深水无隔水管钻井液回收钻井技术.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 0 9年 4月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHN0LOGY Vo 1 ． 31 No ． 2 Ap r ．2 0 0 9 文章 编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 0 9 0 2 0 0 4 40 4 深水无 隔水管钻 井液 回收钻 井技术 高本金 陈国 明 殷志明 刘书 杰 1 ． 中国石油大学机 电工程 学院， 山东东营2 5 7 0 6 1 ； 2 ． 中海石 油研 究中心 ， 北京1 0 0 0 2 7 摘要为解决深水钻井作业中遇到的复杂问题， 挪威AG R公司进行了无隔水管钻井液返回钻井技术 I R 研究。R MR 技术在钻井中不采用常规海洋隔水管， 而是用海底吸入模块将从井眼环空中返回的岩屑和钻井液分流出来， 在海底泵的作用下 通过一条小直径回流管线由海底返回至钻井平台， 从而实现无隔水管钻井液循环。分析了R MR技术原理， 介绍了海底吸入模 块、 海底举升泵模块、 钻井液返回管线、 控制系统等关键装备， 概述了R MR技术在国外应用现状。对 R MR技术今后发展提出 展 望， 对 国内应用推 广该技 术有一 定指导意 义。 关键词 无隔水管钻井液回收； 深水钻井； 双梯度钻井； 无隔水管钻井 中图分类号T E 2 4 2 文献标识码A De e pwa t e r r i s e r l e s s mud r e c o v e r y d r i l l i n g t e c h no l o g y G A 0 B e n j i n ， C H E N G u 0 m in g ， Y 1N Z h i m in g 2 ， L I U S h u j ie 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c 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， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a ； 2 ． C NO OC R e s e a r c h C e n t e r ， 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 ms 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 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 h a s b e e n d e v e l o p e d b y t h e AGR Co r p i n No r wa y ． As t h e o c e a n ris e r i s e l i m i n a t e d i n t h i s t e c h n i q u e ， c u U i n g s a n d mu d a l e s e p a r a t e d f r o m the we l l b o r e b y t h e s u b s e a s u c t i o n mo d u l e ， an d r e t u r n e d t o t h e d r i l l i n g p l a t f o r m t h r o u g h a s m a l l d i a me t e r h o s e fr o m the s e a b e d b y the s u b s e a p u mp s ． Th e p a p e r s u mma ri z e s t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f RM R t e c h n o l o g y a b r o a d ， an a l y z e s t h e p r i n c i p l e o f RM R t e c hn o l o gy , p r e s e n t s t h e b a s i c e q u i p me n t s o f t h e s y s t e m， i n c l u d i n g s u b s e a s u c t i o n mo d u l e ， s u b