快速移运石油钻机零排放系统技术分析

吕拴明，徐炜华，张　辉，高智超，李浩强

(1.西安石油大学 机械工程学院，西安710065；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002)①



快速移运石油钻机零排放系统技术分析

吕拴明1，2，徐炜华2，张辉2，高智超1，2，李浩强2

(1.西安石油大学 机械工程学院，西安710065；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002)①

摘要：为了满足移运石油钻机在整个钻井过程中的排放要求，使得废油、废泥浆等不对钻井区域造成污染，在快速移运石油钻机上增加了零排放系统(即排放物回收系统)。介绍了零排放系统的结构、布局、工作流程和回收方法。在钻台区域、泥浆罐区、泵组区、动力区4个区域分别设置了污水(油)回收装置，当出现设备漏油、管线泄露或泥浆溢出时，通过接油盘、隔板、管道等将污物收集到回收罐内，进行集中处理或回收再用。油田现场的应用表明，该系统工作可靠，实现了设计的“零排放”要求，提高了现场排放物的回收效率，满足快速移运钻机的高效率作业要求。

关键词：钻机；零排放；技术分析

随着全球石油需求量不断增加，环境污染形势日益严峻。为了使石油钻机在使用过程中既快速高效地进行生产作业，又满足对环境排放的要求[1-2]，在石油钻机中设置零排放系统就成为用户选择石油钻井设备的一个新要求。快速移运石油钻机在提高钻井效率方面发挥了重要作用，特别是在沙漠地区尤为显著，工作环境温度可达0～55 ℃，移运最高速度可达8 km/h。针对用户在钻机排放污染物和移运速度方面的特殊要求，宝鸡石油机械有限责任公司于2009年开始研制应用于快速移运石油钻机的零排放系统(即污物回收系统)，该系统可以确保钻机在高效作业过程中不对环境排放任何污染物，将泄漏的污水(油)等液体进行回收、统一处理。经过10 多a的努力，已经为国外用户提供了16套配有零排放系统的快速移运石油钻机。

1技术方案及分析

1.1钻机零排放系统技术要求

设计钻机零排放该系统的目的是在石油钻机的作业过程中对有可能向环境排放污染物的地方设置专用的污染物回收系统，根据石油钻机的设备结构与布局，对不同的污染物进行分类，回收后集中处理。因此，需对钻机的钻井作业区域进行全方位分析，对于分散在钻井现场的污染源进行综合考虑，设计专用的导流、回收管线和回收罐体，同时满足钻机的快速移运要求，确保作业效率不受影响。

1.2零排放系统简介及布局

根据钻井作业现场的设备结构与布局，结合钻机各个部分的模块功能[3]，将该系统划分为4个部分，即钻台区域、泥浆罐区、泵组区、动力区，如图1所示。

1)钻台区。钻台区是钻井作业的重要场所，作业高度9 150 mm，其排放要求的控制区域为绞车前方到立根台之间，左右两侧宽度为立根台上可以摆放钻杆的宽度，需实现在钻井过程中将钻杆泄漏的泥浆排放在有效的控制区域内，泄漏的泥浆可经过导流槽流入回收罐内。

2)泥浆罐区。即固控系统区域，由1个振动筛罐、1个吸入罐、4个储备罐及1个混合罐按顺序连接组成，分别安装在不同的移动拖撬上。拖撬高度2 500 mm，罐体之间的管线可实现快速安装与拆卸。在固控区，由于设备维修、损坏或拆装管路等造成的泥浆流出，对其进行集中收集。

3)泵组区域。由2台F-1600型泥浆泵组组成。泵组并列安装在移运拖撬上，实现整体移动，拖撬工作高度为650 mm。泥浆泵在更换缸套或零件损坏时可导致残留在腔体内部泥浆、油污流出，同时泥浆泵吸入管线和排出管路在移运拆装时也有泥浆泄漏，需设计专用的泥浆回收装置进行回收。

4)动力区。主要由4台CAT3512B型柴油发电机组构成，整体安装在一个移运拖撬上，拖撬高度3 900 mm，与发电机房拖撬相邻，后端与80 m3柴油罐连接。柴油发电机在使用过程中有润滑机油和冷却液的泄漏或更换、以及清洗设备所产生的油污，需要将污物通过回收管线导入到放置在地面的污物箱内。

1—钻台面；2—泥浆回流管；3—污物收集罐；

1.3零排放系统的工作流程

1.3.1钻台区系统流程

在钻井过程中上、卸钻杆流出的泥浆或冲洗台面的污水泄漏在钻台工作区域，泄漏的泥浆从钻台面铺台之间的缝隙处和铺台上的网格处向下流动，流入台面下方设置的泥浆导流槽。导流槽下方设置有铺台泥浆回流管，导流槽向铺台泥浆回流管方向倾斜，增加液体流动速度，如图2所示。泥浆经过回流管流入绞车梁、转盘梁和立根台上设置的泥浆回收槽，泥浆回收槽通过泥浆回流管与污物收集罐连通，将泥浆导入污物收集罐，完成钻台区的污物回收过程。钻台面污物排放流程如图3。

