CML双梯度钻井瞬态井筒温压耦合场

针对CML双梯度钻井井筒温压耦合场的相关研究较少。为此,基于CML双梯度钻井的工艺特点,考虑井筒内钻井液的流动特点以及温度、压力对钻井液物性参数的综合影响,建立了井筒温压耦合场数学模型,并结合钻井数据进行了数值计算和敏感性分析。计算及分析结果表明:返回管线与海水之间为单管横掠式传热,受到周围环境温度的影响较大,其温度分布与海水温度分布类似,井筒温度对钻井液密度的影响要大于压力的影响;在CML钻井中,通过动态调节钻井液帽的高度可以灵活控制井筒压力;通过对钻井液帽高度、泵压、排量进行优化设计,可以更好地满足对目标井底压力的控制需求。所得结论可以为深入研究CML双梯度钻井的控压钻井工艺设计提供理论参考。

CML双梯度钻井井筒温压场与泥浆帽优化

可控泥浆液面(CML)双梯度钻井作为一种应用于深水环境的控压钻井新方法,掌握其井筒流动规律对于控压钻井工艺设计具有重要意义,目前在该方面缺乏系统性的研究。为了探究CML双梯度钻井瞬态井筒温度与压力的分布规律,同时对窄压力窗口条件下的泥浆帽高度进行优化设计,根据CML双梯度钻井的工艺特点与钻井液循环流动特征,建立了井筒温度场和压力场物理模型以及瞬态井筒温压耦合场数学模型,利用有限差分和循环迭代方法对模型进行离散和求解。结果表明,钻井液循环过程中井筒内存在6个不同的传热区域,泥浆帽段环空内钻井液不参与对流换热,返回管线内的钻井液温度分布与海水温度分布相似;水下泵出口压力等于泥浆帽静液柱压力与泵压之和,随着泥浆帽高度增大,水下泵的泵压呈递减趋势;在给定压力窗口条件下,获得了钻井循环和停泵时的最优泥浆帽高度。该研究可以为CML双梯度钻井技术的理论研究与控压钻井工艺设计提供一定的参考。

双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征

双层连续管钻井是一种新型双梯度钻井技术,为了分析双层连续管钻井井筒ECD分布特征,研究基于双层连续管钻井工艺特点,考虑井筒温度、压力和岩屑浓度等参数影响,建立了双层连续管双梯度钻井井筒ECD计算模型,分析了钻井液排量和钻井液密度等因素对井筒ECD的影响规律。案例井计算结果表明,井筒ECD随着钻井液排量和密度的增加而增大,机械钻速的增加对井筒ECD的影响较小,双层管尺寸需结合井眼尺寸和循环压耗进行优选。双层连续管双梯度钻井可有效降低井底ECD,在钻井过程中可通过调整钻井液排量和密度实现井筒压力的动态控制,为应对深水钻井压力窗口窄和浅层易发生漏失等难题提供了一种有效的解决方法。

双梯度钻井技术原理研究

双梯度钻井技术是国外近年来提出的一种深水钻井技术新概念,已开发了相关设备和工艺,并开始进入工业应用。建立理论公式和仿真模型,对双梯度钻井技术原理进行了研究。就工程应用意义而言,双梯度钻井技术原理的实质含义主要是泥浆密度的可调范围变大。提出了双梯度钻井效果因子,可供工程应用参考。

深水双梯度钻井技术研究进展

深水双梯度钻井技术主要包括海底泵举升钻井液、无隔水管钻井、双密度钻井等,可以很好地解决深海钻井中的技术难题。目前已发展了多个双梯度钻井系统:Conoco公司和Hydril公司的海底钻井液举升钻井系统,Baker公司和Transocean公司的DeepVision钻井系统,Shell的SSPS海底泵系统,AGR Subsea公司的RMR无隔水管钻井液回收系统,MTI公司的空心微球双梯度系统以及路易斯安那大学的隔水管气举、稀释系统。与常规钻井比较,双梯度钻井优势明显,它能以更低廉的成本、更短的建井时间、更安全的作业、更高的产量实现深水油气勘探开发,因此,双梯度钻井技术在中国深水油气开发中具有显著的优势和巨大的潜力。

