關(guān)于石油鉆井技術(shù)及水里參數(shù)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）                   題 目 深水無(wú)隔水管鉆井關(guān)鍵技術(shù)及水力參數(shù)設(shè)計(jì)       方法研究            學(xué) 院 石油與天然氣工程學(xué)院    

2、;   專(zhuān)業(yè)班級(jí) 石油工程2012-02       學(xué)生姓名 王雪威 學(xué)號(hào) 2012440329       指導(dǎo)教師 郭曉樂(lè) 職稱(chēng) 教授       評(píng)閱教師 職稱(chēng)             2016年 5 月 18 日

3、0;     學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明            本人以信譽(yù)聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的設(shè)計(jì)（研究）工作及取得的成果，設(shè)計(jì)（論文）中引用他（她）人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨(dú)立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用其材料。與我一同工作的同志對(duì)本設(shè)計(jì)（研究）所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。

4、60;                       畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者（簽字）：        2016年 5 月 18 日      摘 要        

5、     隨著石油資源一步步的被開(kāi)發(fā)，勘探新的石油資源就迫在眉睫。而隨著石油勘探技術(shù)不斷的發(fā)展，世界范圍內(nèi)油氣資源開(kāi)發(fā)也逐漸向深水進(jìn)軍。而深水鉆井環(huán)境惡劣，其中有會(huì)出現(xiàn)不少的問(wèn)題，易造成嚴(yán)重的鉆井事故。      在深水環(huán)境中進(jìn)行鉆井作業(yè)會(huì)有相當(dāng)多的挑戰(zhàn)，為了解除這些困難，國(guó)外經(jīng)過(guò)一系列研究，開(kāi)發(fā)出了無(wú)隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)（RMR），該技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的隔水管，利用相對(duì)較小的回流管線(xiàn)將鉆井液和鉆屑從海底泵送回鉆井平臺(tái)。深水無(wú)隔水管鉆井技術(shù)主要解決海洋鉆井中地層破裂壓力與坍塌壓力之間余

6、量較小的問(wèn)題，采用海底泵舉升系統(tǒng)將鉆井液和巖屑通過(guò)返回管線(xiàn)泵送回海面鉆井船，實(shí)時(shí)調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿(mǎn)足保持海底鉆井液舉升泵入口壓力恒定的要求。由于RMR技術(shù)是最新發(fā)展的技術(shù)，目前尚無(wú)合適的水力學(xué)計(jì)算理論和方法。因此，有必要結(jié)合無(wú)隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)特點(diǎn)，建立相應(yīng)的水力參數(shù)計(jì)算模型，為深水鉆井設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。      本文探討研究了無(wú)隔水管鉆井技術(shù)，結(jié)合了我國(guó)的實(shí)際情況進(jìn)行了分析，以及對(duì)其所涉及的一系列參數(shù)的計(jì)算方法。      關(guān)鍵詞 無(wú)隔水管 鉆井關(guān)鍵技術(shù) 水力參數(shù)&#

7、160;     Abstract            With the development of oil resources, exploration of new oil resources is imminent. With the development of petroleum exploration technology, the development of oil and gas resources in

8、 the world has gradually entered into the deep water. The deepwater drilling environment is poor, which will have a lot of problems, easy to cause serious drilling accident.       In order to solve a series of problems encountered in the process of deepwater drilli

9、ng, foreign research issued without riser drilling fluid recovery drilling technology (RMR), the technique removed riser, using relative smaller reflux pipelines will be drilling fluids and cuttings from submarine pump back to drilling platform. Deep water without riser drilling technology is mainly

10、 to solve the ocean drilling fracturing a smaller margin between pressure and collapse pressure, the subsea pump lifting system through drilling fluids and cuttings to return pipeline pump back to the sea drilling ship, real-time control to regulate the flow, to meet the protection to subsea mudlift

11、 pump inlet pressure constant. As RMR technology is the latest development of the technology, there is no suitable theory and method of hydraulic calculation. Therefore, it is necessary to establish the corresponding calculation model of the hydraulic parameters, and provide guidance for the deepwat

12、er drilling design.       This paper discusses the research on the drilling technology of the non riser, combining the actual situation in ourcountry,and the calculation method of a series of parameters.       Key Words：No riser ；

13、Drilling Key Technology；hydraulic parameter       目錄            摘要 PAGEREF _Toc19667 I      Abstract II      1 緒論 1      

14、;1.1 研究目的及意義 1      1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1      1.3 無(wú)隔水管鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 2      2 無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù) 3      2.1 RMR技術(shù)原理及優(yōu)點(diǎn) 3      2.2井內(nèi)壓力的計(jì)算 4     

15、60;2.2最小鉆井液排量的計(jì)算 5      2.3 循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗及泵功率計(jì)算 5      2.4 深水無(wú)隔水管鉆井液多級(jí)舉升技術(shù) 6      2.5 鉆井液舉升系統(tǒng)參數(shù)分析 6      2.6 影響舉升泵泵效的因素 8      3 無(wú)隔水管鉆井淺部地層井筒循環(huán)壓耗分析 10 

16、;     3.1 模型的建立 10      3.2 壓耗模型的求解 11      3.2.1鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗計(jì)算 11      3.2.2環(huán)空中循環(huán)壓耗計(jì)算 12      3.2.3鉆頭壓降及環(huán)空攜巖 12      3.3 分析與結(jié)論 13

17、      4 深水無(wú)隔水管鉆井MRL選型以及參數(shù)優(yōu)化 16      4.1 MRL壓耗分析 16      4.2 MRL參數(shù)優(yōu)化 17      4.2 MRL選型 19      4.2.1 剛性管線(xiàn) 19      4.1.2 柔

18、性管線(xiàn) 19      5 總結(jié) 21      參考文獻(xiàn) 22      致謝 23            1 緒論            1.1 研究目的及意義 &#