1—铺台Ⅰ；2—圆钢；3—铺台Ⅱ；4—导流槽；

图3　钻台区污物排放流程

1.3.2泥浆罐区系统流程

为了使残留在泥浆罐体的泥浆在钻机搬家前全部流出，罐底采用三角形分块式倾斜设计，用10 mm的钢板焊接，统一向排出口倾斜[4]，倾斜角度1°，排出口安装蝶阀控制排放，罐体所排出的泥浆流入放置在地面的回收管线，汇集一处进行回收处理。

1.3.3泵组区流程

为了回收泥浆泵组区泄漏的泥浆，在泥浆泵液力端液缸下方安装泥浆收集盒。液力端泄漏的泥浆可在拆卸泥浆泵阀盖时直接排入，泥浆收集盒底部设有可排出液体的管线。对于泥浆泵的机油排放回收，是在泥浆泵的油箱下部设置带有可关闭阀门的管线进行回收；泥浆泵吸入管线内的液体回收是在吸入管线正下方开孔，安装带有可关闭阀门的污物收集管线，在回收时直接打开排污阀门，液体自动流入污物收集盒，如图4所示。

1—泥浆泵；2—泵组拖撬；3—污物收集管线；4—污物收集盒。

1.3.4动力区系统流程

动力区主要考虑4台CAT柴油发电机组和2套80 m3柴油罐的泄漏污染问题。对于柴油发电机，考虑柴油发电机组的润滑机油和冷却液回收，需要排放冷却液或润滑机油时可分别打开冷却液和柴油机润滑油排放口，液体流入发电机底座内的导流盒，在导流盒底部分别设置导流软管，软管与设置在拖撬上的污物回流管相连，4台机组的冷却液汇集流入由方钢管制作的污物回流管中，随端头的排出管线流入污物收集箱，完成液体回收。

柴油罐要考虑日用柴油在加注和输送中的泄漏和污染，在柴油罐的管线连接处下方(罐体底座)设置具有回收液体作用的槽体，工作中泄漏的油污(水)可直接流入，同时在槽体下方设置控制管线回收油污(水)，如图5所示。其他具有污染可能的设备可采用与柴油罐相同的回收方式进行回收，例如液压站底部、液压操作箱底部、液压管线连接处和高压管汇阀组连接处的泄露等。

1—底座；2—球阀；3—扣压胶管；4—污物回收盒。

2关键技术

2.1钻台区回收系统

根据钻台区泥浆流出的体积，泥浆导流管采用ø140 mm×5 mm的无缝钢管，固定在转盘梁下方，安装时带有1°的倾斜角以加快液体流动。端头采用1502型焊接由壬，一端与泥浆导流管焊接，另一端与扣压式橡胶软管的接头焊接，泥浆随橡胶软管进入泥浆回收罐内部，罐体可根据需要摆放在地面或固定在底座本体上，如图6所示。

1—底座转盘梁；2—安全链；3—泥浆回流管；

2.2污物收集罐技术分析

2.2.1罐体容积

污物收集罐采用钢结构设计，按照7 000 m钻井深度，使用ø114 mm钻杆所泄漏出的泥浆体积的考虑，根据经验计算泄漏在铺台的泥浆量，同时考虑作业过程中需要冲洗钻台面，确定罐体容积16 m3。

2.2.2罐体墙板结构

如图7所示，墙板采用厚度为8 mm的钢板，压制成瓦楞板结构，连接处采用全熔透焊接，保证了罐体的强度。

图7　罐体墙板结构

2.2.3罐体底座结构

罐体底座采用三根Q345B型H钢作为主梁，用相同材质的6根纵梁组成底座主体，纵梁尺寸比主梁小。底座两端采用两根直径为ø114 mm的无缝钢管作为吊装管。如图8。为了满足钻机移运要求，底座采用双耳板连接可固定在钻机底座的一侧。为了防止污物回收后重力增加对罐体的损伤，在污物罐远离底座侧设有可伸缩调节的Tr60×9丝杠作为辅助支撑。按照罐内混合污水密度1.2 g/cm3考虑，在充满污物的状态下最大质量为19.2 t。经过计算，该结构在承载满罐液体的载荷时满足强度要求。

