深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算.pdf

'第32卷第5期石油钻采工艺V0l_32No．52010年9月0ILDRILLING&PR0DUCT10NTECHN0L0GYSep．2010文章编号：1000—7393(2010)05—0020—04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257061；2．中国海洋石油总公司研究中心，北京100027)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(RMR)，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。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：TE242文献标识码：AHydraulicscalculationofdeepwaterriserlessmudrecoverydrillingLIuJie．CHENGu0ming．ZHOUChangjing~,YINZhiming(1CenterforOffshorePetroleumEquipmentandSafetyTechnology，ChinaUniversityofPetroleum，Dongying257061，China；2．ResearchCenterofChinaNationalOffshoreOilCorporation，Beij"ing100027，Chma)Abstract：Inordertoovercometheproblemsencounteredintheprocessofdeepwaterdrilling，theAGRSubseaCompanypro-posedtheRiserlessMudRecovery(RMR)drillingsystem．Oceanriseriseliminatedinthissystem，mudandcuttingsarepumpedtodrillplatformwithminordiameterreturnline．BecauseRMRisanewtechnologyanditneedscorrecthydrauliccomputationaltheoryandmethodurgently．OnthebasisoftheoperatingconditionandcharactersofRMRsystem，developedhydrauliccomputationalformulaofRMRsystemandcompiledhydraulicsoftware，gaveanexampleandcomparedwiththedataofliterature，verifiedthecorrectnessofthecalculationformulasandprocedures．Keywords：riserlessmudrecovery；deepwaterdrilling；hydrauliccalculate；dualgradientdrilling国内深水油气资源储量丰富。与陆地和浅海钻具有特殊功能的新型设备组成。该系统的关键组成井相比，深海钻井环境更加复杂，易于出现常规钻井装备包括：海底吸人模块(SubseaSuctionModule)、装备和方法难以克服的技术难题。如由形成较晚且海底泵模块(SubseaPumpModule)、扶正下人工具、较为脆弱的海床引起的钻机开孔问题，波浪和海流管缆绞车、回流管线系统(MudReturnLine)、控制系载荷以及由大而长的隔水管带来的问题，地层孔隙统以及常规海面设备等。应用RMR钻井系统可压力和破裂压力之间余量较小必须采用多层套管，以增加表层套管的下人深度，简化井身结构，减小井严格的环境要求和高P&A成本等¨一。挪威AGR眼和套管尺寸，提高井眼稳定性，降低浅层风险，提Subsea公司提出的无隔水管钻井液回收(Riserless高对浅层气和浅层水流动的井控能力，另外还能减MudRecovery，简称RMR)钻井技术，可以很好地解少钻井液向海水中的排放，减少钻井液和水泥用量，决上述问题。RMR系统是一种不使用隔水管的双节省开支。该技术在Demo2000项目中进行了梯度上部井眼钻井系统，由常规的海洋钻井设备和现场测试，并于2004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：2008zx05026．001．12)部分成果。作者简介：刘杰，1985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：0546—8391113，E—mail：liujie0232@163．corn。 刘杰等：深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算2l前已开始工业推广应用。通过分析RMR系统2．2最小钻井液排量的工作过程，推导适用的水力学计算公式，为后续MinimumdeliveryvolumeofmudRMR系统研究工作提供支持。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1RMR系统技术原理需的最低钻井液环空返速决定。确定最小环空返速TheprincipleofRsystem通常使用经验公式_9无隔水管钻井液回收钻井系统摈弃了海洋隔水=Va18．24／(pd)(3)管，钻井时直接将钻柱暴露在海水中，在海底依靠吸式中，v。为钻井液最低环空返速，m／s；为井眼直人模块实现井眼与海水的分隔并为钻井液的回流提径，cm。供通道。从功能上讲，RMR系统属于双梯度钻井的在工程上，通常用岩屑举升效率表示钻井液的一种。在钻进时，系统内会产生2个压力梯度，其中携岩能力。岩屑举升效率是指岩屑在环空中的实际一段从钻井平台到海底，另一段从海底到井底。