CN114718458A - 一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计方法 - Google Patents

一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计方法，属于海洋深水油气钻井工程领域，该装置包括钻井船、钻井液注入系统、海底钻井液吸入系统、钻井液举升系统、海面钻井液处理装置、数据监测系统和数据处理系统；本发明创造性地引入气举工艺，采用气举、泵举联合举升的方案，可大幅度降低海底泵的功率，节约建造成本，提高举升系统的可靠性；参数设计考虑了深水气举通路内气、液、固等多相多组分的存在对上返钻井液流动状态及携岩效果的影响，建立钻井液上返管线内多相流动模型和气举、泵举联合举升的参数优化模型，可以准确计算不同工况下井筒压力和岩屑浓度，为深水油气的高效钻采提供有效指导。

Description

一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计 方法
技术领域
本发明涉及一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计方法，属于海洋深水油气钻井工程技术领域。
背景技术
经济的快速发展使得人类对油气资源的依赖度逐年增加，据专家们估计，全球未来油气总储量40％将来自深海，未来替代能源“可燃冰”也主要来自深海，为维持油气的稳步增长必须依赖海洋油气的安全高效开发。与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更加复杂，面临更大的难题和挑战。如形成较晚、脆弱的海床引起的钻机开孔问题；增加的波浪和海流载荷以及由大而长的隔水管带来的问题；地层压力和破裂压力之间较小的余量；海底设备和油井控制设备中的水合物问题；严格的环境要求和高成本等。
目前针对深水钻井主要有两种处理方案：开路钻井方案和隔水管方案，采用隔水管技术可以实现泥浆闭路循环，解决开路钻井遇到的问题。但隔水管钻井系统配套复杂、操作复杂，载荷作用在井口软地层，影响井口稳定性，同时还具有成本高、施工效率低、风险高等限制。开路钻井时，泥浆不实现闭路循环，而是直接排入大海。这样做的主要缺点是，泥浆消耗量巨大，导致高昂的钻井成本，钻井施工难以为继。此外，还造成对海洋环境的污染。随着对深水钻井技术不断地探索研究，无隔水管钻井液回收钻井技术已初步尝试应用于深水钻井，缓解甚至解决了一些深水钻井难题。该方法在环空顶部经海底吸入模块进入海底举升泵，岩屑和钻井液在海底泵作用下通过钻井液回流管线返回钻井平台。如果该技术应用于深海，将注入泵的举升能力提出非常高的要求，无疑加大了钻井成本和风险。
目前无隔水管闭路循环钻井技术国内外发展差距较大，需要针对国内深海钻探发展现状，开展适合中国深海钻探的新型无隔水管闭路循环钻井系统，形成一套适合我国深海开发现状的技术体系，为深海钻井技术的发展提供技术支撑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置及其参数设计方法，该装置创新性地引入气举工艺，采用气举、泵举联合举升的方案，可大幅度降低海底泵的功率，节约建造成本，提高举升系统的可靠性；参数设计考虑了深水气举通路内气、液、固等多相多组分的存在对上返钻井液流动状态及携岩效果的影响，建立钻井液上返管线内多相流动模型，可以准确计算不同工况下井筒压力和岩屑浓度，实现深水无隔水管气举+泵举联合举升钻井系统的参数优化设计，为深水油气的高效钻采提供有效指导。
本发明采用以下技术方案：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，包括钻井船、钻井液注入系统、海底钻井液吸入系统、钻井液举升系统、海面钻井液处理装置、数据监测系统和数据处理系统；
所述钻井液注入系统安装于钻井船上，钻井期间钻井液通过钻井液注入系统泵入钻杆中，形成井筒内流动循环，达到破碎岩石的目的；井筒包括钻杆和套管，环空为井筒与钻杆间的环空部分，海底钻井液吸入系统用于将从环空中返回的岩屑和钻井液分流出来，实现井眼与海水之间的密封；钻井液在海底举升系统作用下通过钻井液上返管线返回钻井船，钻井液举升系统包括泵举系统和气举系统，泵举系统用于为岩屑和钻井液沿钻井液上返管线返回钻井船提供动力，气举系统通过将空气注入钻井液上返管线，在钻井液上返管线内形成气、液、固三相流，依靠气体降低钻井液上返管线中的流压梯度(气液混合物密度)，并利用其能量将钻井液和岩屑举升至海面钻井液处理装置，与海底举升泵形成协同作用，用于提升对钻井液和岩屑的举升能力，从而大幅度降低对海底举升泵的功率和扬程要求；钻井液经海面钻井液处理装置处理后重新进入钻井液注入系统；
数据监测系统用于实时监测井口的温度、压力及海底钻井液压力数据；数据处理系统根据目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，分析处理数据并指导钻井的正常作业。
数据处理系统模拟钻井液和岩屑上返的流动规律，对能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船所需的气举排量、注气管线深度以及海底泵的扬程和功率等参数进行计算评估和优化设计，并发出相应的指令，指导钻井船控制中心优化设计注气泵的排量，达到最佳的携岩效果。
优选的，所述钻井液注入系统包括依次连接的泥浆泵、第一流量控制阀、钻井液注入管线和顶驱，存储于泥浆罐中的钻井液经过泥浆泵吸入后，在泵的作用下沿着钻井液注入管线，然后经过顶驱送入钻杆内，沿钻杆流至钻头，达到辅助破岩的目的。
优选的，所述海底钻井液吸入系统安装在海底井口上，其功能主要是扶正下入钻具、为钻井液回流管线提供接口以及隔离环空顶部和周围环境。海底钻井液吸入系统，包括海底泥浆吸入装置、外部非旋转壳体、海底支架、流体出口、钻井液压力监测装置、第二流量控制阀和钻井液回流管线，外部非旋转壳体下端连接海底井口头，外部非旋转壳体两侧壁面向外延伸设置有带有第二流量控制阀的流体出口，同时流体出口的壁面上设置有钻井液压力监测装置，应用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力；流体出口通过钻井液回流管线流入泵举系统，在泵举系统的举升作用下上返至海面钻井液处理装置；海底支架用于提供对海底泥浆吸入装置的支撑作用。
