深水无隔水管泥浆举升钻井系统配置及安装流程

在对深水无隔水管泥浆举升钻井系统关键设备和水力学计算结果分析的基础上,提出了水深500m和1 500m情况下的无隔水管泥浆举升系统配置方案。针对不同水深情况,给出系统布放方案选择的原则,提出舷侧布放和月池布放2种方案,并对不同布放方案的优缺点进行分析。结合目前无隔水管泥浆举升钻井工艺应用情况,对不同水深情况下系统安装的平台准备和水下设备下入流程进行分析。通过对无隔水管泥浆举升钻井系统与现有海洋装备的匹配及其配置与安装流程制定的研究,对于经济有效地达到钻井目标具有重要指导意义。

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。

无隔水管钻井泥浆举升系统管路特性计算与分析

无隔水管钻井技术使用海底泵举升系统将钻井液和岩屑通过返回管线泵送回海面钻井船,能解决深水钻井地层破裂导致的相关问题,在国外获得了广泛的应用。选用冥律流体沿程压力损失算法,确定了深水泥浆返回管路所需压头的计算方法;对影响管路特性的因素进行深入分析,得出系统的工作水深、钻井液密度和工作流量是设计泥浆举升系统最重要的参数;同时应充分考虑钻井过程中钻井液固相颗粒体积分数、流性指数和稠度系数变化带来的影响,为深水泥浆举升系统的设计提供了理论基础。

海底泥浆举升钻井系统钻遇天然气水合物时的动态风险分析

海底泥浆举升钻井(Subsea Mud Lift Drilling,SMD)系统属于双梯度钻井系统。在钻井过程中遇到天然气水合物层(Natural Gas Hydrate,NGH)时,NGH的分解和二次生成造成了重大的风险。为了预测风险事故,对环境因素和设备因素进行了分析。首先,在建立蝴蝶结模型后,利用映射算法将其转化为贝叶斯网络(Bayesian Networks,BN);其次,考虑不确定性影响,在BN中进行不确定性建模;然后,考虑设备因素的动态不确定性,通过转移概率矩阵将建立的BN转化为不确定性动态贝叶斯网络(Uncertain Dynamic Bayesian Networks,UDBN)。此外,还利用模糊理论和专家判断来量化设备故障的先验概率。结果表明,钻遇NGH层时,钻井风险概率比正常工况下有所增加。由于有天然气水合物的影响,发生风险的概率也变得具有不确定性。

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。

随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

控压钻井(managed pressure drilling,MPD)技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头(rotating control device,RCD),其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论,考虑管内高压和钻井液流速的影响,采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型,采用Newmark-β积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解,并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析,算例表明,一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa,钻井液流速为2 m/s,钻井液密度为1600 kg/m^(3)时,隔水管端部轴向位置改变量在0.5~0.6 m之间波动;当进一步考虑平台慢漂运动时,隔水管端部轴向位置改变量在0.2~0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围,从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

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。

深海钻探泥浆举升系统双泵协同机制研究

深海钻探泥浆举升系统在无隔水管泥浆循环钻井(RMR)工艺中具有关键作用。为了提升举升系统的安全余量和适应性,本文对多泵串并联机制进行了深入研究,详细描述了泥浆举升泵的串并联结构设计和工作原理,探讨了串联和并联运行时流量与扬程的关系以及泵组串并联工况点的数解法和图解法步骤。进一步地,利用模型泵实测特性曲线,使用图解法获取了双泵串并联工况下的Q-H特性曲线和工况点,并提出了双泵协同控制的建议。

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

深水无隔水管钻井液多级举升系统泵参分析

深水无隔水管钻井技术主要解决海洋钻井中地层破裂压力与坍塌压力之间余量较小的问题。该技术除去了隔水管,利用内径较小的钻井液回流管线将钻井液和岩屑从海底送回钻井平台。但在深水钻井过程中,由于水深较大而要求举升泵的扬程很大,而目前的工艺技术还达不到此要求。因此,业界提出了钻井液多级举升技术,将举升泵串联通过多级举升而将钻井液和岩屑返回地面。根据无隔水管钻井泥浆多级举升系统的理论要求,确定了举升系统参数的计算方法,并以3000m水深为例,分析了不同因素对举升泵参数的影响,研究结果可为泥浆多级举升技术提供理论依据。

