賴(lài)敏斌　樊洪?！∨怼↓R　馬光曦　張煒?lè)椋ㄖ袊?guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249）

深水雙梯度海底舉升鉆井系統(tǒng)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

賴(lài)敏斌樊洪海彭齊馬光曦張煒?lè)?br/>（中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

針對(duì)深水鉆井中遇到的地層壓力與破裂壓力余量過(guò)窄的問(wèn)題，Conoco和Hydril公司共同研發(fā)了深水雙梯度海底鉆井液舉升鉆井技術(shù)（Subsea Mudlift Drilling，簡(jiǎn)稱(chēng)SMD）?；赟MD鉆井系統(tǒng)的工藝原理，結(jié)合鉆井水力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，建立了一種適合SMD鉆井系統(tǒng)的水力參數(shù)計(jì)算模型，以最大鉆頭水功率為目標(biāo)進(jìn)行SMD鉆井系統(tǒng)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)國(guó)外發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)鉆數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，該水力參數(shù)計(jì)算模型得到的各管匯壓耗與實(shí)際壓耗誤差在5%以?xún)?nèi)，計(jì)算結(jié)果表明該水力參數(shù)計(jì)算模型具有較高的精度。

深水鉆井；雙梯度鉆井；SMD鉆井；水力參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

國(guó)外在20世紀(jì)90年代大力發(fā)展的雙梯度鉆井（DGD）很好的解決了地層壓力與破裂壓力之間的余量過(guò)小問(wèn)題［1］。雙梯度鉆井技術(shù)主要有3個(gè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)雙梯度，即海底泵舉升鉆井液、無(wú)隔水管鉆井以及雙密度鉆井［2］。本文基于Conoco和Hydril公司研發(fā)的深水雙梯度SMD（Subsea Mudlift Drlling）鉆井系統(tǒng)進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　SMD鉆井技術(shù)

SMD鉆井技術(shù)屬于海底泵舉升鉆井液的一種，是目前國(guó)外發(fā)展較成熟且進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的雙梯度鉆井技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，除了地面設(shè)備與常規(guī)鉆井一樣外，還有一些特殊設(shè)備，即鉆井液閥、鉆柱閥、固相裝置、旋轉(zhuǎn)分離器和海底泵［3］。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液經(jīng)過(guò)鉆柱、鉆柱閥、鉆頭流入井眼環(huán)空，再由環(huán)空到位于海底的旋轉(zhuǎn)分流器，進(jìn)行固相處理后，依靠海底泵和1.22~1.83 m的回流管線將鉆井液返至地面［4］。

圖1　SMD鉆井系統(tǒng)示意圖

2　SMD鉆井系統(tǒng)水力學(xué)分析

工程上為了計(jì)算方便，在精度允許的范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行如下假設(shè)：（1）鉆井液為賓漢流體；（2）鉆柱處于與井眼同心位置；（3）不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)；（4）井眼為已知直徑的圓形井眼；（5）鉆井液是不可壓縮流體；（6）鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)各部分的流動(dòng)均為等溫紊流流動(dòng)［5］。

2.1SMD系統(tǒng)靜壓分析

在SMD系統(tǒng)中，井筒內(nèi)的壓力模型為

式中，Dps為安全壓力余量，一般取0.344 8 MPa。

鉆井液在流經(jīng)海底泵時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力激增的現(xiàn)象，海底泵的出口壓力是海底處鉆井液靜水壓力和回流管線壓耗的總和，海底泵入口壓力則等于海水靜壓力［6］

式中，pin、po分別為海底泵進(jìn)出口壓力，MPa；Dpr為回流管線內(nèi)壓耗，MPa；pin為海水靜壓力，MPa。

由黏性流體伯努利方程可得到循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)泵壓的傳遞關(guān)系［7-9］

結(jié)合工程實(shí)際生產(chǎn)情況認(rèn)為v1=v2，以泥線為基點(diǎn)，式（4）可簡(jiǎn)化為

式中，ps為海面鉆井泵壓，MPa；Dp為系統(tǒng)循環(huán)壓耗，MPa；v1為海面鉆井泵出口處鉆井液速度，m/s；v2為鉆井液從環(huán)空返回到海底泥線處的速度，m/s。

2.2SMD系統(tǒng)循環(huán)壓耗計(jì)算

與常規(guī)海上鉆井不同，SMD鉆井系統(tǒng)在工作時(shí)，由2個(gè)泵共同提供能量，即海面鉆井泵和海底泵。海面鉆井泵為鉆井液在海上平臺(tái)管匯、鉆柱、鉆頭和環(huán)空中的循環(huán)提供能量，而海底鉆井泵則為鉆井液在回流管線中的上返提供能量。

