海洋钻井泥浆处理系统设计分析

赵建亭 李福建 曾 湛

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

海洋钻井泥浆处理系统设计分析

赵建亭 李福建 曾 湛

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

对海洋钻井泥浆处理系统的基本流程进行了阐述，并基于业主个性化要求，对适应不同船型的泥浆处理系统的布置等设计中的关键问题进行了分析，提出了系统设计需要注意的问题及解决方案。特别探讨了振动筛总成、入筛泥浆分配、出筛泥浆分配及出筛岩屑排放等方面的问题，并对国内海洋钻井泥浆处理系统设计提出建议。

海洋钻井；泥浆处理；振动筛总成

引 言

海洋钻井使用的泥浆处理系统在钻井行业内又称“泥浆净化系统”或者“固控系统”，它是石油钻机重要的支持系统之一，它可以清除泥浆体系中不必要的固相，保持泥浆性能的稳定，能够使泥浆重复循环利用，节省钻井成本；在钻井作业过程中有效利用泥浆处理系统可以提高泥浆携带岩屑的能力和钻头的工作效率，减少泥浆泵水力消耗，降低设备和循环系统的磨损，以防止发生钻井安全事故［1-2］。

海洋钻井泥浆处理系统设计源于陆地钻机的泥浆处理方法，同时又需要兼顾考虑海洋钻井装置的特殊性。海洋钻井泥浆处理系统是钻井支持系统内个性化要求比较高的一个系统，系统除了满足规范要求外，还需要根据船型及业主的作业习惯统筹考虑系统的设计。

钻井泥浆处理控制固相的方法主要有机械处理、化学处理、稀释泥浆、喷冲或抛弃泥浆等四种方法；本文主要是基于机械处理方法对海洋钻井泥浆处理系统的设计问题进行探讨。

1 流程概述

海洋钻井泥浆由井口转喷器（或喇叭口）的返流口经由返流管线（或槽）进入泥浆处理系统。返流的泥浆首先进入刮泥器，它可以除掉比较大的岩屑和粘土球，并将其排出舷外或者收集处理；经刮泥器初级处理的泥浆通过泥浆分配器（或筛头箱）到达泥浆振动筛进行筛除处理；振动筛处理后的泥浆通过泥浆槽可以实现进入任何一个泥浆处理罐，进行相应的除气、除砂、除泥、分离等流程处理。

流程处理完毕的泥浆溢流返回到日用泥浆池后利用高压泥浆泵重新入井利用；振动筛排出的岩屑可以选择排出舷外或者收集处理。典型海洋钻井泥浆处理流程原理示意图参见图1，针对各个类型的实际工程项目详细的泥浆处理流程及设备配置会由于不同船型及业主要求而有所差异。

图1 典型海洋钻井泥浆处理流程原理示意图

泥浆处理系统的最重要的目标是尽量第一时间去除从井口循环上来的固相颗粒，尽量降低泥浆内的固相对泥浆体系的破坏和设备的损坏。泥浆处理设备的能力至少为井口最大泥浆返流量的 100%～125%。

2 固相分类［3］

任何泥浆体系的固相可以分为商业固相和钻出固相两部分：商业固相是指为获得一定性能和执行一定功能而添加到泥浆系统内的颗粒；钻出固相是指来自钻头的以岩屑的型式进入泥浆系统的颗粒，或者是指井壁脱落掉进井筒内形成的颗粒。

商业固相除了重晶石和循环损失材料外，大多数的相对粒度尺寸小于1 μm；而钻出固相的粒度从小于1 μm到大于2 000 μm不等，反映了被钻地层的构成及钻头牙齿的形状。

为了评估泥浆处理系统内的各种机械设备的去除固相的能力，根据固相的颗粒大小对泥浆内的固相涵义作如下页表1所示的定义及分类。

表1 泥浆内固相粒度分类表

泥浆处理系统内机械去除泥浆内固相设备主要包含振动筛、除砂器、除泥器、清洁器和离心机等，每类机械设备能够处理一定粒度范围内的固相，各项泥浆处理设备的粒度去除范围如表2所示。系统设计时根据船型及业主要求设置全部设备或者部分设备，并且泥浆处理作业时需要根据返流泥浆的性能选择相应的泥浆处理设备。

