400 m级无隔水管泥浆回收系统研发及海试

无隔水管泥浆回收系统可以实现在开路钻井工况下进行泥浆回收循环再利用,具有安全环保、简化井身结构和降低钻探风险等优点。该技术在国外已发展多年并成功推广工业应用,国内目前尚处于跟踪研究阶段。本文介绍了我国首套400 m级无隔水管泥浆回收系统设计研发过程,并通过海试试验验证系统的各项功能及指标。结果表明,所研设备样机搭载于“海洋地质十号”船,设备装船适配合理,最大海试水深384.7 m,设备各项功能性均符合设计要求,成功实现泥浆液位的识别与自动控制功能,全流程验证无隔水管泥浆回收循环钻井技术可行性。

深水无隔水管钻井全井钻柱纵-横-扭耦合非线性振动模型研究

无隔水管钻井是一项极具发展前景的深水钻井技术。针对深水无隔水管钻井缺乏有效的动力学分析模型的实际,通过能量法、微元法结合哈密顿原理,建立了考虑钻井船位移、风海流、潮流、波浪载荷、井壁接触、钻头-岩石互作用、海水段-地层段互作用的深水无隔水管钻井全井钻柱纵-横-扭耦合非线性振动模型;通过拉格朗日和三次埃尔米特函数离散控制方程,采用Newmark-β对模型进行数值求解;采用现有海洋立管模拟试验数据、Moharrami扭转振动模型结果及Kyllingstad现场测试数据,对模型进行了详细对比验证。结果表明,该模型精度较好,可用于深水无隔水管钻柱的耦合振动分析。

无隔水管海底泵举升系统井底压力计算与分析

在无隔水管海底泵举升系统(riserless mud recovery system,RMR)钻井中,当钻井泵停止工作时,可能会发生U型管效应,而U型管效应的发生势必会导致井底压力处于不平衡状,发生溢流的概率将大大增加。为了能够在U型管效应发生期间,对井底压力进行控制,保持井眼稳定,通过建立RMR系统在停泵工况下的U型管效应环空返速数学模型,对RMR系统在该期间的环空返速和井底压力变化进行了模拟,分析了在恒定井底压力下海底泵入口压力和海底泵出口流量的变化规律。结果表明:海底泵入口流量越小,可调区间越大;钻井泵停泵前流量越大,维持井底压力恒定下的时间越短,钻井泵停泵前27、32、37、42 L/s时流量可调的截止时间分别为21、19、18、16 min。形成了适用于RMR系统在该期间进行井底压力控制的流量调节方法,为实际作业时的井控方法和操作提供了理论指导。

基于虚拟现实的海洋无隔水管修井作业设计

传统海上修井通常需要利用隔水管完成修井作业,该方法在作业过程中存在一定局限性,其布置和维护成本较高,且对海洋环境的适应性较差。海洋无隔水管修井作业通过消除传统隔水管的使用,降低了修井作业成本和风险。然而,该方法在操作复杂性和技术培训方面仍面临挑战。虚拟现实技术提供了一种创新的解决方案,通过模拟真实环境和设备,使得作业人员可在虚拟环境中进行修井作业的实时模拟,提前了解作业流程和设备操作,进而提高修井作业的安全性和效率。因此,本文以虚拟现实技术为基础,安全作业为导向,针对海洋无隔水管修井作业设计了一种创新的修井虚拟现实系统,实现了对修井设备的动态模拟仿真,为作业人员提供一种全新的训练和操作支持方式。首先,对海洋无隔水管修井设备的系统组成、设备布局以及运动规律进行了详细分析。依据分析结果,通过SolidWorks和3D MAX等软件,成功构建了修井设备的虚拟模型,并进行了精细化处理,虚拟模型能够近似地表征修井设备的外观和结构,包括各个组件和连接方式。其次,采用Unity3D三维虚拟引擎工具,借助其内置的脚本编程语言,实现了海洋修井设备信息查询、动态三维交互、作业流程仿真以及虚实交互控制等功能。通过第一人称视角和VR漫游视角,作业人员可在虚拟环境中与修井设备进行直接交互。以虚拟现实的方式使得作业人员能够提前进行操作训练和流程优化,进而提高修井作业的安全性和修井效率。然后,为实现修井设备的实时监测和数据管理,基于OPC UA协议采集传感器的实时数据,并利用MySQL数据库对修井设备信息进行统一管理。通过该方法可实时获取修井设备的各项参数和状态信息,并进行数据分析和故障诊断,进而提高修井作业的可靠性和可维护性。最后,通过实际案例进行应用分析,验证了基于虚拟现实的海洋无隔水管修井系统的优势和应用价值。相较于传统的操作方式,该系统能够显著提升作业效率和安全性,降低操作风险,并减少设备损坏和事故发生的概率。

