（机械工程专业论文）海底泥浆举升钻井试验系统设计及工况研究.pdf

多i r d e s i g no fs u b s e am u d l i f tt e s t i n gs y s t e m t e c h n o l o g yr e s e a r c h 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 ：w a n gw e n g a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gy a n t i n g p r o f e s s o rc h e ng u o m i n g c o l l e g eo fm 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 ) 缈d 愀| |帅 a 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注 和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人 为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 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：妻j 上蚪 日期知f t mz - , - 月z , i n 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交 学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 同期：知f7 年钼弓f f j 日期：多、，j 1 年qa 2 , f 日 毛 ， 摘要 国外石油公司研发出海底泥浆举升钻井技术( s m d ) 替代常规钻井技术来解决 深水钻井中遇到的一系列难题。本文结合国家重大科技专项“大型油气f f l 及煤层 气开发”中的子课题“海底泥浆举升钻井技术研究”( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 0 1 ) ，开展海 底泥浆举升钻井试验系统设计及特殊工况工艺研究。 对海底泥浆举升系统的工作原理及功能其进行理论分析和试验台的结构设 计，并绘制二维平面布置图和三维立体模型。根据已有的设备和结构图的制定， 开始搭建s m d 试验台。对试验台中需要的仪器仪表进行选购，对管路、试验架等 相关材料进行加工，完成试验台的搭建工作。通过试验系统的正常工作，在控制 系统中的到一系列操作数据，对不同介质下多种工况的模拟试验、多种工况模拟 试验的数据采集、多种工况模拟试验的数据进行分析和评估，研究s m d 系统性能 的稳定性和运行状态，并根据数据分析结果来检验设计过程中存在的问题和不足， 研究解决方案，对试验操作进行改进和试验台的完善，通过研究分析和测试试验 的有机结合，最终得到符合s m d 试验系统要求研究报告。 分析海底泥浆举升钻井中“u 形管效应”的主要影响因素，设计“u 形管效 应”抑制工具一钻杆阀。钻杆阀是钻井工艺过程所必须的设备之一，主要作用是 防止钻井液和地层液气从钻柱中心倒流上返，造成钻井事故。在文中介绍了钻杆 阀的设计和计算过程，此设计解决了泥浆举升系统中泥浆流失问题，操作方便， 安全可靠。 关键词：海底泥浆举升钻井，试验系统，u 形管效应，钻杆阀 d e s i g no fs u b s e am u d l i f tt e s t i n gs y s t e ma n ds p e c i a l ，t 、。 1e c t m o l o g yr e s e a r c h w a n gw e n - g a n g ( m e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n g y a n - t i n g p r o f e s s o rc h e ng u o m i n g a b s t r a c t t h ef o r e i g nc o m p a n y p r o p o s e dt h es u b s e am u d l i f ld r i l l i n g ( s m d ) s y s t e mr e p l a c i n gt h e t r a d i t i o n a ld r i l l i n g t e c h n o l o g yt oo v e r c o m et