關于石油鉆井技術及水里參數(shù)設計

1、畢業(yè)設計（論文）                   題 目 深水無隔水管鉆井關鍵技術及水力參數(shù)設計       方法研究            學 院 石油與天然氣工程學院    

2、;   專業(yè)班級 石油工程2012-02       學生姓名 王雪威 學號 2012440329       指導教師 郭曉樂 職稱 教授       評閱教師 職稱             2016年 5 月 18 日

3、0;     學生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明            本人以信譽聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）是在導師的指導下進行的設計（研究）工作及取得的成果，設計（論文）中引用他（她）人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學院或其它教育機構的學位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設計（研究）所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。

4、60;                       畢業(yè)設計（論文）作者（簽字）：        2016年 5 月 18 日      摘 要        

5、     隨著石油資源一步步的被開發(fā)，勘探新的石油資源就迫在眉睫。而隨著石油勘探技術不斷的發(fā)展，世界范圍內(nèi)油氣資源開發(fā)也逐漸向深水進軍。而深水鉆井環(huán)境惡劣，其中有會出現(xiàn)不少的問題，易造成嚴重的鉆井事故。      在深水環(huán)境中進行鉆井作業(yè)會有相當多的挑戰(zhàn)，為了解除這些困難，國外經(jīng)過一系列研究，開發(fā)出了無隔水管鉆井液回收鉆井技術（RMR），該技術摒棄了傳統(tǒng)的隔水管，利用相對較小的回流管線將鉆井液和鉆屑從海底泵送回鉆井平臺。深水無隔水管鉆井技術主要解決海洋鉆井中地層破裂壓力與坍塌壓力之間余

6、量較小的問題，采用海底泵舉升系統(tǒng)將鉆井液和巖屑通過返回管線泵送回海面鉆井船，實時調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，以滿足保持海底鉆井液舉升泵入口壓力恒定的要求。由于RMR技術是最新發(fā)展的技術，目前尚無合適的水力學計算理論和方法。因此，有必要結(jié)合無隔水管鉆井液回收鉆井技術特點，建立相應的水力參數(shù)計算模型，為深水鉆井設計提供指導。      本文探討研究了無隔水管鉆井技術，結(jié)合了我國的實際情況進行了分析，以及對其所涉及的一系列參數(shù)的計算方法。      關鍵詞 無隔水管 鉆井關鍵技術 水力參數(shù)&#

7、160;     Abstract            With the development of oil resources, exploration of new oil resources is imminent. With the development of petroleum exploration technology, the development of oil and gas resources in

8、 the world has gradually entered into the deep water. The deepwater drilling environment is poor, which will have a lot of problems, easy to cause serious drilling accident.       In order to solve a series of problems encountered in the process of deepwater drilli

9、ng, foreign research issued without riser drilling fluid recovery drilling technology (RMR), the technique removed riser, using relative smaller reflux pipelines will be drilling fluids and cuttings from submarine pump back to drilling platform. Deep water without riser drilling technology is mainly

10、 to solve the ocean drilling fracturing a smaller margin between pressure and collapse pressure, the subsea pump lifting system through drilling fluids and cuttings to return pipeline pump back to the sea drilling ship, real-time control to regulate the flow, to meet the protection to subsea mudlift

11、 pump inlet pressure constant. As RMR technology is the latest development of the technology, there is no suitable theory and method of hydraulic calculation. Therefore, it is necessary to establish the corresponding calculation model of the hydraulic parameters, and provide guidance for the deepwat

12、er drilling design.       This paper discusses the research on the drilling technology of the non riser, combining the actual situation in ourcountry,and the calculation method of a series of parameters.       Key Words：No riser ；

13、Drilling Key Technology；hydraulic parameter       目錄            摘要 PAGEREF _Toc19667 I      Abstract II      1 緒論 1      

14、;1.1 研究目的及意義 1      1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1      1.3 無隔水管鉆井技術的優(yōu)勢 2      2 無隔水管鉆井液回收技術 3      2.1 RMR技術原理及優(yōu)點 3      2.2井內(nèi)壓力的計算 4     

15、60;2.2最小鉆井液排量的計算 5      2.3 循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗及泵功率計算 5      2.4 深水無隔水管鉆井液多級舉升技術 6      2.5 鉆井液舉升系統(tǒng)參數(shù)分析 6      2.6 影響舉升泵泵效的因素 8      3 無隔水管鉆井淺部地層井筒循環(huán)壓耗分析 10 

16、;     3.1 模型的建立 10      3.2 壓耗模型的求解 11      3.2.1鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗計算 11      3.2.2環(huán)空中循環(huán)壓耗計算 12      3.2.3鉆頭壓降及環(huán)空攜巖 12      3.3 分析與結(jié)論 13

17、      4 深水無隔水管鉆井MRL選型以及參數(shù)優(yōu)化 16      4.1 MRL壓耗分析 16      4.2 MRL參數(shù)優(yōu)化 17      4.2 MRL選型 19      4.2.1 剛性管線 19      4.1.2 柔

18、性管線 19      5 總結(jié) 21      參考文獻 22      致謝 23            1 緒論            1.1 研究目的及意義 &#

