郝希寧 何玉發(fā) 程兵 張更 李軍

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院

0 引言

在深水環(huán)境條件下，目標(biāo)地層受海水段壓力和巖層段壓力的共同作用，導(dǎo)致其上覆巖層壓力較低［1］，造成了地層孔隙壓力和破裂壓力之間安全密度窗口窄，易發(fā)生井噴和井漏等復(fù)雜情況，給深水油氣和水合物的勘探及開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)［2］。常規(guī)深水鉆井工藝采用單一的鉆井液密度，隨著水深的增加隔水管內(nèi)鉆井液液柱壓力與海水液柱壓力差越來(lái)越大［3］，使得井筒環(huán)空從泥線便開(kāi)始承受了較大的液柱壓力，通常需要通過(guò)增加套管層數(shù)來(lái)保障足夠的作業(yè)窗口［4］。因此，常規(guī)深水鉆井工藝面臨了兩方面的挑戰(zhàn)：一方面是安全密度窗口窄易造成噴、漏、塌、卡等復(fù)雜情況［5］，增加了井控風(fēng)險(xiǎn)，給作業(yè)安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)［6］；另一方面，套管層數(shù)增加意味著更多的工期和費(fèi)用［7］，而且可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法鉆至目的層，或是井眼尺寸無(wú)法滿足地質(zhì)和油藏的要求［8］。

為了應(yīng)對(duì)深水鉆井安全密度窗口窄的挑戰(zhàn)，很多新技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用［9］，包括地層安全密度窗口精確預(yù)測(cè)(鉆前和隨鉆地層壓力分析等)［10］、地層安全密度窗口的優(yōu)化和控制(采用化學(xué)方法增加淺部地層破裂壓力、控壓鉆井等)［11-12］。其中，雙梯度鉆井可有效擴(kuò)大地層安全密度窗口，被認(rèn)為是解決深水窄壓力窗口最有效的方法之一［13］。而且，雙梯度鉆井工藝有利于早期井涌監(jiān)測(cè)，減少井下復(fù)雜情況，保障鉆井作業(yè)安全［14］。

由于雙梯度鉆井技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其得到了快速發(fā)展［15-16］。目前，主要有2 種不同實(shí)現(xiàn)雙梯度的方法：一種是將舉升泵安裝在海底或隔水管上，通過(guò)回流管線將鉆井液舉升至平臺(tái)或控制隔水管液位，減小井筒環(huán)空ECD(當(dāng)量循環(huán)密度)［17］；另一種是在海底處向隔水管內(nèi)注入氣體或空心微球等以減小隔水管內(nèi)鉆井液的密度，使井筒環(huán)空ECD 更好地匹配地層安全密度窗口［18］。

為了有效解決深水淺層水合物開(kāi)發(fā)面臨的難題，周守為等學(xué)者［19］提出了固態(tài)流化開(kāi)采方法，并提出了雙層連續(xù)管雙梯度鉆井技術(shù)。該技術(shù)能以更低的成本、更短的建井時(shí)間、更安全的作業(yè)實(shí)現(xiàn)深水油氣和淺層水合物的勘探開(kāi)發(fā)，其應(yīng)用前景非常廣闊［20-21］。但該技術(shù)尚處于研發(fā)的初級(jí)階段，很多方面還有待進(jìn)一步探索，對(duì)雙層連續(xù)管雙梯度鉆井井筒壓力分布規(guī)律的研究還不夠充分［22］。筆者通過(guò)建立雙層連續(xù)管雙梯度鉆井井筒的壓力計(jì)算模型［23］，分析了鉆井過(guò)程中井筒ECD 分布特征，為鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)和井筒壓力控制提供理論依據(jù)。

