無隔水管閉式循環(huán)鉆井液舉升泵動力學仿真分析

摘要：

深水無隔水管閉式循環(huán)鉆井液舉升泵（簡稱舉升泵）采用中置懸掛方式安裝，其啟動和運轉時均會對上下兩端連接的鉆井液返回管線產(chǎn)生反扭矩和振動，影響舉升泵及返回管線的穩(wěn)定性和安全性。為此，對舉升泵進行動力學仿真分析，建立了多級舉升泵流道模型和流固耦合模型；對單級泵的反扭矩進行理論計算，并與數(shù)值仿真結果進行對比，驗證仿真模型的正確性；通過多級舉升泵的動力學仿真，分析了舉升泵運行過程中的反扭矩、振動及軸向力與泵運轉速度的關系。研究結果表明：隨著轉速的增大，舉升泵運行過程中產(chǎn)生的反扭矩及軸向力增大、轉子振幅先增大后減小，并得出了實時和額定功率下舉升泵的反扭矩、軸向力和振動。研究結論可為舉升泵及連接的返回管線設計和性能優(yōu)化提供指導，提高深海鉆井效率和安全性。

關鍵詞：

無隔水管閉式循環(huán)鉆井；深水鉆井；鉆井液舉升泵；動力學仿真；流固耦合

中圖分類號：TE952

文獻標識碼：A

202402034

Dynamic Simulation Analysis of Riserless Mud

Recovery Drilling Fluid Lifting Pump

Qin Rulei1，2，3 Chen Haowen1，2，3 Xu Benchong1，2，3 Li Changping4 Liang Nan1，2，3

（1.Institute of Exploration Technology，Chinese Academy of Geological Sciences；2.Innovation Base for Automatic and Intelligent Drilling Equipment，Geological Society of China；3.Technology Innovation Center for Deep Exploration Drilling Equipment，China Geological Survey；4.School of Mechanical Engineering and Electronic Information，China University of Geosciences）

The deepwater riserless mud recovery drilling fluid lifting pump （lifting pump for short） is installed in a mid-mounted suspension manner.During start-up and operation，it generates back torque and vibration on the drilling fluid return pipeline connected at both ends，affecting the stability and safety of the lifting pump and return pipeline.In the paper，first，dynamic simulation analysis was conducted on the lifting pump to build a multi-stage lifting pump flow channel model and a fluid-solid coupling model.Second，theoretical calculation was conducted on the back torque of single stage pump，and compared with the numerical simulation results，verifying the correctness the simulation model.Finally，dynamic simulation of multi-stage lifting pump was conducted to analyze the relationship between the back torque，vibration，axial force and pump operating speed during the operation of the lifting pump.The research results show that as the rotation speed increases，the back torque and axial force generated during the operation of the lifting pump increase，and the rotor amplitude increases first and then decreases；meanwhile，the back torque，axial force and vibration of lifting pump in real time and at rated power are obtained.The research conclusions provide guidance for the design and performance optimization of lifting pumps and connected return pipelines，improving the efficiency and safety of deep-sea drilling.

riserless mud recovery drilling；deepwater drilling；drilling fluid lifting pump；dynamic simulation；fluid-solid coupling

0 引 言

海洋油氣資源豐富，深水鉆井技術是未來海洋油氣開發(fā)的關鍵［1-2］。常規(guī)深水開路鉆井技術無法使用鉆井液護壁，造成井內事故頻發(fā)。隔水管鉆井成本高昂，且最大使用深度目前只能達到3 500 m，不適用于大洋鉆探等應用場景。雙梯度鉆井技術［3-4］是一種非常規(guī)鉆井技術，可以解決深水鉆井中與地層壓力相關的一些問題。無隔水管閉式循環(huán)鉆井（RMR）是雙梯度鉆井的一種實現(xiàn)方案［5-6］，該鉆井技術形成封閉鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以減少鉆井液使用量，同時避免鉆井液排入海水中，保護海洋環(huán)境。因此，研究RMR技術及其關鍵設備的動力學特點對于深水資源勘探開發(fā)具有重要的意義。

