徐 勇, 宋慶甲

深水雙梯度鉆井方法研究

徐 勇1, 宋慶甲2

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318； 2. 北京市昌平一中，北京 102200）

世界深海油氣資源充足，但對(duì)深水油氣的開(kāi)發(fā)還不是十分完善。本文研究了國(guó)外采用的深水雙梯度鉆井技術(shù)，詳細(xì)闡述了它的技術(shù)方法、工作原理以及這些年來(lái)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。雙梯度鉆井系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)鉆井，它的優(yōu)勢(shì)是建井周期短、操作更安全、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高。雙梯度鉆井技術(shù)可以為我國(guó)南海油氣的開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障，對(duì)我國(guó)的深水開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

雙梯度；深水；鉆井；開(kāi)發(fā)

隨著世界工業(yè)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻。我國(guó)是能源消耗大國(guó)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)石油天然氣的需求日益增大，深水油氣資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行積極嘗試[3]。但相對(duì)于陸地和淺海鉆井，深海鉆井所面臨的難度十分巨大。深海環(huán)境復(fù)雜，海底鉆井壓力難以控制，隔水套管承受載荷過(guò)大容易脫扣，鉆井液難以在海底環(huán)境下得到有效控制，這一系列因素嚴(yán)重影響深海鉆井。早在1960年雙梯度鉆井技術(shù)就被提出，在隨后的幾十年里，該技術(shù)得到良好的發(fā)展，雙梯度鉆井技術(shù)可以很好解決深海鉆井所遇到的問(wèn)題[1]。

1 雙梯度鉆井方法

目前經(jīng)常使用的是單梯度鉆井方法，在單梯度鉆井方法中，每一個(gè)井眼里面存在一個(gè)由井底到地面的鉆井液柱所產(chǎn)生的液柱梯度值。而雙梯度鉆井方法則不同，一共分為兩個(gè)部分：由井底往上到海底，此段由鉆井液填充；而海底到海面這段，則有海水填充[1]。具體示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙梯度鉆井技術(shù)海底上的環(huán)空無(wú)鉆井液

由圖1分析可知，單梯度鉆井系統(tǒng)中，地面是鉆井液柱壓力的參考點(diǎn)，而雙梯度鉆井方法的兩段液柱壓力設(shè)計(jì)，使得孔隙壓力和液柱壓力是以海底為參考點(diǎn)。由于這樣的設(shè)計(jì)，使得破裂壓力和孔隙壓力的調(diào)控范圍變寬，雙梯度鉆井相對(duì)于單梯度鉆井有更好的可操作性[2]。壓力示意圖如2。

從井身設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，雙梯度鉆井減少了技術(shù)套管的使用，從而整套工藝的實(shí)施時(shí)間大幅度縮減，施工費(fèi)用減少。

圖2 鉆井液壓力梯度從地面算起與鉆井液壓力梯度從海底算起對(duì)比圖

在雙梯度鉆井方法中，海底以上的隔水套管由海水填充，使得隔水套管內(nèi)外壓差相近，這樣降低了隔水導(dǎo)管的剪切應(yīng)力，從而提高了鉆井的鉆探能力。利用雙梯度鉆井方法，可以有效配合使用現(xiàn)有的鉆井設(shè)備，在深水區(qū)里面安全的操作，在經(jīng)濟(jì)上減小輸出，產(chǎn)量上可以進(jìn)一步提高。

2 深水雙梯度鉆井的原理

單梯度鉆井只有一個(gè)液柱壓力梯度，這個(gè)壓力梯度是由井底到海面之間的鉆井液液柱壓力所提供的。排除溫度，壓力的影響，單梯度鉆井技術(shù)的井底壓力為：

P=ρg D×10-3（1）

式中：P——常規(guī)鉆井井底壓力，MPa；

ρ——常規(guī)鉆井采用的鉆井液密度，g／cm3；

——重力加速度，m／s2(通常為9.8)；

——井眼總垂直深度，m。

雙梯度鉆井技術(shù)中，井底壓力由兩部分組成：井底到海底這段液柱壓力是由鉆井液所提供，海底到海面的壓力由海水提供。井底壓力表示為

P=[ρgH+ρg(-)]×10-3（2）

式中：P——DGD井底壓力，MPa；

ρ——海水密度，g／cm3；

——水深，m；

ρ——DGD鉆井液密度，g／cm3；

——井總垂直深度，m。

工程計(jì)算中，一般視ρ、ρ為常數(shù)，但要考慮溫度和壓力的影響，海水的密度與溫度、深度有關(guān)。而鉆井液的密度隨著溫度和深度的變化，也會(huì)有所改變。

圖3 雙梯度鉆井井底壓力計(jì)算模型

圖4顯示的是單梯度鉆井和雙梯度鉆井的靜水壓力。海底的特殊的構(gòu)造環(huán)境致使地層破裂壓力和地層壓力非常接近，鉆井的關(guān)鍵就是將鉆井壓力維持在它們中間。常規(guī)的單梯度鉆井的靜水壓力曲線是一條斜線，如圖所示，這條斜線很容易穿過(guò)地層壓力和破裂壓力所包圍的區(qū)域，操作難度非常大。而雙梯度鉆井方法的設(shè)計(jì)，井底以上的壓力由兩部分組成，使得海底以上的環(huán)空壓力減小，它的靜水壓力曲線相對(duì)于單梯度鉆井方法來(lái)說(shuō)，更大程度上的穿越地層壓力和破裂壓力之間的間隙，這樣有利于安全有效的鉆進(jìn)。

