双梯度钻井技术.docx

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双梯度钻井技术

双梯度钻井技术

1双梯度钻井技术简介

双梯度钻井（双密度钻井）方法（DualGradientDrilling）是一种非传统钻井方法，它使用相对小直径的返回管线（RL）把钻井液和钻屑从海底循环到海面钻井船的泥浆系统。

双梯度钻井技术是国外在60年代提出的一项新技术，由于它能够解决一系列的深水钻井问题，例如，保持钻机稳定性、防止隔水管脱扣、地层孔隙压力与地层破裂压力窗口小，难于控制钻井液密度、海底的不稳定性、浅层水流、天然气水合物等，因此，20世纪90年代，双梯度钻井技术在国外得到了快速发展，取得了一系列成果。

（1）双梯度钻井的原理[30]

双梯度钻井是一种控制压力钻井技术，该技术的主要思想是：

隔水管内充满海水（或不使用隔水管），采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质（空心微球、低密度流体、气体），降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力，克服深水钻井遇到的问题，实现安全、经济钻井。

常规钻井在井眼环空中只有一个液柱梯度，即井底压力由水面到井底的钻井液柱压力来产生，井底压力表示为：

（3-1）

式中

——常规钻井井底压力，Mpa；

——井总垂直深度，m；

——常规钻井液密度，g/cm3。

而DGD钻井液返回回路中将产生两个液柱梯度，从水面到海底为海水或与海水密度相近的混合流体，而从海底到井底则为高密度的钻井液。

井底压力表示为：

（3-2）

式中

——DGD井底压力，Mpa；

——水深，m；

——海水密度，g/cm3；

——DGD钻井液密度g/cm3。

图3-1所示为常规钻井和双梯度钻井钻井液静水压力曲线图。

由于深水海底疏松的沉积和海水柱作用，地层压力曲线和破裂压力曲线距离很近。

常规钻井钻井液的静水压力曲线是从海面钻井船延伸的一条直线，该静水压力在很短的垂直距离上穿过钻井液密度窗口，所以很难将井眼环空压力维持在这两条曲线中间，容易发生井漏事故。

因此，为了保证井身的质量，需要下多层套管柱。

而采用DGD方法可将海底环空压力降低至与周围海水压力相当，DGD钻井液静水压力曲线是从海底延伸的一条直线，直线的斜度大大减小，因此孔隙压力和破裂压力之间的间隙就相对变宽，有一个相对较大的垂直距离用于钻井。

这样一方面可以减小隔水管的余量，另一方面，海底以上隔水管内流体密度与海水密度相等，所有的压力以海底为参考点，从而可以减少套管柱使用的数量、使用小的钻井船，降低钻井费用。

（a）（b）

图3-1双梯度与常规单梯度静水力学梯度对比

图3-2双梯度钻井原理图[31]

（2）双梯度钻井的优点[32][33]

①减少了套管数量，可以节省3层套管，每层套管可节省2百万到3百万美元。

据有关资料统计，采用双梯度钻井技术可以将建井周期缩短约65%，每口井可节约钻井成本500万-1500万美元；

②增加了调节钻井液密度的窗口，可以降低钻井液的漏失；

③提高了工作效率，通过使用标准计量孔钻井技术（例如，旋转导向和多边技术）可以明显降低非作业时间；

④钻穿产油层时可以保持大井眼钻进，实现快速、大油管完井；

⑤对环境影响减少。

立管内不再充满泥浆，因此，当出现紧急状况要进行立管分离操作时只会有很少的泥浆释放到环境中；

⑥可使隔水导管内、外受力平衡，并且可避免泥浆通过隔水导管内的环空，降低了环空流动摩阻，进而解决了泥浆在隔水导管内反速过低和岩屑携带方面的问题等；

⑦可降低深水钻井作业对钻井平台和钻机等钻井装备的要求。

与常规钻井技术相比，可以用更小、更便宜的钻井设备钻更深的深水井，可以采用3D钻井系统作业；

⑧可减少隔水管余量，平台紧急撤离时更为安全，出现井喷等较大事故的可能性及对海洋环境污染的可能性也大大降低；同时可减少泥浆的用量，使成本降低；

⑨从理论上讲，双梯度钻井技术对水深没有限制，能够在任何水深中进行钻探。

（3）双梯度钻井的缺点[33]

①需要增加新设备，在一定程度上会增加钻井成本；

②相关技术不成熟，会带来一定的作业风险；

③检测和处理井涌会有一些困难，会出现井控等安全方面的问题。

2双梯度钻井技术国内外现状

双梯度钻井技术是国外20世纪60年代提出，90年代快速发展的一项技术。

在1996年左右开始的四个项目开始研究双梯度钻井技术，即DGD，应用与水深超过5000ft。

（目前可应用于水深超过10000ft的深水钻探）这四个项目是Shell石油公司项目、海底泥浆举升（SMD）联合项目、DeepVision项目和Maurer技术的空心玻璃球项目。

目前实现双梯度钻井的方法主要有3类：

无隔水管钻井、海底泵举升钻井液、和双密度钻井。

国外的康纳和石油公司（Conoco）、美国贝克休斯公司、TransoceanSedcoForex公司、壳牌石油公司、毛勒技术公司、AGRSubsea公司、路易斯安那大学等都在致力于双梯度钻井技术的研究。