通上返速度与钻井液在环空中的上返速度之比，即过控制海底泵系统，使井眼环空顶部的压力等于海K=Vs／Va(4)底静水压力，这样就可以控制井身内的压力，使其更式中，为岩屑举升效率，无因次；v为岩屑在环空好地匹配地层孑L隙压力和破裂压力之间的余量，实中的实际上返速度，m／s。现安全快速的钻井作业J。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。2RMR系统水力参数计算设岩屑在钻井液中的下滑速度为1，则Vs=1，。一HydraulicscalculafionofRsystemv岩屑的下滑速度计算公式l9为水力计算的目的是有效、合理地利用水力能量，：!二f1提高钻速，缩短建井周期，降低钻井成本。钻井过程：pal／3#e中，从钻井安全的角度考虑，井内环空压力应介于地式中，v为岩屑在钻井液中的下滑速度，m／s；为层孑L隙压力和破裂压力之间。RMR系统与常规钻岩屑直径，cm；P为岩屑的密度，g／cm；。为钻井液井方法不同，使得循环系统压耗、钻井液携岩能力有效黏度，Pa·S。以及井筒压力变化与常规方法有一定的区别。对最低环空返速确定以后，即可根据下式确定携RMR系统进行水力参数计算时，在满足工程精度的岩所需的泥浆泵最小排量条件下，对模型进行适当简化，做出如下假设：(1)钻Qa=(d,2一dp2)Va／40(6)井液为幂律流体；(2)忽略管流中钻柱的旋转；(3)钻式中，Q为泥浆泵最小排量，L／s；为钻柱外径，柱与井眼处于同心的位置；(4)井眼为圆形井眼；(5)cm。忽略钻井液的可压缩性。确定出海面泥浆泵的最小排量，就可以为选择2．1井内压力合适型号的泥浆泵提供参考，同时还可以为水力学Wellholepressure计算及优化提供适当的依据。在RMR系统正常工作的情况下，海底钻井液举2．3循环系统压力损耗及泵功率计算升泵处于恒定入口压力工作模式下，即海底钻井液Pressurelossofcirculationsystemandcalcula-举升泵人口压力等于海底泥线处的静水压力，这样tionofpumppower可以确保恒定的井眼环空顶部压力。在钻井液密度RMR系统钻井液循环体系总体上可分为海面一定的情况下，井内任意垂直深度处的压力P可表平台管汇、钻柱内、钻头喷嘴、井眼环空和回流管线5示为部分。钻井液在循环系统内的流动，主要是在钻柱=+1B／1000(1)。内的管内流动、钻柱外的环空流动以及回流管线内pi=pwghw／1000(2)的流动。钻井液流过这些部位时，都要消耗部分能式中，Pi为海底举升泵人口压力，MPa；P为钻井液量，产生压耗。在系统正常工作时，海面泵提供平台密度，g／cm；P为海水密度，g／cm；hB为海底泥线管汇、钻柱内、钻头喷嘴和井眼环空的循环压耗，海以下井眼的实际垂直深度，m；h、为水深，133。底泵为钻井液的举升提供能量。 22石油钻采工艺2010年9月(第32卷)第5期假设整个井身内的压力损耗为Ap，则有3RMR~／井系统水力学计算软件ApApg+App+Ap+APb(7)HydraulicscalculationsoftwareofRMRsys-Apg=9．818cfpd(Q／lOO)(8)tem△O．15441~pv~2pdQ／(9)通过上述理论分析与公式推导，得到RMR系△=0．1970．2。Q8L／[(dh一)(+)]统水力学计算模型，根据推导出的理论模型，编制(10)了RMR钻井系统水力参数计算程序。该程序基于△：0．081pdQ2c2。4)(11)VisualBasic语言编写，包括数据输入模块、结果输出一模块等，可以计算RMR钻井中所需泵压、功率以及=d2。(12)各部分的压力损耗，可以为RMR钻井提供水力设计依据。图1是该程序的界面。式中，Apg为平台管汇压耗，MPa；△p。为钻井液在钻柱内的压耗，MPa；Apa为钻井液在井眼环空内的压耗，MPa；Ap为钻头压降，MPa；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，mPa·S；d为钻柱内径，cm；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=0．80，对于喷射式钻图lRMR钻井系统水力学计算软件界面头，C=0．95；为喷嘴当量直径，cm；为喷嘴直径Fig．1Diagramofhydraulicscalculationsoftware(i-1，2，⋯，)，cm；疗为喷嘴个数。ofRMRsystem以海底泥线处为参考基点，根据黏性流体的伯4算例分析努利方程可得到如下关系ExampleanalysisPs~一-h+：++垒(13)用文献[11]中的钻井数据来验证本程序的计PdgzgPdgzgPdg算结果。文献中数据资料及程序计算结果分别见表其中1，、1，，分别为海面泥浆泵出口处的钻井液1和表2。流速以及钻井液从环空中返回到海底泥线处的流表1文献[11]中已知的钻井数据速，在满足工程精度的条件下，可以将二者近似相Table1Thegivendrillingdata等。则RMR系统钻井液循环体系泵压传递的基本参数数值参数数值关系式可表示为水深／m3048钻头喷嘴直径／mml1．1125P。：Ap+(pwgh～pagh)／1000(14)泥线下井深／m6096钻头喷嘴个数3P。：Apr+pdghw／1000(15)井眼尺寸／mm222．25钻井液排量／L-S～28．387式中，P为海面泥浆泵出口压力，MPa；P为海底举钻杆尺寸／mm127x108．6钻井液密度／g·cm。1．83升泵出口压力，MPa；APr为钻井液在回流管线内的回流管线尺寸／raml52．4钻井液黏度／mPa·S46压耗，MPa。表2文献中数据与程序计算结果的对比MPa再由泵压跟流量的关系可以求得海面钻井泵输Table2Contrasttothegivendataandtheresultofthesoftware出功率和海底举升泵的输出功率尸为参数数值参数数值Q(16)海面泵泵压11．