s e a p u mp mo d u l e ， mu d r e t u r n l i n e an d c o n t r o l s y s t e m ． S o me s u g g e s t i o n s a b o u t t h e t e c hn o l o g y a r e a l s o p r o p o s e d a t l a s t ， a n d i t c a n b e a r e f e r e n c e f o r the a p p l i c a t i o n an d d i s s e mi n a t i o n o f th e t e c hn o l o gy i n Ch i n a ． Ke y wo r d s r i s e r l e s s mu d r e c o v e ry； d e e p wa t e r d ril l i n g ； d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g ； r i s e r l e s s d r i l l i n g 世界范 围内的多数 陆地 、 浅海油气开发 已进人 中晚期阶段 ， 油气 资源 的开发正逐步转 向深海。深 水环境下钻井作业面l 临着 巨大挑 战由于孔隙压力 与破裂压力余量较小， 必须采用多层套管体系， 可钻 水深和井深极限受多种因素制约。同时大而长的隔 水管系统在恶劣海洋环境下受力十分复杂， 易造成 钻井事故。在石油工业界开展的双梯度钻井技术研 究 中， 挪威 AG R公 司研发的深水无隔水管钻井液 回 收钻井技术 R 剖可有 效解决 由于使用 隔水 管系统引起 的各种问题 ， 缩短建井周期 ， 经济效益显 著， 经过现场试验现已推广工业应用 J ， 并被评为 2 0 0 5 年度海洋技术会议新技术奖 J ， 2 1 世纪世界 石油工业预测分析报告 也将无隔水管钻井技术列 为石油工业 2 l 世纪的一项新技术。 作者简介 高本金， 1 9 8 4 年生。在读硕士研究生， 主要从事深水石油钻井技术与装备、 计算机辅助机械工程方面的研究。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 l l 3 ， E ma i l b e n b e i a y u a n 1 6 3 ．t o m。 高本金等 深水无隔水管钻井液回收钻井技术 4 5 l RMR技术原理及优点 Th e p r i n c i p l e a n d a d v a n t a g e s o f RM R t e c h - n o l o g y 无隔水管钻 井液 回收钻井技术就 是在钻井 过 程 中不采用 常规隔水管 ， 钻杆直接暴露 在海水 中， 依靠安装在海底井 口的吸人模块 实现井 眼和海水 之间的密封 ， 岩屑和钻井液经 一条小直径 回流管线 返 回钻井平 台。在该 系统 中钻井液 由海面泵送 人 钻杆 中， 经钻 杆到达井底 ， 冲击破碎岩 石并携带岩 屑由井 眼环空上返 ， 在环空顶部经海底吸人模块进 人海底举升泵 ， 岩屑和钻井液在海底泵作用下通过 钻井液 回流管线返 回钻井平台 ， 钻井液经海面钻井 液处理系统处理后重新进入钻井液循环系统 ， 如图 1所示 。 图 1 RMR 技 术 钻 井 液 循 环 示 意 图 Fi g ． 1 Di a g r a m o f mu d c i r c u l a t i o n o f R M R t e c h n o l o g y 从实现功能上讲 ， R MR技术属于双梯度钻井技 术范畴 J ， 压力梯度 曲线 如图 2所示 ， 钻井液在海 面钻井液泵的作用下经钻柱抵达井底 ， 并产生压力 损耗 △ 阱 ， 在上返管线 中， 由于海底泵 △ p 的作 用 ， 压力梯度 曲线分为两段 ， 其中从井底到海底为一 段 ， 从海底到钻井平台为另 一段 。通过控制海底泵 系统保证环空顶部压力等于海底静水压力 ， 从而可 以有效控制海底泥面下井眼的环空压力 、 井底压力 ， 更好地匹配地层压力和破裂压力之 间狭小 的间隙 ， 实现安全钻井作业 ， 可解决 目前深水钻井遇到 的诸 多问题。 R MR技术是近 1 0年来双梯度钻井技术研究下 的一项成果 ， 与常规海洋钻井技术相比， 该技术具有 以下优点 。 1 地层破裂压力 和孔 隙压力 间隙区域相对变 宽， 使得井涌、 井漏等问题大大减少， 可减少处理钻 欺 压力 图 2 RMR 技 术 压 力 梯 度 曲线 示 意 图 F i g ． 