19、160;    石油對于現(xiàn)代工業(yè)來說，是極其重要的，作為一種不可再生的能源，在國家的經(jīng)濟與工業(yè)發(fā)展中都起到了舉足輕重的作用。但隨著石油資源被一步步的開發(fā)，陸地資源已經(jīng)越來越匱乏。所以世界范圍內(nèi)都在向海洋進軍。但海洋深水的鉆井環(huán)境相當惡劣，在這之中我們將面臨許多挑戰(zhàn)，諸多挑戰(zhàn)也限制了我們在深水域的作業(yè)能力。由此，無隔水管鉆井技術便出現(xiàn)了。      該技術放棄了傳統(tǒng)的隔水管，利用相對較小的回流管線將鉆井液和鉆屑從海底泵送回鉆井平臺。深水無隔水管鉆井技術采用海底泵舉升系統(tǒng)將鉆井液和巖屑通過返回管線泵

20、送回海面鉆井船，實時調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，以滿足保持海底鉆井液舉升泵入口壓力恒定的要求。但該項技術是最新發(fā)展的技術，目前尚無合適的水力學計算理論和方法8。因此，有必要結(jié)合無隔水管鉆井液回收技術的相關特點，建立相應的水力參數(shù)計算模型，為深水鉆井設計提供指導。      1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀      國外從20世紀中期就開始對無隔水管鉆井技術進行了一系列的研究, 在1969年的時候申請了第一個無隔水管鉆井技術專利。在2001年，挪威AGR公司在其鉆屑輸送系統(tǒng)基礎上成功研制出了無隔水

21、管鉆井液回收鉆井技術，并于03年在里海成功的進行了商業(yè)應用。經(jīng)過多年人們對其深入的探索研究，無隔水管鉆井技術目前已經(jīng)發(fā)展成為了一種較為成熟的深水鉆井技術。已經(jīng)從最初的淺水RMR技術發(fā)展到了深水、超深水RMR技術。至今，RMR技術己經(jīng)在世界范圍內(nèi)鉆探100多口油井，成功解決了傳統(tǒng)隔水管鉆井技術遇到的難題，獲得較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。在20世紀60年代，Mint-on提出了噴射下套管技術，該技術的原理是采用管柱內(nèi)安裝井下動力鉆具，利用管串的自身重力和鉆井液噴射力邊鉆進邊下導管。      為了在深水環(huán)境中達到鉆井液循環(huán)要求，業(yè)界提出了鉆井液

22、多級舉升技術，而該項技術又涉及到了許多的參數(shù)計算，MRL選型以及其參數(shù)的優(yōu)化，井筒循環(huán)壓耗的分析等。      該技術于08年9月份在南中國海水深1419 m海域處成功進行了RMR技術的現(xiàn)場試驗，試驗證明了其在深水鉆井中的可行性，以及在南中國海鉆井的優(yōu)點，例如安全鉆探淺層風險地層、克服泥漿錄井限制、延伸表層套管設置深度等。      目前中海油在渤海和南?？碧骄幸呀?jīng)成功應用了套管鉆井技術，但還沒有廣泛應用在深水中。在最近的二十年內(nèi)，已經(jīng)有近100口深水井應用了無隔水管套管鉆

23、井技術，水深范圍3503050m，井深范圍344611017m。      1.3 無隔水管鉆井技術的優(yōu)勢      相對于傳統(tǒng)海洋鉆井技術來說,無隔水管鉆井液回收技術不僅擁有自身的特點，另一方面還可以解決隔水管在深水作業(yè)所帶來的一系列困擾，并且能夠解決深水作業(yè)中的諸多挑戰(zhàn)。由于摒棄了隔水管，就不再需要足夠大的平臺來容納其管線等一些設備，如此一來，大大節(jié)約了鉆井成本，鉆井速度也會得到顯著提升，且增加了安全系數(shù)，對環(huán)境所產(chǎn)生的影響也將得到顯著下降。RMR技術減少了套管數(shù)量,在很

24、大程度上井身機構得到了優(yōu)化。通過實踐證明，,理想狀況下,RMR技術不僅可以鉆探淺層井眼，深水，甚至超深水其都可以達到。隨著對于無隔水管鉆井相關技術的一步步深入研究，目前RMR技術的已經(jīng)較為完善，并且得到的許多應用。,同時,隨著海洋深水鉆井的蓬勃發(fā)展，由于其具有許多明顯的技術優(yōu)勢，并且該技術已經(jīng)愈發(fā)成熟,RMR技術必將在世界范圍內(nèi)得到更加廣泛的應用。      2 無隔水管鉆井液回收技術            2.1

25、RMR技術原理及優(yōu)點       總的來說RMR技術就是在鉆井過程中放棄了使用傳統(tǒng)的隔水管，在該技術中，鉆桿是直接暴露在海水中的，井眼和海水之間的密封是通過海底井口的吸入模塊來實現(xiàn)的，它實際上就是一種頂部井眼鉆探系統(tǒng),使用海底泵系統(tǒng)將井眼環(huán)空返回鉆井液和巖屑通過泥漿返回管線泵送回海面鉆井船。它的主要組成裝備有：控制系統(tǒng)，海底舉升泵模塊，海底吸入模塊，鉆井液返回管線，絞車以及常規(guī)海面裝備。該技術經(jīng)過一系列的研究與發(fā)展，已經(jīng)很好地解決了在復雜深水域中鉆探所面臨的諸多挑戰(zhàn)。目前在世界范圍內(nèi)都獲得了比較廣泛的商業(yè)應用。該技術已經(jīng)從最

