无隔水管钻井泥浆举升系统管路特性计算与分析

葛瑞一，陈国明，周昌静，李 伟

（中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，山东东营257061） ＊

无隔水管钻井泥浆举升系统管路特性计算与分析

葛瑞一，陈国明，周昌静，李 伟

（中国石油大学海洋油气装备与安全技术研究中心，山东东营257061）＊

无隔水管钻井技术使用海底泵举升系统将钻井液和岩屑通过返回管线泵送回海面钻井船，能解决深水钻井地层破裂导致的相关问题，在国外获得了广泛的应用。选用冥律流体沿程压力损失算法，确定了深水泥浆返回管路所需压头的计算方法；对影响管路特性的因素进行深入分析，得出系统的工作水深、钻井液密度和工作流量是设计泥浆举升系统最重要的参数；同时应充分考虑钻井过程中钻井液固相颗粒体积分数、流性指数和稠度系数变化带来的影响，为深水泥浆举升系统的设计提供了理论基础。

无隔水管钻井；管路特性；冥律流体

世界范围内的多数陆地、浅海油气开发已进入中晚期阶段，油气资源的开发正逐步转向深海。深水钻井环境恶劣，地层破裂和孔隙压力窗口狭窄，需要设置更多套管维持井眼稳定；海底新生代沉积地层松软，容易发生井眼坍塌；浅层地层中存在气体水合物，易造成严重的钻井事故。20世纪90年代，国外发展起来的双梯度钻井技术使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，从而解决了深水钻井地层破裂导致的相关问题［1－6］。

无隔水管泥浆回收钻井（RMR）技术是双梯度钻井技术的一种实现方案，该技术具有建井周期短、表层套管下入深度深、钻井液使用量少等优点，较其他双梯度技术更具应用前景。RMR技术的工作原理详见文献［7］。泥浆举升系统是整个RMR系统的重要组成部分。泥浆返回管线的管路特性曲线以及泵的性能曲线是设计泥浆举升系统的理论基础［8］。本文着重介绍返回管线管路特性的计算方法，并对其影响因素进行详细分析。

1 管路特性的计算方法

冥律流体与宾汉流体模式是钻井液常用的流变模式。冥律流体（Power－Law Fluid）服从指数规律，聚合物钻井液属于这种类型。宾汉流体（Bingham Fluid）又称塑性流体，石油钻井中使用的膨润土钻井液属于这种类型［9］。深水钻井常用的钻井液有高盐／PHPA（部分水解聚丙烯酞胺）聚合物加聚合醇钻井液体系和合成基钻井液体系。幂律流体更接近深水钻井使用的钻井液性能，本文的水力学计算均基于该流变模式。

1.1 雷诺数和返回管线压耗计算

管路的压耗和液体的流态密切相关，需要先计算流体的雷诺数来判断流态。幂律流体管内的雷诺数Re计算公式为

式中，ρm为钻井液密度，kg／m3；D为管道内径，m；um为管内平均流速，m／s；k为幂律流体稠度系数，mPa·sn；n为幂律流体流性指数，无量纲。

冥律流体管流的临界雷诺数Rec［10］为

Rec依赖于流体的流变性能，只有当n＝1，冥律流体退化为牛顿流体时，Rec值才是2 100。

Re＜Rec时为层流，返回管线沿程摩擦阻力损失为

Re≥Rec时为紊流，此时Δpf的确定是基于经验公式的。钻井工程中求摩阻系数f较常用的有修正的卡门（Karman）阻力公式［10］，即

该公式不仅适用于冥律流体，也适用于其他非时变的黏性非牛顿流体。用迭代法求出f后，由范宁－达西公式可计算出紊流沿程摩擦阻力损失为

泥浆举升系统返回管线很长，由阀及管线方位引起的局部损失相对较小，可略去不计。

值得指出的是，在很多计算冥律流体水力学的资料中，式（4）左侧的表达式为1／槡f，由此计算出来的临界雷诺数处的层流压耗要比紊流压耗大很多，是违背水力学原理的，建议使用修正的卡门阻力公式计算f值。

