钻井液处理剂自动添加与混合技术

肖建秋，张全立，杨 晖，邵 强

（1.中国石油集团 工程技术研究院有限公司，北京102206；2.中国石油集团 油田技术服务有限公司，北京100007）①

为了保证钻井液的性能稳定及适应各种情况下钻井工艺的要求，需向正在使用的钻井液中添加钻井液处理剂，以满足随时配置、调节和维护、改善钻井液性能的需求。目前，我国的钻井液处理剂种类有上千种，分为固体和液体，一般采用袋装或桶装，在油田现场主要靠人力搬运和手动添加。这种操作方式存在很多问题：①人工割袋和添加费时费力，且粉状扬尘吸入人体内，可能会影响钻井液员工的身体健康；②手动添加会受人为因素影响，难以准确控制添加速度，易造成钻井液处理剂的沉淀；③粉状钻井液处理剂野外添加作业时，受天气影响难以避免对环境造成污染及物料的浪费。采用先进的钻井液处理剂自动加料技术，密闭输送可以解决以上问题，提供优质钻井液，实现安全、优质、快速地钻井。本文阐述了钻井液处理剂自动加料及混合技术的起源、发展、及现有成熟产品的工艺技术，分析了该技术的发展趋势，以期为我国钻井液自动添加技术提供借鉴。

1 钻井液处理剂自动加料技术起源

1984 年，挪威水力钻探部门（Norsk Hydro Drilling Sector）借鉴化工行业粉料的高精度自动化处理和混合技术，启动了前期研究，随后进行了先导性试验，最先开启了钻井液处理剂自动加料和自动混合技术的探索。该混合系统包括3个部分［1］：

1） 供料站。

在近海陆地供料站处，液态、固态的钻井液处理剂被罐装于喂料罐，这些喂料罐被运输到海上钻井平台，连接到钻机的钻井液混合系统喂料站上。

2） 混合设备。

主要部件包括螺旋输送机、泵、管汇、混合漏斗。

3） 计算机控制系统。

该系统是一个基于容器（即喂料罐）的喂料站，喂料罐可通过快速连接安装在喂料站上。喂料罐的数量和容积取决于所需要添加的处理剂的种类和数量。1985年，该钻井液自动化混合系统配置在Polar Pioneer、Teasure Hunter、Vildkat 3个钻井平台上，先后在挪威北海的Oseberg油田共进行了14口井的试验。

图1为Polar Pioneer钻井平台上的工艺布局。喂料站可处理10种不同的处理剂。每个喂料罐下方都有1个小型螺旋输送机，用于将罐中的处理剂输送至2个主螺旋输送机，这2个主螺旋输送机分别通向循环罐和储备罐的混合漏斗。系统共有3个混合漏斗：第1个用于将重晶石输送入储备罐；第2个用于将处理剂或膨润土输送到储备罐或预处理系统中（膨润土的预水化）；第3个用于重晶石或处理剂输送至循环罐。主螺旋输送机下游安装了4个容积泵，用于输送液体处理剂。在2个主漏斗的文丘里管下游安装在线搅拌器，防止聚合物结块。

图1 POLAR PIONEER 钻井平台钻井液处理剂混合系统工艺流程

尽管该系统试验过程出现了许多问题和困难，但验证了钻井液自动加料和混合的可行性。试验过程也积累了许多宝贵经验：喂料罐中的物料会吸潮，长期不用需倒灌处理；喂料罐在运输及储存过程中易磨损，建议喂料罐采用玻璃纤维或硬塑料材质；建议将破袋机放置于钻井平台或钻机上，可降低喂料罐的维护成本，减少每个钻井装置所需的喂料罐数量；对于某些处理剂用吨袋包装代替小袋包装，可减少运输费用。

