国外自动化泥浆防喷盒技术现状与分析

邓自强，邓福成，冯定，何良，李思行

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

郭伟

(中石化胜利油田分公司井下作业公司，山东 东营 257077)

在钻井过程中，在钻杆卸扣上提时，钻杆中的泥浆有四溅喷射的现象，导致工作现场湿滑，存在较大的安全隐患；泥浆防喷盒回收喷溅出的泥浆，有效地控制了泥浆的四处飞溅，也提高了泥浆的再利用率，节约了钻井成本，使钻井过程更快捷，对于实现钻井作业符合HSE(健康、安全、环保)要求和钻井作业走向自动化都有积极作用[1]。为减少钻井平台工人工作强度，降低工作危险系数，同时提高钻井平台机械化自动化，自动化防喷泥浆盒作为其中一种石油设备被应用到钻井平台。随着技术的进步和在机械自动化大背景下，泥浆防喷盒也经历了3个发展阶段：人工操作、半自动化、自动化[2～5]。自动化泥浆防喷盒主要由泥浆盒和支撑臂等组成，泥浆盒与井口同心对中依靠支撑臂的旋转或伸缩。现将国外自动化泥浆防喷盒根据支撑臂结构功能不同，分为翻转式、自支撑式、仿手臂式、水平伸缩式、嵌入式泥浆防喷盒5大类。

1 国外现状

目前国外石油设备生产公司对自动化泥浆防喷盒产品的研究已经很成熟了，例如Cameron公司和TSC公司的仿手臂式泥浆防喷盒，MHWirth公司的平行四边形伸缩式泥浆防喷盒，美国Forum Energy Technologies(下文简称FET)公司生产的自支撑式泥浆防喷盒，NOV公司生产的翻转式和嵌入式泥浆防喷盒。

1.1 NOV公司的翻转式泥浆防喷盒

NOV公司的翻转式泥浆防喷盒由底座、翻转液压缸、翻转臂、泥浆盒、闭合液压缸、泥浆排液管6大部分组成，如图1所示。底座固定在钻井平台上，翻转臂一端铰接在底座上，另一端通过螺栓固定泥浆盒，翻转液压缸两端分别铰接在底座和翻转臂上，通过翻转液压缸的伸出和缩回，使翻转臂带动泥浆盒与井口处于垂直(非工作位)和水平状态(工作位)，闭合液压缸控制泥浆盒的开启和闭合，泥浆排液管构成泥浆盒与泥浆池通道[6～8]。

在钻井起钻铁钻工解扣后，翻转液压缸伸出，翻转臂转动，使泥浆盒由水平状态变为垂直状态， 泥浆盒和井口同心对正，闭合液压缸伸出使泥浆盒闭合，顶驱提起钻杆，钻杆中泥浆液流入泥浆盒，泥浆排液管进入泥浆池；操作完毕后，闭合液压缸缩回，泥浆盒打开，翻转液压缸缩回，整体归位。

NOV公司的翻转式泥浆盒翻转臂采用三角结构，整体的稳定性可靠，与井口对中的精度高；但非工作状态下，水平外形尺寸变小，高度有较大的增量，同时翻转空间大；底座距离井口位置固定，对于不同钻井平台不具有较好的兼容性，可根据客户要求，制定确定尺寸方案。

1.2 FET公司的P-Quip型自支撑式泥浆防喷盒

FET公司的P-Quip型自支撑式泥浆防喷盒主要由底座、旋转支撑、自支撑式泥浆排液管、旋转液压缸、泥浆盒、闭合液压缸组成，如图2所示。底座下部为方形，直接嵌入钻井平台，旋转支撑下部固定在底座上，上部和自支撑泥浆排液管固定，通过旋转液压缸带动泥浆排液管旋转，泥浆盒固定在自支撑式泥浆排液管末端，通过闭合液压缸开启和关闭泥浆盒[9]。