19、160;    石油對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)來(lái)說(shuō)，是極其重要的，作為一種不可再生的能源，在國(guó)家的經(jīng)濟(jì)與工業(yè)發(fā)展中都起到了舉足輕重的作用。但隨著石油資源被一步步的開(kāi)發(fā)，陸地資源已經(jīng)越來(lái)越匱乏。所以世界范圍內(nèi)都在向海洋進(jìn)軍。但海洋深水的鉆井環(huán)境相當(dāng)惡劣，在這之中我們將面臨許多挑戰(zhàn)，諸多挑戰(zhàn)也限制了我們?cè)谏钏虻淖鳂I(yè)能力。由此，無(wú)隔水管鉆井技術(shù)便出現(xiàn)了。      該技術(shù)放棄了傳統(tǒng)的隔水管，利用相對(duì)較小的回流管線(xiàn)將鉆井液和鉆屑從海底泵送回鉆井平臺(tái)。深水無(wú)隔水管鉆井技術(shù)采用海底泵舉升系統(tǒng)將鉆井液和巖屑通過(guò)返回管線(xiàn)泵

20、送回海面鉆井船，實(shí)時(shí)調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿(mǎn)足保持海底鉆井液舉升泵入口壓力恒定的要求。但該項(xiàng)技術(shù)是最新發(fā)展的技術(shù)，目前尚無(wú)合適的水力學(xué)計(jì)算理論和方法8。因此，有必要結(jié)合無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)，建立相應(yīng)的水力參數(shù)計(jì)算模型，為深水鉆井設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。      1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀      國(guó)外從20世紀(jì)中期就開(kāi)始對(duì)無(wú)隔水管鉆井技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究, 在1969年的時(shí)候申請(qǐng)了第一個(gè)無(wú)隔水管鉆井技術(shù)專(zhuān)利。在2001年，挪威AGR公司在其鉆屑輸送系統(tǒng)基礎(chǔ)上成功研制出了無(wú)隔水

21、管鉆井液回收鉆井技術(shù)，并于03年在里海成功的進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年人們對(duì)其深入的探索研究，無(wú)隔水管鉆井技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成為了一種較為成熟的深水鉆井技術(shù)。已經(jīng)從最初的淺水RMR技術(shù)發(fā)展到了深水、超深水RMR技術(shù)。至今，RMR技術(shù)己經(jīng)在世界范圍內(nèi)鉆探100多口油井，成功解決了傳統(tǒng)隔水管鉆井技術(shù)遇到的難題，獲得較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。在20世紀(jì)60年代，Mint-on提出了噴射下套管技術(shù)，該技術(shù)的原理是采用管柱內(nèi)安裝井下動(dòng)力鉆具，利用管串的自身重力和鉆井液噴射力邊鉆進(jìn)邊下導(dǎo)管。      為了在深水環(huán)境中達(dá)到鉆井液循環(huán)要求，業(yè)界提出了鉆井液

22、多級(jí)舉升技術(shù)，而該項(xiàng)技術(shù)又涉及到了許多的參數(shù)計(jì)算，MRL選型以及其參數(shù)的優(yōu)化，井筒循環(huán)壓耗的分析等。      該技術(shù)于08年9月份在南中國(guó)海水深1419 m海域處成功進(jìn)行了RMR技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明了其在深水鉆井中的可行性，以及在南中國(guó)海鉆井的優(yōu)點(diǎn)，例如安全鉆探淺層風(fēng)險(xiǎn)地層、克服泥漿錄井限制、延伸表層套管設(shè)置深度等。      目前中海油在渤海和南海勘探井中已經(jīng)成功應(yīng)用了套管鉆井技術(shù)，但還沒(méi)有廣泛應(yīng)用在深水中。在最近的二十年內(nèi)，已經(jīng)有近100口深水井應(yīng)用了無(wú)隔水管套管鉆

23、井技術(shù)，水深范圍3503050m，井深范圍344611017m。      1.3 無(wú)隔水管鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)      相對(duì)于傳統(tǒng)海洋鉆井技術(shù)來(lái)說(shuō),無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)不僅擁有自身的特點(diǎn)，另一方面還可以解決隔水管在深水作業(yè)所帶來(lái)的一系列困擾，并且能夠解決深水作業(yè)中的諸多挑戰(zhàn)。由于摒棄了隔水管，就不再需要足夠大的平臺(tái)來(lái)容納其管線(xiàn)等一些設(shè)備，如此一來(lái)，大大節(jié)約了鉆井成本，鉆井速度也會(huì)得到顯著提升，且增加了安全系數(shù)，對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響也將得到顯著下降。RMR技術(shù)減少了套管數(shù)量,在很

24、大程度上井身機(jī)構(gòu)得到了優(yōu)化。通過(guò)實(shí)踐證明，,理想狀況下,RMR技術(shù)不僅可以鉆探淺層井眼，深水，甚至超深水其都可以達(dá)到。隨著對(duì)于無(wú)隔水管鉆井相關(guān)技術(shù)的一步步深入研究，目前RMR技術(shù)的已經(jīng)較為完善，并且得到的許多應(yīng)用。,同時(shí),隨著海洋深水鉆井的蓬勃發(fā)展，由于其具有許多明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且該技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟,RMR技術(shù)必將在世界范圍內(nèi)得到更加廣泛的應(yīng)用。      2 無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)            2.1