表2 机械处理泥浆内固相的粒度限制范围

3 设计基础

泥浆处理系统设计时首先需要基于船型明确如下设计基础问题：

（1）返流泥浆体系的类型；

（2）井口最大泥浆返流量；

（3）泥浆体系的最大密度；

（4）井口返流泥浆的温度。

4 设计关键

4.1 处理区域布置

海洋钻井的泥浆处理系统会根据不同的船型布置在不同的位置，但是均需要布置在靠近钻台的位置，以利于泥浆重力返流，防止危险区域分散布置。表3列举了几种不同船型的泥浆处理系统相对船体位置的情况。

表3 泥浆处理系统相对船体位置表

海洋钻井泥浆处理区域设计时需要根据作业环境条件、业主要求及船型的特点优先考虑此区域是设计成围蔽区域还是开敞区域，并根据API RP505的要求确定此区域各个位置的危险区域等级［4］；同时也需要考虑不同工艺流程设备的安装要求及相对的高差要求，将其设置在不同的层高位置以满足流程处理的需求。

泥浆系统如果布置不合理，设备的功能就不能充分发挥，甚至造成系统不能正常工作，所以基于船型的泥浆处理系统良好的设备布置及优化显得非常必要。系统布置时必须以“重力返流或排放”为设备相对位置首要考虑的问题。

4.2 振动筛总成

振动筛是泥浆固相控制系统的第一级处理设备，它工作的好坏直接影响整个泥浆处理系统的控制效果。由于它的重要性，所以本文将作较详细的分析探讨。

由井口内返出带有大量岩屑的泥浆，经过振动筛网的筛分，分离并排出尺寸较大的固相颗粒，使较清洁的泥浆进入后几级的处理设备。

振动筛的激振模式主要分为椭圆非平衡式、圆周平衡式和直线式等三种振动模式，各种振动模式具有自身的特点，市场上均存在产品；目前对于海洋钻井使用的振动筛主要由BRANDT、SWACO、DERRICK等三个公司的产品占据了绝大部分的市场，而且他们的类型和性能在世界上也都具有代表性。

振动筛的技术水平主要反映在处理能力（处理量和分离粒度）、工作稳定性、寿命长短和操作灵活性等几个方面。振动筛的处理能力与振动筛的结构、运动轨迹、振动频率、振动强度、筛网面积和筛网的粗细等因素有关。海洋泥浆处理系统设计在振动筛方面主要需解决在设备选型完毕基础上的布置方式、入筛泥浆分配、出筛泥浆分配与出筛岩屑排放等多方面的问题。

4.2.1 布置方式

目前海洋钻井的振动筛总成布置存在直列式和对置式两种比较典型的方案。直列式方案占用长度方向的空间较大，它可以根据船型特点设置在狭长型的空间内，并能实现单侧进泥浆及单侧排砂。图2与图3所示的振动筛总成布置均为直列式方案。对置式方案可以采用头靠头或者尾靠尾的方式将振动筛设置成两排直列，此种方案适用于区域长度有限制的空间，排砂可以实现同侧排放或者两侧排放。图4所示的对置式振动筛布置方案为头靠头布置、中间进泥浆、两侧排砂。

在振动筛设备选型前，需要基于船型优先确定振动筛是采用直列式还是对置式总成方案，并且根据既定的振动筛总成方案统筹规划此区域的总布置、层高设置、主要骨材及开槽（口）位置等。

4.2.2 入筛泥浆分配

图2 典型直列式振动筛总成平面示意图

图3 BEM650六联筛与分配器总成侧视示意图

图4 典型对置式振动筛总成侧视示意图

入筛泥浆分配方法现有泥浆分配器和筛头箱等两种典型的设计方案；泥浆分配器为独立的的带闸板的多边形箱体设备，它的泥浆出口与振动筛的数量相适应，并通过管系与振动筛的泥浆入口连接在一起（参见图3），其布置相对振动筛总成更灵活。筛头箱为长条型带闸板的箱体设备，它的泥浆出口与振动筛紧靠在一起，并与振动筛整体集成在一起，总成结构紧凑。BRANDT公司振动筛与筛头箱的典型总成参见图5。