图1 NOV公司翻转式泥浆防喷盒 图2 P-Quip型泥浆防喷盒

在钻井起钻铁钻工解扣后，旋转液压缸驱动旋转支撑相对于底座和平台旋转，带动自支撑式泥浆防喷盒转动，使泥浆盒和井口同心对正，此时闭合液压缸伸出使泥浆盒闭合，顶驱提起钻杆，钻杆中泥浆液进入泥浆盒，通过泥浆排液管进入泥浆池；操作完毕后，闭合液压缸缩回，泥浆盒打开，旋转液压缸缩回，整体归位。

由图2可以看出：①与井口对中依靠旋转液压缸带动旋转支撑旋转特定角度，伸出距离取决于自支撑式泥浆排液管，对于旋转液行程和泥浆排液管各部分尺寸精度要求比较大；②非工作状态下，其外形尺寸没有变化，占用钻井平台空间大，旋转空间大；③设计前，必须结合钻井平台布置图，可根据用户需求设计具体尺寸，每台设备对于不同钻井平台没有较好兼容性。

1.3 Cameron公司和TSC公司的仿手臂式泥浆防喷盒

Cameron公司的MB 7-H型泥浆防喷盒和TSC公司生产的一款泥浆防喷盒都是仿手臂式，如图3和图4。现以Cameron公司的MB 7-H型泥浆防喷盒为例进行分析介绍。仿手臂式泥浆防喷盒主要由底座、支撑液压缸、仿生手臂、闭合液压缸、泥浆盒等组成。底座通过螺栓固定在钻井平台上，支撑液压缸一端铰接在底座上，一端铰接在仿生手臂②，仿生手臂两部分和支撑液压缸构成典型摇杆滑块结构，仿生手臂①一端和仿生手臂②铰接，另一端固定泥浆防喷盒，通过闭合液压缸控制泥浆盒开启和关闭[10～12]。

在钻井起钻铁钻工解扣后，支撑液压缸使仿生手臂展开，带动泥浆盒与井口中心对正，此时闭合液压缸伸出使泥浆盒闭合，顶驱提起钻杆，钻杆中泥浆液进入泥浆盒，通过泥浆排液管进入泥浆池；操作完毕后，闭合液压缸缩回，泥浆盒打开，支撑液压缸缩回，整体归位。

结合图3和图4可以看出：①仿生手臂由两部分组成，仿生手臂内部是由平行四边形结构组成，整体伸出或者缩回时，泥浆盒与平台垂直度不变，对中稳定，工作可靠；②收回时，其水平尺寸有大幅度减小，能合理利用钻井平台空间；③可水平伸缩不同尺寸，对于钻井平台的兼容性较好，也可根据客户要求具体设计尺寸。

1.4 MHWirth公司的CBT型平行四边形伸缩式泥浆防喷盒

MHWirth公司的CBT型平行四边形伸缩式泥浆防喷盒主要由底座、旋转支撑、立柱、支撑液压缸、平行四边形伸缩臂、闭合液压缸、泥浆盒等组成，如图5所示。底座通过螺栓固定在钻井平台上，伸缩臂一端铰接在立柱上，另一端固定有泥浆盒；支撑液压缸一端铰接在立柱上，一端铰接在伸缩臂上；闭合液压缸铰接在泥浆盒两侧，立柱和底座之间连接有旋转支撑，立柱及其其他部分可以相对底座旋转一定角度。从图5可以看出，其伸缩臂采用整体式平行四边形结构，和仿生手臂的结构原理相同[13,14]。

图3 Cameron公司MB 7-HN泥浆防喷盒 图4 TSC公司仿手臂式泥浆防喷盒 图5 MHWirth公司CBT型泥浆防喷盒

在钻井起钻铁钻工解扣后，支撑液压缸使平行四边形伸缩臂展开，泥浆盒水平移动并井口中心对正，此时闭合液压缸伸出使泥浆盒闭合，顶驱提起钻杆，钻杆中泥浆液进入泥浆盒，通过泥浆排液管进入泥浆池；操作完毕后，闭合液压缸缩回，泥浆盒打开，支撑液压缸缩回，整体归位。从工作过程可以看出：①平行四边形伸缩臂和仿生手臂一样，能够很好保证泥浆盒的垂直度，能很好确保泥浆盒的同心对中；②收回时，水平尺寸减小更多，占用空间小；③可水平伸缩不同尺寸，对于钻井平台的兼容性好，也可根据客户要求具体设计尺寸；④底座上安装有旋转支撑，具有自支撑式泥浆防喷盒的部分特点。