2 Di a gra m o f p r e s s u r e gr a d i e n t o f R M R t e c h n o l o g y 井复杂事故时间 ， 更好地实现井控 。 2 减少套管层数 ， 不再需要多层套管体系 ， 可以 减少下套管和固井时间， 缩短建井周期 ， 进而减少钻 井平台租赁费用和用工费用 ， 节约建井成本 。 3 摒弃常规 隔水管 ， 钻井平 台不再承受 巨大的 隔水管悬挂载荷 ， 降低了对钻井平台的要求， 使得 第 3代甚 至第 2代 钻井平 台可 以满 足深水钻 井作 业 。 4 可以采用大密度抑制性钻井液 ， 降低浅层水 、 气钻井风险， 更安全地作业 ；同时减少钻井液用量 ， 节约钻井液开支， 减少钻井液池在钻井平台上的 占 用空间。 5 由于不采用隔水管 ， 钻井平 台不再承受 由隔 水管和大体积浮力块在深海海浪 、 海流等复杂载荷 作用下 的交互载荷 ， 减少了对锚泊系统的要求 ， 增加 了锚泊定位的可靠性。 6 可 以在当前海洋钻井技术下延伸深水钻井作 业水深极限， 利用 现有 的技术与装备在更深 的水域 进行钻井作业 。 7 提高钻井系统移动的机动性 ， 由于该系统不 采用 隔水管 ， 紧急撤离时只需将海底设备断开连接 ， 不必考虑因为隔水管底端会触及海底突起地形而引 发事故。 2 RMR系统主要组成装备 M a i n e q u i pme n t s o f RM R s y s t e m R MR钻井系统组成如图 3所示 ， 该系统 由常规 海洋钻井装备和具有特种功能的新型装备组成， 其 钻井液 回收系统装备 主要包括海底吸人模块 、 海底 举升泵模块、 钻井液返回管线、 控制系统、 管缆绞车 以及常规海面装备等。 石油钻采工艺2 0 0 9年 4月 第 3 1 卷 第 2期 海 图 3 R MR 系统组成示意图 Fi g ． 3 Di a g r a m o f RM R s y s t e m 2 ． 1 海底吸入模块 S ub s e a s u c t i o n m o du l e 外形结构如图 4所示。该模块安装在井 口或防 喷器上 ， 其主要功能是扶正下入钻具 、 为钻井液返 回 管线提供接 口以及隔离环空顶部和周围海水环境。 该模块与欠平衡钻井中采用 的旋转控制头装置有诸 多相似之处 ， 在设备改造设计 中可以相互借鉴。该 模块主要分为内部旋转部件 、 外部非旋转壳体 、 密封 胶芯、 旋转轴承总成等， 模块的动静密封性能是实现 钻井系统可靠工作的关键， 而双向密封胶芯和旋转 轴承密封总成可 以很好地满足工作要求。 图 4海底 吸 入 模 块 F i g ． 4 S u b s e a s u c t i o n mo d u l e 2 ． 2 海底泵模块 Su b s e apu mpm od ul e 图 5所示为 2个 串联 的叶轮泵系统。该模块主 要 为上返岩屑和钻井液提供动力 ， 其人 口通过软管 与海底吸入模块相连， 其出口与海面设备相通。举升 泵模块是一个完整的泵系统， 根据不同水深和流量 工作要求， 可以将单泵串联或者并联以满足扬程和 流量需要。该模块主要设备包括若干串联或并联的 叶轮泵 、 水下电机 、 压力流量检测与控制接 口、 钻井液 返 回管线快速接 口、 出人 口阀门及压力传感器等。 图 5海底 泵模 块 Fi g． 5 Su bs e a pu mp mo du l e 2 - 3 钻井液返 回管线 M u d r e t ur nl i ne 主要提供岩屑和钻井液返 回钻井平 台的通道， 同时作为节流和压井管线 、 海底控制 电缆等 的附着 体 。在 R MR钻井系统 中， 为减少前期现场试验成本 选用 了 O1 6 8 ． 2 7 5 mm钻杆作为 回收管线 ， 在现场应 用 中多采用一种软管 ， 既可满足压力需要又具备承 受海浪海流环境载荷的能力。 2 ． 4 平台控制系统和动力供应系统 Pl a t f o r m c o nt r o l s ys t e m a n d po we r s upp l y s ys - t e m 控制系统通过监测 ， 调整水下电机转速来维持 海底 吸入模块环空顶部压力恒定 。平 台上有 2个不 同用途的控制室 ， 一个是人员工作 区兼操作站 ， 另一 个 内置有变速驱动装置 、 变压器 、 过滤器 、 控制系统 等 ， 动力供应系统通过 3 k V变压器提供电力。 2 ． 5 管缆绞车 Ⅵ， i r e l i ne wi nc h 该设备安装在钻井平台甲板外缘 ， 在平台外侧 下人安装海底泵模块等月池无法通过 的设备模块 ， 同时该设备还提供 了平台控制室和海底模块间控制 与动力的连接。 