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。

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。

海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发

该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动,并基于集中质量法和动力学相似原理,设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死3种动作,测控系统使用监视与控制通用系统(MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(PLC)和PID控制算法开发。通过使用该实验平台,学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的感性认识,通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解,提升教学效果并培养学生的创新意识。

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。

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。

基于钻井液上返流动作用下的隔水管动力学行为研究

本文对钻井隔水管在海洋环境载荷和钻井液上返流动耦合作用下的动力学行为特征进行了研究。通过能量法结合Hamilton原理建立了隔水管动力学模型,并引入弯曲梁单元的Hermite三次插值函数作为形函数对动力学模型进行离散,以此建立耦合作用下隔水管系统的有限元模型。在此基础上,在时域内通过Newmark积分法对隔水管系统的动力学响应进行数值求解,在频域内对隔水管系统的动力学特性进行模态分析,并进一步探讨钻井液参数对隔水管系统动力学行为的影响。通过数值模拟结果的对比发现:钻井液上返流速越大,隔水管的横向偏移越大,但其对隔水管的弯曲应力和固有频率影响不大;钻井液密度越大,隔水管的固有频率会增大,但其横向偏移会受到抑制。

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。

深水钻井隔水管疲劳损伤分析

为研究涡激振动作用下隔水管的疲劳损伤规律,基于Euler-Bernoulli梁理论,建立隔水管动力响应控制方程,通过耦合尾流振子方程,对隔水管横流向涡激振动模型进行求解;利用雨流计数法和Miner准则,对涡激振动所导致的疲劳损伤进行分析;采用控制变量法研究不同因素下隔水管疲劳损伤情况及规律。研究结果表明:在涡激振动作用下,深水隔水管底部易发生疲劳破坏,可以通过增加隔水管壁厚度、顶张力或降低钻井液密度等方法改善;海流速度是影响涡激疲劳损伤的重要因素,随着海流速度增加,隔水管涡激疲劳损伤加快。研究结果可为防深水钻井隔水管疲劳损伤的优化设计以及保障深水钻井作业安全提供一定参考。

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。

深海钻井隔水管系统专利分析

隔水管系统简介深海钻井隔水管系统是海洋油气勘探开发的关键技术装备,是连接海底防喷器组和浮动式海上钻探装置之间的重要部件。根据隔水管的技术构架图可知,隔水管系统涉及的主要技术包括连接结构、压力控制、张紧结构以及其他附属装置,参见图1。其中隔水管的连接根据其部位不同,包括隔水管与钻井平台的连接、隔水管与井口的连接、主管与卫星管的连接、隔水管段之间的连接.

深水钻井隔水管防台悬挂装置的选型设计

为解决南海台风特征与当前避台方式存在的问题,将从隔水管悬挂方案、新方式的控制方案以及散热三方面来分析深水钻井隔水管防台悬挂装置的选型设计,最终得出将软悬挂和硬悬挂相结合的方案,能够满足作业需求。

深水隔水管系统钻井作业工况模拟分析

在钻前阶段,通过对南中国海深水海域半潜式钻井平台深水隔水管系统的钻井作业工况进行模拟,完成了对隔水管系统的轴向动力分析、连接条件下的作业能力和涡激振动等分析,得出了钻井平台安全作业工况条件和应急响应条件,以及在极端工况下的应对措施,对于隔水管系统设计、识别和规避钻井作业风险具有一定的借鉴意义。

钻井泥浆泵冷循环系统的优化改进研究

随着油田开发程度的提高,对钻井液泵的性能提出了更高的要求。在钻机泥浆泵中,冷循环系统是钻机泥浆泵的关键部件,其主要功能是提高钻机的工作性能,确保钻机的工作效率。然而,随着油田的规模越来越大,钻井泥浆泵的冷却循环系统也出现了一些问题。为了改善泥浆泵的使用寿命,减少油田开发的费用,采用对原有冷却循环系统进行优化改进的方案。为此,本文就钻井泥浆泵冷却循环系统的改造进行了论述和分析,以期为提高钻井作业的效率和经济效益提供依据。本文提出的泥浆泵的冷却水循环过流过滤装置是泥浆泵制冷技术领域的一种。包含1个整体水池,水池设有浑水池、净水池、沉淀池;在水槽的左边,有1个过滤器和1个第二过滤器。一侧,其顶部开口,沉淀池在浑池下面,沉淀池一可移除的第一滤网设置在该浑池之间,该净水池在混水槽的右边,在池子的上方有1个封闭的盖子。封盖处在水槽顶部以下,在浑水池和纯净水池之间设置有可移除的第二滤网,在该滤池中设置有潜水器泵、潜水泵的输水管道通过密封装置与泥浆泵连接活塞杆或气缸套孔;通过多次过流过滤能有效地保证钻井液的清洁性,保证钻井液的质量。在泵的工作过程中,不会有杂质进入,造成卡阻、刺穿,提高了泥浆泵的缸套和柱塞的使用寿命。

无隔水管钻井当量循环密度计算模型

关于无隔水管钻井在钻柱未充满工况下的井筒温度和压力模型还未见报道。鉴于此,推导了保证无隔水管钻井钻柱内充满钻井液的最低海面泵排量(零立压排量)的计算公式。针对钻柱未充满工况,建立了无隔水管钻井稳态温度计算模型,并在考虑温度和压力对钻井液密度影响规律的基础上建立了当量循环密度( ECD )计算模型。研究结果表明:零立压排量随水深增加而增加,随井深增加而减小;水深越大,相同排量下的平衡液面深度距平台越远;深水无隔水管钻井的井筒温度变化规律与陆上井筒温度变化规律一致,但温度要低很多,因此井底压力和 ECD 变化也较小;由于深水井高温高压窄密度窗口的特点,所以计算井底压力和 ECD 时需要考虑温度模型。研究结果对无隔水管钻井水力参数的确定具有一定的指导意义。

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。

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。

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。