58计算的海面泵泵压11．51。Q(17)钻柱内压耗23-37计算的钻柱内压耗21．39式中，Q为海面钻井泵排量，L／s。钻头压降9．79计算的钻头压降9．49环空压耗3．17计算的环空压耗3．29AGR公司在RMR系统现场试验中用小直径的井底压力l45．21计算的井底压力140．42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。根据上从表2中的对比数据可以看出，该软件计算所面各式即可计算得到海面泥浆泵和海底举升泵的泵得结果与资料中所给出的数据较为接近，证明了上压及泵功率。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23件相同的情况下，通过计算可知，常规方式钻井所需concepts，applications，advantages，disadvantagesand要的海面泵泵压为89．37MPa，而RMR系统海面泵limitationslJj．cADE／cAD0cDrillingconference，Calgary,Albe~a，1997．泵压仅为11．58MPa，两者之问有较大差别，因此，[4]VERNONRoger，BUCHANStewart，HEWSONJim，在RMR系统钻进时，必须合理确定海面泵的出口泵eta1．Riserlessmudrecoveryslovestop—holedrilling压。RMR系统中海面泵泵压比常规钻井方式海面problemslRJ．SPE111422，2007．泵泵压小，这是因为在RMR系统中钻井液举升所需[5]FROYENJohnny，ROMMETVEITRolv，JAISING要的能量是由海底泵提供的。Hitesh．RiserlessMudRecovery(RMR)systemevaluationfortopholedrillingwithshallowgaslRj．SPE102579，5结论2008．Conclusion[6]CHOEJonggeun．Analysisofriserlessdrillingsystemand在分析了深水无隔水管钻井液回收钻井系统wellcontrolhydraulicslRj．SPE55056，1999．的技术原理及工作过程的基础上，推导出适用于该I7BR0wNJD，URVANTVV，TH0R0G00DJL．Deploymentofariserlessmud—recoverysystemoffshore系统的水力学计算公式，对系统中海底举升泵和海sakhalinisland[R]．SPE／IADC105212，2007．面钻井泵的功率以及钻井液沿程压力损耗进行了计[8]MYERSGreg．Ultra—deepwaterriserlessmudcirculation算。用VisualBasic语言编写了RMR系统水力学withdualgradientdrillinglJ]．ScientificDrilling，2008，计算程序，进行了算例分析，并与文献结果进行了对6(7)：48—51．比，验证了计算公式和程序的正确性，为后续RMR[9]陈庭根，管志川．钻井工程理论与技术[M]．山东东营：系统技术原理试验等研究工作打下了基础。同时本石油大学出版社，2000．文的研究工作对RMR系统水力分析及参数优化提CHENTinggen，GUANZhichuan．Drillingengineeringthe—供了一定的理论依据。oryandtechnologylMJ．ShandongDongying：PetroleumUniversityPress，2000．[10]李天太，孙正义，李琪．实用钻井水力学计算与应用参考文献：M]．北京：石油工业出版社，2002．Refe·rencesLITiantai，SUNZhengyi，LIQi．Drillinghydraulicscalcu—何小军．北海深水钻探：挑战与新解决方案[J]．中国lationandapplicationlMJ．Beijing：PetroleumIndustry造船，2002，43(SO)：232．237．Press，2002．HEXiaojun．NoahSeadeepwaterdrilling：challengeand[11jCHOEJonggeun，SCHUBERTJeromeJ，JUVKAM—newsolution[J]．ShipbuildingofChina，2002，43(s0)：W0LDHansC．Analysesandproceduresforkick232—237．detectioninsubseamudlifidrilling[R]．IADC／SPE[2]高本金，陈国明，殷志明，等．深水无隔水管钻井液回收87114．2004．钻井技术[J]．石油钻采X-艺，2009，31(2)：44—47．GAOBenjin，CHENGuoming，YINZhiming，eta1．Deep—(修改稿收到日期2010—07．25)waterriserlessmudrecoverydrillingtechnologylJj．0i1[编辑朱伟]Drilling&ProductionTechnology,2009．31(2)：4447．[3]CHOEJ．JUVKAMWOLDHCRiserlessdrilling：渤海钻探钻井液堵漏技术获新突破2010年9月，渤海钻探X-．程技术研究院在并底温求，决定采用潜山承压钻井液堵漏技术进行封堵作业。度高达l70℃的华北油田晋古2—4J井，成功实施承压面对170℃的井底高温，分析该井漏失原因和漏失地层钻井液堵漏技术。特性，攻克了常规堵漏材料在高温下易软化变形或硬化晋古2—4J井是一口潜山加深井，加深井段为变脆失去弹性等技术难题，顺利完成堵漏施工，满足了4684~50001T1。该井在钻至4800m时开始发生漏失，完尾管固井的要求。钻时累计漏失钻井液2901TI，并且井底温度高达170℃。(供稿文田)由于漏失地层的承压能力低，不能满足尾管固井承压要'