在采用 以上各种关键装备 的同时 ， 需要对钻井 平 台相关装备进行改造 ， 使得在无 隔水管钻井情况 下最大程度利用原有设备 ， 降低研发成本 ， 提高经济 效 益 3 应用现状 Pr e s e n t a p p l i c a t i o n R MR技术是在岩屑运移系统 C T S 技术基础 上发展起来的， 2 0 0 2 年为工程准备阶段， 2 0 0 3 年完 成基础设计并经过现场试验证实 R MR系统在 4 5 0 m水深应用 的可行性。2 0 0 3年在里海 的 We s t A z e r i 油田开始其商业应用 J ， 很好地解决了该区块浅层 水流动问题， 现在 A r i z e 油田的所有海底油井都在使 高本金等 深水无隔水管钻井液回收钻井技术 4 7 用该技术。 2 0 0 6年 R MR首次应用于北海作业 ， 利用 T r a n s o c e a n公司半潜式钻井平台在 1 1 3 m 的水深进行钻 井 ， 利用该技术可以节约钻井操作时间、 减少对海洋 环境的影响， 进而节约成本。同年 ， 在要求钻井液无 排放 ， 钻井时间窗 口很窄的俄罗斯东部 S a h k a l i n半岛 和 B a r e n t 海域等进行应用 ， 依靠该技术缩短 了建 井周期 ， 在无冰期完成了钻井作业 ， 同时达到了环保 要求。 2 0 0 7年 ， AGR公 司 先 后 与 S h e l l 、 Hy d r o 、 C NR I n t e r n a t i o n a l c NR 和 Ne x u s E n e r g y等 公 司签署 合 同， 分别为其在 印度尼西亚 S h e l l S a r wa k 、 挪威 大陆 架区域 、 UKC S和澳大利亚提供 R MR系统装备和技 术服务。2 0 0 6 年底全球共有 8 个 R MR作业单元 在 开展钻井作业 ， 而截至 2 0 0 7年年底作业单元数量已 经达到近 2 0个 ， 并在全球 1 1 个国家拥有办事处 。 2 0 0 8年 1 月 AG R与 BP公 司在埃及 又签署 了 第 1 个关于在 自升式平 台利用 R MR技术的合 同。 从 2 0 0 3年 初 步应 用 到 2 0 0 8年 1 0月 ， R MR系 统钻井技术在里海、 S a k h a l in半岛、 B a r e n t s 海域以及 No r t h S e a等超过 7 4口油井进行应用 ， 该系统工作性 能 良好 ， 节约建井成本 ， 经济效益显著 ， 无 隔水管钻 井液 回收钻井系统技术 已成为 AG R公 司最主要的 海洋钻井业务 ， 为适应深海钻 井作业要求 ， AGR领 导的 J I P在马来西亚水域进行 R MR系统技术 1 5 0 0 I T I 水深试验 ， 目前试验已获得成功 ， 具有广阔的应用 前景。 4 结论与展望 Co n c l u s i o n s a n d pr o s p e c t s 1 在深水钻井环境下 ， R MR钻井技术与传统的 采用隔水管钻井技术相 比具有诸 多优点 ， 可 以解决 诸如地层压力间隙过窄引起的问题 ， 减少套管层数 ， 降低对钻井平 台要求 ， 使得第 3代钻井平 台能够进 行深水钻井作业 。 2 R MR钻井技术可大大缩短建井周期 ， 节约 钻井成本 ， 尤其在具有浅层水 、 浅层气的区域更能保 证钻井作业安全性。 3 R MR钻井技术 目前开展的商业应用市场前 景广阔 ， 随着 1 5 0 0 1 T I 水深试验获得成功及研究工作 的进一步开展 ， R MR在深水油气资源开发 中具有广 阔的应用前景。 参考文献 Re f e r e nc e s l l J S T A V E F AR E S T V E I T H Y L AN D S ， e t a 1 ． De mo n s t r a t i o n a n d q u a l i fi c a t i o n o f a r i s e r l e s s d u a l g r a d i e n t s y s t e m[ RJ ． 0T C 1 76 6 5 ． 