無隔水管閉式循環(huán)鉆井液舉升泵動力學(xué)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(zhuǎn)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(jìn)行動力學(xué)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(jìn)行理論計算，并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證仿真模型的正確性；通過多級舉升泵的動力學(xué)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(zhuǎn)速度的關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)論可為舉升泵及連接的返回管線設(shè)計和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)，提高深海鉆井效率和安全性。

關(guān)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(xué)仿真；流固耦合

中圖分類號：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)是未來海洋油氣開發(fā)的關(guān)鍵［1-2］。常規(guī)深水開路鉆井技術(shù)無法使用鉆井液護(hù)壁，造成井內(nèi)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(dá)到3 500 m，不適用于大洋鉆探等應(yīng)用場景。雙梯度鉆井技術(shù)［3-4］是一種非常規(guī)鉆井技術(shù)，可以解決深水鉆井中與地層壓力相關(guān)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(shù)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(hù)海洋環(huán)境。因此，研究RMR技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備的動力學(xué)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(xué)研究方面，國內(nèi)中國石油大學(xué)（華東）［7］、西南石油大學(xué)［8］等對海底鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，并完成初步室內(nèi)試驗。周昌靜［9］對以葉片式圓盤泵作為海底舉升泵的內(nèi)流機(jī)理、設(shè)計方法和應(yīng)用進(jìn)行了研究，該研究主要集中于舉升泵的原理、結(jié)構(gòu)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(shè)計和性能進(jìn)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(yīng)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(yīng)、鉆柱升沉運動響應(yīng)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(jìn)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(jìn)行了無隔水管鉆進(jìn)，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(zhuǎn)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(dǎo)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(nèi)外在RMR舉升泵動力學(xué)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(jié)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(chǔ)上，開展十級舉升泵的動力學(xué)仿真，分析其運行過程中的反扭矩、振動及軸向力與泵運轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，以期為舉升泵及連接的返回管線設(shè)計和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)，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(gòu)成

RMR系統(tǒng)一般主要包括鉆進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

鉆進(jìn)單元包括鉆井平臺或鉆井船、鉆桿、井下鉆具、套管、導(dǎo)管以及井口吸入模塊，用于破巖鉆進(jìn)，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(jìn)行凈化、冷卻處理及加料混配，通過管匯輸送至鉆桿，重新進(jìn)入井內(nèi)實施鉆進(jìn)；動力及監(jiān)控單元由電氣設(shè)備集控房、遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(shè)計方案的十級舉升泵，采用布爾運算建立舉升泵內(nèi)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(zhuǎn)子模型，并采用流固耦合分析鉆井液對舉升泵轉(zhuǎn)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(jìn)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(yīng)力、應(yīng)變、變形等參數(shù)。流固耦合流程通過ANSYS Fluent進(jìn)行流體計算，再將結(jié)果傳遞給ANSYS Mechanical進(jìn)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(jìn)口-質(zhì)量流量出口邊界;舉升泵轉(zhuǎn)子采用六面體網(wǎng)格劃分方式；舉升泵轉(zhuǎn)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(zhì)量流量為：

Qm=Qρ（1）

式中：Qm為質(zhì)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(zhì)量流量Qm為40 kg/s。為了便于計算進(jìn)出口壓差，取進(jìn)口壓力為0，此時進(jìn)出口壓差即為出口壓力。由于葉輪部分流域為旋轉(zhuǎn)域，導(dǎo)殼部分流域為靜止域，故旋轉(zhuǎn)域與靜止域交界面還需建立相互作用面，以便旋轉(zhuǎn)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(jié)果驗證

為了驗證泵數(shù)值仿真結(jié)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(jìn)行對比，然后再進(jìn)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(nèi)舉升泵對鉆井液的扭矩所做的功一部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)出口直徑和流量相同，故進(jìn)出口鉆井液動能不變。單位時間內(nèi)增加的壓力勢能ΔEp為：

ΔEp=ΔpQ（2）

式中：Δp為進(jìn)出口壓差，MPa。

單位時間內(nèi)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(jìn)出口高度差，取0.32 m。