h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s so f d e e p w a t e rd r i l l i n g t h ep r e s e n tp a p e ri ss p o n s o r e db y “d e v e l o p m e n to fl a r g es c a l eo i l & g a s f i e l da n dc o a l b e d g a s n a t i o n a ls c i e n c ea n d t 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 ( 2 0 0 8 z x 0 5 0 2 6 01 ) ，r e s e a r c hw a sc a r r i e do nt h ed e s i g no fs u b s e am u d l i f tt e s t i n gs y s t e ma n d s p e c i a lt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h e o r e t i c a la n a l y s e df o rt h es u b s e am u d l i f ts y s t e mw o r k sa n df u n c t i o n s a n ds t l l j c t u r a l d e s i g no ft r s t i n gr i g ，d r a w i n gt w o - d i m e n s i o n a lf l o o rp l a na n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l p u r c h a s eo fl a b o r a t o r ye q u i p m e n ta n db e g a nt ob u i l ds m d t e s t i n gr i g w o r kt h r o u g ht h e t e s t i n gs y s t e m ，t og e tas e r i e so fo p e r a t i o n a ld a t ai nt h ec o n t r o ls y s t e m a n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nt e s t i n gd a t af o ra v a r i e t yo fd i f f e r e n tm e d i ac o n d i t i o n s s t u d i df o rt h es t a b i l i t vo f s y s t e mp e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n a ls t a t u s ，a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，s t u d ya n di m p r o v e t h ep r o g r a m ，u l t i m a t e l y ，c o n c l u d e dt h es m d t e s t i n gs y s t e mr e s e a r c hr e p o r t a n a l y z e df o rt h em a i nf a c t o r sr e s u l t i n gi nt h e “u t u b e ”e f f e c ti nt h es m d a n da d r i l l i n gs t r i n gv a l u ei sd e s i g n e df o re l i m i n a t i n g “u t u b e ”e f f e c t d r i l l i n gs t r i n gv a l u ei nt h e p r o c e s so fd r i l l i n gw e l l si so n eo ft h ef a c i l i t i e s ，t h em a i nr o l ei st op r e v e n tt h ed r i l l i n gf l u i d s a n dg r o u n df r o mt h ew a yb a c kt ot h ec e n t r eo ft h ed r i l l i n gs t r i