深水雙梯度鉆井方法研究

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， 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，但對深水油氣的開發還不是十分完善。本文研究了國外采用的深水雙梯度鉆井技術，詳細闡述了它的技術方法、工作原理以及這些年來開發的系統。雙梯度鉆井系統相對于常規鉆井，它的優勢是建井周期短、操作更安全、生產成本低、產量高。雙梯度鉆井技術可以為我國南海油氣的開發提供技術保障，對我國的深水開發具有指導意義。

雙梯度；深水；鉆井；開發

隨著世界工業的快速發展，能源問題日益嚴峻。我國是能源消耗大國，國民經濟的迅猛發展，對石油天然氣的需求日益增大，深水油氣資源的開發已經成為熱點，國內外都在進行積極嘗試[3]。但相對于陸地和淺海鉆井，深海鉆井所面臨的難度十分巨大。深海環境復雜，海底鉆井壓力難以控制，隔水套管承受載荷過大容易脫扣，鉆井液難以在海底環境下得到有效控制，這一系列因素嚴重影響深海鉆井。早在1960年雙梯度鉆井技術就被提出，在隨后的幾十年里，該技術得到良好的發展，雙梯度鉆井技術可以很好解決深海鉆井所遇到的問題[1]。

1 雙梯度鉆井方法

目前經常使用的是單梯度鉆井方法，在單梯度鉆井方法中，每一個井眼里面存在一個由井底到地面的鉆井液柱所產生的液柱梯度值。而雙梯度鉆井方法則不同，一共分為兩個部分：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]。具體示意圖見圖1。

圖1 雙梯度鉆井技術海底上的環空無鉆井液

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

從井身設計的角度來說，雙梯度鉆井減少了技術套管的使用，從而整套工藝的實施時間大幅度縮減，施工費用減少。

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，使得隔水套管內外壓差相近，這樣降低了隔水導管的剪切應力，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有的鉆井設備，在深水區里面安全的操作，在經濟上減小輸出，產量上可以進一步提高。

2 深水雙梯度鉆井的原理

單梯度鉆井只有一個液柱壓力梯度，這個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，單梯度鉆井技術的井底壓力為：

P=ρg D×10-3（1）

式中：P——常規鉆井井底壓力，MPa；

ρ——常規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。

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

圖3 雙梯度鉆井井底壓力計算模型

圖4顯示的是單梯度鉆井和雙梯度鉆井的靜水壓力。海底的特殊的構造環境致使地層破裂壓力和地層壓力非常接近，鉆井的關鍵就是將鉆井壓力維持在它們中間。常規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地層壓力和破裂壓力所包圍的區域，操作難度非常大。而雙梯度鉆井方法的設計，井底以上的壓力由兩部分組成，使得海底以上的環空壓力減小，它的靜水壓力曲線相對于單梯度鉆井方法來說，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。

圖4 雙梯度靜水力學梯度

3 國外雙梯度鉆井系統

3.1 Shell公司海底泵系統

Shell公司于1996年啟動的SSPS項目，總共分為四期，該項目由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。其特點是使用6臺電潛泵，這些電潛泵是相互串聯的，這樣有足夠大的動力把鉆井液輸到海面。該系統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，在鉆井液還沒有進去電潛泵之前，粉碎外徑大于6 mm的鉆屑，從而將返回的鉆井液當中的巖屑含量降低到1%以內。SSPS的設計增加了系統操作時候的可靠性，缺點是大量的巖屑沉于海底會污染海洋環境，破壞海底的生態系統，因此近些年來它的使用逐漸減少。

3.2 AGR公司海底RMR系統

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

3.3 Maurer公司空心微球雙梯度鉆井系統

空心微球雙梯度鉆進系統的關鍵是采用空心微球降低隔水套管內鉆井液的密度。

在進行注入鉆井液的時候，可以通過控制空心微球的注入量、空心微球的材質來控制鉆井液的密度，減少套損。該項目是由美國能源部開展的，已經進行了大量的實驗研究，研發出了多種注入裝置[8]。

4 結論及展望

雙梯度鉆井技術的產生和發展是其自身的技術優勢與鉆井工業發展的需要有機結合的必然。與常規鉆井方法相比，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，可優化井身結構設計。總之，雙梯度鉆井技術具有良好的經濟效益和工業實用價值，預期將在未來的深水與超深水油氣開發中得到廣泛應用。進行雙梯度鉆井基礎理論的研究，分析雙梯度鉆井鉆井液密度的可調范圍是我們未來的研究方向。

［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[P].中國專利: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。