图5 VSM300五联筛与筛头箱总成示意图

不管是何种入筛泥浆分配方案，均需要考虑能够将振动筛上游的泥浆旁通直接进入下游泥浆系统，此旁通需要设置短节、盲板或者眼镜法兰等措施，防止误操作使含有危险气体的泥浆体系进入下游，造成危险区域扩大或者升级。

4.2.3 出筛泥浆分配

各个振动筛出筛后的泥浆需集中并设置泥浆槽（或管），将泥浆导至任何一个泥浆处理罐内。泥浆处理罐总成需要根据作业区域及设备流程的要求采用沉砂罐、除气罐、除砂罐、除泥罐、离心罐和缓冲罐等6个或者其中部分处理罐组成。所有泥浆处理罐内壁应光滑、宜采用V型坡底，设置高位带闸板溢流口和底位连通平衡阀，泥浆输送砂泵吸口尽量靠近罐底部，罐顶可以采用格栅开式或者板壳封闭式方案。

振动筛排出的泥浆进行首级处理的沉砂罐应采用高位进罐、高位溢流的重力沉砂方式，并且此罐需要定期清淤和泄放；由于泥浆清淤损失及直接排放对环境的影响等问题，此种分离砂（和重晶石）的方式越来越少用，现在的沉砂罐只是设置底部吸口并与泥浆处理泵相连的首级处理罐而已。

泥浆处理罐的容量设计需要满足单个泥浆处理罐容量大于泥浆处理泵一分钟排量的数值；对于浮式钻井作业的泥浆处理系统，单个泥浆处理罐的容量应适当放大。

4.2.4 出筛岩屑排放

目前海洋钻井作业对于油基泥浆体系携带的岩屑是禁止排海的，必须采用岩屑收集方案；而对于水基泥浆体系携带的岩屑可以采用直接排海方案。若系统设计要求两种排砂方式均使用，则岩屑由振动筛排出后需要能够通过转换装置进行选择，岩屑进入螺旋输送器打包运走或直接排海。典型岩屑转换装置参见图6。如采用打包运走方案，岩屑可以通过螺旋输送器输出泥浆处理系统，然后再通过鼓风机、甩干机、岩屑箱等第三方设备进行处理，工作原理见图1。泥浆处理系统规划时需要预留此第三方设备的空间及相应的公用系统设计。

海洋钻井岩屑进入排砂槽后排海方案或收集方案需要根据船型的特点而量身定制。由振动筛排出的岩屑流动性很差，所以排砂槽的斜度尽量大；另外可以在排砂槽端部设置海水助冲管线，便于岩屑排海。表4列举了海洋钻井不同船型采用的典型岩屑直接排海方法。对于岩屑收集方案，在振动筛的排砂位置设置螺旋输送器，将岩屑输送出泥浆处理区，并选择相应的岩屑收集方案。

图6 典型岩屑排放转换示意图

表4 海洋钻井典型岩屑直接排海方法示例

对于水基泥浆体系的刮泥器上游泥浆管线及刮泥器泥饼的排放管线需要与岩屑排放管线统筹考虑，尽量实现表4所列的最终“单点排放”功能。

4.3 除气器

泥浆处理系统的除气器可以迅速去除侵入泥浆中的气体，恢复泥浆比重、稳定泥浆性能。除气器目前主要有真空除气器和离心除气器两种类型。

真空除气器利用真空泵的抽吸作用，在真空罐内形成负压，泥浆在大气压的作用下，通过吸入管进入旋转的空心轴，再由空心轴四周的窗口，呈喷射状甩向罐壁，在碰撞、真空及气泡分离器的作用下，侵入泥浆中的气泡破碎，气体逸出，通过真空泵抽出并排到安全位置，除气后的泥浆则由于自重进入排空腔，经旋转的叶片排出罐外，进入泥浆下一步流程。真空除气器的工作原理如图7所示。

图7 典型真空除气器原理图

离心除气器是一种具有独特设计的除气装置。其多采用立式安装方法，占地面积小，能够有效节省空间。通常可将其直接安装在除气罐的上方，泥浆吸口插在罐内（工作原理见图1）。强大的离心力作用于泥浆，使气体与泥浆分离；旋流的冲击使泥浆中的气泡被分离并且增加了浮力；加速了气泡的上浮速度，使不含气的泥浆与游离气体分离。

