海洋钻井平台泥浆系统综述

方怿民

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

钻井泥浆系统是钻井平台在钻井作业时所依赖的一整套核心系统。主要包括5个系统：散装材料储存输送系统、泥浆混合系统、高压泥浆系统、低压泥浆吸入系统和低压泥浆净化处理系统。

散装材料储存输送系统用于储存和输送调配钻井泥浆、固井水泥所需的各种散装干粉材料。泥浆混合系统用于将干粉泥浆材料和基础液体混合、调配成液体泥浆。高压泥浆系统是钻井泥浆的应用系统，用于提供钻井作业所需的高压泥浆。低压泥浆吸入系统是为高压泥浆泵服务的配套系统。低压泥浆净化处理系统用于对井下返回的泥浆进行处理，去除其中所含的固体颗粒物，使返回的泥浆可重复使用。

1 钻井泥浆的作用和分类

钻井泥浆（Drilling mud）又称钻井液，是钻井平台（包括钻井船、钻井驳等海工装备）在钻井作业时必不可少的一种工作介质。钻井泥浆是将黏土、加重材料和各种化学处理剂按照特定的比例均匀混合在基础液体中形成的一种类似胶体的液状混合物。它在钻井作业时的作用主要有以下5个方面：

1）悬浮并携带钻屑出井；

2）冷却、润滑钻头和钻具；

3）平衡井下压力，防止井喷；

4）保护井壁，防止井壁垮塌；

5）为井下动力钻具提供动力。

钻井泥浆按照调配时所用基础液体的不同，大致可以分为水基泥浆（Water based mud）和油基泥浆（Oil based mud）两大类［1］。

水基泥浆是一种以水为分散介质，以黏土（膨润土，Bentonite）、加重材料（重晶石，Barite）及各种化学处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、黏土、加重剂和各种化学处理剂。根据水中含盐和油状态的不同，又可再细分为淡水泥浆、盐水泥浆、乳化液（水包油）泥浆等。

油基泥浆是一种以基础油（Base oil，主要是柴油和原油）为分散介质，以有机黏土、加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混合体系。其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。根据所含水分的数量和存在状态的不同，又可再细分为油相泥浆和反相乳化（油包水）泥浆等。

钻井平台上使用的钻井泥浆主要有三个来源：

1）由供应船运来的、在陆地上事先配置好的基础液体泥浆，使用前根据需要添加加重材料和各种化学处理剂。

2）钻井平台利用自身的泥浆混合系统，将散装或袋装膨润土粉和重晶石粉，与淡水、海水、盐水或基油等液相物质混合配制。

3） 钻井作业时从井底沿环形空间返回钻井平台的泥浆，经过一系列处理，去除所携带的钻屑、砂石、气体等杂质后，循环重复利用。

图1 散装材料储存输送系统示意图

钻井平台上待用的泥浆存放于泥浆池（Mud pit）中。由于在钻井过程中可能穿过各种不同性质的地层，钻井平台通常需要预备多种不同配方的钻井泥浆。另外，当钻井系统使用钻井泥浆的时候，平台上有可能还需要在同一时刻配制新的钻井泥浆以备使用，因此平台上的泥浆池一般需要分隔成相互独立的数个至十数个。

为防止泥浆长时间静置后发生分层、沉淀、固结等现象，在各泥浆池内需设置搅拌器（Agitator）和泥浆枪（Mud gun）等设备，以保持池内存放的泥浆始终处于运动状态，保证泥浆成分和密度的均匀和稳定。泥浆搅拌器的工作原理，是通过防爆电动机或其他动力源驱动安装在泥浆池内的旋转叶片，搅动泥浆；而泥浆枪则是由泥浆混合泵从泥浆池抽吸泥浆，然后将带压力的泥浆通过安装在泥浆池内的泥浆枪喷射，搅动泥浆。

2 散装材料储存输送系统

散装材料储存输送系统（Bulk material system），也称输灰系统，主要用于储存和输送两种用途的散装材料：一种是用于调配钻井泥浆的干粉材料，如膨润土粉和重晶石粉，输送至泥浆混合系统；另一种是用于调配固井水泥的水泥干粉，输送至固井装置。由于这两种材料的用途互不相容，故钻井平台上这两种散装材料的储存输送系统通常应分成两个相互独立的系统。

散装材料输送系统（见图1）主要由散装材料储罐（P-Tank）及压缩空气吹送管路和阀件等组成。散装材料储罐一般为立式圆筒形，底部为锥形，便于出料和清扫。为减轻平台作业人员工作强度，压缩空气吹送管路上的阀件可采用遥控阀。散装材料储罐的底脚应带有称重装置，能够称量罐中储存的散装材料数量，并在控制板上显示。

