（机械工程专业论文）海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发.pdf

卜 ， 付 j r 7 p r o t o t y p e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h es u b s e am u ds u c t i o nm o d u l e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x u nq u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e ng u o - m i n g p r o f e s s o rz h a n g y a n t i n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) l i i ii ii lli i l lil l li iiil y 18 7 6 9 3 6 一l 厂二二 卜 独创陛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 多彳年一日期： 少，年月 日 学位论文使用授权书 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：少，年 乡 月 多 日 日期：如，1 年，月厂 f 1 卜 事 0 海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发 摘要 国外2 0 世纪6 0 年代研究的双梯度钻井( d g d ) 技术，在理论上可以解决传统海洋钻 井技术在深水中遇到的技术难题。但在诸多双梯度实现方法和系统中，仅有挪威a g r 公司研究的无隔水管泥浆回收( i w r ) 系统得到广泛的工业应用，获得显著的经济和环境 效益。本文主要结合国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发子课题海底泥浆举 升钻井技术研究( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 0 0 1 1 2 ) ，开展海底泥浆举升钻井技术及海底泥浆吸入模 块样机研究与开发等方面的研究。主要研究内容如下所示： 1 海底泥浆吸入模块样机结构设计 结合我国深水钻井作业环境特点，根据海底泥浆举升钻井技术特点，制定海底泥浆 吸入模块设计参数和技术要求，确定适用于我国深水钻井的海底泥浆吸入模块设计方 案，设计样机结构，绘制5 0 0 m 和1 5 0 0 m 水深吸入模块原理样机技术图纸。 2 海底泥浆吸入模块样机关键技术研究 根据我国深水钻井作业环境和海底泥浆举升钻井技术要求，解决海底泥浆吸入模块 关键技术难题，主要包括吸入模块密封胶芯方案设计、旋转动密封及其冷却系统设计、 旋转动密封旋转轴耦合面处理工艺研究、吸入模块钻井液压力及液位控制系统研究、泄 流装置和内部旋转总成锁紧结构设计，为实现海底泥浆吸入模块的国产化设计与应用提 供技术支持。 3 海底泥浆吸入模块数字样机开发与仿真研究 利用高级三维c a d c a m 工程软件p r o e ，开发泥浆吸入模块数字样机，进行 样机虚拟装配，保证泥浆吸入模块样机的正常装配。根据海底泥浆吸入模块设计结果， 利用a b a q u s 有限元软件，开展吸入模块样机仿真研究，包括使用非线性有限元方法 验证密封胶芯在无隔水管泥浆回收钻井中的可行性，分析胶芯设计参数对胶芯密封性能 及其寿命的影响，为胶芯优化设计和延寿提供技术支撑；进行海底泥浆吸入模块主要零 部件有限元分析，优化样机设计。为海底泥浆举升钻井技术及其关键设备的国产化设计 与应用提供技术支撑。 4 海底泥浆吸入模块样机加工与试验研究 根据海底泥浆吸入模块设计结果，绘制吸入模块样机加工技术图纸，加工吸入模块 原理样机。根据海底泥浆举升钻井技术特点，制定海底泥浆吸入模块室内试验方案，测 p 户 试海底泥浆吸入模块样机性能，根据试验结果优化样机设计，改善设计参数，为海底泥 浆吸入模块工业样机设计和制造提供依据。 