無(wú)隔水管閉式循環(huán)鉆井液舉升泵動(dòng)力學(xué)仿真分析

摘要：

深水無(wú)隔水管閉式循環(huán)鉆井液舉升泵（簡(jiǎn)稱舉升泵）采用中置懸掛方式安裝，其啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)均會(huì)對(duì)上下兩端連接的鉆井液返回管線產(chǎn)生反扭矩和振動(dòng)，影響舉升泵及返回管線的穩(wěn)定性和安全性。為此，對(duì)舉升泵進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，建立了多級(jí)舉升泵流道模型和流固耦合模型；對(duì)單級(jí)泵的反扭矩進(jìn)行理論計(jì)算，并與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的正確性；通過(guò)多級(jí)舉升泵的動(dòng)力學(xué)仿真，分析了舉升泵運(yùn)行過(guò)程中的反扭矩、振動(dòng)及軸向力與泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度的關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，舉升泵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反扭矩及軸向力增大、轉(zhuǎn)子振幅先增大后減小，并得出了實(shí)時(shí)和額定功率下舉升泵的反扭矩、軸向力和振動(dòng)。研究結(jié)論可為舉升泵及連接的返回管線設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)，提高深海鉆井效率和安全性。

關(guān)鍵詞：

無(wú)隔水管閉式循環(huán)鉆井；深水鉆井；鉆井液舉升泵；動(dòng)力學(xué)仿真；流固耦合

中圖分類號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

202402034

Dynamic Simulation Analysis of Riserless Mud

Recovery Drilling Fluid Lifting Pump

Qin Rulei1，2，3 Chen Haowen1，2，3 Xu Benchong1，2，3 Li Changping4 Liang Nan1，2，3

（1.Institute of Exploration Technology，Chinese Academy of Geological Sciences；2.Innovation Base for Automatic and Intelligent Drilling Equipment，Geological Society of China；3.Technology Innovation Center for Deep Exploration Drilling Equipment，China Geological Survey；4.School of Mechanical Engineering and Electronic Information，China University of Geosciences）

The deepwater riserless mud recovery drilling fluid lifting pump （lifting pump for short） is installed in a mid-mounted suspension manner.During start-up and operation，it generates back torque and vibration on the drilling fluid return pipeline connected at both ends，affecting the stability and safety of the lifting pump and return pipeline.In the paper，first，dynamic simulation analysis was conducted on the lifting pump to build a multi-stage lifting pump flow channel model and a fluid-solid coupling model.Second，theoretical calculation was conducted on the back torque of single stage pump，and compared with the numerical simulation results，verifying the correctness the simulation model.Finally，dynamic simulation of multi-stage lifting pump was conducted to analyze the relationship between the back torque，vibration，axial force and pump operating speed during the operation of the lifting pump.The research results show that as the rotation speed increases，the back torque and axial force generated during the operation of the lifting pump increase，and the rotor amplitude increases first and then decreases；meanwhile，the back torque，axial force and vibration of lifting pump in real time and at rated power are obtained.The research conclusions provide guidance for the design and performance optimization of lifting pumps and connected return pipelines，improving the efficiency and safety of deep-sea drilling.

riserless mud recovery drilling；deepwater drilling；drilling fluid lifting pump；dynamic simulation；fluid-solid coupling

0 引 言

海洋油氣資源豐富，深水鉆井技術(shù)是未來(lái)海洋油氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵［1-2］。常規(guī)深水開(kāi)路鉆井技術(shù)無(wú)法使用鉆井液護(hù)壁，造成井內(nèi)事故頻發(fā)。隔水管鉆井成本高昂，且最大使用深度目前只能達(dá)到3 500 m，不適用于大洋鉆探等應(yīng)用場(chǎng)景。雙梯度鉆井技術(shù)［3-4］是一種非常規(guī)鉆井技術(shù)，可以解決深水鉆井中與地層壓力相關(guān)的一些問(wèn)題。無(wú)隔水管閉式循環(huán)鉆井（RMR）是雙梯度鉆井的一種實(shí)現(xiàn)方案［5-6］，該鉆井技術(shù)形成封閉鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以減少鉆井液使用量，同時(shí)避免鉆井液排入海水中，保護(hù)海洋環(huán)境。因此，研究RMR技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)對(duì)于深水資源勘探開(kāi)發(fā)具有重要的意義。