可得單位時間內(nèi)舉升泵的有用功為：

Wu=ΔEu＋ΔEu（4）

單位時間內(nèi)的有用功Wu與舉升泵轉(zhuǎn)速的關(guān)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(zhuǎn)速，r/min；η為舉升泵效率，取55.11%。根據(jù)有用功與轉(zhuǎn)速，可得出反扭矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。

圖3為反扭矩和誤差的流體仿真與理論計算結(jié)果。由圖3可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 十級舉升泵動力學(xué)仿真

3.1 舉升泵運行過程中反扭矩特性

取24組不同的轉(zhuǎn)速，分別進(jìn)行數(shù)值仿真試驗，獲得不同轉(zhuǎn)速下的反扭矩。根據(jù)實測的舉升泵轉(zhuǎn)速與功率數(shù)據(jù)，修正仿真結(jié)果，繪制反扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：最大反扭矩出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min（計算工頻轉(zhuǎn)速）時，其值為4 265 N·m；隨著舉升泵轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)械特性曲線。由圖5可知，舉升泵在不同工作電壓下，最大轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速工況點一致，為額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min處，這是由電機(jī)的電磁特性決定的。

根據(jù)舉升泵的機(jī)械特性曲線，分析額定電壓Un時轉(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：轉(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 450 r/min時，振幅隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，并且變化較為緩慢；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 450～1 500 r/min時，振幅隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而減小，并且變化迅速;在轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時，振幅最大，約1.55 mm。根據(jù)舉升泵機(jī)械特性曲線中轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，舉升泵轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，且轉(zhuǎn)速均為1 450 r/min時，舉升泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，分別試驗，獲得不同轉(zhuǎn)速下的軸向力，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制軸向力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：轉(zhuǎn)速為0時，軸向力最小，為-2.67 kN；轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min時，軸向力最大，為52.34 kN。隨著舉升泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速下，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，則分析舉升泵在該轉(zhuǎn)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(jié) 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(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果的誤差較小，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步動力學(xué)仿真提供了可靠的基礎(chǔ)。

（2）通過舉升泵的動力學(xué)仿真，分析了舉升泵運行過程中反扭矩、振動和軸向力隨轉(zhuǎn)速的變化。隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)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。

參考文獻(xiàn)［1］ 高德利，王宴濱．海洋深水鉆井力學(xué)與控制技術(shù)若干研究進(jìn)展［J］．石油學(xué)報，2019，40（增刊2）：102-115．

GAO D L，WANG Y B.Some research progress in deepwater drilling mechanics and control technology［J］.Acta Petrolei Sinica，2019，40（Sup.2）：102-115.

［2］ 楊進(jìn)，李磊，宋宇，等．中國海洋油氣鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］．石油學(xué)報，2023，44（12）：2308-2318．

YANG J，LI L，SONG Y，et al.Current status and prospects of offshore oil and gas drilling technology development in China［J］.Acta Petrolei Sinica，2023，44（12）：2308-2318.

［3］ 柳軍，梁爽，蔡萌琦，等．深水無隔水管鉆井全井鉆柱縱-橫-扭耦合非線性振動模型研究［J］．振動與沖擊，2023，42（13）：269-277．

LIU J，LIANG S，CAI M Q，et al.Longitudinal-transverse-torsional coupled nonlinear vibration model of drill string in deepwater riser-free drilling［J］.Journal of Vibration and Shock，2023，42（13）：269-277.

［4］ 張杰，孫瑞濤，李鑫，等．無隔水管海底泵舉升系統(tǒng)井底壓力計算與分析［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（2）：558-565．

ZHANG J，SUN R T，LI X，et al.Research on flow regulation and bottom hole pressure control method under pump shutdown conditions of riserless mud recovery system［J］.Science Technology and Engineering，2023，23（2）：558-565.

［5］ QIN R L，LU Q P，HE G L，et al.Quantitative analysis of the stability of a mud-return circulation system in a riserless mud-recovery drilling system［J］.Applied Sciences，2023，13（16）：9320.

［6］ QIN R L，XU B C，CHEN H W，et al.Qualitative and quantitative analysis of the stability of conductors in riserless mud recovery system［J］.Energies，2022，15（20）：7657.

