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无隔水管泥浆返回钻井系统水力学计算及吸入模块设计 摘要 国外石油公司研发出无隔水管泥浆回收钻井技术( r m r ) 替代常规钻井技术来解决 深水钻井中遇到的一系列难题，该钻井技术去除了常规隔水管，利用直径相对较小的回 流管线将钻井液和钻屑从海底井口直接泵送回钻井平台。本文结合国家重大科技专项 “大型油气田及煤层气开发 中的子课题“海底泥浆举升钻井技术研究 ( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 0 1 ) ，开展深水无隔水管泥浆返回钻井技术水力学分析等相关方面的研 究。 在跟踪学习国外相关技术的基础上，详细分析了r m r 钻井系统的工作原理和系统 特性，介绍r m r 系统的关键组成装备，提出r m r 系统的动力配置方案。 依据能量守恒定律，建立r m r 钻井系统水力学计算模型，推导出无隔水管钻井液 回收钻井系统的水力学计算公式，包括钻井液温度变化计算、井内压力计算、井内当量 循环密度计算、系统循环压耗计算、泵组功率计算等，并按照不同的优化原则，对r m r 系统水力学参数进行优化设计。同时，根据r m r 系统作业特性，给出了r m r 钻井井 身结构的设计方法。利用v i s u a lb a s i c 语言编写了r m r 系统水力学计算程序，根据已知 文献中的数据进行了算例分析，并与文献结果进行对比，验证计算公式和程序的正确性。 根据r m r 系统海底吸入模块的工作要求及功能，对其进行了理论分析计算和结构 设计，利用p r o e 软件对其进行三维建模，绘制出零部件及实体装配模型。同时利用 a n s y s 软件模拟吸入模块正常工作状况下的受力，对其进行有限元分析，分析其受力 及变形状况，提取计算结果，作为海底吸入模块优化设计及强度校核的依据。 关键词：无隔水管钻井液举升；深水钻井；水力学计算；双梯度钻井；吸入模块 h y d r a u l i c sc a l c u l a t i o no fr i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n gs y s t e ma n d d e s i g no f s u c t i o nm o d u l e a b s t r a c t ，n l ef o r e i g nc o m p a n yp r o p o s e dt h er i s e r l e s sm u dr e c o v e r y ( r m r ) d r i l l i n gs y s t e m r e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a ld r i l l i n gt e c h n o l o g yt oo v e r c o m et h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h e p r o c e s so fd e e p w a t e rd r i l l i n g i nt h i ss y s t e m ，o c e a nr i s e ri se l i m i n a t e d m u da n dc u t t i n g sa r e p u m p e dt od r i l lp l a t f o r mw i t hm i n o rd i a m e t e rr e t u r nl i n e t h ep r e s e n tp a p e ri ss p o n s o r e db y “d e v e l o p m e n to fl a r g es c a l eo i l & g a sf i e l da n dc o a l b e dg a s n a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a j o rs p e c i a lp r o j e c t ( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 01 ) ，r e s e a r c hw a sc a r r i e do nt h eh y d r a u l i c sa n a l y s i so f r i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h e s t u d y o ft h er e l a t e d t e c h n o l o g ya b r o a d ，a n a l y s e d t h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i ca n di n t r o d u c e dt h ee q u i p m e n t so fr m r s y s t e mp a r t i c u l a r l y p o w e ra l l o c