在RMR舉升泵（簡(jiǎn)稱舉升泵）及其動(dòng)力學(xué)研究方面，國(guó)內(nèi)中國(guó)石油大學(xué)（華東）［7］、西南石油大學(xué)［8］等對(duì)海底鉆井液舉升鉆井系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，并完成初步室內(nèi)試驗(yàn)。周昌靜［9］對(duì)以葉片式圓盤(pán)泵作為海底舉升泵的內(nèi)流機(jī)理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用進(jìn)行了研究，該研究主要集中于舉升泵的原理、結(jié)構(gòu)及性能等方面。高本金［10］采用圓盤(pán)泵作為海底舉升泵，利用Fluent等軟件對(duì)其設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行仿真研究。王川等［11］針對(duì)深水無(wú)隔水管鉆井系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中，鉆井平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)井下鉆井液壓力擾動(dòng)的問(wèn)題，建立了鉆井平臺(tái)-升沉補(bǔ)償-鉆柱縱向振動(dòng)耦合模型和井下鉆井液壓力計(jì)算模型，分析了海洋環(huán)境因素對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及井底壓力的影響，并研究了升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、鉆井液密度和舉升泵對(duì)井下壓力的影響。國(guó)外AGR公司于1993年研制出巖屑運(yùn)移系統(tǒng)（CTS），在表層井眼鉆進(jìn)過(guò)程中，利用該系統(tǒng)以海水或環(huán)保的水基鉆井液將井眼循環(huán)出的鉆屑排放到距井口2 km之外［12］。Elvary Neftegaz公司在薩哈林島（庫(kù)頁(yè)島）東北部大陸架進(jìn)行了無(wú)隔水管鉆進(jìn)，鉆井液循環(huán)使用了Discflo圓盤(pán)泵，該泵經(jīng)歷了廣泛的開(kāi)發(fā)，效率提高到50%［13］。

深水RMR鉆井液舉升泵組采用中置懸掛方式安裝［14］，其啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)均會(huì)對(duì)上下兩端連接的鉆井液返回管線產(chǎn)生反扭矩和振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致鉆井液返回管線的損壞，從而影響舉升泵組及返回管線的穩(wěn)定性和安全性。目前國(guó)內(nèi)外在RMR舉升泵動(dòng)力學(xué)分析方面研究較少。

本文將理論計(jì)算與數(shù)值模擬等手段相結(jié)合，使用單級(jí)泵作為研究對(duì)象，驗(yàn)證反扭矩計(jì)算方法和數(shù)值模擬模型的正確性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展十級(jí)舉升泵的動(dòng)力學(xué)仿真，分析其運(yùn)行過(guò)程中的反扭矩、振動(dòng)及軸向力與泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，以期為舉升泵及連接的返回管線設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)，提高深海鉆井效率和安全性。

1 舉升泵分析模型

1.1 RMR系統(tǒng)的構(gòu)成

RMR系統(tǒng)一般主要包括鉆進(jìn)單元、鉆井液返回系統(tǒng)、鉆井液處理單元以及動(dòng)力監(jiān)控單元［15］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

鉆進(jìn)單元包括鉆井平臺(tái)或鉆井船、鉆桿、井下鉆具、套管、導(dǎo)管以及井口吸入模塊，用于破巖鉆進(jìn)，提取巖心；鉆井液返回系統(tǒng)包括海底錨裝置、舉升泵組、鉆井液返回管線、管線對(duì)接接頭以及下放安裝平臺(tái)，用于將含固相鉆井液從海底舉升至鉆井平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鉆井液的循環(huán)使用；鉆井液處理單元包括鉆井液凈化裝置、鉆井液冷卻裝置、振動(dòng)篩以及管匯，對(duì)含固相鉆井液進(jìn)行凈化、冷卻處理及加料混配，通過(guò)管匯輸送至鉆桿，重新進(jìn)入井內(nèi)實(shí)施鉆進(jìn)；動(dòng)力及監(jiān)控單元由電氣設(shè)備集控房、遠(yuǎn)程控制集裝箱和動(dòng)力控制纜組成，為鉆井液舉升系統(tǒng)提供動(dòng)力并進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

