（机械电子工程专业论文）深水海底泥浆举升钻井系统分析及旋转分隔器设计.pdf

深水海底泥浆举升钻井系统分析及旋转分隔器设计 王卓显( 机械电子工程) 指导教师：陈国明教授 摘要 为解决深水钻井过程中采用常规海洋钻井技术遇到的一系列问题， 石油工业提出了海底泥浆举升钻井( s u b s e am u d l i f td r i l l i n g ，简称s m d ) 技 术。本文结合中国海洋石油总公司综合科研课题“深水钻井隔水管工程 方法研究及双梯度钻井跟踪应用研究”，调研与分析国外深水海底泥浆 举升钻井系统及其设备，开展海底泥浆举升钻井系统原理研究及其关键 设备旋转分隔器的设计分析。 系统地研究海底泥浆举升钻井系统的技术原理，从技术适用性、经 济性、装备以及可能存在的风险等方面分析s m d 技术在我国深水中的可 行性。进行s m d 系统关键设备工作原理和控制方法研究，分析总结s m d 系统钻井的工作过程。 建立s m d 系统井筒温度分布的预测模型，以及考虑温度和压力对钻 井液密度和粘度影响的井筒压力计算模型，进行s m d 系统钻井过程中钻 井液当量循环密度计算。对s m d 系统的水力学进行分析计算，包括海面 设备和回流管线压力损耗计算，钻头水力学分析，对海面泥浆泵和海底 泵的出口压力和功率的分析计算。使用科学计算软件m a t l a b 编制深水 钻井水力学计算程序，为深水钻井的工程设计和作业提供依据。 通过比较离心泵、隔膜泵、柱塞泵的优缺点，对s m d 系统使用的海 底泥浆举升泵进行选型分析，并分析海底泵的控制方法及工作过程。进 行海底旋转分隔器的设计计算，采用p r o e 软件建立海底旋转分隔器的三 维模型，并用a n s y s 软件对海底旋转分隔器的主要部件进行强度校核。 关键词：深水钻井，海底泥浆举升钻井，水力学，海底泥浆举升泵，海 底旋转分隔器 a n a l y s i so nd e e p w a t e r s u b s e am u d l i f l d r i l l i n gs y s t e ma n d d e s i g no fr o t a t i n gd i v e r t e r w a n g z h u o x i a n ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce 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 rc h e n g u o m i n g a b s t r a c t i no r d e rt oo v e r c o m 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 fd e e p w a t e r d r i l l i n gw h e nu s i n gt h ec o n v e n t i o n a lo f f s h o r ed r i l l i n gt e c h n o l o g y ，an e w t e c h n i q u en a m e ds u b s e am u d l i f td r i l l i n g ( s m d ) h a sb e e np r o p o s e d o nt h e b a s i so ft h ep r o j e c t “r e s e a r c ho nd e e p w a t e rr i s e re n g i n e e r i n gm e t h o d sa n d t r a c es t u d yo fd u a l - g r a d i e n td r i l l i n gt e c h n o l o g y s p o n s o r e db yc n o o c ( c h i n an a t i o n a lo f f s h o r eo i lc o r p ) a l li n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so nt h e o v e r s e ad e e p w a t e rd r i l l i n go p e r a t i o na n di t sr e l e v a n te q u i p m e n t si sc a r r i e do u t ， m e a n w h i l e ，t h ep r i n c i p l eo ft h es m ds y s t e ma n dd e s i g no fs u b s e ar o t a t i n g d i v e r t e ra r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yp r i n t i p l eo fs m ds y s t e ma n di t sf e a s i b i l i t yf o rd e e p w a t e r d r i l l i n g h ac h i n aa r e s y s t e m a t a c i a l l ya n a l y z e d 。