无隔水管钻井泥浆举升系统参数计算.pdf

第 3 3卷 第 1期 2 0 1 1 年 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NC P R0DUCT1 0N TECHNOLOGY V0 1 ． 3 3 No ．1 J a n ．2 01 1 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 l 一0 0 4 20 3 无 隔水管钻 井泥 浆举 升 系统 参数计 算 周昌 静 陈国 明 1 ． 中国石 油大学机 电工程学院 ， 山 东东营2 5 7 0 6 1 刘 杰 殷志明 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过程中遇到的难题， 无隔水管钻井技术 R MR 使用单梯度泥浆， 但通过将海底泵的入17 压力减小 到接近 海水静 液压力来模仿双梯度 ， 系统在钻井过程 中不再采用 隔水管 ， 岩屑和钻井液经一条 小直径 回流管线返 回钻井平台。 根据无隔水管钻井泥浆举升系统的参数要求和两相流理论， 确定了举升系统的参数计算方法， 对 5 0 0 m 水深举升系统参数进 行计算和研究， 分析 了岩屑参数对举升系统参数的影响， 得出颗粒的尺寸、 体积分数是举升 系统水力设计需要考虑的关键参数。 研 究结果为无 隔水管钻井泥浆举升设备 的设计提 供 了理论依据 。 关键词无隔水管钻井；深水钻井；泥浆举升系统 ； 参数计算 中图分类号 T E 2 4 2 文献标识码 A Pa r a me t r i c c o m p ut a t i o n o f m u dl i f t s y s t e m i n r i s e r l e s s d r i l l i n g Z H O U C h a n g i in g ， C H E N G u 0 m in g ， L I U J i e ， Y IN Z h im in g 1 C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n ic E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o f P e t r o l e u m ， D o n g y i n g 2 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 a Na t i o n a l O f f s h o r e Oi 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 i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m s a s s o c i a t e d wi t h c o mp l e x d e e p wa t e r e n v i r o n me n t ， t h e r i s e r l e s s d r i l l i n g s y s t e m h a s b e e n de v e l o pe d ． As o ce a n r i s e r i s e l i mi n a t e d i n t hi s t e c h ni qu e ，c ut i n gs a nd mud a r e r e t urne d t o t he d ril l i ng pl a t f o r m t h r ou gh a s ma l l di a me t e r h o s e f r o m t h e s e a b e d b y t h e s u b s e a p u mp s ． Ac c o r d i n g t o p a r a me t ric r e q u i r e m e n t o f mu d l i f t s y s t e m a n d t wo p h a s e d fl o w t h e o r y , p a r a - me t r i c c o mp u t a t i o n o f mu d l i fl s y s t e m wa s c o n d u c t e d ， a n d p r o v i d e d t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n o f mu d l i fl e q u i p me n t o f t h e 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 ． I n t h e l i g h t o f t h e a b o v e s t a t e d c o mp u t a t i o n a l me t h o d ， c o mp u t a t i o n a n d r e s e a r c h o f p a r a me t e r o f mu d l i f t s y s t e r m i n 5 00 m wa t e r d e p t h we r e c a r r i e d ou t， a nd pa r a me t e r ofc u i n gs ’ S i n flu nc e t o p a r a me t e r s ofmu dl i f t s ys t e r m wa s a n a l y s e d ． Ke y wor ds r i s e r l e s s d ril l i ng； de e pwa t e r d ril l i ng； mu dl i fl s ys t e m ； c o mpu t a t i o n of p a r a me t e r 与陆地和浅海钻井相 比， 深海钻井环境更加复 杂， 易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难 题。