深水双梯度海底举升钻井系统水力参数优化设计.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING dual gradient drilling; SMD drilling; hydraulic parameter; optimization design 基金项目国家科技重大专项“窄密度窗口安全钻井技术与配套装备” （编号2011ZX05021-003） 。 作者简介 赖敏斌， 1990年生。 在读硕士研究生， 主要从事油气井流体力学与控压钻井技术方面的研究工作。 电话15210877917。 E-mail 295009055。 国外在 20 世纪 90 年代大力发展的双梯度钻井 （DGD） 很好的解决了地层压力与破裂压力之间的余 量过小问题［1］。双梯度钻井技术主要有 3 个方案来 实现双梯度， 即海底泵举升钻井液、 无隔水管钻井以 及双密度钻井［2］。本文基于 Conoco 和 Hydril 公司 研发的深水双梯度 SMD（Subsea Mudlift Drlling） 钻 井系统进行水力参数优化设计。 1 SMD 钻井技术 SMD 钻井技术属于海底泵举升钻井液的一种， 69赖敏斌等深水双梯度海底举升钻井系统水力参数优化设计 是目前国外发展较成熟且进入商业应用的双梯度钻 井技术。其结构如图 1 所示， 除了地面设备与常规 钻井一样外， 还有一些特殊设备， 即钻井液阀、 钻柱 阀、 固相装置、 旋转分离器和海底泵 ［3］ 。正常钻进时， 钻井液经过钻柱、 钻柱阀、 钻头流入井眼环空， 再由 环空到位于海底的旋转分流器， 进行固相处理后， 依 靠海底泵和 1.221.83 m 的回流管线将钻井液返至 地面［4］。 图 1 SMD 钻井系统示意图 2 SMD 钻井系统水力学分析 工程上为了计算方便， 在精度允许的范围内对 系统内流动状态进行如下假设（1） 钻井液为宾汉流 体；（2） 钻柱处于与井眼同心位置；（3） 不考虑钻柱旋 转；（4） 井眼为已知直径的圆形井眼；（5） 钻井液是不 可压缩流体；（6） 钻井液在循环系统各部分的流动均 为等温紊流流动［5］。 2.1 SMD 系统静压分析 在 SMD 系统中， 井筒内的压力模型为 p0.00981ρwhw0.00981ρmhf Dps （1） 式中， Dps为安全压力余量， 一般取 0.344 8 MPa。 钻井液在流经海底泵时会出现压力激增的现 象， 海底泵的出口压力是海底处钻井液静水压力和 回流管线压耗的总和， 海底泵入口压力则等于海水 静压力［6］ popinDpr （2） pin0.00981ρwhw （3） 式中， pin、 po分别为海底泵进出口压力， MPa；Dpr为 回流管线内压耗， MPa；pin为海水静压力， MPa。 由黏性流体伯努利方程可得到循环系统内泵压 的传递关系［7-9］ p g h v g gh g v g p g s m w ww mm ρ ρ ρρ 1 2 2 2 22 D （4） 结合工程实际生产情况认为 v1v2， 以泥线为基 点， 式（4） 可简化为 psρmghw ρwghw Dp （5） 式中， ps为海面钻井泵压， MPa；Dp 为系统循环压 耗， MPa；v1为海面钻井泵出口处钻井液速度， m/s； v2为钻井液从环空返回到海底泥线处的速度， m/s。 2.2 SMD 系统循环压耗计算 与常规海上钻井不同， SMD 钻井系统在工作 时， 由2个泵共同提供能量， 即海面钻井泵和海底泵。 海面钻井泵为钻井液在海上平台管汇、 钻柱、 钻头和 环空中的循环提供能量， 而海底钻井泵则为钻井液 在回流管线中的上返提供能量。 假设整个井身内的压力损耗为 Dp， 则有 DpDpgDppDpaDpb （6） 式中， Dp 为井身内总压力损耗， MPa；Dpg为海面 平台管汇压耗， MPa；Dpp为钻柱内压耗， MPa；Dpa 为环空压耗， MPa；Dpb为钻头压降， MPa。 循环系统各部分压耗分别由下式求取。 