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关于石油钻井技术及水里参数设计


毕业设计(论文)

题 目 深水无隔水管钻井关键技术及水力参数设计 方法研究

学 院 石油与天然气工程学院 专业班级 石油工程 2012-02 学生姓名 王雪威 学号 2012440329 指导教师 郭晓乐 职称 教授 评阅教师 职称

2016 年 5 月 18 日

学生毕业设计(论文)原创性

声明

本人以信誉声明:所呈交的毕业设计(论文)是在导师的指导下进行的设计(研究)工 作及取得的成果,设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注 出, 论文中的结论和结果为本人独立完成, 不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教 育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计(论文)作者(签字) : 2016 年 5 月 18 日

摘 要

随着石油资源一步步的被开发,勘探新的石油资源就迫在眉睫。而随着石油勘探技术 不断的发展,世界范围内油气资源开发也逐渐向深水进军。而深水钻井环境恶劣,其中有会 出现不少的问题,易造成严重的钻井事故。 在深水环境中进行钻井作业会有相当多的挑战,为了解除这些困难,国外经过一系列研 究,开发出了无隔水管钻井液回收钻井技术(RMR) ,该技术摒弃了传统的隔水管,利用相 对较小的回流管线将钻井液和钻屑从海底泵送回钻井平台。 深水无隔水管钻井技术主要解决 海洋钻井中地层破裂压力与坍塌压力之间余量较小的问题, 采用海底泵举升系统将钻井液和 岩屑通过返回管线泵送回海面钻井船, 实时调速来调节流量, 以满足保持海底钻井液举升泵 入口压力恒定的要求。由于 RMR 技术是最新发展的技术,目前尚无合适的水力学计算理论 和方法。因此,有必要结合无隔水管钻井液回收钻井技术特点,建立相应的水力参数计算模 型,为深水钻井设计提供指导。 本文探讨研究了无隔水管钻井技术,结合了我国的实际情况进行了分析,以及对其所涉 及的一系列参数的计算方法。 关键词 无隔水管 钻井关键技术 水力参数

Abstract

With the development of oil resources, exploration of new oil resources is imminent. With the development of petroleum exploration technology, the development of oil and gas resources in the world has gradually entered into the deep water. The deepwater drilling environment is poor, which will have a lot of problems, easy to cause serious drilling accident. In order to solve a series of problems encountered in the process of deepwater drilling, foreign research issued without riser drilling fluid recovery drilling technology (RMR), the technique removed riser, using relative smaller reflux pipelines will be drilling fluids and cuttings from submarine pump back to drilling platform. Deep water without riser drilling technology is mainly to solve the ocean drilling fracturing a smaller margin between pressure and collapse pressure, the subsea pump lifting system through drilling fluids and cuttings to return pipeline pump back to the sea drilling ship, real-time control to regulate the flow, to meet the protection to subsea mudlift pump inlet pressure constant. As RMR technology is the latest development of the technology, there is no suitable theory and method of hydraulic calculation. Therefore, it is necessary to establish the corresponding calculation model of the hydraulic parameters, and provide guidance for the deepwater drilling design. This paper discusses the research on the drilling technology of the non riser,

combining the actual situation in ourcountry,and the calculation method of a series of parameters. Key Words:No riser ;Drilling Key Technology;hydraulic parameter

目录

摘要 PAGEREF _Toc19667 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 研究目的及意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 无隔水管钻井技术的优势 2 2 无隔水管钻井液回收技术 3 2.1 RMR 技术原理及优点 3 2.2 井内压力的计算 4 2.2 最小钻井液排量的计算 5 2.3 循环系统压力损耗及泵功率计算 5 2.4 深水无隔水管钻井液多级举升技术 6 2.5 钻井液举升系统参数分析 6 2.6 影响举升泵泵效的因素 8 3 无隔水管钻井浅部地层井筒循环压耗分析 10 3.1 模型的建立 10 3.2 压耗模型的求解 11 3.2.1 钻柱内循环压耗计算 11 3.2.2 环空中循环压耗计算 12

3.2.3 钻头压降及环空携岩 12 3.3 分析与结论 13 4 深水无隔水管钻井 MRL 选型以及参数优化 16 4.1 MRL 压耗分析 16 4.2 MRL 参数优化 17 4.2 MRL 选型 19 4.2.1 刚性管线 19 4.1.2 柔性管线 19 5 总结 21 参考文献 22 致谢 23

