深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算.pdf

第 3 2卷 第 5期 2 0 1 0年 9月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI L LI NG PR0DUCT1 0N TECHN0L0GY V0 l _ 3 2 No ． 5 S e p ．2 01 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 5 0 0 2 0 0 4 深水无隔水 管钻 井液 回收钻 井水 力学计算 刘 杰 陈国明 周昌 静 殷志明 1 ． 中国石 油大学海洋油气装备与安全技 术研究 中心， 山东东营2 5 7 0 6 1 ； 2 ．中国海 洋石油总公 司研 究 中心， 北京1 0 0 0 2 7 摘要为解决深水钻井中遇到的一系列难题， 国外研发出无隔水管钻井液回收钻井技术 R MR ， 该技术去除了隔水管， 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。 由于 R MR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。根据无隔水管钻井液回收钻井系统的工作条件及特点， 推导出无隔水管钻井液回收钻井系统的水力学计算 公式， 编制水力学计算软件， 进行了算例分析， 并与文献中数据进行了对比， 验证了计算公式和程序的正确性。 关键词无隔水管钻井液回收；深水钻井；水力学计算；双梯度钻井 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 A Hy dr a u l i c s c a l c u l a t i o n o f de e p wa t e r r i s e r l e s s mud r e c o ve r y d r i l l i n g L Iu J ie ． C H E N G u 0 m in g ． Z H O U C h a n g j in g ,Y I N Z h im in g 1 C e n t e r f o rO f f s h o r eP e t r o l e u mE q u i p me n t a n d S a f e ty T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s it yo f P e t r o l e u m， Do n gyi n g2 5 7 0 6 1 ， C h i n a ； 2 ． R e s e a r c h C e n t e r o fC h i n aNa t i o n a l O f f s h o r e O i l C o r p o r a t i o n ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h ma Ab s t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e p r o b l e ms e n c o u n t e r e d i n t h e p r o c e s s o f d e e p wa t e r d r i l l i n g ， t h e AGR S u b s e a Co mp a n y p r o - p o s e d t h e R i s e r l e s s Mu d R e c o v e r y R MR d r i l l i n g s y s t e m． O c e a n r i s e r i s e l i mi n a t e d i n t h i s s y s t e m，mu d a n d c u t t i n g s a r e p u mp e d t o d r i l l p l a t f o r m wi t h mi n o r d i a me t e r r e t u r n l i n e ． Be c a u s e RMR i s a n e w t e c h n o l o g y a n d i t n e e d s c o r r e c t h y d r a u l i c c o mp u t a t i o n a l t h e o r y a n d me t h o d u r g e n t l y ． On t h e b a s i s o f t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n a n d c h a r a c t e r s o f RM R s y s t e m， d e v e l o p e d h y d r a u l i c c o mp u t a t i o n a l f o r mu l a o f RM R s y s t e m a n d c o mp i l e d h y d r a u l i c s o f t wa r e ， g a v e a n e x a mp l e a n d c o mp a r e d wi t h t h e d a t a o f l i t e r a tur e ， v e r i fie d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a s a n d p r o c e d u r e s ． Ke y wo r ds r i s e r l e s s mu d r e c o ve r y； d e e pwa t e r dr i l l i n g； hy dr a u l i c c a l c ul a t e ；d ua l gr a d i e nt d ril l i n g 国内深水油气资源储量丰富。