地面管汇压耗 Dp LL d L d L d gmpv      0 51655 0 80 21 1 4 8 2 1 4 8 3 1 4 8 4 1 4 8 . .. .... ρ d        Q 1 8 . （7） 钻柱内压耗由钻杆压耗、 钻铤压耗及加重钻杆 压耗组成， 如下式 Dp pDppiDpcDphw （8） Dp Q L d pi mpvP pi 0 51655 0 80 21 8 4 8 . ... . ρ （9） Dp Q L d c mpvc ci 0 51655 0 80 21 8 4 8 . ... . ρ （10） （11）Dp Q L d hw mpvhw hi 0 51655 0 80 21 8 4 8 . ... . ρ 环空压耗由钻杆外环空、 钻铤环空以及加重钻 杆外环空压耗组成， 如下式 Dp aDppaDpcaDpha （12） Dp L Q dddd pa mpvp hphp − 0 57503 0 80 2 1 1 8 31 8 . ... . ρ （13） Dp L Q dddd ca mpvc hchc − 0 57503 0 80 21 8 31 8 . ... . ρ （14） Dp L Q dddd ha mpvhw hhwhhw − 0 57503 0 80 21 8 31 8 . ... . ρ （15） 回流管线压耗为 Dp Q L d r mpvre re 0 51655 0 80 21 8 4 8 . ... . ρ （16） 钻头压力降可由下式求得 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期70 Dp Q C A b m 0 05 2 0 2 .ρ 2 （17） 若喷嘴出口面积用喷嘴当量直径表示， 则钻头 压力降计算式为 Dp Q C d b m ne 0 081 2 2 .ρ （18） ddi ne ∑ i z 1 2 （19） 根据上面所求得的各个部分压耗总和即可求得 海面钻井泵的泵压以及泵功率。 3 SMD 钻井系统水力参数优化设计 常规深海钻井由于隔水管环空尺寸大， 理论上 隔水管环空最小排量也比井内环空最小排量大很 多， 而深水井安全密度窗口窄， 施工时很容易引起井 喷， 井涌等事故。而 SMD 钻井系统由于隔水管内 流体不参与循环， 大大缓解了最小排量、 井眼清洗， 安全钻井之间的矛盾。通过选取合理的水力参数优 化标准， 结合最大循环压力以及优选排量， 可以算出 SMD 钻井系统的水力参数。SMD 最大循环压力是 海面泵和海底泵最大泵压之和。 3.1 环空最小排量和最大排量确定 钻井液携带岩屑所需要的最低排量即为最小排 量。换言之， 只要井眼环空中携岩所需的最低返速 确定， 最小排量也随之确定。采用工程上常见的经 验公式［5］ v d a mh 18.24 ρ （20） 则与之对应的环空最小排量为 Qa hpa dd− 40 22 v π （21） 环空最大排量为 Q CP P max r max （22） 3.2 排量优选 钻井泵处于额定泵功率状态时， 泵功率 PsPr。 由钻头水功率的表达式可知， 获得最大钻头水功率 的条件应该是 Q 尽可能小， 但是不能小于最小排量， 此时取 QoptQa。 海底泵处于额定泵压工作状态时（PsPr） ， 此时 钻头水功率为 PPPPQK Q bsLrL 2.8 −− （23） 令 d d P Q b 0 ， 可得 Q P K P amL opt r L r                    2.82.8 1 1.8 1 1.8 （24） d d b L L 2 2 0 8 1 8 5 04 2 8 0 P Q K P K −            . . r . . Qmax 时， QoptQr；当 QminQoptQmax时， QoptQopt；当 Qopt Qmin时， QoptQmin。确定最优排量后， 就可以根据相 应的水力学公式求出最优排量 Qopt下的各种水力学 参数。 4 实例分析 根据国外现场实例深水井［11］对该 SMD 计算模 型进行验证， 具体参数见表 1。 表 1 输入的基本数据 参数数值参数数值 海水密度 /g cm–31.032井眼尺寸 /mm222.25 钻井液密度 /g cm–31.861钻井液循环速率 /L s–128.387 5 塑性黏度 /Pa s0.046高压管线长度 /m451 钻头喷嘴个数 / 个3高压管线内径 /cm11.2 钻头喷嘴直径 /mm11.112 5水龙带长度 /m12 井垂直深度 /m9 144水龙带内径 /cm13 水深 /m3 048回流管线内径 /mm152.4 钻铤长度 /m91.44立管内径 /cm13 钻杆外径和内径 /mm127108.6方钻杆长度 /m18 钻铤外径和内径 /mm177.876.2方钻杆内径 /cm12 加重钻杆外径和内径 /mm139.776.2加重钻杆长度 /m182.88 结合 SMD 钻井水力分析模型得到最优排量为 Qopt29.38 L/s， 最终计算结果见表 2。 