深水雙梯度海底舉升鉆井系統水力參數優化設計

賴敏斌　樊洪海　彭　齊　馬光曦　張煒烽（中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249）

深水雙梯度海底舉升鉆井系統水力參數優化設計

賴敏斌樊洪海彭齊馬光曦張煒烽
（中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249）

針對深水鉆井中遇到的地層壓力與破裂壓力余量過窄的問題，Conoco和Hydril公司共同研發了深水雙梯度海底鉆井液舉升鉆井技術（Subsea Mudlift Drilling，簡稱SMD）。基于SMD鉆井系統的工藝原理，結合鉆井水力學基礎知識，建立了一種適合SMD鉆井系統的水力參數計算模型，以最大鉆頭水功率為目標進行SMD鉆井系統水力參數優化設計。對國外發表文獻中的實鉆數據進行驗證，該水力參數計算模型得到的各管匯壓耗與實際壓耗誤差在5%以內，計算結果表明該水力參數計算模型具有較高的精度。

深水鉆井；雙梯度鉆井；SMD鉆井；水力參數；優化設計

國外在20世紀90年代大力發展的雙梯度鉆井（DGD）很好的解決了地層壓力與破裂壓力之間的余量過小問題［1］。雙梯度鉆井技術主要有3個方案來實現雙梯度，即海底泵舉升鉆井液、無隔水管鉆井以及雙密度鉆井［2］。本文基于Conoco和Hydril公司研發的深水雙梯度SMD（Subsea Mudlift Drlling）鉆井系統進行水力參數優化設計。

1　SMD鉆井技術

SMD鉆井技術屬于海底泵舉升鉆井液的一種，是目前國外發展較成熟且進入商業應用的雙梯度鉆井技術。其結構如圖1所示，除了地面設備與常規鉆井一樣外，還有一些特殊設備，即鉆井液閥、鉆柱閥、固相裝置、旋轉分離器和海底泵［3］。正常鉆進時，鉆井液經過鉆柱、鉆柱閥、鉆頭流入井眼環空，再由環空到位于海底的旋轉分流器，進行固相處理后，依靠海底泵和1.22~1.83 m的回流管線將鉆井液返至地面［4］。

圖1　SMD鉆井系統示意圖

2　SMD鉆井系統水力學分析

工程上為了計算方便，在精度允許的范圍內對系統內流動狀態進行如下假設：（1）鉆井液為賓漢流體；（2）鉆柱處于與井眼同心位置；（3）不考慮鉆柱旋轉；（4）井眼為已知直徑的圓形井眼；（5）鉆井液是不可壓縮流體；（6）鉆井液在循環系統各部分的流動均為等溫紊流流動［5］。

2.1SMD系統靜壓分析

在SMD系統中，井筒內的壓力模型為

式中，Dps為安全壓力余量，一般取0.344 8 MPa。

鉆井液在流經海底泵時會出現壓力激增的現象，海底泵的出口壓力是海底處鉆井液靜水壓力和回流管線壓耗的總和，海底泵入口壓力則等于海水靜壓力［6］

式中，pin、po分別為海底泵進出口壓力，MPa；Dpr為回流管線內壓耗，MPa；pin為海水靜壓力，MPa。

由黏性流體伯努利方程可得到循環系統內泵壓的傳遞關系［7-9］

結合工程實際生產情況認為v1=v2，以泥線為基點，式（4）可簡化為

式中，ps為海面鉆井泵壓，MPa；Dp為系統循環壓耗，MPa；v1為海面鉆井泵出口處鉆井液速度，m/s；v2為鉆井液從環空返回到海底泥線處的速度，m/s。

2.2SMD系統循環壓耗計算

與常規海上鉆井不同，SMD鉆井系統在工作時，由2個泵共同提供能量，即海面鉆井泵和海底泵。海面鉆井泵為鉆井液在海上平臺管匯、鉆柱、鉆頭和環空中的循環提供能量，而海底鉆井泵則為鉆井液在回流管線中的上返提供能量。