1.2 模型建立

舉升泵的主要功能是將無(wú)隔水管鉆進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的含固相鉆井液，通過(guò)返回管線運(yùn)輸?shù)胶Ｃ驺@井液處理裝置中［16-18］。舉升泵工作產(chǎn)生的作用力主要有2種：鉆井液流動(dòng)對(duì)泵作用的軸向力和舉升泵運(yùn)轉(zhuǎn)的反扭矩。這2種作用力均會(huì)對(duì)舉升泵以及返回管線的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。為分析鉆井液對(duì)舉升泵的軸向力和反扭矩，基于實(shí)際設(shè)計(jì)方案的十級(jí)舉升泵，采用布爾運(yùn)算建立舉升泵內(nèi)部流道模型，如圖2a所示。由于鉆井液對(duì)舉升泵的作用力不穩(wěn)定，故舉升泵在運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生一定振動(dòng)，為分析振動(dòng)對(duì)舉升泵以及返回管線的安全性和穩(wěn)定性影響，建立如圖2b所示的舉升泵轉(zhuǎn)子模型，并采用流固耦合分析鉆井液對(duì)舉升泵轉(zhuǎn)子的振動(dòng)影響。在流固耦合計(jì)算中，流體和固體的計(jì)算均獨(dú)立進(jìn)行。在流體計(jì)算中，通過(guò)計(jì)算流體的速度、壓力、溫度等參數(shù)，得到流體對(duì)固體的作用力；在固體計(jì)算中，將流體對(duì)固體的作用力作為外部載荷施加在固體上，計(jì)算固體的應(yīng)力、應(yīng)變、變形等參數(shù)。流固耦合流程通過(guò)ANSYS Fluent進(jìn)行流體計(jì)算，再將結(jié)果傳遞給ANSYS Mechanical進(jìn)行固體計(jì)算［19］。

舉升泵流道網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，分析采用壓力進(jìn)口-質(zhì)量流量出口邊界;舉升泵轉(zhuǎn)子采用六面體網(wǎng)格劃分方式；舉升泵轉(zhuǎn)子材料為022Cr22Ni5Mo3N不銹鋼。該材料的性能參數(shù)和鉆井液參數(shù)如表1所示。

舉升泵出口質(zhì)量流量為：

Qm=Qρ（1）

式中：Qm為質(zhì)量流量，kg/s；ρ為鉆井液密度，kg/m3；Q為鉆井液流量，m3/s。

將鉆井液參數(shù)代入式（1）可得，出口質(zhì)量流量Qm為40 kg/s。為了便于計(jì)算進(jìn)出口壓差，取進(jìn)口壓力為0，此時(shí)進(jìn)出口壓差即為出口壓力。由于葉輪部分流域?yàn)樾D(zhuǎn)域，導(dǎo)殼部分流域?yàn)殪o止域，故旋轉(zhuǎn)域與靜止域交界面還需建立相互作用面，以便旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間的數(shù)據(jù)交換；流域表面均為壁面。

2 單級(jí)泵理論計(jì)算與數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證泵數(shù)值仿真結(jié)果的正確性，首先將單級(jí)泵理論計(jì)算反扭矩及仿真反扭矩進(jìn)行對(duì)比，然后再進(jìn)行后續(xù)十級(jí)泵的流體仿真和流固耦合仿真分析。根據(jù)能量守恒，單位時(shí)間內(nèi)舉升泵對(duì)鉆井液的扭矩所做的功一部分轉(zhuǎn)化為鉆井液能量增量，一部分由于管路摩擦而損失［19-20］。其中轉(zhuǎn)化為能量增量的部分為有用功，管路摩擦損失的部分為無(wú)用功。鉆井液能量包括壓力勢(shì)能、勢(shì)能以及動(dòng)能。由于舉升泵進(jìn)出口直徑和流量相同，故進(jìn)出口鉆井液動(dòng)能不變。單位時(shí)間內(nèi)增加的壓力勢(shì)能ΔEp為：

ΔEp=ΔpQ（2）

式中：Δp為進(jìn)出口壓差，MPa。

單位時(shí)間內(nèi)鉆井液增加的勢(shì)能ΔEh為：

ΔEh=QρgΔh（3）

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；Δh為進(jìn)出口高度差，取0.32 m。

可得單位時(shí)間內(nèi)舉升泵的有用功為：

Wu=ΔEu＋ΔEu（4）

單位時(shí)間內(nèi)的有用功Wu與舉升泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

Wu=Tnη（5）

式中：T為鉆井液對(duì)舉升泵的反扭矩，N·m；n為舉升泵轉(zhuǎn)速，r/min；η為舉升泵效率，取55.11%。根據(jù)有用功與轉(zhuǎn)速，可得出反扭矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。