s t u d yo nt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l ea n dc o n t r o l l i n gm e a n so fk e ye q u i p m e n t sa n dt h ea n a l y s i so ft h e o p e r a t i o np r o c e s sa r ea l s og i v e n t w om o d e l sa r eb u i l tu p o n ei st op r o s p e c t t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h es m d s y s t e m ，a n dt h eo t h e ri st oc a l c u l a t e t h ew e l l b o r ep r e s s u r ew i t ht h ea f f e c t so ft h ed e n s i t ya n dv i s c o s i t yo fd r i l l i n g f l u i d t h e nt h ec a l c u l a t i o no f e q u i v a l e n tc i r c u l a t i n gd e n s i t yo f t _ h ed r i l l i n gf l u i d d u r i n gd r i l l i n go p e r a t i o n s i sm a d e t h ed e e p w a t e rd r i l l i n g h y d r a u l i c s c a l c u l a t i o np r o g r a mi s p r o g r a m m e dw i t hs c i e n t i f i cc o m p u t i n gs o f t w a r e m a t l a b ，h e n c et h er e s u l tc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n a n do p e r a t i o no f d e e p w a t e r d r i l l i n g w i t ht h ec o m p a r eo fc e n t r i f u g a lp u m p ，d i a p h r a g mp u m pa n dp l u n g e r p u m p ，t h es e l e c t i o no fs u b s e am u d l i f lp u m pu s e di ns m ds y s t e ma n di t s c o n t r o l l i n gm e t h o da n do p e r a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e s u b s e ar o t a t i n gd i v e r t e ri sd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fs u b s e ar o t a t i n gd i v e r t e ri sb u i l tu pw i t hp m es o f t w a r e ，w h i l e i n t e n s i t yc h e c ko f t h em a i nc o m p o n e n t si sc a r r i e do u tw i t ha n s ；y ss o f t w a r e k e yw o r d s ：d c c p w a t e rd r i l l i n g , s u b s e am u d l i f td r i l l i n g ，h y d r a u l i c s ，s u b s e a m u d l i f tp u m p ，s u b s e a r o t a t i n gd i v e r t e r 独创性声明 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 文中不包含其他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。 签名： 必翌7 年乡月修日 关于论文使用授权的说明 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) 工7 年j , e l 谬日 伊、) 年s 月2 ， 中国石油大学( 华东)第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代中期以来，随着世界各国对能源需求的增长，以及陆 上和海洋浅水区石油资源的开发，海洋深水区已成为世界上油气勘探最 活跃的区域之一。