n g t h ep a p e rf o c u s e so na d r i l l i n gs t r i n gv a l u ed e s i g n i n ga n dc o m p u t a t i o np r o c e s s ，t h i sd e s i g n i n gw o r ko u tt h em u d e r o s i o np r o b l e m si nt h em u d l i f ts y s t e m ，a n di tm a k e st h ed r a i n i n g p r o b l e m st e n dt oh a v e m o r ef a c i l i t yo p e r m i o na n ds e c u r i t y k e yw o r d s ：s u b s e am u d l i f id r i l l i n g ；t e s t i n gs y s t e m ；“u t u b e ”e f f e c t ；d r i l l i n gs t r i n 2v a l u e 1 1 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 目 录i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的意义及国内外研究现状2 1 2 1 研究意义2 1 2 2 国内研究现状2 1 3 课题的研究目的、研究内容和拟解决的关键问题3 1 3 1 研究目的3 1 3 2 研究内容3 1 3 3 拟解决的关键问题4 1 4 课题拟采取的研究方案、技术路线及可行性分析4 1 4 1 研究方案和技术路线- 4 1 4 2 可行性分析5 第2 章s m d 试验装置设计与研究7 2 1 试验系统总体要求7 2 2 试验系统方案设计8 2 2 1 动力系统1 0 2 2 2 循环系统一1 0 2 2 3 测控系统1 1 2 2 4 辅助系统1 2 2 3 试验装置详细设计1 2 2 3 1 试验台架详细设计13 2 3 2 测控系统详细设计1 6 2 4s m d 试验台构建与调试2 0 2 4 1 试验台架构建与调试2 0 2 4 2 测控系统构建与调试一2 3 2 4 3 试验系统现场概况2 4 第3 章工况模拟技术研究2 6 3 1 系统启动工况2 6 3 2 正常钻进工况2 7 3 3 井涌工况2 8 3 4 接单根工况3 0 3 5 井漏工况31 3 6 关井工况3 3 第4 章s m d 系统试验研究3 4 4 1 试验目的3 4 4 2 试验内容3 4 4 3 清水介质试验结果与分析3 5 4 - 3 1 f 常钻进工况试验数据与分析一3 5 4 3 2 接单根工况试验结果与分析一3 9 4 3 3 井漏工况试验结果与分析4 2 4 4 钻井液配备及性能测试4 3 4 4 1 钻井液配备流程4 3 4 4 2 钻井液性能测试一4 6 4 5 不含岩屑钻井液介质模拟试验结果与分析一4 7 4 5 1 启动工况试验数据与分析4 7 4 5 2 正常钻进工况试验数据与分析4 9 4 5 3 接单根工况试验结果与分析5 4 4 5 4 井漏工况试验结果与分析一5 7 4 6 含岩屑钻井液介质试验结果与分析5 9 第5 章钻杆阀的设计一6 3 5 1 钻杆阀的背景6 3 5 2 钻杆阀的工作原理6 4 5 3 钻杆阀的结构设计6 8 5 3 1 钻杆阀的阀体设计一6 9 5 3 2 钻杆阀的弹簧圈设计一7 1 5 3 3 上、下阀体的连接螺纹设计7 5 5 3 4 钻杆阀的环形凸环设计一7 5 5 3 5 钻杆阀的环形活塞设计7 7 5 3 6 钻杆阀的阀芯设计一7 8 5 3 7 钻杆阀的装配7 9 5 4 本章小结8 0 第6 章结论与展望一8 l 6 1 结论8 l 6 2 展望8l 参考文献一8 3 至殳调十8 6 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 2 1 世纪是“海洋世纪”，随着陆地能源的逐渐枯竭，世界经济和资源发展的战略眼 光都聚集到海洋上，发展海洋技术与高科技装备就显得尤为重要。在石油领域，随着中 国经济的蓬勃发展，特别是作为支柱产业的汽车工业和石油化工领域发展尤为迅速，石 油和天然气供应不足的矛盾日益突出【lj 。鉴于陆上石油资源的同渐枯竭，而浅海石油的 开发也已接近饱和，因此向深海进军油气资源的开发已成必然趋势。 立足于近海大陆架，积极拓展深水领域，是我国未来海洋油气勘探开发的战略目标。 为了实现这一目标，缩短与世界先进水平的差距，必须加快技术革新。