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深水海底举升钻井系统U型管效应研究李基伟;柳贡慧;李军;李玉梅【摘要】对于深水海底举升钻井系统,由于钻杆内和环空内的液柱压力不平衡会产生U型管效应,因此精确地预测U型管效应发生时的井筒流动特性和U型管效应持续时间对于钻井操作和井控安全具有重要意义.基于流体力学理论,建立了U型管效应数学模型,并将计算值与实验测量值进行对比,验证了所建模型的准确性.分析了发生U型管效应时钻杆内液面深度、环空排量、泥浆池增量和井底压力随时间的变化规律,在此基础上提出了U型管效应过程中的溢流监测方法,同时分析了钻井液黏度和喷嘴直径对U型管效应的影响规律.本文研究结果可为深水海底举升钻井系统发生U型管效应时的安全作业提供指导.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2016(028)002【总页数】8页(P120-127)【关键词】深水;海底举升钻井;U型管效应;数学模型【作者】李基伟;柳贡慧;李军;李玉梅【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;北京工业大学北京 100124;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249;中国石油大学(北京)石油工程学院北京 102249【正文语种】中文【中图分类】TE242深水窄安全密度窗口地层钻进时容易引起井涌、井漏等复杂问题，需要精确预测并控制井筒压力[1]。
一些学者认为，海底举升钻井系统适用于深水窄安全密度窗口地层的钻井操作[2-3]。
海底泵举升钻井是控压钻井技术之一，该技术依靠海底泵和小直径上返管线把钻井液和钻屑从海底循环到海面，在整个钻井液返回回路中保持2个压力梯度，其中海底泥线以上为海水密度，泥线以下为钻井液密度。
该技术可以使地层破裂压力和孔隙压力之间的余量相对增大，有效控制井眼环空压力和井底压力，克服深水钻井中遇到的问题，实现钻井安全、经济[4-5]。
与常规钻井相比，海底举升钻井具有减少井涌、井喷、井漏和套管层次，缩短建井周期，节省钻井成本等优点。
44C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY中国石油和化工45C HINAPE T ROLE UMANDCHEM ICALINDUSTRY 中国石油和化工作业工况的管柱摩阻系数反演计算等。
２．３ 管柱组合设计考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等［３］。
通过在空间上对管柱进行受力分析，建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型，可以用来设计任意井眼轨迹井中的生产与作业管柱，分别采用了等安全系数和等应力范围比两种设计方法。
本模块的目的在于事前防止井下故障的发生。
充分考虑井下管柱各种受力情况，考虑完井、井下作业或修井可行性，设计安全的管柱组合，保证井下作业的安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。
２．４ 管柱校核对油田提出的管柱组合方案进行校核。
软件基于三维井眼轨迹，同样考虑了管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等。
分上提、下放、注入、采出四种工况对管柱进行校核，通过求出管柱危险点的安全系数，来判断管柱是否安全。
２．５ 封隔器管柱系统计算封隔器管柱系统在井下工作时，温度和压力的变化，往往会引起系统的受力和管柱长度发生改变［４］，导致封隔器过早解封、错封或窜封，乃至无法起出封隔器及其他更为严重的恶性故障。
（１）软件能够准确计算在完井和作业过程中油管和环空内的温度变化和压力变化；（２）准确计算油管由于压力和温度的变化引起的油管柱长度的变化（包括活塞效应，温度效应，膨胀效应，螺弯效应）以及所产生的附加应力；（３）封隔器在实际使用中，为了使封隔器避开套管接箍并达到工艺设计要求，准确确定封隔器坐封位置显得尤为重要，软件可以准确确定封隔器坐封位置；（４）初始油管压缩量计算，是封隔器管柱受力分析计算的重要参数，它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导，而且还是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础；（５）对于自由移动封隔器管柱受力分析要解决的问题主要有：确定密封段的最小长度，以保证管柱下端的插管密封段在上下移动过程中不能移出密封腔；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（６）对于不可移动封隔器确定封隔器对油管的作用力；校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况；（７）求出中和点的位置，提示中和点是在管内还是在管外；（８）求出在压力和温度变化后封隔器对油管的作用力，进而求出管柱危险点（包括井口）的拉力，计算出管柱危险点的安全系数，校核封隔器管柱的安全性。