我国海洋油气资源丰富，有着漫长的海岸线，仅南沙 海域总面积约1 1 6 万平方公里，蕴藏着丰富的油气资源。据初步测算，总 资源量相当于5 8 1 亿吨油当量，约近海油气资源量的1 9 r 音t ”。但我国深水 油气资源开发起步较晚，缺乏拥有自主知识产权的关键技术，因此深水 钻井面临着常规钻井装备和常规钻井工艺难以克服的技术难题。当前， 石油工业使用的主要是单梯度钻井技术。单梯度钻井技术在井筒中只有 一个液柱梯度，即井底压力由海面到井底的钻井液柱压力来产生，孔隙 压力、破裂压力和钻井液柱压力梯度以海面为参考点，地层孔隙压力和 破裂压力之间的余量较小，而隔水导管中钻井液柱重量很大，将给钻井 工艺带来一系列的问题，这也是深水钻井面临的主要问题之一。如果深 水钻井所用的钻井液密度太小，钻井液柱压力小于地层孔隙压力，将导 致地层流体侵入井筒，从而带来一系列的井控问题；如果钻井液密度太 大，钻井液柱压力超过地层破裂压力，将导致地层流体断裂、坍塌，从 而出现卡钻、井径扩大、钻井液漏失、洗井困难等钻井问题，使钻井作 业十分困难【2 】。 2 0 世纪9 0 年代在国外发展起来的双梯度钻井( d u a lg r a d i e n td r i l l i n g ， 简称d g d ) 技术很好地克服了深水区钻井的问题。所谓双梯度钻井技术， 就是采取措施使隔水管内的流体密度与海水密度接近( 所有压力均以海底 为参考点) ，使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，从而解决 了深水钻井的引起的相关问题 3 , 4 1 。d g d 技术的实现方法有很多种，由多 家石油公司和院校于1 9 9 6 年开始实施的石油工业联合项目 ( j o i n ti n d u s t r yp r o j e c t ，简称j r p ) 提出的海底泥浆举升钻井( s u b s e am u d l i f f d r i l l i n g ，简称s m d ) 技术就是d g d 技术的一种【5 。g l 。该技术的核心是在海 床上安装海底泵送系统，将井筒环空中的钻井液提升到泥线处，再采用 中国石油大学( 华东)第i 章绪论 小直径管从泥线处举升钻井液到钻井平台上，不再需要大直径隔水管。 隔水管内充满海水，能降低隔水管的支撑要求，从而提高钻机的钻探能 力。采用s m d 技术，井筒中存在两个梯度，海底到井底为钻井液，海底 以上的隔水导管内为海水，所有的压力以海底泥面为参考点，这样破裂 压力和孔隙压力间的区域相对变宽，井下压力不受海水影响，就像陆地 钻井一样，井涌、井喷和井漏事故大大减少，不再需多层套管体系，节 省技术套管下入时间和固井时间，缩短建井周期，减少钻井时间和降低 处理钻井事故时间和成本，大大降低了对钻井平台和钻机等钻井装备的 要求。同时，更为重要的是该技术能在任何水深开展地质目标钻探。如 可用0 3 1 1 的钻头直接钻至目标层，这样的井筒尺寸能用更有效的完井方 法，例如水平井和多支并技术，还可用0 1 7 8 的油管来开采，最终获得高 产量的油气藏。2 0 0 1 年底j i p 在墨西哥湾进行了现场试验，并获得了成 功，目前开始已投入工业应用，具有良好的工业应用前景。 根据墨西哥湾钻井成本进行的经济研究和基于概率风险的成本分析 表明，可以节省较多成本，保守的推算将减少6 2 5 。由此可知， s m d 技术是一项应用前景广阔的深水钻井技术【9 】。、 1 2 课题的研究意义及国内外研究现状 1 2 1 课题的研究意义 我国海洋石油开发正从近海、浅海向深水逐步发展，深水开发中的 油气勘探和生产活动日益增多，海洋钻井作业的水深不断增加，与几年 前相比，开采水深增加了一倍之多。未来油气田的平均储量规模将随水 深( 5 0 0 - - 1 5 0 0 m ) 而大幅增加，超过1 0 0 0 m 水深的油气田的平均储量规模将 是浅水区域的两倍以上。据统计，全世界未发现的海上油气储量9 0 埋 藏在水深超过1 0 0 0 m 的地层，中国油气前景亦寄希望于深水。我国南海 有着丰富的油气资源，近期海洋石油对外招标区块水深均在 3 0 0 3 0 0 0 m 。最近的勘探活动显示在南中国海水深约1 5 0 0 m 处发现了油气 资源。随着我国陆上油田开发进入后期及浅海油田开发的不断深入，向 深水进军，向水深5 0 0 m 以上的深水区拓展，对我国的能源战略具有重要 2 中国石油大学( 华东)第1 章绪论 的意义。 在我国深水石油开发过程中，深水钻井技术将是解决制约我国深水 钻井发展问题的一个重要突破口，本文结合中国海洋石油总公司综合科 研课题“深水钻井隔水管工程方法研究及双梯度钻井跟踪应用研究”， 本着引进、消化、吸收、创新的原则，跟踪和学习国外先进的深水钻井 技术，借鉴其成功经验，开发适合我国国情并具有自主知识产权的深水 钻井技术，形成一整套指导我国深水石油开发的钻井技术体系并应用到 我国的海洋石油工业，为深水勘探和开发提供技术支撑，对提高我国深 水钻井技术水平具有重要的战略意义。 1 2 2 国内外研究现状 应用于深海油气开发的海底泥浆举升钻井s m d 技术是最近1 0 年发展 起来的技术，成立于1 9 9 6 年的石油工业联合项目组提出海底泥浆举升钻 井的思想，研究该技术的可行性及装备，并提出双梯度钻井技术分四个 阶段完成 6 - 8 。 