陳浩文 ，于彥江 ，王艷麗 ，秦如雷 ，田烈余 ，王 偲 ，殷國樂 ，王林清*，謝文衛(wèi) 1，，馮起贈(zèng) 1，

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510075；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458）

0 引言

海洋約占地球表面的71%，蘊(yùn)藏了豐富的油氣、天然氣水合物和固體礦物等能源資源，是人類重要的能源保障基地和戰(zhàn)略活動(dòng)空間。同時(shí)海洋也是解決生命起源、地球演化、氣候變化等重大科學(xué)問題的前沿領(lǐng)域。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“建設(shè)海洋強(qiáng)國是中國特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分，要進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，推動(dòng)我國海洋強(qiáng)國建設(shè)不斷取得新成就”。《國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景綱要》中強(qiáng)調(diào)，要圍繞海洋工程、海洋資源、海洋環(huán)境等領(lǐng)域突破一批關(guān)鍵核心技術(shù)。

海洋鉆探是獲取海底地層信息最直觀準(zhǔn)確的方法，也是海洋資源勘查開發(fā)最主要的手段之一。海洋鉆探通常采用開路鉆井或隔水管鉆井工藝。采用開路鉆井時(shí)，泥漿從海底井口上返后直接排海，不但造成海洋環(huán)境污染，同時(shí)造成大量泥漿消耗；采用隔水管鉆井工藝時(shí)，雖然可實(shí)現(xiàn)泥漿的回收，但隔水管體積及質(zhì)量大，施工作業(yè)效率低，泥漿循環(huán)壓力易導(dǎo)致淺部軟弱地層壓裂漏失［1］，且通常使用水深限制在3000 m 以內(nèi)。針對(duì)以上難題，國外石油公司已進(jìn)行了多年技術(shù)研究，其中挪威AGR 公司研發(fā)的無隔水管泥漿回收鉆井技術(shù)（Riserless Mud Recovery，以下簡稱RMR）可較好地解決上述問題［2］，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但目前RMR 技術(shù)常用于500 m 水深左右的鉆井中，國外最大應(yīng)用水深為1419 m，對(duì)于應(yīng)用水深＞2000 m 的傳統(tǒng)RMR 鉆井工藝的使用目前存在諸多挑戰(zhàn)。

1 RMR 工藝

RMR 技術(shù)在鉆井過程中不使用隔水管，而采用單獨(dú)的管線作為泥漿上返的通道，通過海底舉升泵將海底吸入模塊內(nèi)的泥漿泵送至甲板面固控系統(tǒng)，完成水下井內(nèi)泥漿的回收利用［3］。RMR 系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：海底舉升泵、泥漿上返管線、吸入模塊、臍帶纜及絞車、控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等［4］。其中泥漿舉升泵作為RMR 系統(tǒng)核心部件，其主要作用是為上返的泥漿提供動(dòng)力，舉升泵的揚(yáng)程決定了整個(gè) RMR 系統(tǒng)的適用水深［5］。

圖1 RMR 系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the RMR system

進(jìn)行泵揚(yáng)程計(jì)算時(shí)，首先要考慮泵的流量應(yīng)滿足其“驅(qū)動(dòng)泥漿上升的速度＞顆粒群沉降速度”的條件。同時(shí)需綜合考慮現(xiàn)有鉆井泵的排量范圍，選擇與之范圍重合的舉升泵，以滿足RMR 系統(tǒng)變排量舉升功能的實(shí)現(xiàn)。顆粒群沉降速度可參考文獻(xiàn)［6］中列出的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Wt——顆粒臨界沉降速度；Wgt——顆粒群臨界沉降速度；ξ——修正系數(shù)；Sf——結(jié)合顆粒形狀系數(shù)；ρs——顆粒密度；ρdf——鉆井液密度；d——管道直徑；Cv——流量系數(shù)。

泵的揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)工程需要來確定，也即需滿足“沿程壓降+凈舉升高度≤最小揚(yáng)程”這一最低要求。其中沿程壓降是泥漿沿著管路輸送時(shí)由于摩擦產(chǎn)生的壓力損失，單位壓力損失即為水力坡度Jm；凈舉升高度為船舶甲板與海面間的凈空高度（氣隙）。