与陆地和浅海钻 井相 比， 深海钻井环境更加复杂 ， 易于 出现常规钻井 装备和方法难 以克服的技术难题 。如 由形成较晚且 较为脆弱的海床引起 的钻机开孔 问题 ， 波浪和海流 载荷 以及 由大而长的隔水管带来 的问题 ， 地层孔 隙 压力和破裂压力之间余量较小必须采用多层套管 ， 严 格 的环境 要求 和高 P A成 本等 一 。挪威 AG R S u b s e a 公 司提 出的无 隔水管钻井液 回收 R i s e r l e s s Mu d R e c o v e r y ， 简称 R MR 钻井技术 ， 可以很好地解 决上述问题。R MR系统是一种不使用 隔水管 的双 梯度上部井眼钻井系统 ， 由常规 的海洋钻井设备和 具有特殊功能的新型设备组成。该系统的关键组成 装备包括 海底吸人模块 S u b s e a S u c t i o n Mo d u l e 、 海底泵模块 S u b s e a P u mp Mo d u l e 、 扶正下人工具、 管缆绞车、 回流管线系统 Mu d R e t u r n L i n e 、 控制系 统 以及 常规海面设备等 。应用 R MR钻井系统可 以增加表层套管 的下人深度 ， 简化井身结构 ， 减小井 眼和套 管尺寸 ， 提高井眼稳定性 ， 降低浅层风险 ， 提 高对浅层气和浅层水流动的井控能力 ， 另外还能减 少钻井液 向海水中的排放 ， 减少钻井液和水泥用量 ， 节省开支 。该技术在 De mo 2 0 0 0项 目中进行了 现场测试 ， 并于 2 0 0 4年在里海进行 了初步应用 ， 目 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 ” 编号 2 0 0 8 z x0 5 0 2 6 ． 0 0 1 ． 1 2 部 分成果。 作者简介 刘 杰 ， 1 9 8 5年 生。在 读 硕 士研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 深 水 石 油 钻 井技 术 与 装 备 、 计 算 机 辅 助机 械 工 程 等。 电 话 0 5 4 6 8 3 9 1 1 1 3 ， E ma i l l i u j i e 0 2 3 2 1 6 3 ． c o rn。 刘 杰等 深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算 2 l 前 已开始工业推 广应用 。通 过分析 R MR系统 的工作过程 ， 推导适 用 的水力 学计算公 式 ， 为后 续 R MR系统研究工作提供支持 。 1 R MR系统技术原理 Th e p r i n c i p l e o f R s y s t e m 无隔水管钻井液 回收钻井系统摈弃了海洋隔水 管 ， 钻井时直接将钻柱暴露在海水 中， 在海底依靠 吸 人模块实现井眼与海水的分隔并 为钻井液 的回流提 供通道。从功能上讲 ， R MR系统属于双梯度钻井 的 一 种 。在钻进时， 系统 内会产生 2个压力梯度 ， 其 中 一 段从钻井平 台到海底 ， 另 一段从海底 到井底 。通 过控制海底泵 系统 ， 使井 眼环空顶部 的压力等于海 底静水压力 ， 这样就可 以控制井身内的压力 ， 使其更 好地 匹配地层孑 L 隙压力和破裂压力 之间的余量 ， 实 现安全快速 的钻井作业 J 。 2 R MR系统水力参数计算 Hy d r a u l i c s c a l c u l a fio n o f R s y s t e m 水力计算的 目的是有效 、 合理地利用水力能量 ， 提高钻速 ， 缩短建井周期 ， 降低钻井成本 。钻井过程 中， 从钻井安全 的角度考虑 ， 井内环空压力应介 于地 层孑 L 隙压力和破裂压力之 间。R MR系统与常规钻 井方法不 同 ， 使得循 环系统 压耗 、 钻 井液携 岩能力 以及井筒压 力变化 与常规方法 有一定 的 区别。对 R MR系统进行水力参数计算时 ， 在满足工程精度的 条件下， 对模型进行适 当简化 ， 做出如下假设 1 钻 井液为幂律流体 ； 2 忽略管流 中钻柱的旋转 ； 3 钻 柱与井眼处于同心的位置 ； 4 井眼为圆形井眼； 5 忽略钻井液的可压缩性。 2 ． 1 井 内压 力 W e l l h o l e p r e s s ur e 在 R MR系统正常工作的情况下 ， 海底钻井液举 升泵处于恒定入 口压力工作模式下 ， 即海底钻井液 举升泵人 口压力等于海底泥线处 的静水压力 ， 这样 可以确保恒定的井眼环空顶部压力 。在钻井液密度 一 定的情 况下 ， 井内任 意垂 直深度处 的压力 P可表 示为 。 1 B ／ 1 0 0 0 1 pip w g h w ／ 1 0 0 0 2 式 中， P i 为海底举升泵人 口压力 ， MP a ； P 为钻井 液 密度 ， g ／ c m ； P 为海 水 密度 ， g ／ c m ； h B 为 海底 泥线 以下井眼的实际垂直深度 ， m； h 、 为水深 ， 1 3 3 。 