采用双梯度钻井优化深水井井身结构

针对深水钻井中因地层压力和破裂压力间隙过小引起的井身结构设计问题，提出采用双梯度钻井技术。介绍了双梯度钻井技术的基本原理，给出了海底泥线下井眼钻井液当量密度公式。根据传统井身结构设计方法和双梯度的井眼钻井液当量密度的变化规律，推导出套管下入深度的计算公式。结合深水钻井的特点，考虑钻井施工的特殊要求，开发了深水双梯度，钻井井身结构设计及优化程序。实例分析表明，与常规钻井方法相比，双梯度钻井井眼钻井液压力很好地匹配了地层压力和破裂压力之间的间隙。将去除使用2～3层套管鞋深度点，减少井眼和井口尺寸以及降低套管费用。双梯度钻井为深水钻井井身结构设计提供了一种新的优化方法，具有显著的经济效益和工业实用价值。

超深水海洋双梯度钻井技术

在海洋超深水钻井过程中遇到了一系列问题 ,为解决这些难题 ,石油工业提出了双梯度钻井技术的概念 ,并研制了海底钻井液举升系统。文中介绍深水海洋钻井所遇到的困难 ,双梯度钻井技术的概念和优点 ,海洋钻井液举升系统的组成。

注气法双梯度钻井隔水管环空温度场模拟

针对注气法双梯度钻井工艺特点,根据不同流型结构特点和传热特性,考虑隔水管环空流体与海水、隔水管环空流体与钻杆内流体的传热关系,建立注气法双梯度钻井隔水管环空多相流控制方程,并给出求解方法。模拟计算结果表明:随着水深增加,环空内流体温度降低,深水低温的影响越明显;随着液体流量增加,环空内温度升高,增幅降低。由于不同流型传热规律的差异,气体流量增加仅在部分井段对温度有较大影响,入口温度升高环空内温度会相应升高,保温层对温度分布影响明显,加装保温层会使环空最低温度高10℃以上。在实际钻井过程中为防止水合物的生成和钻井液胶凝,尽可能提高液相流量,同时隔水管加装保温层,地面循环系统加装加热装置提高钻井液温度。

深水空心球双梯度钻井技术

空心球双梯度钻井是由Mauler公司研发的一种新型深水钻井技术。在空心球双梯度钻井系统中，泥浆和空心球在钻井平台上混合并泵送到海底注入隔水管内稀释管内泥浆密度与海水相当，以实现双梯度钻井的目的。其中空心球材料可以是玻璃，塑料，复合材料，金属等。该系统的主要优点是除了在海底安装一个控制阀门之外，不需要增加其它新设备。本文简要介绍空心球双梯度钻井系统的工作原理和工艺流程，以及空心球注入、分离等关键技术，并对该技术的应用前景作了展望。

双梯度钻井U型管效应溢流监测方法研究

对于海底举升双梯度钻井系统,由于钻杆内和环空内液柱压力不平衡,产生U型管效应。虽然可以通过钻杆阀来防止U型管效应的发生,但是钻杆阀有时会失效,所以需要对U型管效应进行研究。发生U型管效应时,由于钻杆内的液体继续向环空流动,使得进入井筒的溢流很难被监测。常规判断U型管效应发生溢流的方法具有一定的延迟性。在U型管效应过程中,为了确保双梯度钻井的安全,需要及时发现溢流。文章基于Eular液体平衡方程,建立了U型管效应模型。根据模型研究了U型管效应过程中发生溢流与未发生溢流情况下钻杆内液体流速,钻杆内液面高度,井口返速和泥浆池增量随时间的变化规律,并进行对比分析,得出一种可以实时判断U型管效应过程中发生溢流的方法。该方法可以早期、准确、快速地发现溢流,提早井控措施,避免井控事故的发生。

双梯度钻井套管内压力隔断封隔器胶筒研究

双梯度钻井技术可解决深海油气和浅层水合物开发面临的疏松表层安全钻进和地层漏失压力低等难题。为研究双梯度钻井套管内压力隔断封隔器胶筒的力学性能,利用有限元仿真软件,分析不同摩擦因数、胶筒厚度、工作压力、环空间隙等因素作用下对胶筒变形的影响。采用正交试验对四种因素作用下胶筒的最大Mises应力值与接触压力值进行极差分析。结果表明:摩擦因数为0.3时胶筒与套管间接触压力取得较大值,双梯度钻井封隔器胶筒厚度优选为15 mm;在有效封隔2 MPa工作压力前提下,得出封隔器胶筒随钻柱滑动的最小摩擦力33845 N;影响胶筒最大Mises应力的主要因素为工作压力与环空间隙,影响胶筒与套管间最大接触压力的主要因素为工作压力与胶筒厚度。