假設(shè)整個(gè)井身內(nèi)的壓力損耗為Dp，則有

式中，Dp為井身內(nèi)總壓力損耗，MPa；Dpg為海面平臺(tái)管匯壓耗，MPa；Dpp為鉆柱內(nèi)壓耗，MPa；Dpa為環(huán)空壓耗，MPa；Dpb為鉆頭壓降，MPa。

循環(huán)系統(tǒng)各部分壓耗分別由下式求取。地面管匯壓耗

鉆柱內(nèi)壓耗由鉆桿壓耗、鉆鋌壓耗及加重鉆桿壓耗組成，如下式

環(huán)空壓耗由鉆桿外環(huán)空、鉆鋌環(huán)空以及加重鉆桿外環(huán)空壓耗組成，如下式

回流管線壓耗為

鉆頭壓力降可由下式求得

若噴嘴出口面積用噴嘴當(dāng)量直徑表示，則鉆頭壓力降計(jì)算式為

根據(jù)上面所求得的各個(gè)部分壓耗總和即可求得海面鉆井泵的泵壓以及泵功率。

3　SMD鉆井系統(tǒng)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)深海鉆井由于隔水管環(huán)空尺寸大，理論上隔水管環(huán)空最小排量也比井內(nèi)環(huán)空最小排量大很多，而深水井安全密度窗口窄，施工時(shí)很容易引起井噴，井涌等事故。而SMD鉆井系統(tǒng)由于隔水管內(nèi)流體不參與循環(huán)，大大緩解了最小排量、井眼清洗，安全鉆井之間的矛盾。通過(guò)選取合理的水力參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合最大循環(huán)壓力以及優(yōu)選排量，可以算出SMD鉆井系統(tǒng)的水力參數(shù)。SMD最大循環(huán)壓力是海面泵和海底泵最大泵壓之和。

3.1環(huán)空最小排量和最大排量確定

鉆井液攜帶巖屑所需要的最低排量即為最小排量。換言之，只要井眼環(huán)空中攜巖所需的最低返速確定，最小排量也隨之確定。采用工程上常見(jiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式［5］

則與之對(duì)應(yīng)的環(huán)空最小排量為

環(huán)空最大排量為

3.2排量?jī)?yōu)選

鉆井泵處于額定泵功率狀態(tài)時(shí)，泵功率Ps=Pr。由鉆頭水功率的表達(dá)式可知，獲得最大鉆頭水功率的條件應(yīng)該是Q盡可能小，但是不能小于最小排量，此時(shí)取Qopt=Qa。

海底泵處于額定泵壓工作狀態(tài)時(shí)（ps=pr），此時(shí)鉆頭水功率為

最優(yōu)排量按照以下流程進(jìn)行篩選：當(dāng)Qopt>Qmax時(shí)，Qopt=Qr；當(dāng)Qmin

4　實(shí)例分析

根據(jù)國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例深水井［11］對(duì)該SMD計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　輸入的基本數(shù)據(jù)

結(jié)合SMD鉆井水力分析模型得到最優(yōu)排量為Qopt=29.38 L/s，最終計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知計(jì)算得到的環(huán)空壓耗、鉆頭壓耗、鉆柱內(nèi)壓耗和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的偏差均小于5%，而計(jì)算的井底壓力與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的吻合度更是高達(dá)98.09%，足以看出SMD鉆井水力學(xué)模型以及參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性。全部水力參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3　水力優(yōu)化結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可知，海面鉆井泵壓為15.6 MPa，故系統(tǒng)總循環(huán)壓力為71.25 MPa（加上海底泵泵壓）。而常規(guī)海上鉆井由于隔水管環(huán)空尺寸大且僅由海面泵提供能量，海面鉆井泵壓將大為超過(guò)SMD系統(tǒng)總循環(huán)壓力。因此，采用SMD鉆井能大大的減小海面鉆井泵壓來(lái)降低海上鉆井設(shè)備的性能要求，升級(jí)第二代、第三代鉆井船便可用于超深水鉆井。國(guó)外實(shí)施數(shù)據(jù)表明，條件相同的情況下，SMD鉆井可以提供相當(dāng)于常規(guī)海上深水鉆井約兩倍的水力功率。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)分析SMD鉆井工藝技術(shù)原理，結(jié)合鉆井水力學(xué)分析，建立SMD鉆井系統(tǒng)的水力參數(shù)計(jì)算模型；并以最大鉆頭水功率為指標(biāo)進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，用Visual Basic6.0編寫(xiě)了SMD鉆井系統(tǒng)的水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