优选的，所述泵举系统包括海底举升泵、第三流量控制阀和钻井液上返管线，海底举升泵安装于海底，用于为上返岩屑和钻井液提供动力，海底举升泵入口与海底钻井液吸入系统的钻井液回流管线相连，出口与设置有第三流量控制阀的钻井液上返管线连通，钻井液上返管线末端连接海面钻井液处理装置；
所述气举系统包括空气压缩机、第四流量控制阀、气体流量计和注气管线，空气压缩机安装于钻井船上，气体在空气压缩机的驱动下，通过注气管线依次经过第四流量控制阀和气体流量计进入钻井液上返管线。
优选的，所述海面钻井液处理装置用于处理上返至钻井船的流体，并与泥浆泵连接，将钻井液重新流入泥浆泵循环使用。
优选的，所述数据监测系统包括所述钻井液压力监测装置、海面压力计、海面温度计和所述气体流量计，海面压力计和海面温度计安装于钻井液上返管线的井口位置，分别监测管内流体返至海面时的温度和压力，气体流量计用于测量气体注入钻井液上返管线的注入排量，钻井液压力监测装置用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力，钻井液压力监测装置、海面压力计、海面温度计和气体流量计均与数据处理系统连接，用于将监测到的数据传输至数据处理系统。
优选的，所述数据处理系统包括计算机，计算机根据收集到的目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，建立深水井筒气液固多相流动模型，模拟钻井液和岩屑上返的流动规律，对能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船所需的参数进行计算评估和优化设计，并发出相应的指令。
数据处理系统计算井筒、钻井液回流管线以及钻井液上返管线内的温度、压力分布和携岩效率，并分析气举参数对携岩效率的影响，得到能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船海面钻井液处理设备所需的最优注气排量、注气管线深度、海底泵的扬程和功率，据此向钻井船的控制系统发出相应的指令。
本发明在深水无隔水管气举、泵举联合举升钻井过程中，不采用常规隔水管，而是钻杆直接暴露于海水中，依靠安装在海底井口的泥浆吸入系统实现井眼与海水之间的密封，环空中返出的岩屑和钻井液经一小条钻井液回流管线输入海底举升泵，在海底举升泵和气举系统共同作用下通过钻井液上返管线返回钻井船。
一种上述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，包括以下步骤：
(1)获取目标井的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据；
(2)建立钻井液上返管线内多相流动方程，将钻井液上返管线分为a、b两段，沿钻井液上返管线中由海底举升泵至注气管线与钻井液上返管线交点段，为a段钻井液上返管线，从注气管线与钻井液上返管线交点至钻井船，为b段钻井液上返管线，分别建立a、b段的多相流动方程。
(3)建立钻井液上返管线内多相流动模型的辅助方程和边界条件；
(4)采用类SIMPLE方法对多相流动方程组进行求解；
(5)建立气举、泵举联合举升参数的优化模型，设置约束条件；
(6)通过输入不同的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1的组合，重复步骤(1)到步骤(5)的计算，整合满足约束条件的参数组合，结合现场实际需要，从中优选出最优的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1参数组合，在确定最优的气举、泵举参数后，数据处理系统向钻井船的控制系统发出指令，以此控制空气压缩机的注气排量和泥浆泵的泵入排量。
优选的，参数设计方法还包括：
(7)在深水气举、泵举联合举升无隔水管钻井过程中，岩屑的生成速率会随着时间发生变化，且地层的孔隙压力和破裂压力等数据也会随着钻井深度发生变化，届时，根据数据监测系统获得的数据变化，数据处理系统会自动根据步骤(1)到步骤(6)对泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量进行优化计算，并向钻井船的控制系统发出指令，钻井现场作业人员可以根据优化结果和实际情况实时调整泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量。
优选的，步骤(2)中，a段钻井液上返管线内不存在气体，仅考虑管线内的液相和岩屑相，所述a段钻井液上返管线内的多相流动方程为：
①连续性方程：
液相：
Figure BDA0003577702970000041
岩屑相：
Figure BDA0003577702970000051
②动量方程：
Figure BDA0003577702970000052
③能量方程：
Figure BDA0003577702970000053
其中：
Figure BDA0003577702970000054
公式(1)～(4)中，Ap为环空截面积，m2；El，Ec分别为钻井液相和岩屑相的体积分数，无量纲；vc，vl分别为岩屑和钻井液相的速度，m/s；v表示管内混合相的速度，m/s；ρc，ρl分别为岩屑和钻井液相的密度，kg/m3；fr为沿程摩阻压降，Pa；s为沿流动方向坐标，m；t为时间步长，s；α为井斜角，(°)；p为压力，Pa；ke为海水导热系数，W/(m·℃)；rco为钻井液上返管线17的外径，m；wl为钻井液的质量流量，kg/s；Tei和Tt分别为海水以及钻井液上返管线17温度，℃；Ua为钻井液上返管线17流体与海水间总的传热系数，W/(m2·℃)；TD为瞬态传热系数，g为重力加速度，m/s2，h为某点处井深，m，A′为中间参数；
气举系统向钻井液上返管线内注入气体，管线内钻井液的流动特征发生改变，由原本的液固两相流变为更加复杂的气液固三相流，因此，b段钻井液上返管线内的多相流动方程组为：
