第六代超深水钻井船泥浆泵舱及泥浆池区域轮机布置设计研究

顾 伟 申 亮 鲁 旭

第六代超深水钻井船泥浆泵舱及泥浆池区域轮机布置设计研究

顾 伟 申 亮 鲁 旭

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

泥浆泵舱以及泥浆池区域在整个钻井船中处于核心，类似于人体心脏的作用，充分了解合理布置此区域的相关钻井设备，对保证钻井液循环的顺畅并满足不同地质钻井要求，顺利安全地完成钻井作业有着十分重要的意义。本文基于现有PRD12000 Qdrill第六代超水深钻井船项目为例，研究相应区域的布置。

钻井船 泥浆泵舱 泥浆池 轮机布置

引言

进入21世纪以来，随着世界经济的不断发展，人口的不断增多，交通运输、工业、电力等行业的发展，陆地资源人均占有量的不断缩减，人类社会对石油、天然气等资源的需求量迅猛增长，迫使人类将目光转向海洋油气资源的勘探开采。然而，随着各种自升式钻井平台、半潜平台以及其他一些近海浅海钻井装置的迅速崛起，必然导致该区域油气资源天然存储量锐减，进一步催生出一系列深海钻井装置的出现。其中，钻井船就是典型的一种。它集中代表和反应了一个国家的开采海洋油气资源的技术能力。目前，先进的第六代超深水钻井船可以实现3000米作业水深，极大地扩展了人类对油气资源的需求来源。钻井液（后称泥浆）是钻井船在深海作业时极其重要的部分，主要起到冷却润滑钻头、钻具，清除井下碎屑，保持井眼稳定，保护气层等作用。而保证钻井液循环顺利进行的主要设备就位于泥浆泵舱和泥浆池区域。因此，对该区域的布置设计研究，将具有巨大的现实意义。

1 泥浆泵舱

泥浆泵舱位于整个钻井船的心脏位置，是钻井钻进不同地层所需相应比重的高压泥浆的动力源泉，是实现储存低压泥浆向高压泥浆转化的唯一重要机械处所。此区域一般主要布置有高压泥浆泵、低压泥浆泵、低压泥浆管汇、高压泥浆管汇等。

图1　往复泵工作示意图

1.1 高压泥浆泵

高压泥浆泵是泥浆循环系统中最关键的设备，一般用于在高压下向井底输送高粘度、大相对密度和含沙量较高的钻井液，以期实现冷却钻台和携带岩屑等作用。高压泥浆泵属于往复泵的一种（见图1）。

本项目中采用的是三缸卧式泵，工作时交替实现活塞连杆冲程。通过传动轴、皮带、齿轮等传动部件带动活塞运动，从而实现泥浆的吸入和压缩增压后排出的过程。因此，排出的高压泥浆有一定的脉冲波动，可以通过泵排出口处自带的DAMPENER，实现有效降低排出高压泥浆波动脉冲的峰值，从而保证排出泥浆流的相对稳定。泥浆在高压泥浆泵内部的工作原理见图2。

图2　三缸式往复泥浆泵工作原理

本项目中，高压泥浆泵最高压力可以达到7500PSI，并且可以根据钻头钻入不同地层时所需的泥浆压力，通过更换缸套尺寸来实现所需排出压力及排出流量。可见，它具有很高的实用性，可以适应不同地层环境的工作要求。

1.2 低压泥浆泵

这里所说的低压泥浆泵，按用途可分为三种：低压泥浆混合输送泵、低压泥浆灌注泵和低压泥浆循环泵。低压泥浆混合输送泵的主要作用是将低压泥浆从各个储存舱抽出经低压泥浆管汇输送至各个用户单元，实现泥浆的加散料混合，泥浆池间泥浆互驳等。低压泥浆灌注泵是给高压泥浆泵工作提供所需的吸入压力，同时也可以与泥浆混合输送泵互为备用。当两大低压泥浆吸入系统其中任一系统出现故障，均可利用另一系统实现同样的功能。

1.3 总体布置要求

随着海工日趋向紧凑型、复杂性钻井船或钻井平台发展，泥浆泵舱相应的空间设置也越发有限。因此，为了避免因早期设计不合理，导致后期移动设备困难情况发生以及可能由此造成的返工重新改造损失，在详细设计阶段应综合考虑，根据具体空间合理布局。