26、初的淺水發(fā)展到了深水、超深水RMR技術。圖1為鉆井液循環(huán)示意圖，圖2為其壓力梯度曲線圖。                        無隔水管鉆井液回收技術與傳統(tǒng)鉆井技術相比，擁有以下優(yōu)點：       （1）可以大大減少井漏與井涌的發(fā)生概率，因為其地層破裂壓力和孔隙壓力間隙區(qū)域相對變寬了；

27、60;      （2）由于其不需要多層套管體系了，大大減少了下套管和固井的時間，減少了建井周期，節(jié)約了成本；       （3）因其舍棄了常規(guī)隔水管，鉆井平臺就不需要再承受隔水管如此巨大的重量，降低了對平臺的要求；       （4）大大減少了鉆井液用量，節(jié)約了鉆井液成本；       （5）利用現(xiàn)有的技術與裝備，可以到更深的海域進行作業(yè)；

28、60;      （6）由于不采用隔水管，其鉆井系統(tǒng)移動的機動性也得到了顯著提升。      2.2井內(nèi)壓力的計算      在RMR系統(tǒng)正常工作并且海底鉆井液舉升泵處于恒定入口壓力工作模式的條件下，這樣可以井眼環(huán)空頂部壓力保持恒定。在鉆井液密度一定的條件下，井內(nèi)任意垂直深度處的壓力p可表示為：      p=pi+dghB/1000 （2.1） 

29、      pi=wghw/1000 （2.2）      式中pi為海底舉升泵入口壓力，MPa；d為鉆井液 密度，g/cm3；w為海水密度，g/cm3；hB為海底泥線以下井眼的實際垂直深度，m，hw為水深，m。      2.2最小鉆井液排量的計算      最小鉆井液排量是指鉆井液從井筒內(nèi)將巖屑攜帶至井口處所需要的最低排量。最小排量由攜巖所需的最低鉆井液環(huán)空返速決

30、定8。最小環(huán)空返速的計算一般使用經(jīng)驗公式:      va=18.24（/ ddh） （5.3）      式中，va 為鉆井液最低環(huán)空返速，m/s；dh為井眼直徑，cm。      在工程上，通常用巖屑舉升效率表示鉆井液的攜巖能力。巖屑舉升效率是指巖屑在環(huán)空中的實際上返速度與鉆井液在環(huán)空中的上返速度之比8，即      Ks= vs/va （5.4）

31、60;     式中，Ks為巖屑的舉升效率，無因次；vs為巖屑在環(huán)空中的實際上返速度，其單位為m/s。      實際鉆井中為了保持產(chǎn)生的巖屑量與井口返出量相平衡，一般要求Ks不小于0.58。      2.3 循環(huán)系統(tǒng)壓力損耗及泵功率計算      RMR系統(tǒng)鉆井液循環(huán)體系總體上可分為海面平臺管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭噴嘴、井眼環(huán)空和回流管線5部分。鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流動

32、，主要是在鉆柱內(nèi)的管內(nèi)流動、鉆柱外的環(huán)空流動以及回流管線內(nèi)的流動。鉆井液在流經(jīng)這些部位時，都要損失掉一定的能量，從而產(chǎn)生壓耗。在系統(tǒng)正常工作時，海面泵提供平臺管匯、鉆柱內(nèi)、鉆頭噴嘴和井眼環(huán)空的循環(huán)壓耗，海底泵為鉆井液的舉升提供能量。      我們假設整個井身內(nèi)的壓力損耗值為 p，可得出下面公式:      p=pg +pp +pa +pb      pg=9.818Cfd（Q/100)1.86  

33、;     pp=0.1544pv0.2d0.8Q1.8L/d1.8      pb=0.081dQ2/(C2dne4)       （5.5）      式中,pg平臺管匯壓耗，MPa；pp鉆井液在鉆柱內(nèi)的壓耗，MPa；pa鉆井液在井眼環(huán)空內(nèi)的壓耗，MPa；pb鉆頭壓降，MPa；Cf鉆井平臺管匯摩阻系數(shù)，與平臺管匯類型有關，可查表得到；L為鉆柱總長度，m；pv為鉆井

34、液的塑性黏度，mPas；d鉆柱內(nèi)徑，cm；La環(huán)空總長度，m；C噴嘴流量系數(shù)，對于非噴射式鉆頭，C=0.80，對于噴射式鉆頭，C=0.95；dne為噴嘴當量直徑，cm，di噴嘴直徑。      根據(jù)伯努利方程，我們以海底泥線處為基點，可以得到如下的關系：       （5.6）      其中 v1、v2 分別為海面泥漿泵出口處的鉆井液流速以及鉆井液從環(huán)空中返回到海底泥線處的流速。在滿足工程精度的條件下，可以把兩者看

