泥浆静态混合器研究与应用

张贵磊，赵远远，阮雄，田荣剑

（1.中海油服油田化学事业部，河北 廊坊 065200；2.中海油服油化湛江作业公司，广东 湛江 524000）

泥浆静态混合器研究与应用

张贵磊1，赵远远2，阮雄2，田荣剑1

（1.中海油服油田化学事业部，河北 廊坊 065200；2.中海油服油化湛江作业公司，广东 湛江 524000）

本文介绍的泥浆静态混合器是应用于海洋深水钻井表层作业时，应对表层钻井风险的关键技术设备。从海洋钻井平台实际操作环境出发，对国家863课题“深水表层钻井关键技术研究项目子课题深水表层动态钻井技术”成果优化研究，对混合器结构进行了优化设计。研制出一套能够快速、均匀地混合钻井液，安装便捷、操作简单、精度较高、性能可靠、能够满足施工要求的钻井液密度混合设备。

动态压井；静态混合器；混合精度；混合排量；混合效果

深水海底常常潜伏着高压浅层流，在表层钻遇浅层流时，由于没有常规的井口装置产生回压来平衡地层压力，常规的压井方法就不再适用，处理手段不当则会引起井涌、井喷等事故。动态压井钻井技术是由Baker Hughes提出的一项新技术，该技术通过随钻测得井底压力，计算所需平衡地层压力泥浆密度，通过混合装置，将提前配制好的重泥浆与海水按照一定比例混合，混合好的泥浆迅速泵入井内，结合环空摩阻的作用平衡地层压力，防止浅层井涌，并提高井壁稳定性。动态压井技术在深水表层钻井中已经得到广泛应用，动态压井钻井技术的核心设备就是泥浆静态混合装置。国家863课题深水表层关键技术项目中研究动态压井钻井技术可行性并验证了静态混合器在钻井工程中的应用，本文介绍的静态混合 器基于该课题研究内容，结合施工钻井平台的实际工况条件，对混合器结构进行了优化设计研究。

1 动态压井钻井技术特点与优势

动态压井钻井的实质是根据作业需要，可随时将预先配制好的高密度泥浆与海水，通过泥浆静态混浆装置，调节到平衡地层压力所需的密度，实现连续不断地向井内泵送压井液。在钻进作业期间，只要随钻仪器监测到井下有地层异常高压，控制调节该装置立即混合出所需要的密度泥浆，直接泵送入井，不需要等待循环配制时间，实现边钻进边加重压井的钻井作业模式。

与常规表层井控钻井，海水加隔段重浆控制方式不同，动力压井钻井技术具有以下优势：

（1）可以有效解决浅水流动诱发严重的井漏、井涌问题，是对付流体最有效办法。

（2）延伸表层套管下入深度，提高表层套管破裂压力，有利于井身结构的优化，提高泥浆当量密度控制范围。

（3）减少钻井液的配制量和储存量，节省平台空间，提升作业效率，提升应对地层灾害风险，降低钻井总体成本。

（4）高密度泥浆钻井，有利于提高井壁稳定性，保证井眼规则，提高表层固井质量。

2 静态混合器原理

静态混合器的工作原理，通过固定在混合器的单元内件，使二股或多股流体在管线中流动冲击各种类型板元件，增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流，层流时是“分割-位置移动-重新汇合”，湍流时，流体除上述三种情况外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终混合形成所需要的混合液。之所以称之为“静态”混合器，是指管道内没有运动部件，只有静止元件。

3 泥浆静态混合器的研究

泥浆静态混合器是动态压井钻井技术的关键装备。主要由快速连接管汇、流量控制阀门、流量计、混合器等组成。基本的工艺流程图如图1所示。高密度压井泥浆、海水或稀释液通过两个或三个分支管路注入到混合器，经过混合器的混合剪切，混配好的压井液由泥浆泵泵注到井内，平衡地层压力，实现边压井边钻井，完成动态压井钻井作业。

