海洋钻井平台泥浆防喷盒的发展概述和现状分析*

2015-05-11樊雪燕赵世刚

机械研究与应用 2015年6期

樊雪燕，赵世刚，豆乔

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司青岛分公司，山东青岛 266520)

0 引言

在石油钻井作业过程中，泥浆防喷盒主要用于在起下钻拆卸钻具的过程中，防止泥浆喷溅、污染钻台。泥浆防喷盒能将卸下的立柱内残存的泥浆循环利用，保持钻井平台台面的清洁，提高工人在转盘附近工作的安全性，并且同时回收泥浆，节约成本，故泥浆防喷盒是海洋钻井平台钻机自动化管具处理系统必配设备之一。

1 发展过程

随着钻井工艺和技术的不断提高，泥浆防喷盒的发展也经过了人工操作、半自动化、自动化三个阶段。

1．1 人工操作阶段

早期的泥浆防喷盒被叫做泥浆桶，是石油钻采常用的一种设备，靠人工手动操作使用，结构如图1所示。泥浆桶是由钢管或铸件焊接成型，质量重，上端有两个吊耳，泥浆桶底部侧面有专门的导流管，需与胶管连接来实现钻井泥浆的回收［1］。在起钻过程中，钻杆卸扣后泥浆桶用钢丝绳吊起，人扶着靠近井口并手动打开泥浆桶，抱紧钻柱，回收泥浆。存在的问题:工人在井口附近手动操作，工作效率低且风险性高;活动受导流管的限制，操作不灵便。

1．2 半自动化阶段

半自动化的泥浆防喷盒对泥浆桶进行改进和优化，考虑了更多的安全因素，结构如图2所示。该结构泥浆桶的开合方式由手动开合变为气动控制开合，实现半自动化，提高了工作效率;在泥浆桶的外部增加了框架，即能防止泥浆桶的工作部分受到外部碰撞损坏也能保护操作工人远离泥浆喷溅点，安全性更高。

图1 人工操作的泥浆防喷盒

图2 半自动化的泥浆防喷盒

1．3 自动化阶段

海洋钻井技术的不断提高以及海洋钻井平台钻井工艺的不断成熟，促进了海洋钻井平台配套设备的机械化自动化程度越来越高。海洋钻井平台空间有限，钻台工人工作危险系数高。为了提高钻台工人的安全性、节省人工成本、提高钻井效率，半自动化的泥浆防喷盒逐渐发展成了自动化的全液压驱动泥浆防喷盒。它实现了远程控制、无须人工操作、实现泥浆循环回收等功能。

2 现状分析

目前，国内外的多家石油装备制造商已设计生产出自动化的全液压驱动泥浆防喷盒，并集成到管具处理系统中。国外公司有NOV国民油井公司、TSC公司、Cameron公司、挪威Aker Solutions公司等，国内公司有宝鸡石油机械有限责任公司、四川宏华石油设备有限公司等。通过对这些公司产品的调研，自动化的泥浆防喷盒从伸缩方式上可以分为翻转式泥浆防喷盒和伸缩式泥浆防喷盒两大类。

2．1 翻转式泥浆防喷盒

如图3所示为翻转式泥浆防喷盒的典型结构。该结构主要由底架总成、翻转臂、支撑杆、翻转液压缸、开合液压缸、泥浆筒体、泥浆集液管等组成。泥浆防喷盒底架嵌入钻台安装，翻转臂液压缸两端通过销轴分别与底架总成和翻转臂相连，翻转臂两端分别连接底架总成和泥浆筒体，开合液压缸的伸缩控制泥浆筒体的闭合与打开，筒体内壁上下均设有密封装置，能够回收钻具内泥浆，并且将收集的泥浆通过集液管输送回泥浆仓［2］。