1.5 NOV公司的嵌入式泥浆防喷盒

图6 NOV公司嵌入式泥浆防喷盒 图7 NOV公司ARN270铁钻工和嵌入式泥浆防喷盒

NOV公司的嵌入式泥浆防喷盒由固定支架，摆动支架，摆动液压缸，泥浆盒，闭合液压缸，泥浆排液管6大部分组成，如图6所示。嵌入式泥浆防喷盒作为一个功能模块，嵌入在铁钻工中，图7是NOV公司ARN270铁钻工，嵌入有泥浆防喷盒模块。固定支架悬挂固定在铁钻工左侧或右侧，摆动支架一端铰接在固定支架上，另一端铰接泥浆盒，摆动液压缸控制摆动支架旋转角度，闭合液压缸控制泥浆盒的开启和闭合[15,16]。在利用ARN270铁钻工时，嵌入式泥浆防喷盒在钻井起钻铁钻工解扣后，铁钻工张开并后退，摆动液压缸①和摆动液压缸②分别带动摆动支架①和摆动支架②旋转相应角度，保证泥浆盒和井口的同心对中，之后闭合液压缸伸出使泥浆盒闭合，顶驱提起钻杆，钻杆中泥浆液进入泥浆盒，通过泥浆排液管进入泥浆池；操作完毕后，闭合液压缸缩回，泥浆盒打开，两摆动液压缸缩回，整体归位。结合图6和图7可以看出：①嵌入式泥浆防喷盒作为一个功能模块，镶嵌在铁钻工中；②和铁钻工形成整体后，占用的空间小；③嵌入式泥浆防喷盒对于不同钻井平台兼容性好，其尺寸固定不需根据客户需求，个性化定制。

2 国外产品技术参数对比

国外公司的泥浆防喷盒在结构原理及技术上各有特点，其技术参数对比如表1所示。

2.1 结构形式

翻转式泥浆防喷盒使泥浆盒由水平变为垂直，同时改变泥浆盒与底座的水平距离，从自动化泥浆防喷盒缩回时的外形尺寸来看，NOV公司嵌入式泥浆防喷盒和MHWirth公司CBT-MB型水平伸缩式泥浆防喷盒对于钻井平台空间利用最好；其中嵌入式防喷盒的伸出臂更为简单，其重量最轻。

表1 国外自动化泥浆防喷盒技术参数对比

2.2 与钻井平台兼容性

自动化泥浆防喷盒都可根据客户需求修改，翻转式和自支撑式泥浆防喷盒一旦安装，其对于井口位置唯一固定，与钻井平台兼容性差；平行四边形伸缩式和仿手臂式泥浆防喷盒其伸缩臂水平方向距离可以调节，特别是MHWirth公司CBT-MB型水平伸缩式泥浆防喷盒，结合了自支撑式泥浆防喷盒和仿手臂式泥浆防喷盒优点，与钻井平台兼容性较好；但嵌入式泥浆防喷盒作为一个功能模块，可嵌入在铁钻工中，对钻井平台兼容性最有优势。

3 结语

自动化泥浆防喷盒是海上钻井平台必须的设备，国内宝鸡、宏华等石油设备制造公司有对应的自动化泥浆防喷盒，通过对国外产品的对比分析发现：

1)海洋钻井平台对于设备空间的合理利用有较高要求，嵌入式泥浆防喷盒对于钻井平台的兼容性好，重量轻，占用空间小，通过更换密封圈能够适应不同钻杆，嵌入式是自动化泥浆防喷盒发展趋势。

2)刮泥器作为钻井平台上的一种小设备，防止钻杆带出泥浆液飞溅到平台，与泥浆防喷盒有相同的作用、相似的结构，可将其简化成一个功能模块嵌入到泥浆防喷盒内，实现设备多用途化。

3)设计自动化泥浆防喷盒时，需结合相应的钻井平台适用性和设备实用性，形成模块化，实现与其他钻井平台上设备的兼容和配套，使之适应不同钻井平台。

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