深水钻井隔水管连接作业窗口分析

采用通用组合确定准则和非线性搜索方法研究深水钻井隔水管连接作业窗口,建立隔水管-井口-导管整体有限元分析模型,并以钻井平台偏移值、表面海流流速和伸缩节冲程组合参数形式确定隔水管连接作业窗口。研究表明,隔水管钻井窗口总体上呈倒锥形:表面海流流速较小时(小于1.0 m/s),钻井窗口主要受底部挠性接头转角的影响,顺流方向海流流速增加会增大底部挠性接头转角,减小允许的平台最大偏移值,逆流方向相反;当表面海流流速超过1.0 m/s时,钻井窗口主要受顶部挠性接头转角的影响,此时在逆流方向海流流速增加会显著增大顶部挠性接头转角,导致钻井窗口迅速缩小。隔水管连接非钻井和启动脱离程序窗口主要受导管最大等效应力限制,随海流流速增大向逆流方向偏移。另外,通过对隔水管连接作业窗口影响因素进行分析,可知适当提高顶张力和降低钻井液密度可有效扩展隔水管的钻井窗口。

超深水钻井隔水管设计影响因素

超深水钻井隔水管设计的影响因素主要为环境因素与作业因素,前者主要包括水深、波浪、海流,后者主要包括钻井液密度、脱离后隔水管系统悬挂模式、浮力块分布、涡激抑制设备等。系统总结了超深水钻井隔水管设计影响因素,研究了各因素影响隔水管设计的机理,定性或定量分析了各因素对隔水管设计的影响。研究表明,水深和海流是隔水管设计最显著的影响因素,水深增加导致隔水管材料、结构、配置产生重大变化,海流导致隔水管产生涡激疲劳,并增加隔水管下放与收回的难度。悬挂模式影响隔水管系统的浮力系数和浮力块分布,涡激抑制设备造成隔水管作业困难,钻井液密度影响隔水管的有效张力和底部球铰转角进而影响隔水管系统的稳定性。相关结论可为超深水钻井隔水管设计、配置、作业、管理提供参考。

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。

深水钻井气侵溢流发展规律及隔水管气侵监测优势

随着石油勘探开发迈向深水超深水,利用隔水管的长度优势、在隔水管底部对气侵进行早期监测的新思路成为研究的热点之一。从深水钻井气侵气体运移的基本规律出发,通过建立深水钻井井筒气液两相流计算模型,分析不同水深、泥线以下深度、井底压差、地层渗透率等工况下气侵气体的运移规律及其与溢流量的关系。结果表明:对于水深大于800 m、泥线以下深度小于2 800 m、地层渗透率小于50×10^(-3)μm^2的深水钻井,在隔水管底部对气侵进行监测比常规的泥浆池液面监测法更具时效性优势,且水深越深,泥线以下深度越小,地层渗透率越小,井底压差越小,该优势越明显。

海洋深水钻井隔水管变形及载荷分布规律研究

随着海洋油气钻井向深水领域发展 ,钻井隔水管的受力越来越复杂 ,随着水深的增加 ,钻井隔水管的力学分析显得越来越重要。为此 ,文章建立了深水钻井时在海流、波浪等海洋环境载荷的作用下 ,隔水管静态分析及动力学分析的三维有限元力学模型 ,在研究中 ,考虑了隔水管在外载作用下的小应变大变形和轴向力影响的特点 ,引入了非线性理论 ,因而计算结果更加符合实际情况。考虑了隔水管所受的三维载荷 ,对深水钻井隔水管的变形及载荷分布规律进行了计算分析。对于深水钻井隔水管 ,水下中间部位的变形最大 ;而在隔水管靠近水面的位置 ,其弯曲载荷最大 ,而现场隔水管失效事故也恰好证实了此研究结果 ,揭示了深水钻井隔水管失效的力学机理。在弯曲载荷大的位置 ,应特别注意隔水管的强度问题。文章还分析了风浪流速度、波浪周期。