25、RMR技術(shù)原理及優(yōu)點(diǎn)       總的來(lái)說(shuō)RMR技術(shù)就是在鉆井過(guò)程中放棄了使用傳統(tǒng)的隔水管，在該技術(shù)中，鉆桿是直接暴露在海水中的，井眼和海水之間的密封是通過(guò)海底井口的吸入模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它實(shí)際上就是一種頂部井眼鉆探系統(tǒng),使用海底泵系統(tǒng)將井眼環(huán)空返回鉆井液和巖屑通過(guò)泥漿返回管線(xiàn)泵送回海面鉆井船。它的主要組成裝備有：控制系統(tǒng)，海底舉升泵模塊，海底吸入模塊，鉆井液返回管線(xiàn)，絞車(chē)以及常規(guī)海面裝備。該技術(shù)經(jīng)過(guò)一系列的研究與發(fā)展，已經(jīng)很好地解決了在復(fù)雜深水域中鉆探所面臨的諸多挑戰(zhàn)。目前在世界范圍內(nèi)都獲得了比較廣泛的商業(yè)應(yīng)用。該技術(shù)已經(jīng)從最

26、初的淺水發(fā)展到了深水、超深水RMR技術(shù)。圖1為鉆井液循環(huán)示意圖，圖2為其壓力梯度曲線(xiàn)圖。                        無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)與傳統(tǒng)鉆井技術(shù)相比，擁有以下優(yōu)點(diǎn)：       （1）可以大大減少井漏與井涌的發(fā)生概率，因?yàn)槠涞貙悠屏褖毫涂紫秹毫﹂g隙區(qū)域相對(duì)變寬了；

27、60;      （2）由于其不需要多層套管體系了，大大減少了下套管和固井的時(shí)間，減少了建井周期，節(jié)約了成本；       （3）因其舍棄了常規(guī)隔水管，鉆井平臺(tái)就不需要再承受隔水管如此巨大的重量，降低了對(duì)平臺(tái)的要求；       （4）大大減少了鉆井液用量，節(jié)約了鉆井液成本；       （5）利用現(xiàn)有的技術(shù)與裝備，可以到更深的海域進(jìn)行作業(yè)；

28、60;      （6）由于不采用隔水管，其鉆井系統(tǒng)移動(dòng)的機(jī)動(dòng)性也得到了顯著提升。      2.2井內(nèi)壓力的計(jì)算      在RMR系統(tǒng)正常工作并且海底鉆井液舉升泵處于恒定入口壓力工作模式的條件下，這樣可以井眼環(huán)空頂部壓力保持恒定。在鉆井液密度一定的條件下，井內(nèi)任意垂直深度處的壓力p可表示為：      p=pi+dghB/1000 （2.1） 

29、      pi=wghw/1000 （2.2）      式中pi為海底舉升泵入口壓力，MPa；d為鉆井液 密度，g/cm3；w為海水密度，g/cm3；hB為海底泥線(xiàn)以下井眼的實(shí)際垂直深度，m，hw為水深，m。      2.2最小鉆井液排量的計(jì)算      最小鉆井液排量是指鉆井液從井筒內(nèi)將巖屑攜帶至井口處所需要的最低排量。最小排量由攜巖所需的最低鉆井液環(huán)空返速?zèng)Q

30、定8。最小環(huán)空返速的計(jì)算一般使用經(jīng)驗(yàn)公式:      va=18.24（/ ddh） （5.3）      式中，va 為鉆井液最低環(huán)空返速，m/s；dh為井眼直徑，cm。      在工程上，通常用巖屑舉升效率表示鉆井液的攜巖能力。巖屑舉升效率是指巖屑在環(huán)空中的實(shí)際上返速度與鉆井液在環(huán)空中的上返速度之比8，即      Ks= vs/va （5.4）

31、60;     式中，Ks為巖屑的舉升效率，無(wú)因次；vs為巖屑在環(huán)空中的實(shí)際上返速度，其單位為m/s。      實(shí)際鉆井中為了保持產(chǎn)生的巖屑量與井口返出量相平衡，一般要求Ks不小于0.58。      2.3 循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗及泵功率計(jì)算      RMR系統(tǒng)鉆井液循環(huán)體系總體上可分為海面平臺(tái)管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭噴嘴、井眼環(huán)空和回流管線(xiàn)5部分。鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)

32、，主要是在鉆柱內(nèi)的管內(nèi)流動(dòng)、鉆柱外的環(huán)空流動(dòng)以及回流管線(xiàn)內(nèi)的流動(dòng)。鉆井液在流經(jīng)這些部位時(shí)，都要損失掉一定的能量，從而產(chǎn)生壓耗。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，海面泵提供平臺(tái)管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭噴嘴和井眼環(huán)空的循環(huán)壓耗，海底泵為鉆井液的舉升提供能量。      我們假設(shè)整個(gè)井身內(nèi)的壓力損耗值為 p，可得出下面公式:      p=pg +pp +pa +pb      pg=9.818Cfd（Q/100)1.86  

33、;     pp=0.1544pv0.2d0.8Q1.8L/d1.8      pb=0.081dQ2/(C2dne4)       （5.5）      式中,pg平臺(tái)管匯壓耗，MPa；pp鉆井液在鉆柱內(nèi)的壓耗，MPa；pa鉆井液在井眼環(huán)空內(nèi)的壓耗，MPa；pb鉆頭壓降，MPa；Cf鉆井平臺(tái)管匯摩阻系數(shù)，與平臺(tái)管匯類(lèi)型有關(guān)，可查表得到；L為鉆柱總長(zhǎng)度，m；pv為鉆井

34、液的塑性黏度，mPas；d鉆柱內(nèi)徑，cm；La環(huán)空總長(zhǎng)度，m；C噴嘴流量系數(shù)，對(duì)于非噴射式鉆頭，C=0.80，對(duì)于噴射式鉆頭，C=0.95；dne為噴嘴當(dāng)量直徑，cm，di噴嘴直徑。      根據(jù)伯努利方程，我們以海底泥線(xiàn)處為基點(diǎn)，可以得到如下的關(guān)系：       （5.6）      其中 v1、v2 分別為海面泥漿泵出口處的鉆井液流速以及鉆井液從環(huán)空中返回到海底泥線(xiàn)處的流速。在滿(mǎn)足工程精度的條件下，可以把兩者看