尽管随着我国能 源战略思想的提出，一些深水钻井船正在建造之中，但由于缺乏深水钻井的经验，对深 水钻井中的许多关键设备和技术尚缺乏全面的了解与认识，仍需要在充分研究与分析国 外深水钻井作业及相关设备与技术的基础上，结合我国的实际情况进行海洋深水钻井技 术的开发。 当前，海洋钻井主要使用的是单梯度钻井技术。在深水钻井中，由于海水柱及海底 疏松的沉积物影响，破裂压力和地层压力之间的余量很小，使得钻井过程非常困难。超 深水钻井还有存在其他一系列钻井问题，如大量的漏失层、浅层水的流动和井控事故， 然而由于没有多层技术套管可以选择，石油工业已失去了克服这些困难的最有效的工 具，因此许多超深水井由于严重的力学问题而以失败告终。 于是，国外从上世纪9 0 年代开始研究海底泥浆举升钻井( s m d ) 技术，该技术能较 好地解决这些深水钻井中的问题。该核心技术是在海床上安装有泥浆举升泵送系统，并 将井眼环空中的泥浆提升到泥线处，然后再采用小直径管从泥线处将泥浆举升到钻井平 台上，不再使用大直径的隔水管。 海底泥浆举升钻井技术是深水钻井中的一项前沿技术，在深水钻井中有着良好的应 用前景。它能克服深水特殊的自然环境、油藏条件所引起的问题，能以更低廉的成本、 更安全的作业、更短的钻井周期、更高的产量实现深水油气勘探开发作业。该技术已经 开展了多种应用方法和设备系统研究，并已在现场进行工业应用【2 】。为加快我国深水石 油发展的步伐，有必要针对我国南海深水区域的实际情况，跟踪和研究国外先进的双梯 度钻井技术，借鉴其成功经验和方法，研发适合我国国情的且具有自主知识产权的深水 钻井技术，形成一整套系统的指导我国深水石油开发的钻井技术方案，以提高我国深水 钻井技术水平。 箔i 帝绪论 开展深水海底泥浆举升钻井关键技术及设备的研究，解决深水钻井中的核心技术问 题，提出适合我国南海深水油气资源开发的海底泥浆举升钻井系统技术及设备方案，为 深水勘探和研发钻井技术提供有效的理论和技术支持，对推动我国深水油气丌发具有重 要的经济和社会意义。 1 2 课题研究的意义及国内外研究现状 1 2 1 研究意义 我国拥有漫长的海岸线，海域面积约为4 8 8 1 0 4 k i n 2 ，其中1 3 为深水区域。随着 陆上油气储量的不断减少，我国的石油企业也开始向深水区域进军。2 0 0 7 年1 0 月，中 海油首次独立自主的利用自身的深海钻井装置在我国南海进行了深海钻探试验，但与陆 地和浅水钻井相比，深水钻井技术仍具有更加复杂的难题需要深入研究和探索。 与常规深水钻井技术相比，双梯度钻井技术具有节省钻井成本和时l 日j 的优势【3 1 。根 据现场测试及工业应用可知，双梯度钻井技术具有良好的钻井应用前景，是一项日仃景广 阔的深水钻井技术。为加快我国深水石油研发的步伐，解决深水钻井技术问题将是打开 我国深水钻井发展的一个重要突破口，所以有必要本着“引进、消化、吸收、创新、应 用”的原则，跟踪和借鉴国外先进的深水钻井技术，汲取其成功经验，为深水油气勘探 和开发提供理论依据和技术支撑，对提高我国深水钻井技术水平有着重要的战略意义。 s m d 系统试验方案与试验装置研究是本课题的重要组成部分，主要具有三方面的 意义：一是为s m d 系统整体以及关键部件的运行和性能测试提供专用试验条件；二是 可以利用该试验装置丌展钻井工况试验模拟技术的研究；三是通过开展大量试验获取允 足试验数据，通过对试验数据进行分析和处理，从而掌握s m d 系统以及多个关键部件 的功能和性能特点。从资料查阅情况来看，目前未发现有关s m d 试验系统的文献报道， 这方面的研究工作必须通过自主研发的方式加以实施，具有良好的创新意义和工程应用 价值。 1 2 2 国内研究现状 由于我国海上油气开发技术装备的发展起步较晚，与国际先进水平还存在着较大差 距，深水钻采设备极度短缺，大部分设备都依赖进口。其次，由于资金短缺，且深水作 业成本昂贵，据测算，每钻井l m 约耗资l 万元人民币，而海上钢结构平台每平方米造 价就高达两万美元，由此来看，建造一个中型海上油r 1 投资约在1 0 亿 - - 2 0 亿美元；同 时科研经费不足，高水平管理匮乏、专业技术人才短缺和大型施工设备落后，都是我国 中固石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 深海石油钻井技术面临的困难。中国深海油气开发技术起点较低，且从技术研究发展到 形成产业，仍需要经历一个艰难过程。中海油为了向深水进军，组建了海洋石油深水工 程重点试验室，并以此作为龙头，联合国内相关科研院所、院校，组成研究联合体，优 势互补，攻克深水关键技术。 