关键词：无隔水管泥浆回收钻井，海底泥浆吸入模块，结构设计，样机加工，试验研究 p r o t o t y p er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es u b s e a m u ds u c t i o nm o d u l e a b s t r a c t i nt h e o r y , t h ed u a l g r a d i e n td r i l l i n g ( d g d ) t e c h n o l o g yc a ns o l v et h ep r o b l e m sa s s o c i a t e d w i t hd e e p w a t e rd r i l l i n g i th a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da ta b r o a di n19 6 0 s a m o n ga l l t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，o n l yr i s e r l e s sm u dr e c o v e r y ( r m r ) s y s t e mo b t a i n saw i d er a n g e o fc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n sa ta b r o a d ，a n da c c e s st os i g n i f i c a n te c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ho nt h es u b s e am u ds u c t i o nm o d u l eo fr m r ，w h i c hi s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f “r e s e a r c ho ns u b s e am u d - l i f td r i l l i n gt e c h n o l o g y ( 2 0 0 8 z x 0 5 2 6 0 0 1 - 1 2 ) ”s p o n s o r e db yn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ym a j o rs p e c i a lp r o j e c t b a s e do n d r i l l i n ge n g i n e e r i n g ，m e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n do c e a ne n g i n e e r i n gt h e o r y , s u b s e am u d 1 i f t d r i l l i n gt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h es u b s e am u ds u c t i o n m o d u l ew a ss t u d i e d t h em a i nw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 p r o t o t y p ed e s i g nf o rm u ds u c t i o nm o d u l e b a s e do nt h e s t u d yo ft h ed e e p w a t e rd r i l l i n g i n c h i n a a c c o r d i n gt ot e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i co fs u b s e am u ds u c t i o nm o d u l e ，w o r k i n go u ti t sd e s i g np a r a m e t e r s ，t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s ，a n dd e s i g np r o p o s a lw h i c ha p p l yt od e e p w a t e rd r i l l i n gi nc h i n a r e s e a r c ho n t h es t r u c t u r a ld e s i g no fe q u i p m e n tp r o t o t y p ea n dd r a w p r o t o t y p et e c h n i c a ld r a w i n g so fs u c t i o n m o d u l ei n5 0 0 ma n d15 0 0 mw a t e r d e p t h 2 r e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e so fm u ds u c t i o nm o d u l e a c c o r d i n gt od e e p w a t e rd r i l l i n go p e r a t i o ne n v i r o n m e n ti nc h i n