1 雙層連續(xù)管雙梯度鉆井工藝

雙層連續(xù)管是在常規(guī)連續(xù)油管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，開(kāi)始應(yīng)用于低壓井和大斜度井等除砂作業(yè)。雙層連續(xù)管配合固態(tài)流化開(kāi)采工藝，可為深水淺層水合物的開(kāi)發(fā)提供有效的手段。鉆井液通過(guò)平臺(tái)鉆井泵經(jīng)注入頭進(jìn)入雙層管環(huán)空，經(jīng)橋式通道進(jìn)入內(nèi)管，驅(qū)動(dòng)井下馬達(dá)，再經(jīng)鉆頭水眼進(jìn)入環(huán)空，攜帶鉆屑和水合物漿體從橋式通道進(jìn)入雙層管內(nèi)管，通過(guò)井下泵舉升返回至平臺(tái)，如圖1 所示。

圖1 雙層連續(xù)管雙梯度鉆井示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-layer coiled tubing dual-gradient drilling

井下舉升泵為返回鉆井液提供動(dòng)力，可有效降低井底壓力，控制其在地層安全密度窗口之內(nèi)，達(dá)到雙梯度效果。雙層連續(xù)管鉆井主要步驟：(1)通過(guò)雙層連續(xù)管和井下工具組合鉆進(jìn)形成領(lǐng)眼；(2)利用壓控滑套噴射工具射流將水合物礦體破碎成水合物漿體；(3)利用回收短節(jié)和井下水力驅(qū)動(dòng)舉升泵的負(fù)壓抽吸，將水合物礦漿收集進(jìn)雙層管密閉通道；(4)利用井下分離器分離出水合物礦漿中的泥砂，并將其回填至鉆頭遠(yuǎn)端采空區(qū)以防止儲(chǔ)層的坍塌；(5)將經(jīng)過(guò)分離凈化后的水合物礦漿沿著內(nèi)管輸送至平臺(tái)。

2 井筒壓力計(jì)算模型

鉆井過(guò)程中，鉆井液從井口由雙層管環(huán)空注入，經(jīng)橋式通道后發(fā)生流道轉(zhuǎn)換，進(jìn)入雙層管內(nèi)管，再依次經(jīng)過(guò)渦輪馬達(dá)、動(dòng)力鉆具和鉆頭到達(dá)井底。到達(dá)井底后，攜帶巖屑沿著雙層管環(huán)空上返，經(jīng)橋式通道由雙層管環(huán)空進(jìn)入雙層管內(nèi)管，再由舉升泵提供動(dòng)力后繼續(xù)向上流動(dòng)至井口。此外，地層與外管之間的井筒環(huán)空內(nèi)是靜止的海水、隔離液和鉆井液。

雙層管內(nèi)管壓力可以表示為

雙層管環(huán)空壓力可以表示為

井筒環(huán)空壓力可以表示為

井底壓力可以表示為

式中，pt為雙層管內(nèi)管壓力，MPa；ps為井口回壓，MPa；?pf為循環(huán)壓耗，MPa；ρm為鉆井液密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；h為井深，m；θ為井斜角，rad；?ps為舉升泵壓降，MPa；H為舉升泵所在井深，m；pm為雙層管環(huán)空壓力，MPa；pp為平臺(tái)立管壓力，MPa；?pm為雙層管環(huán)空沿程循環(huán)壓耗，MPa；pw為井筒環(huán)空壓力，MPa；hm為鉆井液段長(zhǎng)度，m；ρg為隔離液密度，g/cm3；hg為隔離液段長(zhǎng)度，m；ρs為海水密度，g/cm3；hs為海水段長(zhǎng)度，m；?pw為井筒環(huán)空隔離液摩阻，MPa；pb為井底壓力，MPa；?pe為雙層管內(nèi)管沿程循環(huán)壓耗，MPa。

從式(4)可以看出，由井下舉升泵提供的壓力能可有效降低井底壓力。

ECD 由當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與附加當(dāng)量循環(huán)密度(AECD)組成，ESD 的準(zhǔn)確計(jì)算歸結(jié)到底是鉆井液密度的計(jì)算；AECD 的計(jì)算實(shí)際上是循環(huán)壓耗的計(jì)算。通過(guò)鉆井液密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)（溫度5～200℃，壓力0.1～90 MPa），分析溫度和壓力對(duì)鉆井液密度的影響?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，利用多元線性回歸模型分析方法，得到了不同溫度和壓力條件下，鉆井液密度計(jì)算模型的表達(dá)式為