图1 混合系统工艺流程图

3.1 泥浆静态混合器的发展

泥浆静态混合器是随着动态钻井技术提出使用发展而来，经过了近十多年的发展，现在已经发展了三代系统。第一代系统具备了基本的动态压井钻井功能，但设备体积过大，限制其推广。第二代系统使用了一个双重作用的混合器，该混合器提供动态压井钻井作业所需要的混配功能，测量精度和安装便利性也有了提高。第三代系统是当前使用广泛的，该系统改进了功能，并进行了模块化设计，结构紧凑，便捷安装、混合精度高等优势。

在国际上，主要钻井设备服务商都有泥浆静态混合器的设备和技术。在中国开始深水钻井时，动态钻井技术属于保密技术，国外设备只租不买。国家863课题研究的“深水表层钻井关键技术研究”子课题，专门针对动态压井技术进行了探索研究，研制了一套自动化泥浆混合器系统，在海油石油981平台使用，顺利的完成了一口表层动态压井钻井作业自动化控制、混合效果、测量精度都得到实际，该设备的缺点是科研产品体积过大，限制了该设备推广使用。我们需要优化设计一套适合平台安装、可操作的泥浆静态混合器。

3.2 静态混合器结构设计

混合器本体的一端设置有钻井液入口，另一端设置有混合液出口，周向分别通过接口连接高密度钻井液和海水入口，接口中心分别安装横截面呈纺锤状的喷嘴，相互错开，呈偏心方向设置。这种设计有利于创建湍流、形成旋涡和均匀混合，因此密度调节速度快，调整精度高，特别是对于高粘度非牛顿流体重泥浆与海水/淡水的混合具有良好的混合效果。根据海上平台现场安装位置狭小，操作空间非常窄，混合排量大，混合精度要求高等要求。主要完成了三种混合器的设计与模拟计算。

方案一（如图2、3）：采用原国家“863”深水表层技术研究成果喷嘴，采用45度角设置，见图2。

图2 方案1密度分布云图

图3 方案1 密度变化坐标图

模拟结果显示，混合效果很差，两种流体基本上没有混合，出现分层现象。不适合目前的设计要求。

方案二（如图4、5）：采用原国家“863”深水表层技术研究成果喷嘴，对角喷射外形。

图4 方案2 密度分布云图

图5 方案2 密度变化坐标图

模拟结果显示，混合效果较差，不适合目前的设计要求。

方案三（如图6、7）：重新设计喷嘴结构。

模拟结果显示，在距离混合器喷嘴约300 mm处，混合液密度差异可以控制在0.03 g/cm3（设计精度要求0.05 g/cm3），此种设计方案为满足设计要求，到达钻井工程压井的密度精度要求。

4 实验研究

4.1 设备连接（如图8）

图6 方案3 密度分布云图

图7 方案3 密度变化坐标图

图8 试验连接图

4.2 调节实验

开泵，调节控制阀门的开度，观察记录流量计的瞬时读数。每半分钟计时一次，累计流量和平均流量分别如表1、2所示。

图9 流量与开度关系

实验结果如图9所示，由图9可知，流量与调节阀的开度成正比，而且随着调节阀开度的增加，流量增加的速度逐渐减小。

建议在实际操作中，校核标记控制阀门的开度，进而快速操作阀门至所需流量，使出口密度快速达到压井所需密度，减少可调节海水与重浆入口调节阀的开度时间，提高设备功能的使用效率。

5 现场应用测试

对该装置进行现场排量测试，测试介质海水，得到数据如表3所示，其中重浆管线2.1 m3/min，海水管线2.78 m3/min，总排量达到4.88 m3/min，完全满足钻井排量需求。

对该装置进行现场混合效果测试，测试重浆密度1.30（g/cm3），稀释液（海水）密度1.03（g/cm3），设定所需压井密度，得到数据如表4所示， 测试数据与设定数据100%一致，混合效果满足压井作业精度工程要求。

表1 试验累计流量表

表2 试验平均流量表

表3 现场应用排量测试数据

表4 现场应用混合效果测试数据

6 结论

本泥浆静态混合器适用于深水表层钻井中多相、非牛顿、高密度、高粘度钻井液的混合调节，能够在钻井过程中获得调节密度的良好效果。

该混合器在混合装置能够快速、均匀地混合钻井液，安装便捷、操作简单、精度较高、性能可靠,能够满足施工要求，并在中国海洋石油深水钻井平台广泛使用。

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TQ 051.71

A

1671-0711（2016）10（上）-0102-04