aa n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fs u b s e am u d l i f td r i l l i n gt e c h n o l o g y , k e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fs u b s e am u d s u c t i o nm o d u l ew a ss o l v e d ，w h i c hi n c l u d i n gs c h e m ed e s i g nf o rr u b b e r , s t r u c t u r ed e s i g nf o r r o t a t i n gd y n a m i cs e a la n di t sc o o l i n gs y s t e m ，t r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rc o u p l i n gs u r f a c ei n r o t a t i n ga x i s ，c o n t r o ls y s t e mf o rd r i l l i n gf l u i dp r e s s u r ea n dl e v e li nm u ds u c t i o nm o d u l e d i s c h a r g ed e v i c ea n dl o c k i n gm e c h a n i s mf o ri n n e rr o t a t i n ga s s e m b l y i tc o u l dp r o v i d e t e c l i c a ls u p p o r tf o rr e a l i z es u b s e am u ds u c t i o nm o d u l ep r o t o t y p ei nc h i n a 3 d i g i t a lp r o t o t y p ed e v e l o p m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho fm u ds u c t i o nm o d u l e b yu s i n ga d v a n c e dc a d c a me n g i n e e r i n gs o f t w a r e - - - p r o e ，d i g i t a lp r o t o t y p eo fm u d s u c t i o nm o d u l e w a sd e v e l o p m e n t e d ，i no r d e rt om e e te n s u r en o r m a la s s e m b l yf o rm u ds u c t i o n m o d u l ep r o t o t y p e ，v i r t u a lp r o t o t y p ew a sa s s e m b l e da n dc o r e e c t e d b a s e do nt h ed e s i g nr e s u l t o fm u ds u c t i o nm o d u l ep r o t o t y p e ，s i m u l a t i o nr e s e a r c hb yu s eo fa b a q u sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ew a sc o n d u c t e d b a s e do nt h et h e o r yo fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e f e a s i b i l i t yo fs e a lr u b b e ri nr i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n gs y s t e mw a sv e r i f i e d r u b b e rd e s i g n p a r a m e t e r s i n f l u e n c eo nt h es e a l i n gp e r f o r m a n c ea n dl i f ew a sr e s e a r c h e d f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fm a i nc o m p o n e n t so fm u ds u c t i o nm o d u l ew a sc o n d