如形成较晚、 脆弱的海床引起 的钻机开孔问题； 增加的波浪和海流载荷以及 由大而长 的隔水管带来 的问题 ；地层压力和破裂压力之间较小的余量 ；海 底设备和油井控制设备中的水合物问题 ； 严格 的环 境要求和高 P A成本等 J 。2 0 世纪9 0 年代在国外 发展起来的双梯度钻井技术使地层破裂压力和孑 L 隙 压 力之 间的余 量相对增大 ， 从而解决了深水钻井引 起 的相关问题 。根据实现方法双梯度钻井技术 主要包括海底泵举升钻井液 、 无隔水管钻井、 双密度 钻井等 。无隔水管系统 R MR 由于水力输送设备在 技术上的突破 ， 更具应用前景 。泥浆举 升系统是 整个无 隔水管钻井系统 的重要组成部分， 对泥浆举 升系统参数进行计算分析则是泥浆举升系统工艺参 数分析研究和系统设计的理论依据。 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 一 l 2 的部分 内容。 作者简介 周昌静， 1 9 7 8 年生。2 0 0 4年毕业于中国石油大学 华东 化工过程机械专业， 主要从事深水钻井技术与装备、 流体机械等方面 的研究， 硕士通讯作者 陈国明 ， 教授 ， 博 士生导师 电话 0 5 4 6 8 3 9 1 1 1 3 。E ma i l o f f s h o r e 1 2 6 ． e o m， g mc h e n u p c ．e d u ． c a 。 周昌静等 无隔水管钻井泥浆举升 系统参数计算 4 3 1 泥 浆举升系统参数分析 无隔水管泥浆 回收钻井技术是双梯度钻井技术 的一个实现方案， 与其他双梯度钻井系统方案不 同， 在 R MR系统中使用单梯度泥浆， 通过将海底泵的人 口压力减小到接近海水静液压力来模仿双梯度 ， 其工 作原理见参考文献 [ 4] 。 从井底返 回到海底 的泥浆是一种固体颗粒 钻 屑 与液体的混合物 ， 固液两相的相互作用产生了多 样的流体特性， 一般来说 ， 该流体是非牛顿流体 ， 需要 用不 同的流变模型来评估流动中的压力梯度 ， 该分 析是在假定返回泥浆是幂率流体的基础上进行的。 1 ． 1 举升管道的参数分析 钻井作业水深 确定后 ， 根据系统工作要求可 以确定输送管道长度 。输送管道 的内径是一个重 要参数 ， 当系统返 回泥浆 流量 Q 确定后 ， 管道 内径 Di 与管内流体 的流动速度 之间的关系为 D 为保证举升系统正常工作 ， 垂直输送管 内的流 体速度必须大于颗粒 的沉降速度。但是 ， 过高 的速 度却导致 了过大的管道磨损和能量消耗 ， 正确 的输 送速度取决于固体 的沉降特性 ， 也就是固体 的颗粒 尺寸和密度 。根据流体力学原理实现 的管道 固体输 送借助的是流动载体所具有的各种力 ， 主要是指阻 力和压力。液体 中各 个 固体颗粒所受 到的阻力 与液体 密度 、 固体颗粒 的横截面面积 以及 同液相相 对流速的平方成正 比， 即 v 2 式 中 为岩屑粒径 ； P为钻井液密度 ； v为钻井液 流速 ； 1 ， 钻屑流速 ； 阻力系数。由于存在浮力 ， 颗 粒在液体 中的重量会减轻 。一般把去掉浮力后的重 力定义为浮重 ， 即 G g 一 P 3 当重力 、 阻力和浮力之间达到平衡状态时 ， 根据 平衡条件 F o G， 可求出同体颗粒 的沉降速度 Vo 鲁 4 式 中， P 为岩屑密度 ， k g ／ m ； g为重力加速度 ， m／ s ； C为颗粒 形 状 系数 ， 圆球 的 C为 0 ． 5 ， 圆片 的 C为 0 ． 6 ～ 0 ． 8 2 ， 不规则的或扁平状的 C为 2 ． 1 。 由固液 两相流理论中的 G o v i e r 理论可知 ， 当最 小水流速度大 于固体颗粒沉 降速度 的 2倍时 ， 流体 中固体颗粒随流体运动。考虑到一些不稳定因素的 影响， 为确保管道不被阻塞 ， 一般取混合流体的流速 为沉 降速度 的 3 ～ 5倍 J 。根据颗粒 的沉 降速度 确定管道内流体 的流速后， 可 以根据式 1 确定管道 的内径 D， 。 1 ． 2 举升系统的压降计算 海底泥浆举升系统的压降损失包括局部阻力损 失和沿程阻力损失。举升 系统 中管道很长 ， 管径和 管线方位变化不大 ， 阀门较少 ， 因此 ， 局部阻力损失 相对较小 ， 在总压降损失计算 中可略去不计。 计算压耗首先要根据雷诺数判断流态 。幂率流 体管内流的雷诺数计算公式为 Re 篮 r 、 8 f 1 I 4 J 其中， 甜 为管 内平均流速 ， m／ s ； K为幂率流体的稠度 系数 ， mP a S ／ c m ； 为幂率流体的流性指数， 无量纲。 当 R e 2 1 0 0时为层流 ， 用层流公式计算压耗 △ h m - f l ㈦ 式 中， 三为管路长度 ， m。 