圖4 雙梯度靜水力學(xué)梯度

3 國(guó)外雙梯度鉆井系統(tǒng)

3.1 Shell公司海底泵系統(tǒng)

Shell公司于1996年啟動(dòng)的SSPS項(xiàng)目，總共分為四期，該項(xiàng)目由Shell、Kongsberg、FMC等公司共同參與[4，5]。

SSPS的原理方面和SMD和Deep Vision大相徑庭。其特點(diǎn)是使用6臺(tái)電潛泵，這些電潛泵是相互串聯(lián)的，這樣有足夠大的動(dòng)力把鉆井液輸?shù)胶Ｃ妗Ｔ撓到y(tǒng)安裝了水下固相處理裝置，這套裝置的主要工作是將鉆井液中較大的巖屑沉積在海底，在鉆井液還沒(méi)有進(jìn)去電潛泵之前，粉碎外徑大于6 mm的鉆屑，從而將返回的鉆井液當(dāng)中的巖屑含量降低到1%以內(nèi)。SSPS的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)操作時(shí)候的可靠性，缺點(diǎn)是大量的巖屑沉于海底會(huì)污染海洋環(huán)境，破壞海底的生態(tài)系統(tǒng)，因此近些年來(lái)它的使用逐漸減少。

3.2 AGR公司海底R(shí)MR系統(tǒng)

RMR系統(tǒng)的硬件組成海底泵和馬達(dá)模塊，吸入和對(duì)中模塊，下方控制工具及密封裝置，海底控制艙，回流管線系統(tǒng)等，它的特點(diǎn)是采用重的抑制性鉆井液鉆開(kāi)上部井眼，回收裸眼井段的返回物，上部井眼的鉆井液循環(huán)使用，減少井眼的清洗，穩(wěn)定性增加[6，7]。

3.3 Maurer公司空心微球雙梯度鉆井系統(tǒng)

空心微球雙梯度鉆進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵是采用空心微球降低隔水套管內(nèi)鉆井液的密度。

在進(jìn)行注入鉆井液的時(shí)候，可以通過(guò)控制空心微球的注入量、空心微球的材質(zhì)來(lái)控制鉆井液的密度，減少套損。該項(xiàng)目是由美國(guó)能源部開(kāi)展的，已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，研發(fā)出了多種注入裝置[8]。

4 結(jié)論及展望

雙梯度鉆井技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與鉆井工業(yè)發(fā)展的需要有機(jī)結(jié)合的必然。與常規(guī)鉆井方法相比，雙梯度鉆井井眼壓力很好地匹配地層孔隙壓力和破裂壓力之間的間隙，可優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。總之，雙梯度鉆井技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)實(shí)用價(jià)值，預(yù)期將在未來(lái)的深水與超深水油氣開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)行雙梯度鉆井基礎(chǔ)理論的研究，分析雙梯度鉆井鉆井液密度的可調(diào)范圍是我們未來(lái)的研究方向。

［1］ Barry, Andrew. Subsea rotating device enhances dual gradient drilling[J]. Offshore,2013,73(3):48-50.

［2］Dick, Ghiselin. Dual-gradient technology expands deepwater drilling opportunities[J]. Offshore,2012,72(7):58-63.

［3］ Dennis Denney. Well-Control Procedures for Dual-Gradient Drilling [J].Journal of Petroleum Technology,2003,55(6):46-47.

［4］Gonzalez R. Shell drilling system[R]. Houston: DOE/MMS Deepwater Dual-Density Drilling Workshop,2002.

［5］Furlow W. Shell's seafloor pump, solids removal key to ultra-deep, dual-gradient drilling[J]. Offshore,2001,61(6):54-55.

［6］Alford S E, Asko A, Stave R, et al. Riserless mud recovery system and high performance inhibitive fluid successfully stabilize west Azeri surface formation[A]. OMC 38,2005.

［7］Stave R, Farestveit R,H yland S, et al. Demonstration and qualification of a riserless dual gradient system[A]. OTC 17665,2005.

［8］毛雷爾W C,小梅德利G H,麥克唐納W J.多梯度鉆井方法和系統(tǒng)[P].中國(guó)專利:CN1446286,2003-10-01.

Research on the Deepwater Dual Gradient Drilling Technology

1,2

（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163368，China； 2.Changping No.1 High School,Beijing 102200）

World deepwater oil and gas resources are adequate, but also the development technology of deepwater oil and gas is not very perfect. In this paper, the deepwater dual gradient drilling technology was studied, and its process methods, working principle and development of the system over the years were discussed. Comparedwith the conventional drillingsystems, the dual gradient drilling system has many advantages, such as short building cycle, safe operation process, low production cost andhigh production rate. The dual gradient drilling technology can provide the technical support for development of oil and gas in South China Sea, and have guiding significance for development of the deepwater oil and gas resources in China.

dual gradient; deepwater; drilling; development

TE 357

A

1004-0935（2017）03-0299-03

2016-12-08

徐勇（1992-），男，碩士研究生，湖北省黃岡市人，研究方向：提高石油采收率原理及技術(shù)。