1—液位计；2—墙板；3—底座；4—爬梯；5砂泵。

2.2.4传输系统设计分析

污物罐需在污物收集后使用电动离心泵排出污物，估算液体传输所需扬程，取泵的排出口压力为0.2 MPa，流量为50 m3/h，再考虑单级离心泵泥浆传输的水力损失、容积损失和机械损失，泵的总效率取0.85～0.90[5]，并保证一定的余量，选择传输泵电机的轴功率为5.5 kW，配用电机功率为11 kW，在频率为60 Hz的电源下额定转速1 760 r/min，型号为SB2×3J-10的砂泵。最终确定传输泵的清水扬程22 m，流量55 m3/h，叶轮名义直径ø330 mm。

2.3动力区分析

动力区的污物收集需要考虑污物收集箱罐体体积，按每1台CAT3512B型柴油发电机组加注冷却液体积432 L 和润滑机油的体积318 L，每台7 000 m钻机配备4台柴油机组为准，设置2套污物收集箱，每1台污物收集箱的体积设定2 m3，收集箱的结构可参照污物收集罐的结构。

3厂内试验及现场应用

3.1厂内试验

在厂内的模拟钻机上配套零排放系统进行试验。在罐体内加清水进行24 h密封性试验。整个系统在钻机整体组装后模拟作业现场进行了功能试验。采用在技术要求区域喷淋清水的方法，持续时间5 min，结束后检测回收系统有无泄漏。结果表明，零排放回收系统工作良好，水流顺畅，试验过程中无泄漏，满足系统设计的技术要求。总的来看，系统设计合理，方便人员操作，满足钻机移运技术要求，通过了外方监造人员的验收。

3.2现场应用

据油田用户反馈，现已有16套钻机在现场进行了作业，在作业现场的复杂工况和恶劣环境下，该系统已经参与完成了钻机的钻井作业、移运、拆装、运输等过程，在整个使用过程中无污物泄漏，满足快速移运石油钻机的技术要求，移运效率高，零排放技术可靠，达到了作业现场的HSE规范要求。

4结论

1)研制的钻机零排放系统首次在快速移运石油钻机中应用，既满足快速移运石油钻机的高效率作业要求，又实现了钻机的清洁化生产。

2)系统设计布局合理，工作流程简单易懂，使用状态可靠，可在恶劣工况中保持良好的工作状态，满足零排放要求，符合HSE规范。

3)钻机零排放系统的应用为以后石油钻机在清洁化设计制造方面提供了重要的参考方案。

4)目前只有国外钻机提出了零排放的技术要求，伴随着油气开采对环境保护要求的日益提高，零排放技术将在国内钻机设计中作为一项重要的技术要求被广泛应用。

参考文献：

[1]王定亚，马广蛇，侯文辉，等. 浅谈国内快速移运钻机技术现状及发展建议[J].石油矿场机械，2007，36 (4)：13-16.

[2]王进全.关于我国石油钻机技术的现状及其研发思考 [ J ].石油矿场机械，2006，35(9)：7-10.

[3]李亚辉，侯文辉，刘志林，等.7 000 m快速移运拖挂钻机的设计 [ J ].石油机械，2015，43(1)：37-41.

[4]张虎山，谢陈平，杨建辉，等. 沙漠快速移运钻机固控系统的研制 [ J ].石油机械 2014，42(11)：60-63.

[5]韩成才，朱小平. 石油钻采设备 [M]. 西安：陕西科学技术出版社，1999：232 - 236.

Technical Analysis in Zero Discharge System of Fast Moving Drilling Rig

LYU Shuanming1，2，XU Weihua2，ZHANG Hui2，GAO Zhichao1，2，LI Haoqiang2

(1.CollegeofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；2.CNPCBaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China)

Abstract：In order to meet the requirements of the fast moving drilling rig discharge in the drilling process，such as waste oil，waste mud，for no pollution caused in the drilling area，the zero discharge system (emission recovery system) was set up on the fast moving drilling rig.The paper introduces the structure，layout，working process and recycling method of zero discharge system.In the four areas：drilling floor area，solid control area，mud pump unit area，power supply area，the system setting water (oil) recovery unit，when the equipment emission oil (water)，or when pipeline leaking，or when the mud spill，the system use oil pan，separators，diversion pipes to collection the oil (water) into the recycle tank for centralized processing or recycled.From the application of the oil field，it shows that the system has high reliability，the design of “zero discharge” has achieved，the efficiency of emission recovery has been raised，the requirements of the fast moving drilling rig has been satisfied.

Keywords：drilling rig；zero discharge system；technical analysis

中图分类号：TE922

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.004

作者简介：吕拴明(1982-)，男，陕西扶风人，工程师，硕士研究生，2006年毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，从事石油钻采设备的设计制造工作，E-mail：lvshuanming@126.com。

收稿日期：①2015-09-30

文章编号：1001-3482(2016)02-0016-05