自升式钻井平台双输灰系统的设计与应用

钟元吉 邱万涛 赵 锐 范延品 王 飞

（1.大连船舶重工集团设计研究院有限公司 大连116021；2.大连船舶重工集团海洋工程公司 大连116021）

引 言

海洋工程技术的发展日新月异，对于新技术、新方法的需求越来越多，尤其是涉及到效率和安全的要求更是越来越严格。双输灰系统便是一项既提高效率又安全冗余的创新性应用，其主要服务对象是大排量固井单元，优势体现在提高混浆和泵注速度，有效提升作业效率，缩短稠化时间，减少水泥浆在环空内受污染程度，保障固井质量，实现优质快速固井以及提高安全保障力度。

1 系统功能和组成

固井是一项关乎到平台安全的重要作业。固井需要使用大量散装水泥，而作为固井作业主体的固井单元一般布置在钻台或者悬臂梁内，散装水泥则存放于主船体的散装水泥罐舱内，这就需要一套输灰系统将散装水泥从水泥罐输送给固井单元。对于钻井平台而言，输灰都需要通过管道来完成，可以分为真空输灰系统和气力输灰系统，其中气力输灰系统的应用更为广泛和普及，本文阐述的双输灰系统便是气力输灰系统。

气力输灰系统一般由散装水泥罐、缓冲罐、粉尘收集罐、输灰管路、压缩空气系统和液压系统构成：散装水泥罐用于储存散装水泥，数量和容积需要根据工况而定，一般不少于3个；缓冲罐作为散装水泥输送系统的末端缓冲设备给固井单元供料，一般设置1个，布置在固井单元旁；粉尘收集罐用于收集水泥粉尘和排出空气，一般设置2个，分别为水泥罐和缓冲罐服务；输灰管路用于输送散装水泥，可细分为注入管路、透气管路、排出管路；压缩空气系统用于为散装水泥的输送提供动力；液压系统用于控制遥控阀门，实现自动控制。［1-2］

双输灰系统比传统输灰系统多了1个缓冲罐和1套散装水泥的输送管路，可以实现双管路同时输灰。采用双输灰系统后，一方面可以增加输灰系统工作效率和质量，为大排量固井单元连续供料；另一方面可以互为备用，保证固井作业安全可靠。

2 设计要点及优化

气力输灰系统是以压缩空气为动力来输送散装水泥，这与常规的流体传输和气体传输都有很大不同，需要连续不断利用压缩空气将散装水泥从水泥罐吹到缓冲罐。水泥罐底部呈锥形，正上方罩着一个喇叭形排出口，周围一圈压缩空气喷嘴利用压缩空气将散装水泥从喇叭口吹进了排出管路，一直注入到缓冲罐，再由缓冲罐给固井单元供料。这个过程需要用大量压缩空气，而这些压缩空气最终必须要从系统排出，但又要避免带走过多水泥，这就需要用粉尘收集罐。

粉尘收集罐的入口是个螺旋结构，当压缩空气带着粉尘进入之后会绕着螺旋结构旋转，较重的粉尘会落入粉尘收集罐，压缩空气则从顶部排出，而收集的散装水泥可以再次通过输灰管路注入缓冲罐，这便是气力输灰系统的主要原理。水泥罐不直接向固井单元供料是因为气力输灰系统很难精准供料，所以需要使用缓冲罐，缓冲罐一般依靠伺服电机带动螺旋输送器向固井单元供料，可以保证供料稳定准确。

气力输灰系统设计过程中还要注意以下要点：

（1）散装水泥输送管路容易堵塞，需要使用特殊的维特利接头，方便拆卸；弯头的弯曲半径至少5D，三通要使用Y形斜三通或者Y形正三通，以便减少阻力，防止堵塞。［3］

（2）由于不同工况下使用的水泥品牌和性能都有所不同，实际使用过程中往往需要采用转驳操作，即把散装水泥从一个水泥罐转驳到另一个水泥罐，需要有专门的转驳设置。

（3）由于是以压缩空气为动力，为了避免潮气和水汽使散装水泥受潮凝固，要求压缩空气必须保持干燥，至少需要设置2台大功率的空气干燥器。［4］

（4）悬臂梁需要在主甲板上滑移，为了不影响散装水泥的输送，需要设置几组由壬接头。对于压缩空气系统，设置2组接头、配合1根软管，即可满足使用要求；而对于散装水泥输送管路，则需要设置多组接头，避免软管过长造成垂放堆积和堵塞。

（5）自动化控制方面需要综合考虑经济性和方便性，以确定哪些阀门需要自动控制，哪些阀门只需手动控制。

传统气力输灰系统的简图如下页图1所示。其作业流程简述如下：

（1）加注作业

散装水泥从加注站注入，沿着加注管线分别经过1号遥控阀、4号遥控阀、7号遥控阀进入三个水泥罐。固井作业时，散装水泥分别经过9号遥控阀、12号遥控阀、8号遥控阀进入排出管线，经过20号手动阀后进入悬臂梁的缓冲罐内，即可进行固井作业。