隔水管气举双梯度钻井注气量计算及其影响因素分析

为了完善深水钻井的理论基础,研究了隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的计算方法。基于双梯度钻井过程中气液固多相流动特性,建立了对应的多相流动方程;结合一定的定解条件,得到隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的计算模型。利用该计算模型,可以设计隔水管气举双梯度钻井过程中的注气量,分析影响注气量的因素和影响规律。分析表明,钻井液密度、钻井液排量、水深以及隔水管顶部井口回压等参数变化时,注气量也大致呈线性变化,而且井口回压对注气量的影响最敏感。研究结果表明,利用多相流动理论研究隔水管气举双梯度钻井过程中注气量的设计方法是可行的,为今后开展双梯度钻井提供了理论依据。

隔水管充气双梯度钻井充气水深和充气速率研究

为确定隔水管充气双梯度钻井充气水深和充气速率,根据气液两相流漂移流理论,考虑气体流动过程中其体积受隔水管环空压力变化的影响,建立了隔水管环空压力计算微元模型,推导出了隔水管充气双梯度钻井充气速率计算模型,并利用现场试验数据验证了模型计算结果的准确性。以南海某深水井为例,利用所建模型分析了施工参数对隔水管充气双梯度钻井充气水深、泥线处环空压力和充气速率的影响。结果显示:进行隔水管充气双梯度钻井时,在0~300.00 m水深段充气对井底压力的调节效果最明显,反应最迅速;在300.00~1 100.00 m水深段,充气只起到辅助调节井底压力的作用;在水深超过1 100.00 m处充气实现双梯度钻井所需的充气速率非常大;井口回压较小时,通过充气调节海底泥线处隔水管环空压力的效率高。研究结果表明,进行隔水管充气双梯度钻井时,应根据水深选择充气点,合理配置充气管路。

基于井下分离的深水双梯度钻井参数优化

为解决深水窄压力窗口安全钻井问题,设计了一种基于井下分离的新型深水双梯度钻井方式,通过室内实验验证了井下分离的有效性和实现井筒双梯度的可行性,对钻进过程中的动态井筒压力进行计算,并针对该钻井方式建立了钻井参数(包括分离器位置、分离效率、注入体积分数、钻井液密度、井口回压、排量)优化模型。通过实例分析了不同控制参数条件下及不同窄安全压力窗口下的钻井参数优化问题,结果表明井筒压力剖面得到优化,可适应深水窄压力窗口,实现更大钻进深度;利用最优化模型,可以获得更小的钻井井底压差,从而提高钻速,同时保护储集层;优化过程中始终保证动态变化的井筒压力在安全压力窗口内,可有效避免因压力不平衡导致的井下复杂情况。

气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量变化规律研究

为了准确掌握气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化规律,基于井筒气液两相流动理论,建立了考虑密度突变的气液两相流模型,分析了气侵条件下环空出口流量的变化,并探讨了不同因素变化对环空出口流量变化率的影响。研究发现:气体前沿到达分离器位置时,环空出口流量变化率明显突增;分离器位于泥线以下时,环空出口流量发生突增的时间要早于隔水管底端见气时间,有利于更早地识别气侵;低密度/高密度钻井液密度差、气侵量、排量、分离器位置、井深和井口回压等因素对环空出口流量变化率的影响程度依次降低。研究结果表明,考虑密度突变的气液两相流模型,可以准确预测气侵条件下新型双梯度钻井环空出口流量的变化情况,并为新型双梯度钻井早期溢流监测提供理论依据。