1 绪论

1.1 研究目的及意义 石油对于现代工业来说,是极其重要的,作为一种不可再生的能源,在国家的经济与工 业发展中都起到了举足轻重的作用。 但随着石油资源被一步步的开发, 陆地资源已经越来越 匮乏。所以世界范围内都在向海洋进军。但海洋深水的钻井环境相当恶劣,在这之中我们将 面临许多挑战,诸多挑战也限制了我们在深水域的作业能力。由此,无隔水管钻井技术便出 现了。 该技术放弃了传统的隔水管, 利用相对较小的回流管线将钻井液和钻屑从海底泵送回钻 井平台。 深水无隔水管钻井技术采用海底泵举升系统将钻井液和岩屑通过返回管线泵送回海 面钻井船,实时调速来调节流量,以满足保持海底钻井液举升泵入口压力恒定的要求。但该 项技术是最新发展的技术,目前尚无合适的水力学计算理论和方法[8]。因此,有必要结合 无隔水管钻井液回收技术的相关特点, 建立相应的水力参数计算模型, 为深水钻井设计提供 指导。 1.2 国内外研究现状 国外从 20 世纪中期就开始对无隔水管钻井技术进行了一系列的研究, 在 1969 年的时候 申请了第一个无隔水管钻井技术专利。在 2001 年,挪威 AGR 公司在其钻屑输送系统基础 上成功研制出了无隔水管钻井液回收钻井技术,并于 03 年在里海成功的进行了商业应用。 经过多年人们对其深入的探索研究, 无隔水管钻井技术目前已经发展成为了一种较为成熟的 深水钻井技术。 已经从最初的浅水 RMR 技术发展到了深水、 超深水 RMR 技术。 至今, RMR

技术己经在世界范围内钻探 100 多口油井,成功解决了传统隔水管钻井技术遇到的难题, 获得较好的经济和环境效益。在 20 世纪 60 年代,Mint-on 提出了喷射下套管技术,该技 术的原理是采用管柱内安装井下动力钻具, 利用管串的自身重力和钻井液喷射力边钻进边下 导管。 为了在深水环境中达到钻井液循环要求,业界提出了钻井液多级举升技术,而该项技术 又涉及到了许多的参数计算,MRL 选型以及其参数的优化,井筒循环压耗的分析等。 该技术于 08 年 9 月份在南中国海水深 1419 m 海域处成功进行了 RMR 技术的现场试 验,试验证明了其在深水钻井中的可行性,以及在南中国海钻井的优点,例如安全钻探浅层 风险地层、克服泥浆录井限制、延伸表层套管设置深度等。 目前中海油在渤海和南海勘探井中已经成功应用了套管钻井技术, 但还没有广泛应用在 深水中。在最近的二十年内,已经有近 100 口深水井应用了无隔水管套管钻井技术,水深 范围 350—3050m,井深范围 3446—11017m。 1.3 无隔水管钻井技术的优势 相对于传统海洋钻井技术来说,无隔水管钻井液回收技术不仅拥有自身的特点, 另一方面 还可以解决隔水管在深水作业所带来的一系列困扰,并且能够解决深水作业中的诸多挑战。 由于摒弃了隔水管,就不再需要足够大的平台来容纳其管线等一些设备,如此一来,大大节 约了钻井成本,钻井速度也会得到显著提升,且增加了安全系数,对环境所产生的影响也将 得到显著下降。RMR 技术减少了套管数量,在很大程度上井身机构得到了优化。通过实践证 明,,理想状况下,RMR 技术不仅可以钻探浅层井眼,深水,甚至超深水其都可以达到。随着 对于无隔水管钻井相关技术的一步步深入研究,目前 RMR 技术的已经较为完善,并且得到 的许多应用。,同时,随着海洋深水钻井的蓬勃发展,由于其具有许多明显的技术优势,并且 该技术已经愈发成熟,RMR 技术必将在世界范围内得到更加广泛的应用。

2 无隔水管钻井液回收技术

2.1 RMR 技术原理及优点 总的来说 RMR 技术就是在钻井过程中放弃了使用传统的隔水管,在该技术中,钻杆是 直接暴露在海水中的, 井眼和海水之间的密封是通过海底井口的吸入模块来实现的, 它实际 上就是一种顶部井眼钻探系统,使用海底泵系统将井眼环空返回钻井液和岩屑通过泥浆返回 管线泵送回海面钻井船。 它的主要组成装备有: 控制系统, 海底举升泵模块, 海底吸入模块, 钻井液返回管线,绞车以及常规海面装备。该技术经过一系列的研究与发展,已经很好地解 决了在复杂深水域中钻探所面临的诸多挑战。 目前在世界范围内都获得了比较广泛的商业应 用。 该技术已经从最初的浅水发展到了深水、 超深水 RMR 技术。 图 1 为钻井液循环示意图, 图 2 为其压力梯度曲线图。

无隔水管钻井液回收技术与传统钻井技术相比,拥有以下优点: (1)可以大大减少井漏与井涌的发生概率,因为其地层破裂压力和孔隙压力间隙区域 相对变宽了; (2)由于其不需要多层套管体系了,大大减少了下套管和固井的时间,减少了建井周 期,节约了成本; (3)因其舍弃了常规隔水管,钻井平台就不需要再承受隔水管如此巨大的重量,降低 了对平台的要求;