第一阶段概念设计。s m dj i p 在1 9 6 2 年后期开始t 2 2 个参与者联合 开发水深超过1 0 ，0 0 0 英尺的钻井技术。这个项目的第一阶段被命名为 无隔水管钻井l i p 并且持续至1 j 1 9 9 8 的第一季度。起初的设计是不使用 隔水管，采用无隔水管钻井。钻柱暴露在海水里。海面泵泵送钻井液到 钻柱后沿着钻柱向下到达钻头，再从钻头的喷嘴喷出冲刷井底，然后钻 井液携带岩屑沿着环空到达位于海底的泵系统，然后钻井液经过独立的 小直径回流管线返回到到位于钻井舱的泥浆循环系统中。到第一阶段末 期决定不采用无隔水管方法，而是用非传统的方法使用传统的隔水管。 第二阶段关键组成部分设计。项目的第二阶段1 9 9 8 年第二季度开 始，2 0 0 0 年第一季度末结束。这一阶段的任务是设计，建造，测试所有 的关键组成部件并且通过h a z o p 分析设计钻井及井控方法。j i p 改名为 s m dj i p 。与常规钻井操作不同，隔水管里充满了海水，不再用来循环 钻井液。安装在海底的泥浆举升泵把钻井液经由回流管线举升到上面。 回流管线是一条或者更多的接在隔水管外部的管线，或者采用内部尺寸 足够大的节流或压井管线，因此正常循环速率的摩擦力不会增加对泥浆 举升泵马力的需求。同时不会使大循环碎屑的阻塞成为问题。 中国石油大学( 华东)第1 章绪论 第三阶段系统设计。第三阶段从2 0 0 0 年的第二季度开始n 2 0 0 1 年的 第四季度结束。这个阶段的任务是完成系统设计，建立所有关键组成部 分的模型，并且完成陆上和海上测试。训练项目是s m d 测试井的基本技 术，s m d 钻井操作，s m d 井控方法。 第四阶段商业应用。这一阶段是s m d 系统商业应用阶段。海底泥浆 举升钻井系统于2 0 0 0 年1 2 中旬开始组配，于2 0 0 1 年2 月中旬在墨西哥海湾 的o c e a nn e we r a 油田安装使用，在2 0 0 2 年早期投入商业化应用【l o l 。 1 3 课题的研究目标、研究内容及技术方案 1 3 1 课题研究目标 对国外开展的s m d 技术进行技术跟踪，结合中国海洋石油总公司综 合科研课题“深水钻井隔水管工程方法研究及双梯度钻井跟踪应用研 究”，在调研与分析国外深水钻井作业及相应的设备与技术的基础上， 开展海底泥浆举升钻井系统分析以及关键部件设计。 1 3 2 课题研究内容及技术方案 ( 1 ) 进行海底泥浆举升钻井的技术原理分析，对该技术在我国深海中 使用的可行性进行研究。 ( 2 ) 对s m d 系统的主要设备进行工作原理和结构的初步设计分析。 ( 3 ) 完成s m d 系统水力学分析，编制s m d 系统水力学计算仿真程 序。 ( 4 ) 对s m d 系统使用的海底泥浆举升泵进行选型分析，分析海底泵的 控制方法和工作过程。 ( 5 ) 设计计算钻井液举升系统的关键设备一海底旋转分隔器，建立三 维数字模型并进行校核。 针对以上研究内容，本文结合理论分析计算、热力学分析计算、钻 井水力学分析计算以及计算机三维实体建模技术和计算机仿真技术，采 取了以下解决问题的方案： ( 1 ) 结合深水钻井的实际情况，系统地分析海底泥浆举升钻井技术 的技术原理。从技术适用性、经济性、装备以及可能存在的风险等方面 4 中国石油大学( 华东)第l 章绪论 讨论s m d 技术在我国深海中的适应性分析。 ( 2 ) 根据s m d 系统的工作原理以及常规的钻井设备，研究s m d 系统 主要设备，分析部分关键设备的结构，工作原理以及控制方法。 ( 3 ) 以钻井工程、机械工程、工程流体力学和海洋工程理论为基 础，建立能量守恒和热力学公式建立s m d 系统钻井液温度的预测模型， 根据钻井水力学计算公式完成s m d 系统压力和当量循环密度的计算并推 导海面泵和海底泵压力和功率的计算公式。 ( 4 ) 以m a t l a b 语言为基础编制用于深水钻井的深水钻井水力学计 算程序。 ( 5 ) 根据离心泵、隔膜泵、柱塞泵优缺点进行泵系统选型，分析海 底泵的控制方法及工作过程。 ( 6 ) 根据压力容器设计计算公式完成海底旋转分隔器的设计计算， 使用p r o e 软件完成海底旋转分隔器的三维建模，并用a n s y s 软件进行强 度校核。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 2 1s m d 技术原理 常规的海洋钻井技术在井简中只有一个液柱梯度，即井底压力由水 面( 平台) 到井底的钻井液压力梯度。孔隙压力、破裂压力和钻井液柱压 力梯度以海面为参考面，地层孔隙压力和破裂压力之间的间隙较小，而 隔水导管中泥浆柱重量很大，给钻井工艺带来一系列的问题。海底泥浆 举升钻井技术的隔水管内充满海水，海底旋转分隔器隔开了海水和返回 的钻井液，钻井液和钻屑进入位于海底的海底泵，然后通过回流管线循 环至地面，如图2 1 所示。 。 图2 1s m d 技术的简化示意图 s m d 系统中，水面到海底为密度较小的流体或者海水，而海底到井 底为钻井液，这样可以减小隔水管的余量，从水面到井底就存在两个压 力梯度。