2 ． 2 最 小钻 井液 排量 M i ni m u m de l i v e r y vo l ume o f mu d 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 。确定最小环空返速 通常使用经验公式 _ 9 Va 1 8 ． 2 4 ／ p d 3 式 中， v 。 为钻井液 最低环 空返 速 ， m／ s ； 为井 眼直 径 ， c m。 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， 即 K V s／ V a 4 式 中， 为岩屑举 升效率 ， 无 因次 ； v 为岩屑在环空 中的实际上返速度 ， 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 不小于 0 ． 5 。 设岩屑在钻井液 中的下滑速度为 1 ， 则 V s 1 ， 。 一 v 岩屑的下滑速度计算公式 l 9 为 二 f 1 p a l ／ 3 e 式 中， v 为岩屑在钻 井液 中的下滑速度 ， m／ s ； 为 岩屑直径 ， c m； P 为岩屑 的密度 ， g ／ c m ； 。 为钻井液 有效黏度 ， P a S 。 最低环 空返 速确定 以后 ， 即可根据下式确定携 岩所需 的泥浆泵最小排量 Qa d ,2 一d p2 V a ／ 4 0 6 式 中， Q 为 泥 浆泵 最 小 排量 ， L ／ s ； 为 钻柱 外 径 ， cm 。 确定 出海面泥浆泵 的最小排量 ， 就可 以为选择 合适型号的泥浆泵提供参考 ， 同时还可 以为水力学 计算及优化提供适当的依据。 2 ． 3 循环 系统压力损耗及泵功率计算 Pr e s s u r e l o s s o f c i r c u l a t i o n s y s t e m a nd c a l c u l a - t i o n o f pu mp p o we r R MR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 液流过这些部位时 ， 都要消耗部分能 量 ， 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 。 2 2 石油钻采工艺 2 0 1 0 年 9月 第 3 2卷 第 5期 假设整个井身 内的压力损耗为 A p， 则有 Ap Ap g Ap p Ap AP b 7 A p g 9 ． 8 1 8 c f p d Q ／ l O O 8 △ O． 1 5 4 41 p v 2 p d Q ／ 9 △ 0 ． 1 9 7 0 ．2 。 Q 8 L ／ [ d h 一 ] 1 0 △ 0 ．0 8 1 p d Q 2 c 2 。 4 1 1 。 d2 一 1 2 式 中， A p g 为平 台管汇压耗 ， MP a ；△ p 。 为钻井液在 钻柱内的压耗， MP a ；Ap a 为钻井液在井眼环空 内的 压耗 ， MP a ；Ap 为钻 头压 降， MP a ； 为钻 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； ， 为钻井液 的塑性黏度 ， mP a S ； d为钻柱内径 ， c m； L 为环空总长度， m； C为喷嘴流 量系数 ， 对于非 喷射式钻头 ， C 0 ． 8 0 ， 对 于喷射式钻 头 ， C 0 ． 9 5 ； 为喷嘴当量直径 ， c m； 为喷嘴直径 i -- 1 ， 2 ， ⋯， ， c m； 疗为喷嘴个数。 以海底泥线处为参考基点 ， 根据黏性流体的伯 努利方程可得到如下关系 一 Ps -h 垒 1 3 Pd g zg P d g z g P d g 其 中 1 ， 、 1 ， ， 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， 可以将二者近似相 等。则 R MR系统钻井液循 环体系泵压传递的基本 关系式可表示为 P 。 A p p w g h ～ p a g h ／ 1 0 0 0 1 4 P。 Ap r p d g h w ／ 1 0 0 0 1 5 式 中， P 为海 面泥浆泵出 口压力 ， MP a ； P 为海底举 升泵 出口压力 ， MP a ；AP r 为钻井液在回流管线内的 压耗 ， MP a 。 再 由泵压跟流量的关系可以求得海面钻井泵输 出功率 和海底举升泵的输出功率 尸 为 Q 1 6 。Q 1 7 式 中， Q为海面钻井泵排量 ， L ／ s 。 AG R公司在 R MR系统现场试验中用小直径 的 钻杆作为回流管线 ， 因此 ， 钻井液回流管线内的压力 损耗按照钻杆内的压力损耗公式进行计算。根据上 面各式即可计算得到海面泥浆泵和海底举升泵的泵 压及泵功率。 3 R MR ／ 井 系统水 力学计算软件 Hy d r a u l i c s c a l c u l a t i o n s o f t wa r e o fRM R s y s - t e m 通过上述 理论分析 与公式 推导， 得 到 R MR系 统水力 学计算模型 ， 根 据推导出的理论模型 ， 编制 了R MR钻井系统水力参数计算程序。该程序基于 V i s u a l B a s i c 语言编写 ， 包括数据输入模块 、 结果输出 模块 等， 可以计算 R MR钻井 中所需泵压、 功率 以及 各部分的压力损耗 ， 可以为 R MR钻井提供水力设计 依据 。