深水无隔水管钻井MRL选型及参数优化.pdf

一 6 6 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 3年 第4 1卷 第2期 ． ． 海洋石油装备 深水无隔水管钻井 MR L选型及参数优化 王国栋 陈国明 殷志明 1 ．中国石油大学 华东海洋油气装备与安全技术研究中心2 ．中海石油研究中心 摘要 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，钻井液举升管线作为 该系统 中海底钻井液返 回平 台的唯一通道 ，其选型和设计影响到整个 系统的正常运行。在对钻井 液返 回管线 MR L 压耗分析 的基础上 ，通过分析不 同 MR L规格对钻井液流速 、压耗等性能的 影响，得出适合于不同水深的 MR L内径的解决方案 ；同时对不同水深作业情况下返 回管线的选型 进行研究，提 出较浅水优先选用柔性管线，深水和超 深水情况下选用钢制管线的选型原则。该研 究对深水无隔水管钻井液举升钻井系统的研 究具有一定 的指导意义。 关键词 钻井液返 回管线 MR L ；深水钻井；无隔水管钻井；优化；选型 中图分类号 T E 9 5 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 6 M RL Le c t o t y p e a n d P a r a me t r i c Op t i mi z a t i o n f o r De e p wa t e r Ri s e r l e s s Dr i l l i ng W a n g Gu o d o n g Ch e n Gu o mi n g Yi n Z hi mi ng 1 ． C e n t r e -厂 。 r O f f s h o r e E n g i n e e r i n g a n d S a f e O ， T e c h n o l o g y ，C h i n a U n i v e i t y P e t r o l e u m，Q i n g d a o C i t y 2 ． C N O O C R e s e a r c h C e n t e r Ab s t r a c t Th e r i s e r l e s s mu d l i fl d r i l l i ng s y s t e m i s a n e f f e c t i v e s c he me t o d e a l wi t h t h e d i ffic u l t y i n d e e pwa t e r s u r f a c e d ri l l i n g ． T h e l e c t o t y p e a n d d e s i g n o f t h e mu d l i f t l i n e ，t h e o n l y c h a n n e l f o r s e a b e d mu d r e t u r n i n g t o t h e p l a t f o r m i n t h e s y s t e m，a f f e c t t h e n o rm a l o p e r a t i o n o f t h e wh o l e s y s t e m． On t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e p r e s s u r e l o s s o f mu d r e t u r n l i n e MR L ， t h e s o l u t i o n w h i c h i s s u i t a b l e f o r t h e i n n e r d i a me t e r s o f MR L o f d i f f e r e n t d e p t h s w a s o b t a i n e d t h r o u g h a n a l y z i n g t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t MRL s p e c i fic a t i o ns o n t h e p e r f o rm a n c e o f mud flo wr a t e a n d p r e s s u r e l o s s ． Me a n wh i l e，t he l e c t o t y p e o f MRL i n o pe r a tio ns a t d i f f e r e nt d e p t h s wa s s t u d i e d ． Th e l e c t o t y pe p r i nc i p l e wa s p r o p o s e d t