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深水泥浆举升钻井技术(SMD)可以很好地解决深水钻井中遇到的技术难题,是深海油气勘探开发装备的一种发展趋势。国内尽管对该技术进行了较多理论研究,但由于起步较晚,尚未形成完整的适合于我国海域的SMD技术理论体系,也尚未得到实际应用。本文基于国家重大科技专项——“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05026)子课题“海底泥浆举升钻井技术研究”(2008ZX05026-001-12),开展SMD钻井装置的系统分析、设计和不同井况的监控策略等方面的研究,形成适合我国海洋油气开发现状的系列SMD技术研究和实现方法。主要研究成果如下:1.SMD系统原理分析与实现方法研究:以SMD技术原理分析为基础,对SMD泥浆密度窗口进行分析,提出以圆盘泵作为海底泥浆举升设备,多泵串联组成海底泵送模块(SPM),各泵送模块经泥浆返回管线(MRL)以串联方式相连接实现泥浆的举升;以SMD技术实现方法为基础,研究不同水深情况下SMD系统配置和平台布放方案,提出在水深小于500 m时采用舷侧布放,而在水深超过500 m情况下宜采用月池布放方案,并制定SMD系统设备安装作业规程;鉴于常规SMD系统存在无法实现压井的问题,提出一种能够实现压井的SMD系统井口配置结构,以此为基础,提出将SMD技术应用于深水全井深钻井的技术方案。2.SMD系统力学特性分析研究:以泥浆循环系统水力学分析为基础,研究泥浆循环当量密度和井内压力的计算方法,分析泥浆循环系统各管段的沿程压耗构成并得出各管段压耗的计算方法;在泥浆循环管路岩屑沉降分析和泥浆泵举升扬程计算的基础上,围绕作业水深、泥浆特性和固相颗粒对SMD系统泥浆循环管路特性的影响进行分析,结果表明低密度泥浆、管内紊流、管路内径、固相颗粒体积分数等因素对管路特性影响较明显;建立MRL振动模型并求解,利用有限元软件对结果进行仿真验证,得到MRL上的危险节点位置和激振频率对管线振动的影响,可以为钻井作业和紧急撤离作业规程的制定提供理论依据和指导。3.SMD系统关键设备选型和优化研究:根据MRL的结构选型和压耗分析研究结果,水深不超过500 m时通常选择高强度柔性管线,水深超过500 m时宜选择刚性管线;对MRL关键参数的优化设计结果表明,水深1 000 m~1 500 m情况下MRL直径的选取范围为150 mm~200 mm(约6 in~8 in),水深500 m~1 000 m时可选取较大规格的管线,而水深超过1 500 m时应选取适当较小规格的管线;为确保SMD作业安全,根据深水SMD系统表层钻井作业环境对MRL锚泊定位的要求,提出适合于深水SMD系统的海底锚泊定位方案并完成关键部件的结构设计。4.SMD系统钻井工艺及配套技术研究:开展SMD系统不同工况时的作业工艺研究,制定相应工况下的SMD系统作业规程,海底泵启动时应灌泵,否则可能导致启动失败,泵速应根据作业过程特点进行调节,从而保持泵入口压力与海底静水压力平衡;SMD系统接单根和起下钻作业时,在钻具提离或进入吸入模块内腔以及井眼不同深度井段时,应注意调整泵速和钻具的移动速度,并根据需要调整钻杆转速,防止因泵速的改变引起井内压力变化造成井壁失稳或井底岩层压力失控诱发钻井复杂情况;SMD系统处理井涌井漏的工艺不同于常规海洋钻井方式,应根据不同的钻井环节采取相应的措施;研究SMD系统配套技术,提出适合于SMD系统的井身结构设计方法;对SMD泥浆工艺进行研究,采用SMD技术可以极大节省泥浆用量。5.SMD系统工况分析与监控策略研究:对SMD系统典型工况分析基础上,根据工况分析结果研究各工况监控要点、异常井况的早期监测信号,制定井涌或井漏实时工况预测和控制策略,提出溢流早期可通过调整泥浆性能来进行消除,而当溢流严重发展成为井涌时必须采取压井措施;井漏工况的处理重点在预防,并制定相应的预防措施。基于SMD室内试验平台的试验结果,对不同介质和不同井况下的系统性能和操作流程进行验证。