佟国志，王 帅，宁 俊

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

深水钻井船高压泥浆系统的设计

佟国志，王 帅，宁 俊

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

以“大连开拓者”深水钻井船为例，介绍了深水钻井船高压泥浆系统的设计方法，总结了高压泥浆系统在材料选择时需注意的特殊要求，为其他类似海工产品高压泥浆钻井系统的设计提供了经验。

深水钻井船；高压泥浆系统；设计

0 引言

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。钻井工程作业也随之在浩瀚的海洋中进行。随着浅海石油勘探逐渐饱和，海洋石油勘探逐渐走入深水区域，深水钻井船或钻井平台的研究方兴未艾，而深水钻井系统中的高压泥浆系统是其中的核心系统，高压泥浆系统的功能能否实现是关系着平台钻井功能能否实现的重要因素。本文以“大连开拓者”号钻井船为背景，就深水钻井船高压泥浆系统的设计及材料选择做一探讨和总结，以期为相关设计人员提供参考。

1 高压泥浆系统的设计

本系统的主要功能是将高压泥浆泵入井口实现泥浆的循环（图1），可以用于驱动流体带动高速混合器或输送高压海水到燃烧臂等，也可作为隔水立管增压管线连接至深水立管增压阀。系统的设计压力基于最大排出压力51.7MPa，此时的流量最低，缸套尺寸最小。当使用不同的缸套，输出压力和流量就会随之变化。如果泥浆泵用作其他的用途，如上面提到的情况，那么需要考虑在排出管线上安装压力调节器或安全卸压阀。

图1 高压泥浆系统流程图

高压泥浆泵是本系统的关键设备，又是钻井液循环系统的核心动力。泥浆泵产生的压力推动着泥浆在地上和地下部分循环，从而实现钻头润滑和冷却、岩屑排出等功能。考虑海上钻井作业高成本和高危险的特点，必须通过科学合理的系统设计来保障泥浆泵的稳定、可靠和安全运行。

高压泥浆系统通常包含三或四台高压三级单作用泥浆泵（图2），其最大的输出功率1640kW，并与低压泥浆送料泵对应使用，一般情况下有一台泥浆泵作为备用。几台高压泥浆泵的出口通常设计为阀组的型式，以保证任何两台高压泵均可选择为工作泵，其它为备用泵使用。且泥浆泵出口阀组设计为有两根高压排出总管将高压泥浆输送至钻台上的双立管管汇，以达到互为备用。同时系统内的阀门均选择51.7MPa高压泥浆闸阀，通常不选择其他类型的阀门，如高压球阀等。

图2 三缸单作用高压泥浆泵

高压泥浆泵通常设有一个三开口的吸入管汇，吸口管线只可以选用闸阀或者蝶阀；泵出口装有排出管汇，并用于连接十字滤器、减震器、压力释放阀、出口压力表等；动力端分齿轮和皮带传动两种形式；高压泥浆泵及其关联的设备受司钻控制；根据厂家要求在高压泥浆泵的进口端需要安装安全阀，且不同厂家的泥浆泵要求的安全阀的设定压力通常不同，比如LEWCO W2215要求设定压力为0.31MPa，NOV 14P-220设定压力为 0.52MPa，AKER TPK 2200设定压力为28.8MPa。

泥浆泵的设计主要包含输入端、输出端、辅助系统和控制仪表等，核心的部分就是安全因素。所以首先从安全性角度出发，以下三方面需要注意：

1）现在泥浆泵基本都是三缸单作用往复泵，泥浆排出时伴随着严重的高压脉冲，通过安装出口压力缓冲器缓和出口流体的震动和压力脉冲，避免共振破坏高压管线和支架。一旦出现密封不严，就有泄露的危险，从而不得不终止钻井作业，并造成严重的经济损失。因此，泥浆泵的高压出口必须配备压力缓冲器（罐）。

2）因为高压泥浆泵是往复泵，存在超压工作的隐患，所以必须设置安全阀，确保泵的工作压力不超过系统的最大设计压力，同时也是往复式泵保护泵本身的需要。安全阀的设定值的余量也不能与常规系统一概而论，不推荐超过系统的设计压力，通常设定值取设计压力51.7MPa即可。另外根据安全阀的要求，安全阀的出口的管路布置走向要平缓向下、无急转弯的放泄到泥浆池[1]。