水力坡度Jm的計(jì)算公式為：

式中：ρsw——海水的密度，kg/m3；D——管道內(nèi)徑，mm；Δ——管道粗糙度，取值0.30 mm；Vm——實(shí)際提升速度，m/s。

計(jì)算出水力坡度Jm后，即可計(jì)算泵的最小揚(yáng)程：

式中：L——管道長度，m；Hag——船舶的氣隙，m。

通過上述公式可以看出，在鉆遇地層相同情況下，舉升泵揚(yáng)程與ρdf（鉆井液密度）、Δ（管道粗糙度）、L（管道長度）、Hag（船舶的氣隙）等參數(shù)成正比，與D（管道內(nèi)徑）成反比。對(duì)于深海鉆井使用RMR系統(tǒng)時(shí)，隨著管道長度增加，對(duì)舉升泵功率要求相應(yīng)提高，由此可見，制約RMR 技術(shù)應(yīng)用于深海的因素主要是海底舉升泵的舉升能力。

因此，泵舉RMR 工藝用于深海鉆探時(shí)需克服以下難題：（1）泵揚(yáng)程要求高，采用多泵串聯(lián)功率需求大；（2）多泵串聯(lián)時(shí)，若其中1 個(gè)泵損壞，則整個(gè)系統(tǒng)失效，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；（3）舉升泥漿中含有大量巖屑等固相顆粒，舉升泵長期運(yùn)轉(zhuǎn)易造成泵葉輪及導(dǎo)殼的磨損。在此可借鑒氣舉反循環(huán)鉆井工藝，利用氣舉原理，可降低舉升泵的能力要求，提高RMR系統(tǒng)的可靠性。

2 氣舉反循環(huán)鉆井工藝

氣舉反循環(huán)鉆井工藝已成熟應(yīng)用于陸地水井、地?zé)峋暗V山工程井等陸地鉆井及洗井中，是大口徑鉆探及深井鉆探施工最為有效的工藝方法［7］。氣舉反循環(huán)鉆井工藝具有在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)安全可靠、鉆頭壽命長、攜渣能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［8］。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在我國的地質(zhì)勘探領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，最大使用孔深已超過4000 m。

氣舉反循環(huán)原理如圖2 所示，采用注氣管向鉆桿內(nèi)注入高壓空氣，高壓空氣進(jìn)入鉆桿內(nèi)部后與鉆井液混合形成密度較低的氣水混合液，使鉆桿內(nèi)外流體的密度產(chǎn)生差異，根據(jù)U 型管原理，鉆桿外部的鉆井液會(huì)持續(xù)不斷從鉆桿底部鉆頭處進(jìn)入到鉆桿內(nèi)部，形成反循環(huán)，同時(shí)將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑攜帶至地面。

圖2 氣舉反循環(huán)原理Fig.2 Principle of gas lift reverse circulation

陸地鉆井中常用的氣舉反循環(huán)鉆井系統(tǒng)配置如圖3 所示。主要由鉆機(jī)、空壓機(jī)、氣水龍頭、雙壁主動(dòng)鉆桿、雙壁鉆桿、氣水混合器、氣舉反循環(huán)用鉆頭等組成?？諌簷C(jī)產(chǎn)生高壓空氣輸送至氣水龍頭，經(jīng)氣水龍頭配氣后高壓空氣沿雙壁主動(dòng)鉆桿/雙壁鉆桿環(huán)狀間隙輸送至氣水混合器處，氣水混合器將高壓空氣與雙壁鉆桿內(nèi)管中的水混合形成氣水混合液，從而形成氣舉反循環(huán)。

圖3 氣舉反循環(huán)鉆井系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of the gas lift reverse circulation drilling system

3 氣舉技術(shù)用于RMR 工藝可行性分析

將氣舉技術(shù)與泵舉原理相結(jié)合，利用氣舉效應(yīng)替代一部分泵的揚(yáng)程需求，形成氣舉+泵舉聯(lián)合舉升系統(tǒng)方案，方案如圖4 所示。在傳統(tǒng)RMR 系統(tǒng)配置基礎(chǔ)上，增添了空壓機(jī)、注氣管線及氣水混合器等設(shè)備。氣舉用于RMR 泥漿舉升優(yōu)勢非常明顯，主要有：

圖4 氣舉+泵舉聯(lián)合舉升方案Fig.4 Combined gas lift+ pump lift plan

（1）降低舉升泵能力要求，使RMR 工藝能夠用于更深的海洋鉆探中。

（2）減少水下舉升泵數(shù)量甚至完全替代，簡化RMR 系統(tǒng)中的水下設(shè)備，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）氣舉過程不存在泵舉時(shí)固相顆粒磨損葉輪及導(dǎo)殼情況，提高系統(tǒng)壽命，減少維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間，并且氣舉系統(tǒng)主要設(shè)備均在甲板之上，方便日常維護(hù)保養(yǎng)。