①连续性方程：
气相：
Figure BDA0003577702970000055
液相：
Figure BDA0003577702970000061
岩屑相：
Figure BDA0003577702970000062
②动量方程：
Figure BDA0003577702970000063
③能量方程：
Figure BDA0003577702970000064
式中，Eg为气体的体积分数，无量纲；vg为气体的速度，m/s；ρg为气体的密度，kg/m3；wg为气体的质量流量，kg/s；
步骤(3)中，为了求解建立的多相流动方程组，需要结合气相体积分数计算方程，钻井液流变性计算方程、分布系数计算方程、漂移速度计算方程，钻井液上返管线内多相流动模型的辅助方程为：
通过公式(10)计算气体的体积分数Eg；通过公式(11)计算气体的分布系数C0；通过公式(12)计算漂移速度Vgr；通过式(13)计算管线内钻井液的流变特性，包括钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力：
Figure BDA0003577702970000065
Figure BDA0003577702970000066
Figure BDA0003577702970000067
Figure BDA0003577702970000071
式中，Vsg为气体的表观流速，m/s；Vm为钻井液和岩屑的混合流速，m/s；σ为表面张力，Pa；C0为分布系数，无因次；D0为管线直径，m；Retp为两相雷诺数，无因次；θ为平均截面含气率，无因次；f(p,T)分别代表μa(p,T)、μp(p,T)、τa(p,T)，即在压力为p、温度为T条件下的表观黏度、塑性黏度和动切力；pC为常压，MPa；TC为常温，℃；A、B、C、D为钻井液的特性常数，其数值与钻井液组成有关，其中A、B、C、D的取值如表1所示：
表1深水水基钻井液流变特性常数
Figure BDA0003577702970000072
边界条件：
钻井液返出管线在海面的温度和压力通过海面温度计和海面压力计测量，分别得到压力P0、温度T0，根据泥浆泵3的泵冲读数得到钻井液的排量ql，根据气体流量计测得空气的注入体积排量qg，根据机械钻速计算得到岩屑的排量qc，所述多相流动方程的边界条件为：
b段的边界条件为：
Figure BDA0003577702970000073
a段承接b段，但只考虑钻井液和岩屑液固两相，初始条件为
Eg(h1,0)＝0 (15)
Figure BDA0003577702970000074
Em＝1-Ec (17)
式中，Vsc、Vsl、Vcr为岩屑、液相、岩屑沉降的漂移速度，kg/m3；h1为注气管线的插入深度，m；Em为除岩屑外混合液相的空隙率，无因次；Cc为岩屑的体积分布系数；
步骤(4)中，在求解过程中，对时间偏导，采用一阶向后差分，以气相质量守恒方程为例，其时间偏导差分格式如下：
Figure BDA0003577702970000081
对于空间偏导，采用交错网格的有限体积法进行差分，标量类型的变量(压力、含气率、持液率、液相密度、气相密度)位于控制单元的中心，矢量类型的变量(液相速度、气相速度)位于控制单元的边界处；
对于质量守恒方程和动量守恒方程中的对流项采用一阶迎风差分，以气相质量守恒方程为例，其对流项的差分格式为：
Figure BDA0003577702970000082
式中i，j为时间和空间节点；Δs和Δt为空间和时间步长；
将步骤(1)得到的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据代入公式(1)-(19)求解得到当前注气排量qg，注气管线深度h1条件下，钻井液上返管线17沿程的压力p、气体流速vg、钻井液返速vl、岩屑返速vc和岩屑浓度Ec；
步骤(5)中，气举、泵举联合举升参数的选择受到井眼清洁、泥浆泵能力、地层稳定、举升泵的额定功率等限制条件的制约，需满足：
a)岩屑的运移效率Et≥50％；
b)管内中岩屑浓度Ca＜9％；
c)井底压力介于薄弱地层的破裂压力与孔隙压力之间；
d)泥浆泵3和海底举升泵15的输出功率满足额定功率要求；
气举、泵举联合举升参数的优化模型的约束条件为：
Figure BDA0003577702970000083
其中Et为岩屑的运移效率，通过式(22)计算；Ca为岩屑浓度，无因次，通过式(21)计算；Pk，Pf分别为地层孔隙压力和地层破裂压力，MPa，通过步骤(1)获得，Pbh为井底压力，MPa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps为泥浆泵的输出功率，W，Po为海底举升泵的输出功率，W；pout为海底举升泵出口压力，Mpa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps额，Po额分别为泥浆泵和海底举升泵的额定功率，W；dp为钻井液上返管线的直径，mm；
钻井液的环空携岩能力或井眼净化能力，指的是环空岩屑的运移效率，岩屑浓度和岩屑运移效率的计算公式为：
Figure BDA0003577702970000091
Figure BDA0003577702970000092
式中，vs为岩屑的下沉速度，m/s；Et为岩屑运移效率，无因次；K0为考虑到钻井液流速在径向上分布的不均衡性而使用的修正系数，即流速修正系数，取1.25；vt为机械钻速，m/s。
所述管内岩屑的下沉速度的计算公式为：
Figure BDA0003577702970000093
Figure BDA0003577702970000094
Figure BDA0003577702970000095
式中，k1、k2及k3为实验系数，取值分别为：0.3268、0.07068、0.0813；NR为颗粒下沉雷诺数；μe为钻井液塑性黏度，mPa·s；ρf、ρs分别为钻井液和岩屑的密度，g/cm3；
泥浆泵和海底举升泵的输出功率通过式(24)和式(25)计算，
Ps＝psQ (24)
Po＝poutQ (25)