海底以上的隔水管内流体密度与海水密度相近，所有的压力以 海底为参考面，破裂压力和孔隙压力之间区域就相对变宽，井下的压力 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 不受海水影响，就像陆地钻井一样，并涌、并喷和并漏事故大大减少， 可以较好地解决深水给钻井工艺方面带来的问题【l l 】。充满海水的隔水管 可以对钻柱提供导向或者在紧急情况下备用，以便能够转换到传统的钻 井方式。系统可以使用多条回流管线，回流管线可以与节流和压井管线 连接在一起也可单独使用 4 】。 洛鹿太忍矽 铱虞 搀一二 l 鼬“ 图2 2s m d 钻井液压力梯度示意图 图2 2 为常规钻井和s m d 钻井的钻井液压力梯度示意图，由于海底疏 松的沉积物和海水柱，地层压力曲线和破裂压力曲线紧靠在起。在常 规的隔水管钻井中，钻井液的静水压力梯度是从浮式钻井船延伸的一条 直线，该静水压力在个短的垂直距离上穿过钻井液密度窗口，很难维 持井筒环空压力在这两条曲线中间，容易发生井漏事故。因此，为了保 证井身的质量，需要下多层套管柱。而采用s m d 方法可将海底环空压力 降低至与周围海水压力相当，s m d 钻井液静水压力是从海底延伸的一条 直线，直线的斜度大大减小，因此孔隙压力和破裂压力之间的间隙就相 对增宽，可以实现安全钻井作业f 3 】。 2 2s m d 技术适应性分析 当前，我国经济迅速增长，对石油的需求大幅上升，而陆上大部分 油田都已进入稳产开采阶段，向海洋、特别向深海进军成为业界共识， 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 而我国目前的海洋钻井开发技术已不能满足深海环境、水深、异常地 层，以及经济和安全风险等方面的要求，迫切需要研究开发新的、适合 我国国情的既经济又安全的钻井设备和技术。 2 2 1 技术适用性分析 根据南中国海1 0 0 0 - 2 0 0 0 m 水深特定自然条件、地层压力建立数字模 型【1 2 1 ，约束条件包括最大泥浆密度、钻速、泵功率、地层压力条件等。 模拟钻井操作工艺上的变化，如接单根、，下套管、井涌监测和井控操 作，分析表明s m d 系统与钻井船相连重量减少，钻杆和回流管线承受较 小的外界作用力。s m d 系统可以维持海底井口压力与海水在海底产生的 压力相当，地层压力也可由重密度泥浆系统加以控制。仿真分析表明， s m d 系统的应用减缓了很多与隔水管相关的问题，减轻了对环境影响。 2 2 2 节省时间和费用 s m d 系统需要较少的泥浆体积，节约了泥浆存储及处理费用和时 间。由于s m d 不需要精确的定位，定位操作将变得相对容易，而且用于 定位的花费和等待适宜作业天气的时间也会减少。s m d 减少2 3 个套管 靴深度点，将会减小井筒和井1 ：3 的尺寸，减少钻井时间和成本。采用 s m d 技术钻上部井筒经济效益更加显著【9 1 3 1 。 2 2 3 平台升级使用 当前石油业界所有可用的半潜式平台数量总共有1 3 0 座 1 4 l ，第四代1 4 座，第三代4 0 座，第二代装备7 6 座，其中所有的第四代半潜式钻井平台 都有长期合同。而s m d 大大降低了对钻井平台和钻机等钻井装备的要求 【1 5 】，减轻了对平台空间和承载能力的限制。可以通过对第三代甚至第二 代半潜式平台升级和承载能力的扩展，应用于较深的水域，如可用0 3 1 1 的钻头直接钻至目标层，这样的井筒尺寸能用更有效的完井方法，如水 平井和多支井技术，还可用中1 7 8 的油管来开采，最终获得高产油气藏。 2 2 4 可能存在的问题及风险 s m d 技术还缺乏现场应用经验【1 4 1 ，虽然s m dj i p 对其工业应用的进 行了广泛的研究，但由于目前还没有大规模的工业应用，工艺过程还不 够成熟，采用新的井控方法需要对钻井人员进行培训。另外需要研发深 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 水海底泥浆举升装置，以及配套的安装和回收技术，开发一套s m d 系统 初始的投资大约需要5 0 0 0 万美元。综合分析表明，依托最新的深水双井 架钻井船，辅助钻机采用经济新型s m d 上部并筒钻井系统，新s m d 系统 最大限度的发挥双梯度钻井的功能和优点，并将大大减少成本。 2 3s m d 双梯度钻井系统主要设备 s m d 系统由两大类设备组成：常规的钻井设备和s m d 系统专用设备 【1 0 】。海面设备采用常规钻井设备或者升级改造的常规钻井设备，系统需 要设计的关键设备和装置包括钻井液压力平衡装置、钻井液举升装置和 钻柱阀，其中钻井液举升装置由旋转分隔器、固相处理装置和海底泥浆 举升泵组成。 扩 铬井臻回蠢h j 营缝如 黼 瞄辩维霉毓 蕾蝗 卜铲椭 l 泥靛举升 1 榛袭 井口钼皇f 一 p 撇设备 井a 睦 ，l 一刁l 戥瞧 馘一r k 毒管奢 图2 3 $ m d 深水钻井系统 s m d 深水钻井系统如图2 3 所示。由船上的计算机控制的推进器可以 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 把钻井船动态地定位在钻井位置上：海底浮块将钻井船的位置信号发送 给钻井船外壳上的水下接听器，水下接听器将信号传送到船上的计算 机，计算机对来自水下接听器、风传感器和其它辅助定位传感器设备的 数据进行处理，从而驱动推进器来保持钻井船的位置。 