2 0 0 8 年7 月起，中海石油研究中心和中国石油大学( 华东) 合作对海底泥浆举升钻井 技术展开研究，在海底泥浆举升钻井技术原理分析、泥浆举升钻井中钻井液当量密度计 算方法、泥浆循环系统和举升系统的水力学模型、s m d 水力学计算软件、s m d 技术系 统实现方案、s m d 系统试验方案、s m d 系统试验装置及s m d 系统关键设备丌发等方 面取得多项重要的研究进展，并在一些关键技术部分实现了创新。 1 3 课题的研究目的、研究内容和拟解决的关键问题 1 3 1 研究目的 围绕国家科技重大专项海底泥浆钻井举升课题研究，结合我国南海深水石油j i ：发的 需要，进行适合我国钻井模式的双梯度试验系统研究。根据设计的s m d 试验系统，进 行试验台的搭建。一方面对设计的样机进行试验研究，改善试验系统；另一方面对特殊 工艺进行研究，总结出我们独特的技术方案。 1 3 2 研究内容 检验s m d 系统的原理可行性和工作效果、各关键元件设备的性能和可靠性、完善 参数检测系统和控制系统，找出所设计系统的缺点和不足，为实际样机的设计提供参考 依据和技术支撑。结合深水钻井作业的工作条件，模拟实际作业压力和流量工况，搭建 s m d 海底泥浆举升系统综合试验装置。该s m d 试验系统包括： ( 1 ) 试验方案的设计 根据现有的资源，结合国外先进的试验技术，根据我国南海深水石油开发的需要， 初步制定出s m d 试验系统的方案，设计s m d 试验系统中需要测试分析的各种工艺流 程，同时用计算机软件模拟出试验系统的结构图。根据试验场地的需求以及设备的大小 尺寸，改进优化方案图。 ( 2 ) 试验系统开发与实现 根据已有的设备和结构图的制定，开始搭建s m d 试验台。对试验台中需要的仪器 仪表进行选购，对管路、试验架等相关材料进行加工，最终完整搭建试验台，为s m d 试验系统研究提供物质基础。 第1 章绪论 ( 3 ) s m d 试验系统研究及数据分析 根据s m d 试验系统的整体研究方案，对各个试验操作进行设计，详细计划出各操 作过程，然后进行试验操作，测量出圆盘泵的进出口压力、流量、输入轴的扭矩、转速 等参数，进而计算得出泵效、扬程等性能参数；测量循环回路泥浆、海水分隔点压力变 化情况；测量举升管线内的流体介质分布、流速和压力；试验流体介质中允许一定的岩 屑含量。 在试验系统操作运行过程中，对试验数据进行采集；运行结束后，结合国外s m d 试验技术的经验，对数据进行评估分析，总结试验过程中遇到的问题和不足，提出改进 的方案，最终得出一套有效的技术资料。 ( 4 ) 工艺设计，试验研究 分析现有操作工艺的工作流程，吸收较好的试验方法，设计适合s m d 试验系统的 工艺操作。依据设计出来的试验方案，以及通过调整泥浆泵的压力和流量，实现接单根 作业、井涌等工况的模拟试验。在测试试验中对方案进行验证，用测出的数据对模拟试 验进行评估研究，发现问题，提出改进的方案，最后对整个测试进行总结，得出最终的 研究结果。 1 3 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) s m d 试验台的整体设计及搭建过程； ( 2 ) 接单跟、起下钻等特殊工艺流程方案的设计： ( 3 ) 当试验操作过程中对发生井涌、井喷现象的模拟，研究其具体操作。 1 4 课题拟采取的研究方案、技术路线及可行性分析 1 4 1 研究方案和技术路线 结合课题总体目标，从试验装置的开发及研究、工况模拟设计以及系统试验等方面 开展了s m d 系统试验研究，各方面内容的具体研究进展情况如下： ( 1 ) 试验方案制定 通过对国外已有技术的了解，对s m d 试验系统进行总体构思。根据总体框架的指 导方向，对试验用地进行初步勘查与布局，确定原理方案，对海底泥浆举升钻井系统进 行试验系统参数计算、试验方案设计，s m d 多种典型工况的试验室模拟方案、s m d 多 种工况的模拟试验操作流程的设计与优化，其中涉及的工况包括启动、j 下常钻井、接单 根、井涌、井漏等，以及试验操作安全保护方案设计等，并通过a u t o c a d 详细绘制试 中国油人学( 华东) 硕。f ：学位论文 验方案二维平面图，利用s o l i d w o r k s 设计三维试验方案立体图。 ( 2 ) 仪器仪表选型 根据原理方案和s m d 试验方案图，以及主仪器的大小尺寸，进行选择流量变送器、 压力变送器、密度计、温度计、变频器等型号，以及管道材质尺寸、连接法兰的大小等。 ( 3 ) 试验系统施工 对试验场地进行改造( 含电力、循环水池) ，并合理摆放s m d 试验系统中的各设备 位置；根据试验系统的目的和要求，对试验各设备及仪器仪表进行选型、订购，最后进 行相关试验架的建造与安装调试。