雙層連續管雙梯度鉆井井筒鉆井液當量循環密度分布特征

郝希寧 何玉發 程兵 張更 李軍

1.中海油研究總院有限責任公司；2.中國石油大學(北京)石油工程學院

0 引言

在深水環境條件下，目標地層受海水段壓力和巖層段壓力的共同作用，導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，易發生井噴和井漏等復雜情況，給深水油氣和水合物的勘探及開發帶來了巨大挑戰［2］。常規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鉆井液液柱壓力與海水液柱壓力差越來越大［3］，使得井筒環空從泥線便開始承受了較大的液柱壓力，通常需要通過增加套管層數來保障足夠的作業窗口［4］。因此，常規深水鉆井工藝面臨了兩方面的挑戰：一方面是安全密度窗口窄易造成噴、漏、塌、卡等復雜情況［5］，增加了井控風險，給作業安全帶來了挑戰［6］；另一方面，套管層數增加意味著更多的工期和費用［7］，而且可能會導致無法鉆至目的層，或是井眼尺寸無法滿足地質和油藏的要求［8］。

為了應對深水鉆井安全密度窗口窄的挑戰，很多新技術得到了發展和應用［9］，包括地層安全密度窗口精確預測(鉆前和隨鉆地層壓力分析等)［10］、地層安全密度窗口的優化和控制(采用化學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大地層安全密度窗口，被認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測，減少井下復雜情況，保障鉆井作業安全［14］。

由于雙梯度鉆井技術的諸多優點，使其得到了快速發展［15-16］。目前，主要有2 種不同實現雙梯度的方法：一種是將舉升泵安裝在海底或隔水管上，通過回流管線將鉆井液舉升至平臺或控制隔水管液位，減小井筒環空ECD(當量循環密度)［17］；另一種是在海底處向隔水管內注入氣體或空心微球等以減小隔水管內鉆井液的密度，使井筒環空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發面臨的難題，周守為等學者［19］提出了固態流化開采方法，并提出了雙層連續管雙梯度鉆井技術。該技術能以更低的成本、更短的建井時間、更安全的作業實現深水油氣和淺層水合物的勘探開發，其應用前景非常廣闊［20-21］。但該技術尚處于研發的初級階段，很多方面還有待進一步探索，對雙層連續管雙梯度鉆井井筒壓力分布規律的研究還不夠充分［22］。筆者通過建立雙層連續管雙梯度鉆井井筒的壓力計算模型［23］，分析了鉆井過程中井筒ECD 分布特征，為鉆井水力參數設計和井筒壓力控制提供理論依據。

1 雙層連續管雙梯度鉆井工藝

雙層連續管是在常規連續油管工藝基礎上發展起來的，開始應用于低壓井和大斜度井等除砂作業。雙層連續管配合固態流化開采工藝，可為深水淺層水合物的開發提供有效的手段。鉆井液通過平臺鉆井泵經注入頭進入雙層管環空，經橋式通道進入內管，驅動井下馬達，再經鉆頭水眼進入環空，攜帶鉆屑和水合物漿體從橋式通道進入雙層管內管，通過井下泵舉升返回至平臺，如圖1 所示。

圖1 雙層連續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力，可有效降低井底壓力，控制其在地層安全密度窗口之內，達到雙梯度效果。雙層連續管鉆井主要步驟：(1)通過雙層連續管和井下工具組合鉆進形成領眼；(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)利用回收短節和井下水力驅動舉升泵的負壓抽吸，將水合物礦漿收集進雙層管密閉通道；(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端采空區以防止儲層的坍塌；(5)將經過分離凈化后的水合物礦漿沿著內管輸送至平臺。

2 井筒壓力計算模型

鉆井過程中，鉆井液從井口由雙層管環空注入，經橋式通道后發生流道轉換，進入雙層管內管，再依次經過渦輪馬達、動力鉆具和鉆頭到達井底。到達井底后，攜帶巖屑沿著雙層管環空上返，經橋式通道由雙層管環空進入雙層管內管，再由舉升泵提供動力后繼續向上流動至井口。此外，地層與外管之間的井筒環空內是靜止的海水、隔離液和鉆井液。

雙層管內管壓力可以表示為

雙層管環空壓力可以表示為

井筒環空壓力可以表示為

井底壓力可以表示為

式中，pt為雙層管內管壓力，MPa；ps為井口回壓，MPa；?pf為循環壓耗，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為雙層管環空壓力，MPa；pp為平臺立管壓力，MPa；?pm為雙層管環空沿程循環壓耗，MPa；pw為井筒環空壓力，MPa；hm為鉆井液段長度，m；ρg為隔離液密度，g/cm3；hg為隔離液段長度，m；ρs為海水密度，g/cm3；hs為海水段長度，m；?pw為井筒環空隔離液摩阻，MPa；pb為井底壓力，MPa；?pe為雙層管內管沿程循環壓耗，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 由當量靜態密度(ESD)與附加當量循環密度(AECD)組成，ESD 的準確計算歸結到底是鉆井液密度的計算；AECD 的計算實際上是循環壓耗的計算。通過鉆井液密度測量實驗（溫度5～200℃，壓力0.1～90 MPa），分析溫度和壓力對鉆井液密度的影響。基于實驗測量結果，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，鉆井液密度計算模型的表達式為