图 1 是该程序的界面。 图 l R MR钻井系统水力学计算软件界面 Fi g ． 1 Di a g r a m o f h y d r a u l i c s c a l c u l a t i o n s o ft wa r e o f R M R s y s t e m 4 算例分析 Ex a m p l e a n a l y s i s 用文献 [ 1 1 ] 中的钻井数据来验证本程序的计 算结果 。文献中数据资料及程序计算结果分别见表 1 和表 2 。 表 1 文献 [ 1 1 ] 中已知的钻井数据 T a b l e 1 T h e g i v e n d r i l l i n g d a t a 参数 数值 参数 数值 水深 ／ m 3 0 4 8 钻 头喷嘴直径 ／ mm l 1 ． 1 1 2 5 泥线下井深／ m 6 0 9 6 钻头喷嘴个数 3 井眼尺寸 ／ mm 2 2 2 ． 2 5 钻井液排 量 ／ L - S ～ 2 8 ． 3 8 7 钻杆尺寸 ／ mm 1 2 7 x 1 0 8 ． 6 钻井液密度 ／ g c m。 1 ． 8 3 回流管线尺 寸 ／ ram l 5 2 ． 4 钻井液黏度 ／ mP a S 4 6 表2 文献中数据与程序计算结果的对比MP a T a b l e 2 Co n t r a s t t o t h e g i v e n d a t a a n d t h e r e s u l t o f t h e s o f t wa r e 参数 数值 参数 数值 海面泵泵压 1 1 ． 5 8 计算的海面泵泵压 1 1 ． 5 1 钻 柱 内压耗 2 3 - 3 7 计算的钻柱 内压耗 2 1 ． 3 9 钻 头压降 9 ． 7 9 计算 的钻 头压降 9 ． 4 9 环空压耗 3 ． 1 7 计算的环空压耗 3 ． 2 9 井底压力 l 4 5 ． 2 1 计算的井底压力 1 4 0 ． 4 2 从表 2中的对 比数据可 以看 出， 该软件计算所 得结果 与资料 中所给 出的数据较为接近， 证 明了上 述水力学计算模型及计算结果的准确性。在已知条 刘 杰等 深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算 2 3 件相 同的情况下， 通过计算 可知 ， 常规方式钻井所需 要的海面泵泵压为 8 9 ． 3 7 MP a ， 而 R MR系统海 面泵 泵压仅 为 1 1 ． 5 8 MP a ， 两者之 问有 较大差 别 ， 因此 ， 在 R MR系统钻进时 ， 必须合理确定海面泵的出口泵 压。R MR系统 中海面泵泵压 比常 规钻井方式海面 泵泵压小 ， 这是 因为在 R MR系统 中钻井液举升所需 要的能量是 由海底泵提供的。 5 结论 Co n c l u s i o n 在 分析 了深水无 隔水管钻 井液 回收钻井 系统 的技术原理及工作过程的基 础上 ， 推导 出适用于该 系统 的水力学计算公 式 ， 对系统 中海底举升泵和海 面钻井泵 的功率以及钻井液沿程压力损耗进行 了计 算 。用 Vi s u a l B a s i c 语 言 编写 了 R MR系统水 力 学 计算程序 ， 进行了算例分析 ， 并与文献结果进行 了对 比， 验证 了计算公式 和程序的正确性 ， 为后续 R MR 系统技术原理试验等研究工作打下了基础。同时本 文 的研究工作对 R MR系统水力分析及参数优化提 供了一定的理论依据 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 2] [ 3] 何 小军 ． 北海深水钻探 挑 战与新 解决方案 [ J ]． 中国 造 船 ， 2 0 0 2， 4 3 S O 2 3 2 ． 2 3 7 ． H E X i a o j u n ． N o a h S e a d e e p w a t e r d r i l l i n g c h a l l e n g e a n d n e w s o l u t i o n[ J ]． S h i p b u i l d i n g o f C h i n a ， 2 0 0 2 ， 4 3 s 0 2 3 2 2 3 7 ． 高本金 ， 陈国明， 殷志明， 等 ． 深水无隔水管钻井液回收 钻井技术 [ J ]． 石油钻采X - 艺， 2 0 0 9 ， 3 1 2 4 4 4 7 ． G A O B e n j i n ， C H E N G u o mi n g ， Y I N Z h i mi n g ， e t a 1 ． De e p w a t e r r i s e r l e s s mu d r e c o v e r y d r i l l i n g t e c h n o l o g y l J j． 0 i 1 Dri l l i n g P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy, 2 0 0 9 ． 3 1 2 4 447 ． CHOE J．J UV KAM W OLD H C Ri s e r l e ss dr i l l i ng co nce p t s ，a ppl i c a t i o ns ，a dva n t a g es ，di s a dva n t ag es a nd l i mi t a t i o n s l J j． c ADE ／ c AD0c Dr i l l i n g c o n f e r e n c e ， Ca l g a r y,Al be a ，1 9 97． [ 4] VE R NON Ro g e r ， B UC HAN S t e wa r t ， HE WS ON J i m， e t a 1 ．