深水无隔水管钻井液回收钻井技术

为解决深水钻井作业中遇到的复杂问题,挪威AGR公司进行了无隔水管钻井液返回钻井技术(RMR)研究。RMR技术在钻井中不采用常规海洋隔水管,而是用海底吸入模块将从井眼环空中返回的岩屑和钻井液分流出来,在海底泵的作用下通过一条小直径回流管线由海底返回至钻井平台,从而实现无隔水管钻井液循环。分析了RMR技术原理,介绍了海底吸入模块、海底举升泵模块、钻井液返回管线、控制系统等关键装备,概述了RMR技术在国外应用现状。对RMR技术今后发展提出展望,对国内应用推广该技术有一定指导意义。

无隔水管钻井泥浆举升系统参数计算

为解决深水钻井过程中遇到的难题,无隔水管钻井技术(RMR)使用单梯度泥浆,但通过将海底泵的入口压力减小到接近海水静液压力来模仿双梯度,系统在钻井过程中不再采用隔水管,岩屑和钻井液经一条小直径回流管线返回钻井平台。根据无隔水管钻井泥浆举升系统的参数要求和两相流理论,确定了举升系统的参数计算方法,对500 m水深举升系统参数进行计算和研究,分析了岩屑参数对举升系统参数的影响,得出颗粒的尺寸、体积分数是举升系统水力设计需要考虑的关键参数。研究结果为无隔水管钻井泥浆举升设备的设计提供了理论依据。

深水无隔水管钻井液回收钻井水力学计算

为解决深水钻井中遇到的一系列难题,国外研发出无隔水管钻井液回收钻井技术(RMR),该技术去除了隔水管,利用相对较小的回流管线将钻井液和钻屑从海底泵送回钻井平台。由于RMR技术是最新发展的技术,目前尚无合适的水力学计算理论和方法。根据无隔水管钻井液回收钻井系统的工作条件及特点,推导出无隔水管钻井液回收钻井系统的水力学计算公式,编制水力学计算软件,进行了算例分析,并与文献中数据进行了对比,验证了计算公式和程序的正确性。

海洋无隔水管修井的数字孪生框架与可视化交互

为保障海洋无隔水管修井作业安全,构建了修井数字孪生系统。设计了海洋修井数字孪生系统五维模型框架,包括修井系统物理实体、虚拟实体、虚实数据交互、人工智能数据分析、作业决策服务。通过SolidWorks构建三维模型,将其导入Unity 3D来建立场景,构建修井系统的虚拟实体,利用虚拟现实技术提升交互性;基于OPC UA协议采集可编程逻辑控制器的实时与历史数据,实现对修井设备的监测;采用MATLAB进行数据分析,构建修井响应模型,对故障信息进行有效诊断与分析,并为修井作业制定决策策略。通过案例讨论论证了海洋修井数字孪生系统的可行性。

深水钻井平台运动对无隔水管环境下钻柱的影响

深水无隔水管钻井环境下,裸露在海水中的钻柱受到复杂动力作用。在考虑深水钻井平台运动、波流共同作用情况下,建立了深水无隔水管环境下钻柱受力理论模型。算例分析表明,钻井平台的慢漂运动对裸露在海水中的钻柱变形和受力有一定的影响。在满足强度要求的情况下,尽量选用直径较小的钻柱。无隔水管环境下,裸露在海水中的钻柱在泥线以下的长度越长,则钻柱上部所受拉力越大,从而可使泥线附近钻柱段的变形和受力情况得到改善。

深水无隔水管钻井MRL选型及参数优化

无隔水管钻井液举升钻井是解决深水表层钻井难题的有效方案,钻井液举升管线作为该系统中海底钻井液返回平台的唯一通道,其选型和设计影响到整个系统的正常运行。在对钻井液返回管线(MRL)压耗分析的基础上,通过分析不同MRL规格对钻井液流速、压耗等性能的影响,得出适合于不同水深的MRL内径的解决方案;同时对不同水深作业情况下返回管线的选型进行研究,提出较浅水优先选用柔性管线,深水和超深水情况下选用钢制管线的选型原则。该研究对深水无隔水管钻井液举升钻井系统的研究具有一定的指导意义。