在RMR舉升泵（簡稱舉升泵）及其動力學研究方面，國內中國石油大學（華東）［7］、西南石油大學［8］等對海底鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)相關關鍵設備的原理、結構等進行研究，并完成初步室內試驗。周昌靜［9］對以葉片式圓盤泵作為海底舉升泵的內流機理、設計方法和應用進行了研究，該研究主要集中于舉升泵的原理、結構及性能等方面。高本金［10］采用圓盤泵作為海底舉升泵，利用Fluent等軟件對其設計和性能進行仿真研究。王川等［11］針對深水無隔水管鉆井系統(tǒng)作業(yè)過程中，鉆井平臺的運動響應對井下鉆井液壓力擾動的問題，建立了鉆井平臺-升沉補償-鉆柱縱向振動耦合模型和井下鉆井液壓力計算模型，分析了海洋環(huán)境因素對平臺運動響應、鉆柱升沉運動響應及井底壓力的影響，并研究了升沉補償系統(tǒng)、鉆井液密度和舉升泵對井下壓力的影響。國外AGR公司于1993年研制出巖屑運移系統(tǒng)（CTS），在表層井眼鉆進過程中，利用該系統(tǒng)以海水或環(huán)保的水基鉆井液將井眼循環(huán)出的鉆屑排放到距井口2 km之外［12］。Elvary Neftegaz公司在薩哈林島（庫頁島）東北部大陸架進行了無隔水管鉆進，鉆井液循環(huán)使用了Discflo圓盤泵，該泵經(jīng)歷了廣泛的開發(fā)，效率提高到50%［13］。

深水RMR鉆井液舉升泵組采用中置懸掛方式安裝［14］，其啟動和運轉時均會對上下兩端連接的鉆井液返回管線產(chǎn)生反扭矩和振動，可能會導致鉆井液返回管線的損壞，從而影響舉升泵組及返回管線的穩(wěn)定性和安全性。目前國內外在RMR舉升泵動力學分析方面研究較少。

本文將理論計算與數(shù)值模擬等手段相結合，使用單級泵作為研究對象，驗證反扭矩計算方法和數(shù)值模擬模型的正確性。在此基礎上，開展十級舉升泵的動力學仿真，分析其運行過程中的反扭矩、振動及軸向力與泵運轉速度的關系，以期為舉升泵及連接的返回管線設計和性能優(yōu)化提供指導，提高深海鉆井效率和安全性。

1 舉升泵分析模型

1.1 RMR系統(tǒng)的構成

RMR系統(tǒng)一般主要包括鉆進單元、鉆井液返回系統(tǒng)、鉆井液處理單元以及動力監(jiān)控單元［15］，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

鉆進單元包括鉆井平臺或鉆井船、鉆桿、井下鉆具、套管、導管以及井口吸入模塊，用于破巖鉆進，提取巖心；鉆井液返回系統(tǒng)包括海底錨裝置、舉升泵組、鉆井液返回管線、管線對接接頭以及下放安裝平臺，用于將含固相鉆井液從海底舉升至鉆井平臺，實現(xiàn)鉆井液的循環(huán)使用；鉆井液處理單元包括鉆井液凈化裝置、鉆井液冷卻裝置、振動篩以及管匯，對含固相鉆井液進行凈化、冷卻處理及加料混配，通過管匯輸送至鉆桿，重新進入井內實施鉆進；動力及監(jiān)控單元由電氣設備集控房、遠程控制集裝箱和動力控制纜組成，為鉆井液舉升系統(tǒng)提供動力并進行監(jiān)測和控制。