在所有试验仪器和试验台架搭建完毕后，根掘s m d 试验方案立体图进行试验系统总体装配，同时并配有防护装罱的安装。 ( 4 ) 试验系统测试 在试验台搭建完成之后，首先对测控系统软、硬件进行设计与调试，在单机测试性 能稳定后，进行泵特性试验系统的简单测试，获得各项测试参数，同时也检测试验台的 安全稳定性，以及可能存在的问题，及时修改和完善。在各系统都趋于f 常时，进行 s m d 原理试验系统，模拟特殊工况，对接单跟、起下钻的特殊工艺进行操作试验。 ( 5 ) 试验系统分析 通过试验系统的正常工作，在控制系统中的到一系列操作数据，对不同介质下多种 工况的模拟试验、多种工况模拟试验的数据采集、多种工况模拟试验的数据进行分析和 评估，研究s m d 系统性能的稳定性和运行状态，并根据数据分析结果来检验设计过程 中存在的问题和不足，研究解决方案，对试验操作进行改进和试验台的完善，通过研究 分析和测试试验的有机结合，最终得到符合s m d 试验系统要求研究报告。 1 4 2 可行性分析 ， 对于国内外的双梯度钻井技术，虽然现在己应用在海洋钻井平台中，但在钻井过程 中仍存在一些问题，s m d 试验台的建立，分析世界上先进的双梯度钻井技术，整合现 有资源，设计一套适合我国应用的双梯度钻井系统。 s m d 综合试验台系统主要划分为动力系统、循环系统、测量及控制系统。其中动 力系统设计主要为泥浆泵和举升泵提供动力，动力系统的功率要求由泵功率及电机效率 确定，电机转速的调节可由变频器实现。循环系统包括泥浆池、泥浆泵、排出管路总汇、 节流阀、钻杆、举升泵、举升管路等。测试和控制系统测试的基本参数有：泵出入口压 力、流量、泵的功率，举升管路的压力、流量和流体密度分布，泵的工况点通过调节手 动、电动调节阀来调节。 第1 章绪论 把各试验系统有机的结合在一起，安全试验，最终可以得出有效地试验数据，为以 后真正开发双梯度钻井技术打下良好的基础。 6 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 第2 章s m d 试验装置设计与研究 根据课题合同要求，需构建一套室内试验系统，以实现5 0 0 m 水深钻井作业 条件和相关工况的物理模拟( 相似比不小于1 ：5 ) ，为进行s m d 技术原理的可行性 校验、举升泵样机和吸入模块样机等关键设备的单机性能测试与优化设计、以及 s m d 系统性能测试等环节提供专用的试验条件。这部分研究共分为以下几个阶段 进行： 第一阶段：完成s m d 试验系统的总体方案设计、试验原理设计、试验装置设 计、测控仪器的选型、测控方案设计及软件、试验流程设计等。 第二阶段：在前期研究工作的基础上，进行试验方案详细设计与优化、试验 仪器仪表的选型与调试、试验装置详细设计与优化、测控系统软件开发。 第三阶段：根据最终确定的试验系统方案，开展试验架建造与安装、测控系 统运行与调试、系统集成运行和调试等方面的工作。 第四阶段：开展不同介质、不同工况下海底泥浆举升钻井系统的模拟试验， 记录试验数据。 第五阶段：根据试验数据，对系统试验进行分析，总结不同工况下钻井工艺 流程的特点，结合试验装置的性能特点，提出更优化的试验方案。 2 1 试验系统总体要求 s m d 试验系统应满足在室内实现深海s m d 钻井钻井液循环和多种典型工况 模拟等功能，具体要求如下： ( 1 ) 模拟实际工况条件下的s m d 作业流程，如图2 一l 所示，通过调整泥浆泵 的压力和流量实现正常钻进、接单根作业、井漏、井涌等工况的模拟。 第2 章s m d 试验装置设计与研究 图2 - 1s m d 系统原理图 f i 9 2 - 1d i a g r a mo fs m ds y s t e mp r i n c i p l e ( 2 ) 实时测量试验系统的压力、流量、温度、举升泵扭矩、转速等工艺参数， 研究举升泵流量、扬程等性能参数，并对s m d 系统整体性能进行测试。 ( 3 ) 测量举升管线内的流体介质分布、流速和压力，分析举升管线内返回钻井 液的携岩能力和压力分布情况。 ( 4 ) 试验系统应对后续进行钻井过程中事故问题的处理和相关操作工艺流程 及其配套技术研究提供条件支持。 此外，试验系统应确保操作过程中人员和设备的安全，并不对周围环境产生 破坏：试验系统应具备良好的扩充性能，为后续研究奠定试验基础。 2 2 试验系统方案设计 为了使s m d 综合试验装置系统与实际工况更加接近，有效的模拟实际海底钻 井过程中的特殊操作，根据系统总体要求，对整个s m d 综合试验装置系统进行了 模块化设计，如图2 2 所示【4 j 。比较图2 1 和2 2 可以看出，试验系统采用供液泵 从储液罐中将泥浆送入吸入模块，实现对图2 1 中钻井液从环空返回进入吸入模 块这一过程的模拟，采用背压阀模拟泥浆返回管路中的流体静压力，通过十三个 阀门的开关组合完成泥浆的流动控制。