2 0 o 5 ． [ 2] J O N G GE UN C h o e ． A n a l y s i s o f r i s e r l e s s d ri l l i n g s y s t e m a n d we l l c o n t r o l[ R]． S P E 5 5 0 5 6 ， 1 9 9 9 ． [ 3] P AU L S c o t t ， MAR A T H ON , S AM L e d b e tt e r , e t a 1 ． P u s h i n g t h e l i mi t s o f r i s e r l e s s d e e p w a t e r d r i l l i n g[ R]． A AD E - 0 6 一 DF． H0 3 0 ． [ 4] A L F O RD S E ， A S KOA ， S T A V E R ， e t a 1 ． R i s e r l e s s mu d r e c o v e r y s y s t e m a n d h i g h p e r f o r ma n c e i n h i b i t i v e fl u i d S U C ces s f u l l y s t a b i l i z e w e s t A z e r i s u r f a c e f o r ma t i o n[ R]． O MC 3 8 ． 2 0 ． [ 5 J B R OWN J D ， T H O R O G OO D J L ， UR V AN TV e t a 1 ． D e p l o y me n t o f a r i s e r l e s s mu d r e c o v e ry s y s t e m o f f s h o r e s a k h a - l i n i s l a n d[ R]． S P E ／ I A DC 1 0 5 2 1 2 ． [ 6 ] AL F O R D S E ， AS KO A， C A MP B E L L M， e t a 1 ． S i l i c a t e b a s e d flu i d ， mu d r e c o v e r y s y s t e m c o mb i n e t o s t a b i l i z e s u r f a c e f o rma ti o n s o f Az e r i w e l l s[ R]． S P E ／ I AD C 9 2 7 6 9 , 2 o 0 5 ． [ 7] 陈国明， 殷志明， 许亮斌， 等 ． 深水双梯度钻井技术研究 进展 [ J ]． 石油勘 探与开发 ， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 4 6 ． 2 5 1 ． C HEN Gu o mi n g ， YI N Zh i mi n g , XU L i a n g b i n , e t a 1 ． Re v i e w o f d e e p wa t e r d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y l J J． P e t r o - l e u r n E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 0 7 ， 3 4 2 2 4 6 - 2 5 1 ． 【 8 j C H O E J ， J UV K AM WOL D H C ． R i s e r l e s s d ri l l i n g con c e p t s ， a p p l i c a ti o n s , a d v a n ta g e s ， d i s a d v a n ta g e s a n d l i mi t a t i o n s[ C] ． CADE／ CADOC Dr i l l i n g Co n f e r e n ce， Ca l g a r y 1 9 9 7 ． 1 9 J S T E V E N S B e l 1 ． R i s e r l e s s d r i l l ing p r o mis i n g f o r d e e p w a t e r d e v e l o p me n ts[ J ] ． Wo r l d O i l ， 1 9 9 7 ， 2 1 8 5 3 3 ． 1 l O J H AN NE GA ND ， S T A V ER ． T h e t i me h a s come t od e v e l o p r i s e r l e s s mu d r ec o v e ry t e c hn o l o gy ’S d e e p wa t e r cap a b i l i t i es [ J ]． D r i l l i n g C o n t r a c t o r , 2 0 0 6 ， 6 2 5 5 O 一 5 4 ． 修改稿收到 日期2 0 0 9 ． 0 1 ． 3 1 [ 编辑景暖 ]