35、作近似相等。則鉆井液循環(huán)體系泵壓傳遞的基本關系式可用下式表示：      Ps=p+(mghw-dghw)/1000 （5.7）      P0=p+dghw/1000 （5.8）      式中，ps為海面泥漿泵出口壓力，MPa；po為海底舉升泵出口壓力，MPa；pr為鉆井液在回流管線內(nèi)的壓耗,MPa。      再由泵壓跟流量的關系可以求得海面鉆井泵輸出

36、功率Ps和海底舉升泵的輸出功率Po為:      Ps=psQ （5.9）       Po=poQ （5.10）      式中Q為海面鉆井泵排量，L/s。       2.4 深水無隔水管鉆井液多級舉升技術      在深水海域進行鉆井作業(yè)時，其鉆井液舉升泵的揚程通常不能達到工藝的要求

37、，鉆井液多級舉升技術由此便被提出來了。該技術是通過采用剛性鉆井液回流管線將舉升泵串聯(lián)在一起，回流管線既起到鉆井液回流通道的作用，尤其到了舉升泵的固定作用5。                   2.5 鉆井液舉升系統(tǒng)參數(shù)分析       無隔水管鉆井液回收技術其實是雙梯度鉆井技術的一種延伸，為了使其滿足深水海域的鉆井工藝，業(yè)界提出了多級舉升技術。&

38、#160;     從井底返回的鉆井液是固液混合的兩相體系，固液兩相間的互相作用使其產(chǎn)生了多樣化的流體特性，現(xiàn)根據(jù)鉆井液工藝的相關理論研究將其視為滿足冪律模式的流體，然后再對其參數(shù)進行系統(tǒng)化的分析。      首先，我們來分析鉆井液排量以及環(huán)空返速的計算。在現(xiàn)場的施工工藝中，通常是用巖屑的舉升效率來衡量鉆井液攜帶巖屑的能力。       （2.1）      在式中，

39、ns為巖石的舉升效率，無因此；vs為巖屑的實際上返速度，單位是m/s；va為鉆井液的上返速度，單位是m/s；在鉆井作業(yè)過程中，為了保證鉆井液的攜巖能力，一般要求ns>0.5      巖屑在鉆井液中的下滑速度vs1應滿足：       （2.2）      式中，ds為巖屑粒徑，單位為m；s為巖屑的密度，單位為kgm3，為鉆井液密度，其單位是kgm3；C為顆粒形狀系數(shù)，圓球狀為0.5、圓片狀為0.60.82、不

40、規(guī)則或者扁平狀為2.1.      巖屑在鉆井液中的實際上返速度為：      vs=va-vs1 （2.3）      滿足攜帶巖屑的最小泥漿泵排量滿足下面的公式：      Qa=（dh2-dp2）va/4 （2.4）      式中，Qa為泥漿泵的最小排量，單位為m3s；dh為鉆頭直徑，m；d

41、p為鉆桿外徑，m。      其次，鉆井液舉升系統(tǒng)的壓降計算：      鉆井液在整個回流管線的流動過程中，其水頭損失是由局部水頭損失和沿程阻力損失兩部分所構成的。由于舉升系統(tǒng)中回流管線很長，管徑變化不大，接頭、閥門較少，因此，局部水頭損失相對較小，在實際計算中可以忽略不計5。雷諾數(shù)是液體流態(tài)判斷的主要依據(jù)，冪律流體的雷諾數(shù)計算公式如下：      Re= （2.5）    &

42、#160; 式中n冪率流體的流性指數(shù)，無量綱；K冪律流體的稠度系數(shù)。      當Re2000時為層流，壓耗計算公式為：       EMBED Equation.KSEE3 n （2.6）      當Re>4000時為紊流,此時需要求出沿程阻力系數(shù):      =lg(Re1-0.5n) EMBED Equation.KSEE3 （2.7

43、）      通過利用迭代法可以求出阻力系數(shù)，紊流壓耗公式為:       （2.8）      根據(jù)壓耗的計算公式可以計算出鉆井液回流管線的壓力降。      最后，舉升泵的參數(shù)計算：      鉆井泵舉升系統(tǒng)揚程可根據(jù)下面的公式計算：     &

44、#160;-hm （2.9）      式中p1，p2分別為上一級泵入口的壓力和下一級泵入口的壓力，單位為Pa；va1、va2分別為上一級泵入口和下一級泵入口的鉆井液流動速度，單位為m/s；z1、z2分別為下一級泵和上一級泵的標高，m。      根據(jù)上面的式子可以求出舉升泵的揚程，從而進一步求出舉升泵的功率：      Pe=mgQmHm （2.10）     &#

45、160;鉆井液舉升系統(tǒng)中的固相顆粒在舉升泵的入口是不產(chǎn)生壓力的,因此根據(jù)流體力學中的能量方程、連續(xù)性方程和動量方程可以得到舉升泵的揚程公式為：      Hm=-hm （2.11）      式中Cv為鉆井液中巖屑的體積分數(shù)，無因次。      由于鉆井回流管線中管的內(nèi)徑?jīng)]有發(fā)生變化，因此舉升泵的揚程計算式為：      Hm=-hm （2.12） 