式中，?(p,T)為隨溫度壓力變化的鉆井液密度，kg/m3；p為井筒壓力，MPa；p0為地面壓力，MPa，取值為0.1 MPa；T為井筒溫度，℃；T0為地面溫度，℃，取值為15 ℃；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4、ξ5為鉆井液密度計(jì)算模型的回歸系數(shù)；ρ0為鉆井液初始密度，kg/m3。

基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，水基和油基鉆井液密度計(jì)算模型的多元線性回歸系數(shù)如表1 所示。

表1 鉆井液密度計(jì)算模型回歸系數(shù)Table 1 Regression coefficients for drilling fluid density calculation model

鉆井液循環(huán)壓耗與流變模式和流型有關(guān)，研究采用赫巴流變模式，層流狀態(tài)下鉆井液循環(huán)壓耗為

求解紊流狀態(tài)下鉆井液循環(huán)壓耗，首先需要通過(guò)迭代計(jì)算求出范寧摩阻系數(shù)f，其表達(dá)式為

再利用范寧-達(dá)西公式求得循環(huán)壓耗為

式中，?pv為層流狀態(tài)下鉆井液循環(huán)壓耗，MPa；K為稠度系數(shù)，Pa·sn；l為井深，m；d為環(huán)空水力直徑，m；n為 流性指數(shù)；v為環(huán)空平均流速，m/s；τ0為鉆井液屈服值，Pa。

3 井筒ECD 分布特征分析

雙層連續(xù)管雙梯度鉆井過(guò)程中，將外管與地層之間的井筒環(huán)空ECD 控制在地層安全密度窗口內(nèi)是安全鉆進(jìn)的關(guān)鍵。井筒環(huán)空內(nèi)是靜止的流體，由空氣段、海水段、隔離液段和鉆井液段組成，海水密度與鉆井液密度的差異凸顯出雙梯度的特征。井筒環(huán)空ECD 受鉆井液排量、鉆井液密度、機(jī)械鉆速、雙層管尺寸等參數(shù)的影響。

以南海某深水井為例，該井為一口直井，采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，水深1 338 m，井深3 326 m，具體井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合參數(shù)如表2、表3 所示。利用鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，并分析了鉆井液排量、鉆井液密度、機(jī)械鉆速和雙層管尺寸等主要參數(shù)對(duì)井筒環(huán)空ECD 分布特征的影響。

表2 井身結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Well structure parameters

表3 底部鉆具組合參數(shù)Table 3 Parameters of bottom hole assembly

圖2 為雙層連續(xù)管雙梯度鉆井井筒壓力分布，可以看出，鉆井液從外管柱注入隨井深的增加鉆井液壓力也逐漸增加，經(jīng)渦輪馬達(dá)和鉆頭位置后，由于渦輪馬達(dá)和鉆頭的壓降較大，壓力明顯減?。簧戏颠^(guò)程中經(jīng)舉升泵位置時(shí)，由于舉升泵提供了一定泵壓，內(nèi)管流體壓力增加，而后隨著上返過(guò)程，內(nèi)管鉆井液壓力逐漸下降。井筒環(huán)空壓力由靜止的海水、隔離液和鉆井液提供，隨著井深增加，井筒環(huán)空壓力線性增加，在進(jìn)入隔離液段后由于密度的差異出現(xiàn)拐點(diǎn)，井筒壓力以另一個(gè)梯度線性增加，表現(xiàn)出明顯的雙梯度特征。井下舉升泵為返回鉆井液提供動(dòng)能，有效降低了井底壓力，在此研究計(jì)算條件下，井下舉升泵提供的壓力降約4 MPa 左右。對(duì)于整個(gè)循環(huán)流程，由于井下渦輪馬達(dá)等井下工具壓耗的影響，平臺(tái)鉆井泵的泵壓也相應(yīng)要求更高。

圖2 雙層連續(xù)管雙梯度鉆井井筒壓力分布曲線Fig.2 Well pressure distribution curve in dual-layer coiled tubing dual-gradient drilling