圖3為反扭矩和誤差的流體仿真與理論計(jì)算結(jié)果。由圖3可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，相對(duì)誤差緩慢增大，但最大僅為5.98%，平均相對(duì)誤差為3.41%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 十級(jí)舉升泵動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 舉升泵運(yùn)行過(guò)程中反扭矩特性

取24組不同的轉(zhuǎn)速，分別進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，獲得不同轉(zhuǎn)速下的反扭矩。根據(jù)實(shí)測(cè)的舉升泵轉(zhuǎn)速與功率數(shù)據(jù)，修正仿真結(jié)果，繪制反扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：最大反扭矩出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min（計(jì)算工頻轉(zhuǎn)速）時(shí)，其值為4 265 N·m；隨著舉升泵轉(zhuǎn)速的增大，鉆井液對(duì)泵產(chǎn)生的反扭矩也增大，與實(shí)際工作情況相符。

3.2 舉升泵運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)特性

舉升泵不同電壓運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性不同，圖5為60%、80%、90%、100%和110%額定電壓Un下的舉升泵理論機(jī)械特性曲線。由圖5可知，舉升泵在不同工作電壓下，最大轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)一致，為額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min處，這是由電機(jī)的電磁特性決定的。

根據(jù)舉升泵的機(jī)械特性曲線，分析額定電壓Un時(shí)轉(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：轉(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 450 r/min時(shí)，振幅隨著轉(zhuǎn)速增大而增大，并且變化較為緩慢；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 450～1 500 r/min時(shí)，振幅隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而減小，并且變化迅速;在轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時(shí)，振幅最大，約1.55 mm。根據(jù)舉升泵機(jī)械特性曲線中轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，舉升泵轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增大也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況，且轉(zhuǎn)速均為1 450 r/min時(shí)，舉升泵轉(zhuǎn)矩與振動(dòng)最大。

3.3 舉升泵運(yùn)行過(guò)程中軸向力特性

取24組不同的舉升泵轉(zhuǎn)速，分別試驗(yàn)，獲得不同轉(zhuǎn)速下的軸向力，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制軸向力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：轉(zhuǎn)速為0時(shí)，軸向力最小，為-2.67 kN；轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min時(shí)，軸向力最大，為52.34 kN。隨著舉升泵的轉(zhuǎn)速增加，鉆井液對(duì)泵產(chǎn)生的軸向力也增大，與實(shí)際工作情況相符。

3.4 額定功率下的舉升泵工作特性

舉升泵額定功率出現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速下，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，則分析舉升泵在該轉(zhuǎn)速下所受到的軸向力、反扭矩、振動(dòng)以及出口壓力即可。綜合前述分析可知，額定功率下舉升泵軸向力和反扭矩分別為52.34 kN和4 265 N·m，振動(dòng)量約為1.55 mm，出口壓力約為7 MPa（見(jiàn)圖8）。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)單級(jí)舉升泵的反扭矩理論計(jì)算和數(shù)值仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差較小，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)仿真提供了可靠的基礎(chǔ)。

（2）通過(guò)舉升泵的動(dòng)力學(xué)仿真，分析了舉升泵運(yùn)行過(guò)程中反扭矩、振動(dòng)和軸向力隨轉(zhuǎn)速的變化。隨著轉(zhuǎn)速的增加，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反扭矩及軸向力增大，最大反扭矩和軸向力分別為4 265 N·m 和52.34 kN。

（3）轉(zhuǎn)子振幅隨轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min時(shí)，振幅最大，約1.55 mm。該條件下的舉升泵出口壓力約為7 MPa。

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第一秦如雷，高級(jí)工程師，生于1987年，2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)從事大洋鉆探與天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)裝備的研發(fā)工作。地址：（065000）河北省廊坊市。電話：（0316）2096880。email：qrulei@mail.cgs.gov.cn。

通信作者：許本沖，高級(jí)工程師。email：xbenchong@mail.cgs.gov.cn。2024-02-252024-11-08任 武