a t i o n s c h e m ew a sp r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h el a wo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y , e s t a b l i s h e dh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n m o d e l ，d e v e l o p e dt h eh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o nf o r m u l a so fr m rs y s t e m ，i n c l u d i n gt h e c m c u l a t i o no fd r i l l i n gm u dt e m p e r a t u r e ，b o r e h o l ep r e s s u r e ，e c d ，p r e s s u r el o s sa n dp u m pu n i t p o w e r f o l l o w i n gd i f f e r e n to p t i m i z i n gc r i t e r i o n sd e s i g n e dt h eh y d r a u l i cc o n d i t i o n s t h er m r s y s t e mc a s i n gp r o g r a mw a sp r o p o s e d c o m p i l e dh y d r a u l i cs o f t w a r e 、析t hv i s u a lb a s i c g a v ea n e x a m p l ea n dc o m p a r e dw i t ht h ed a t ao fl i t e r a t u r e ，v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t i o n f o r m u l a sa n dp r o c e d u r e s i no r d e rt om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u r i e m e n t so fs u c t i o nm o d u l eo fr m r ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds t r u c t u r a ld e s i g nw a sp r o p o s e d u s i n gp r o ee s t a b l i s h e d3 dm o d e lo fs u c t i o n m o d u l ea n dd e t a i ld r a w i n g g i v e nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs m ow i t ha n s y ss o f t w a r e ， e x t r a c t e dr e s u l tt op r o c e e do p t i m i z a t i o nd e s i g na n di n t e n s i t yc a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：r i s e r l e s sm u dr e c o v e r y ；d e e p w a t e rd r i l l i n g ；h y d r a u l i cc a l c u l a t e ；d u a lg r a d i e n t d r i l l i n g ；s u c t i o nm o d u l e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，、奄i 包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盘4 奎1 日期：砌p 年咕月弓日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交 学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复 印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 1 7 1 期：l 矿年胡五日 日期：访l 一年妒弓j 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 地球上大约3 4 的面积被海洋占有，海洋中特别是深海蕴藏着极为丰富的油气资源。 其中，墨西哥湾、北海、巴西外海以及中国南海海域，都是油气资源勘探开发的重要场 所。随着科学技术的发展，海洋油气勘探开发正向着大于1 5 0 0 米的深水、超深水方向 发展，深水油气勘探开发推动着世界石油工业和钻探科技的不断创新。