超长服役泥浆泵进行大位移井作业的能力评估与机组改造建议

摘  要：针对东海某大位移井对泥浆泵机组能力的要求，优化了泥浆泵检测体系，构建了以外观与符合性检查、振动速度监测及水马力测试为主要内容的超长服役泥浆泵能力检测体系。以相应国家行业标准为准绳，确定了评估方法与比对标准。按构建的检评体系对东海某平台超长服役泥浆泵能力进行了理论与综合评估，提出了相应改造措施，实践证明该检评体系具有较强的可操作性，制订的经济可行的改造措施得到大位移井項目组的肯定，目前正在组织实施。

关键词：泥浆泵；能力；检测；评估；超长服役；改造

东海海域某平台欲利用平台模块钻机进行一口7430m大位移井作业，考虑平台两台PZL-11型泥浆泵在海洋环境服役超过26年，尽管平时维保工作及时，在以往小型修井作业中表现良好，但在大位移井作业时，该超长服役的泥浆泵能否在高压力、大排量环境下长时、可靠的进行工作是摆在钻井工程师面前的一道难题，急需对其能力进行检测评估并根据评估结果进行相应改造。

1 超长服役泥浆泵能力检测评估体系优化

1.1 理论能力评估

借助机组供液能力计算与大位移井钻井要求比对以评估机组理论供液能力，由于泥浆泵通过剪切销限制了泵出口压力，因此只需计算泵排量即可。

（1）

式中QS—泥浆泵的理论排量，m3/min； Z—缸数； A—缸套内横截面积，m2； L—冲程长度，m ；n—冲次，/min。

1.2 超长服役泥浆泵检测体系优化与评估指标

泥浆泵是钻井液循环系统的关键设备，其供液能力与可靠性直接关系到钻井过程的安全和效益[1]。泥浆泵性能检测方式主要有外观与符合性检查、解体检查、状态监测 [2]、疲劳监测与分析 [3]、振动速度监测 [4]及水马力测试等。解体检查工艺复杂，成本较高；状态监测主要用于指导泥浆泵预测维修；疲劳监测与分析准确性有待提高；但外观与符合性检查、振动速度监测与水马力测试应用相对简单，可发现泥浆泵绝大多数内外在问题，包括泥浆泵动力端与液力端存在的问题，成本相对较低。大位移井钻井周期一般在90天左右，要求机组能在高压力、大排量环境下长时、可靠的进行工作。比较上述泥浆泵性能检测方式，宜以外观与符合性检查、振动速度监测及水马力测试构建超长服役泥浆泵能力检测体系，该体系既考虑了泥浆泵能力检测评估涉及的主要技术，又考虑了检评过程的经济性，可操作性较强。

1.2.1外观与符合性检查表的制订

按照SY/T 6918-2012 石油天然气工业钻井和修井设备钻井泵、API SPEC 7K钻井与修井设备规范等标准及《海洋钻井手册》等制订了泥浆泵外观与符合性检查表，具体内容与要求见表3。

1.2.2振动速度监测与评估

按GB/T13824—2015旋转与往复式机器的机械振动对振动烈度测量仪的要求、JBT8541-1997往复活塞压缩机机械振动分级等标准要求，监测泥浆泵出口垂直与水平方向的振动速度的时间历程，从而确定泥浆泵等级。其分级标准为：振动速度有效值小于2.8 mm/s评价为A级，在2.8-7.1 mm/s之间评价为B级，在7.1-18 mm/s之间评价为C级，大于18mm/s评价为D级。

1.2.3水马力测试与评估

利用模块钻机司钻房仪表监测泵出口压力与泵冲，泵出口水马力按公式2计算。

W=16.67×P×QS = 16.67×P×Z×A×L×n                        （2）

式中，W-泵出口水马力，KW；P-泵出口压力，MPa；

将极限工况下的泵出口水马力计算结果与泥浆泵额定值比较即可确定泥浆泵供液能力极限。

2 东海某平台超长服役泥浆泵能力评估与机组改造建议

东海某平台欲利用平台模块钻机进行一口7430m大位移井作业，大位移井设计为三段，17-1/2〞井段井深2171m，要求泵压21 MPa，排量4.00 m3/min；12-1/4〞井段钻进3440m，要求泵压27.5 MPa，排量3.45 m3/min；8-1/2〞井段钻进1819m，要求泵压27.5 MPa，排量1.90 m3/min。根据《海洋钻井手册》之规定，推荐在所用的钻井泵的总功率及排量满足作业的前提下备用一台钻井泵，一般要求在泵压27.6MPa（4000psi）条件下，排量达到4.5 m3/min。

东海某平台现有2台PZL-11泥浆泵， 在海洋环境服役超过26年，主要技术参数为：额定功率1193KW（1600HP），冲程305mm，额定冲次115冲/min。

2.1平台现有泥浆泵理论排量及泵压评估

按式1计算了PZL-11泥浆泵的理论排量，结果列于表1。

根据大位移井对钻井排量及压力的需求，考虑安全剪切销的剪切压力，选用6-1/2〞缸套钻17-1/2〞井眼，选用6〞缸套钻12-1/4〞与8-1/2〞井眼，若取泥浆泵效率95%，两台泥浆泵泵压与最大排量计算结果见表2。