因此，试验系统能够有效实现如图2 1 所 示的工程中s m d 的实际作业流程。 中罔石油人学( 华东) 硕十学位论文 卜 i i i l l i i l 图2 - 2s m d 试验系统流程图 f i 9 2 - 2d i a g r a mo fs m dt e s t i n gs y s t e mp r o c e s s e s 以下是对图2 2 所示s m d 试验流程中各模块功能的简单说明： ( 1 ) 储液罐和地下水池用于储存水或泥浆，储液罐内置有泥浆搅拌装置，改装 置由变频电机带动含上下两组叶片的传动轴组成； ( 2 ) 供液泵用于模拟泥浆由坏空进入吸入模块，为试验系统提供流体； ( 3 ) 电磁阀3 的作用是控制流入吸入模块中的流量，在启动试验系统时控制吸 入模块中的液位高度，防止在举升泵未达到额定转速前，由于两泵流量不同，使 吸入模块中的液位过高或过低；另一方面，在对井涌工况进行模拟时，主要通过 调节电磁阀3 的开度加以实现； ( 4 ) 手动阀5 模拟钻杆阀，钻杆阀在实际接单根过程中起重要作用。钻井液泵 停止工作，由于钻杆阀入口流体压力低于钻杆阀内的弹簧力与井眼环空压力之和， 钻杆阀关闭，钻杆内钻井液无法通过钻杆阀进入井底，环空中的钻井液也无法回 流进钻杆，抑制“u 形管效应”。 第2 章s m d 试验装置设计j 研究 ( 5 ) 吸入模块上端连接的管路，用于实现吸入模块的高位溢流。 ( 6 ) 电动截流阀8 在接单根和井涌工况模拟中，实现举升泵的小流量自循环。 ( 7 ) 阀6 为背压阀，将其开启压力设定为一定压力，与垂直管段( 高l0 m ) 联合 模拟举升管线中泥浆液柱形成的静压作用。 ( 8 ) 垂直管段( 图2 2 中虚线所示管段) ，一是与背压阀6 一起用来部分模拟举 升管线的泥浆液柱的静压作用，二是模拟举升管线的空间布置，为进行系统携岩 能力测试提供必要的试验条件。 ( 9 ) 排水口l 、2 与手动阀1 0 ，均是为了试验结束后排空和清洗系统液体介质 而设置的辅助模块。 ( 1 0 ) 岩屑分离装置是一个可更换滤网的提篮式固液分离装置，试验过程中可 以验证参与验证系统循环的泥浆中是否有固体颗粒通过，以及通过固体颗粒的粒 径分布等信息。 从图2 2 中还可以看出，整个试验系统主要划分为动力系统、循环系统、测 控系统、辅助系统四部分，以下分别对各子系统进行简单介绍。 2 2 1 动力系统 动力系统主要为供液泵、举升泵以及整个试验系统的运行提供动力5 卜1 8 】。举 升泵一方面对于扬程具有较高的要求，以便能够将钻井液由海底举升至海面以上； 同时还需要通过自动调整流量，以控制吸入模块的液位高度，防止出现海水倒灌 或泥浆溢出污染环境的现象。因此举升泵动力采用的是变频电机驱动方案，电机 转速由变频器控制，变频器兼具现场手动和远程计算机两种控制形式。由于供液 泵仅用于满足试验系统的输入流量需求，故由普通电机驱动，不需要进行变频调 速。对于泥浆搅拌装置而言，需要根据泥浆粘度等性能的不同调节搅拌速度，因 此该装置的动力驱动部分同样采用变频控制的方式来实现。 2 2 2 循环系统 循环系统包括储液罐、供液泵、管路、阀门、吸入模块、举升泵、垂直管段 等。试验过程中整个循环流程可以描述为：泥浆由供液泵从储液罐中吸入，经管 汇进入吸入模块，再由举升泵吸入后经水平管汇和垂直管汇输送回储液罐，形成 闭坏。由于阀6 的背压作用，从举升泵出口至背压阀6 这一段管线为高压管路， 如图2 2 所示，其他管路均为常压管路。沿管路不同位置安装多个手动阀和电动 1 0 中圈石油人学( 华东) 硕1 ：学位论文 截流阀，可以模拟试验过程中流体介质的输送和关闭功能。供液泵出口、举升泵 入口和出口均安装压力和流量传感器，垂直管段需在多点布置压力和流量测试仪。 2 2 3 测控系统 2 2 3 1 测控系统的功能 测控系统是整个s m d 试验系统的核心模块之一，该系统主要主要三大功能： 一是对试验流程中多个物理参数进行动态实时监测；二是通过实时控制举升泵的 工况点，如压力、流量等，使吸入模块中泥浆液位稳定，从而达到保持举升泵入 口压力恒定：三是通过阀门的开关操作实现各钻井工况的试验模拟。 2 2 3 2 监测系统方案设计 根据s m d 的试验要求，确定了s m d 试验系统需要进行实时测试的基本参数， 主要包括：流体介质压力( 举升泵出口、入口、背压阀前后) 、举升泵流量、管路中 流体介质温度( 举升泵入口和背压阀后面) 、举升泵的转速、转矩和功率、吸入模块 中流体介质的液位、电磁阀的状态等。