自上世纪8 0 年 代开始，在深海油气勘探开发领域，全球多个国家相继开展了一系列的重大研究计划， 目前已经取得了3 0 0 0 m 深海油气勘探开发技术的突破，研制并建造出第六代深海钻井平 台及各类新式钻井装备，推动着深海油气资源勘探与开采的快速发展。 我国是一个海洋大国，有漫长的海岸线，蕴含着极为丰富的油气资源，特别是南海 海域，据初步测算，南海油气总资源量相当于5 8 1 亿吨石油当量，约为近海油气资源储 量的1 9 倍，占我国油气资源总量的三分之一，被誉为“第二个波斯湾 【。我国深水 油气开发技术不成熟，缺乏拥有自主知识产权的关键技术，与国外深海油气钻探技术存 在较大的差距，深水钻井面临着常规钻井装备和常规钻井工艺难以克服的技术难题，这 严重制约着我国深水油气资源的勘探和开发。另外，我国南海海域水深较大，而且还存 在着极其特殊的区域环境：如夏季台风频繁且强度较大、油气田离岸距离较远、沙坡和 沙脊分布广泛、存在内波流等复杂的水下状况，这些复杂的外部环境以及油气藏特性， 给深水油气开发带来极大的挑战。 目前，海上油气开发常规采用的主要是单梯度钻井技术，此时，从海面钻井平台到 并底只存在一个压力梯度，即钻井液柱产生的压力，而地层破裂压力、地层孔隙压力以 及钻井液柱压力梯度均以海面为参考点，整个钻柱以及隔水管中的钻井液柱重量很大， 地层孔隙压力和破裂压力之间的余量却较小，这样就会给钻井工艺造成一系列的难题， 同时这也是深水钻井面临的主要问题之一。如果深水钻井所用的钻井液密度太小，钻井 液柱压力小于地层孔隙压力，将导致地层流体侵入井筒，从而引起一系列的井控问题； 如果钻井液密度太大，钻井液柱压力超过地层破裂压力，将导致地层流体断裂、坍塌， 从而出现卡钻、井径扩大、钻井液漏失、洗井困难等钻井问题，使钻井作业难以继续进 行 2 1 。 立足于近海大陆架、积极拓展深水领域，是未来我国海洋油气勘探开发的战略目标。 为实现这一目标，必须加快技术革新，缩短与世界先进水平的差距。随着我国陆上油田 开发进入后期及浅海油田开发的不断深入，向水深5 0 0 m 以上的深水区进军，对我国的 能源战略具有重要的意义。 1 2 课题的研究意义及国内外研究现状 1 2 1 研究意义 我国海洋石油开发正在从近海、浅海向深水逐步发展，深水开发中的油气勘探和生 产活动日益增多，海洋钻井作业的水深不断增加。据统计，全世界未发现的海上油气储 量的9 0 埋藏在水深超过1 0 0 0 m 的地层，我国油气前景亦寄希望于深水。我国南海海 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：无隔水管泥浆举升钻井系统水力学计算及吸入模块设计 域有着丰富的油气资源，最近的勘探活动显示在南中国海水深约1 5 0 0 m 处发现了油气资 源。因此，发展我国深水钻采技术，开发满足我国深水作业的关键装备与技术势在必行。 在深水钻井中，由于海底疏松的沉积物和海水柱影响，地层压力和破裂压力之间的 余量很小，使得钻井非常困难。于是，国外从上世纪9 0 年代开始研究无隔水管泥浆返 回( i 蝴r ) 技术，该技术能很好地解决这些深水钻井中的问题。r m r 技术的核心是在海 底泥线处安放泥浆泵送系统，将井眼环空中返出的钻井泥浆和钻屑采用小直径回流管线 举升到钻井平台上，这样就不再需要大直径的隔水管，降低了对钻井平台的要求，同时 能够降低成本，由于系统的双梯度效应，还能提高钻探能力。 总之，与常规深水钻井技术相比，r m r 钻井技术具有节省钻井成本和时间的优势， 能以更低廉的成本、更短的建井时间和更安全的作业方式实现深水区域的油气勘探与开 发。根据现场试验及工业应用可知，r m r 技术具有良好的工业应用前景，是一项前景 广阔的深水钻井技术。为加快我国深水石油开发的步伐，深水钻井技术将是解决制约我 国深水钻井发展问题的一个重要突破口，所以有必要本着“引进、消化、吸收、创新、 运用”的原则，跟踪和学习国外先进的深水钻井技术，借鉴其成功经验，开发适合我国 国情且具有自主知识产权的深水钻井技术，形成一整套指导我国深水石油开发的钻井技 术体系并应用到我国的海洋石油工业，为深水勘探和开发提供技术支撑，对提高我国深 水钻井技术水平具有重要的战略意义。 1 2 2 国内研究现状 作为双梯度钻井技术的一种，r m r 钻井技术是一种新兴的旨在解决深海钻井井控 问题的技术，国外目前仍处于试验阶段，尚无大规模工业应用，同时国外大公司对此项 技术进行封锁，我们目前所拥有的只是一些简单的资料。国内研究尚处于跟踪研究阶段， 目前仅有中海石油研究中心与中国石油大学合作对该项技术进行跟踪调研，在实现原理 上取得了突破性的成果，在系统装备设计研究以及室内试验上正在进行探索性研究，目 前也取得了部分成果。从实际的发展水平来看，我国深水钻井基本上还处于研究、准备 阶段，海洋石油钻井及装备规模仅列世界第l o 位，尚落后于印尼、马来西亚与泰国【引。 我国海洋油气开采目前仅限于浅海区域，钻井和采油工作水深均小于5 0 0 m ，钻井井深 小于5 5 0 0 m ，几家海洋钻采装备生产厂家的产品也仅限用于浅海油气开发。用于1 5 0 0 m 深水的钻井船在哈尔滨工程大学海洋工程技术研究中心正处于研发阶段，满足南海 3 0 0 0 m 水深半潜式海洋平台也正处于研发阶段，海洋钻采装备关键部件全部依赖进口。 