散装材料输送系统的动力通常为0.25 MPa的干燥压缩空气，需由钻井平台提供。散料压缩空气的来源，可以设置独立的散料空压机，也可由主空压机输出经降压获得。无论哪种方式，均应为散料压缩空气系统配置独立的干燥机和空气瓶，以保证气源的干燥和稳定供应。

钻井平台上另外还需要存放一定数量的袋装材料（Sack packaged material），包括袋装膨润土粉、袋装水泥和各种袋装化学品等。这些袋装材料通常堆放在袋装料储存舱内，需要配备1台能避免粉尘爆炸的防爆型电动叉车用于搬运操作。机械化程度较高的钻井平台还会配备升降机和割袋机等设备，用于在使用袋装材料时的处理工作。

3 泥浆混合系统

泥浆混合系统（Mud mixing system）是钻井平台上用于将干粉泥浆材料和基础液体混合、调配成液体泥浆的专用系统，也可用于向液体泥浆内添加钻井作业所需要的特定化学处理剂。

泥浆混合系统（见图2）［1］主要由泥浆池、泥浆混合泵（Mud mixing pump）、土粉/重晶石缓冲罐（Surge tank）、泥浆混合漏斗（Mud mixing hopper）、泥浆池搅拌器及泥浆循环管路和阀件等组成。

图2 泥浆混合系统示意图

泥浆混合泵的吸入管路从泥浆池下部接出，泵的排出管路经过泥浆混合漏斗后返回泥浆池。这样，预先注入泥浆池的泥浆基础液体由混合泵建立起一个流经混合漏斗的循环流动。散装材料输送系统将散装材料储罐内的土粉/重晶石粉供应至土粉/重晶石缓冲罐，然后由缓冲罐均匀地加入泥浆混合漏斗，与基础液体混合成为液体泥浆。同时，泥浆池内设置的搅拌器和泥浆枪等设备也保持工作，以使池内的泥浆始终处于运动状态，保证泥浆成分和密度的均匀和稳定。

钻井平台上通常应至少设置2台泥浆混合泵、2个土粉/重晶石缓冲罐和2个泥浆混合漏斗。

为帮助膨润土粉等材料在钻井泥浆中更好地分散和水合，有些钻井平台的泥浆混合系统还设置1台泥浆剪切泵（Shear pump）。这样可以节省泥浆材料的使用，缩短泥浆配置时间，为钻井过程提供良好的泥浆性能。

4 高压泥浆系统

高压泥浆系统（Highpressuremud system）是钻井泥浆的应用系统。它以高压泥浆泵（钻井泵，Drilling pump）为动力源，将钻井泥浆由旋转水龙头（Rotary swivel）通过中空的钻杆注入到井底钻头，然后由钻杆与套管/井壁之间的环形空间返回井口，以实现泥浆在钻井作业过程中的几个作用：悬浮并携带钻屑出井；冷却和润滑钻头；平衡井下压力，保护井壁。

高压泥浆系统（见图3）主要由高压泥浆泵、高压泥浆管路、钻台高压泥浆闸阀组、井架高压泥浆立管（HPmud stand）、水龙带（HPmud hose）、旋转水龙头等组成。

图3 高压泥浆系统示意图

高压泥浆泵多为三缸单作用往复泵，每台泵通常配2台驱动电动机。为了根据钻井作业的需要调节泵的流量，驱动电动机需能调速。早期的高压泥浆泵采用晶闸管（SCR）技术调速的电动机，现在由于变频调速技术成熟，各厂家都已普遍采用变频调速电动机了。通常，在钻井平台上需设置至少3台高压泥浆泵，二用一备，布置于主船体的泥浆泵舱内，其吸入管路从泥浆池下部接出，泵的排出口通过高压管路分2路接至主甲板以上，然后通过高压软管经悬臂梁跳接到钻台。在钻台上，这2路高压泥浆管路接至高压泥浆管汇（闸阀组），然后通过井架上的2根高压泥浆立管接至井架上部，最后通过高压泥浆水龙带接至顶驱的旋转水龙头上，实现向钻柱内注入钻井泥浆的功能。

高压泥浆管路的设计压力应依据钻井系统的钻井深度而确定。当今主流的钻井平台，钻井深度一般为30 000英尺（9 144 m）至35 000英尺（10 668 m），对应的高压泥浆系统设计压力一般为7 500 psi（51.7 MPa），管子尺寸一般为5 英寸（DN125），管子材料普遍选用高强度合金钢ASTM A-519 GR 4130。高压泥浆管路的壁厚应根据管系的设计压力和材料的机械性能计算确定，计算所依据的公式通常采用ASME B31.3-2002 K304.1.2 Straight Pipe Under Internal Pressure（承受内压的直管）。