临界雷诺数的计算公式也是有局限的，在n＝0.6时计算出的压耗才表现出很好的连续性；n太大或太小，连续性都不太理想，如图1所示。很多资料中将冥律流体的临界雷诺数直接定义为2 100，连续性亦不理想。有人建议将层流方程和紊流方程产生相同摩阻压力损失处定义为临界雷诺数点，效果较好，如图2所示［12］。本文采用Rec值取层流方程和紊流方程交点处的方法，图1～8中所使用的数据如表1。

图1 临界雷诺数法计算压耗

图2 层紊流方程相交法计算压耗

表1 图1～8中的参数值

1.2 管路特性计算

用1条曲线来表示管路中流量与克服液体流经管路时流动损失所需的能头之间的关系，即为该管路的管路特性曲线。

泥浆举升系统返回管线里的钻井液含有一定的岩屑，这种固相颗粒在管线入口处没有压力，不能采用传统伯努利方程来进行计算。根据流体的能量守恒定律得到系统所需压头Hm的计算公式［13］为

式中，CV为钻井液中固相颗粒所占的体积数，无量纲；p为压力，Pa；um为泥浆的平均流速，m／s；z为标高，m；Δhm为系统的扬程损失，m；下标1、2表示该参量分别来自返回管线的入口处和出口处。

无隔水管钻井技术要求吸入模块处压力近似等于该处海水静压力，返回管线入口与吸入模块相连，p1值可以认为是海床处的海水压力。钻井液能返回到平台上，要求p2≥0，为方便公式化简，取最小值p2＝0。同时假设钻井液是不可压缩的，根据流体连续性方程可知um1＝um2；z2－z1等于工作水深hsw与钻井平台离海面高度Hp之和，Hp一般为30～40m。将式（6）进一步化简可得

式中，ρsw为海水的密度，1.03×103kg／m3。

求出不同流量下系统需要的压头，拟合成曲线，即可得到返回管线的管路特性曲线。

2 影响管路特性的因素

影响管路特性曲线的因素有很多，主要有平台的工作水深、钻井液密度、流性指数、稠度系数和管道内径等，本文将对不同的影响因素作具体的分析。

2.1 工作水深和钻井液密度

钻井地点的水深是泥浆返回管线管路特性的主要影响因素。当工作水深增加1倍，Hsw和Δpf的值都增加1倍，只有Hp不变，但Hp在钻井液密度较大或流速较快时占总扬程的比重较小，可近似认为系统的压头需要增大1倍。如图3所示，工作水深为1 000m的系统所需压头近似为500m的2倍。为不同工作水深设计的泥浆举升系统，其泵组配置方案也会有较大差别。

钻井液密度也是影响管路特性的一个非常重要的因素，如图4所示。深水钻井使用的钻井液密度一般为1.05～1.70g／cm3，在高温高压地层中甚至会使用到2.30g／cm3的高密度钻井液［14］。在钻井过程中，为适应地层结构变化，所使用的钻井液也会有一定的变化，其密度的变化范围一般在0.2g／cm3之内，但对管路特性的影响却非常明显。由图4可以看出：流量为150m3／h时，密度从1.1g／cm3增加到1.3g／cm3，需要系统提供的压头从100m增加到170m；密度从1.3g／cm3增加到1.5g／cm3时，压头只增加了50m，说明管路特性曲线在低密度区对密度变化更加敏感。由于钻井过程中钻井液密度会发生变化，所设计的泥浆举升系统必须能满足最高密度时的压头要求。