3）为了保证平台钻井作业的连续性，目前正在建造的大多数的海洋钻井项目至少是三台泥浆泵，而作为深水项目的“大连开拓者”更是又增加了第四台泥浆泵，从而保证最大钻井负荷时有备用泵。整个高压排出系统管路的尺寸和壁厚需要与之相匹配。首先总管的泥浆最大流量加大，流速加快，压力损失和磨损都会加大，要求高压管内径不小于 5英寸；其次因为系统的最大压力一般是51.7MPa，管子的壁厚计算需要按照ASME B31.3第九章[1]要求，最小壁厚要满足公式（1）。

其中：tmin为管子最小壁厚，mm；Dmax为管子最大外径，mm；P为管路系统设计压力，MPa；S为管子材料许用应力，MPa，ANSI4130材料取值45.879；C为管子腐蚀余量，mm，碳钢管通常取值3mm；M为机械加工（如管子车螺纹）余量，mm，由于本系统无螺纹连接，取值为0。

从材料的特殊性角度出发，ANSI 4130[2]系列材料特别值得关注。该材质除了价格及其昂贵，供货周期特别长以外，在性能、成分、焊接、和热处理等方面都有十分特殊的要求，实际设计中需满足以下要求：

1）平台工作区域是否有酸性气体要求？如果是高硫井或者需按高硫井设计，那么相应的管材、附件、连接件和阀门全部都要满足美国防腐蚀协会NACE MR0175的最新要求，金属材料的Rockwell硬度必须不大于22HRC。

2）低合金钢ANSI 4130系列是一种不可以直接焊接的材料，需要进行焊后热处理。一般采用淬火加回火的方式（Q&T），消除应力集中，回火温度不低于650℃，屈服应力不低于51.7MPa，焊后热处理要注意降温（图3）。图中，工件焊后一定要降温低于Mf（马氏体晶变完全温度），这样确保最终工件没有残余奥氏体。

图3 高压泥浆管焊后热处理温度要求

3）关于材料的测试报告和证书，包括机械性能、化学成分、冲击试验、硬度试验报告，以及生产厂家出具的一致性声明，都应该包含在技术要求中，最后交由现场船检检查和审核。

通常高压泥浆系统管附件优先选用三倍弯的背部加强弯头，而在空间特别狭窄受限的地方可以选择LONG SWEEEP型弯头，连接法兰采用API 6A[3]要求的6BX型焊接法兰；所有附件材料要求厂家根据管材的外径和壁厚规格做好焊接坡口；高压安全阀的设定压力不可以超过系统的设计压力，放泄管路应该有良好的自泄功能，至少保证1:50的向下倾斜；除了泥浆管路以外，高压泥浆泵还需要有海水冷却管路接到滑油换热器以及缸套冲洗水换热器等。

2 总结

深海是未来取得能源的主要途径，设计和建造深水钻井船将成为必然趋势。钻井高压泥浆系统作为深水钻井船钻井系统里最重要的组成部分，其设计是否合理是决定钻井船钻井功能能否实现的重要因素。本文以“大连开拓者”号深水钻井船为依托，总结了深水钻井船高压泥浆系统设计时需要注意的一些要点及高压管路系统在材料选择时的注意事项，以期为相关设计人员在以后的项目设计中提供参考。

[1] Charles Becht IV. ASME B31.3 PROCESS PIPING[R]. 2010.

[2] ASTM A519-2006 Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing[S]. 2006.

[3] API SPECIFICATION 6A[S]. 20th ed. 2010.

Design of High Pressure Mud System of Deep Water Drill Ship

Tong Guo-zhi, Wang Shuai, Ning Jun

(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

Based on DALIAN DEVELOPER drill ship, this paper introduces the design method of high pressure mud system of deep water drill ship and the special requirements during material chosen process. This research provides good experience for the high pressure mud system design of other offshore project.

deep water drillship; high pressure mud system; design

U663.7

A

1005-7560 (2014) 06-0020-03

佟国志（1977-），男，中级工程师，主要从事常规船舶及海工项目的设计与建造技术研究。