5 低压泥浆吸入系统

低压泥浆吸入系统（Low pressure mud suction system）是为高压泥浆泵服务的配套系统。它以泥浆灌注泵（Mud charging pump）为动力源，从泥浆池吸入钻井泥浆，输送至高压泥浆泵的入口。低压泥浆吸入系统示意图见图4。

图4 低压泥浆吸入系统示意图

由于钻井泥浆的密度远高于水，常用的最高密度可达2.8 t/m3，而高压泥浆泵比较高大，吸入能力也不是很强，所以需要泥浆灌注泵来帮助吸取泥浆。为了更有效地吸入泥浆，灌注泵通常布置在泥浆泵舱内靠近泥浆池且尽可能低的位置，每台高压泥浆泵对应设置1台排量相配的泥浆灌注泵。

6 低压泥浆净化处理系统

低压泥浆净化处理系统（Low pressure mud processing system），也称固控系统（泥浆固相控制系统的简称，Solid control system），用于对井下返回的泥浆进行处理，去除其中所含的固体颗粒物，使返回的泥浆可重复使用。在钻井作业的成本中，泥浆消耗的费用是很大的一块，因此，钻井平台、钻井船、钻井驳等都会配备泥浆净化处理系统，尽可能地回收利用井下返回的泥浆，以降低作业成本，同时也减小对海洋环境的影响。

泥浆净化处理系统（见图5）［2］主要由泥浆回流槽（Mud ditch）、泥浆分配器（Flow divider）、振动筛（Shale Shaker）、若干泥浆处理舱（Processing tank）、除砂泵（Desander pump）、除泥泵（Desilter pump）、除气泵（Degasser pump）、离心机（Centrifuge）等设备，以及相应的管路和阀件等组成。系统里还设有计量罐（Trip tank）/精计量罐（Strip tank）和计量泵（Trip tank pump）/精计量泵（Strip tank pump），用于测量从井下返回的泥浆数量，便于钻井作业时判断井下的状态。

泥浆净化处理系统的常规流程是：井底的泥浆携带着钻屑、砂石等，通过钻杆与井壁/隔水管之间的环形空间上升返回井口后，先经过泥浆/气体分离器（Mud/gas separator），将所含的大部分油气分离出来并引至井架高处排放稀释至大气，泥浆则通过管路和泥浆回流槽进入泥浆净化处理区域。通过泥浆分配器，待处理的泥浆被均匀分配至各台振动筛，振动筛将钻屑和砂石等大颗粒的固体物过滤出来，通过螺旋输送器送到集装箱收集，或直接排海。经过振动筛过滤后的泥浆则进入泥浆处理舱，根据需要依次进行除砂、除泥、除气、离心分离等各道净化步骤。最后，经过净化处理的泥浆通过回流管路返回钻井平台上的泥浆池，供钻井作业重复使用。

泥浆净化的的处理工序配置选项较多，要视船东的意向来选择确定。现在较新的钻井平台项目，除了振动筛是必配的设备，船东往往希望配置离心分离机，或至少预留离心分离机的位置，以替代后续的几道传统工序如除砂、除泥、除气等，

泥浆净化设备的布置根据钻井平台总体布局的不同而因地制宜。比如像JU2000这种悬臂梁为箱型结构且空间较为高大的船型，泥浆净化设备可以布置在悬臂梁内部。对于大部分类型的钻井平台，泥浆净化设备通常模块化地布置在主甲板上尾部的一个单独区域。因井底返回的泥浆可能含有油气成分，因此整个泥浆净化区域应按照I类防爆区的要求设计［2］。

图5 泥浆净化处理系统示意图

7 结语

钻井泥浆系统是钻井平台在钻井作业时所依赖的一整套核心系统，系统的设计与平台的钻井作业要求密切相关，同时也对钻井平台的总体布置有着重大影响。

目前国内的船舶、海工设计院所，在钻井平台的设计中还基本停留在只负责船体部分的设计，对钻井相关设备和系统的配置还不甚明了，有待进一步掌握钻井设备的参数确定方法和钻井系统的配置规律。

本文探讨了钻井平台泥浆系统设计的基本要素，希望以此抛砖引玉，进一步深入研究，掌握钻井泥浆系统及其他钻井相关设备的配置规律，促进我国具有自主知识产权的钻井平台的研究开发。

［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］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［S］.2005.