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為鉆井液密度計算模型的回歸系數；ρ0為鉆井液初始密度，kg/m3。

基于實驗測量結果，水基和油基鉆井液密度計算模型的多元線性回歸系數如表1 所示。

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

鉆井液循環壓耗與流變模式和流型有關，研究采用赫巴流變模式，層流狀態下鉆井液循環壓耗為

求解紊流狀態下鉆井液循環壓耗，首先需要通過迭代計算求出范寧摩阻系數f，其表達式為

再利用范寧-達西公式求得循環壓耗為

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

3 井筒ECD 分布特征分析

雙層連續管雙梯度鉆井過程中，將外管與地層之間的井筒環空ECD 控制在地層安全密度窗口內是安全鉆進的關鍵。井筒環空內是靜止的流體，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。井筒環空ECD 受鉆井液排量、鉆井液密度、機械鉆速、雙層管尺寸等參數的影響。

以南海某深水井為例，該井為一口直井，采用四開井身結構，水深1 338 m，井深3 326 m，具體井身結構和鉆具組合參數如表2、表3 所示。利用鉆進參數進行模擬計算，并分析了鉆井液排量、鉆井液密度、機械鉆速和雙層管尺寸等主要參數對井筒環空ECD 分布特征的影響。

表2 井身結構參數Table 2 Well structure parameters

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

圖2 為雙層連續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，經渦輪馬達和鉆頭位置后，由于渦輪馬達和鉆頭的壓降較大，壓力明顯減小；上返過程中經舉升泵位置時，由于舉升泵提供了一定泵壓，內管流體壓力增加，而后隨著上返過程，內管鉆井液壓力逐漸下降。井筒環空壓力由靜止的海水、隔離液和鉆井液提供，隨著井深增加，井筒環空壓力線性增加，在進入隔離液段后由于密度的差異出現拐點，井筒壓力以另一個梯度線性增加，表現出明顯的雙梯度特征。井下舉升泵為返回鉆井液提供動能，有效降低了井底壓力，在此研究計算條件下，井下舉升泵提供的壓力降約4 MPa 左右。對于整個循環流程，由于井下渦輪馬達等井下工具壓耗的影響，平臺鉆井泵的泵壓也相應要求更高。

圖2 雙層連續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空ECD分布剖面，可以看出，隨著井深增加，井筒環空ECD不斷增加；在進入隔離液段后出現拐點，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，循環壓耗相應地增加，導致井底壓力增加。為了保持井底壓力平衡，井筒環空中海水段長度減小，鉆井液段長度增加，最終造成井筒環空ECD 增加。同時，隨著鉆井液排量增加，井筒環空ECD 在隔離液段的拐點坡度更大。

圖3 不同鉆井液排量下井筒環空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，重力壓降相應地增加，造成鉆井液靜液柱壓力增加，最終造成井筒環空ECD 增加。同時隨著鉆井液密度增加，為了保持井底壓力平衡，井筒環空中海水段長度顯著減小，鉆井液段長度顯著增加。

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

圖5 為不同機械鉆速下井筒環空ECD 分布剖面，可以看出，隨著機械鉆速增加，內管中巖屑濃度增加，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空中海水段減小，鉆井液段增加，最終井筒環空ECD 增加。但巖屑濃度對鉆井液密度影響相對較小，井筒環空ECD 變化也相對較小。

圖5 不同機械鉆速下井筒環空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流體速度不同，影響循環壓耗的大小，最終導致井底壓力和地層ECD 的變化。隨著雙層管直徑的增大，井筒環空ECD 逐漸減小，但受制造技術水平和現場應用條件的限制，目前連續管的直徑一般不超過?152.4 mm。在此研究條件下，優選內外管直徑為?101.6 mm+?139.7 mm 的組合。

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

4 結論

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

(2)雙層連續管雙梯度鉆井過程中，井筒環空ECD 受鉆井液排量和密度的影響較大，機械鉆速的影響較小，需結合加工制造能力優選雙層管尺寸。

(3)雙層連續管雙梯度鉆井技術還處于起步階段，還有很多方面需要進一步研究和完善。例如，雙層管鉆井過程中抗拉和抗扭等力學性能分析、水下舉升泵的水力特性和可靠性、雙層管系統作業風險及應急措施等，為雙層連續管雙梯度鉆井技術的應用和推廣提供技術支持。