工艺流程:在钻井起钻过程中，铁钻工卸扣后，上部钻杆不提起，泥浆筒体打开，翻转液压缸伸出推动翻转臂使泥浆筒体由水平状态变为竖直，泥浆盒筒体闭合并抱紧钻杆，上部钻杆缓慢提起，泥浆通过集液管回收到泥浆池中，泥浆筒体打开，翻转液压缸缩回拉动翻转臂使泥浆筒体由竖直状态变为水平，泥浆防喷盒完成一次作业。

主要结构特点:将翻转臂、支撑杆和泥浆筒体设计成稳定的三角形结构，整体刚性好，能够保证泥浆筒体工作时精确的垂直度，同时配合翻转液压缸对翻转臂的翻转角度的精确控制，显著提高了泥浆筒体与井口之间位置的精准度，保证了泥浆筒体的工作稳定性;适用钻杆直径范围大;泥浆筒体从竖直状态变为水平，泥浆无残留、泥浆回收性好;全液压控制，动作安全、平稳。非工作状态时，占用钻台面积大;基座中心距泥浆筒体中心的距离是固定的，结构可变性小。

2．2 伸缩式泥浆防喷盒

伸缩式泥浆防喷盒主要由基座总成、伸缩臂、支液压缸、开合液压缸、泥浆筒体、泥浆集液管等组成。基座总成安装在钻台面上，支伸液压缸两端通过销轴分别与基座总成和伸缩臂相连，伸缩臂两端分别连接基座总成和泥浆筒体，泥浆筒体的闭合与打开也是通过开合液压缸的伸缩控制的。泥浆筒体底部留有至少一个泥浆回收接口，通过由壬与集液管连接，实现泥浆的回收。

图3 翻转式泥浆防喷盒

主要结构特点:适用钻杆直径范围大;伸缩行程长且有可变性，可通过改变杆件的长度来满足客户的需要;可根据钻台现场布局来选择泥浆筒体底部的泥浆回收接口位置、方向或接口数量。

工艺流程:在钻井起钻过程中，铁钻工卸扣后，上部钻杆不提起，泥浆筒体打开，支伸液压缸伸出推动伸缩臂伸出，泥浆筒体闭合并抱紧钻杆，上部钻杆提起泥浆通过集液管回收到泥浆池中，泥浆筒体打开，支伸液压缸缩回带动伸缩臂缩回到原始位置，泥浆筒体闭合，泥浆防喷盒完成一次作业。

伸缩式泥浆防喷盒从伸缩臂结构方式上又分为平行四边形伸缩式和仿生手臂伸缩式，两者在结构上有一定的区别。

2．2．1 平行四边形伸缩式泥浆防喷盒

如图4所示为平行四边形伸缩式泥浆防喷盒的典型结构，结构原理为可变形的平行四边形结构。

图4 平行四边形伸缩式泥浆防喷盒

该伸缩臂主要结构特点:框架结构，制造加工工艺简单，生产成本低;操作简单、安装方便，整体刚性好;结构不复杂，有可变性，能保证泥浆筒的垂直度，保证泥浆筒的工作稳定性［3］。完全缩回状态的尺寸不小，占钻台面积大，不能很好的节约空间;泥浆筒体下端与钻台面的高度差不大，存在泥浆残留、泥浆回收不干净的问题。

2．2．2 仿生手臂伸缩式泥浆防喷盒

如图5所示为仿生手臂伸缩式泥浆防喷盒的典型结构，结构原理为双平行四边形等腰梯形结构。

主要结构特点:仿生手臂是中空立方体结构，主要由等长、中空的连杆组成，重量低，更适合海洋钻井平台的作业环境;伸缩行程比可变形的平行四边形机构的行程短，结构有可变性，可通过改变连杆、液缸的位置满足客户的需要;布局紧凑，缩回后占地面积小，节约钻台空间;在安装精度保证的情况下，扶正夹持钻具时的对中性也可以保证［4］。伸缩臂的伸缩行程比可变形的平行四边形机构的行程短;也存在泥浆残留、泥浆回收不干净的问题。