46、;     根據(jù)上面的計算過程，可以得到鉆井液舉升系統(tǒng)所涉及的各個參數(shù)的計算方法，可以由此得到需要的參數(shù)值。      2.6 影響舉升泵泵效的因素       （1）舉升級數(shù)的影響。在其他條件固定不變的情況下，對泵的揚程要求隨著舉升級數(shù)的增加對泵揚程的要求也隨之降低，由此建議使用較高的舉升級數(shù)；       （2）回流管線傾斜角度的影響。該角度主要是影響鉆

47、井液回流時的壓耗，從而影響揚程，因此在現(xiàn)場工作。應該準確預測出鉆柱的橫向偏移，從而確定該夾角。       （3）鉆井液密度的影響。鉆井液的性能不僅影響舉升泵所承受的液柱壓力，還會影響其在回流管線中的流態(tài)，鉆井液密度越大，其揚程便越大。因此在現(xiàn)場工作中應該使用密度合適鉆井液。       （4）固相顆粒的影響。固相顆粒的體積分數(shù)以及直徑大小對泵效都有影響，其體積分數(shù)越高，舉升泵的揚程便越大；而固相顆粒的直徑會影響其在鉆井液中的沉降速度，從而對其泵效產(chǎn)生影響

48、。      3 無隔水管鉆井淺部地層井筒循環(huán)壓耗分析             無隔水管鉆井液回收鉆井技術通過一系列的研究與試驗，證明了其能夠相對較好地解決在深水淺部地層鉆井的難題。M無隔水管鉆井系統(tǒng)在鉆井過程中存在一個臨界排量，只有當泵排量不小于臨界排量的時候才能夠保證井筒循環(huán)的連續(xù)性。在鉆遇淺部地層的時候，井筒壓力中還是以鉆井液液柱壓力為主導，循環(huán)壓力的影響微乎其微。另外，開展本項研究可為深水無隔水管鉆

49、井在技術上提供一定的支持。      3.1 模型的建立      RMR無隔水管鉆井系統(tǒng)鉆井液循環(huán)過程如圖4所示。鉆井液首先通過鉆桿流經(jīng)鉆頭進入井眼環(huán)空中，然后繼續(xù)上返至環(huán)空頂部，經(jīng)過井口裝置后由海底泵通過小尺寸的返排管線舉升到鉆井船上7。            據(jù)M無隔水管鉆井系統(tǒng)動力平衡關系可得:    

50、0; pspp+mg( Hw+H)/1000pf，ppbpf，amgH/1000 = ps （3.1）      ps=wgHw/1000 （3.2）      根據(jù)上面兩式聯(lián)立可得：      pspp+ (mw) gHw/1000 =pf，p+pb+pf，a （3.3）      式中，pspp為立管壓力，單位為MPa; ps為井眼環(huán)空頂部壓力

51、，單位為MPa;pf，p為鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗，單位為MPa; pf，a為井眼環(huán)空中循環(huán)壓耗，單位為MPa; pb為鉆頭壓降，單位為MPa;m為鉆井液密度，單位為g/cm3; g為重力加速度，m / s2; Hw為水深，m; H為井深，m。      3.2 壓耗模型的求解      3.2.1鉆柱內(nèi)循環(huán)壓耗計算：      由于圓管流量方程的壓耗計算方法能夠較為準確地分析鉆柱內(nèi)循環(huán)的壓耗。在此選用工程中適用性相對較強的赫

52、巴模式，赫巴流體在圓管內(nèi)流動時滿足如下關系：      Q= EMBED Equation.KSEE3 （3.4）       在上式中，Q為排量，L/s; 0為赫巴模式中屈服值，Pa; K為赫巴模式中稠度系數(shù)，Pasn; n為赫巴模式中流性指數(shù);w，p為鉆柱內(nèi)管壁處切應力，Pa。      在泵的排量給定的條件下，采用牛頓下山法，可求解得到管壁處切應力w，p，再通過赫巴流變方程可以進一步求得管壁處的剪切速率wp。根

53、據(jù)樊洪海等人提出的廣義流性指數(shù)法計算管內(nèi)雷諾數(shù):       （3.5）       （3.6）       式中，eg，p為圓管廣義雷諾數(shù);為流體密度，kg/m3; Deff,p為鉆柱內(nèi)有效管徑，m; vp為鉆柱內(nèi)流體平均流速，m/s;w,p為鉆柱內(nèi)管壁處有效黏度，Pas; np為鉆柱內(nèi)廣義流性指數(shù); D為鉆桿管徑,m。        

54、    層流臨界雷諾數(shù):eg，l= 34701370np      紊流臨界雷諾數(shù):eg，t= 42701370np      如若eg，peg，l，則為層流；若eg，leg，peg，t，則為過渡流；若eg，peg，t，則為紊流。      在層流條件下，范寧阻力管內(nèi)雷諾數(shù)與阻力系數(shù)有如下關系式:fl=16/eg     