可见，某平台两台泥浆泵在极限冲次的情况下，理论出口压力与排量都大于大位移井钻进所需的压力与排量，因此理论上满足大位移井钻井的要求。

对于《海洋钻井手册》推荐的大位移井泵压27.6 MPa， 排量4.5 m3/min的要求，由于平台泥浆泵理论泵压可以达到34.5 MPa，因此泵压可以满足大位移井的要求，但由于排量尚有些许差距，因此某平台现有的两台泥浆泵理论上只能勉强满足大位移井的钻井要求。

2.2 某平台泥浆泵现状及性能評估

为了解某平台泥浆泵的现状，按优化的检测体系对某平台泥浆泵进行了检测评估。

2.2.1某平台泥浆泵外观与符合性检查分析

从表3检查结果看，某平台泥浆泵现状不错，1#泥浆泵有1项不符合要求，而2#泥浆泵有2项不符合要求，但都不涉及泥浆泵核心部件，可通过加装盖板或通过维修进行改善。

2.2.2泥浆泵液力端振动测试

采用UT90002振动测试分析仪，对某平台2台泥浆泵液力端在不同工况下垂直方向（A通道）与水平（B通道）的振动速度进行了测试，工况情况见表4，其振动速度有效值分布情况见图1。

从图1可见，某平台两台泥浆泵在垂直与水平方向的振动速度有效值最大不超过7.1 mm/s，但有部分工况超过了2.8 mm/s，因此从振动速度视角对平台两台泥浆泵评价为B级，说明平台两台泥浆泵主电机、液力端、动力端、灌注泵及泥浆泵上水、排水管线等性能维持不错，整体状态尚好。

2.2.3泥浆泵水马力测试

为进一步检验某平台泥浆泵的性能，借助平台高压管汇，采用联合运转测试的方式分别对1#、2#泥浆泵（缸套直径6 -1/2〞）开展了水马力测试工作，结果见图2、图3。

从图2、3可见，泵出口水马力大小可以通过调节泵冲实现。按拟合的回归方程，1#泥浆泵在94冲次/min时，泵压达到27.4MPa，此时出口水马力为280.15 kW；2#泥浆泵在107冲次/min时，泵压达到27.4 MPa，水马力为318.89 kW。由于1#、2#泥浆泵均未在115额定冲次时就能达到27.4 MPa泵压，由此判定平台两台泥浆泵水马力测试合格，目前泵主体状态正常、性能维持较好。鉴于1#泥浆泵在较小冲次时就可达到设计泵压，说明1#泥浆泵状态比2#泥浆泵好，2#泥浆泵液力端磨损相对严重。

2.3某平台泥浆泵机组综合评估

从上述理论计算、检查分析与测试过程及结果看，尽管某平台两台泥浆泵理论上勉强满足大位移井的钻井要求，外观与符合性检查情况尚好，动力端的运动性能正常，液力端振动测试结果可接受，泵出口也能达到设计压力与排量，但由于两台泥浆泵在平台运行超过26年，液力端存在磨损现象，难以保证在大位移井作业期间长期正常运行的可靠性，而且机组不满足《海洋钻井手册》推荐的大位移井排量达到4.5m3/min并备用一台泥浆泵的要求，因此断定某平台泥浆泵难以满足大位移井高负荷、长周期的作业要求，需要进行设备改造。

2.4机组改造建议

原则是在满足大位移井钻井工艺要求的情况下，重点考虑经济性。由于检查过程中发现2#泥浆泵冷却风机已损环，且水马力测试在较大冲次时才能达到额定出口压力，因此提出拆除2#泥浆泵、购置安装一台国产F-1600型新泥浆泵同时租用一台F-1600型泥浆泵的改造方案。该方案中三机互为备用，在满足大位移井作业要求的同时，如果利用租用的泥浆泵与购置安装的新泥浆泵为主进行循环则可兼顾工艺与经济性，可靠性有保证。与此同时，大位移井作业结束后新安装的泥浆泵对今后平台钻修井作业循环系统能力也提供了有力保障。

结语

大位移井是海洋石油发展的趋势之一。针对东海某大位移井对钻井泥浆泵机组的能力要求，优化了泥浆泵能力检测体系，确定了相应监测评估方法与比对标准，并对某平台泥浆泵机组供液能力进行了理论与综合评估，实践证明该检评体系具有较强的可操作性，易于在平台组织实施。 针对评估结果提出了经济可行的改造方案，得到大位移井项目组领导与技术人员的肯定，目前正在组织实施。超长服役泥浆泵能力检测评估过程结果及机组改造应用说明最大化利用平台现有设备进行大位移井作业技术上可行，经济上合理，但大位移井作业对泥浆循环系统等的能力要求较高，需要根据评估结果进行相应改造。

参考文献：

[1]王新怡.高压泥浆泵的可靠性分析与研究[D].河北工程大学，2017：1-3.

[2] 贾登，骆学理，王施权，等. 钻井泵和绞车在线监测和故障诊断系统研究[J].石油化工自动化，2022，58（5）：25-28.

[3]刘依路.高压注射泥浆泵的疲劳可靠性分析及寿命预测[D].重庆交通大学，2013：68-69.

[4]肖建华，周波，陈安龙，等. 泥浆泵舱甲板振动测试与控制[J].船海工程，2019，48（1）：9-11.

作者简介：王全亮（1969—  ），男，1992年7月毕业于中国石油大学矿机专业，工程师，主要从事海洋钻修设备技术与管理工作。