加之缺乏深水钻井的经验，对深水钻井的许多相关技术和设备尚缺乏系统的了解与认 识，仍需要在充分调研与分析国外深水钻采技术的基础上，结合我国的实际情况进行深 水钻井技术的研究，发展深海石油钻采装备。 1 3 课题的研究目的、研究内容及研究路线 1 3 1 研究目的 对无隔水管泥浆返回钻井系统进行水力学计算，分析系统性能，优选工作参数，对 该技术中泥浆举升所选用的圆盘泵进行性能分析及水力学计算，编写适合于深水钻井的 水力学计算程序，另外对海底吸入模块进行结构设计，绘制工程图纸，为今后开展深水 2 第1 章绪论 钻井技术提供理论上的计算依据，并为装备研制工作奠定基础。 1 3 2 研究内容 依据无隔水管泥浆返回钻井技术实现原理及工作特点，开展无隔水管泥浆返回钻井 系统的水力学计算和系统性能分析，编写适合深水钻井的水力学计算程序，进行相关配 套设施等关键设备的结构设计计算，绘制关键设备的工程图纸。 ( 1 ) 无隔水管泥浆返回钻井系统分析及水力学计算。结合系统的工作原理，对系统 进行水力学计算并进行性能分析及系统优化，编写适合深水钻井的水力学计算程序。 ( 2 ) 对泥浆举升所选用的圆盘泵进行性能分析。结合圆盘泵的工作原理，对影响圆 盘泵性能的主要因素进行分析，对所选用的圆盘泵进行水力计算，优选工作参数。 ( 3 ) 海底吸入模块的设计。根据无隔水管泥浆返回钻井系统的工作原理，考虑水下 密封问题，对海底吸入模块进行结构设计并绘制工程图纸。 ( 4 ) 结合系统工作原理，为系统配备动力设施，为动力供应提供指导性方案。 总之，本课题以深水无隔水管泥浆返回钻井系统的水力学计算和海底吸入模块的设 计为主要研究内容，对系统和泥浆举升泵进行性能分析及水力学计算，优选出合适的工 作参数，优化系统的工作性能，编写水力学计算程序，保证系统的可行性和经济性。 1 3 3 研究路线 通过对国外石油公司、高校、研究机构开展深水钻井技术研究的调研，完成深水钻 井技术相关资料的收集、整理与分析，以及相关专利技术、文献检索和查新，实现对深 水钻井技术的实时跟踪。以工程力学、钻井工程、机械工程和海洋工程理论为基础，模 拟整个钻井流程，分析系统工作原理，对系统进行水力学计算，优选工作参数，针对其 中一到两个关键部件进行功能设计，借助c a d 技术进行辅助设计，确定关键参数，绘制 工程图纸，为样机设计制造和实验打下基础。 主要的技术路线有： ( 1 ) 查阅文献，搜集资料，学习软件，首先确定无隔水管泥浆返回钻井系统的研究 框架，确定系统所需要计算的水力学参数，以及水力学计算理论方面国内外最新的研究 成果。 ( 2 ) 根据钻井工程、海洋工程的知识，对r m r 系统和圆盘泵进行水力参数计算和性 能分析，并采用v i s c a lb a s i c 编写适合深水的水力学计算软件。 ( 3 ) 通过理论方法学习、软件应用和模拟仿真，结合国外最新的技术和成果，确定 r m r 系统以及海底吸入模块的结构设计参数以及钻井工艺流程，采用a n s y s 、a b a q u s 等大型有限元分析软件建立r m r 系统重要机械部件的有限元模型，进行构件在作业时的 静力及动力分析。 ! 里生塑查兰f 兰堡婴主兰些堡兰主堕查堕堡坚芏! l ：堂! ! 墨堡垒生兰生塑墨坚垒竖些堂! ! 第2 章无隔水管泥浆返回钻井系统工作原理及主要装备 21 无隔水管泥浆返回钻井系统工作原理和工作流程 采用常规钻井技术进行海洋钻井时，从海面钻井下台到井底只有个压力梯度，该 压力梯度即为钻井液柱压力梯度。钻井时的地层孔隙压力、地层破裂压力和钻井渡液柱 压力均以海面为参考面，由于海底泥线以下地层乱隙压力和地层破裂压力之问的余量根 小，而常】；! l l 钻井时钻柱内和隔水管内钻井液柱产生的压力很大，这就会给常规海洋钻井 带来一系列的难题。无隔水管泥浆返回钻井系统采用无隔水管技术，去除了常规钻井隔 水管的使片j ，将钻柱直接裸露在海水中，依靠安装在井口上的海底吸入模块将海水和返 回的钻井泥浆隔绝开来并实现井眼和海水之间密封，钻井泥浆和钻屑通过吸入模块的分 流作用进入位于海底的海底举升泵组，然后通过小直径【旦| 流管线循环至海面钻井平台。 在r m r 钻井系统中，钻井液由海面泵象入钻牛t 中，经钻杆到达井底，冲击破碎岩石并携 带岩屑由井眼环空上返，在环空顶部经海底吸入装置分流进入海底举升泵组，岩屑和钻 井液在海底泵作用下通过泥浆返回管线回流至钻井平台，钻井液经海面泥浆处理系统处 理后重新进入泥浆循环体系”。常规钻井和无隔水管泥浆返回钻井示意图如图2 - 1 所示。 a 常规海洋钻井示意图 a d i a g r a mo f t 弛d i t i o n a lo f f s h o r e d r i l l i n g b 无隔水管掘浆返回钻井系统示意圆 bd i a g r a mo f r i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n g 图2 - 1 常规钻井和无隔水管泥浆返回钻井系统示意圈 f i g2 1 d i a g r a mo f t r a d i t i o n a lo f f s h o r ed r i l l i n ga n dr i s e r l e s s m u dr e c o v e r y d r i l l i n g 无隔水管泥浆返回钻井系统去除了常规钻井隔水管的使用，钻杜直接裸露在海水 中，在海底泥线以上为海水，从海底井口到井底为钻井液，这样在系统中，从海面到井 底就存在两个压力梯度，如圈2 2 所示。