式中，Ps为泥浆泵的输出功率，W；Po为海底举升泵的输出功率，W；Q为钻井液排量即泥浆泵的排量，m3/s。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
(1)本发明相较于传统的无隔水管钻井液举升装置，创新性地引入气举工艺，采用气举+泵举联合举升的方案，可大幅度降低海底泵的功率，节约建造成本，提高举升系统的可靠性，解决现有的海底举升泵方案存在的适用水深浅的问题，使无隔水管闭路循环钻井技术能够应用于更深的水下。
(2)本发明考虑了深水气举通路内气、液、固等多相多组分的存在对上返钻井液流动状态及携岩效果的影响，建立钻井液上返管线内多相流动模型，可以准确计算不同工况下井筒压力和岩屑浓度，实现深水无隔水管气举+泵举联合举升钻井系统的参数优化设计，为深水油气的高效钻采提供有效指导。
附图说明
图1为本发明的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置结构示意图；
图2为钻井液上返管线多相流计算分段示意图；
其中，1-钻井船，2-顶驱，3-泥浆泵，4-第一流量控制阀，5-钻井液注入管线，6-钻杆，7-海底泥浆吸入装置，8-外部非旋转壳体，9-海底支架，10-海底井口头，11-流体出口，12-钻井液压力监测装置，13-第二流量控制阀，14-钻井液回流管线，15-海底举升泵，16-第三流量控制阀，17-钻井液上返管线，18-空气压缩机，19-第四流量控制阀，20-气体流量计，21-注气管线，22-海面钻井液处理装置，23-海面压力计，24-海面温度计，25-套管，26-钻头，27-计算机。
具体实施方式：
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，如图1-2所示，包括钻井船1、钻井液注入系统、海底钻井液吸入系统、钻井液举升系统、海面钻井液处理装置22、数据监测系统和数据处理系统；
钻井液注入系统安装于钻井船1上，钻井期间钻井液通过钻井液注入系统泵入钻杆6中，形成井筒内流动循环，达到破碎岩石的目的；井筒包括钻杆6和套管25，环空为井筒与钻杆间的环空部分，海底钻井液吸入系统用于将从环空中返回的岩屑和钻井液分流出来，实现井眼与海水之间的密封；钻井液在海底举升系统作用下通过钻井液上返管线17返回钻井船，钻井液举升系统包括泵举系统和气举系统，泵举系统用于为岩屑和钻井液沿钻井液上返管线17返回钻井船1提供动力，气举系统通过将空气注入钻井液上返管线17，在钻井液上返管线17内形成气、液、固三相流，依靠气体降低钻井液上返管线17中的流压梯度(气液混合物密度)，并利用其能量将钻井液和岩屑举升至海面钻井液处理装置22，与海底举升泵15形成协同作用，用于提升对钻井液和岩屑的举升能力，从而大幅度降低对海底举升泵15的功率和扬程要求；钻井液经海面钻井液处理装置22处理后重新进入钻井液注入系统；
数据监测系统用于实时监测井口的温度、压力及海底钻井液压力数据；数据处理系统根据目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，分析处理数据并指导钻井的正常作业。
数据处理系统模拟钻井液和岩屑上返的流动规律，对能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船所需的气举排量、注气管线深度以及海底泵的扬程和功率等参数进行计算评估和优化设计，并发出相应的指令，指导钻井船控制中心优化设计注气泵的排量，达到最佳的携岩效果。
实施例2：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，如实施例1所述，所不同的是，钻井液注入系统包括依次连接的泥浆泵3、第一流量控制阀4、钻井液注入管线5和顶驱2，存储于泥浆罐中的钻井液经过泥浆泵3吸入后，在泵的作用下沿着钻井液注入管线5，然后经过顶驱2送入钻杆6内，沿钻杆6流至钻头26，达到辅助破岩的目的。
海底钻井液吸入系统安装在海底井口上，其功能主要是扶正下入钻具、为钻井液回流管线14提供接口以及隔离环空顶部和周围环境。海底钻井液吸入系统，包括海底泥浆吸入装置7、外部非旋转壳体8、海底支架9、流体出口11、钻井液压力监测装置12、第二流量控制阀13和钻井液回流管线14，外部非旋转壳体8下端连接海底井口头10，外部非旋转壳体8两侧壁面向外延伸设置有带有第二流量控制阀13的流体出口11，同时流体出口11的壁面上设置有钻井液压力监测装置12，应用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力；流体出口11通过钻井液回流管线14流入泵举系统，在泵举系统的举升作用下上返至海面钻井液处理装置；海底支架用于提供对海底泥浆吸入装置的支撑作用。
实施例3：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，如实施例2所述，所不同的是，泵举系统包括海底举升泵15、第三流量控制阀16和钻井液上返管线17，海底举升泵15安装于海底，用于为上返岩屑和钻井液提供动力，海底举升泵15入口与海底钻井液吸入系统的钻井液回流管线14相连，出口与设置有第三流量控制阀16的钻井液上返管线17连通，钻井液上返管线17末端连接海面钻井液处理装置22；
气举系统包括空气压缩机18、第四流量控制阀19、气体流量计20和注气管线21，空气压缩机18安装于钻井船1上，气体在空气压缩机18的驱动下，通过注气管线21依次经过第四流量控制阀19和气体流量计20进入钻井液上返管线17。
海面钻井液处理装置22用于处理上返至钻井船1的流体，并与泥浆泵3连接，将钻井液重新流入泥浆泵循环使用。
实施例4：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，如实施例3所述，所不同的是，数据监测系统包括钻井液压力监测装置12、海面压力计23、海面温度计24和气体流量计20，海面压力计23和海面温度计24安装于钻井液上返管线17的井口位置，分别监测管内流体返至海面时的温度和压力，气体流量计20用于测量气体注入钻井液上返管线的注入排量，钻井液压力监测装置12用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力，钻井液压力监测装置、海面压力计、海面温度计和气体流量计均与数据处理系统连接，用于将监测到的数据传输至数据处理系统。