［7］ 張葉．海底泥漿舉升圓盤泵設(shè)計應(yīng)用技術(shù)研究［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2015．

ZHANG Y.Study on design application method for subsea mudlift disc pump［D］.Dongying：China University of Petroleum （East China），2015.

［8］ 柳軍，陳飛宇，李建，等．深水無隔水管鉆井鉆柱三維振動響應(yīng)特性研究［J］．石油機(jī)械，2022，50（5）：49-59．

LIU J，CHEN F Y，LI J，et al.Study on three-dimentional vibration response characteristics of drilling string in deepwater riserless drilling［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（5）：49-59.

［9］ 周昌靜．海底泥漿舉升鉆井用葉片圓盤泵研究［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2012．

ZHOU C J.Research on the blade disk pump for subsea mudlift drilling［D］.Dongying：China University of Petroleum（East China），2012.

［10］ 高本金．海底泥漿舉升圓盤泵流場仿真與性能研究［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2009．

GAO B J.Flowfield simulation and performance asssessment for the subsea mudlift disc pump［D］.Dongying：China University of Petroleum （East China），2009.

［11］ 王川，劉靜，劉超，等．平臺運動對井下鉆井液壓力波動的影響分析［J］．石油機(jī)械，2022，50（5）：68-75，81．

WANG C，LIU J，LIU C，et al.Influence of platform motion to pressure fluctuation of downhole drilling fluid［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（5）：68-75，81.

［12］ SMITH D，WINTERS W，TARR B，et al.Deepwater riserless mud return system for dual gradient tophole drilling［C］∥SPE/IADC Managed Pressure Drilling and Underbalanced Operations Conference and Exhibition.Kuala Lumpur，Malaysia：SPE，2010：SPE 130308-MS.

［13］ BROWN J D，URVANT V V，THOROGOOD J L，et al.Deployment of a riserless mud-recovery system offshore sakhalin island［C］∥the SPE/IADC Drilling Conference.Amsterdam，the Netherlands：SPE，2007：SPE-105212-MS.

［14］ HE G L，XU B C，CHEN H W，et al.Study of the relationships among the reverse torque，vibration，and input parameters of mud pumps in riserless mud recovery drilling［J］.Applied Sciences，2023，13（21）：11878.

［15］ 張云騰．水合物SMD鉆井系統(tǒng)海底泵模塊設(shè)計與配置研究［D］．青島：中國石油大學(xué)（華東），2017．

ZHANG Y T.Design and equipment configuration research on subsea pump module of SMD for marine gas hydrate exploration［D］.Qingdao：China University of Petroleum （East China），2017.

［16］ CHEN Q，DENG Q，TAN L，et al.Status and prospects of dual-gradient drilling technologies in deep-water wells［J］.Frontiers in Energy Research，2022，10：920178.

［17］ LI X，ZHANG J，ZHANG M.Study on the factors affecting the annulus pressure of riserless mud recovery system［J］.SCIREA Journal of Energy，2019，4：62-82.

［18］ 宮燃，張真宇，程志高，等．基于MpCCI方法的密封環(huán)雙向流固耦合模擬與試驗研究［J］．中國機(jī)械工程，2021，32（14）：1639-1646．

GONG R，ZHANG Z Y，CHENG Z G，et al.Two-way fluid-solid coupling Simulation and experimental research of sealing rings based on MpCCI method［J］.China Mechanical Engineering，2021，32（14）：1639-1646.

［19］ 秦紹鋒，曹愛娟，付鑫，等．煤層氣L型井隔膜泵舉升及配套技術(shù)研究［J］．石油機(jī)械，2022，50（1）：122-127．

QIN S F，CAO A J，F(xiàn)U X，et al.Research on lifting and supporting technologies of diaphragm pump in CBM l-type well［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（1）：122-127.

［20］ 韓道權(quán)，張豫，宋玉杰，等．類橢圓型采油螺桿泵舉升性能分析［J］．石油機(jī)械，2021，49（1）：132-137．

HAN D Q，ZHANG Y，SONG Y J，et al.Analysis on the lifting performance of elliptic-like type progressive cavity pump［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（1）：132-137.

第一秦如雷，高級工程師，生于1987年，2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)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