現(xiàn)分別從設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀、流量可控性、適用環(huán)境、井控安全等方面進(jìn)行分析，探討氣舉技術(shù)用于RMR 工藝的可行性。

3.1 設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀分析

氣舉技術(shù)用于RMR 工藝主要增加的設(shè)備為空壓機(jī)，注氣管線和氣水混合器。

3.1.1 空壓機(jī)

空壓機(jī)可輸出一定壓力和流量的壓縮空氣，為驅(qū)動(dòng)鉆井液循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力［9］。考慮鉆井船作業(yè)時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況切換不同鉆井工藝，同時(shí)鉆井船空間有限，故空壓機(jī)無需置于船艙內(nèi)部，采用橇裝結(jié)構(gòu)（圖5），當(dāng)采用RMR 鉆井工藝時(shí)，直接將空壓機(jī)布放至甲板適當(dāng)位置即可。而且，氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)專用空壓機(jī)不同于常規(guī)空壓機(jī)，要求高壓力、低風(fēng)量［10］，性能參數(shù)如表 1 所示。由表 1 可知其總功率并不大，在大多數(shù)鉆井船電力負(fù)載范圍內(nèi)，而且橇裝結(jié)構(gòu)的空壓機(jī)可移動(dòng)搭載，適用于多種型號(hào)鉆井船。

圖5 橇裝式空壓機(jī)Fig.5 Skid?mounted air compressor

表1 空壓機(jī)參數(shù)Table 1 Air compressor parameters

目前陸地常用的氣舉反循環(huán)空壓機(jī)滿足RMR泥漿舉升能力需求，考慮到使用環(huán)境為海上作業(yè)，故機(jī)械部件防腐、電子元件防侵蝕等方面需進(jìn)行特殊噴漆處理；同時(shí)海上作業(yè)時(shí)涌浪影響，會(huì)造成空壓機(jī)的搖擺晃動(dòng)，對(duì)于潤滑系統(tǒng)需進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3.1.2 注氣管線

陸地氣舉反循環(huán)鉆井時(shí)，考慮到鉆進(jìn)過程鉆桿需進(jìn)行回轉(zhuǎn)，故注氣管線與鉆桿合二為一設(shè)計(jì)為雙壁鉆桿形式［11］（圖 6），但在 RMR 作業(yè)時(shí)，泥漿上返管線無回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以在此可簡化為并列管形式（圖7），同時(shí)可通過卡箍將注氣管線與直徑較大的泥漿上返管線固定，防止海流等作用下造成注氣管線的損壞。

圖6 雙壁鉆桿Fig.6 Dual wall drill pipe

圖7 并列管形式Fig.7 Parallel pipe gas lift reverse circulation

注氣管線輸送介質(zhì)為高壓空氣，同時(shí)工作環(huán)境為水下，可采用專用高壓海管（見圖8）。主要由內(nèi)膠層、應(yīng)力分散層、增強(qiáng)骨架層、中間膠層和外部橡膠層等組成，具體性能參數(shù)要求如表2 所示。

圖8 高壓海管結(jié)構(gòu)形式Fig.8 High?pressure submarine hose structure

表2 注氣管線性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the gas injection hose

3.1.3 氣水混合器

氣水混合器主要作用為將高壓空氣與泥漿上返管線內(nèi)的泥漿相混合，原理結(jié)構(gòu)可借鑒陸地鉆井用氣水混合器結(jié)構(gòu)（圖9），考慮到使用工況，材質(zhì)可選擇耐磨、耐腐蝕的雙相不銹鋼。

圖9 氣水混合器結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Structure of the gas?water mixer

3.2 上返流量調(diào)節(jié)分析

使用RMR 工藝鉆井時(shí)，要求吸入模塊內(nèi)泥漿液位動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。由于在鉆井過程中隨時(shí)會(huì)發(fā)生井漏、井涌等現(xiàn)象，所以吸入模塊內(nèi)上返的流量時(shí)刻變化，因此需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)舉升泵流量，達(dá)到泥漿液位動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的目的［12］。若氣舉技術(shù)用于RMR 泥漿舉升，則需滿足上返流量可調(diào)。