55、60;式中，fl為層流范寧阻力系數(shù)。      紊流時采用非牛頓流體光滑管范寧阻力系數(shù)計算式:       （3.7）      在上式中，ft為紊流范寧阻力系數(shù)。      而對于過渡流狀態(tài)，則采用線性差分的原則求解范寧阻力系數(shù):      Ftr=f1+ （3.8）  

56、60;   在上式中，ftr為過渡流范寧阻力系數(shù)。      因此，圓管循環(huán)壓耗可以經(jīng)由達西公式求解:       （3.9）      在上式中，Lp為鉆柱長度，m。      3.2.2環(huán)空中循環(huán)壓耗計算      根據(jù)環(huán)空流量方程可得赫巴流體在環(huán)空中流量與管壁處切

57、應力的關系式為:      Q= （3.10）       式中,w,a為環(huán)空中管壁處切應力，Pa;w,a為環(huán)空中管壁處剪切速率，s-1;為環(huán)空間隙，m;0為環(huán)空外半徑，m; i為環(huán)空內(nèi)半徑，m。      若排量Q已知，則采用數(shù)值迭代方法得到管壁處切應力w,a，進而求解得管壁處剪切速率w,a。      環(huán)空中采用環(huán)空廣義流性指數(shù)法計算雷諾數(shù): 

58、      （3.11）      其中， （3.12）      式中，eg，a為環(huán)空廣義雷諾數(shù); Deff,a為環(huán)空有效管徑，m; va為環(huán)空流體平均流速，m/s; w,a為環(huán)空管壁處有效黏度，Pas; na為環(huán)空廣義流性指數(shù)。      井眼環(huán)空中仍然可采用式 ( 3.6) 進行流態(tài)判別，由廣義流性指數(shù)壓耗計算模型的推導可知，式( 3.7)式 (3. 9) 范寧

59、阻力系數(shù)的計算方法在環(huán)空中同樣適用。故此時環(huán)空中循環(huán)壓耗計算式為:       （3.13）      在上式中，La為井眼環(huán)空長度，m; Dhy為水力直徑，m。      3.2.3鉆頭壓降及環(huán)空攜巖       工程上鉆頭壓降計算式為：       （3.14）   

60、;   其中，       式中，C為噴嘴流量系數(shù)，一般取C=0.650.80;dne為噴嘴等效直徑，mm。      巖屑在井眼環(huán)空中上升的環(huán)空返速，取決于環(huán)空鉆井液返度、鉆井液性能、巖屑幾何特性以及相對密度等，其計算式為1:       vc= vavs （3.15）       式中，vc為巖屑上返速度

61、，m/s;vs為滑脫速度，m/s。      關于環(huán)空中巖屑下沉速度，工程上使用較多的是 Moore 計算式:       （3.16）      式中s為巖屑密度，g/cm3;a為表觀黏度，Pas。      鉆井工程中常以環(huán)空巖屑返速與環(huán)空鉆井液返速之比作為衡量環(huán)空攜巖的指標，稱之為井眼凈化能力，即:    

62、60;  （3.17）      現(xiàn)場工程經(jīng)驗表明，當t0.5時，井眼環(huán)空滿足凈化要求。      3.3 分析與結(jié)論      采用M無隔水管鉆井系統(tǒng)對某深水域儲層進行勘探，分析M無隔水管鉆井系統(tǒng)鉆遇淺部地層時井筒中水力參數(shù)。計算所需基本參數(shù)如下。鉆井液密度m取1.24 g/cm3，海水密度取1.04g / cm3，水深600 m，井深600 m，鉆桿外徑127.0mm，鉆頭外徑222.3 mm，3個鉆頭

63、噴嘴直徑18mm，鉆井液屈服值 2.84Pas，稠度系數(shù)0.3725Pasn，流性指數(shù)為0.6857。      首先計算鉆頭壓降，其計算公式如上式（3.14）      我們?nèi)流量噴嘴系數(shù)為0.80，當排量Q為5L/s時，代入上面公式整理得到：                  dne為噴嘴等效

64、直徑，此處是18mm,代入進行計算可得到pb=0.37。      同理，當流量Q為10L/s,15L/s.時，我們都可以得到一個鉆頭壓降pb值，由此便可以繪制出流量與鉆頭壓降的關系圖。      我們依然以排量為5L/s來對鉆柱內(nèi)以及環(huán)空中的循環(huán)壓耗進行計算，已知的基本參數(shù)為：Q=5L/s，流性指數(shù)n=0.6857,稠度系數(shù)K=0.3725Pasn,R=127.0mm,0=2.84。      圓管循環(huán)壓耗可以經(jīng)由

65、達西公式求解，其求解所需要的公式為（3.4）（3.9），      環(huán)空中的循環(huán)壓耗計算公式為（3.10（3.13）。      通過改變排量的大小，可以得到許多組鉆柱內(nèi)與環(huán)空中的壓耗值，繪制曲線，可以得到排量與其的關系，如圖5。                     

66、;               圖5 循環(huán)壓耗與排量關系曲線      由圖可知，在M無隔水管鉆井系統(tǒng)鉆遇淺部地層過程中，隨著排量的增加，鉆柱內(nèi)、鉆頭和環(huán)空中壓耗均呈現(xiàn)不同程度的增大。鉆柱內(nèi)鉆井液隨著排量的增加從層流( Q18.30L/s) 向過渡流( 18.30 L/sQ 23.05L/s)轉(zhuǎn)變，最終形成紊流( Q23.05L/s)。    &#