深水CML双梯度钻井钻井液液位高度优化设计

为了优化井筒压力剖面,实现更大的钻进深度,建立了CML双梯度钻井钻井液液位高度优化模型。模型以地层压力窗口为约束条件,以井底压差最小化作为优化目标,对钻井液液位高度进行优选。通过案例分析了钻井液密度、泥浆泵排量、安全余量等参数对优化结果的影响。研究结果表明,相比于泥浆泵排量,最大钻进深度、井底压差与最优钻井液液位高度受钻井液密度的影响更显著;相比于不考虑安全余量,考虑安全余量会使井筒压力更加安全地落在压力窗口内,但会明显降低最大钻进深度。采用优选后的钻井液液位高度,既能实现更大的钻进深度又能降低井底压差,同时保护储层。

基于井下分离的深水双梯度钻井早期气侵监测新方法

为实现基于井下分离的深水双梯度钻井早期气侵监测,基于井筒气液两相流理论,建立考虑密度突变的气液两相流模型。通过实例对比气侵发生后深水双梯度钻井和常规单梯度钻井环空出口液相表观速度和出口流量变化规律的差异性,分析不同井深、气侵量、分离器位置、重/轻质钻井液密度差、排量及井口回压条件下的环空出口流量变化。结果表明气侵发生后,当气体前沿到达分离器位置时,深水双梯度钻井环空出口液相表观速度和流量变化率均发生二次突增;井深越深、气侵量越小、分离器与钻头间距越小、重/轻质钻井液密度差越小、排量越大,均会导致突增后的环空出口流量变化率减小;通过监测环空出口流量的早期气侵监测新方法在气体前沿到达分离器位置时即可进行气侵识别,有利于更早地发现气侵并及时采取控制措施,保证深水钻井安全。

双梯度钻井分离器设计及其分离效率的研究

针对目前双梯度钻井中分离器的分离效率低的技术难题,设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器。对过滤分离器的结构以及工作原理进行了介绍,基于分离器的结构,建立了工具的物理模型,依据给定的边界条件对其进行了强度校核,验证了工具的可靠性。根据工具的内部流场结构,建立了流体域物理模型,并结合多孔介质模型和欧拉多相流模型对分离器内部流场以及分离效率进行了研究,通过室内试验对分离效率进行了进一步的验证。验证结果表明,过滤分离器能够对空心球实现高效分离,其中最高分离效率可以达到98%,且过滤分离器的强度也满足安全需求。该研究突破了分离器分离效率不高的技术瓶颈,显著提升了注空心球双梯度钻井方式的可行性。

双梯度钻井关键工具及井筒压力动态变化规律

为了解决注空心球双梯度钻井中分离器的分离效率不高的问题,对井筒压力的动态变化规律进行了研究。设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器,并通过数值模拟与室内试验进行了验证,过滤分离器最高分离效率可以达到98.5%。建立了空心球分离进入环空时所产生的波动压力数学模型,结合该模型并考虑空心球的体积分数、钻井液排量、分离器位置以及机械钻速的动态变化,进一步建立了井筒压力动态变化的数学模型。基于钻井数据进行了算例计算和影响因素分析。研究结果表明:在分离器位置处,井筒压力分布存在明显拐点,而环空中钻井液密度分布存在突变;通过动态调节空心球体积分数和分离器位置等关键参数可以灵活调节环空中轻质钻井液的密度大小、液柱长度以及随钻井底压力的大小,从而实现对随钻井底压力的实时预测。研究结果可以为窄压力窗口条件下的安全钻进提供理论基础与技术支撑。

双梯度钻井隔水管中气体运移过程试验研究

双梯度钻井技术是近年来发展起来的一项新技术,可解决深水钻井作业的诸多复杂问题。其中可控钻井液液面系统隔水管中的气体运移是双梯度钻井作业首要考虑的问题,如果处理不当,则会对作业人员、钻机和井构成极大威胁。鉴于此,美国得克萨斯A&M大学的研究人员通过室内试验研究,探讨了钻井过程中隔水管中气体运移的物理过程。试验结果表明:高钻井液流速能够消除单个气泡,形成更加分散的气泡体系,从而有助于气体排出;在低入口流量下,当气体到达三通管处时,气泡尺寸变大,并在较短时间内向上运移至隔水管模型顶部,排出的气体较少;气体运移受排出速率的影响,在高排出速率下,大气泡快速运移至三通管处,然而,一旦气泡运移至排出管线以上的某一点处,运移也相应放慢。试验结论对于推动我国双梯度钻井技术的发展具有重要的参考作用。