图3 工作水深对管路特性的影响

图4 钻井液密度对管路特性的影响

2.2 流性指数和稠度系数

在计算冥律流体压耗时涉及到钻井液流变性的2个重要指标——流性指数n和稠度系数k。流变性的变化会影响钻井液的携屑能力和管壁的净化能力。钻井过程中一般要求n＝0.4～0.7，而对k的值并没有特定的要求，一般在100～700 mPa·sn。

假设任何速度下初始位置的压头均为0，当流性指数或稠度系数发生变化后，可以很直观得看出流性指数和稠度系数对管路特性的影响，如图5～6所示。图5～6中的2个曲面都有1条交线，是由于不同流态下计算压耗的公式不同引起的。随着n和k的增大，需要系统提供的压头都是增加的。在层流时，2个参数对能头的影响都不大；而在紊流时，流性指数的影响更加明显。但相对于钻井液密度变化对管路特性产生的影响，流变性的影响较小。

图5 流性指数对管路特性的影响

图6 稠度系数对管路特性的影响

2.3 管道内径和固相颗粒体积数

管道内径的变化会对流体的流态及沿程摩擦阻力损失产生影响。在特定流量下，管道内径越大系统需要的压头越小，但内径增大到一定程度后，压头减小的效果就不太明显了，如图7所示。管径过大也会带来一些问题，例如其制造成本和运输成本的增加，需要平台悬挂装置提供更大的拉力等。管道内径的大小应根据系统的设计流量来确定，不宜过大或过小。国外实际应用的深水无隔水管钻井系统中，钻井时的正常工作流量为210～260m3／h，使用了内径为193.7mm（7英寸）的管线［15］。

钻井液中固相颗粒体积分数CV对管路特性也有一定的影响。在开始钻井前，CV的值近似为0；随着钻井的进行，CV的值逐渐增大，需要系统提供的能头也会随之增大，如图8所示。但CV对系统压头的影响相对较小，只需要根据系统正常工作时最大的固相颗粒体积分数来设计泥浆举升系统即可。

图7 管道内径对管路特性的影响

图8 固相颗粒体积分数对管路特性的影响

3 结论

1） 在计算冥律流体紊流沿程摩擦阻力损失时，建议使用修正的卡门阻力公式来计算摩阻系数f值。同时将层流方程和紊流方程的相交处定义为临界雷诺数点，这样获得的管路特性曲线会有较好的连续性。

2） 无隔水管钻井系统的工作水深、钻井液密度和工作流量是设计泥浆举升系统最重要的参数。根据系统的工作流量来选择管道内径，根据工作水深和钻井液密度来设计泵组的配置方案。

3） 钻井液的固相颗粒体积分数、流性指数和稠度系数都会在钻井过程中发生变化，从而影响系统所需的压头，在系统设计时应该给予充分的考虑。

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Calculation and Analysis on Pipeline Feature of Riserless Mudlift System

GE Rui－yi，CHEN Guo－ming，ZHOU Chang－jing，LI Wei
（Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

Riserless drilling technology uses subsea pump module to return drilling fluid and cuttings to drilling ship via mud return line.It can solve deep－water drilling issues related to formation fracture and obtain a wide range of applications at abroad.Based on a large number of calculations，this paper optimizes the method to calculate friction losses along the way in power－law fluid，and determines the pipeline feature calculation of deepwater mud return pipeline.It also conducts in－depth analysis of affections of pipeline feature and concludes that operating depth，drilling fluid density and operating flow are the most important parameters for designing the mudlift system.We should also fully consider the impact of changes in volume fraction of solid－phase，flow behavior index and consistency index of the drilling fluid.It provides theoretical basis for the design of deepwater riserless mudlift system.

riserless drilling；pipeline feature；power－law fluid

1001－3482（2012）07－0033－05

TE926

A

2012－01－13

国家科技重大专项课题“深水油气田开发钻完井工程配套技术”（2008ZX05026－001－12）

葛瑞一（1988－），男，浙江温岭人，硕士研究生，主要从事双梯度钻井技术研究，E－mail：hongbad＠163.com。