u c t e d ，a n dp r o t o t y p ew a s o p t i m i z e d i tp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t sf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no fs u b s e am u d l i f td r i l l i n g s y s t e ma n di t sk e ye q u i p m e n t s 4 d e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fm u d s u c t i o nm o d u l e a c c o r d i n gt of i n a ld e s i g nr e s u l t so ft h es u b s e am u d s u c t i o nm o d u l e ，m u ds u c t i o nm o d u l e p r o t o t y p ep r o c e s s i n gt e c h n i c a ld r a w i n g sw a sd r a w e d ，m u ds u c t i o nm o d u l ep r o t o t y p ew a s m a n u f a c t u r e d b a s e do nt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr i s e r l e s sm u dr e c o v e r yd r i l l i n gs y s t e m ， l a b o r a t o r ye x p e r i m e n tp l a nw a sf o r m u l a t e d w o r k i n gp e r f o r m a n c eo fm u ds u c t i o nm o d u l e p r o t o t y p ew a st e s t e d ，a n ds t r u c t u r a ld e s i g na n dd e s i g np a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d i tc o u l d p r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r ta n dd e s i g nb a s i s k e yw o r d s ：r i s e r l e s sm u dr e c o v e r ys y s t e m ，s u b s e am u ds u c t i o nm o d u l e ，s t r u c t u r a ld e s i g n ， p r o t o t y p em a c h i n i n g ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题的研究目标、研究内容及技术路线8 第2 章海底泥浆吸入模块样机结构设计l o 2 1 吸入模块原理及功能分析1 0 2 2 泥浆吸入模块设计参数1 0 2 3 泥浆吸入模块设计方案研究1 1 2 4 泥浆吸入模块样机零部件设计1 1 2 5 本章小结2 6 第3 章海底泥浆吸入模块样机关键技术研究2 7 3 1 密封胶芯技术研究2 7 3 2 吸入模块密封系统技术研究2 9 3 3 钻井液液位控制技术研究3 2 3 4 泄流技术研究3 2 3 5 内部旋转总成液压锁紧技术研究3 3 3 6 本章小结3 5 第4 章海底泥浆吸入模块数字样机开发与仿真研究3 6 4 1 海底泥浆吸入模块数字样机开发3 6 4 2 第三代5 0 0 m 水深海底泥浆吸入模块数字样机仿真4 2 4 3 本章小结4 8 第5 章海底泥浆吸入模块样机密封系统性能分析4 9 5 1 密封胶芯有限元分析4 9 5 2 静密封件性能分析5 8 5 3 旋转动密封件热分析。5 9 5 4 本章小结5 9 v 第6 章海底泥浆吸入模块样机加工与试验研究6 2 6 1 泥浆吸入模块样机加工6 2 6 2 泥浆吸入模块样机室内试验6 5 6 4 海底泥浆吸入模块室内系统试验7 l 6 3 本章小结7 2 第7 章结论与展望7 3 7 1 主要研究结论7 3 7 2 主要创新点7 3 7 3 展望7 4 参考文献7 5 攻读硕士期间取得的学术成果。7 9 参加课题情况7 9 申请专利7 9 发表论文7 9 致谢。8 0 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 9 7 5 年，s h e l l 公司在密西西比峡谷水深约3 1 3 m 处发现c o g n a c 油田，揭开了墨西 哥湾深水油气勘探的序幕【l 】。