深水钻井隔水管顶张力计算方法

通过隔水管受力分析,提出了既能保证隔水管稳定性又能满足底部过提力要求的深水钻井隔水管顶张力计算方法,以南中国海某超深水井为例对其进行验证,并与两种常用计算方法进行了对比。基于管柱力学原理,分析了真实轴向力与有效轴向力对隔水管力学行为的影响,结果表明:真实轴向力决定隔水管底部对隔水管总成的拉力,有效轴向力决定隔水管稳定性。通过隔水管在内、外压作用下的受力分析,建立相应的力学模型,推导出新的顶张力计算方法,弥补了美国石油协会(API)算法和法国石油学院算法的不足。现场应用实例分析结果表明:采用该方法计算的顶张力设置值与现场实际作业时顶张力值基本一致,且计算结果优于API算法及法国石油学院算法的计算结果,可以用于指导隔水管设计及施工。

基于钻井工况和海洋环境耦合作用下的隔水管动力学模型

对于深水和超深水钻井,钻井工况对隔水管动力学行为的影响是一个不可忽视的问题。为此,结合我国自主建造的第一座深水钻井平台——"海洋石油981"钻井平台结构和隔水管系统的实际生产环境,利用最小势能原理,结合泛函求极值方式在国内外首次建立了基于海洋环境和钻井工况耦合作用下的隔水管系统动力学控制方程,给出了相应的边界条件、求解方法,编制了相应的计算程序,并通过实验验证了该模型的有效性。利用该模型编制了计算程序,分析了钻井工况对隔水管系统的模态及横向振幅的影响。结果表明:钻井液流速对隔水管的振动模态影响不明显;钻杆、顶张力对隔水管横向振幅的影响较为显著,顶张力越大,隔水管横向位移越小,但顶张力过大会增加隔水管的自振频率;钻杆则有可能造成隔水管局部的碰撞破坏。

深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限

建立了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移动力学模型,提出了深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限分析方法,并进行了实例分析。分别建立了深水钻井隔水管-井口-导管耦合系统分析模型及平台漂移动力学分析模型,开发了深水钻井平台漂移动力学求解器。结合实例开展了深水钻井平台-隔水管耦合动力学特性及耦合作用规律分析,阐述了漂移预警界限分析方法。结果表明:平台漂移初始阶段隔水管载荷对平台漂移起促进作用,随着平台漂移位移的增大隔水管逐渐开始抑制平台漂移;平台漂移运动过程中隔水管系统顶部参数响应较快,底部参数响应具有明显的迟滞效应;随着海流流速的增大或水深的减小,深水钻井平台-隔水管耦合系统漂移预警界限减小,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离。

深水钻井隔水管“三分之一效应”的发现——基于海流作用下深水钻井隔水管变形特性理论及实验的研究

深水钻井隔水管是连接平台和水下井口的关键设施,其在海水中既受到海流等海洋环境的影响,同时也受到各种深水钻井工程因素的影响。深水钻井隔水管的受力和变形规律是深海钻井必须研究的重要理论问题和技术问题,它关系到隔水管的强度及其安全可靠性,同时也是隔水管结构设计、张紧力优化以及浮力块配置的依据。文中建立了深水钻井隔水管力学分析理论模型,并以"海洋石油981"平台结构及其钻井参数为基础,自主研制出了世界上首套基于钻井和海洋工况耦合作用下的深水钻井隔水管力学性能实验系统,并在上海交通大学海洋工程国家实验室完成了剪切流作用下的深水钻井隔水管力学性能实验。通过实验研究,发现了剪切流作用下深水钻井隔水管的"三分之一效应",并通过力学模型分析以及材料力学基础理论进一步说明了"三分之一效应",即在剪切流作用下深水钻井隔水管所受最大弯曲载荷在其上端三分之一左右处,所产生的最大变形出现在隔水管上端三分之一偏下位置。该发现对于深水钻井隔水管结构设计、张紧力优化、浮力块配置以及提高深水钻井安全提供了重要的理论支撑,具有重要的理论意义和实际应用价值。