(4)大大减少了钻井液用量,节约了钻井液成本; (5)利用现有的技术与装备,可以到更深的海域进行作业; (6)由于不采用隔水管,其钻井系统移动的机动性也得到了显著提升。 2.2 井内压力的计算 在 RMR 系统正常工作并且海底钻井液举升泵处于恒定入口压力工作模式的条件下,这 样可以井眼环空顶部压力保持恒定。 在钻井液密度一定的条件下, 井内任意垂直深度处的压 力 p 可表示为: p=pi+ρ dghB/1000 (2.1) pi=ρ wghw/1000 (2.2) 式中 pi 为海底举升泵入口压力,MPa;ρ d 为钻井液 密度,g/cm3;ρ w 为海水密度, g/cm3;hB 为海底泥线以下井眼的实际垂直深度,m,hw 为水深,m。 2.2 最小钻井液排量的计算 最小钻井液排量是指钻井液从井筒内将岩屑携带至井口处所需要的最低排量。 最小排量 由携岩所需的最低钻井液环空返速决定[8]。最小环空返速的计算一般使用经验公式: va=18.24(/ ρ ddh) (5.3) 式中,va 为钻井液最低环空返速,m/s;dh 为井眼直径,cm。 在工程上,通常用岩屑举升效率表示钻井液的携岩能力。岩屑举升效率是指岩屑在环空 中的实际上返速度与钻井液在环空中的上返速度之比[8],即 Ks= vs/va (5.4) 式中,Ks 为岩屑的举升效率,无因次;vs 为岩屑在环空中的实际上返速度,其单位为 m/s。 实际钻井中为了保持产生的岩屑量与井口返出量相平衡,一般要求 Ks 不小于 0.5[8]。

2.3 循环系统压力损耗及泵功率计算 RMR 系统钻井液循环体系总体上可分为海面平台管汇、钻柱内、钻头喷嘴、井眼环空 和回流管线 5 部分。钻井液在循环系统内的流动,主要是在钻柱内的管内流动、钻柱外的 环空流动以及回流管线内的流动。钻井液在流经这些部位时,都要损失掉一定的能量,从而 产生压耗。在系统正常工作时,海面泵提供平台管汇、钻柱内、钻头喷嘴和井眼环空的循环 压耗,海底泵为钻井液的举升提供能量。 我们假设整个井身内的压力损耗值为 Δ p,可得出下面公式: Δ p=Δ pg +Δpp +Δpa +Δ pb Δ pg=9.818Cfρ d(Q/100)1.86 Δ pp=0.1544μ pv0.2ρ d0.8Q1.8L/d1.8 Δ pb=0.081ρ dQ2/(C2dne4) (5.5) 式中,Δ pg—平台管汇压耗,MPa;Δ pp—钻井液在钻柱内的压耗,MPa;Δ pa—钻井 液在井眼环空内的压耗,MPa;Δ pb—钻头压降,MPa;Cf—钻井平台管汇摩阻系数,与 平台管汇类型有关,可查表得到;L 为钻柱总长度,m;pv 为钻井液的塑性黏度,mPas; d—钻柱内径, cm; La—环空总长度, m; C—喷嘴流量系数, 对于非喷射式钻头, C=0.80, 对于喷射式钻头,C=0.95;dne 为喷嘴当量直径,cm,di—喷嘴直径。 根据伯努利方程,我们以海底泥线处为基点,可以得到如下的关系: (5.6) 其中 v1、 v2 分别为海面泥浆泵出口处的钻井液流速以及钻井液从环空中返回到海底泥 线处的流速。在满足工程精度的条件下,可以把两者看作近似相等。则钻井液循环体系泵压 传递的基本关系式可用下式表示:

Ps=Δ p+(ρ mghw-ρ dghw)/1000 (5.7) P0=Δ p+ρ dghw/1000 (5.8) 式中,ps 为海面泥浆泵出口压力,MPa;po 为海底举升泵出口压力,MPa;Δ pr 为钻 井液在回流管线内的压耗,MPa。 再由泵压跟流量的关系可以求得海面钻井泵输出功率 Ps 和海底举升泵的输出功率 Po 为: Ps=psQ (5.9) Po=poQ (5.10) 式中 Q 为海面钻井泵排量,L/s。 2.4 深水无隔水管钻井液多级举升技术 在深水海域进行钻井作业时,其钻井液举升泵的扬程通常不能达到工艺的要求,钻井液 多级举升技术由此便被提出来了。 该技术是通过采用刚性钻井液回流管线将举升泵串联在一 起,回流管线既起到钻井液回流通道的作用,尤其到了举升泵的固定作用[5]。

2.5 钻井液举升系统参数分析 无隔水管钻井液回收技术其实是双梯度钻井技术的一种延伸,为了使其满足深水海域 的钻井工艺,业界提出了多级举升技术。 从井底返回的钻井液是固液混合的两相体系, 固液两相间的互相作用使其产生了多样化 的流体特性, 现根据钻井液工艺的相关理论研究将其视为满足幂律模式的流体, 然后再对其 参数进行系统化的分析。 首先,我们来分析钻井液排量以及环空返速的计算。在现场的施工工艺中,通常是用岩