67、160;       圖6 井筒循環(huán)壓耗隨排量的變化規(guī)律      圖6中所反應的規(guī)律與圖5相似，鉆井過程中井筒循環(huán)壓耗隨排量的增加而增大，只不過這種增大的程度更加復雜。立管壓力在排量0. 0014. 50 L/s 時為0，超過此臨界排量之后才相對應地隨循環(huán)壓耗增大。這是由于M無隔水管鉆井技術要求井筒環(huán)空中頂端壓力與泥線附近海水液柱壓力相等。鉆鉆井液的密度越大，其在相同的海水段產(chǎn)生的液柱壓力就會比海水液柱壓力大，如果M系統(tǒng)用較低的排量來鉆進的話，則井筒循環(huán)壓耗是無法

68、補足鉆井液與海水兩者液柱壓力之差的，而由此導致的結(jié)果便是鉆柱內(nèi)液柱將會在自身重力的作用下推著井筒中鉆井液由鉆柱內(nèi)經(jīng)鉆頭流向井眼環(huán)空中，產(chǎn)生U形管效應。因此采用M無隔水管鉆井技術時，一定得要泵排量高于這個臨界排量才行。      結(jié)合深水無隔水管鉆井液回收鉆井系統(tǒng)的特點，建立了考慮鉆井流體流態(tài)變化的循環(huán)壓耗計算方法。橫向上看，該循環(huán)壓耗計算方法將鉆柱內(nèi)和環(huán)空中鉆井液循環(huán)壓耗計算方法統(tǒng)一起來，縱向而言，鉆井液3種流態(tài) ( 層流、過渡流和紊流)下壓耗的計算形式通過該計算方法也得到統(tǒng)一。    

69、0; 4 深水無隔水管鉆井MRL選型以及參數(shù)優(yōu)化            在深水表層進行鉆井作業(yè)有許多的難題，而無隔水管鉆井液舉升鉆井便是一個能有效解決這些難題的方案，鉆井液舉升管線作為鉆井液返回平臺的唯一通道，它的選型和設計在很大程度上影響了整個系統(tǒng)的正常運行。在對鉆井液返回管線( MRL)壓耗分析的基礎上，通過分析不同規(guī)格的MRL對鉆井液流速、壓耗等一些性能所產(chǎn)生的影響，可以得出在不同的水深，應該應用什么規(guī)格的MRL; 在對不同水深作業(yè)情況下返回管線的選型進行了一

70、系列研究后發(fā)現(xiàn)，較淺水層應該優(yōu)先選用柔性管線，深水和超深水應該優(yōu)先選用鋼制管線的選型。此項研究對于深水無隔水管鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)來說，也是具有相當?shù)闹笇б饬x的。      在深水海域的復雜條件下，MRL的受力情況是相當復雜的，導致了它的適應能力相對減弱了，其上部承受的壓差較小，但需承受來自整根管線的重力、內(nèi)含鉆井液的重力以及其他附著零件的重力等許多載荷作用，與此同時，MRL的下部承受的載荷就相對較小了，但這樣就導致了管線內(nèi)外壓差變得比較大。同時，還需承受海流等橫向力的交替作用，對其的使用壽命也產(chǎn)生了一定的影響。值得注意的是，在無隔水管

71、鉆井液舉升系統(tǒng)中，MRL一旦失效，其后果是整個鉆井作業(yè)必將中斷。因此，對于整個系統(tǒng)的運行操作來說，MRL的性能和可靠性是相當重要的，所以，其選型和設計是無隔水管鉆井液舉升表層鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的一項。      4.1 MRL壓耗分析      鉆井液返回管線的選型和設計的關鍵參數(shù)是管線內(nèi)徑，管線中鉆井液流速和海底舉升泵的功率極大決定了MRL的規(guī)格，而在另一方面，MRL的內(nèi)徑又直接決定了系統(tǒng)的動力、功率。在海底井眼返回的含巖屑鉆井液經(jīng)海底泵增壓后返回到平臺的這一過程當中，所發(fā)生的

72、損耗主要是MRL的壓耗，該壓耗與鉆井液密度、水深、流速、黏度及返回管線的內(nèi)徑有關。而整個系統(tǒng)的工作情況也將被MRL傳輸海底井眼返回鉆井液的效率所影響。      根據(jù)范寧方程可知，流體流經(jīng)管線的壓力損耗為:       (4.1)      然后，f= (4.2)      根據(jù)流體力學相關知識，我們可計算流經(jīng)MRL的雷諾數(shù):  

73、0;   Re=()/m (4.3)      在上面的式子中，prl表示的是流體的壓力損耗，單位為MPa; f為Moody摩擦因數(shù)，層流狀態(tài)時可由式( 4.2) 來對其進行確定，其中值由K/d確定，K的含義是管道內(nèi)壁絕對粗糙度,而d為管道得內(nèi)徑值；在紊流狀態(tài)時，通常將管視為0來近似計算;l為管線長度,在忽略管線變形及漂移等一些因素下，其數(shù)值近似等于水深，m;m為鉆井液密度; 為流體平均流速，m/s; di為管線內(nèi)徑，cm;m為鉆井液動力黏度，Pas。    

