿足要求。對于立面和斜面葉輪的應用，TOR 應在 40～85 s之間。隨著TOR接近40 s，渦流形成和可能的空氣夾帶的機會會增加。當TOR大于85 s時，部分懸浮液可能會受到破壞，固體將開始沉淀。

3 性能分析

3.1 設備性能方面

用戶對設備的性能要求極高。在廠內公司質檢人員、用戶監造人員、用戶甲方三方對調試進行逐項檢驗，監測設備運行穩定性、軸承溫度、電氣設備熱成像、設備運行噪音、密封性等方面進行重點驗收[10-13]。

3.2 吊裝安全方面

所有吊點、懸掛點進行載荷試驗，每個吊點、懸掛點都有唯一編號。載荷標識進行載荷試驗，完成后進行目檢和磁粉探傷。采用3套60 kN載荷的大袋料吊裝裝置，在廠內進行了1.25倍的載荷試驗，即為75 kN載荷。根據不同的時間日期進行吊點顏色區分，如圖7所示。所有的鋼絲繩采用鋼制壓制頭，不能采用繩卡、心形環連接方式。

3.3 通道安全方面

鉆井液罐采用雙層結構設計，所有閥門、鉆井液槍在下層安裝。根據不同的需求，布置了6件梯子，分別通往在鉆臺區、鉆井泵區、散料混配區、水罐區、井場前側等區域，在出現緊急狀態下，能夠從不同的通道撤離，如圖8所示。

4 技術特點

1） 輪式移運+管排傳輸實現叢式井作業。

在第一口井作業時無需管排，從第二口井開始1#處理罐通過輪式移運到第二口井位，其余罐保持不變，罐間采用傳輸管排，解決了兩個區域之間的鉆井液輸送、空氣輸送、消防清水輸送等。

2） 錐形罐底、雙層鉆井液罐保證了清砂和通道。

管線采用外置結構，鉆井液罐底部采用錐形結構，減少了底部的沉砂面積，同時由于罐內底部無管線，清理非常方便。在鉆井液罐的下層布置了鉆井液槍、閥門等罐面通道非常順暢，操作、維護、逃生方面優勢明顯。

3） 滿足油基工況下的消防安全。

消防系統采用柴油機泵組提供動力，保證在任何情況下均能開機，不受井場電力影響。柴油機消防泵組由60 kW柴油發動機、消防泵、聯軸器等組成，如圖9所示。發動機通過控制面板上的開關進行啟動、監控運行過程，提供穩定、充足的壓力水。柴油機泵組手動啟動，系統壓力為1.0 MPa，流量為30 L/s。在調試井場進行壓力、流量測試，測試水壓能夠達到11.3 m鉆臺高度（底座高度+鋼木基礎高度）。

5 試驗及現場應用

5.1 廠內試驗情況

鉆機按照行業標準SY/T 6680—2013《石油鉆機和修井機出廠驗收規范》和SY/T 5612—2018《石油天然氣鉆采設備鉆井液固相控制設備規范》要求進行了振動篩、鉆井液清潔器、除氣器、離心機、攪拌器、離心泵、鉆井液槍等單元設備試驗[14-15]，單元設備試驗合格后方可參與在鉆機聯調。在調試井場共進行了15項單元設備功能性試驗和1項鉆機整機聯調試驗。其中，鉆機聯合調試模擬油田現場作業工況，進行鉆井液井口溢流試驗、鉆井液槽過流試驗、輪式移運試驗等。調試的目的：①功能測試，逐個驗證設備各功能正常;②各種保護、互鎖正確，保證作業安全、人員安全;③測試電控系統、柴油機的性能匹配，保證性能穩定、負荷能力正常;④設備運行穩定性測試，噪聲控制達標、軸承溫升正常。

經過廠內調試，使系統及各個設備的各方面功能得到了充分的驗證。系統及設備各項指標符合試驗大綱的要求，能夠達到預期的目標，系統運行良好，各項參數均達到設計要求。

5.2 油田現場應用情況

寶石機械2023—2024年總共給沙特AD公司提供12套鉆機（2 000 hp）。截止2024-06-15，7套鉆機到達沙特油田現場，其中4套鉆機已開鉆，第一套鉆機2024-05-09開鉆，并完成了第一口井的作業，目前正在搬家到第二口井。鉆機整體運行良好，性能穩定。其余3套鉆機正在海運途中，剩余2套正在廠內組裝調試階段，預計年內全部投入油田使用。