h a t f l e x i b l e l i n e i s o p t i mi z e d for s h a l l o we r wa t e r a n d s t e e l l i n e for d e e p wa t e r a n d s u p e r d e e p wa t e r o p e r a t i o n s ． T h e s t u d y s e r v e s a s a g u i d e t o r e s e a r c h o n t h e d e e p wa t e r ris e r l e s s mu d l i f t d r i l l i n g s y s t e m． Ke y wo r d s MRL； d e e p wa t e r d ril l i n g；r i s e r l e s s d r i l l i n g；o p t i mi z a t i o n； l e c t o t y p e 0 引 言 为了解决常规隔水管钻井技术在深水钻井中遇 到的难题，国外从2 0世纪 6 0 年代开始发展双梯度 钻井技术 D G D I 4 J 。近年来只有挪威 A G R公司 的无隔水管钻井液举升 R M R 钻井技术得到工 业化推广应用，并取得显著效益 。据资料介 绍 卜 ，R M R在水深达 1 4 1 9 m的现场试验已获 得成功。2 0 0 8年，I O D PM I组建研究小 组对 J O I D E S R e s o l u t i o n钻井船上使用 R MR系统在水深 1 5 2 3～3 6 5 7 m钻井的应用可行性进行了研究 ，计划 在墨西哥湾进行现场试验 ，但未见后续报道。 无隔水管钻井液举升钻井系统不使用常规隔水 管，钻井液循环借助于海底泵和钻井液返回管线 M R L 使含岩屑的井眼返回钻井液从海底返回到 平台进行处理再利用 。深水条件下 ，MR L受力 情况复杂，适应能力减弱，其上部承受的压差较 小， 但需承受整根管线的重力、内含钻井液的重力 以及附着部件的重力等载荷作用，相比而言，M R L 基金项 目国家科技重大专项课 题 “ 深水油气 田开发钻完井 工程配套技术” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 。 2 0 1 3年第4 1 卷第2期 王国栋等 深水无隔水管钻井 MR L选型及参数优化 一 6 7一 的下部承受的载荷较小 ，但管线 内外压差较大。同 时，还需承受海流力等横向力的交替作用 ，对其使 用寿命造成严重影响。无隔水管钻井液举升系统 中，MR L一旦 失效 ，必 将导致 钻 井 中断。因此 ， 作为海底钻 井液返 回海面平 台的唯一通道 ，MR L 的性能和可靠性对于整个 系统运行起到关键作用 ， 其选型和设计是无 隔水管钻井液举升表层钻井液循 环系统的重要 内容 。 1 MR L参数优化 MR L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 限决定了返 回管线的规格 ，而 MR L的内径 直接决定 了系统 的 动力功率。海底井眼返回的含岩屑钻井液经海底泵 增压后返 回平 台过程中的损耗主要是 MR L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。M R L传输海底井眼返回钻井液的 效率将影响整个 系统的工作情况 。 1 ． 1 M R L压耗 分析 根据范宁方程 可知 ，流体 流经管线 的压力 损耗 为 Ap 1 2 J Z p m V 7 1 i 厂 i 2 【 lg J 根据流体力学相关知识，可计算流经 M R L的 雷诺数 R e P v f d 3 式 1 ～式 3 中，△ p 为流体压力损耗 ， M P a ； f为 M o o d y摩擦 因数，层流状态时可由式 2 确定 ，其 中 值 由 K ／ d确定 ，K为管道 内壁 绝对粗糙度 ，d为管道 内径 ，紊流状态时可将管壁 的相对粗糙度 视为 0近似计算 ；f 为管线长度 ， 忽略管线变形及 漂移 ，其数值 近似等于水深 ，m； P 为钻井液密度 ； 为流体平均流速 ，m／ s ；d i 为 管线 内径 ，e m； 为钻井液动力黏度 ，P a S 。 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 _ f 。最低环空返速通常使 用经验公式来确定 1 8 ． 2 4 ／ p d d h 4 最低环空返速确定后，可根据下式确定海底举 升泵 的最小排量 Q 丌 d 一d V a ／ 4 0 5 以上 2式 中， 为井眼环空最低 返速 ，m ／ s ； d 为井 眼环空直径 ，c m；d 为钻杆外径 ，e m；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 MR L内含岩屑钻井液 的 流速 V f5 1 9 5 Q ／ 4 0 8 d 6 将式 2 ～式 6 代人式 1 并整理得到 钻井液举升管线压耗计算公式为 △ p d7 ． 