当 R e≥ 2 1 0 0时为紊流 ， 此 时要先求 出范宁摩 阻因数 厂 万 1 嘉lg 7 用迭代法求出 厂 后 ， 由范宁 一达西公式求紊流压耗 △ 芋 根据管流压耗 的计算方法 ， 可 以计算返 回管线 内的压耗。 1 ． 3 海底举升泵扬程、 功率的计算 在应用举升泵进行 固液混合 物管道输送时 ， 传 统的扬程和效率的计算公式 为 丝 -二 z -- Z 1 xh m 9 mg z g P e p ． gQ 1 0 式 中， P 、 P 分 别为海底 和海 面处 的压力 ， P a ； p 为 固液混合 物密度 ； “ ⋯ 分别为海底 和海 面处 固 液混合物 的平 均流速 ； Z ， 、 分 别为海底 和海 面处 标高 ；Ah 为举升系统压降损失 。 ， ， ， U V 石油钻采工艺2 0 1 1 年 1月 第 3 3卷 第 1 期 在一般非井控作业 中， 海底泵人 口压力值将被 保持在等于海水静压力加上安全压力余量 △ 。泥 浆 中岩屑固相在海底泵人 口并没有压力 ， 因此对 于 人 口有很大压力 的海底泵来说 ， 传统 的管道 固液两 相输送伯努利方程式并不符合固液混合物的力学特 性 ， 其计算结果 与事实有 出入。考虑到固相没有压 能 ， 根据流体的能量方程、 连续方程和动量方程得到 海底泵的扬程计算式 H m 二 二 pm g -二 z 一 z 。J r - Ah m 2g 1 1 式 中， C v 为泥浆中钻屑的体积分数。 如果管道的各过流断面形状相 同， 则 b ／ m l 甜 ， 上 式变为 H 二 二 P g Z l Ah m 1 2 式 1 2 即为海底泵输送 固液混合物时 ， 扬程 的 一 般表达式的实用形式。 2 算例 无 隔水 管钻井泥浆举 升系统 的主要设计 条件 为 钻井 泥浆 流量 2 0 0 m ／ h， 作业水 深 5 0 0 m， 钻 井液 的密度定为 1 ． 2 g ／ c m ， 海水密度 1 ． 0 3 g ／ c m 。 岩 屑参数 对举 升系统参 数会 产生影 响 ， 因此 根据 不 同 的岩 屑参数 大小 和浓 度 计算 分析 了举 升 系统 的主要参数 。 表 1 为体积分数相同时， 不 同岩屑颗粒直径计 算得到的举升系统参数 。由表 1 可知， 颗粒直径会 影响到确定的混合流体的速度 ， 从而影响到管道 内 径 的大小和管 内流体 的流态 ， 而正是流态的变化使 得返 回管线压力损失变化非常大 ， 从而使泵扬程和 有效功率变化明显 ， 因此 ， 综合考虑系统 的安全和运 行经济性 ， 合理设定颗粒尺寸十分必要。 表 1 不同颗粒直径计算结果 颗粒直径相 同， 体积分数不 同时的泵扬程和有 效功率见表 2 。当固体颗粒的体积分数达到 4 ％ 时， 5 0 0 m水深时泵 的有效功率相差达 1 1 ． 2 3 k W， 在实 际的双梯度钻井作业 中， 随着水深的增加 ， 这种影响 会更加明显 ， 因此为 了系统的安全可靠运行 ， 需要考 虑到最大的岩屑体积分数来确定泵的有效功率和扬 程 表 2 不同固相体积分数时的泵扬程和功率 3结 论 1 依据两相流理论 ， 推导了无隔水管钻井技术 泥浆举升系统的参数计算方法 ， 为无隔水管钻井泥 浆举升设备的设计提供 了理论依据。 2 通过算例分析了岩屑颗粒大小和浓度对举升 系统参数 的影响， 说明颗粒的尺寸 、 体积分数是举升 系统水力设计需要考虑的关键参数。 参考文献 [ 1 ] S T E VE N S B E L L． Ri s e r l e s s d r i l l i n g p r o mi s i n g f o r d e e p wa t e r d e v e l o p me n t s[ J ]． Wo r d O i l ， 1 9 9 7 ， 2 l 8 5 33． [ 2] GA DD Y E D． I n d u s t r y g r o u p s t u d i e s d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g [ J ]． O i l G a s J o u r n a 1 ． 1 9 9 9 ， 9 7 3 3 3 2 ． [ 3 ] C HOE J ， J UVKAM WO L D HC． R i s e r l e s s d r i l l i n g c o n c e p t s ，a p p l i c a t i o n s ，a d v a t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s a n d l i mi t a t i o n s[ C]． c ADE ／ c AD0 C Dr i l l i n g C o n f e r e n c e ， Ca l ga r y1 99 7 [ 4] 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 ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 l 2 4 4 4 7 ． [ 5] 费祥俊 ． 浆体与颗粒物料输送水力学 [ M ]． 北京清 华大 学出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 6] 李天太， 孙正义 ． 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 ． 收稿 日期2 0 1 0 - 0 9 ． 0 6 [ 编辑薛改珍 ]