钻井平台位于钻井船的中间，月池上面。钻井工具通过钻井船延伸 出来的开口甲板从钻井船下到海底。套管套连在技术套管上端，并安装 有引导机构。用技术套管固井之前用套管套支撑技术套管。井口连接在 表层套管的上端，表层套管是通过技术套管下到井里。 井口组包括井控设备，钻井液压力平衡装置和钻井液举升系统。在 钻井船和井口组之间的隔水管给钻井工具、套管柱和其它的从钻井船到 井口组的设备提供导向。隔水管张紧器使隔水管处于稳定状态。依附在 隔水管外部的钻井液回流管线连接钻井液举升系统和月池，月池是钻井 液回流管线和钻井船上的钻井液循环系统的接口，钻井液通过回流管线 返回到海面。钻井液回流管线与井控设备的流量出口连通，发生井喷时 可以作为节流或者压井管线。另外，钻井液回流管线也可以是在隔水管 上节流或者压井管线。 钻井系统通常带有两条钻井液回流管线，也可以使用一条或者多条 回流管线。回流管线的直径和数量取决于钻井液举升系统里的海底泥浆 泵的泵送能力。隔水管内充满海水，钻井液举升系统里的旋转分隔器密 封钻柱并隔离隔水管和井筒环空。用海水填充隔水管，与填充钻井液相 比可以减少隔水管强度要求。隔水管也可以用其它密度小于环空中钻井 液的流体填充。 2 3 1 井控设备 s m d 深水钻井系统里的井控设备如图2 - 4 所示。井控设备包括隔水管 底部组件( l o w e rm a r i n er i s e rp a c k a g e ，简称l m r p ) 和海底防喷器 ( b l o w o u tp r e v e n t e r ，简称b o p ) 组。海底防喷器组包括一对双闸板防喷器 ( 也可三闸板防喷器和单闸板防喷器配合使用，是否需要额外的防喷器取 决于现场钻井需要) 。闸板防喷器用来密封钻杆。当有井喷事故发生时剪 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 切式闸板剪切钻杆并密封井避免人员和设备的重大损失【蚓。闸板防喷器 上的管线接1 ：3 分别连接在节流和压井管线上。井口适配器用来保护闸板 防喷器，井控设备通过适配器连接到井口上( 如图2 3 所示) 。 图2 - 4s m d 井控设备 l m r p 包括两个环形防喷器以及柔性接头。环形防喷器装有连接到 节流和压井管线的管线接口。环形防喷器与闸板防喷器连接，隔水管适 配器连接到柔性接头。l m r p 控制模块控制闸板防喷器、环形防喷器、 井口组适配器和阀以及其它部件。液压流体从海面通过连接在隔水管( 如 图2 3 所示) 外部的液压管线供应给控制模块。 2 3 2 钻井液压力平衡装置 s m d 钻井系统中的钻井液压力平衡装置如图2 5 所示。压力平衡装置 是由两个腔室组成的圆筒体。钻柱，井筒底部装置和其它钻井工具可以 通过钻井液压力平衡装置。钻井液压力平衡装置与隔水管形成环空腔， 里面带有活塞，活塞密封环空并将环空分为上下两个腔室：海水腔和钻 井液腔。海水腔通过海水腔接口与周围海水连通，使海水腔与周围海水 压力相等。钻井液腔接口连接钻井液腔与海底泵入口管线。 =+l黼上井 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 钻扦 隔水譬 图2 5 钻井液压力平衡装置 当海水腔和钻井液腔的压力不同时，活塞在环空腔里上下往复移 动。位于海水腔接口的流量表测量随着活塞往复移动进出海水腔的海水 速率。根据流量仪表的数据来检测钻井液腔里的液面变化。同时通过活 塞位置传感器得到环空腔活塞的位置，计算钻井液腔的钻井液体积，通 过调节海底泵的速率保证压力平衡装置的铅井液体积处于相对稳定值。 钻井液压力平衡装置上面上装有刮片器和防尘圈组成的钻井液清除 装置。钻井液清除装置上装有擦拭元件，擦拭元件由一组弹性材料制成 的卡盘组成的，弹性卡盘排列在钻柱周围并提供低压力密封，当钻柱钻 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 井液清除装置时，弹性卡盘可以去清除掉钻柱上的钻井液及钻屑。 2 3 3 钻井液举升系统 钻井液举升系统包括旋转分隔器，固相处理装置，海底泵以及流量 管线i t , 剐。钻井液举升系统的下端是与图2 4 中适配器相匹配的隔水管适配 器。来自环空的钻井液经过旋转分隔器，固相处理装置之后，到达海底 泥浆泵的入口。 旋转分隔器：旋转分隔器( s u b s e ar 0 6 t t i n gd i v e r t e r ，简称s r d ) 用来 接收和密封钻柱。当分隔器密封钻柱时，旋转分隔器里的钻井液就与隔 水管( 如图2 - 3 所示) 里的海水隔离开。旋转分隔器也可以单独使用作为隔 水管里海水与环空钻井液的隔离装置。 固相处理装置：钻井液中的固相颗粒对钻井液的密度、粘度和剪切 力有着明显的影响，而钻井液性能和钻井液的水力参数、钻井速度、钻 井成本和井下情况有着直接的关系。如果固相颗粒的尺寸过大，可能造 成钻井液举升系统的损坏。