近年来，随着世界能源需求的增加以及陆上和浅海区域油 气勘探难度的增大，深水逐渐成为油气勘探的热点区域。据h i s 统计【2 1 ，2 0 0 0 年以来全 球新发现的油气中，大约7 0 来自海上，其中深水区域占到5 0 左右，充分说明深水 区域已经成为全球油气储量接替的主战场。相关数据显示，在2 0 0 2 2 0 0 6 年期间，全球 共发现油气田1 7 0 个，其中深水区域占到6 4 1 左右。目前全球深水区域日产油气3 5 0 万桶，油气产量占全球油气总产量的1 0 ，并且随着近年来深水油气田数量的不断增加， 这个比例也逐年增加。相关预测1 3 】显示全球深水区域石油潜在储量可能会远远超过 1 0 0 0 x 1 0 8 桶，并且到2 0 1 5 年世界海洋石油产量的2 5 将来自深水区域。 南中国海油气资源富集，而且南部边缘油气储量要比北部丰富4 。8 】。但与陆地钻井 和浅水钻井相比，深水钻井存在较多技术难趔9 。3 1 ：深水环境恶劣，增加钻井设备成本： 地层破裂和孔隙压力窗口狭窄，需要设置更多套管维持井眼稳定；海底新生代沉积地层 松软容易发生井眼坍塌，导致卡钻；传统钻井技术钻井液用量增大，增加钻井液成本； 存在浅层气与气体水合物，易造成严重的钻井事故，特别是深水海底温度过低，天然气 水合物存在的可能性增大。 国外2 0 世纪6 0 年代开始研究的双梯度钻井( d g d ) 技术具有诸多技术优点，可以解 决上述深水钻井难题【1 4 17 1 ，目前已成功开发多种双梯度钻井实现方法，如图1 1 所示【1 8 】。 但目前只有挪威a g r 公司的无隔水管泥浆回收( r m r ) 系统实现了工业应用，获得显著 的经济和环境效益。 双 梯 度 钻 井 s m d 海底泥浆举升系统 海底泥浆举升钻井h 卜id e e p v i s i o n 海底泵系统 s s p s 海底泵系统 无隔水管钻井卜1a g r 海底r m r 系, 统 h 竺竺! 坚尘登坚堡壁墨竺 l s u 隔水管稀释系统 图1 1双梯度钻井实现方法 f i g l l m e t h o d so fd u a lg r a d i e n td r i l l i n g 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发 与传统隔水管钻井技术相比较，无隔水管泥浆回收( r m r ) 技术具有延长表层套管下 入深度、减少套管数量、减缓浅层风险、减少钻井液及固井水泥浆体积、促进钻井船升 级改造、降低钻井时间及相关成本等优点，在解决深水钻井问题的同时保护海洋环境。 目前已经在里海、s a k h a l i n 半岛、b a r e n t s 海域以及n o r t hs e a 等区域进行应用，获得良 好的经济和环境效益 1 9 - 2 8 1 。相关应用实践表明，r m r 技术是解决深水区域钻井难题的 “完美技术”，具有良好的工业应用前景。 海底泥浆吸入模块 2 9 - 3 1 1 是无隔水管泥浆回收钻井技术的关键设备之一，主要功能是 隔离井眼钻井液和外部海水，提供泥浆返回管线快速接头和钻井液液位控制系统电缆接 头。正常钻井作业时，井眼环空中返回的钻井液通过海底泥浆软管由泥浆吸入模块进入 泥浆举升泵，然后由海底泥浆举升泵通过小直径管线将其举升到海面泥浆处理系统，循 环利用。为加快我国深水油气钻采速度，本着“引进、消化、吸收、创新、应用 的原 删，设计r m r 技术海底泥浆吸入模块，开发设计出适合我国深水钻井作业要求的关键 技术和核心设备，从而为我国深水钻井提供设备和技术支撑。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无隔水管钻井技术 国外2 0 世纪6 0 年代开始研究无隔水管钻井技术，1 9 6 9 年申请了第一个无隔水管钻 井技术专3 1 。3 2 1 。尽管无隔水管钻井技术在深水钻井中具有许多潜在优点，但由于当时 海洋钻井主要集中在浅水，而且没有解决无隔水管钻井技术系统配置、关键设备、井控 程序等技术难题，因此没有立即得到应用。 2 0 01 年，挪威a g r 公司在其钻屑输送系统( c t s ) 【3 3 。4 1 基础上成功研制无隔水管泥 浆回收钻井技术，2 0 0 3 年在里海首次进行商业应用。目前，r m r 系统已经从最初的浅 水r m r 系统发展到深水、超深水r m r 系统p 5 1 。同时，a g r 公司与其工业项目组基于 无隔水管泥浆回收钻井系统成功研制控制泥浆压力( c m p ) 钻井系统【3 6 。7 1 ，与r m r 系统 衔接，形成一套完整的深水钻井系统。 1 2 1 1 浅水r m r 系统 无隔水管泥浆回收钻井技术最初仅仅用于浅水油气开采，主要用来解决复杂海底条 件和浅层风险等钻井难题，保证表层井眼的顺利钻探【2 6 , 3 8 】。