屑的举升效率来衡量钻井液携带岩屑的能力。 (2.1) 在式中,ns 为岩石的举升效率,无因此;vs 为岩屑的实际上返速度,单位是 m/s;va 为钻井液的上返速度,单位是 m/s;在钻井作业过程中,为了保证钻井液的携岩能力,一 般要求 ns>0.5 岩屑在钻井液中的下滑速度 vs1 应满足: (2.2) 式中,ds 为岩屑粒径,单位为 m;ρ s 为岩屑的密度,单位为 kg/m3,ρ 为钻井液密 度,其单位是 kg/m3;C 为颗粒形状系数,圆球状为 0.5、圆片状为 0.60.82、不规则或 者扁平状为 2.1. 岩屑在钻井液中的实际上返速度为: vs=va-vs1 (2.3) 满足携带岩屑的最小泥浆泵排量满足下面的公式: Qa=π(dh2-dp2)va/4 (2.4) 式中,Qa 为泥浆泵的最小排量,单位为 m3/s;dh 为钻头直径,m;dp 为钻杆外径, m。 其次,钻井液举升系统的压降计算: 钻井液在整个回流管线的流动过程中, 其水头损失是由局部水头损失和沿程阻力损失两 部分所构成的。由于举升系统中回流管线很长,管径变化不大,接头、阀门较少,因此,局 部水头损失相对较小,在实际计算中可以忽略不计[5]。雷诺数是液体流态判断的主要依据, 幂律流体的雷诺数计算公式如下: Re= (2.5)

式中 n—幂率流体的流性指数,无量纲;K—幂律流体的稠度系数。 当 Re<2000 时为层流,压耗计算公式为: [ EMBED Equation.KSEE3 ]n (2.6) 当 Re>4000 时为紊流,此时需要求出沿程阻力系数: = lg(Reλ 1-0.5n) EMBED Equation.KSEE3 (2.7)

通过利用迭代法可以求出阻力系数λ ,紊流压耗公式为: (2.8) 根据压耗的计算公式可以计算出钻井液回流管线的压力降。 最后,举升泵的参数计算: 钻井泵举升系统扬程可根据下面的公式计算: -Δ hm (2.9) 式中 p1, p2 分别为上一级泵入口的压力和下一级泵入口的压力, 单位为 Pa; va1、 va2 分别为上一级泵入口和下一级泵入口的钻井液流动速度,单位为 m/s;z1、z2 分别为下一 级泵和上一级泵的标高,m。 根据上面的式子可以求出举升泵的扬程,从而进一步求出举升泵的功率: Pe=ρ mgQmHm (2.10) 钻井液举升系统中的固相颗粒在举升泵的入口是不产生压力的 ,因此根据流体力学中的 能量方程、连续性方程和动量方程可以得到举升泵的扬程公式为: Hm= -Δ hm (2.11) 式中 Cv 为钻井液中岩屑的体积分数,无因次。 由于钻井回流管线中管的内径没有发生变化,因此举升泵的扬程计算式为: Hm= -Δ hm (2.12)

根据上面的计算过程,可以得到钻井液举升系统所涉及的各个参数的计算方法,可以由 此得到需要的参数值。 2.6 影响举升泵泵效的因素 (1)举升级数的影响。在其他条件固定不变的情况下,对泵的扬程要求随着举升级数 的增加对泵扬程的要求也随之降低,由此建议使用较高的举升级数; (2)回流管线倾斜角度的影响。该角度主要是影响钻井液回流时的压耗,从而影响扬 程,因此在现场工作。应该准确预测出钻柱的横向偏移,从而确定该夹角。 (3)钻井液密度的影响。钻井液的性能不仅影响举升泵所承受的液柱压力,还会影响 其在回流管线中的流态,钻井液密度越大,其扬程便越大。因此在现场工作中应该使用密度 合适钻井液。 (4)固相颗粒的影响。固相颗粒的体积分数以及直径大小对泵效都有影响,其体积分 数越高,举升泵的扬程便越大;而固相颗粒的直径会影响其在钻井液中的沉降速度,从而对 其泵效产生影响。

3 无隔水管钻井浅部地层井筒循环压耗分析

无隔水管钻井液回收钻井技术通过一系列的研究与试验,证明了其能够相对较好地解 决在深水浅部地层钻井的难题。RMR无隔水管钻井系统在钻井过程中存在一个临界排量, 只有当泵排量不小于临界排量的时候才能够保证井筒循环的连续性。在钻遇浅部地层的时 候,井筒压力中还是以钻井液液柱压力为主导,循环压力的影响微乎其微。另外,开展本项 研究可为深水无隔水管钻井在技术上提供一定的支持。 3.1 模型的建立 RMR 无隔水管钻井系统钻井液循环过程如图 4 所示。钻井液首先通过钻杆流经钻头进 入井眼环空中, 然后继续上返至环空顶部, 经过井口装置后由海底泵通过小尺寸的返排管线 举升到钻井船上[7]。

据RMR无隔水管钻井系统动力平衡关系可得: pspp+ρ mg( Hw+H)/1000-Δ pf,p-Δ pb-Δpf,a-ρ mgH/1000 = ps (3.1) ps=ρ wgHw/1000 (3.2) 根据上面两式联立可得: pspp+ (ρ m-ρ w) gHw/1000 =Δ pf,p+Δ pb+Δ pf,a (3.3) 式中,pspp 为立管压力,单位为 MPa; ps 为井眼环空顶部压力,单位为 MPa;Δ pf,p 为钻柱内循环压耗,单位为 MPa; Δ pf,a 为井眼环空中循环压耗,单位为 MPa; Δ pb 为钻 头压降,单位为 MPa;ρ m 为钻井液密度,单位为 g/cm3; g 为重力加速度,m / s2; Hw 为 水深,m; H 为井深,m。