1.2 模型建立

舉升泵的主要功能是將無隔水管鉆進時所產(chǎn)生的含固相鉆井液，通過返回管線運輸?shù)胶Ｃ驺@井液處理裝置中［16-18］。舉升泵工作產(chǎn)生的作用力主要有2種：鉆井液流動對泵作用的軸向力和舉升泵運轉的反扭矩。這2種作用力均會對舉升泵以及返回管線的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。為分析鉆井液對舉升泵的軸向力和反扭矩，基于實際設計方案的十級舉升泵，采用布爾運算建立舉升泵內部流道模型，如圖2a所示。由于鉆井液對舉升泵的作用力不穩(wěn)定，故舉升泵在運行過程中必然會產(chǎn)生一定振動，為分析振動對舉升泵以及返回管線的安全性和穩(wěn)定性影響，建立如圖2b所示的舉升泵轉子模型，并采用流固耦合分析鉆井液對舉升泵轉子的振動影響。在流固耦合計算中，流體和固體的計算均獨立進行。在流體計算中，通過計算流體的速度、壓力、溫度等參數(shù)，得到流體對固體的作用力；在固體計算中，將流體對固體的作用力作為外部載荷施加在固體上，計算固體的應力、應變、變形等參數(shù)。流固耦合流程通過ANSYS Fluent進行流體計算，再將結果傳遞給ANSYS Mechanical進行固體計算［19］。

舉升泵流道網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分，分析采用壓力進口-質量流量出口邊界;舉升泵轉子采用六面體網(wǎng)格劃分方式；舉升泵轉子材料為022Cr22Ni5Mo3N不銹鋼。該材料的性能參數(shù)和鉆井液參數(shù)如表1所示。

舉升泵出口質量流量為：

Qm=Qρ（1）

式中：Qm為質量流量，kg/s；ρ為鉆井液密度，kg/m3；Q為鉆井液流量，m3/s。

將鉆井液參數(shù)代入式（1）可得，出口質量流量Qm為40 kg/s。為了便于計算進出口壓差，取進口壓力為0，此時進出口壓差即為出口壓力。由于葉輪部分流域為旋轉域，導殼部分流域為靜止域，故旋轉域與靜止域交界面還需建立相互作用面，以便旋轉域與靜止域之間的數(shù)據(jù)交換；流域表面均為壁面。

2 單級泵理論計算與數(shù)值仿真結果驗證

為了驗證泵數(shù)值仿真結果的正確性，首先將單級泵理論計算反扭矩及仿真反扭矩進行對比，然后再進行后續(xù)十級泵的流體仿真和流固耦合仿真分析。根據(jù)能量守恒，單位時間內舉升泵對鉆井液的扭矩所做的功一部分轉化為鉆井液能量增量，一部分由于管路摩擦而損失［19-20］。其中轉化為能量增量的部分為有用功，管路摩擦損失的部分為無用功。鉆井液能量包括壓力勢能、勢能以及動能。由于舉升泵進出口直徑和流量相同，故進出口鉆井液動能不變。單位時間內增加的壓力勢能ΔEp為：

ΔEp=ΔpQ（2）

式中：Δp為進出口壓差，MPa。

單位時間內鉆井液增加的勢能ΔEh為：

ΔEh=QρgΔh（3）

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；Δh為進出口高度差，取0.32 m。

可得單位時間內舉升泵的有用功為：

Wu=ΔEu＋ΔEu（4）

單位時間內的有用功Wu與舉升泵轉速的關系為：

Wu=Tnη（5）

式中：T為鉆井液對舉升泵的反扭矩，N·m；n為舉升泵轉速，r/min；η為舉升泵效率，取55.11%。根據(jù)有用功與轉速，可得出反扭矩T與轉速n的關系。

圖3為反扭矩和誤差的流體仿真與理論計算結果。由圖3可知，隨著電機轉速增大，相對誤差緩慢增大，但最大僅為5.98%，平均相對誤差為3.41%，驗證了仿真結果的準確性。