与传统海洋钻井技术相比较， r m r 系统的特点是不使用隔水管钻探表层井眼，钻杆直接暴漏在海水中，使用小直径 管线代替大直径海洋隔水管连接海底井口和海面钻井船，作为钻井液返回到海面钻井船 的通道。井眼返回钻井液由安装在海底井口头的泥浆吸入模块进入海底泥浆举升泵，继 2 第一章绪论 而通过小直径管线被泵送回海面钻井船，经海面泥浆处理装置处理后循环使用。浅水 r m r 钻井系统如图1 2 所示。 钻 海底 吸入 图1 - 2 浅水r m r 系统 面泥浆 理装置 浆返 管线 钻 底泥浆 升泵 f i g l - 2 s h a l l o ww a t e rr m r s y s t e m 1 2 1 2 深水r m r 系统 吸入 图1 - 3 深水r m r 系统 f i g l - 3d e e p w a t e rr m rs y s t e m r m r 系统不使用隔水管以及隔水管相关设备，在理论上不受水深限制，可以在任 意水深钻井。但由于受到海底泥浆举升泵功率和泥浆返回管线强度等因素的影响，浅水 r m r 系统最大钻井水深被限制在5 4 9 m 左右，在更大水深中钻井则存在困难。为此， a g r 公司与s h e l l ，b pa m e r i c a ，d e m 0 2 0 0 0 等组成工业项目组研究深水r m r 系统， 并于2 0 0 8 年9 月在南中国海( 马来西亚) 水深1 4 1 9 m 海域成功进行现场试验【2 2 】，证明了 其在深水钻井中的可行性以及在南中国海钻井的优点，例如安全钻探浅层风险地层、克 服泥浆录井限制、延伸表层套管设置深度等。 深水r m r 系统如图1 3 所示。在原理上，深水r m r 系统和浅水r m r 系统基本一 致，只是在浅水r m r 系统基础上改进海底泥浆举升泵( 组) ，改善海底泥浆返回管线系 统。例如采用两台串联海底泥浆举升泵组举升泥浆；泥浆返回管线选用7 5 8 英寸套管， 同时设计泥浆返回管线抗涡激振动机构，增强其抗疲劳性能，满足深水无隔水管泥浆回 收钻井要求；设计泥浆返回管线海底锚定装置，实现返回管线及其附带设备定位。 1 2 1 3 超深水r m r 系统 目前，传统隔水管钻井技术可以在3 0 4 8 m 水深钻井，但要在更大水深中钻探深井， 则存在技术难题。为实现3 6 5 7 m 水深处的超深水钻井，i o d p 项目组和a g r ，d e e p s t a r 等多家石油公司组成联合项目组进行r m r 技术超深水钻井可行性研究，包括改造a g r 公司深水r m r 系统进行水深3 6 5 7 m 钻井的可行性研究和在i o d p 项目组j o i d e s 3 中国石油大学( 华东) 硕卜学位论文：海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发 r e s o l u t i o n 或其它钻井船上布置r m r 系统的可行性研究；解决井场选择及钻井规划、 钻井船改造、海底泥浆举升泵系统优化、钻井仿真、防止环境污染等r m r 技术超深水 钻井难题。目前已经形成水深大于3 6 5 7 m 的超深水r m r 系统方案【3 9 。4 0 1 ，制订了超深水 r m r 技术研究规划。超深水r m r 系统方案如图1 4 所示，超深水r m r 技术研究规划 见表1 1 。 表l - 4 超深水r m r 系统 表1 5c m p 钻井系统 f i g l - 4u l t r a - d e e p w a t e rr m rs y s t e m f i g l - 5 c m p d r i l l i n gs y s t e m 表1 - 1i o d p 超深水r m r 技术研究规划 t a b l - 1 u l t r a - - d e e p w a t e rr m rs y s t e mr e s e a r c hp l a no fi o d p 底泵 1 2 1 4 控制泥浆压力( c m p ) 钻井系统 目前，r m r 系统仅仅用于表层井眼钻探，在一定程度上限制了r m r 技术的推广和 应用。为此，a g r 公司与s t a t o i l ，b g ，b p ，d e m 0 2 0 0 0 等组成工业联合项目组在r m r 系统基础上成功研究一种双梯度钻井新方法控制泥浆压力( c m p ) 钻井系统【3 7 , 4 1 - 4 2 1 。 c m p 系统利用r m r 系统海底泵技术，不再使用海底泥浆吸入模块( 其它设备则与r m r 系统相同) ，可以在r m r 系统完成表层井眼钻探后与传统海底防喷器组和隔水管系统组 合钻探剩余井眼段。c m p 钻井系统如图1 5 所示。