数据处理系统包括计算机27，计算机27根据收集到的目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，建立深水井筒气液固多相流动模型，模拟钻井液和岩屑上返的流动规律，对能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船所需的参数进行计算评估和优化设计，并发出相应的指令。
数据处理系统计算井筒、钻井液回流管线以及钻井液上返管线内的温度、压力分布和携岩效率，并分析气举参数对携岩效率的影响，得到能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船海面钻井液处理设备所需的最优注气排量、注气管线深度、海底泵的扬程和功率，据此向钻井船的控制系统发出相应的指令。
本发明在深水无隔水管气举、泵举联合举升钻井过程中，不采用常规隔水管，而是钻杆6直接暴露于海水中，依靠安装在海底井口的泥浆吸入系统7实现井眼与海水之间的密封，环空中返出的岩屑和钻井液经一小条钻井液回流管线14输入海底举升泵15，在海底举升泵15和气举系统共同作用下通过钻井液上返管线17返回钻井船1。
实施例5：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，包括以下步骤：
(1)获取目标井的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据；
(2)建立钻井液上返管线17内多相流动方程，将钻井液上返管线分为a、b两段，如图2所示，沿钻井液上返管线中由海底举升泵至注气管线与钻井液上返管线交点段，为a段钻井液上返管线，从注气管线与钻井液上返管线交点至钻井船，为b段钻井液上返管线，分别建立a、b段的多相流动方程。
(3)建立钻井液上返管线内多相流动模型的辅助方程和边界条件；
(4)采用类SIMPLE方法对多相流动方程组进行求解；
(5)建立气举、泵举联合举升参数的优化模型，设置约束条件；
(6)通过输入不同的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1的组合，重复步骤(1)到步骤(5)的计算，整合满足约束条件的参数组合，结合现场实际需要，从中优选出最优的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1参数组合，在确定最优的气举、泵举参数后，数据处理系统向钻井船的控制系统发出指令，以此控制空气压缩机18的注气排量和泥浆泵3的泵入排量；
(7)在深水气举、泵举联合举升无隔水管钻井过程中，岩屑的生成速率会随着时间发生变化，且地层的孔隙压力和破裂压力等数据也会随着钻井深度发生变化，届时，根据数据监测系统获得的数据变化，数据处理系统会自动根据步骤(1)到步骤(6)对泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量进行优化计算，并向钻井船的控制系统发出指令，钻井现场作业人员可以根据优化结果和实际情况实时调整泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量。
实施例6：
一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，如实施例5所述，所不同的是，步骤(2)中，a段钻井液上返管线17内不存在气体，仅考虑管线内的液相和岩屑相，所述a段钻井液上返管线内的多相流动方程为：
①连续性方程：
液相：
Figure BDA0003577702970000131
岩屑相：
Figure BDA0003577702970000132
②动量方程：
Figure BDA0003577702970000141
③能量方程：
Figure BDA0003577702970000142
其中：
Figure BDA0003577702970000143
公式(1)～(4)中，Ap为环空截面积，m2；El，Ec分别为钻井液相和岩屑相的体积分数，无量纲；vc，vl分别为岩屑和钻井液相的速度，m/s；v表示管内混合相的速度，m/s；ρc，ρl分别为岩屑和钻井液相的密度，kg/m3；fr为沿程摩阻压降，Pa；s为沿流动方向坐标，m；t为时间步长，s；α为井斜角，(°)；p为压力，Pa；ke为海水导热系数，W/(m·℃)；rco为钻井液上返管线17的外径，m；wl为钻井液的质量流量，kg/s；Tei和Tt分别为海水以及钻井液上返管线17温度，℃；Ua为钻井液上返管线17流体与海水间总的传热系数，W/(m2·℃)；TD为瞬态传热系数，g为重力加速度，m/s2，h为某点处井深，m，A′为中间参数；
气举系统向钻井液上返管线内注入气体，管线内钻井液的流动特征发生改变，由原本的液固两相流变为更加复杂的气液固三相流，因此，b段钻井液上返管线内的多相流动方程组为：
①连续性方程：
气相：
Figure BDA0003577702970000144
液相：
Figure BDA0003577702970000145
岩屑相：
Figure BDA0003577702970000151
②动量方程：
Figure BDA0003577702970000152
③能量方程：
Figure BDA0003577702970000153
式中，Eg为气体的体积分数，无量纲；vg为气体的速度，m/s；ρg为气体的密度，kg/m3；wg为气体的质量流量，kg/s；
步骤(3)中，为了求解建立的多相流动方程组，需要结合气相体积分数计算方程，钻井液流变性计算方程、分布系数计算方程、漂移速度计算方程，钻井液上返管线17内多相流动模型的辅助方程为：
通过公式(10)计算气体的体积分数Eg；通过公式(11)计算气体的分布系数C0；通过公式(12)计算漂移速度Vgr；通过式(13)计算管线内钻井液的流变特性，包括钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力：