关于除气器分离出的危险气体的透气口位置，在船级社的规范中仅要求到安全位置，并无具体的指导性位置，但是在工程实践中均需要将除气出来的危险气体独立的接到井架顶部透气［5-7］。

4.4 泥浆清洁器

海洋钻井的空间紧凑性要求较高，所以对于除砂器、除泥器等水力旋流设备已经不常单独存在，而是将其设置在振动筛的顶部，与振动筛集成为泥浆清洁器设备（见图2和图3）。泥浆清洁器的性能和质量取决于旋流器与振动筛两者的性能与质量。两级处理的泥浆清洁器工作时分两步：第一步是旋流器将泥浆分离成低密度的溢流和高密度的底流，底流落在振动筛上；第二步是振动筛将高密度的底流再分离成两部分，一部分是透过筛网的稀流体，另一部分是留在筛面上的颗粒。泥浆清洁器可用来处理加重泥浆或非加重泥浆。

4.5 流程管线

4.5.1 斜 度

泥浆处理系统的泥浆管线的斜度可以分两部分做出要求：振动筛上游的管线（或者槽）由于泥浆含有固相较多，流动性差，斜度要求至少为1/12以上；筛除固相以后的下游管线斜度要求至少为1/48以上。对于浮式钻井作业管线（或者槽）的斜度需要适当加大以平衡船体纵摇及横摇对其有效斜度的影响。

4.5.2 流 速

振动筛下游泥浆槽内的流速至少为1.22 m/s，但是不超过2.44 m/s。泥浆处理泵的吸入管汇流速至少为1.22 m/s，但是不超过2.44 m/s，对于大直径管可以达到3 m/s。对于振动筛上游的管线（或者槽）由于泥浆含有的板结性材料较多，容易堵管，所以管径可以适当放大，流速降低，并考虑在此管线（或者槽）上设置一定的助冲管线。

5 结 论

海洋钻井泥浆处理系统的设计需基于船型优先考虑振动筛总成、固相的处理以及收集或者排舷外的方法。随着钻井行业的泥浆处理设备的发展，国内外泥浆处理设备的性能均获得良好的发展，所以设备选型已经不再是决定此系统性能优劣的瓶颈；基于业主个性化要求，适应不同船型的布置方法显得尤为重要。

此外，海洋高温高压钻井返流的泥浆对泥浆处理系统的影响及解决方案尚需基于钻井实践工程经验作进一步研究。

［1］ 安国亭， 卢佩琼. 海洋石油开发工艺与设备［M］.天津：天津大学出版社， 2001.

［2］ 赵建亭，刘树祥，晏绍枝.浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究［J］.船舶， 2010（3）：1-5.

［3］ IADC Drilling Manual［M］. The 11thEdition，International Association of Drilling Contractor，Houston，Texas：Technical Toolboxes，Inc，2000：5-8.

［4］ API RP-5，Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I，Zone 0，Zone 1 and Zone 2［S］. American National Standards Institute，1997.

［5］ DNV-OS-E101， Drilling Plant［S］. 2009：41-42.

［6］ ABS. Guide for the Classification of Drilling Systems［S］. 2012：56-58.

［7］ 中国船级社.钻井装置发证指南［S］. 2006：20-21.

Design and analysis of mud processing system for off shore drilling

ZHAO Jian-ting LI Fu-jian ZENG Zhan
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper introduces the basic procedure of the mud processing system for off shore drilling, analyzes the critical design issues about the arrangement of the mud processing system for the diff erent ship types based on the owner’s individual requirements, and puts forward the issues and solutions that should be focused on for system design. It especially studies the issues about shale shaker assembly, division of mud in/out of shakers, and discharge of cutting overboard. It also proposes the recommendations on the design of the domestic off shore mud processing system.

off shore drilling; mud processing; shale shaker assembly

U674.38+1

A

1001-9855（2014）05-0089-07

2014-01-13 ；

2014-02-10

赵建亭（1978-），男，高级工程师，研究方向：船舶与海洋工程钻井系统设计及研究。

李福建（1985-），男，工程师，研究方向：船舶与海洋工程钻井系统设计及研究。

曾 湛（1983-），男，工程师，研究方向：船舶与海洋工程机械设计及研究。