钻井作业时，隔水管内充满轻质液体， 如海水，井眼内注入较重钻井液，使用海底泵将井眼返回钻井液从海底泵送回海面，通 过调节隔水管内的钻井液液位，维持井底压力恒定，同时具有双梯度和控压钻井技术特 点。与r m r 系统相比，c m p 系统不存在旋转密封装置，可以更加方便地进行起下钻和 4 第一章绪论 下套管作业，具有延伸套管下入深度，提高钻井速度，改善井眼稳定性，减轻地层破坏， 改善井控等优点，可以在5 0 0 m 水深或更大水深中钻井。 1 2 1 5i 蝴r 技术应用现状 2 0 0 3 年，b p 公司首先使用r m r 技术在里海a z e r i 油田成功钻探1 5 口油井，开始 r m r 技术的商业应用。目前，r m r 技术已经在世界范围内钻探1 0 0 多口油井，成功解 决了传统隔水管钻井技术遇到的难题，获得良好的经济和环境效益 2 2 - 2 8 】。钻井水深从 4 7 m 到1 4 1 9 m ；钻井船( 平台) 包括半潜式钻井船、自升式平台和超深水钻井船；服务对 象包括b p ，s h e l l ，c n ri n t e m a t i o n a l ( u k ) ，s t a t o i l ，t o t a le & pu kp l c ，p e t r o n a s 等 油气公司；钻井区域广泛分布在里海、北海、俄罗斯东部s a k h a l i n 岛海域、埃及地中海、 澳大利亚北部海域、墨西哥湾、南中国海等地。r m r 技术钻井记录见表1 2 。 表1 - 2r m r 技术钻井记录 t a b l e l 一2r m r t e c h n o l o g yd r i l l i n gr e c o r d 1 2 2 海底泥浆吸入模块技术 海底泥浆吸入模块是r m r 系统的关键设备之一，无隔水管泥浆回收钻井技术作业 时，海底泥浆吸入模块与海底低压井口头或海底基盘连接，其低端侧面出口通过海底泥 浆输送管线与海底泥浆举升泵入口连接。从r m r 技术研制成功至今，海底泥浆吸入模 块获得较快的发展和应用，已经由第一代发展到第二代泥浆吸入模块，同时提出第三代 海底泥浆吸入模块设计方案以更好地满足r m r 技术钻井需要。图1 - 6 ( a ) 平l 图1 - 6 ( b ) 分别 是第一代吸入模块和第二代吸入模块。其中，第一代海底泥浆吸入模块在结构和体积上 比较庞大，主要是为了获得足够的时间以调节和控制泥浆吸入模块内的钻井液液位。第 二代海底泥浆吸入模块设计专用的钻井液压力和液位控制系统，利用该系统监测泥浆吸 入模块内钻井液压力和同一水平面处海水静压力之差，海底泥浆举升泵变频装置通过该 气 r 中国石油大学( 华东) 硕 学位论文：海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发 压力差信号调节泥浆举升泵转速，控制吸入模块内钻井液液位。 ( a ) 第一代海底泥浆吸入模块 ( b ) 第二代海底泥浆吸入模块 图1 - 6 海底泥浆吸入模块 f i g l 一6 s u b s e am u ds u c t i o nm o d u l e 此外，a g r 公司为改善其r m r 技术特性，增强该技术在深水及超深水中的可操作 性，与威德福公司合作提出了一种新型海底泥浆吸入装置设计方案，如图1 - 7 4 3 】所示。 该类海底泥浆吸入模块在原有海底泥浆吸入模块的基础上合并进欠平衡钻井中使用的 旋转防喷器( m s o p ) ，实现对井眼的密封。利用该海底泥浆吸入模块可以对井眼环空进行 回压操作，控制海底井眼环空压力，使得无隔水管泥浆回收钻井技术延伸到控压钻井技 术领域，有利于减缓浅层作业风险。 图1 7 第三代海底泥浆吸入模块图1 8 海底旋转控制头 f i g l - 7t h i r d - g e n e r a t i o ns u b s e am u d s u c t i o nm o d u l e f i g l 一8 s u b s e ar o t a r yc o n t r o ld e v i c e 6 第一章绪论 文献【删显示c h e v r o n ，a g rs u b s e a ，p a c i f i cd r i l l i n g ，g eo i la n dg a s 以及其它公司 计划2 0 11 年4 月下旬在墨西哥湾进行d g d 技术的第一次商业应用。该系统的关键设备 之一海底旋转控制设备( s r d ) 与海底泥浆吸入模块类似，如图1 8 所示。s r d 安装 在d g d 技术海底设备的最上端，距海底泥浆举升泵约1 8 3 m 。其主要功能是隔离隔水 管内部的轻质液体和井眼内的大密度钻井液，确保气体不会进入隔水管内部，同时为海 底泥浆举升泵提供补偿压力。s r d 隔水管接头压力等级与隔水管相同，其密封件静密封 压力为1 4 m p a ，动密封压力为7 m p a 。 