图 1 传统输灰系统简化图

（2）转驳作业

如果从1号水泥罐向2号水泥罐转驳，散装水泥从1号水泥罐出口排出，沿着10号手动阀进入排出管路，经过15号手动阀和转驳管路进入加注管路，最后经过4号遥控阀进入2号水泥罐；如果从3号水泥罐向1号水泥罐转驳，散装水泥从3号水泥罐的排出口排出，经过8号遥控阀进入排出管路，可以经过18号手动阀和转驳管路进入加注管路，也可以经过16号手动阀和转驳管路进入加注管路，最后经过2号手动阀进入1号水泥罐。

可以看出，图1的设计满足了上述的设计要点，也满足了各项基本操作。然而，为了满足转驳操作，此系统在1号和2号水泥罐的散料进出口各设置1套三通组件，又在1号和2号水泥罐之间、2号和3号水泥罐之间各设置2条转驳管路。但这样设计使整个系统变得冗余复杂，也加重了操作的复杂程度，在转驳操作时需要考虑流向，需要特别注意压缩空气助吹阀的开闭，这样的复杂设计也给接下来的双输灰系统设计增加了难度。

双输灰系统需设置2条独立的输灰管线，为2个独立的缓冲罐连续输灰。传统的气力输灰系统设计复杂，在此基础上再增设一条输灰管线会造成系统更加复杂，因此需要考虑优化和简化系统设计。

双输灰系统的简图见下页图2，其作业流程简述如下：

（1）加注作业

散装水泥从加注站注入，沿着加注管线分别经过1号遥控阀、2号遥控阀、3号遥控阀进入3个水泥罐。

（2）固井作业

散装水泥分别经过4号遥控阀、6号遥控阀、8号遥控阀进入排出管线1，经过11号手动阀后进入悬臂梁的2号缓冲罐内；也可以经过5号遥控阀、7号遥控阀、9号遥控阀进入排出管线2，经过12号手动阀后进入悬臂梁的1号缓冲罐内，即可进行固井作业，这便是双输灰系统的主要功能。

（3）转驳作业

图2 双输灰系统简化图

如果从1号水泥罐向2号水泥罐转驳，散装水泥从1号水泥罐出口排出，沿着4号遥控阀进入排出管线1，经过13号手动阀和转驳管路进入加注管路，最后经过2号遥控阀进入2号水泥罐；如果从3号水泥罐向1号水泥罐转驳，散装水泥从3号水泥罐的排出口排出，经过8号遥控阀进入排出管线1，经过13号手动阀和转驳管路进入加注管路，最后经过1号遥控阀进入1号水泥罐。

可以看出，相比图1的传统输灰系统，图2的双输灰系统取消了水泥罐进出口的三通组件和水泥罐之间的转驳管路，仅在1号水泥罐左侧设置1条转驳管路。所有转驳操作都需要经过这条转驳管路。同时，这样的设计将加注管路和排出管路都改为单向管路，整个系统变得简明易懂，在满足所有功能的基础上极大地简化了操作，不用担心流向错误问题，也降低了后期布置的难度。

3 布置难点及要点

输灰系统的布置难点在于狭小空间内的管路布置，由于需要使用特殊的附件及5D弯头，管路的布置需要占用很大的空间，而双输灰系统增加了一路输灰管线，对于管路布置来说难度更大。

图 3 双输灰系统实际布置

图3所示是平台优化后的双输灰系统实际管路布置图。可以看出，加注管、助吹管、排出管路2都紧贴地面布置。这是由于一方面要避免与水泥罐的底部人孔盖相碰，另一方面是为了保持通道顺畅，方便维修。排出管路1则布置在通道顶部，既为了保证通道顺畅，也为了满足5D弯头和Y形三通的布置需要，可谓一举两得。

图2所示是双输灰系统优化设计后的效果，取消了非必要的冗余设计，缩减了管路数量，降低了布置难度，对于日后的操作和维护也非常便利。

对于输灰系统的设备和管路布置还应注意：

（1）需考虑介质流向，注意专用附件流向要求；

（2）尽量减少使用弯头（尤其是90°弯头），减少堵塞的可能性；［5］

（3）由于维特利接头刚性较差，管路需要良好的支架固定，布置时需格外注意；

（4）阀门的布置需要考虑维修的方便性，同时要考虑阀门的维修空间和吊运空间，较重的阀门上方要设置吊装眼板；

（5）助吹管路与输灰管路必须斜生支管，且支管尽量不要放在输灰管路下方，避免散装水泥在助吹管内沉积堵塞；

（6）水泥罐检修孔的位置要方便进出，水泥罐上输灰管路位置可以根据布置进行调整，要充分利用这一点进行管路布置；

（7）控制管路和电缆的布置需要特别注意保护，避免检修时被踩踏和碰撞损坏。

图4是某平台双输灰系统实际安装后的现场图。

由此可见，实际的设备和管路布置已经达到了预期效果。

4 结 语

对于输灰系统而言，不同的钻井平台在不同的作业区域和不同的作业时间都有特殊的使用需求，本文所述的双输灰系统可以满足所有散装水泥的使用要求。

图4 双输灰系统实际安装后现场图

设备和管路实现冗余功能，平台在常规工况时可以使用任意一条输灰管路作业，在大功率紧急固井作业工况时可以使用双输灰系统管路作业。当然，双输灰系统也提高了系统和设备的采办成本，这需要船东在建造和运营平台时综合考虑。本文所述双输灰系统作为成功的范例，可为日后类似项目提供借鉴意义，也能给船东提供更多选择。