Figure BDA0003577702970000154
Figure BDA0003577702970000155
Figure BDA0003577702970000156
Figure BDA0003577702970000157
式中，Vsg为气体的表观流速，m/s；Vm为钻井液和岩屑的混合流速，m/s；σ为表面张力，Pa；C0为分布系数，无因次；D0为管线直径，m；Retp为两相雷诺数，无因次；θ为平均截面含气率，无因次；f(p,T)分别代表μa(p,T)、μp(p,T)、τa(p,T)，即在压力为p、温度为T条件下的表观黏度、塑性黏度和动切力；pC为常压，MPa；TC为常温，℃；A、B、C、D为钻井液的特性常数，其数值与钻井液组成有关，其中A、B、C、D的取值如表1所示：
表1：深水水基钻井液流变特性常数
Figure BDA0003577702970000161
边界条件：
钻井液返出管线17在海面的温度和压力通过海面温度计24和海面压力计23测量，分别得到压力P0、温度T0，根据泥浆泵3的泵冲读数得到钻井液的排量ql，根据气体流量计20测得空气的注入体积排量qg，根据机械钻速计算得到岩屑的排量qc，所述多相流动方程的边界条件为：
b段的边界条件为：
Figure BDA0003577702970000162
a段承接b段，但只考虑钻井液和岩屑液固两相，初始条件为
Eg(h1,0)＝0 (15)
Figure BDA0003577702970000163
Em＝1-Ec (17)
式中，Vsc、Vsl、Vcr为岩屑、液相、岩屑沉降的漂移速度，kg/m3；h1为注气管线的插入深度，m；Em为除岩屑外混合液相的空隙率，无因次；Cc为岩屑的体积分布系数；
步骤(4)中，在求解过程中，对时间偏导，采用一阶向后差分，以气相质量守恒方程为例，其时间偏导差分格式如下：
Figure BDA0003577702970000164
对于空间偏导，采用交错网格的有限体积法进行差分，标量类型的变量(压力、含气率、持液率、液相密度、气相密度)位于控制单元的中心，矢量类型的变量(液相速度、气相速度)位于控制单元的边界处；
对于质量守恒方程和动量守恒方程中的对流项采用一阶迎风差分，以气相质量守恒方程为例，其对流项的差分格式为：
Figure BDA0003577702970000171
式中i，j为时间和空间节点；Δs和Δt为空间和时间步长；
将步骤(1)得到的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据代入公式(1)-(19)求解得到当前注气排量qg，注气管线深度h1条件下，钻井液上返管线17沿程的压力p、气体流速vg、钻井液返速vl、岩屑返速vc和岩屑浓度Ec；
步骤(5)中，气举、泵举联合举升参数的选择受到井眼清洁、泥浆泵能力、地层稳定、举升泵的额定功率等限制条件的制约，需满足：
a)岩屑的运移效率Et≥50％；
b)管内中岩屑浓度Ca＜9％；
c)井底压力介于薄弱地层的破裂压力与孔隙压力之间；
d)泥浆泵3和海底举升泵15的输出功率满足额定功率要求；
气举、泵举联合举升参数的优化模型的约束条件为：
Figure BDA0003577702970000172
其中Et为岩屑的运移效率，通过式(22)计算；Ca为岩屑浓度，无因次，通过式(21)计算；Pk，Pf分别为地层孔隙压力和地层破裂压力，MPa，通过步骤(1)获得，Pbh为井底压力，MPa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps为泥浆泵的输出功率，W，Po为海底举升泵的输出功率，W；pout为海底举升泵出口压力，Mpa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps额，Po额分别为泥浆泵和海底举升泵的额定功率，W；dp为钻井液上返管线的直径，mm；
钻井液的环空携岩能力或井眼净化能力，指的是环空岩屑的运移效率，岩屑浓度和岩屑运移效率的计算公式为：
Figure BDA0003577702970000181
Figure BDA0003577702970000182
式中，vs为岩屑的下沉速度，m/s；Et为岩屑运移效率，无因次；K0为考虑到钻井液流速在径向上分布的不均衡性而使用的修正系数，即流速修正系数，取1.25；vt为机械钻速，m/s。
所述管内岩屑的下沉速度的计算公式为：
Figure BDA0003577702970000183
式中，k1、k2及k3为实验系数，取值分别为：0.3268、0.07068、0.0813；NR为颗粒下沉雷诺数；μe为钻井液塑性黏度，mPa·s；ρf、ρs分别为钻井液和岩屑的密度，g/cm3；
泥浆泵3和海底举升泵15的输出功率通过式(24)和式(25)计算，
Ps＝psQ (24)
Po＝poutQ (25)
式中，Ps为泥浆泵的输出功率，W；Po为海底举升泵的输出功率，W；Q为钻井液排量即泥浆泵3的排量，m3/s。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，包括钻井船、钻井液注入系统、海底钻井液吸入系统、钻井液举升系统、海面钻井液处理装置、数据监测系统和数据处理系统；
所述钻井液注入系统安装于钻井船上，钻井期间钻井液通过钻井液注入系统泵入钻杆中，形成井筒内流动循环；井筒包括钻杆和套管，环空为井筒与钻杆间的环空部分，海底钻井液吸入系统用于将从环空中返回的岩屑和钻井液分流出来，实现井眼与海水之间的密封；钻井液举升系统包括泵举系统和气举系统，泵举系统用于为岩屑和钻井液沿钻井液上返管线返回钻井船提供动力，气举系统通过将空气注入钻井液上返管线，在钻井液上返管线内形成气、液、固三相流，与海底举升泵形成协同作用，用于提升对钻井液和岩屑的举升能力，降低海底泵举升泵的功率需求；钻井液经海面钻井液处理装置处理后重新进入钻井液注入系统；
数据监测系统用于实时监测井口的温度、压力及海底钻井液压力数据；数据处理系统根据目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，分析处理数据并指导钻井的正常作业。