因此，s m d 系统中的钻井液举升系统包括海 底固相处理装置( s o l i d sp r o c e s s i n gu n i t ，简称s p u ) ，s p u 也是s m d 系统在 常规钻井系统上增加的设备之一。s p u 的主要功能是降低钻井液中固相 尺寸到一定的要求( 1 - 1 2 ”，3 8 r a m ) t 4 ，能够通过海底泥浆举升泵的管线和 钻井液回流管线。小于规定尺寸的钻屑可以直接通过，以利于收集重要 的地层地质数据。 海底泥浆举升泵：海底泥浆举升泵是s m d 系统的关键设备之一，用 来泵送循环钻井液、岩屑或者气体的混合物。s m d 系统中的海底泵同时 也是一种井涌监测和井控操作的必要工具【m 。 2 3 4 钻柱阀 在s m d 系统里，由于隔水管里充满海水，钻柱中的钻井液静水压力 高于环空压力，因此当海面泵关闭时，在钻杆和隔水管之间产生u 型管 效应，钻柱中的液面将会下降直到海底以上钻柱中的液体静压力等于海 底泵的入口压力为止 t r l 。当流量自由下落时，钻桂阔用来保持钻柱中钻 井液的体积，防止发生u 型管效应，避免井涌发生。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 图2 - 6 钻柱阀 如图2 6 所示，钻柱阀由阀头、阀座和阀体组成，阀头的上端和阀座 的下端分别是用于连接钻杆的螺纹。 图2 7 钻柱阀的三维分解结构图 钻柱阀的三维分解结构图如图图2 7 所示。阀体内安装有阀芯，一直 延伸到阀体下部，阀芯下端安装有喷嘴。阀体内壁和阀芯外壁形成一个 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设各 环形弹簧腔。 弹簧腔内的弹簧一端顶在阀芯顶部的凸缘底部上，另一端顶在阀座 上。在阀体的下部沿周向开有泄压孔，以调节弹簧压缩或复位。阀体与 阀芯之间的压力始终处于与阀体外部的压力相同。 当钻井平台上的海面泵处于关闭状态时，作用在阀芯上的钻井液小 于弹簧的预压力，钻柱阎处于关闭状态，钻井液不能自由下落。当海面 泵运行时，钻井液的压力达到足够大时，便会压缩弹簧推动阀芯向下运 动，阀芯上的喷嘴从阀座的封闭区域伸出，使钻柱阀处于打开状态，钻 井液可以通过钻柱阀进入钻杆下部。当钻柱阀下部的压力大于上部压力 时，被压缩的弹簧便会带动阀芯逐渐复位，直至使钻柱阀完全关闭。 2 4s m d 系统工作过程 钻井操作的准备工作包括钻井船在钻井地点的定位以及安装浮块。 钻井船通过推进器动态地定位在钻井位置上，而推进器由船上的计算机 控制。计算机根据来自水下接听器以及来自风传感器和其它辅助定位传 感器设备的数据驱动推进器来保持钻井船的位置。因为海水太深，需要 使用遥控操作运输工具，水下摄像头或者其它设备来引导钻井设备到海 底。在钻井船定位完成之后，开始钻井作业，下入引导机构，套管轴承 和技术套管，这些装置与井筒底部装置的下入装置是相连接的。钻头和 其它井筒底部装置连接到钻柱上。井筒底部装置下到海底，技术套管也 下入到海底。 技术套管下入后，锁住井筒底部装置为表层套管钻井眼。位于钻头 上的马达旋转钻头。当钻头旋转时，钻井液进入钻柱里，从钻头喷射出 来冲刷碎屑离开钻头。在表层套管的井筒钻完之后，收回钻柱和井筒底 部装置。之后下入表层套管到井筒并用水泥加固。表层套管保护井口， 海底井口锁在技术套管轴承里。 s m d 系统通过井口组下到海底。隔水管下到海底，井口组下端的海 底防喷器组连接到井口上。随着井口组的降低，钻井液压力平衡装置的 海水腔用海水填充，钻井液回流管线连接到开口甲板上。 当钻井液举升系统，钻井液压力平衡装置和隔水管安装在井控设备 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章s m d 系统技术原理及主要设备 上时，这些设备可以通过柔性接头随着钻井船( 如图2 3 所示) 移动。钻井 液举升系统中的旋转分隔器的部件做旋转运动或者绕轴旋转时，可以通 过移动柔性接头来阻止从l m r p 离开。 井口组( 如图2 3 所示) 的高度可以通过改变钻井液压力平衡装置的高 度来改变，而钻井液压力平衡装置是和钻井液举升系统一起移动的。在 井口组中，隔水管的下端适配器与海底旋转分隔器上的适配器相连接。 带有心轴的钻柱通过隔水管下到分隔器，心轴被锁定在分隔器设定 位置上，通过井控设备后下到井筒底部。当钻头到达井筒底部，海面泵 开始工作并且钻井液进到钻柱里。钻柱通过使用转盘或者顶驱从海面开 始旋转。位于钻头上的钻井液马达也可以用来旋转钻头。当钻柱或者钻 头旋转时，钻头切削地层。 钻柱里的钻井液通过钻头的喷嘴进入井的底部。从钻头喷射出的钻 井液通过环空返回到分隔器，然后分流到s p u ，经s p u 处理后，到达钻 井液压力平衡装置，调节钻井液压力与海水的静水压力相等，然后通过 压力平衡装置的钻井液腔接口进入海底泵里。泵排放钻井液到钻井液回 流管线。钻井液回流管线携带钻井液返回到钻井船上的钻井液循环系 统。 2 5 本章小结 s m d 深水钻井技术作为用于深水钻井的新技术，系统设备及其可靠 性极其重要。系统使用的设备大部分是原有设备的改进，但也增加了新 设备的研制和开发，如钻柱阀，海底旋转分隔器和s p u 。