3.2 压耗模型的求解 3.2.1 钻柱内循环压耗计算: 由于圆管流量方程的压耗计算方法能够较为准确地分析钻柱内循环的压耗。 在此选用工 程中适用性相对较强的赫巴模式,赫巴流体在圆管内流动时满足如下关系: Q= EMBED Equation.KSEE3 (3.4)

在上式中,Q 为排量,L/s; τ 0 为赫巴模式中屈服值,Pa; K 为赫巴模式中稠度系数, Pasn; n 为赫巴模式中流性指数;τ w,p 为钻柱内管壁处切应力,Pa。 在泵的排量给定的条件下,采用牛顿下山法,可求解得到管壁处切应力τ w,p,再通过 赫巴流变方程可以进一步求得管壁处的剪切速率γ wp。 根据樊洪海等人提出的广义流性指数 法计算管内雷诺数: (3.5) (3.6) 式中,Reg,p 为圆管广义雷诺数;ρ 为流体密度,kg/m3; Deff,p 为钻柱内有效管径, m; vp 为钻柱内流体平均流速,m/s;μ w,p 为钻柱内管壁处有效黏度,Pas; n p 为钻柱内广 义流性指数; D 为钻杆管径,m。

层流临界雷诺数:Reg,l= 3470-1370n p 紊流临界雷诺数:Reg,t= 4270-1370n p 如若Reg,p≤Reg,l,则为层流;若Reg,l<Reg,p≤Reg,t,则为过渡流;若 Reg,p>Reg,t,则为紊流。 在层流条件下,范宁阻力管内雷诺数与阻力系数有如下关系式:fl=16/Reg 式中,fl 为层流范宁阻力系数。

紊流时采用非牛顿流体光滑管范宁阻力系数计算式: (3.7) 在上式中,ft 为紊流范宁阻力系数。 而对于过渡流状态,则采用线性差分的原则求解范宁阻力系数: Ftr=f1+ (3.8)

在上式中,ftr 为过渡流范宁阻力系数。 因此,圆管循环压耗可以经由达西公式求解: (3.9) 在上式中,Lp 为钻柱长度,m。 3.2.2 环空中循环压耗计算 根据环空流量方程可得赫巴流体在环空中流量与管壁处切应力的关系式为: Q= (3.10)

式中,τ w,a 为环空中管壁处切应力,Pa;γ w,a 为环空中管壁处剪切速率,s-1;Rδ 为环空 间隙,m;R0 为环空外半径,m; Ri 为环空内半径,m。 若排量 Q 已知,则采用数值迭代方法得到管壁处切应力τ w,a,进而求解得管壁处剪切 速率γ w,a。 环空中采用环空广义流性指数法计算雷诺数: (3.11) 其中, (3.12)

式中,Reg,a 为环空广义雷诺数; Deff,a 为环空有效管径,m; va 为环空流体平均流 速,m/s; μ w,a 为环空管壁处有效黏度,Pas; n a 为环空广义流性指数。 井眼环空中仍然可采用式 ( 3.6) 进行流态判别,由广义流性指数压耗计算模型的推导

可知,式( 3.7)~式 (3. 9) 范宁阻力系数的计算方法在环空中同样适用。故此时环空中循环 压耗计算式为: (3.13) 在上式中,La 为井眼环空长度,m; Dhy 为水力直径,m。 3.2.3 钻头压降及环空携岩 工程上钻头压降计算式为: (3.14) 其中, 式中,C 为喷嘴流量系数,一般取 C=0.65~0.80;dne 为喷嘴等效直径,mm。 岩屑在井眼环空中上升的环空返速,取决于环空钻井液返度、钻井液性能、岩屑几何特 性以及相对密度等,其计算式为[1]: vc= va-vs (3.15) 式中,vc 为岩屑上返速度,m/s;vs 为滑脱速度,m/s。 关于环空中岩屑下沉速度,工程上使用较多的是 Moore 计算式: (3.16) 式中ρ s 为岩屑密度,g/cm3;μ a 为表观黏度,Pas。 钻井工程中常以环空岩屑返速与环空钻井液返速之比作为衡量环空携岩的指标, 称之为 井眼净化能力,即: (3.17) 现场工程经验表明,当Rt≥0.5 时,井眼环空满足净化要求。 3.3 分析与结论 采用RMR无隔水管钻井系统对某深水域储层进行勘探,分析RMR无隔水管钻井系统