海面泥浆泵将钻井液泵入钻杜中，经钻杜到达 井底，并产生一个压力损耗，该损耗即为钻头唢嘴处的压力损耗。在钻井液从井底同流 至平台的过程巾，由于海底举升泵组的作用，压力梯度曲线分为两段，其中从井底到海 底为一段，从海底到海面钻井平台为另一段。通过控制海底举升泵组入口压力保汪井跟 第2 章光水管犍摧举w # 井系统t 作睬主要装* 环空顶部压力等于海底静水压力，从而可以有效地控制海底泥线以下的井眼环空压力和 井底压力使地层孔隙压力和破裂压力之间狭小的问隙相对变宽，井下的压力不受海水 压力的影响，使得海洋钻井就像陆地钻井一样，这样井涌、井喷和井漏事故就人大减少， 町以较好地解决深水钻井工艺方i i i 的问题，实现安全钻井作业m 】。 圉7 - 2 无编水管祝浆返同钻井系统压力梯度示意图 f i g2 - 2d i a g r a mo f p r e s s u r eg r a d i e n to fr i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n g 22r m r 系统技术特性及优缺点分析 无隔水管泥浆返回钻井系统作为一项全新的深水钻井技术，其核心思想是控制海底 举升泵组入口压力等于海底泥线处的静水压力，并以此来控制井筒内的压力，人为造成 系统内的双梯度效应，r m r 系统主要技术特性如下： 22 1 对过平衡的控制 在海洋钻井过程中，钻井泥浆柱压力与地层压力之间的压差是影响钻进速度的重要 因素，常规钻井方式中是通过改变钻井泥浆密度束调整两者之间的压差。井深越大，地 层压力就越大，就越需要增加钻井泥浆密度来使井眼内液柱压力大于地层佧力，保持钻 井过程中的过平衡状态。钻井泥浆液柱压力与地层压力之间的过平衡压力应当能够克服 超钻具时所产生的抽汲压力以及地层孔隙压力的预渊偏差值。 过平衡压力值对机械钻速的影响与钻头类型、地层类型以及其它因素对钻速的影响 有很大的不l 司。通常情况下，如果过平衡压力为零钻遽就会大大增加；如果压力继续 下降到欠平衡状态，钻速增加的会更多。而且欠平衡钻井状态对油层的污染也比过平衡 状态小。 钻井过程中，想要通过降低泥浆密度柬提高钻进速度，然后通过增加泥浆密度米调 节起下钻柱抽汲压力是不切实际的。因为整个系统中钻井泥浆的循环时间仅仅只有几个 小时，在泥浆循环过程中，反复地降低和增加泥浆密度的费用很高，并蜀这样操作会给 钻井作业带来极大的危险，如果计算错误就会导致井涌、井喷等事故的发生。 由于r m r 系统的双梯度作用，在钻井过程中钻井液密度的可调范围比常规钻井中的 大，这样，就可以在更大的范围内通过调节泥浆密度得到可以安全起下钻的过平新压力， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：无隔水管泥浆举升钻井系统水力学计算及吸入模块设计 同时通过调节海底泵组的举升压力，就可以保证在很小的过平衡压力下进行钻井，同时 也可以通过调整泥浆密度来增加钻速、降低地层损害。 2 2 2 更加精确的水力参数 无隔水管泥浆返回钻井系统可以以更加准确的举升压力和水力功率进行钻井作业， 能够保持较高的钻进速度，并有较好的井眼清洗能力。计算水力参数需要详细地列出系 统最大循环压力、清洗井眼所需要的最小环空流速以及最大可用功率的限制条件。r m r 系统提供的最大循环压力是平台泥浆泵的压力极限与海底举升泵组的压力极限的总和， 该压力极限提供的水功率相当于常规钻井中水力功率的两倍。 2 2 3 减少井控方面的隐患 常规钻井时，系统内泥浆柱在海底泥线处的压力大于海水静压力，当隔水管卸扣时， 井眼内的泥浆柱压力会下降。对于浅水作业，泥浆柱的压力有时可能会高到足以平衡地 层压力与另外的高于隔水管压耗的安全压力的总和。而在深水常规钻井时，高密度泥浆 液柱在隔水管底部产生的压力可能高达几十兆帕，如此高的压力可能会大于裸眼地层的 破裂压力，并且较高的过平衡压力会降低钻井特性，因此深水钻井时，采用常规方法不 可能保持隔水管的安全压力。而在r m r 系统中由于去除了隔水管的使用，因此就不存在 上述问题，并且可以用高密度的泥浆来平衡地层压力1 8 j 。 2 2 4 紧急卸扣 常规钻井时，动力定位钻井平台的隔水管控制系统在钻井系统发生故障时需要进行 紧急卸扣，卸扣程序要在特定时间内完成，一般为3 0 秒到4 0 秒，防止高压油气流对防喷 器、隔水管和钻井平台造成损害。在紧急卸扣过程中，防喷器闸板关闭，在钻杆接头处 剪切闸板切断钻杆，关闭井口，隔水管连接器卸扣，具有很大张力的隔水管被隔水管反 冲装置( 为避免隔水管与钻井船相撞而设计的) 用特定的方式抬升。在紧急卸扣过程中， 钻井液从断开的隔水管底部流出，直到泥浆柱的压力等于海水压力。这样会耗费大量的 钻井液，并且还会带来污染问题。在紧急卸扣之后，关闭的井口只有一个井控闸板。而 r m r 系统就不存在这样的问题，在遇到突发事故时只需切断钻杆即可，在关井之后井口 仍然保留有两个相互独立的井控闸板，并且有足够的泥浆液柱压力控制井眼，关闭防喷 器。 