假設整個井身內的壓力損耗為Dp，則有

式中，Dp為井身內總壓力損耗，MPa；Dpg為海面平臺管匯壓耗，MPa；Dpp為鉆柱內壓耗，MPa；Dpa為環空壓耗，MPa；Dpb為鉆頭壓降，MPa。

循環系統各部分壓耗分別由下式求取。地面管匯壓耗

鉆柱內壓耗由鉆桿壓耗、鉆鋌壓耗及加重鉆桿壓耗組成，如下式

環空壓耗由鉆桿外環空、鉆鋌環空以及加重鉆桿外環空壓耗組成，如下式

回流管線壓耗為

鉆頭壓力降可由下式求得

若噴嘴出口面積用噴嘴當量直徑表示，則鉆頭壓力降計算式為

根據上面所求得的各個部分壓耗總和即可求得海面鉆井泵的泵壓以及泵功率。

3　SMD鉆井系統水力參數優化設計

常規深海鉆井由于隔水管環空尺寸大，理論上隔水管環空最小排量也比井內環空最小排量大很多，而深水井安全密度窗口窄，施工時很容易引起井噴，井涌等事故。而SMD鉆井系統由于隔水管內流體不參與循環，大大緩解了最小排量、井眼清洗，安全鉆井之間的矛盾。通過選取合理的水力參數優化標準，結合最大循環壓力以及優選排量，可以算出SMD鉆井系統的水力參數。SMD最大循環壓力是海面泵和海底泵最大泵壓之和。

3.1環空最小排量和最大排量確定

鉆井液攜帶巖屑所需要的最低排量即為最小排量。換言之，只要井眼環空中攜巖所需的最低返速確定，最小排量也隨之確定。采用工程上常見的經驗公式［5］

則與之對應的環空最小排量為

環空最大排量為

3.2排量優選

鉆井泵處于額定泵功率狀態時，泵功率Ps=Pr。由鉆頭水功率的表達式可知，獲得最大鉆頭水功率的條件應該是Q盡可能小，但是不能小于最小排量，此時取Qopt=Qa。

海底泵處于額定泵壓工作狀態時（ps=pr），此時鉆頭水功率為

最優排量按照以下流程進行篩選：當Qopt>Qmax時，Qopt=Qr；當Qmin

4　實例分析

根據國外現場實例深水井［11］對該SMD計算模型進行驗證，具體參數見表1。

表1　輸入的基本數據

結合SMD鉆井水力分析模型得到最優排量為Qopt=29.38 L/s，最終計算結果見表2。

由表2可知計算得到的環空壓耗、鉆頭壓耗、鉆柱內壓耗和現場數據的偏差均小于5%，而計算的井底壓力與現場數據的吻合度更是高達98.09%，足以看出SMD鉆井水力學模型以及參數優化的準確性。全部水力參數優化結果見表3。

表2　計算結果與現場數據對比

表3　水力優化結果

由表3數據可知，海面鉆井泵壓為15.6 MPa，故系統總循環壓力為71.25 MPa（加上海底泵泵壓）。而常規海上鉆井由于隔水管環空尺寸大且僅由海面泵提供能量，海面鉆井泵壓將大為超過SMD系統總循環壓力。因此，采用SMD鉆井能大大的減小海面鉆井泵壓來降低海上鉆井設備的性能要求，升級第二代、第三代鉆井船便可用于超深水鉆井。國外實施數據表明，條件相同的情況下，SMD鉆井可以提供相當于常規海上深水鉆井約兩倍的水力功率。

5　結論

（1）通過分析SMD鉆井工藝技術原理，結合鉆井水力學分析，建立SMD鉆井系統的水力參數計算模型；并以最大鉆頭水功率為指標進行水力參數優化設計，用Visual Basic6.0編寫了SMD鉆井系統的水力參數優化設計軟件。