（2）采用國(guó)外已發(fā)表文獻(xiàn)中的實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)本文提出的SMD系統(tǒng)水力參數(shù)模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，SMD水力計(jì)算模型計(jì)算的各管匯壓耗與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的誤差均在5%以?xún)?nèi)，其中井底壓力與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的吻合度更是高達(dá)98.09%，由此可見(jiàn)該SMD水力參數(shù)模型具有較高的計(jì)算精度。

（3）與常規(guī)海上深水鉆井相比，SMD系統(tǒng)可大大減小海面鉆井泵壓，降低海上鉆井設(shè)備的性能要求，同時(shí)可升級(jí)已有鉆井設(shè)備的使用水深來(lái)節(jié)省國(guó)家資源，對(duì)于指導(dǎo)和改進(jìn)我國(guó)深水鉆井系統(tǒng)具有重要意義。

符號(hào)說(shuō)明：

ρw為海水密度，g/cm3；hw為海水深度，m；hf為海底泥線到井筒的深度，m；ρm為鉆井液密度，g/ cm3；μpv為鉆井液塑性黏度，Pa·s；L1、L2、L3、L4分別為高壓管線、立管、水龍帶、方鉆桿長(zhǎng)度，m；d1、d2、d3、d4分別為高壓管線、立管、水龍帶、方鉆桿的內(nèi)徑，cm；Q為排量，L/s；dpi為鉆桿內(nèi)徑，cm；dh為井眼直徑，cm；dhw為加重鉆桿外徑，cm；dhi為加重鉆桿內(nèi)徑；Lhw為加重鉆桿長(zhǎng)度，m；dp為鉆桿外徑，cm；Lp為鉆桿長(zhǎng)度，m；dci為鉆鋌內(nèi)徑，cm；L為鉆鋌長(zhǎng)度，m；dc為鉆鋌外徑，cm；Lp1為海底泥線到井底鉆柱的長(zhǎng)度，m；Lre為回流管線長(zhǎng)度，m；dre為回流管線內(nèi)徑，cm；dne為噴嘴當(dāng)量直徑，cm；di為噴嘴直徑（i=1，2，…，Z），cm；Z為噴嘴個(gè)數(shù)；va為鉆井液最低循環(huán)返速，m/s；Pr為額定泵功率，kW；Ps為海水鉆井泵功率，kW；Pb為鉆頭水功率，kW；PL為循環(huán)系統(tǒng)摩擦損失功率，kW；pr為額定泵壓，MPa；Qa為攜巖最低排量，L/s；Qmax為最大排量，L/ s；C為鉆井泵泵效；KL為系統(tǒng)循環(huán)壓耗系數(shù)。

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［4］侯芳，彭軍生. 海底泵舉升雙梯度鉆井技術(shù)進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2013，42（6）：68-71.

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［6］CHOE J. Analysis of riserless drilling and well-control hydraulics［J］. SPE drilling & completion, 1999, 14（1）: 71-81.

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（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯宋宇〕

Optimization design of hydraulic parameters for lift drilling system of
deepwater dual gradient subsea

LAI Minbin, FAN Honghai, PENG Qi, MA Guangxi, ZHANG Weifeng
（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

With regard to the over-narrow margin of formation pressure and fracture pressure in the deepwater drilling, Conoco Company and Hydril Company have jointly researched and developed the lift drilling technology of deepwater dual gradient subsea drilling fluid (Subsea Mudlift Drilling, hereinafter referred to as SMD). Based on the process principle of SMD drilling system and basic knowledge of drilling hydraulics, a hydraulic parameter calculation model suitable for the SMD drilling system has been established, and the optimization design of hydraulic parameter of SMD drilling system is done by targeting the maximum drill bit hydraulic power. The actual drilling data in the published literature overseas is verified. In the hydraulic parameter calculation model, the error between manifold pressure loss and actual pressure loss is within 6%, and the total error of circulating pressure loss is 4.3%. According to the calculation results, the hydraulic parameter calculation model has relatively high precision. The optimization calculation method of hydraulic parameter has important guiding significances for the deepwater drilling in China.

deepwater drilling; dual gradient drilling; SMD drilling; hydraulic parameter; optimization design

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0068 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.017

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“窄密度窗口安全鉆井技術(shù)與配套裝備”（編號(hào)：2011ZX05021-003）。

賴(lài)敏斌，1990年生。在讀碩士研究生，主要從事油氣井流體力學(xué)與控壓鉆井技術(shù)方面的研究工作。電話：15210877917。E-mail：295009055@qq.com。

2014-11-30）

引用格式：賴(lài)敏斌，樊洪海，彭齊，等. 深水雙梯度海底舉升鉆井系統(tǒng)水力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：68-71.