（1）高压泥浆泵的布置一般有两种摆放方法：一种是并排放置，一种是对称布置。一般，空间相对狭长可以建议并排摆放，否则对称摆放比较合理。这样在两端将低压泥浆泵数量均等地布置，利于四周低压泥浆循环吸入总管围绕泥浆池就近布置，减少泥浆吸入延程损失。同时，此布置还利于高低压泥浆泵共用维修空间（见图3）。

图3　泥浆泵对称布置图

（2）高压泥浆泵会因钻进地层所需提供的泥浆压力不同，而较为频繁更换不同尺寸的缸套以及一些备件。所以，在布置泥浆泵时，需要额外考虑预留临时存放这些缸套及相关备件的空间。

（3）泥浆泵舱大型轮机附件配件的吊运，主要是高压泥浆泵曲轴的维修拆装吊运。需要充分考虑吊梁吊运能力，不能设计吊运载重和实际曲轴重量大致相当，而应留有充分余量。同时，应该留有临时摆放曲轴的空间，在曲轴需要横纵吊梁转换吊运时临时放置，以便吊装解扣重新绑扣。

（4）泥浆泵舱重量较轻部件的吊装（一般按ABS规范及船东要求大于50Kg），一般主要包括低压泥浆泵的马达、高压泥浆泵的吸口滤器、高压泥浆泵排出安全阀以及高压泥浆阀等，可以考虑采用固定吊耳和临时可拆吊耳相结合。采用临时吊耳，需考虑人可到达，并充分考虑协调总体布置及吊运空间的合理调和。

（5）泥浆泵日常维护，备件缸套更换以及吸口管路维修等，不可避免有泥浆、油水等泄漏溅出。为保持维修及逃生空间路面清洁以及泥浆的集中处理，需要在高低压泥浆泵周围设置扁铁围栏和污泥池，集中收集并利用气动隔膜泵将其输送泄放至废泥浆收集舱。

2 泥浆池区间

泥浆池区域主要包括泥浆池及上部区间。泥浆池一般又分为动力日用泥浆池、储存泥浆池、化学泥浆池、废泥浆池等。主要的设备有搅拌器、泥浆枪、高效混合器、高低压泥浆剪切器等。此区域主要是完成泥浆的储存，属性保持预防沉淀堕化，循环驳运等。

2.1 泥浆搅拌器

泥浆搅拌器的功能主要包括处理和维持钻井液（泥浆）的特性，确保实现钻井液与添加剂的充分混合，防止沉淀等。搅拌器一个最为重要的性能参数是叫做翻转率，即Turn Over Rate（后面简称：TOR）。正确合理的选择TOR对搅拌器能否实现其实际效果意义重大。它主要取决于泥浆池的大小以及所选择的搅拌器桨叶的形式和尺寸。如果TOR过高，会导致泥浆负压，有空气融入泥浆；反之，如果TOR过低，会导致固体沉淀的出现，同样影响泥浆特性。

桨叶形式主要有图4、图5和图6所示的三种形式。不同的形式作用泥浆流向不同。形式的选择一般依据泥浆池的深度：h＜1.5m，选择Flat-blade impeller；1.5m≤h ＜4.5m，选择Canted或者Contour blade impeller；h≥ 4.5m， 一 般 可 以 选 择Canted和Contour blade impeller两种形式的组合。

图4　Flat-blade impeller

图5　Canted-blade impeller

图6　Contour-blade impeller

2.2泥浆枪

泥浆枪是一种快速有效地解决泥浆潜在沉淀的设备。它主要是作为搅拌器的一种辅助工具，实现维持泥浆特性。在搅拌器无法达到的狭小空间，实现辅助搅拌预防沉淀，并实现添加剂与泥浆的充分混合功能。但应该注意的是，泥浆枪喷嘴喷出液可以对泥浆产生很大的剪切作用。因此，它只能作为一种辅助设备，不能过多地使用，以免造成泥浆堕化。