无隔水管泥浆回收钻井系统吸入模块密封胶芯非线性摩擦接触分析

建立无隔水管泥浆回收钻井系统密封胶芯及钻具二维轴对称有限元模型,使用非线性有限元方法计算密封胶芯与钻具间的接触压力大小,验证密封胶芯在无隔水管泥浆回收钻井中的可行性。研究摩擦因数变化对接触压力的影响,分析密封胶芯Mises应力峰值和钻具与胶芯间的摩擦力分布规律。结果表明:摩擦因数与胶芯密封面和钻具间的接触压力成非线性关系,胶芯主密封段接触压力随摩擦因数增大而减小,而胶芯锥形密封段和凸鼻形密封段的接触压力随摩擦因数增大而增大;胶芯Mises应力随摩擦因数增大而变大,且胶芯与钻杆接头上端接触时Mises应力峰值最大,容易导致胶芯破坏;胶芯与钻具间的接触面积基本不随摩擦因数变化而变化,摩擦力随摩擦因数的增大近似成线性增加;胶芯与钻杆接头接触时,摩擦力较大且增长显著,说明胶芯与接头接触时更容易发生磨损。

无隔水管钻井浅部地层井筒循环压耗分析

无隔水管钻井液回收钻井技术能够较好地解决深水浅部地层的钻井难题。基于圆管流量方程及其在环空中的推广应用,分别建立钻柱内和环空中钻井液全流态的井筒循环压耗计算方法。算例分析结果表明,层流状态下钻柱内和环空中循环压耗随排量增大均缓慢增加,而过渡流和紊流下循环压耗随排量增加的速度较快;RMR无隔水管钻井系统在钻井过程中存在一个临界排量,只有泵排量不小于临界排量才能够保证井筒循环的连续性;钻遇浅部地层时井筒压力中还是钻井液液柱压力起主导作用,循环压力的影响相对较小。研究内容可为我国开展深水无隔水管钻井提供一定的技术支持。

无隔水管钻井液返回管线对接接头设计与分析

钻井液返回管线对接接头对无隔水管钻井技术具有重要意义,由于国内无隔水管钻井技术发展缓慢,钻井液返回管线对接接头的研发尚处于起步阶段。鉴于此,针对南海1 500 m作业水深无隔水管钻井系统,设计了钻井液返回管线对接接头;同时提出无隔水管钻井液返回管线张紧力计算公式,计算了返回管线对接接头的张紧力载荷,并利用ANSYS有限元分析软件分别从张紧力载荷与海流载荷2种受力工况进行对接接头的强度校核。分析结果表明:对接接头满足无隔水管钻井工艺要求,强度符合要求,结构安全可靠;随着钻井液密度的增大,返回管线内径越大,对接接头所承受的应力越大。所得结果可为无隔水管钻井技术关键设备的设计提供理论依据。

无隔水管钻井技术临界排量分析

鉴于国内有关无隔水管钻井技术水力学研究较少,且循环压耗计算仍然基于适用性较差的钻井液流变模式的现状,采用罗-斯模式建立了适用于无隔水管钻井系统的全流态水力学分析方法,分析了泵排量随水深、井深的变化规律。分析结果表明,无隔水管钻井系统正常钻进过程中,应保持泵排量大于或等于临界排量,否则立管压力将为负数,钻柱内将出现U形管效应;钻柱内循环压耗对立管压力随排量变化的规律影响较大,环空循环压耗和钻头压降对其影响较小;不同深水条件下临界排量均随着井深的增加而减小,当井深相同时,水深较小的工况下临界排量较小。所得结论对无隔水管钻井系统平台泵排量的确定有指导意义。

无隔水管钻井液回收钻井系统井筒压力分析

基于Beggs&Brill两相流计算模型,结合无隔水管钻井液回收钻井系统(RMR)钻井技术特点,建立了适用于RMR浅表层钻井的环空压力计算模型。该模型考虑了:岩屑对钻井液密度的影响;气体膨胀、井筒温度、井筒压力对两相流持液率和气体密度的影响;泥线处的定压边界条件。分别讨论了钻井液排量、机械钻速、气侵量等因素对环空压力的影响。计算结果表明,随着钻井液排量和机械钻速的增加,环空压力增加;随着气侵量的增加,环空压力减小,其中气侵量对环空压力的影响较大。