其中压力、流量、温度、转矩转速、液位、 电磁阀状态等参数由相应传感器直接测出，并由相应变送器经信号电缆传输至计 算机，举升泵功率由转矩转速结果换算而得。监测现场强电容易对监测信号产生 干扰，从而造成测试不准确，这罩采取四种措施加以处理：一是强弱电隔离走线； 二是采用屏蔽型信号传输电缆并外加屏蔽盒；三是仪器仪表接地；四是测试信号 形式采用抗干扰能力强的4 2 0 m a 电流信号。 2 2 3 3 控制系统方案设计 针对深水钻井工艺特点以及s m d 系统的要求，从工程实用性、运行可靠性以 及研发效率等多个角度，首先分析了试验系统中控制模块的原理：一输入一输出 的液位控制系统，如图2 3 所示【9 1 。 分析该系统，得知其具有三大特点，一是输入量未知，即由环空进入吸入模 块的钻井液的数量无法精确获知( 如井漏、井涌现象) ：二是由于受吸入模块容积限 制，控制可调量很小；三是控制动作为举升泵电机转速，再经泥浆介质传导给吸 入模块，从而实现液位控制，受流体的粘弹性和电机升降速时间等因素所致，控 制系统的控制响应具有强烈的滞后性。因此，结合这一控制系统原理，进行了s m d 试验系统控制策略设计和控制方案设计。 第2 章s m d 试验装胃设计o j 研究 匡垂峰。 背爪阀 图2 3s m d 试验系统控制原理 f i 9 2 - 3s m dt e s t i n gs y s t e mc o n t r o lt h e o r y 控制策略：s m d 试验系统采用高、低两级控制策略，其中低级控制模式是控 制泥浆液位不超过吸入模块的上下限，因为超过上限会引起泥浆漏失并对海底环 境产生污染，超过下限会引起海水倒灌而污染泥浆或者影响钻井工艺。高级控制 模式是尽可能使吸入模块中泥浆的液位稳定于某一目标液位附近，这样有利用保 持海水与钻井液之间具有清晰稳定的分界面。 控制方案：目前常用的工业泵控制方案有p l c + 变频器、d s p + 变频器、d s p + 功率模块、c r i o + 变频器等方式。其中r i o + 变频器方案具有体积小、可靠性高， 持续运行时间长等优点，虽然成本略高，但是考虑到系统的作业环境为要求比较 高的深水海底，且国外海洋钻井的井下控制系统已有成功的案例。因此试验系统 中考虑采用c r i o + 变频器这种实现方案。 2 2 4 辅助系统 为了确保试验操作过程中设备、人员与环境的安全，为试验装置设计了辅助 系统。包括电机转动件的保护罩( 切断人与高速运动部件的接触途径) 、岩屑隔离装 置( 适应于储液罐中含岩屑与不含岩屑区域的分割) 、管道支架与卡箍( 防止调速过 程中介质流量变化过大对设备引起冲击性振动) ，供液泵配套电机的软启动装置( 减 小大功率设备启动瞬间电流过大对动力系统的冲击) 等【1 0 】。 2 3 试验装置详细设计 基于现有的资源条件，参考国内外关于流体动力学领域的试验技术，根据我 国南海深水油气资源开发的需要，自主进行了s m d 试验系统方案的详细设计。根 中国石油人学( 华东) 硕。f ：学位论义 据方便操作、提高效率、节能减排的需要，对试验系统原理方案进行了优化，如： 改进储液罐外形结构为类椭圆结构( 可以改善泥浆搅拌效果) 、增加泥浆岩屑分离装 置( 可以实现试验结束后的管道冲沈功能) 、改进搅拌系统设计( 确保试验过程中泥 浆的均匀) 、系统泄放装置设计( 防止管路腐蚀或冻裂) 等。 2 3 1 试验台架详细设计 对试验台中需要设备和附件进行了二维、三维设计，主要包括：储液罐及基 座、管路支架、管路卡箍、吸入模块基座、泥浆搅拌器等】。图2 4 、2 5 给出部 分设备的设计图纸，图2 - 6 则给出的是试验台架三维效果图，试验台架各部分参 数等信息见表2 1 。 储液罐为整个s m d 综合试验操作系统提供介质，考虑到整个管路的长度要求 和供液泵与举升泵的流量因素，保证整个试验系统在运转过程中不会因为液体被 抽干而中断，结合试验场地的情况，设计了一个容积约为9 m 3 的储液罐。为保证 设备不会被损坏，储液罐的材质选用q 2 3 5 a ；由于泥浆中含有固体颗粒，在试验 过程中，为保证整个循环系统中岩屑成分均匀，在储液罐上部设计了一个搅拌器， 如图2 4 所示，用于将储液罐中的泥浆搅拌均匀，避免岩屑在储液罐中沉降。 在s m d 试验综合操作系统中，为保证整个系统在长期使用过程中不被泥浆腐 蚀，一方面在设计上，增加了整个试验系统的冲沈工艺；另一方面，提高对管路 材质的要求，选用o c r l 8 n i 9 的不锈钢管，整个管路以d n l 0 0 的不锈钢管为主， 结合泵以及吸入模块出、入口的尺寸要求，适当选用了d n l 5 0 和d n l 2 5 的不锈 钢管作为连接，管路利用法兰或变径管作为连接件，通过焊接方式将整个管路连 为一体。 第2 章s m