Ri s e r l e s s m u d r e c o v e r y s l o v e s t o p h o l e d r i l l i n g p r o b l e ms l R J． S P E 1 1 1 4 2 2 ， 2 0 0 7 ． [ 5] F RO YE N J o h n n y ， ROMME T VEI T Ro l v ，J AI S I NG Hi t e s h ． R i s e r l e s s Mu d Re c o v e r y R MR s y s t e m e v a l u a t i o n f o r t o p h o l e d r i l l i n g wi t h s h a l l o w g a s l R j． S P E 1 0 2 5 7 9 ， 20 08． [ 6] C HO E J o n g g e u n ． An a l y s i s o f r i s e r l e s s d r i l l i n g s y s t e m a n d we l l c o n t r o l h y d r a u l i c s l R j． S P E 5 5 0 5 6 ， 1 9 9 9 ． I 7 BR 0w N J D， UR V ANT V V ，T H0R0G00D J L． De pl o yme n t of a r i s e r l e s s mud r e c ove r y s ys t e m o f f s hor e s a k h a l i n i s l a n d[ R]． S P E ／ I ADC 1 0 5 2 1 2 ， 2 0 0 7 ． [ 8] MY E R S Gr e g ． Ul t r a d e e p wa 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 wi t h d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g l J ]． S c i e n t i fi c Dri l l i n g ， 2 0 0 8 ， 6 7 4 8 51 ． [ 9] 陈庭根， 管志川 ． 钻井工程理论与技术[ M ] ． 山东东营 石油 大学出版社 ， 2 0 0 0 ． CHEN Ti n g ge n ， GUAN Zh i c hu a n． Dril l i ng e n gi ne e ring t h e o r y a n d t e c h n o l o g y l M J． S h a n d o n g Do n g y i n g P e t r o l e u m Un i ve r s i t y Pr e s s ， 2 0 00 ． [ 1 0] 李天 太 ， 孙 正 义， 李琪 ． 实用钻 井水 力 学计 算与应 用 M ]． 北京石 油工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． L I T i a n t a i ， S U N Z h e n g y i ， L I Q i ． D ri l l i n g h y d r a u l i c s c a l c u l a t i o n a n d a p p l i c a t i o n l M J． B e i j i n g P e t r o l e u m I n d u s t r y Pr e s s ， 2 0 02 ． [1 1 j C HOE J o n g g e u n ， S C HUB E R T J e r o me J ， J UVK AM W 0LD Hans C．Ana l ys es a nd pr oce dur es f o r ki ck d e t e c t i o n i n s u b s e a mu d l i fi d r i l l i n g[ R]． I ADC ／ S P E 871 1 4． 20 0 4． 修 改稿收到 日期2 0 1 0 0 7 ． 2 5 [ 编辑朱伟 ] 渤海钻探钻井液堵漏技术获新突破 2 0 1 0年 9月， 渤海钻探X - ． 程技 术研 究院在并底温 度 高达 l 7 0℃ 的华北 油田晋 古 2 4 J井， 成 功 实施 承 压 钻井液堵漏技 术。 晋 古 2 4 J 井 是 一 口 潜 山加 深 井 ， 加 深 井 段 为 4 6 8 4 5 0 0 0 1 T 1 。该 井在钻 至 4 8 0 0 m 时开始发 生漏失 ， 完 钻时 累计漏失钻 井液 2 9 0 1 T I ， 并且井底温度 高达 1 7 0℃。 由于漏失地层 的承压 能力低 ， 不 能满足尾 管固井承压要 求 ， 决定采 用潜 山承压钻 井液堵 漏技 术进行 封堵作 业。 面对 1 7 0℃的井底高温 ， 分析 该井漏失原 因和 漏失地层 特性 ， 攻 克 了常规堵 漏材料在 高温下易软化 变形或硬化 变脆失去 弹性等技 术难题 ， 顺利 完成堵 漏施 工 ， 满足 了 尾 管固井的要 求。 供稿文田