根據(jù)陸地氣舉鉆井可知，上返流量并非一成不變的，其隨著空壓機(jī)注氣量變化而改變，具體趨勢為上返流量開始隨著注氣量增加而增加，當(dāng)供氣量增大到某一臨界值后，上返流量會(huì)隨著空壓機(jī)注氣量增大而減少，此趨勢在不同井深、不同井徑下均存在。主要原因?yàn)楫?dāng)注氣量較小時(shí)，鉆桿內(nèi)鉆井液氣體含量較少，鉆桿內(nèi)外壓力差較小，因此上返流量較小。隨著注氣量的增加，鉆桿內(nèi)外壓力差開始增大，氣水混合流體的流速增大，上返流量也隨之增加。然而隨著注氣量繼續(xù)增加超過某一臨界值時(shí)，由于氣水混合流體中含氣量過高，液體所占比例降低，液體排量開始下降。

3.3 適用環(huán)境分析

陸地氣舉反循環(huán)鉆井中，要求鉆孔內(nèi)盡可能多地充滿水或泥漿，這樣才能形成U 型管效應(yīng)，產(chǎn)生氣舉，因此常常在鉆井過程中還會(huì)往孔內(nèi)補(bǔ)充水或泥漿［13］。但當(dāng)氣舉用于RMR 工藝時(shí)，由于海水的存在，則不存在此問題，利于氣舉作業(yè)。

除此之外還需考慮水深的影響。根據(jù)氣舉原理及陸地施工經(jīng)驗(yàn)，只有當(dāng)氣水混合器下入足夠深時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生氣舉現(xiàn)象。結(jié)合RMR 目前技術(shù)現(xiàn)狀，建議水深＜500 m 時(shí)，采用泵舉；水深＞500 m 時(shí)，可添加氣舉技術(shù)。需要注意的是，開展氣舉RMR 作業(yè)時(shí)，由于海水的存在，氣水混合器的沉沒比無特殊要求，但考慮到實(shí)際使用效果，仍需滿足一定條件，即：

式中：h——甲板面至氣水混合器的距離；H——?dú)馑旌掀髦了戮诘木嚯x。

根據(jù)陸地氣舉反循環(huán)使用經(jīng)驗(yàn)，n＞1/4 時(shí)，氣舉效果較為理想［14］。參見圖10。

圖10 氣舉+泵舉示意Fig.10 Schematic diagram of gas lift+ pump lift

3.4 井控安全

鉆井過程中會(huì)存在井涌、井噴和有害氣體溢出等情況［15］。對(duì)于隔水管鉆井時(shí)，上述情況尤為危險(xiǎn)，因?yàn)楦羲艿拇嬖冢瑖姵龅牧黧w會(huì)通過隔水管到達(dá)鉆井平臺(tái)，造成事故；對(duì)于RMR 工藝，由于沒有隔水管的存在，噴出的流體僅從吸入模塊噴出至海水，不會(huì)直接到達(dá)鉆井平臺(tái)。

而如果將氣舉技術(shù)應(yīng)用于RMR 工藝中，僅僅是將氣體注入上返管線內(nèi)，助力泥漿舉升上返，增加的氣舉設(shè)備不影響RMR 工藝在井控安全方面的優(yōu)點(diǎn)。但需要注意，由于泥漿上返管線的存在，噴出的流體仍有上返通道，因此當(dāng)檢測到有井涌、井噴和有害氣體溢出等情況時(shí)，需要馬上停止空壓機(jī)及舉升泵，必要時(shí)還需關(guān)閉上返管線，防止事故發(fā)生。

4 結(jié)論及展望

（1）目前陸地用氣舉反循環(huán)相關(guān)設(shè)備性能滿足RMR 使用要求，針對(duì)海洋環(huán)境中腐蝕、涌浪等影響進(jìn)行針對(duì)性的改造即可。

（2）氣舉技術(shù)滿足RMR 鉆井過程中上返流量可調(diào)的要求。

（3）海洋環(huán)境更有利于氣舉效應(yīng)的產(chǎn)生，對(duì)于水深＞500 m 環(huán)境下推薦氣舉使用，為達(dá)到較好的氣舉效果，氣水混合器下深還需滿足n＞1/4。

（4）RMR 鉆井工藝相較于隔水管鉆井工藝，在井控安全方面更有優(yōu)勢，對(duì)于氣舉技術(shù)的加入，并未影響RMR 井控安全方面的優(yōu)越性。

綜上，氣舉技術(shù)可應(yīng)用于深海無隔水管泥漿回收鉆井中，并具有諸多優(yōu)勢。對(duì)于后續(xù)的研究，需繼續(xù)探究氣舉注氣量、泥漿舉升泵排量和泥漿上返流量等各參數(shù)之間的耦合關(guān)系。