钻遇浅部地层时井筒中水力参数。计算所需基本参数如下。钻井液密度ρ m 取 1.24 g/cm3, 海水密度取 1.04g / cm3, 水深 600 m, 井深 600 m, 钻杆外径 127.0mm, 钻头外径 222.3 mm,3 个钻头喷嘴直径 18mm,钻井液屈服值 2.84Pas,稠度系数 0.3725Pasn,流性指 数为 0.6857。 首先计算钻头压降,其计算公式如上式(3.14) 我们取 C 流量喷嘴系数为 0.80,当排量 Q 为 5L/s 时,代入上面公式整理得到:

dne 为喷嘴等效直径,此处是 18mm,代入进行计算可得到Δ pb=0.37。 同理,当流量 Q 为 10L/s,15L/s.....时,我们都可以得到一个钻头压降Δ pb 值,由此便 可以绘制出流量与钻头压降的关系图。 我们依然以排量为 5L/s 来对钻柱内以及环空中的循环压耗进行计算,已知的基本参数 为:Q=5L/s,流性指数 n=0.6857,稠度系数 K=0.3725Pasn,R=127.0mm,τ 0=2.84。 圆管循环压耗可以经由达西公式求解,其求解所需要的公式为(3.4)—(3.9) , 环空中的循环压耗计算公式为(3.10—(3.13) 。 通过改变排量的大小,可以得到许多组钻柱内与环空中的压耗值,绘制曲线,可以得到 排量与其的关系,如图 5。

图 5 循环压耗与排量关系曲线 由图可知, 在RMR无隔水管钻井系统钻遇浅部地层过程中, 随着排量的增加, 钻柱内、 钻头和环空中压耗均呈现不同程度的增大。钻柱内钻井液随着排量的增加从层流 ( Q < 18.30L/s) 向过渡流( 18.30 L/s≤Q ≤23.05L/s)转变,最终形成紊流( Q>23.05L/s)。

图 6 井筒循环压耗随排量的变化规律 图 6 中所反应的规律与图 5 相似,钻井过程中井筒循环压耗随排量的增加而增大,只不 过这种增大的程度更加复杂。立管压力在排量 0. 00~14. 50 L/s 时为 0,超过此临界排量 之后才相对应地随循环压耗增大。 这是由于RMR无隔水管钻井技术要求井筒环空中顶端压 力与泥线附近海水液柱压力相等。 钻钻井液的密度越大, 其在相同的海水段产生的液柱压力 就会比海水液柱压力大, 如果RMR系统用较低的排量来钻进的话, 则井筒循环压耗是无法 补足钻井液与海水两者液柱压力之差的, 而由此导致的结果便是钻柱内液柱将会在自身重力 的作用下推着井筒中钻井液由钻柱内经钻头流向井眼环空中,产生 U 形管效应。因此采用 RMR无隔水管钻井技术时,一定得要泵排量高于这个临界排量才行。 结合深水无隔水管钻井液回收钻井系统的特点, 建立了考虑钻井流体流态变化的循环压 耗计算方法。 横向上看, 该循环压耗计算方法将钻柱内和环空中钻井液循环压耗计算方法统 一起来,纵向而言,钻井液 3 种流态 ( 层流、过渡流和紊流)下压耗的计算形式通过该计算 方法也得到统一。

4 深水无隔水管钻井 MRL 选型以及参数优化

在深水表层进行钻井作业有许多的难题, 而无隔水管钻井液举升钻井便是一个能有效解 决这些难题的方案, 钻井液举升管线作为钻井液返回平台的唯一通道, 它的选型和设计在很 大程度上影响了整个系统的正常运行。在对钻井液返回管线( MRL)压耗分析的基础上,通 过分析不同规格的 MRL 对钻井液流速、压耗等一些性能所产生的影响,可以得出在不同的 水深,应该应用什么规格的 MRL; 在对不同水深作业情况下返回管线的选型进行了一系列 研究后发现, 较浅水层应该优先选用柔性管线, 深水和超深水应该优先选用钢制管线的选型。 此项研究对于深水无隔水管钻井液举升钻井系统来说,也是具有相当的指导意义的。 在深水海域的复杂条件下,MRL 的受力情况是相当复杂的,导致了它的适应能力相对 减弱了,其上部承受的压差较小,但需承受来自整根管线的重力、内含钻井液的重力以及其 他附着零件的重力等许多载荷作用,与此同时,MRL 的下部承受的载荷就相对较小了,但 这样就导致了管线内外压差变得比较大。同时,还需承受海流等横向力的交替作用,对其的 使用寿命也产生了一定的影响。值得注意的是,在无隔水管钻井液举升系统中,MRL 一旦 失效,其后果是整个钻井作业必将中断。因此,对于整个系统的运行操作来说,MRL 的性 能和可靠性是相当重要的, 所以, 其选型和设计是无隔水管钻井液举升表层钻井液循环系统 的一项。 4.1 MRL 压耗分析 钻井液返回管线的选型和设计的关键参数是管线内径, 管线中钻井液流速和海底举升泵 的功率极大决定了 MRL 的规格,而在另一方面,MRL 的内径又直接决定了系统的动力、功 率。 在海底井眼返回的含岩屑钻井液经海底泵增压后返回到平台的这一过程当中, 所发生的