2.根据权利要求1所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述钻井液注入系统包括依次连接的泥浆泵、第一流量控制阀、钻井液注入管线和顶驱，存储于泥浆罐中的钻井液经过泥浆泵吸入后，在泵的作用下沿着钻井液注入管线，然后经过顶驱送入钻杆内，沿钻杆流至钻头，达到辅助破岩的目的。
3.根据权利要求2所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述海底钻井液吸入系统安装在海底井口上，包括海底泥浆吸入装置、外部非旋转壳体、海底支架、流体出口、钻井液压力监测装置、第二流量控制阀和钻井液回流管线，外部非旋转壳体下端连接海底井口头，外部非旋转壳体两侧壁面向外延伸设置有带有第二流量控制阀的流体出口，同时流体出口的壁面上设置有钻井液压力监测装置，应用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力；流体出口通过钻井液回流管线流入泵举系统，在泵举系统的举升作用下上返至海面钻井液处理装置；海底支架用于提供对海底泥浆吸入装置的支撑作用。
4.根据权利要求3所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述泵举系统包括海底举升泵、第三流量控制阀和钻井液上返管线，海底举升泵安装于海底，用于为上返岩屑和钻井液提供动力，海底举升泵入口与海底钻井液吸入系统的钻井液回流管线相连，出口与设置有第三流量控制阀的钻井液上返管线连通，钻井液上返管线末端连接海面钻井液处理装置；
所述气举系统包括空气压缩机、第四流量控制阀、气体流量计和注气管线，空气压缩机安装于钻井船上，气体在空气压缩机的驱动下，通过注气管线依次经过第四流量控制阀和气体流量计进入钻井液上返管线。
5.根据权利要求4所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述海面钻井液处理装置用于处理上返至钻井船的流体，并与泥浆泵连接，将钻井液重新流入泥浆泵循环使用。
6.根据权利要求5所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述数据监测系统包括所述钻井液压力监测装置、海面压力计、海面温度计和所述气体流量计，海面压力计和海面温度计安装于钻井液上返管线的井口位置，分别监测管内流体返至海面时的温度和压力，气体流量计用于测量气体注入钻井液上返管线的注入排量，钻井液压力监测装置用于监测海底泥浆吸入装置内的钻井液压力，钻井液压力监测装置、海面压力计、海面温度计和气体流量计均与数据处理系统连接。
7.根据权利要求6所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置，其特征在于，所述数据处理系统包括计算机，计算机根据收集到的目标井的作业参数、环境参数、井身结构参数以及数据监测系统实时采集的数据，建立深水井筒气液固多相流动模型，模拟钻井液和岩屑上返的流动规律，对能携带井底钻井液和岩屑返至钻井船所需的参数进行计算评估和优化设计，并发出相应的指令。
8.一种权利要求7所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取目标井的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据；
(2)建立钻井液上返管线内多相流动方程，将钻井液上返管线分为a、b两段，沿钻井液上返管线中由海底举升泵至注气管线与钻井液上返管线交点段，为a段钻井液上返管线，从注气管线与钻井液上返管线交点至钻井船，为b段钻井液上返管线，分别建立a、b段的多相流动方程；
(3)建立钻井液上返管线内多相流动模型的辅助方程和边界条件；
(4)采用类SIMPLE方法对多相流动方程组进行求解；
(5)建立气举、泵举联合举升参数的优化模型，设置约束条件；
(6)通过输入不同的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1的组合，重复步骤(1)到步骤(5)的计算，整合满足约束条件的参数组合，结合现场实际需要，从中优选出最优的注气排量qg、泥浆泵排量Q和注气管深度h1参数组合，在确定最优的气举、泵举参数后，数据处理系统向钻井船的控制系统发出指令。
9.根据权利要求8所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，其特征在于，还包括：
(7)在深水气举、泵举联合举升无隔水管钻井过程中，岩屑的生成速率会随着时间发生变化，且地层的孔隙压力和破裂压力数据也会随着钻井深度发生变化，届时，根据数据监测系统获得的数据变化，数据处理系统自动根据步骤(1)到步骤(6)对泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量进行优化计算，并向钻井船的控制系统发出指令，钻井现场作业人员根据优化结果和实际情况实时调整泥浆泵的泵入排量和气举系统的注气排量。
10.根据权利要求8所述的无隔水管气举、泵举联合举升的钻井装置的参数设计方法，其特征在于，步骤(2)中，a段钻井液上返管线内不存在气体，仅考虑管线内的液相和岩屑相，所述a段钻井液上返管线内的多相流动方程为：
①连续性方程：
液相：
Figure FDA0003577702960000031
岩屑相：
Figure FDA0003577702960000032
②动量方程：
Figure FDA0003577702960000033
③能量方程：
Figure FDA0003577702960000034
其中：
Figure FDA0003577702960000041