35、作近似相等。則鉆井液循環(huán)體系泵壓傳遞的基本關(guān)系式可用下式表示：      Ps=p+(mghw-dghw)/1000 （5.7）      P0=p+dghw/1000 （5.8）      式中，ps為海面泥漿泵出口壓力，MPa；po為海底舉升泵出口壓力，MPa；pr為鉆井液在回流管線(xiàn)內(nèi)的壓耗,MPa。      再由泵壓跟流量的關(guān)系可以求得海面鉆井泵輸出

36、功率Ps和海底舉升泵的輸出功率Po為:      Ps=psQ （5.9）       Po=poQ （5.10）      式中Q為海面鉆井泵排量，L/s。       2.4 深水無(wú)隔水管鉆井液多級(jí)舉升技術(shù)      在深水海域進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，其鉆井液舉升泵的揚(yáng)程通常不能達(dá)到工藝的要求

37、，鉆井液多級(jí)舉升技術(shù)由此便被提出來(lái)了。該技術(shù)是通過(guò)采用剛性鉆井液回流管線(xiàn)將舉升泵串聯(lián)在一起，回流管線(xiàn)既起到鉆井液回流通道的作用，尤其到了舉升泵的固定作用5。                   2.5 鉆井液舉升系統(tǒng)參數(shù)分析       無(wú)隔水管鉆井液回收技術(shù)其實(shí)是雙梯度鉆井技術(shù)的一種延伸，為了使其滿(mǎn)足深水海域的鉆井工藝，業(yè)界提出了多級(jí)舉升技術(shù)。&

38、#160;     從井底返回的鉆井液是固液混合的兩相體系，固液兩相間的互相作用使其產(chǎn)生了多樣化的流體特性，現(xiàn)根據(jù)鉆井液工藝的相關(guān)理論研究將其視為滿(mǎn)足冪律模式的流體，然后再對(duì)其參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化的分析。      首先，我們來(lái)分析鉆井液排量以及環(huán)空返速的計(jì)算。在現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝中，通常是用巖屑的舉升效率來(lái)衡量鉆井液攜帶巖屑的能力。       （2.1）      在式中，

39、ns為巖石的舉升效率，無(wú)因此；vs為巖屑的實(shí)際上返速度，單位是m/s；va為鉆井液的上返速度，單位是m/s；在鉆井作業(yè)過(guò)程中，為了保證鉆井液的攜巖能力，一般要求ns>0.5      巖屑在鉆井液中的下滑速度vs1應(yīng)滿(mǎn)足：       （2.2）      式中，ds為巖屑粒徑，單位為m；s為巖屑的密度，單位為kgm3，為鉆井液密度，其單位是kgm3；C為顆粒形狀系數(shù)，圓球狀為0.5、圓片狀為0.60.82、不

40、規(guī)則或者扁平狀為2.1.      巖屑在鉆井液中的實(shí)際上返速度為：      vs=va-vs1 （2.3）      滿(mǎn)足攜帶巖屑的最小泥漿泵排量滿(mǎn)足下面的公式：      Qa=（dh2-dp2）va/4 （2.4）      式中，Qa為泥漿泵的最小排量，單位為m3s；dh為鉆頭直徑，m；d

41、p為鉆桿外徑，m。      其次，鉆井液舉升系統(tǒng)的壓降計(jì)算：      鉆井液在整個(gè)回流管線(xiàn)的流動(dòng)過(guò)程中，其水頭損失是由局部水頭損失和沿程阻力損失兩部分所構(gòu)成的。由于舉升系統(tǒng)中回流管線(xiàn)很長(zhǎng)，管徑變化不大，接頭、閥門(mén)較少，因此，局部水頭損失相對(duì)較小，在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì)5。雷諾數(shù)是液體流態(tài)判斷的主要依據(jù)，冪律流體的雷諾數(shù)計(jì)算公式如下：      Re= （2.5）    &

42、#160; 式中n冪率流體的流性指數(shù)，無(wú)量綱；K冪律流體的稠度系數(shù)。      當(dāng)Re2000時(shí)為層流，壓耗計(jì)算公式為：       EMBED Equation.KSEE3 n （2.6）      當(dāng)Re>4000時(shí)為紊流,此時(shí)需要求出沿程阻力系數(shù):      =lg(Re1-0.5n) EMBED Equation.KSEE3 （2.7

43、）      通過(guò)利用迭代法可以求出阻力系數(shù)，紊流壓耗公式為:       （2.8）      根據(jù)壓耗的計(jì)算公式可以計(jì)算出鉆井液回流管線(xiàn)的壓力降。      最后，舉升泵的參數(shù)計(jì)算：      鉆井泵舉升系統(tǒng)揚(yáng)程可根據(jù)下面的公式計(jì)算：     &

44、#160;-hm （2.9）      式中p1，p2分別為上一級(jí)泵入口的壓力和下一級(jí)泵入口的壓力，單位為Pa；va1、va2分別為上一級(jí)泵入口和下一級(jí)泵入口的鉆井液流動(dòng)速度，單位為m/s；z1、z2分別為下一級(jí)泵和上一級(jí)泵的標(biāo)高，m。      根據(jù)上面的式子可以求出舉升泵的揚(yáng)程，從而進(jìn)一步求出舉升泵的功率：      Pe=mgQmHm （2.10）     &#

45、160;鉆井液舉升系統(tǒng)中的固相顆粒在舉升泵的入口是不產(chǎn)生壓力的,因此根據(jù)流體力學(xué)中的能量方程、連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可以得到舉升泵的揚(yáng)程公式為：      Hm=-hm （2.11）      式中Cv為鉆井液中巖屑的體積分?jǐn)?shù)，無(wú)因次。      由于鉆井回流管線(xiàn)中管的內(nèi)徑?jīng)]有發(fā)生變化，因此舉升泵的揚(yáng)程計(jì)算式為：      Hm=-hm （2.12） 