损耗主要是 MRL 的压耗,该压耗与钻井液密度、水深、流速、黏度及返回管线的内径有关。 而整个系统的工作情况也将被 MRL 传输海底井眼返回钻井液的效率所影响。 根据范宁方程可知,流体流经管线的压力损耗为: (4.1) 然后,f= (4.2) 根据流体力学相关知识,我们可计算流经 MRL 的雷诺数: Re=( )/μ m (4.3) 在上面的式子中,Δ prl 表示的是流体的压力损耗,单位为 MPa; f 为 Moody 摩擦因数, 层流状态时可由式( 4.2) 来对其进行确定,其中ε值由 K/d 确定,K 的含义是管道内壁绝对 粗糙度,而 d 为管道得内径值;在紊流状态时,通常将管ε视为 0 来近似计算;l 为管线长度, 在忽略管线变形及漂移等一些因素下,其数值近似等于水深,m;ρ m 为钻井液密度; 体平均流速,m/s; di 为管线内径,cm;μ m 为钻井液动力黏度,Pas。 的计算应考虑井眼环空携岩性能,即确定携岩最低环空返速排量,进而确定最小排量, 再确定钻井液流经返回管线的 。最低环空返速通常使用经验公式来确定: va=18.24/(ρ ddh) (4.4) 最低环空返速确定后,可根据下面的式子来对海底举升泵的最小排量进行确定: Q=π( d2h-d2p) va/40 (4.5) 上式中,va 为井眼环空最低返速,单位为 m/s;dh 为井眼环空直径,cm; dp 为钻杆外 径,cm; Q 为满足携岩要求的海底举升泵最小排量,L/s。 根据经验公式可计算 MRL 内含岩屑钻井液的流速: = 5195Q/(408d2i) (4.6) 将式(4. 2)~式 (4. 6)代入式 ( 4.1)中并整理, 我们便可以得到钻井液举升管线压耗计算 为流

公式为: Δ prl=7.2910-3ρ m0.8hwvf1.8μ e0.2/ di1.2 (4.7) 式中,hw 为井位水深,m。 4.2 MRL 参数优化 MRL 选型的一大关键便是管线内径,通过对不同管径 MRL 内的流速、雷诺数、摩擦 因数和摩擦阻力进行综合分析比较,从而来选择 MRL 的内径。粘滞阻力和钻井液的举升压 力是影响管内的压力损失的主要因素。 根据系统设计要求的理想流速, 可相应得到给定直径 管线中流体的流动速度。 在水深一定的条件下, 所需 MRL 的长度是近似等于水深的, 由此, 对于内径一定的 MRL 压力损耗我们便可对其进行计算了,或者将其作为管路内径的函数画 出图来。图 8~图 11 分析了在不同钻井液流量情况下下,钻井液流速、雷诺数、摩擦因数 和摩擦阻力随 MRL 内径的变化情况。

图 8 MRL 内径对钻井液流速的影响

图 9 MRL 内径对雷诺数的影响

图 10 MRL 内径对管线摩擦因数的影响

图 11 MRL 内径对返回管线压力损耗的影响 从图中我们不难看出,随着 MRL 直径的增大,摩擦阻力变得越来越小,压力损失也相 对较小,但是随着回流管线直径的增大,其质量便增加了,系统所需的功率也随之增加,所 需钻井液的量显然也增加, 这样的结果将是后勤供给将会有不小的压力, 从而增加钻井成本。

4.2 MRL 选型 在进行钻井作业过程中,MRL 受到内部静水压力(相应深度的海水)和外部静水压力 (钻井液)影响,钻井液返回管线的类型应根据海水深度和作业条件来确定,按照 MRL 材 质的不同,钻井液返回管线主要分为刚性管线和柔性管线二大类。 4.2.1 刚性管线 刚性管线通常是使用钢管分段连接而成的。一方面满足了海底钻井液举升对其的要求, 但另一方面,钢制管线的质量相对较大,并且会占用平台比较大的空间,需专用下放设备, 刚性管线的下放和回收通常情况下都需要借助钻机顶驱设备进行。 该种方案大大占用了钻机 时间,增加钻井成本。 其可选的刚性管线结构形式大致有如下两种: (1)各段管路是通过机械接头连接而成。管路可以使用适当直径的钻杆来连接,也可 选用相应标准规格的工业钢管。 (2)使用常规钢制管线,但是海底作业环境十分复杂,因此,其上带有螺旋侧板结构, 以便降低涡流产生的振动。 4.1.2 柔性管线 高强度柔性 MRL 拥有许多优点: 耐高压、耐高温、耐低温、质量较小、体积较小、柔 性比较好,而且它的安装相对简单方便,在安装时可借助平台现有绞车适当改造完成。 可选的柔性管线结构形式有以下 2 种。 (1)分段连接。通常情况下是使用不锈钢耐压金属软管,即不锈钢波纹管外覆一层或 多层钢丝或钢带网套,两端以接头或法兰进行连接。 (2)连续管。此种方案的优势在于利于下放,适用的作业水深可加大,但其劣势是必 须使用专用的下放设备,这就导致了平台空间的占用相对较大。