3 十級舉升泵動力學仿真

3.1 舉升泵運行過程中反扭矩特性

取24組不同的轉速，分別進行數(shù)值仿真試驗，獲得不同轉速下的反扭矩。根據(jù)實測的舉升泵轉速與功率數(shù)據(jù)，修正仿真結果，繪制反扭矩與轉速的關系曲線，結果如圖4所示。由圖4可知：最大反扭矩出現(xiàn)在額定轉速1 450 r/min（計算工頻轉速）時，其值為4 265 N·m；隨著舉升泵轉速的增大，鉆井液對泵產(chǎn)生的反扭矩也增大，與實際工作情況相符。

3.2 舉升泵運行過程中振動特性

舉升泵不同電壓運行時的機械特性不同，圖5為60%、80%、90%、100%和110%額定電壓Un下的舉升泵理論機械特性曲線。由圖5可知，舉升泵在不同工作電壓下，最大轉矩產(chǎn)生的轉速工況點一致，為額定轉速1 450 r/min處，這是由電機的電磁特性決定的。

根據(jù)舉升泵的機械特性曲線，分析額定電壓Un時轉子振幅隨轉速的變化關系，分析結果如圖6所示。由圖6可知：轉子振幅隨轉速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，電機轉速在0～1 450 r/min時，振幅隨著轉速增大而增大，并且變化較為緩慢；當電機轉速在1 450～1 500 r/min時，振幅隨著電機轉速增大而減小，并且變化迅速;在轉速為1 450 r/min時，振幅最大，約1.55 mm。根據(jù)舉升泵機械特性曲線中轉矩隨轉速的變化關系，舉升泵轉矩隨轉速的增大也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，且轉速均為1 450 r/min時，舉升泵轉矩與振動最大。

3.3 舉升泵運行過程中軸向力特性

取24組不同的舉升泵轉速，分別試驗，獲得不同轉速下的軸向力，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制軸向力與轉速的關系曲線，結果如圖7所示。由圖7可知：轉速為0時，軸向力最小，為-2.67 kN；轉速為額定轉速1 450 r/min時，軸向力最大，為52.34 kN。隨著舉升泵的轉速增加，鉆井液對泵產(chǎn)生的軸向力也增大，與實際工作情況相符。

3.4 額定功率下的舉升泵工作特性

舉升泵額定功率出現(xiàn)在最大轉矩和額定轉速下，額定轉速為1 450 r/min，則分析舉升泵在該轉速下所受到的軸向力、反扭矩、振動以及出口壓力即可。綜合前述分析可知，額定功率下舉升泵軸向力和反扭矩分別為52.34 kN和4 265 N·m，振動量約為1.55 mm，出口壓力約為7 MPa（見圖8）。

4 結 論

（1）通過對單級舉升泵的反扭矩理論計算和數(shù)值仿真結果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)仿真結果與理論計算結果的誤差較小，驗證了仿真結果的準確性，為進一步動力學仿真提供了可靠的基礎。

（2）通過舉升泵的動力學仿真，分析了舉升泵運行過程中反扭矩、振動和軸向力隨轉速的變化。隨著轉速的增加，運行過程中產(chǎn)生的反扭矩及軸向力增大，最大反扭矩和軸向力分別為4 265 N·m 和52.34 kN。

（3）轉子振幅隨轉速的增大先增大后減小，在轉速為額定轉速1 450 r/min時，振幅最大，約1.55 mm。該條件下的舉升泵出口壓力約為7 MPa。

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第一秦如雷，高級工程師，生于1987年，2013年畢業(yè)于中國地質大學（武漢）地質工程專業(yè)，現(xiàn)從事大洋鉆探與天然氣水合物勘查開發(fā)裝備的研發(fā)工作。地址：（065000）河北省廊坊市。電話：（0316）2096880。email：qrulei@mail.cgs.gov.cn。

通信作者：許本沖，高級工程師。email：xbenchong@mail.cgs.gov.cn。2024-02-252024-11-08任 武