46、;     根據(jù)上面的計(jì)算過(guò)程，可以得到鉆井液舉升系統(tǒng)所涉及的各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法，可以由此得到需要的參數(shù)值。      2.6 影響舉升泵泵效的因素       （1）舉升級(jí)數(shù)的影響。在其他條件固定不變的情況下，對(duì)泵的揚(yáng)程要求隨著舉升級(jí)數(shù)的增加對(duì)泵揚(yáng)程的要求也隨之降低，由此建議使用較高的舉升級(jí)數(shù)；       （2）回流管線(xiàn)傾斜角度的影響。該角度主要是影響鉆

47、井液回流時(shí)的壓耗，從而影響揚(yáng)程，因此在現(xiàn)場(chǎng)工作。應(yīng)該準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出鉆柱的橫向偏移，從而確定該夾角。       （3）鉆井液密度的影響。鉆井液的性能不僅影響舉升泵所承受的液柱壓力，還會(huì)影響其在回流管線(xiàn)中的流態(tài)，鉆井液密度越大，其揚(yáng)程便越大。因此在現(xiàn)場(chǎng)工作中應(yīng)該使用密度合適鉆井液。       （4）固相顆粒的影響。固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)以及直徑大小對(duì)泵效都有影響，其體積分?jǐn)?shù)越高，舉升泵的揚(yáng)程便越大；而固相顆粒的直徑會(huì)影響其在鉆井液中的沉降速度，從而對(duì)其泵效產(chǎn)生影響

48、。      3 無(wú)隔水管鉆井淺部地層井筒循環(huán)壓耗分析             無(wú)隔水管鉆井液回收鉆井技術(shù)通過(guò)一系列的研究與試驗(yàn)，證明了其能夠相對(duì)較好地解決在深水淺部地層鉆井的難題。M無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)在鉆井過(guò)程中存在一個(gè)臨界排量，只有當(dāng)泵排量不小于臨界排量的時(shí)候才能夠保證井筒循環(huán)的連續(xù)性。在鉆遇淺部地層的時(shí)候，井筒壓力中還是以鉆井液液柱壓力為主導(dǎo)，循環(huán)壓力的影響微乎其微。另外，開(kāi)展本項(xiàng)研究可為深水無(wú)隔水管鉆

49、井在技術(shù)上提供一定的支持。      3.1 模型的建立      RMR無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)鉆井液循環(huán)過(guò)程如圖4所示。鉆井液首先通過(guò)鉆桿流經(jīng)鉆頭進(jìn)入井眼環(huán)空中，然后繼續(xù)上返至環(huán)空頂部，經(jīng)過(guò)井口裝置后由海底泵通過(guò)小尺寸的返排管線(xiàn)舉升到鉆井船上7。            據(jù)M無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)動(dòng)力平衡關(guān)系可得:    

50、0; pspp+mg( Hw+H)/1000pf，ppbpf，amgH/1000 = ps （3.1）      ps=wgHw/1000 （3.2）      根據(jù)上面兩式聯(lián)立可得：      pspp+ (mw) gHw/1000 =pf，p+pb+pf，a （3.3）      式中，pspp為立管壓力，單位為MPa; ps為井眼環(huán)空頂部壓力

51、，單位為MPa;pf，p為鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，單位為MPa; pf，a為井眼環(huán)空中循環(huán)壓耗，單位為MPa; pb為鉆頭壓降，單位為MPa;m為鉆井液密度，單位為g/cm3; g為重力加速度，m / s2; Hw為水深，m; H為井深，m。      3.2 壓耗模型的求解      3.2.1鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗計(jì)算：      由于圓管流量方程的壓耗計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地分析鉆柱內(nèi)循環(huán)的壓耗。在此選用工程中適用性相對(duì)較強(qiáng)的赫

52、巴模式，赫巴流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)滿(mǎn)足如下關(guān)系：      Q= EMBED Equation.KSEE3 （3.4）       在上式中，Q為排量，L/s; 0為赫巴模式中屈服值，Pa; K為赫巴模式中稠度系數(shù)，Pasn; n為赫巴模式中流性指數(shù);w，p為鉆柱內(nèi)管壁處切應(yīng)力，Pa。      在泵的排量給定的條件下，采用牛頓下山法，可求解得到管壁處切應(yīng)力w，p，再通過(guò)赫巴流變方程可以進(jìn)一步求得管壁處的剪切速率wp。根

53、據(jù)樊洪海等人提出的廣義流性指數(shù)法計(jì)算管內(nèi)雷諾數(shù):       （3.5）       （3.6）       式中，eg，p為圓管廣義雷諾數(shù);為流體密度，kg/m3; Deff,p為鉆柱內(nèi)有效管徑，m; vp為鉆柱內(nèi)流體平均流速，m/s;w,p為鉆柱內(nèi)管壁處有效黏度，Pas; np為鉆柱內(nèi)廣義流性指數(shù); D為鉆桿管徑,m。        

54、    層流臨界雷諾數(shù):eg，l= 34701370np      紊流臨界雷諾數(shù):eg，t= 42701370np      如若eg，peg，l，則為層流；若eg，leg，peg，t，則為過(guò)渡流；若eg，peg，t，則為紊流。      在層流條件下，范寧阻力管內(nèi)雷諾數(shù)與阻力系數(shù)有如下關(guān)系式:fl=16/eg     

55、60;式中，fl為層流范寧阻力系數(shù)。      紊流時(shí)采用非牛頓流體光滑管范寧阻力系數(shù)計(jì)算式:       （3.7）      在上式中，ft為紊流范寧阻力系數(shù)。      而對(duì)于過(guò)渡流狀態(tài)，則采用線(xiàn)性差分的原則求解范寧阻力系數(shù):      Ftr=f1+ （3.8）  