2 钻井液处理剂自动加料技术发展

第1代自动钻井液处理剂自动加料和混合系统是基于容器式的解决方案，开启了钻井液工艺过程自动化的先河和技术革新，带动钻井液处理系统向自动化、节能环保、减轻劳动力的方向发展。该自动化钻井液处理系统具有可同时混输多种处理剂的优点。但存在一些局限性，例如需要配备专业的基地供料站和喂料罐的运输、贮存和维护条件；需要预研究，以便确定喂料罐的数量和总容积；每个喂料罐均需配1台动力机和螺旋输送器，系统过于复杂、庞大；需要处理剂的种类较多时，占地面积过大。

随着人们对质量、安全性、环保、经济性、效率、可操作性和人体工程学的重视，钻井液处理的自动化技术越来越被重视，研究从未间断。

2.1 挪威北海区块钻井平台上的海上演示系统

2011年的SPE／IADC 139943 中介绍了NOV（National Oilwell Varco）为Seawell研制的“钻井液自动化海上演示系统”［2］，该演示系统在挪威北海区块的钻井平台上进行了现场性能试验。该系统的工艺技术流程如图2所示，包括散装系统、钻井液混合系统、液体添加剂系统和低压钻井液混合循环系统4个子功能系统。

图2 NOV-Seawell的“钻井液自动化海上演示系统”工艺流程

1） 散装系统。用量大的干散粉料，例如膨润土、重晶石等处理剂通过气动方式从供应船（或陆上钻机上的卡车或火车）输送至储罐。当需要添加时，储罐中的物料被空气加压后输送到指定的目的地，例如缓存罐、高速搅拌机、或钻井液罐等。在输送过程中，旋风分离器将空气从较大的尘埃颗粒中分离，收集在收集罐中。无法收集的细小颗粒随空气排放到外部安全区域，收集罐中回收的粉料可以再利用。缓存罐下有一个旋转落料阀，用于控制和调节添加的数量和速率。

2） 钻井液混合系统。其作用是将干粉料混合到钻井液中，混合系统包括小袋破袋机单元、吨包破袋机单元和喷射式混合漏斗。小袋和吨包中的粉粒处理剂经破袋机自动破袋后，通过可调速加药螺旋机投加到漏斗，经喷射器的射流作用，局部形成真空，将粉末吸入到流体中，增强了混合效果。用可调螺旋输送机控制物料添加速率。

3） 液体添加剂系统。其功能是用液体添加剂泵从散装容器（IBC）、液体桶中添加所需的液体添加剂，以获得各种特性的钻井液。某些液体聚合物和油润湿剂需要少量使用，为了保证钻井液混合均匀，准确供应化学液体添加剂非常重要。

4） 低压泥浆混合循环系统。使用离心泵把钻井液混合系统、液体添加剂系统、散装系统中的处理剂添加到钻井液混合罐，再通过混合装置（喷射器）把混合罐中的液体反复循环，直到达到所需的泥浆性能。

这些子功能系统可单独应用，也可组合实现特定的功能需求，例如处理剂的自动输送功能、钻井液的密度自动调节功能、自动钻井液混合功能。

2.2 New Xle Jack-ups自升式平台上的系统

2014-08 至2015-02，NOV 公 司 为 Maersk Drilling研制的DORS 系统［3］，在马士基无畏号上（Maersk Intrepid）的3个自动化的New Xle Jackup自升式平台进行试验，经过改进，不间断服务。该钻井液自动输送系统布局如图3所示。系统包括散装粉料系统、钻井液混合系统、存储和泵送系统，贮存和泵送系统由钻井液罐、泵和一系列进出液体的管汇组成。

图3 DORS系统钻井液工艺流程

2.3 国内钻井液处理剂自动添加及混合技术研究现状

近年来，我国十分重视钻井液处理技术的革新。川庆钻探工程公司研制的气动充填加料系统［4］，实现了重晶石、膨润土、石灰石粉等用量大的处理剂正压气力自动化输送，已经在部分油田成功应用，效果良好。一些用量稍大的盐类处理剂采用吨包包装和运输，添加时吊机吊运，人力划破吨包袋后靠重力添加至混合漏斗或钻井液罐，钻井液工的劳动量大幅降低，但不能实现准确控制加料速度。小袋装及桶装液体的处理剂还是靠人力搬运和手动添加，添加速度受人为因素影响，对人的健康和环境有不利影响。随着人们HSE 意识的增强，钻井液处理剂自动加料技术研究也逐步得到重视［5-10］，但目前还没有成熟的产品规模应用。