公式(1)～(4)中，Ap为环空截面积，m2；El，Ec分别为钻井液相和岩屑相的体积分数，无量纲；vc，vl分别为岩屑和钻井液相的速度，m/s；v表示管内混合相的速度，m/s；ρc，ρl分别为岩屑和钻井液相的密度，kg/m3；fr为沿程摩阻压降，Pa；s为沿流动方向坐标，m；t为时间步长，s；α为井斜角，°；p为压力，Pa；ke为海水导热系数，W/(m·℃)；rco为钻井液上返管线17的外径，m；wl为钻井液的质量流量，kg/s；Tei和Tt分别为海水以及钻井液上返管线17温度，℃；Ua为钻井液上返管线17流体与海水间总的传热系数，W/(m2·℃)；TD为瞬态传热系数，g为重力加速度，m/s2，h为某点处井深，m，A′为中间参数；
气举系统向钻井液上返管线内注入气体，管线内钻井液的流动特征发生改变，由原本的液固两相流变为更加复杂的气液固三相流，因此，b段钻井液上返管线内的多相流动方程组为：
①连续性方程：
气相：
Figure FDA0003577702960000042
液相：
Figure FDA0003577702960000043
岩屑相：
Figure FDA0003577702960000044
②动量方程：
Figure FDA0003577702960000045
③能量方程：
Figure FDA0003577702960000051
式中，Eg为气体的体积分数，无量纲；vg为气体的速度，m/s；ρg为气体的密度，kg/m3；wg为气体的质量流量，kg/s；
步骤(3)中，辅助方程：
通过公式(10)计算气体的体积分数Eg；通过公式(11)计算气体的分布系数C0；通过公式(12)计算漂移速度Vgr；通过式(13)计算管线内钻井液的流变特性，包括钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力：
Figure FDA0003577702960000052
Figure FDA0003577702960000053
Figure FDA0003577702960000054
Figure FDA0003577702960000055
式中，Vsg为气体的表观流速，m/s；Vm为钻井液和岩屑的混合流速，m/s；σ为表面张力，Pa；C0为分布系数，无因次；D0为管线直径，m；Retp为两相雷诺数，无因次；θ为平均截面含气率，无因次；f(p,T)分别代表μa(p,T)、μp(p,T)、τa(p,T)，即在压力为p、温度为T条件下的表观黏度、塑性黏度和动切力；pC为常压，MPa；TC为常温，℃；A、B、C、D为钻井液的特性常数；
边界条件为：
钻井液返出管线在海面的温度和压力通过海面温度计和海面压力计测量，分别得到压力P0、温度T0，根据泥浆泵的泵冲读数得到钻井液的排量ql，根据气体流量计测得空气的注入体积排量qg，根据机械钻速计算得到岩屑的排量qc，所述多相流动方程的边界条件为：
b段的边界条件为：
Figure FDA0003577702960000061
a段承接b段，但只考虑钻井液和岩屑液固两相，初始条件为
Eg(h1,0)＝0 (15)
Figure FDA0003577702960000062
Em＝1-Ec (17)
式中，Vsc、Vsl、Vcr为岩屑、液相、岩屑沉降的漂移速度，kg/m3；h1为注气管线的插入深度，m；Em为除岩屑外混合液相的空隙率，无因次；Cc为岩屑的体积分布系数；
步骤(4)中，在求解过程中，对时间偏导，采用一阶向后差分，其时间偏导差分格式如下：
Figure FDA0003577702960000063
对于空间偏导，采用交错网格的有限体积法进行差分，标量类型的变量位于控制单元的中心，矢量类型的变量位于控制单元的边界处；
对于质量守恒方程和动量守恒方程中的对流项采用一阶迎风差分，其对流项的差分格式为：
Figure FDA0003577702960000064
式中i，j为时间和空间节点；Δs和Δt为空间和时间步长；
将步骤(1)得到的井身结构、井径、井斜数据，地层数据，环境数据和热力数据代入公式(1)～(19)求解得到当前注气排量qg，注气管线深度h1条件下，钻井液上返管线沿程的压力p、气体流速vg、钻井液返速vl、岩屑返速vc和岩屑浓度Ec；
步骤(5)中，需满足：
a)岩屑的运移效率Et≥50％；
b)管内中岩屑浓度Ca＜9％；
c)井底压力介于薄弱地层的破裂压力与孔隙压力之间；
d)泥浆泵和海底举升泵的输出功率满足额定功率要求；
气举、泵举联合举升参数的优化模型的约束条件为：
Figure FDA0003577702960000071
其中Et为岩屑的运移效率，通过式(22)计算；Ca为岩屑浓度，无因次，通过式(21)计算；Pk，Pf分别为地层孔隙压力和地层破裂压力，MPa，通过步骤(1)获得，Pbh为井底压力，MPa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps为泥浆泵的输出功率，W，Po为海底举升泵的输出功率，W；pout为海底举升泵出口压力，Mpa，通过步骤(4)求解多相流动方程组得到；Ps额，Po额分别为泥浆泵和海底举升泵的额定功率，W；dp为钻井液上返管线的直径，mm；
岩屑浓度和岩屑运移效率的计算公式为：
Figure FDA0003577702960000072
Figure FDA0003577702960000073
式中，vs为岩屑的下沉速度，m/s；Et为岩屑运移效率，无因次；K0为考虑到钻井液流速在径向上分布的不均衡性而使用的修正系数，即流速修正系数，取1.25；vt为机械钻速，m/s；
所述管内岩屑的下沉速度的计算公式为：
Figure FDA0003577702960000074
Figure FDA0003577702960000075
Figure FDA0003577702960000076
式中，k1、k2及k3为实验系数，取值分别为：0.3268、0.07068、0.0813；NR为颗粒下沉雷诺数；μe为钻井液塑性黏度，mPa·s；ρf、ρs分别为钻井液和岩屑的密度，g/cm3；
泥浆泵和海底举升泵的输出功率通过式(24)和式(25)计算，
Ps＝psQ (24)
Po＝poutQ (25)
式中，Ps为泥浆泵的输出功率，W；Po为海底举升泵的输出功率，W；Q为钻井液排量即泥浆泵的排量，m3/s。
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