74、60; 的計算應考慮井眼環(huán)空攜巖性能，即確定攜巖最低環(huán)空返速排量，進而確定最小排量，再確定鉆井液流經(jīng)返回管線的 。最低環(huán)空返速通常使用經(jīng)驗公式來確定:      va=18.24/(ddh) (4.4)      最低環(huán)空返速確定后，可根據(jù)下面的式子來對海底舉升泵的最小排量進行確定:      Q=( d2hd2p) va/40 （4.5）     

75、; 上式中，va為井眼環(huán)空最低返速，單位為m/s;dh為井眼環(huán)空直徑，cm; dp為鉆桿外徑，cm; Q為滿足攜巖要求的海底舉升泵最小排量，L/s。      根據(jù)經(jīng)驗公式可計算MRL內(nèi)含巖屑鉆井液的流速:      = 5195Q/(408d2i) （4.6）      將式(4. 2)式 (4. 6)代入式 ( 4.1)中并整理，我們便可以得到鉆井液舉升管線壓耗計算公式為:  

76、60;   prl=7.29103m0.8hwvf1.8e0.2/ di1.2 （4.7）      式中，hw為井位水深，m。      4.2 MRL參數(shù)優(yōu)化      MRL 選型的一大關鍵便是管線內(nèi)徑，通過對不同管徑MRL內(nèi)的流速、雷諾數(shù)、摩擦因數(shù)和摩擦阻力進行綜合分析比較，從而來選擇MRL的內(nèi)徑。粘滯阻力和鉆井液的舉升壓力是影響管內(nèi)的壓力損失的主要因素。根據(jù)系統(tǒng)設計要求的理想流

77、速，可相應得到給定直徑管線中流體的流動速度。在水深一定的條件下，所需MRL的長度是近似等于水深的，由此，對于內(nèi)徑一定的MRL壓力損耗我們便可對其進行計算了，或者將其作為管路內(nèi)徑的函數(shù)畫出圖來。圖8圖11分析了在不同鉆井液流量情況下下，鉆井液流速、雷諾數(shù)、摩擦因數(shù)和摩擦阻力隨MRL內(nèi)徑的變化情況。            圖8 MRL內(nèi)徑對鉆井液流速的影響          

78、60; 圖9 MRL 內(nèi)徑對雷諾數(shù)的影響            圖10 MRL 內(nèi)徑對管線摩擦因數(shù)的影響            圖11 MRL 內(nèi)徑對返回管線壓力損耗的影響      從圖中我們不難看出，隨著MRL直徑的增大，摩擦阻力變得越來越小，壓力損失也相對較小，但是隨著回流管線直徑的

79、增大，其質(zhì)量便增加了，系統(tǒng)所需的功率也隨之增加，所需鉆井液的量顯然也增加，這樣的結(jié)果將是后勤供給將會有不小的壓力，從而增加鉆井成本。      4.2 MRL選型      在進行鉆井作業(yè)過程中，MRL受到內(nèi)部靜水壓力（相應深度的海水）和外部靜水壓力（鉆井液）影響，鉆井液返回管線的類型應根據(jù)海水深度和作業(yè)條件來確定，按照MRL材質(zhì)的不同，鉆井液返回管線主要分為剛性管線和柔性管線二大類。      4.2.1剛性管線&

80、#160;     剛性管線通常是使用鋼管分段連接而成的。一方面滿足了海底鉆井液舉升對其的要求，但另一方面，鋼制管線的質(zhì)量相對較大，并且會占用平臺比較大的空間，需專用下放設備，剛性管線的下放和回收通常情況下都需要借助鉆機頂驅(qū)設備進行。該種方案大大占用了鉆機時間，增加鉆井成本。      其可選的剛性管線結(jié)構形式大致有如下兩種：       （1）各段管路是通過機械接頭連接而成。管路可以使用適當直徑的鉆桿來連接，也可選用相應標準

81、規(guī)格的工業(yè)鋼管。       （2）使用常規(guī)鋼制管線，但是海底作業(yè)環(huán)境十分復雜，因此，其上帶有螺旋側(cè)板結(jié)構，以便降低渦流產(chǎn)生的振動。      4.1.2柔性管線      高強度柔性MRL擁有許多優(yōu)點: 耐高壓、耐高溫、耐低溫、質(zhì)量較小、體積較小、柔性比較好，而且它的安裝相對簡單方便，在安裝時可借助平臺現(xiàn)有絞車適當改造完成。      可選的柔性管線結(jié)構形式有以下2種。      （1）分段連接。通常情況下是使用不銹鋼耐壓金屬軟管，即不銹鋼波紋管外覆一層或多層鋼絲或鋼帶網(wǎng)套，兩端以接頭或法蘭進行連接。      （2）連續(xù)管。此種方案的優(yōu)勢在于利于下放，適用的作業(yè)水深可加大，但其劣勢是必須使用專用的下放設備，這就導致了平臺空間的占用相對較大。