2 2 4r m r 系统主要技术优势 无隔水管泥浆返回钻井技术作为一项全新的深水钻井技术，与常规海洋钻井相比具 有较大的优势，主要有以下几点： 1 ) 增加表层套管的下入深度，减少下入套管层数，简化井身结构，减小井眼和套管的 尺寸，减少下套管和固井的时间，缩短建井周期，降低建井成本。 2 ) 提高井眼稳定性，减少因使用抑制性钻井液和重钻井液可能引起的井身坍塌问题。 3 ) 地层孔隙压力和地层破裂压力间隙区域相对变宽，使得井涌、井漏等问题大大减少， 减少处理钻井复杂事故的时间，更好的实现井控。 4 ) 摈弃常规钻井隔水管，钻井平台不再承受巨大的隔水管悬挂载荷，降低了对钻井平 台的要求，使用第三代甚至第二代钻井平台也可以实现深水钻井作业。 6 粥2 章无水管泥浆举镕什系统t 怍原理主豆装* 5 ) 由于不使用隔水管，钻井平台不再承受由隔水管和大体积浮力块在深海海浪、海流 等复杂载荷作用下产生的交互载荷，降低了对锚泊系统的要求，增加了锚泊定位的 可靠性。 6 1 提高钻井系统的机动性，由r 该系统不使用隔水管紧急撤离时只需将海底设备断 丌连接，不必考虑因隔水管底端触及海底突出地形而引发事故；减少向海水中的排 放电，同时减少排放钻杆涂料中的有毒化学物质，防止钻上部) 眼时在海底模块周 围的废弃物堆积，防止在特殊环境限制区域内的扩散。 23r m r 系统关键设备 无隔水管溅浆返回钻井系统组成如图2 3 所示，该系统由两大类设备组成：常规钻 井设备和r m r 系统专用设备| l 。海而设备采用常规钻井设备或者升级改造的常规钻井 设备，系统争用设备主要包括海底吸入装置、海底举升装置、泥浆回流管线、管缆绞牟 以及拧制系统。 圈2 - 3 无隔水管泥浆返回钻井系统组成示意图 f i g , 2 - 3 d i a g r a m o f r i s e r l e s s m u dr e c o v e r yd r i l l i n gs y s t e m 2 3 1 海底吸入装置 海底吸入装置是无隔水管泥浆返 旦| 钻井系统中的关键组成部件，主要功能是隔离井 眼环空顶部和外部海水环境，将海水与井筒隔开，起到类似隔水管和防喷器的作用。海 底吸入装置能使由井眼环窄上返的钻井泥浆和钻屑改变方向进入海底举升系统，为钻井 泥浆和岩屑返【旦i 管线提供接口，同时还起到扶j 下下入钻具的作用，如图2 _ 4 所不。该装 置从结构上可分为内部旋转部件、外壳体、橡胶密封胶芯、旋转轴承总成等，同时还设 计有压力传感器和照明摄像装置，能为平台上的操作人员提供海底的实时图像，方便操 作人员控制井能预防某些钻井事故的发生。 中国i 油大学( 毕束) 顿十学位论女隅水管泥浆举升钻井系统水力学h 算q 模块设计 图2 q 海底吸八装置外形结构示意图 f i g2 4 d i a g r a mo f t h es u b s e as u c t i o n m o d u l e 232 海底举升装置 海底泥浆举升装置是r m r 钻井系统的梭心组件，其作用是将由井口返出的钻井泥 浆和岩屑举升到海面平台，井对井内压力进行控制和调节。该装置是由两台或者多台举 川泵组成的泵组，根据水深和泥浆流量的不同，可将多台单泵串联或者并联以满足扬程 和流量的要求，如图2 - 5 所示。该举升泵组的入口通过软管与海底吸入模块相连，出口 与泥浆回流管线相连同时该举升泵组还包括有水下电机、快速接头、压力流量传感器 等设备。 图2 - 5 海底举升装簧 f 电2 5s u b s e ap u m p l i f ts y s t e m 2 33 泥浆回流管线 泥浆回流管线主要用来提供岩屑和钻井液返凹钻井平台的通道，同时也作为节流和 压井管线、海底控制电缆等的附着体，如周2 - 6 所示。实际钻井中，泥浆返回管线多采 用一种回收软管，既可满足压力需要叉具备承受海浪海流环境载荷的能力。同流管线应 当尽量在允许的范围内增大直径，这样能够减少摩擦损失，降低能量消耗。 蚺2 无m 管泥浆举升钻井系统i 作原理 要越备 熙 圈2 - 6 泥浆回流管线 f i g2 - 6m a d 他u l r nl i n e 234 管缆绞车 管缆绞车是r m r 钻井系统的专用设备，安装在钻井平台甲板的外缘，如圈2 7 所 示。管缆绞车的作用是下放安装某些无法通过月池的设备，同时它还为平台控制舱和海 底模块问提供了控制及动力的连接。 图2 - 7 管缆绞车 f i g 2 - 7 w i n c ha n dc a b l es y s t e m 在采用以上各种关键装备的同时，需要对钻井平台相关装备进行升级改造，使得在 实现深水无隔水管泥浆返回钻井的情况下最大程度的利用原有设备，降低成本，提高经 济效益。 2 4r m r 系统动力配置方案 无隔水管泥浆返回钻井系统包括很多设备，为了简化操作仅仅设置了一个电力供 应连线装置。这个连线装置由平台安全系统控制，在关闭的状态r 整个系统将被切断， 除了用于紧急照明的励磁机组、p a 系统和用于快速释放的操作。 平台控制舱的建造被分成2 部分：一部分是为非励磁设备的空气净化装置另一部 分是励磁设备。