56、60;   在上式中，ftr為過(guò)渡流范寧阻力系數(shù)。      因此，圓管循環(huán)壓耗可以經(jīng)由達(dá)西公式求解:       （3.9）      在上式中，Lp為鉆柱長(zhǎng)度，m。      3.2.2環(huán)空中循環(huán)壓耗計(jì)算      根據(jù)環(huán)空流量方程可得赫巴流體在環(huán)空中流量與管壁處切

57、應(yīng)力的關(guān)系式為:      Q= （3.10）       式中,w,a為環(huán)空中管壁處切應(yīng)力，Pa;w,a為環(huán)空中管壁處剪切速率，s-1;為環(huán)空間隙，m;0為環(huán)空外半徑，m; i為環(huán)空內(nèi)半徑，m。      若排量Q已知，則采用數(shù)值迭代方法得到管壁處切應(yīng)力w,a，進(jìn)而求解得管壁處剪切速率w,a。      環(huán)空中采用環(huán)空廣義流性指數(shù)法計(jì)算雷諾數(shù): 

58、      （3.11）      其中， （3.12）      式中，eg，a為環(huán)空廣義雷諾數(shù); Deff,a為環(huán)空有效管徑，m; va為環(huán)空流體平均流速，m/s; w,a為環(huán)空管壁處有效黏度，Pas; na為環(huán)空廣義流性指數(shù)。      井眼環(huán)空中仍然可采用式 ( 3.6) 進(jìn)行流態(tài)判別，由廣義流性指數(shù)壓耗計(jì)算模型的推導(dǎo)可知，式( 3.7)式 (3. 9) 范寧

59、阻力系數(shù)的計(jì)算方法在環(huán)空中同樣適用。故此時(shí)環(huán)空中循環(huán)壓耗計(jì)算式為:       （3.13）      在上式中，La為井眼環(huán)空長(zhǎng)度，m; Dhy為水力直徑，m。      3.2.3鉆頭壓降及環(huán)空攜巖       工程上鉆頭壓降計(jì)算式為：       （3.14）   

60、;   其中，       式中，C為噴嘴流量系數(shù)，一般取C=0.650.80;dne為噴嘴等效直徑，mm。      巖屑在井眼環(huán)空中上升的環(huán)空返速，取決于環(huán)空鉆井液返度、鉆井液性能、巖屑幾何特性以及相對(duì)密度等，其計(jì)算式為1:       vc= vavs （3.15）       式中，vc為巖屑上返速度

61、，m/s;vs為滑脫速度，m/s。      關(guān)于環(huán)空中巖屑下沉速度，工程上使用較多的是 Moore 計(jì)算式:       （3.16）      式中s為巖屑密度，g/cm3;a為表觀(guān)黏度，Pas。      鉆井工程中常以環(huán)空巖屑返速與環(huán)空鉆井液返速之比作為衡量環(huán)空攜巖的指標(biāo)，稱(chēng)之為井眼凈化能力，即:    

62、60;  （3.17）      現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)t0.5時(shí)，井眼環(huán)空滿(mǎn)足凈化要求。      3.3 分析與結(jié)論      采用M無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)對(duì)某深水域儲(chǔ)層進(jìn)行勘探，分析M無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)鉆遇淺部地層時(shí)井筒中水力參數(shù)。計(jì)算所需基本參數(shù)如下。鉆井液密度m取1.24 g/cm3，海水密度取1.04g / cm3，水深600 m，井深600 m，鉆桿外徑127.0mm，鉆頭外徑222.3 mm，3個(gè)鉆頭

63、噴嘴直徑18mm，鉆井液屈服值 2.84Pas，稠度系數(shù)0.3725Pasn，流性指數(shù)為0.6857。      首先計(jì)算鉆頭壓降，其計(jì)算公式如上式（3.14）      我們?nèi)流量噴嘴系數(shù)為0.80，當(dāng)排量Q為5L/s時(shí)，代入上面公式整理得到：                  dne為噴嘴等效

64、直徑，此處是18mm,代入進(jìn)行計(jì)算可得到pb=0.37。      同理，當(dāng)流量Q為10L/s,15L/s.時(shí)，我們都可以得到一個(gè)鉆頭壓降pb值，由此便可以繪制出流量與鉆頭壓降的關(guān)系圖。      我們依然以排量為5L/s來(lái)對(duì)鉆柱內(nèi)以及環(huán)空中的循環(huán)壓耗進(jìn)行計(jì)算，已知的基本參數(shù)為：Q=5L/s，流性指數(shù)n=0.6857,稠度系數(shù)K=0.3725Pasn,R=127.0mm,0=2.84。      圓管循環(huán)壓耗可以經(jīng)由

65、達(dá)西公式求解，其求解所需要的公式為（3.4）（3.9），      環(huán)空中的循環(huán)壓耗計(jì)算公式為（3.10（3.13）。      通過(guò)改變排量的大小，可以得到許多組鉆柱內(nèi)與環(huán)空中的壓耗值，繪制曲線(xiàn)，可以得到排量與其的關(guān)系，如圖5。                     

66、;               圖5 循環(huán)壓耗與排量關(guān)系曲線(xiàn)      由圖可知，在M無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)鉆遇淺部地層過(guò)程中，隨著排量的增加，鉆柱內(nèi)、鉆頭和環(huán)空中壓耗均呈現(xiàn)不同程度的增大。鉆柱內(nèi)鉆井液隨著排量的增加從層流( Q18.30L/s) 向過(guò)渡流( 18.30 L/sQ 23.05L/s)轉(zhuǎn)變，最終形成紊流( Q23.05L/s)。    &#