气举技术应用于深海无隔水管泥浆回收钻井工艺可行性分析

无隔水管泥浆回收钻井技术作为新兴钻井技术,具有安全环保、简化井身结构和降低钻探风险等优点。传统的无隔水管泥浆回收钻井技术依靠水下泵将海底井口泥浆举升至甲板面,该方式对水下泵的举升能力及可靠性要求极高。未来深海钻井领域,水下泵将会是限制无隔水管泥浆回收钻井技术应用的“瓶颈”。本文借鉴陆地气举反循环钻井原理,利用气举技术部分或完全替代水下泵,分别从设备技术现状、流量可调性、适用环境、井控安全等方面探究气举用于无隔水管泥浆回收技术的可行性。结果表明,气举反循环技术及相关设备性能满足无隔水管泥浆回收的使用要求,而且具有上返流量可调、安全等特点,有较高的研究应用价值。

无隔水管钻井液举升泵速度调节数学模型

为增强无隔水管钻井井口压力控制效果,通过试验验证了叶片圆盘泵在一定转速范围内满足比例定律,在此基础上对叶片圆盘泵不同转速下的扬程与流量特性进行分析,建立叶片圆盘泵速度调节的数学模型。通过试验数据确定模型有关参数,将模型计算的转速与试验转速进行对比。对比结果表明,模型计算的转速与试验转速很接近,这表明该速度调节数学模型用于无隔水管钻井叶片圆盘泵速度调节具有较高的精度。

深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应特性研究

在深水无隔水管钻井系统中,海水段钻柱系统受到外部海洋载荷、顶部转盘扭矩以及底部钻头-地层作用力的影响,极易发生纵-横-扭三个方向的振动,导致钻柱发生强度降低、磨损及疲劳失效。为了对深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应进行研究,基于能量法、Hamilton变分、微元法和达朗贝尔原理,在考虑海流、钻井液流速和钻柱-井壁接触碰撞等因素的基础上,建立了无隔水管钻井钻柱的三维振动方程,并验证了其有效性,分析了雷诺数、速度比、波动钻压及钻柱转速等对钻柱振动的影响。研究结果表明:地层段钻柱的振动响应远没有海水段的大,并且横流向振动幅值也要小于顺流向振动幅值,但其振动频率却大于顺流向振动频率;适当增大速度比会减小海流对钻柱的激励作用,钻井液流速较高时会对钻柱振动产生较大影响;波动钻压幅值影响钻柱纵向振动的位移响应,但不影响纵向振动频率,现场钻柱可采用较小的波动钻压,以减小钻柱的纵向振动和扭转剪切应力,但应避开120和60 r/min的转速。所得结论可为无隔水管钻井钻柱的减振措施制定提供参考。

无隔水管海底泵举升系统循环温度变化动态模拟

由于无隔水管海底泵举升系统使用回流管线代替隔水管作为钻井液上返的通道,造成海水段钻井液注入与上返的路径成为了两个相互独立的单元,流体的换热方式发生了较大变化。为此,以系统的结构特点为依据,分段建立了其不同结构内的循环温度模拟动态分析模型,并对全系统的循环温度变化进行了动态模拟。研究结果表明,与Lima和Pereira等所建立的解析解模型相比,论文所建立的模型更贴合实际的钻进情况,且模拟的结果具备准确性;在钻井作业过程中,作业时长的变化会造成全系统的循环温度发生变化;钻井液的密度变化同样会使全系统的循环温度发生改变,但变化的趋势与作业时长不同;作业水深的改变主要会对海水段各结构内的循环温度造成影响,但对地层段相应结构的影响较弱。

轻型无隔水管作业船在水下井口油井修井中的应用

为了安全、高效、经济地进行水下井口油井的修井作业施工,研究利用特殊设计的动力定位工作船装配能够在水下控制井口作业安全的井控设备,不使用隔水管即可进行一定种类的修井作业。介绍了英国Helix公司研制的轻型无隔水管作业船配套技术设备,分析了其适用的主要修井类型及技术,并介绍了在一口有安全风险油井成功修井的事例。轻型无隔水管作业船作为半潜式钻机修井的一种替代船舶,适用于多种类型的水下井口修井作业施工,在水下油田的开发过程中发挥着重要作用。