非清洗区域包括：来自平台的动力供应、从p , m r 系统到、f 台的安全信 号、绞车中的动力和紧急制动、h p u ( 液压能量单元) 、包括3 0 0 0 伏的动力和经过管缆绞 中国“油人学f 华享) 硕学位论文：无隅水管泥攘芈t i 钻井系统水力学计算灶 摸* 设l l 车对r m r 系统泵模块的控制信号的控制管缆以及返回控n 来自帽同管缆的设备信号。 控制系统通过监测、调节举升泵组电动机的转速维持吸入装置常压束控制井筒环窄 的压力。系统包括一个压力转换器、一个p i d 控制器和v s d 输入。从海面到钻控制室 调甘设置点。司钴控制室叶1 的操作人员监测和控制无隔水管泥浆返回泵。 控制系统的作用主要是：一个压力传感器测量吸八装置系统内的环空压力，另个 传感器测量在相同高度的外部静水压力。两种测量结果的差值被用丁根据外部静水压力 调节内部变化压力。不同的压力转换器安装在海底举升泵模块的内部。 r m r 平台控制舱包括下列主要部件： 变速驱动转换器，正弦滤波器和能够在套管和r m r 系统m 提供一个接口的控 制系统。 一个通过使川高压动力供应的3 k v 的转换器，用来减少电缆的尺寸。 所有的控制系统都被连接到这个控制舱上，用柬监控和维持稳定的环空压力，如崩 2 s 所示。 一 圈2 - 8 能量供应与控制系统 f 眶2 s p o w e r s u p 叫t y 船dc o n t r o l 珂s 咄n 系统所需动力全部由平台上的8 台相同型号的柴油发电机提供，发电机输出电压为 三相1 1 k v ，5 0 h z 。每2 台柴油发电机组成一套独立的供电配电懿，每个配电盘与发电 机之 j j 都安装有断路器以保证安全。 在配电盘的两端，安装有跨接断路器，用来实现各个配电盘的接入或接出供电网络。 通过跨接断路器，配电盘可以将电源送至变压器，经变压器调压之后输出到系统各设备 模块。 主顶驰由2 台8 5 0 k w 的变频电机驱动；辅助顶驱由1 台6 0 0 k w 的变频电机驱动； 4 台海面泥浆泵，由8 台9 0 0 k w 的变频电机驱动：管缆绞车由2 台8 0 0 k w 的变频电机 驱动。按照系统工作水深为1 5 0 0 m 进行设计，海底举升泵组由双泵串联，泵组中每台剧 碰泵由1 台5 0 0 k w 的变频电机驱动。 海上移动平台入级与建造规范中规定：平台应设有独立的应急电源，该应急电 源能够维持避道、出口等处应急照明以及紧急通信系统工作3 6 小时，维持依靠电力操 作的水密门以及报警等设备工作05 小时。 第2 章无隔水管泥浆举升钻井系统工作原理及主要装备 在r m r 系统中，应急发电机组除了提供应急照明等规范中规定的电能外，还必须 提供用于快速脱离和释放的电能，保证在紧急事故发生时，能迅速与海底系统脱离。 2 5 本章小结 本章对无隔水管泥浆返回钻井系统的工作原理和工作流程进行了分析，并与常规钻 井进行对比，分析了该系统在深水钻井时的优缺点，同时根据系统的工作原理，介绍了 系统的关键组成装备以及系统的动力配置方案。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：无隔水管泥浆举升钻井系统水力学计算及吸入模块设计 第3 章无隔水管泥浆返回钻井系统水力学分析 水力学分析作为钻井系统设计和施工计算的基础，要求能够准确的反映出钻井系统 正常工作时的基本状况，并能根据各种参数的变化预测出可能会出现的事故。在进行深 水钻探作业时，复杂多变的地层及外部环境会对钻井系统产生极大的影响，更需要精确 的水力计算来确保钻井的成功。r m r 钻井系统作为一项最新研发的技术，急需合适的 水力学计算理论和方法。在进行r m r 系统设计时，有必要根据无隔水管钻井液回收钻 井系统的工作条件及特点，对系统进行水力学分析，建立精确水力学模型并对水力学计 算公式进行推导。 r m r 钻井系统是一个复杂的循环体系，随着井深的增加，井内温度和压力也会随 之发生变化，而温度和压力的变化就会对钻井液产生影响，引起钻井液密度、粘度的变 化，而钻井液密度、粘度的变化又能影响到循环体系的压力损耗以及井底压力的变化， 因此，r m r 系统水力参数的变化是一个复杂的联动的过程，要准确的计算水力参数， 就必须仔细分析引起水力参数变化的因素，建立精确的计算模型进行推导计算。 r m r 钻井系统水力学分析包括钻井液循环体系温度场分析、压耗分析、当量循环 密度计算、井内压力计算以及泵组扬程及功率计算等。 3 1 系统温度场模型的建立 目前工程上已经有很多确定井眼内温度的方法。根据确定方式的不同可以分为：利 用仪器和设备下入井内实际测量温度的实测法；利用临近已钻成井的井下温度数据确定 温度的简易估算法；建立数学模型推导计算井内温度的建模计算法。各种方法的优缺点 如表3 。1 所示。 表3 1 确定井眼温度的方法 ! 苎垒! ! 兰：! 坠竺! 垒2 坐垡苎! 兰竺苎! 坚曼坠垒旦! 竺坠竺! 曼! 竺里p 曼! 堡坐翌 方法优点 缺点 1 2 第3 章无隔水管泥浆举升钻井系统水力学分析 对于南海深水海域，我国进行的钻探活动较少，获得的数据及经验不多，因此，在 该区域运用建模计算法较为合适，即可以节约成本，又可以为以后的钻探提供计算依据 和经验。 