深水钻井技术现状及发展趋势分析摘要:海洋中有着大量的石油天然气资源，在全球油气资源总储量中占比高达70%左右，而500m以上的深水海域油气田在其中所占比例极高。
因此对于海洋油气特别是深海油气全球已达成共识，其将是未来世界油气资源来源的重要区域。
深海油气开采是高风险、高投资、高技术、高回报的行业。
本文就对深水钻井技术现状与发展进行了探讨。
关键词：深水钻井；钻井技术；海底钻井1 当前我国深水开发所面临的现状与挑战1.1在环境方面的挑战1.1.1浅层地质灾害主要包括三类:浅层气、浅层水流动(ShallowWaterFlow，简称SWF)、天然气水合物。
此类灾害一般在钻完井作业时泥线下约1500m的地层内有发生，影响井的安全性。
浅层气和浅层流具有高压力，容易高速井喷、要求压力波动低和处理困难的特点，易造成井塌，井喷。
而在我国南海，浅层气主要分布于大陆架区，而且甚为广泛。
SWF存在使得高质量的套管尾管无法建立，影响井壁稳定。
天然气水合物分解将引起地层承载力的不均匀，对海洋工程的安全有影响。
而且，突然释放的气体会对运输管道产生破坏作用，特别是在高压浅层气体释放的时候，轻则侵蚀套管，重则引起井喷。
除此之外合物的形成还会堵塞管线，钻进器具。
1.1.2恶劣的海洋环境(1)海底高压、低温环境;深水海底温度一般在3～5℃，海水的低温可影响到海底泥线以下450m处的岩层，使该区域岩层具有低于正常地温梯度的温度。
(2)波浪流:浮式平台和钻井船是在深水钻井作业中主要使用的工具，会因波、浪、流以及风吹产生摇晃，这会对其锚泊系统以及动力定为造成影响，使结果产生误差。
(3)台风:台风破坏力极强，当海上钻井平台或者钻采设备碰上台风时会被严重破坏。
(4)内波流:部分流体发生密度变化使流体内部不连续的现象，会导致大幅震荡。
较大的内波会严重缩小钻井作业窗口使钻井作业无法正常开展开。
并且如果钻井平台的立柱或着隔水管等结构遇到内波流时会受到较大的作用力使平台发生一定距离的偏移。
中国石油大学（华东）博士学位论文深水油气钻探井筒多相流动与井控的研究姓名：***申请学位级别：博士专业：油气井工程指导教师：***20071001中国石油大学（华东）博士学位论文图３－ｌ模拟深水钻井条件的水合物实验装置矾ｇ．３－１Ｅｘｐｅｒｉｍ蛐协Ｉａｐｐａｒａｔｕｓ确咂ｕＩａ伍培恤ｅｄ∞ｐｗａｔｅｒｄｒｎｌｉｎｇｃ仰ｄｉ廿ｏｎｓ水合物分解实验在恒温恒压下进行，压力由回压压力控制系统进行控制，回压压力控制系统由中间容器、回压阀以及控制管路组成，中间容器的压力由高压空气瓶提供。
通过该系统，可以使分解压力与对应的相平衡压力在一定压差下进行。
分解得到的气体由一中间容器采集，并对该容器的在实验过程中的压力变化实时采集，通过测得的压力可以求得分解气的量。
３．４．２实验方法在实验前用蒸馏水把反应釜清洗两次，并用实验气体进行吹扫，然后抽真空。
在反应釜中注入６００９左右的蒸馏水，水量用精度为士０．０１９的电子天平称量。
开启缓冲罐，调节压力调节阀，给反应釜充气，使反应釜中压力达到实验设定压力。
在水合物生成实验过程中关闭进气阀，由ＰＶＴ方程可以知道参与生成的甲烷气体的量，从而可以确定生成水合物的量。
开启水浴，调节恒温水浴的温度，使反应釜中的温度达到实验温度预设值，当反应釜温度达到设定值并稳定后，保持恒温水浴的温度不变。
实验过程中水合物形成时，反应釜中压力明显降低。
水合物形成过程中利用数据采集系统记录流量及反应釜内的温度、压力值。
生成完成后进行分解实验，分解过程中利用回压控制系统和水浴保持反应釜内恒温恒压，实时测量气体收集容器中采集分解气的压力，通过计算转化３１中国石油大学（华东）博士学位论文为物质的量，从而可以确定分解气生成速度，并得到水合物分解速度。
３．４．３实验过程每次实验主要包括水合物的生成和分解两个过程。
水合物生成实验阶段主要是加入药品后，把体系升温２５℃稳定，开始降温，同时利用数据采集器采集降温过程中温度和压力值的变化情况，观察水合物的生成情况。