由表 2 可知计算得到的环空压耗、 钻头压耗、 钻 柱内压耗和现场数据的偏差均小于 5， 而计算的井 底压力与现场数据的吻合度更是高达 98.09， 足以 看出 SMD 钻井水力学模型以及参数优化的准确性。 71赖敏斌等深水双梯度海底举升钻井系统水力参数优化设计 全部水力参数优化结果见表 3。 表 2 计算结果与现场数据对比 参数现场数据 程序优化 计算结果 误差范围 / 环空压耗 /MPa3.1723.287 133.875 56 钻头压耗 /MPa9.79310.020 744.184 01 钻柱内压耗 /MPa23.37924.491 854.763 15 平台管汇压耗 /MPa0.902 79 井底压力 /MPa145.209142.4341.911 89 表 3 水力优化结果 参数数值参数数值 井段 /m 06 096 （水深 3 048 m） 最优射流 速度 /m s–1 93.39 最优排量 / L s–1 29.38 最优射流 冲击力 /kN 5.74 泵压 /MPa15.6 最优喷嘴 直径 /mm 12.25 最优钻头 压降 /MPa 10.02 钻井泵水功率 利用率 / 72.45 最优钻头 水功率 /kW 294.39 海底泵出口 压力 /MPa 55.65 由表 3 数据可知， 海面钻井泵压为 15.6 MPa， 故 系统总循环压力为 71.25 MPa（加上海底泵泵压） 。 而常规海上钻井由于隔水管环空尺寸大且仅由海面 泵提供能量， 海面钻井泵压将大为超过 SMD 系统总 循环压力。因此， 采用 SMD 钻井能大大的减小海面 钻井泵压来降低海上钻井设备的性能要求， 升级第 二代、 第三代钻井船便可用于超深水钻井。国外实 施数据表明， 条件相同的情况下， SMD 钻井可以提 供相当于常规海上深水钻井约两倍的水力功率。 5 结论 （1） 通过分析 SMD 钻井工艺技术原理， 结合钻 井水力学分析， 建立 SMD 钻井系统的水力参数计算 模型；并以最大钻头水功率为指标进行水力参数优 化设计， 用 Visual Basic6.0 编写了 SMD 钻井系统的 水力参数优化设计软件。 （2） 采用国外已发表文献中的实钻数据对本文提 出的 SMD 系统水力参数模型进行验证， 计算结果表 明， SMD 水力计算模型计算的各管汇压耗与现场数 据的误差均在 5 以内， 其中井底压力与现场数据 的吻合度更是高达 98.09， 由此可见该 SMD 水力 参数模型具有较高的计算精度。 （3） 与常规海上深水钻井相比， SMD 系统可大大 减小海面钻井泵压， 降低海上钻井设备的性能要求， 同时可升级已有钻井设备的使用水深来节省国家资 源， 对于指导和改进我国深水钻井系统具有重要意义。 符号说明 C 为钻井泵泵效；d1、 d2、d3、 d4分别为高压管线、 立 管、 水龙带、 方钻杆的内径， cm；dc为钻铤外径， cm； dci为钻铤内径， cm；dh为井眼直径， cm；dhi为加重 钻杆内径；dhw为加重钻杆外径， cm；di为喷嘴直径 （i1， 2， ， Z） ， cm；dp为钻杆外径， cm；dpi为钻杆内 径， cm；dre为回流管线内径， cm；dne为喷嘴当量直 径， cm；hf为海底泥线到井筒的深度， m；KL为系统 循环压耗系数；hw为海水深度， m；L 为钻铤长度， m；L1、 L2、 L3、 L4分别为高压管线、 立管、 水龙带、 方 钻杆长度， m；Lhw为加重钻杆长度， m；Lp为钻杆长 度， m；Lp1为海底泥线到井底钻柱的长度， m；Lre为 回流管线长度， m；Pb为钻头水功率， kW；PL为循 环系统摩擦损失功率， kW；Pr为额定泵功率， kW； pr为额定泵压， MPa；Ps为海水钻井泵功率， kW；Q 为排量， L/s；Qa为携岩最低排量， L/s；Qmax为最大 排量， L/s；va为钻井液最低循环返速， m/s；Z 为喷 嘴个数；ρm为钻井液密度， g/cm3；ρw为海水密度， g/cm3；μpv为钻井液塑性黏度， Pa s。 参考文献 ［1］ GADDY E D. 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