67、160;       圖6 井筒循環(huán)壓耗隨排量的變化規(guī)律      圖6中所反應(yīng)的規(guī)律與圖5相似，鉆井過(guò)程中井筒循環(huán)壓耗隨排量的增加而增大，只不過(guò)這種增大的程度更加復(fù)雜。立管壓力在排量0. 0014. 50 L/s 時(shí)為0，超過(guò)此臨界排量之后才相對(duì)應(yīng)地隨循環(huán)壓耗增大。這是由于M無(wú)隔水管鉆井技術(shù)要求井筒環(huán)空中頂端壓力與泥線(xiàn)附近海水液柱壓力相等。鉆鉆井液的密度越大，其在相同的海水段產(chǎn)生的液柱壓力就會(huì)比海水液柱壓力大，如果M系統(tǒng)用較低的排量來(lái)鉆進(jìn)的話(huà)，則井筒循環(huán)壓耗是無(wú)法

68、補(bǔ)足鉆井液與海水兩者液柱壓力之差的，而由此導(dǎo)致的結(jié)果便是鉆柱內(nèi)液柱將會(huì)在自身重力的作用下推著井筒中鉆井液由鉆柱內(nèi)經(jīng)鉆頭流向井眼環(huán)空中，產(chǎn)生U形管效應(yīng)。因此采用M無(wú)隔水管鉆井技術(shù)時(shí)，一定得要泵排量高于這個(gè)臨界排量才行。      結(jié)合深水無(wú)隔水管鉆井液回收鉆井系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了考慮鉆井流體流態(tài)變化的循環(huán)壓耗計(jì)算方法。橫向上看，該循環(huán)壓耗計(jì)算方法將鉆柱內(nèi)和環(huán)空中鉆井液循環(huán)壓耗計(jì)算方法統(tǒng)一起來(lái)，縱向而言，鉆井液3種流態(tài) ( 層流、過(guò)渡流和紊流)下壓耗的計(jì)算形式通過(guò)該計(jì)算方法也得到統(tǒng)一。    

69、0; 4 深水無(wú)隔水管鉆井MRL選型以及參數(shù)優(yōu)化            在深水表層進(jìn)行鉆井作業(yè)有許多的難題，而無(wú)隔水管鉆井液舉升鉆井便是一個(gè)能有效解決這些難題的方案，鉆井液舉升管線(xiàn)作為鉆井液返回平臺(tái)的唯一通道，它的選型和設(shè)計(jì)在很大程度上影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在對(duì)鉆井液返回管線(xiàn)( MRL)壓耗分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析不同規(guī)格的MRL對(duì)鉆井液流速、壓耗等一些性能所產(chǎn)生的影響，可以得出在不同的水深，應(yīng)該應(yīng)用什么規(guī)格的MRL; 在對(duì)不同水深作業(yè)情況下返回管線(xiàn)的選型進(jìn)行了一

70、系列研究后發(fā)現(xiàn)，較淺水層應(yīng)該優(yōu)先選用柔性管線(xiàn)，深水和超深水應(yīng)該優(yōu)先選用鋼制管線(xiàn)的選型。此項(xiàng)研究對(duì)于深水無(wú)隔水管鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也是具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義的。      在深水海域的復(fù)雜條件下，MRL的受力情況是相當(dāng)復(fù)雜的，導(dǎo)致了它的適應(yīng)能力相對(duì)減弱了，其上部承受的壓差較小，但需承受來(lái)自整根管線(xiàn)的重力、內(nèi)含鉆井液的重力以及其他附著零件的重力等許多載荷作用，與此同時(shí)，MRL的下部承受的載荷就相對(duì)較小了，但這樣就導(dǎo)致了管線(xiàn)內(nèi)外壓差變得比較大。同時(shí)，還需承受海流等橫向力的交替作用，對(duì)其的使用壽命也產(chǎn)生了一定的影響。值得注意的是，在無(wú)隔水管

71、鉆井液舉升系統(tǒng)中，MRL一旦失效，其后果是整個(gè)鉆井作業(yè)必將中斷。因此，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行操作來(lái)說(shuō)，MRL的性能和可靠性是相當(dāng)重要的，所以，其選型和設(shè)計(jì)是無(wú)隔水管鉆井液舉升表層鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的一項(xiàng)。      4.1 MRL壓耗分析      鉆井液返回管線(xiàn)的選型和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是管線(xiàn)內(nèi)徑，管線(xiàn)中鉆井液流速和海底舉升泵的功率極大決定了MRL的規(guī)格，而在另一方面，MRL的內(nèi)徑又直接決定了系統(tǒng)的動(dòng)力、功率。在海底井眼返回的含巖屑鉆井液經(jīng)海底泵增壓后返回到平臺(tái)的這一過(guò)程當(dāng)中，所發(fā)生的

72、損耗主要是MRL的壓耗，該壓耗與鉆井液密度、水深、流速、黏度及返回管線(xiàn)的內(nèi)徑有關(guān)。而整個(gè)系統(tǒng)的工作情況也將被MRL傳輸海底井眼返回鉆井液的效率所影響。      根據(jù)范寧方程可知，流體流經(jīng)管線(xiàn)的壓力損耗為:       (4.1)      然后，f= (4.2)      根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，我們可計(jì)算流經(jīng)MRL的雷諾數(shù):  

73、0;   Re=()/m (4.3)      在上面的式子中，prl表示的是流體的壓力損耗，單位為MPa; f為Moody摩擦因數(shù)，層流狀態(tài)時(shí)可由式( 4.2) 來(lái)對(duì)其進(jìn)行確定，其中值由K/d確定，K的含義是管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度,而d為管道得內(nèi)徑值；在紊流狀態(tài)時(shí)，通常將管視為0來(lái)近似計(jì)算;l為管線(xiàn)長(zhǎng)度,在忽略管線(xiàn)變形及漂移等一些因素下，其數(shù)值近似等于水深，m;m為鉆井液密度; 為流體平均流速，m/s; di為管線(xiàn)內(nèi)徑，cm;m為鉆井液動(dòng)力黏度，Pas。    