在深海 MRL 中,上部管线的内、外压差较小,但需要承受整个管线的载荷,下部管线 虽然承受的载荷较小,但内、外压差较大,因此在管线的选用上需根据不同的工作环境区别 考虑。此外,MRL 在海水中承受海浪海流力的交替作用,严重影响其使用寿命,在深海返 回管线配置中,可借鉴隔水管的研究成果,在返回管线上布置浮力块以及钢丝绳等,用来降 低返回管线的承载,这样一来,工作可靠性便得到了一定保障。 无隔水管钻井液举升钻井是解决深水表层钻井难题的有效方案,MRL 是无隔水管钻井 液举升钻井系统的关键设备之一, 其选型和设计影响到系统效率和功能的实现, 对于优化系 统性能和提升效率起到重要作用。

5 总结

目前,陆地上的油气资源随着时间的推移,一步步的被开发,想要获得更多的油气,已 经变得比较困难。勘探新的石油资源就迫在眉睫,这意味着钻井作业向着海洋进军,将是一 个无可避免的趋势,近些年来,国内外许多国家都在海洋钻井技术投入了相当多得精力。但 是一个无可厚非的问题就是深水海域其复杂的环境条件,会为钻井作业带来相当多得挑战, 其钻井的成本也会显著增加。因此,在国内外的一系列研究下,无隔水管钻井技术便由此产 生了。无隔水管钻井技术它不使用传统的隔水管,由于舍弃了隔水管,大大减少了对泥浆的 使用量,降低了其成本。另外一方面也降低了对平台的严苛要求,由于没有了传统隔水管, 起平台所要承受的重量和需要的空间将得到很大的解放。 本文探讨了无隔水管钻井的相关技术,分析了其在深水海域进行钻井作业的优势,能够 解决深水钻井中的诸多挑战。另外,分析了钻井液回收技术中的多级举升技术,井筒循环压 耗的分析计算,以及 MRL 的优选与参数优化。通过大量计算分析,在技术上给予了无隔水 管钻井技术很大支撑。

参考文献 [1] 彭 齐 , 樊 洪 海 , 纪 荣 艺 等 . 无 隔 水 管 钻 井 浅 部 地 层 井 筒 循 环 压 耗 分 析 [J]. 石 油 机 械,2015,43(8):73-77. [2] 董广 建 , 陈平 , 马天寿等 . 深水表层 钻井关键技术 及装备研 究应用现状 [J]. 石 油机 械,2013,(6):49-53. [3] 王 国 栋 , 陈 国 明 , 殷 志 明 . 深 水 无 隔 水 管 钻 井 MRL 选 型 及 参 数 优 化 [J]. 石 油 机 械,2013,(2):66-69. [4] 葛瑞一 , 陈国明 . 无隔水管钻井泥浆举升系统管路特性计算与分析 [J]. 石油矿场机 械,2012,41(7):33-37. [5] 吕 肖 , 张 葳 , 魏 凯 . 深 水 无 隔 水 管 钻 井 液 多 级 举 升 系 统 泵 参 分 析 [J]. 科 技 信 息,2011,(23):I0077-I0078. [6] 周 昌 静 , 陈 国 明 . 无 隔 水 管 钻 井 泥 浆 举 升 系 统 参 数 计 算 [J]. 石 油 钻 采 工 艺,2011,33(1):42-44. [7]徐群,陈国明,王国栋等.无隔水管海洋钻井技术[J].钻采工艺,2011,34(1):11-13. [8] 刘 杰 , 陈 国 明 . 深 水 无 隔 水 管 钻 井 液 回 收 钻 井 水 力 学 计 算 [J]. 石 油 钻 采 工 艺,2010,32(5):20-23. [9]STEVEN S BELL. Riserless drilling promising for deepwater developments [ J ] . Word Oil, 1997, 218(5): 33. [10] 高 本 金 , 陈 国 明 . 深 水 无 隔 水 管 钻 井 液 回 收 钻 井 技 术 [J]. 石 油 钻 采 工 艺,2009,31(2):44-47. [11]STEVEN S BELL. Riserless drilling promising for deepwater developments

[ J ] . Word Oil, 1997, 218(5): 33.

致谢

历时将近两个月时间,我终于完成了人生中的尤其重要的这一篇论文,在这段充满奋斗 的历程中,给了我学生生涯无限的激情和收获,也给了我一种别样的大学生活。当然,在论 文的写作过程中也曾遇到了许多的困难和障碍, 但都在同学和老师的帮助下度过了。 在校图 书馆查找资料的时候, 有图书馆的老师给我提供了帮助, 在私下, 有同学老师给我进行指导。 真的感觉十分温暖。在这里尤其要强烈感谢我的论文指导老师—郭老师,他对我进行了不 厌其烦的指导,给予了我许多的帮助,无私的为我进行论文的修改和改进,在此,我向指导 和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢! 同时,我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著,如果没有这些学者的研究成果的启 发和帮助,我将无法完成本篇论文的最终写作。至此,我也要感谢我的朋友和同学,他们在 我写论文的过程中给予我了很多有用的素材, 给了我很多的启发, 也在论文的排版和撰写过 程中提供热情的帮助! 最后由于我的学术水平有限,所写论文难免有瑕疵之处,恳请各位老师和同学批评和指 正!


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