Axial Vibration Analysis of the Mud Recovery Line on Deepwater Riserless Mud Recovery Drilling System

The series connection of multistage pumping module is the common concept of deepwater riserless mud recovery drilling system. In this system, the influence of the mass of pumping module on the vibration of mud recovery line cannot be ignored, and the lumped mass method has been utilized to discretize the mud recovery line. Based on the analysis of different boundary conditions, the paper establishes the axial forced vibration model of the mud recovery line considering the seawater damping, and the vibration model analysis provides the universal solution to the vibration model. An example of the two-stage pumping system has been used to analyze the dynamic response of mud recovery line under different excited frequencies. This paper has the important directive significance for the application of riserless mud recovery drilling technology in deepwater surface drilling.

RMR技术在海域天然气水合物钻探中的适应性分析

深水表层天然气水合物沉积体埋藏浅、地层软、未固结,泥浆密度窗口窄,使用常规隔水管泥浆循环钻进钻遇水合物分解会引起井周孔隙压力及储层水合物饱和度发生变化,导致水合物储层泥浆密度窗口更窄,引发井壁以及井口失稳等问题,并且时间长、成本高。文章介绍了无隔水管泥浆回收(RMR)技术原理,对该技术在深水表层海域天然气水合物钻探中的适应性进行了分析。结果表明,RMR技术利用双梯度原理,能有效解决目前深水表层钻井窄密度窗口难题;实时监控系统提高遇险机动性,严防硫化氢等气体发生泄漏;能够简化井身结构,缩短建井周期,降低建井成本;同时对海洋零排放,安全环保。

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。

大洋钻探井口吸入模块设计与模态分析

井口吸入模块是无隔水管泥浆闭式循环钻井技术(RMR)系统的关键组成部分,其在海底的工作状态对钻井工作有着一定程度的影响。本文设计了一种开放式井口吸入模块,建立了三维模型,通过莫里森方程计算内波流载荷,采用P-y曲线法对土壤条件进行弹簧等效模拟,对井口吸入模块进行了静力学分析和模态分析。研究表明,采用无隔水管泥浆闭式循环钻井技术时,井口装置的相对位移较正常深水钻井可大幅减小,吸入模块及其连接部位应力应变小,由井口吸入模块的模态分析得出了固有频率,为井口吸入模块的尺寸优化及无隔水管泥浆闭式循环钻井技术的应用提供参考,为大洋钻探向深海发展提供技术支撑。

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。

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。

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。

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。

无隔水管海洋钻井技术

无隔水管钻井液回收技术是一种顶部井眼钻探系统,使用海底泵系统将井眼环空返回钻井液和岩屑通过泥浆返回管线泵送回海面钻井船。该技术很好地解决了深水钻井技术难题,安全钻探深水顶部井眼,在国外获得了广泛的商业应用。目前,已经从最初的浅水发展到深水、超深水回收技术。同时,AGR公司的控制钻井液压力钻井技术基于无隔水管钻井液回收技术,可与常规隔水管和海底防喷器组联合使用,钻探表层井眼外的其余井眼段,具有双梯度钻井和控压钻井优点。实践表明该技术能够以更低成本、更快、更安全的作业方式以及更低的环境影响程度钻探深水井。因此,在我国深水油气开采中有着极大的应用潜力和优势。

无隔水管钻井U形管效应计算模型研究

无隔水管钻井(RMR)在无钻柱阀的情况下停泵、接单根或起下钻会发生U形管效应。U形管效应增加了钻井非作业时间,且发生U形管效应期间井底压力变化复杂,钻井液池液面不断升高,影响溢流的准确判断。鉴于此,基于流体力学中的一元不稳定流动理论,结合RMR钻井工艺,详细推导了U形管效应的不稳定流动模型。根据该模型研究了U形管效应持续时间、钻杆内液面下降高度、液面流速和加速度、返出流量以及井底压力随时间的变化规律,也分析了影响U形管效应持续时间和井底压力变化的因素,同时还提出了RMR钻井存在零立压排量概念,该排量是钻柱内充满钻井液所必需的最小海面泵排量。研究结果表明:不同停泵排量都会快速下降到零立压排量,随后逐渐减小;零立压排量对于实现RMR安全钻井和水力参数优选都具有重大意义。研究结果可为认识RMR钻井U形管效应和缩短U形管效应持续时间提供理论依据。

液压力对吸入模块密封胶芯性能影响研究

以在我国南海深水服役的无隔水管钻井液回收钻井系统为对象,为了解决密封胶芯寿命低的难题,进行吸入模块密封胶芯有限元分析,研究胶芯在海底工作时单面受压和双面受压对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的影响,分析不同液压力下胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的分布规律,以期为胶芯延寿提供技术参考。胶芯材料模型采用近似不可压缩弹性材料的两参数Mooney-Rivlin模型函数,采用罚函数法进行求解。研究表明,海水液压力对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值有着显著的改善作用,应在吸入模块两胶芯间设计压力调节装置。