2 9 X 1 0 ～ p h f1 0 ／ 7 式中，h 为井位水深 ，m。 1 ． 2 MR L参数优化 管线 内径是 MR L选型的关键 ，通过对不 同管 径 MR L内的流速 、雷诺数 、摩擦 因数和摩擦阻力 的综合分析比较 ，对 MR L内径进行选择 。 管 内的压力损失主要取决于粘滞阻力和钻井液 的举升压力 。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。对 于一定 的水深，所需 M R L的长度近似等于水深， 对于内径 一 定 的 MR L压力损耗就可进行计算 ，或者将其作 为管路内径的函数画出图来。 图 1～图 4分别为钻井液密度 1 ． 8 0 g ／ e m 、水 深 1 5 0 0 1 1 3 、动力粘滞系数 4 0 P a S ，不 同钻井液 流量 2 0 、4 0 、6 0和 8 0 L ／ s 工况下 ，钻井液流 速、雷诺数 、摩擦因数和摩擦阻力随回流管线内径 的变化情况 。 I ∽ ● 鲁 一 ＼ 遮 蜓 摆 回 Q2 0L ／ s ／ Q4 0 L ／ s Q 6 0 U I MRL 内径／ m 图 1 MRL内径 对 钻 井 液 流 速 的 影 响 F i g ．1 Ef f e c t o f MRL i nn e r d i a me t e r o n mu d flo wr a t e 发生井涌 喷 等钻井异常时 ，需 提高钻井 液系统循环流速 ，将井眼环空返回含岩屑钻井液快 速举升到平台，同时也为了能够提高钻井效率，需 使 MR L的内径尽可能大一些。而由于考虑到岩屑 颗粒在钻井液中的滑移问题 ， 其内径不大于海底吸 人模块的内腔直径 。由图 1～图 4可知 ，随着 MR L 直径的增大 ，摩擦阻力减 小，压力损失也 比较小 ， 但是随着回流管线直径的增大，会导致其质量增 加，系统所需的功率也随之增加，所需钻井液的量 石 油机械 2 0 1 3年第4 1 巷第2期 5 ．0 4 ． 5 4 ． O 3 ． 5 0 3 ． 0 2 ． 5 援 2．0 18 ；Ⅲ1 5 1 ．O O． 5 0 ． O 0 j ； } 1l ； ／ O2 0L ， s 1I Ln l_ 4 0 - ／ 一 一 耋 j 径 图 内径对 雷诺数的影响 ● 0 0 。 蓄 。 糍 篓 。 o 0 径 图 内径对管线摩擦 因数的影响 ● ≈ 巳- ＼ R 出 啦 回 ， ／ ．Q ， ； Q 选型 系统工作过程中， 受到内部和外部静水 压力影响，外部静水压力由相应深度的海水产生， 内部静水压力由钻井液产生。在不同水深下，管线 内部和外部静水压力 的对 比见图。 钻井液密度／ g’ ’ 图 不 同水深下 内、外压力差 ● 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 ，根据安装和作业期间的设计压力确定 钻井液返 回管线 的尺寸，并 考虑成本及质量 因素 ， 返回管线的材料可以使用相应直径的钻杆或标准钢 制管线，也可使用复合材料管线。一般而言，根据 材质不同，钻井液返 回管线主要分为刚性管线和柔 性管线 2大类。 ． 刚性管线 用作钻井液返回管线的刚性管线通常使用钢管 分段连接而成。满足深水海底钻井液举升要求的同 时 ，钢制管线质量较大 ，占用平 台空间较大 ，需专 用下放设备，刚性管线的下放和回收一般需借助钻 机顶驱设备进行。该种方案需占用钻机时间，另外 增加作业成本。 可选的刚性管线结构形式有 以下种。 采用机械接头将各段管路 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 ，但考虑海底复杂作业 环境 ，其上带有螺旋侧板结构 ，以此来 降低涡流产 生的振动 。 2 ． 2 柔性管线 高强度柔性 特点是耐高压、耐高温、 耐低温 、质量较轻 、体积较小、柔性较好 ，而且安 装方便， 平台安装时可借助平台现有绞车适当改造 完成。同时，布放时由于不需使用钻机顶驱等设 备， 下放时可与海底吸入模块等海底设备同 时进行 ，不 占用钻机时间 ，有利于节省成本 。但随 着水深的增加，管线长度增加，在深水复杂环境 下， 受到海流力等横向力作用产生的变形增加，会 增加管线与钻杆等装置碰撞的风险。另外，柔性管 线的使用长度还受到本身结构强度的限制，因此一 ∞ ∞ ∞ 如 加 ∞ 蚰 ∞ 加 加 2 0 1 3年 第4 1 卷第 2期 王国栋等 深水无隔水管钻井 MR L选型及参数优化 一 6 9一 般适用于水 深较浅 的情况 ，作业水 深一般不超 过 5 0 0 I n。 可选的柔性管线结构形式有以下 2种 。 1 分段连接 。