通過多套鉆機在現場的作業，多層多通道固控系統的應用得到了驗證。

1） 在復雜井段，需要快速泵送加重鉆井液，通過混合模塊實現3臺加重泵、4臺混合漏斗同時作業，實現快速加重混配，處理量達600 m3/h。

2） 在油區內，井場之間搬家過程中，1#處理罐實現大模塊快速搬家，減少了設備、附件的拆安工作量。

3） 通過現場水基鉆井液、油基鉆井液不同鉆井液體系下凈化、混配、傳輸等工況的應用，沒有出現滲漏情況，驗證了設備、閥門耐油方面不存在問題。

通過現場應用，證明工藝流程合理、設備性能穩定，順利通過甲方驗收，沒有相關整改。但在是蝶閥性能方面有待提升。蝶閥存在開關困難的問題，通過技術分析和試驗驗證，蝶閥閥座為耐油氟橡膠，安裝后閥板旋轉與閥座的過盈量過大，導致阻力過大、開關困難。后續需要在密封件的配方方面進行優化提升，控制一定的過盈量且橡膠件硬度不能過大。

6 結論

1） 大容量的鉆井液攪拌，在不同的作業需求下，有著不同的TOR值，其最佳的匹配值是為了保證最佳的攪拌效果，保證鉆井液性能的穩定性。

2） 多通道鉆井液處理，能夠滿足在快速鉆井工況下鉆井液的匹配性，包括在處理井下事故時，快速配漿和不同鉆井液體系下的配漿，實現高效作業。

3） 遠距離鉆井液傳輸，配合快速大模塊搬家實效高效井間移運和鉆井液的自動傳輸技術，壓縮了非鉆井周期，實現叢式井的高效作業。

4） 雙層錐形鉆井液罐，既能滿足設備和管線的隱蔽式安裝，又能滿足上層罐面逃生通道順暢，確保在緊急情況下人員的快速撤離。

參考文獻：

[1] 歐陽志強，賀建波，石衛民，等.5000 米智能地質鉆探配套泥漿泵的方案設計[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2020，47（4）：53-57.

[2] 陳金瑞，馮群娣，周靜，等.真空吸附設備在油基鉆井液處理中的應用研究[J].石油機械，2022，50（12）：46-50.

[3] 劉占鵬，陳洪光，許益民，等.ZJ40/2250DBT沙漠快移拖掛鉆機的研制[J].石油機械，2018，46（10）：28-32.

[4] 孫曉微.淺析7 000 m鉆機低壓鉆井液系統的應用[J].企業技術開發，2019，38（8）：56-58.

[5] 馮美貴，翁煒，劉家榮，等.雄安新區地熱D20井鉆井液固控循環系統應用分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2020，47（10）：38-42.

[6] 張虎山，春晨，烏買爾·達吾提，等.出口沙特鉆機設計及應用[J].機械工程師，2022，46（6）：119-122.

[7] 劉國衛.淺析石油鉆井工程防漏堵漏技術研究[J].西部探礦工程，2021，33（8）：90-92.

[8] 黃治湖，陳 剛，侯文輝，等 .新型4 000 m窄輪距快速移運鉆機研制[J].石油機械，2022，50（5）：43-48.

[9] 方鍵，桑芝富，楊全保.側進式攪拌器三維流場的數值模擬[J].石油機械，2009，37（1）：30-34.

[10]" 馮美貴，朱迪斯，翁 煒，等.地質巖心鉆探沖洗液低壓鉆井液系統及配套工藝研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（5）：67-75.

[11] 楊向前，周超，焦金剛，等.固液分離機顆粒運移及鉆井液透篩過程研究[J].石油機械，2020，48（4）：23-30.

[12] 陳偉松，王世魁，胡軍旺，等.ZJ40DBT沙漠快速移運拖掛鉆機的研制[J].石油機械，2017，45（11）：27-30.

[13] 李聯中，李曉明，王正濤，等.3 000 m快移快裝鉆機創新技術及應用[J].石油機械，2021，49（01）：58-63.

[14] 全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會.石油鉆機和修井機出廠驗收規范：SY/T 6680—2013[S].北京：國家能源局，2013.

[15] 全國石油鉆采設備和工具標準化技術委員會.石油天然氣鉆采設備 鉆井液固相控制設備規范：SY/T 5612—2018[S].北京：國家能源局，2018.

（編輯：韓睿超）