74、60; 的計(jì)算應(yīng)考慮井眼環(huán)空攜巖性能，即確定攜巖最低環(huán)空返速排量，進(jìn)而確定最小排量，再確定鉆井液流經(jīng)返回管線(xiàn)的 。最低環(huán)空返速通常使用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定:      va=18.24/(ddh) (4.4)      最低環(huán)空返速確定后，可根據(jù)下面的式子來(lái)對(duì)海底舉升泵的最小排量進(jìn)行確定:      Q=( d2hd2p) va/40 （4.5）     

75、; 上式中，va為井眼環(huán)空最低返速，單位為m/s;dh為井眼環(huán)空直徑，cm; dp為鉆桿外徑，cm; Q為滿(mǎn)足攜巖要求的海底舉升泵最小排量，L/s。      根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算MRL內(nèi)含巖屑鉆井液的流速:      = 5195Q/(408d2i) （4.6）      將式(4. 2)式 (4. 6)代入式 ( 4.1)中并整理，我們便可以得到鉆井液舉升管線(xiàn)壓耗計(jì)算公式為:  

76、60;   prl=7.29103m0.8hwvf1.8e0.2/ di1.2 （4.7）      式中，hw為井位水深，m。      4.2 MRL參數(shù)優(yōu)化      MRL 選型的一大關(guān)鍵便是管線(xiàn)內(nèi)徑，通過(guò)對(duì)不同管徑MRL內(nèi)的流速、雷諾數(shù)、摩擦因數(shù)和摩擦阻力進(jìn)行綜合分析比較，從而來(lái)選擇MRL的內(nèi)徑。粘滯阻力和鉆井液的舉升壓力是影響管內(nèi)的壓力損失的主要因素。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的理想流

77、速，可相應(yīng)得到給定直徑管線(xiàn)中流體的流動(dòng)速度。在水深一定的條件下，所需MRL的長(zhǎng)度是近似等于水深的，由此，對(duì)于內(nèi)徑一定的MRL壓力損耗我們便可對(duì)其進(jìn)行計(jì)算了，或者將其作為管路內(nèi)徑的函數(shù)畫(huà)出圖來(lái)。圖8圖11分析了在不同鉆井液流量情況下下，鉆井液流速、雷諾數(shù)、摩擦因數(shù)和摩擦阻力隨MRL內(nèi)徑的變化情況。            圖8 MRL內(nèi)徑對(duì)鉆井液流速的影響          

78、60; 圖9 MRL 內(nèi)徑對(duì)雷諾數(shù)的影響            圖10 MRL 內(nèi)徑對(duì)管線(xiàn)摩擦因數(shù)的影響            圖11 MRL 內(nèi)徑對(duì)返回管線(xiàn)壓力損耗的影響      從圖中我們不難看出，隨著MRL直徑的增大，摩擦阻力變得越來(lái)越小，壓力損失也相對(duì)較小，但是隨著回流管線(xiàn)直徑的

79、增大，其質(zhì)量便增加了，系統(tǒng)所需的功率也隨之增加，所需鉆井液的量顯然也增加，這樣的結(jié)果將是后勤供給將會(huì)有不小的壓力，從而增加鉆井成本。      4.2 MRL選型      在進(jìn)行鉆井作業(yè)過(guò)程中，MRL受到內(nèi)部靜水壓力（相應(yīng)深度的海水）和外部靜水壓力（鉆井液）影響，鉆井液返回管線(xiàn)的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)海水深度和作業(yè)條件來(lái)確定，按照MRL材質(zhì)的不同，鉆井液返回管線(xiàn)主要分為剛性管線(xiàn)和柔性管線(xiàn)二大類(lèi)。      4.2.1剛性管線(xiàn)&

80、#160;     剛性管線(xiàn)通常是使用鋼管分段連接而成的。一方面滿(mǎn)足了海底鉆井液舉升對(duì)其的要求，但另一方面，鋼制管線(xiàn)的質(zhì)量相對(duì)較大，并且會(huì)占用平臺(tái)比較大的空間，需專(zhuān)用下放設(shè)備，剛性管線(xiàn)的下放和回收通常情況下都需要借助鉆機(jī)頂驅(qū)設(shè)備進(jìn)行。該種方案大大占用了鉆機(jī)時(shí)間，增加鉆井成本。      其可選的剛性管線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式大致有如下兩種：       （1）各段管路是通過(guò)機(jī)械接頭連接而成。管路可以使用適當(dāng)直徑的鉆桿來(lái)連接，也可選用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

81、規(guī)格的工業(yè)鋼管。       （2）使用常規(guī)鋼制管線(xiàn)，但是海底作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，因此，其上帶有螺旋側(cè)板結(jié)構(gòu)，以便降低渦流產(chǎn)生的振動(dòng)。      4.1.2柔性管線(xiàn)      高強(qiáng)度柔性MRL擁有許多優(yōu)點(diǎn): 耐高壓、耐高溫、耐低溫、質(zhì)量較小、體積較小、柔性比較好，而且它的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單方便，在安裝時(shí)可借助平臺(tái)現(xiàn)有絞車(chē)適當(dāng)改造完成。      可選的柔性管線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式有以下2種。      （1）分段連接。通常情況下是使用不銹鋼耐壓金屬軟管，即不銹鋼波紋管外覆一層或多層鋼絲或鋼帶網(wǎng)套，兩端以接頭或法蘭進(jìn)行連接。      （2）連續(xù)管。此種方案的優(yōu)勢(shì)在于利于下放，適用的作業(yè)水深可加大，但其劣勢(shì)是必須使用專(zhuān)用的下放設(shè)備，這就導(dǎo)致了平臺(tái)空間的占用相對(duì)較大。