（2）采用國外已發表文獻中的實鉆數據對本文提出的SMD系統水力參數模型進行驗證，計算結果表明，SMD水力計算模型計算的各管匯壓耗與現場數據的誤差均在5%以內，其中井底壓力與現場數據的吻合度更是高達98.09%，由此可見該SMD水力參數模型具有較高的計算精度。

（3）與常規海上深水鉆井相比，SMD系統可大大減小海面鉆井泵壓，降低海上鉆井設備的性能要求，同時可升級已有鉆井設備的使用水深來節省國家資源，對于指導和改進我國深水鉆井系統具有重要意義。

符號說明：

ρw為海水密度，g/cm3；hw為海水深度，m；hf為海底泥線到井筒的深度，m；ρm為鉆井液密度，g/ cm3；μpv為鉆井液塑性黏度，Pa·s；L1、L2、L3、L4分別為高壓管線、立管、水龍帶、方鉆桿長度，m；d1、d2、d3、d4分別為高壓管線、立管、水龍帶、方鉆桿的內徑，cm；Q為排量，L/s；dpi為鉆桿內徑，cm；dh為井眼直徑，cm；dhw為加重鉆桿外徑，cm；dhi為加重鉆桿內徑；Lhw為加重鉆桿長度，m；dp為鉆桿外徑，cm；Lp為鉆桿長度，m；dci為鉆鋌內徑，cm；L為鉆鋌長度，m；dc為鉆鋌外徑，cm；Lp1為海底泥線到井底鉆柱的長度，m；Lre為回流管線長度，m；dre為回流管線內徑，cm；dne為噴嘴當量直徑，cm；di為噴嘴直徑（i=1，2，…，Z），cm；Z為噴嘴個數；va為鉆井液最低循環返速，m/s；Pr為額定泵功率，kW；Ps為海水鉆井泵功率，kW；Pb為鉆頭水功率，kW；PL為循環系統摩擦損失功率，kW；pr為額定泵壓，MPa；Qa為攜巖最低排量，L/s；Qmax為最大排量，L/ s；C為鉆井泵泵效；KL為系統循環壓耗系數。

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［4］侯芳，彭軍生. 海底泵舉升雙梯度鉆井技術進展［J］.石油機械，2013，42（6）：68-71.

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（修改稿收到日期2014-12-31）

〔編輯宋宇〕

Optimization design of hydraulic parameters for lift drilling system of
deepwater dual gradient subsea

LAI Minbin, FAN Honghai, PENG Qi, MA Guangxi, ZHANG Weifeng
（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

With regard to the over-narrow margin of formation pressure and fracture pressure in the deepwater drilling, Conoco Company and Hydril Company have jointly researched and developed the lift drilling technology of deepwater dual gradient subsea drilling fluid (Subsea Mudlift Drilling, hereinafter referred to as SMD). Based on the process principle of SMD drilling system and basic knowledge of drilling hydraulics, a hydraulic parameter calculation model suitable for the SMD drilling system has been established, and the optimization design of hydraulic parameter of SMD drilling system is done by targeting the maximum drill bit hydraulic power. The actual drilling data in the published literature overseas is verified. In the hydraulic parameter calculation model, the error between manifold pressure loss and actual pressure loss is within 6%, and the total error of circulating pressure loss is 4.3%. According to the calculation results, the hydraulic parameter calculation model has relatively high precision. The optimization calculation method of hydraulic parameter has important guiding significances for the deepwater drilling in China.

deepwater drilling; dual gradient drilling; SMD drilling; hydraulic parameter; optimization design

TE52

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0068 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.017

國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆井技術與配套裝備”（編號：2011ZX05021-003）。

賴敏斌，1990年生。在讀碩士研究生，主要從事油氣井流體力學與控壓鉆井技術方面的研究工作。電話：15210877917。E-mail：295009055@qq.com。

2014-11-30）

引用格式：賴敏斌，樊洪海，彭齊，等. 深水雙梯度海底舉升鉆井系統水力參數優化設計［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：68-71.