为有效地简化计算模型，建立r m r 钻井系统能量守恒方程并获得满足钻完井施工 精度的计算结果，根据系统内钻井液的循环特点和实际传热特点，提出以下假设： 井筒内，钻井液径向热对流交换的热量是影响温度的主要因素，因此，忽略轴向 热传导对温度的影响； 地层中的热传导是垂直和水平的，地层岩石中的热对流( 液体流动) 和热源不考虑； 地层岩石的密度、比热和热导率等各种物性参数不随温度和压力而变化，且比热 和热导率在垂直方向和水平方向是相等的，即是各向同性的； 环空中的流体和地层之间的热传递是稳定状态的线性热传递； 钻井液不可压缩，循环时钻井液流量不变；忽略流体的粘滞扩散； 钻具内和环空内的钻井液在径向上温度是相同的，即在钻具和环空中的钻井液都 不存在着径向上的温度梯度； 井眼直径为统一钻头外径，不考虑井眼扩径和缩径对钻井液循环速度和阻力的影 响； 忽略钻具对热传导率的影响，钻具内和环空中的钻井液为均一温度。 从能量守恒的角度来分析，在r _ m r 钻井系统中，存在三个能量守恒的体系，分别 是钻杆内、回流管线内和井筒内。下面依据能量守恒定律，建立r _ m r 系统中钻杆内、 回流管线内和海底以下井筒内的温度变化计算模型。 3 1 1 海底以上钻杆内 量为 q 渊 图3 1 海底以上钻杆内能量守恒 f i g 3 - 1e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nd r i l lp i p ea b o v es u b s e a 假设钻杆内钻井泥浆处于稳定状态，选取厶的长度，钻井泥浆在该段长度内的能 q 彤一q p ( ，+ 缸) = 朋q ( 一乙( 。+ 缸) ) 钻杆中钻井泥浆与外界海水之间的能量传递为 1 3 ( 3 - 1 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：无隔水管泥浆举升钻井系统水力学计算及吸入模块设计 = 2 x r y o 缸( 乙一乇)( 3 2 ) 合并上述两式 m q ( 乙一乙( 卅缸) ) = 2 x r p u o 缸( 乙一乙) ( 3 3 ) 整理即可得到海底泥线以上钻杆内能量守恒方程 一d t m c 寻22 x r y o ( r 删一乙) ( 3 - 4 ) 式中，厶为深度方向上选取的单元长度；q 雕、q p 缸) 分别为钻井泥浆在深度x 处和 x + a x 处的热流量，j s ；m 为钻井泥浆质量流量，k g s ；c 。为钻井泥浆比热容，j ( k g k ) ； 、乙( 舯缸) 为钻井泥浆在深度x 处和x + z 3 x 处的温度，；乃为钻杆内钻井泥浆温度， ；乙为海水温度，；为钻杆外径，m ；u o 为钻杆传热系数，w ( m 2 k ) 。 3 】2 回流管线内 q 图3 - 2 回流管线内能量守恒 f i g 3 - 2e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nm u d r e t u r nl i n e 假设钻井泥浆在回流管线内处于稳定状态，则在z 3 x 的长度内钻井泥浆的能量 q ，( ，+ 缸) 一q 出= m q ( 乙( 肿血) 一) ( 3 - 5 ) 钻井泥浆与外界海水之间的能量传递为 级。= 2 7 r r , t u ，缸( 一乙)( 3 6 ) 合并上述两式 m c p ( 霸( ，+ 缸) 一i 缸) = 2 万q x ( 瓦一乃) ( 3 - 7 ) 整理即可得到回流管线内能量守恒方程 m c 睾= 2 r c r e u r ( 乙一乙) ( 3 8 ) 式中，、乃缸1 为回流管线内的钻井泥浆在深度x 处和x + 厶x 处的温度，；乙为 钻井泥浆在回流管线中的温度，；白为回流管线外径，m ；u r 为回流管线传热系数， w ( m 2 k ) 。 1 4 第3 章无隔水管泥浆举升钻井系统水力学分析 3 1 3 海底以下井筒内 q 伪捧 图3 - 3 海底以。f 井筒内能量守恒 f i g 3 3e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb o r eh o l eu n d e rs u b s e a 井筒环空中钻井泥浆在x 深度处传递的热量包括两部分，一部分是以对流的方式传 递的热量线，一部分是以热传导的方式从地层传递进的热量q ，。井筒环空中钻井泥浆 在x + x 深度处传递的热量包括两部分，一部分是以对流的方式传递的热量q 缸、，一 部分是以热传导的方式传递进钻杆中的热量线。因此，在稳定状态下，钻杆内钻井泥 浆在a x 长度内的能量为 o p ( x + a x ) - q 肛= mq ( 乙( ，+ 缸) 一& ) ( 3 - 9 ) 钻杆内钻井泥浆与环空之间的能量传递为 = 2 u r , u o ，a x ( l 一乙)( 3 1 0 ) 合并上述两式 m q ( 乙( j + 缸) 一乙) = 2 r c r p u a 缸( 瓦一乙) ( 3 一1 1 ) 整理即可得到海底以下井筒中钻杆内能量方程 。 一d t m c 寻= 2 n r p u a ( 瓦一乃) ( 3 - 1 2 ) 环空中的钻井泥浆吸收地层热量，然后传递给钻杆内的钻井泥浆，根据环空内的能 量守恒可以得到下面的方程 q ( 触) + g = 鲰+ ( 3 1 3 ) 经过整理变换可得 而邑誓砌r y a