圖3 為不同鉆井液排量條件下井筒環(huán)空ECD分布剖面，可以看出，隨著井深增加，井筒環(huán)空ECD不斷增加；在進(jìn)入隔離液段后出現(xiàn)拐點(diǎn)，后又隨著井深的增加逐漸增大。這是由于隨著鉆井液排量的增加，循環(huán)壓耗相應(yīng)地增加，導(dǎo)致井底壓力增加。為了保持井底壓力平衡，井筒環(huán)空中海水段長(zhǎng)度減小，鉆井液段長(zhǎng)度增加，最終造成井筒環(huán)空ECD 增加。同時(shí)，隨著鉆井液排量增加，井筒環(huán)空ECD 在隔離液段的拐點(diǎn)坡度更大。

圖3 不同鉆井液排量下井筒環(huán)空ECD 剖面Fig.3 Well annular ECD profiles at different drilling fluid displacements

圖4 為不同鉆井液密度下井筒環(huán)空ECD 分布剖面，可以看出，隨著鉆井液密度的增加，重力壓降相應(yīng)地增加，造成鉆井液靜液柱壓力增加，最終造成井筒環(huán)空ECD 增加。同時(shí)隨著鉆井液密度增加，為了保持井底壓力平衡，井筒環(huán)空中海水段長(zhǎng)度顯著減小，鉆井液段長(zhǎng)度顯著增加。

圖4 不同鉆井液密度下井筒環(huán)空ECD 剖面Fig.4 Well annular ECD profiles at different drilling fluid densities

圖5 為不同機(jī)械鉆速下井筒環(huán)空ECD 分布剖面，可以看出，隨著機(jī)械鉆速增加，內(nèi)管中巖屑濃度增加，使鉆井液密度增加，造成井底壓力增加。井底壓力增加使井筒環(huán)空中海水段減小，鉆井液段增加，最終井筒環(huán)空ECD 增加。但巖屑濃度對(duì)鉆井液密度影響相對(duì)較小，井筒環(huán)空ECD 變化也相對(duì)較小。

圖5 不同機(jī)械鉆速下井筒環(huán)空ECD 剖面Fig.5 Well annular ECD profiles at different rates of penetration

圖6 為不同雙層管尺寸組合條件下井筒環(huán)空ECD 分布剖面，可以看出，不同雙層管尺寸組合直接造成管內(nèi)流體速度不同，影響循環(huán)壓耗的大小，最終導(dǎo)致井底壓力和地層ECD 的變化。隨著雙層管直徑的增大，井筒環(huán)空ECD 逐漸減小，但受制造技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件的限制，目前連續(xù)管的直徑一般不超過(guò)?152.4 mm。在此研究條件下，優(yōu)選內(nèi)外管直徑為?101.6 mm+?139.7 mm 的組合。

圖6 不同雙層管尺寸下井筒環(huán)空ECD 剖面Fig.6 Well annular ECD profiles at different dual-layer tubing sizes

4 結(jié)論

(1)雙層連續(xù)管雙梯度鉆井通過(guò)井下舉升泵提供壓力能可有效降低井筒環(huán)空ECD，控制井筒壓力在地層安全密度窗口之內(nèi)。ECD 在海水段保持與海水壓力梯度一致，進(jìn)入地層段時(shí)壓力梯度發(fā)生變化，由隔離液和鉆井液靜液柱壓力及摩阻共同作用。

(2)雙層連續(xù)管雙梯度鉆井過(guò)程中，井筒環(huán)空ECD 受鉆井液排量和密度的影響較大，機(jī)械鉆速的影響較小，需結(jié)合加工制造能力優(yōu)選雙層管尺寸。

(3)雙層連續(xù)管雙梯度鉆井技術(shù)還處于起步階段，還有很多方面需要進(jìn)一步研究和完善。例如，雙層管鉆井過(guò)程中抗拉和抗扭等力學(xué)性能分析、水下舉升泵的水力特性和可靠性、雙層管系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)急措施等，為雙層連續(xù)管雙梯度鉆井技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供技術(shù)支持。