一般使 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。该种方案便 于下放 ，但须 使用 专用下放设备 ，且 占用平台空间较大，适用的作业 水深可加大。 在深海 MR L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 ，MR L 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 ，以降低返 回管线承载 ，保证其工作可靠性。 3 结 论 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 ，MR L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 。 1 水深 5 0 0～ 3 0 0 0 In情况下 MR L直径 的选 取范围为 1 5 0～ 2 0 0 min，水深较浅时可选取较大规 格 的管线 ，水深较深时选择较小规格 的管线 ，具体 应根据水深 、流量 、钻井液密度以及海底泵功率等 条件综合考虑。 2 MR L的选型应充分考虑水深 、海流等环 境因素影 响 ，柔性 管线便 于作业 ，不 占用 钻机时 间，有利于降低钻井成本，但受海流力作用易于产 生较大变形 ，一般适用 于水深较浅 、海流力作用平 缓 的海域 ；刚性管线成本较高 ，需使用专用设备布 放 ，占用钻机时间，但对复杂海况适应性较好 ，适 用于水深较深 、环境复杂的海域 。一般而言 ，水深 较浅时优先选择柔性管线 ，水深较深时应选择刚性 管线。 参考文献 [ 1 ] S h a u g h n e s s y J ，D a u g h e y W． Mo r e u l t r a d 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T C 1 7 6 6 5一MS ，2 0 0 5 ． H i n t o n A ． B P e g y p t u s e s R MR o n a j a c k u p t o s o l v e a t o p h o l e d ri l l i n g p r o b l e m [ R]． S P E 1 9 8 1 5一MS ， 2 00 9． F r o y e n J ． R i s e d e s s mu d r e c o v e r y R MRs y s t e m e v a l u a t i o n fo r t o p h o l e d r i l l i n g w i t h s h a l l o w g a s [ R]． S P E 1 02 5 79一MS， 2 0 06 ． Smi t h D ， Wi n t e r s W ． De e p wa t e r r i s e r l e s s mu d r e t u r n s y s t e m f o r d u a l g r a d i e n t t o p h o l e d r i l l i n g[ R]． S P E 1 3 03 08 ． My e r s G． U l t r a d e e p w a t e r r i s e r l e s s mu d c i r c u l a t i o n w i t h d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g [ J ]． S c i e n t i f i c D r i l l i n g ，2 0 0 8 6 4 8 5 1 ． 徐群，陈国明，王国栋 ，等 ．无隔水管海洋钻井 技术 [ J ]．钻采工艺，2 0 1 1 ，3 4 1 1 1 1 3 ． 董法昌 ．钻井液水力学理论及应用 [ M]．东营 石油大学出版社，2 0 0 3 6 3 6 7 ． 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，2 0 1 0，3 2 5 2 0 2 3 第一作者简介王国栋 ，讲师，生于 1 9 7 6年，现从事 石油钻采机械、深水钻井技术与装备等的研究工作。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东 营市。 通信作者 陈国明，教授，博士生导师，研究方向为 海洋油气工程及装备、油气安全工程。地址 2 5 7 0 6 1 山 东省东营市。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 1 1 3 。Em a i l o f f s h o r e 1 26 ．c o n 。 收稿日期2 0 1 2 0 8 3 1 本文编辑谢守平 叫 ⋯ 川 [ [ [ [ [ [ [ [ [ ；