2 0 0 1 年，c h a r l e se p e l e r m a n 和k e n n e t hl p e l a t a 等人1 4 5 】针对海底泥浆举升钻井需要 设计了两种不同类型的海底分离器，即不旋转海底分离器( n o n r o t a t i n gs u b s e ad i v e r t e r ) 和旋转海底分离器( s u b s e ar o t a t i n gd i v e r t e r ) ，如图1 - 9 、l 一1 0 所示，两者的最大区别在 于是否具有随钻柱旋转而相对于外壳旋转的内筒。其中，不旋转海底分离器的主要部件 是外壳体、密封件以及锁紧装置：而旋转海底分离器则是在前者的基础上设计旋转轴承 系统，使得密封胶芯可以随钻杆旋转，降低胶芯磨损，延长其寿命，提高海底分离器的 可靠性。 密封 密封胶芯 图1 - 9 不旋转海底分离器图1 1 0 旋转海底分离器 f i g l 9 c r o s ss e c t i o no ft h eu n r o t a t es r d f i g l - 1 0 c r o s ss e c t i o no ft h es l i d 图1 1 1 为p e t e rs t e w a r tm a r t i n m a r s h a l l 于2 0 0 7 年设计的海底分离器【46 | ，尽管结构 较为简单，从原理上也可以满足双梯度钻井技术隔离钻井液和海水的需要，但并不是专 门为双梯度钻井技术而设计的，更为严重的是该分离器的胶芯密封系统较为简单，实际 应用中不能满足双梯度钻井的需要。在高压作用下，分离器中的钻井液可能突破密封胶 芯进入轴承装置破坏轴承工作，继而进入隔水管，导致双梯度钻井作业失败。 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：海底泥浆举升钻井系统吸入模块样机研究与开发 弋 名蕊 霪霾 图1 - 1 1p e t e rs t e w a r tm a r t i n m a r s h a l l 设计的分离器示意图 f i g 1 - 1 1d i a g r a mo fs r dd e s i g n e db yp e t e rs t e w a r tm a r t i n m a r s h a l l 1 3 课题的研究目标、研究内容及技术路线 1 3 1 研究目标 结合国家科技重大专项子课题一一海底泥浆举升钻井技术研究( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 0 0 1 1 2 ) ，开展海底泥浆举升钻井系统吸入模块设计及性能分析研究。研究r m r 技术， 分析泥浆吸入模块工作原理及其功能特性。以我国南海5 0 0 1 5 0 0 m 水深钻井作业为研究 目标，分析海底泥浆吸入模块在我国南海深水钻井作业载荷，确定吸入模块设计参数。 综合利用理论分析、试验研究和数值模拟等方法进行海底泥浆吸入模块结构设计，解决 海底泥浆吸入模块关键技术难题，设计海底泥浆吸入模块原理样机技术图纸，加工吸入 模块原理样机，开展海底泥浆吸入模块原理样机试验研究。为海底泥浆吸入模块工业样 机的设计和无隔水管泥浆回收钻井技术的国产化应用提供技术参考。 1 3 2 研究内容 依据课题研究目标，进行海底泥浆举升钻井系统泥浆吸入模块设计及性能分析研 究，主要包括以下内容： ( 1 ) 分析r m r 双梯度钻井技术和海底泥浆吸入模块功能及原理特点，根据我国深 水钻井作业环境，确定海底泥浆吸入模块设计方案，制定泥浆吸入模块设计参数。 ( 2 ) 参考海洋钻井及其它相关标准，开展海底泥浆吸入模块结构设计和计算，解决 泥浆吸入模块关键技术和难点，保证海底泥浆吸入模块的可靠性和安全性。 ( 3 ) 利用p r o e 三维建模软件创建吸入模块三维模型，完成泥浆吸入模块原理样机 8 第一章绪论 虚拟装配；使用有限元方法，使用a b a q u s 软件进行泥浆吸入模块样机仿真研究，优 化泥浆吸入模块样机设计。 ( 4 ) 根据设计结果绘制海底泥浆吸入模块原理样机技术图纸，制定样机零部件加工 工艺，加工泥浆吸入模块原理样机。 ( 5 ) 利用吸入模块原理样机和现有实验平台开展泥浆吸入模块样机室内性能试验。 1 - 3 3 研究路线 针对课题研究内容，本文结合海洋工程、钻井工程、结构力学、计算机三维建模技 术，采取以下方案解决相关问题： ( 1 ) 通过查阅国内外相关文献资料，了解r m r 钻井技术及海底泥浆吸入模块功能 原理与研究现状，结合我国5 0 0 1 5 0 0 m 水深作业环境，确定吸入模块总体方案和设计参 数，解决其关键技术和难点。 ( 2 ) 结合海洋钻井工程、机械工程等各学科内容设计海底泥浆吸入模块结构，利用 计算机图形设计软件和三维设计软件设计吸入模块结构，创建吸入模块数字样机。 ( 3 ) 利用a b a q