2.3 高效混合器

高效混合器是一种用于偶然性或者应急情况下，实现将散料迅速混合进泥浆而达到所需配比比重的一种泥浆工作设备。主要工作原理：当低压泥浆通过高效混合器时，与散料输送管输送过来的散料在混合室因高速而形成剪切混合而后注入泥浆池（见图7）。

图7　高速混合器

2.4 高压剪切器

高压剪切器主要是利用高压泥浆泵提供的高压泥浆经过其内部的管嘴时产生高速流体，直接冲入泥浆池形成巨大剪切力带动泥浆转动混合（见图8）。

图8　高压泥浆剪切器

2.5 低压剪切器

低压剪切器一般放置在散料添加料斗下游，泥浆混合舱入口上游，或者也可布置于单独一套泥浆循环管路中。当散料通过料斗添加进低压泥浆循环管路中后，在进舱前进入低压剪切器，经内部分成两股流进入混合室前，产生很大的横向纵向力，经混合室旋转桨叶式管嘴入口形成巨大的剪切流，然后两股剪切流进入混合式相互撞击，充分接触完成初步混合后进舱，见图9、图10。

图9　第一种低压剪切器的工作流程示意图

图10　第二种低压剪切器工作流程示意图

2.6 总体布置要求

位于泥浆池顶部区间的空间相对狭小，而管路设备众多，相对比较复杂。因此，合理优化设备布置，对管路优化布置，空间通行流畅性等意义重大。大致的布置见图11所示。

图11　泥浆池顶设备布置图

（1）位于泥浆池顶上区间，因有很多管路布置在这个区域，如海水注入管、低压泥浆循环注入管、低压泥浆混合注入管、基油管、钻井水管、盐水注入管等。所以，需要保证留有贯穿整个区域的、供逃生和操作每路注舱管隔离阀、泥浆枪、搅拌器的马达检修通道。（2）搅拌器由厂家提供，一般放置在舱顶中间，以便实现覆盖最大工作范围。搅拌器桨叶叶轮形式（上文提到有三种可选形式）以及安装高度，需经厂家按实际泥浆舱的尺寸计算确定，并经船东认可。（3）泥浆枪一般每个泥浆池配置两个，且对角放置。要求泥浆枪据舱壁保持一定距离，以确保操作手柄实现360°全回转。（4）高低压泥浆剪切器选择放置在某个动力日用泥浆池顶上。其中，低压剪切器可以水平放置舱顶，也可垂直悬挂舱壁；高压剪切器因其工作流体压力速度很大，为避免对舱底结构造成破坏，需在其正下方舱底焊接一块加强护板。（5）泥浆池还需要配备独立的一套洗舱设备。一般洗舱机尽量放置靠中部位，以期减少其洗舱覆盖盲区。另外，为提高洗舱排放效果，需要将舱底设计成带有一定斜度的形式。

3 结语

随着钻井海工市场的发展，泥浆泵舱以及泥浆池区域作为核心区域，设备的布置合理性对整个钻井作业十分重要。本文通过对第六代超深水钻井船泥浆泵舱及泥浆池区域轮机布置的设计研究，将为后期设计人员了解本区域相关钻井设备以及相应布置时应该考虑的注意事项，提供有价值的参考，也为以后同类的钻井平台或者更高级别的钻井船泥浆泵舱和泥浆池区域的布置优化，提供研究借鉴意义。

[1]孙明光，等.钻井、完井工程基础知识手册[M].北京：石油工业出版社，2002.

[2]姚寿广.船舶辅机[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

[3]《海洋石油工程设计指南》编委会.《海洋石油工程设计指南》第二册[M].北京：石油工业出版社，2008.

The Sixth Generation of Ultra-deepwater Drillships Mud Pump Mud Cabin and Pool Area Turbine Layout Design Study

GU Wei,SHEN Liang,LU Xu
(Shanghai COSCO Shipyard Ltd.,Shanghai 200231)

Mud pump cabin and mud pools in the whole region drilling ship at the heart, similar to the role of the human heart,to fully understand the rational arrangement of this area related to drilling equipment to ensure the smooth circulation drilling and geological drilling to meet different requirements, so smooth and safe completion of drilling operations has a very important significance . Based on the sixth generation of ultraexisting PRD12000 Qdrill depth drillship project for the study of the arrangement of the corresponding region.

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