本章重点分析 了s m d 双梯度钻井的工作原理，从技术适用性、经济性、装备以及可能 存在的风险等方面对s m d 技术在我国深水中的可行性进行了分析研究。 根据s m d 系统的工作原理以及常规的钻井设备，介绍了系统的关键设备 钻井液压力平衡装置、钻井液举升装置和钻柱阀、旋转分隔器、固相处 理装置和海底泥浆举升泵，并对部分关键设备的结构、工作原理以及控 制方法进行了分析，最后总结概述了s m d 系统钻井的工作过程。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章s m d 系统水力学分析 第3 章s m d 系统水力学分析 s m d 系统水力学系统主要包括海面的泥浆泵，海面设备，钻杆，钻 铤，钻头，回流管线，海底泵及其它设备；基本的水力学分析包括钻井 液的流变特性，系统的压力损耗，井筒压力，当量循环密度以及所用泵 的压力和功率f l s 】。 3 1 钻井液温度的计算 为建立s m d 水力学系统的热力学平衡方程，需作以下假设：( 1 ) 钻井 液不可压缩，循环时钻井液流量不变；( 2 ) 忽略钻井液的轴向导热；( 3 ) 忽略钻井液在径向的温度梯度，井筒中任二截面上各点的温度均相等； ( 4 ) 海底以上隔水管内充满海水，其温度与周围海水相等；( 5 ) 忽略流体 的粘滞扩散和钻头的发热；( 6 ) 环空中的流体和地层之间的热传递是稳定 状态的线性热传递。 在s m d 钻井系统中能量守恒有三个体系：海底以上钻杆，回流管线 和井筒。下面是采用r a m e y l l 9 和h o l m e s ，s w i f l l 2 0 j 的模型建立海底以上钻 杆和回流管线里钻井液温度预测模型。 ( 1 ) 海底以上钻杆 囱3 1 海底以上钻杆里钻井液的能量守恒 如图3 1 所示，在稳定状态下，钻杆中钻井液在深度x 和深度x + a x 之 间的热集聚为 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章s m d 系统水力学分析 q _ f 一绯( ，+ ) = 砌q ( 墨一乙( ，+ “) j ( 3 1 ) 钻井液以热传递方式传递给隔水管海水的热量 q o = 2 砟u o 缸一乙) ( 3 2 ) 合并公式( 3 - 1 ) 和公式( 3 2 ) 得到海底以上钻杆能量方程 砌巳等= 2 u o ( 乙一乙) ( 3 - 3 ) 由于波流和潮汐的影响，海水温度变化很难用单一温度梯度表示， 文献【2 1 蛤出了海水温度计算公式 f8 0 。f ，x 2 0 0 f t 正。( x ) = 1 6 9 8 ( x - 1 2 0 ) 4 ”7 2 ：“1 。f ，2 0 0 r x _ 3 2 0 0 f t ( 3 4 ) l7 6 0 4 4 x x 4 ”“f ，x23 2 0 0 1 1 式中，以为钻井液在深度x 处的热流量；岛( 。) 为钻井液在深度x + 血处 的热流量：出为钻井方向o 方向) 上取的单元长度；r h 为钻井液质量流 量，k g s ；巳为钻井液比热容，j ( k g k ) ；珞为钻井液在深度x 处的温 度，。c ；昂仁+ 刨为钻井液在深度卅出处的温度，。c ；昂为钻杆内钻井液 温度，。c ；知为钻杆半径，m ；u o 为钻杆总的传热系数，w ( m 2 k ) ；z 瑚 为海水温度，。c 。 ( 2 ) 回流管线 图3 - 2 回流管线里钻井液的能量守恒 如图3 2 所示，在稳定状态下，回流管线中钻井液在深度x 和深度 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章s m d 系统水力学分析 x + d x 之间的热集聚为 岛。) 一瓯= 廊e ：( 乃。，+ 。) 一) 钻井液以热传递方式从海水吸收的热量 q 螂= 2 万砜( 乙一霸) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 合并公式( 3 5 ) 和公式( 3 6 ) 得到回流管线能量方程 廊巳誓= 2 ( 乃) ( 3 - 7 ) 式中，玩为钻井液在深度石处的热流量；岛。) 为钻井液在深度什出处 的热流量；出为钻井方向0 方向) 上取的单元长度；t h 为钻井液质量流 量，k g se 。为钻井液比热容，j ( k g k ) ；为钻井液在深度z 处的温 度，o c ；z 玩+ 删为钻井液在深度计出处的温度，o c ；乃沩钻井液在回流 管线中的温度，。c ；m 为钻杆半径，m ；u o 为回流管线总的传热系数， w ( m 2 k ) ；。为海水温度，。c 。 ( 3 ) 海底以下钻杆和环空采用h o l m e s ，s w i f t 2 0 和k a b i r ，h a s a n , k o u b a l 2 2 建立的模型计算推导。 图3 - 3 井筒里钻井液的能量守恒 如图3 3 所示，井筒环空中钻井液在x 深度处传递进的热量包括两部 分，一部分是以对流的方式传递进的热量鲸，一部分是以传导的方式从 地层传递进的热量q ，。井筒中钻井液在x + a x 深度处传递出的热量包括两 部分，一部分是以对流的方式传递出的热量g 扛+ 纠，一部分是以对流和 传导的方式传递进钻杆中的热量翰。因此 1 9 中国石油大学( 华东) 硕