3 现有钻井液处理剂自动添加及混合系统

目前能提供钻井液自动混合及加料系统的主要厂家有：丹麦的OFFSHORE SYSTEM 公司、美国的NOV、美国的Schlumberger的CAMERON 公司等。3家公司的钻井液自动化系统原理相同，工艺流程大同小异，但又各具特色。

3.1 OFFSHORE SYSTEM 公司的钻井液混合系统（MUD MIXING SYSTEM）

丹麦Offshore System 公司所提供的钻井液自动混合系统是一个体系完整的钻井液混合系统。系统布局如图4所示，包括缓存罐散装系统（SURGE TANK）、破 袋 机 系 统（SACK SLITTING MACHINE）、液体添加剂注入装置（LSCI-CHEMICAL INJECTION）、碱混合机（CAUSTIC MIXER）。该系统是完全自动化的，由PLC 控制，拥有人机界面［12］。

图4 Offshore System 公司钻井液自动混合系统

3.2 CAMERON 公司的钻井液自动混合系统

CAMERON 公司所提供的钻井液自动混合系统的工艺流程如图5所示［13］。包含以下子系统：散装单元（重晶石／膨润土）、吨袋加料单元（BBG）、小袋破袋机加料单元（SDU）、液体添加剂系统（LAS）。包袋搬运可应用袋搬运机器人技术。各个单元自成独立系统，可根据需要进行产品组合，这使得钻井液混合和添加剂的操作更智能、安全、准确。

图5 CAMERON 公司钻井液自动混合系统工艺流程

3.3 NOV 的钻井液自动混合系统

NOV 公司所提供的钻井液自动混合系统的空间布局如图6所示。处理剂自动加料和混合单元主要包括：散装单元、吨包单元、破袋机单元、液体单元［14］。系统的集成度较高。

4 认识与思考

钻井液处理剂自动加料和混合的试验从1984年开始，历经不断发展，取得了钻井液处理工艺过程的重大进步；解决了钻井液处理剂自动添加和混合的问题，减轻了钻井液工的体力劳动，改进HSE 问题；减少混合时间，提高效率；提高了钻井液质量。

图6 NOV 的钻井液自动混合系统空间布局

1） 随着钻井液处理剂种类的增多和物料自动化输送技术的发展，钻井液处理剂自动加料和混合技术由最初的基于容器的输送方式，发展为更加灵活的散装气力输送单元、吨袋单元、小袋单元、及液体添加剂单元等多种输送方式的组合，通过自动化控制程序，可以实现自动调节密度、自动混浆、自动输送等多种功能。

2） 我国的钻井液处理工艺近年发展很快，新性能的钻井液处理剂不断涌现，种类繁多，物理化学性质差别较大。欲使这些处理剂发挥最大效能，钻井液配置及维护时应根据处理剂的理化性质合理控制和调整添加速度。钻井液处理剂自动化加料和混合技术的研究，对提高钻井液的性能，减轻钻井液工的劳动强度、安全环保、避免物料浪费都具有重大意义。

3） 我国钻井液处理剂自动添加剂及混合技术的发展应立足我国实际现状，借鉴和学习国外成熟的先进经验。目前已实现重晶石、石灰石粉、膨润土等用量大的散装粉料正压气力自动化输送，现场需要解决的是吨袋、小袋装及液体添加剂的自动化加料问题。

4） 我国的物料自动输送和混合技术与国际相比无明显差距，钻井液处理剂自动加料技术的提高在技术水平上不存在困难，需要克服的是人们对传统操作习惯的依赖，提高对自动化技术的认识程度。