组建于1996年的SMDJIP研发海底泥浆举升钻井系统，SMDJIP是唯一进行全尺寸海上试验的双梯度钻井系统，SMDJIP使用平台“DiamondNewEra”，于2001年8月24日至2001年10月14日在墨西哥湾绿峡136区块进行海上试验，目前已投入工业应用。

DeepVisionJIP研发DeepVision双梯度钻井系统，项目于2002年成功完成包括海底泵和控制系统在内的关键设备的室内试验。

Shell公司海底泵系统的研究于1996年启动，项目于2002年下半年进入应用阶段。

挪威AGRSubsea公司开发的无隔水管钻井液回收（RMR）系统，获得2005年度的海洋技术会议（OTC）新技术奖，该系统已通过挪威研究委员会的认证，已在黑海WestAzeri油田进行工业应用，取得良好的经济效益。

由美国Maurer技术公司承担的美国能源部的项目“欠平衡钻井产品的开发与试验（DE-AC21-9431197）”提出空心球双梯度钻井的概念。

路易斯安那大学（LSU）和巴西国家石油公司（Petrobras）共同研究了隔水管气举双梯度钻井技术。

国内目前对双梯度钻井的研究只停留在调研和理论研究阶段。

中国石油大学（华东）的陈国明教授等人对双梯度钻井进行了细致的调研工作，并对相关的理论进行了研究。

中国海洋研究中心也正在积极进行这方面的研究。

另外，江苏油田工程技术研究院、中国石油大学（北京）等部门也展开了对双梯度钻井技术的研究。

我国石油勘探开发近年将挥师南海，南海深水石油的勘探开发将会遇到一系列的问题。

所以，现在我们要努力学习、研究国外先进的深水钻井技术，并积极进行自主创新，为开发南海打下坚实的技术基础。

3双梯度钻井技术详述

（1）双梯度钻井实现方法

目前实现双梯度钻井的方法主要有3类：

海底泵举升钻井液、无隔水管钻井、和双密度钻井。

具体情况如图3-3所示：

①海底泵举升钻井液

海底泵举升钻井是一种双梯度控压钻井技术，在钻井作业时，隔水管内充满海水（或不使用隔水管），采用海底泵和小直径管线旁路返回泥浆来降低隔水管环空内流体的密度使之与海水相当，降低海底环空周围的液柱静压力，有效控制海底泥面下井眼环空压力、井底压力，更好地匹配地层压力和破裂压力之间狭小的间隙，实现安全钻进。

按泵类型和驱动动力可将海底泵分为三种：

海水驱动隔膜泵、电力驱动离心泵、电潜泵。

图3-3双梯度钻井方法分类

②无隔水管钻井

无隔水管DGD钻井技术主要应用在深水环境中，一般用来钻深水上部井眼。

所使用的设备有：

水下旋转控制设备（SSRCD）和远程控制设备（ROV）。

远程控制设备（ROV）又称水下机器人，可以通过调节泥线上的节流阀来调节回压。

如果ROV关闭了水下节流阀，则井底压力（BHP）将增加。

这将导致钻井过程处于轻微过平衡状态。

如果使用海水钻进，则返出的海水和岩屑就可以直接排到海中。

③双密度钻井

双密度钻井是在隔水管中注入低密度流体（空心微球、低密度流体、气体）,降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当,按照注入流体的不同又分为：

注空心球、注气和注低密度流体3种方法。

双密度钻井方法需要隔水管，无需使用海底泵，大大地减少海底装置的数量。

目前主要研究的项目有：

隔水管气举（注气）方案（risergaslift）（见图3-4）和Maurer注空心玻璃球（HGS）方案（见图3-5）。

图3-4隔水管气举（注气）方案

图3-5Maurer注空心玻璃球系统[30]

（2）双梯度钻井各类系统介绍[30]

①Conoco、Hydril海底钻井液举升钻井系统

海底钻井液举升钻井系统（SMD）的结构如图3-6所示。

SMD系统由两大类设备组成:

常规的钻井设备和具有特殊用途的新型钻井设备，其中地面设备与常规钻井设备一样（或者经过升级改造），系统需要开发的关键设备和装置包括：

套管阀、钻柱阀、固相处理装置和钻井液举升装置，其中钻井液举升装置由旋转分流器、海底钻井液举升泵和柔性管组成。

在进行钻井作业时，钻井液经过钻杆、钻柱阀和钻头进入井眼环空。

在海底井口的一个海底旋转分流装置将井眼环空和隔水管环空分隔开，钻井液进入固相处理装置。

固相处理装置处理包括岩屑在内的所有直径大于40mm的固相颗粒，处理后的固相颗粒进入放置在海底的钻井液举升泵，钻井液举升泵通过单独的回流管线将钻井液和钻屑循环至海面进入钻井液循环池。

在该钻井方法中，充满海水的隔水管可以对钻柱进行导向或者在紧急情况下备用，使得能够转换到常规钻井方式。

根据系统的硬件设备、水深、循环速度和其它意外情况，可使用多路回流管线和其它的设备。

SMD系统采用井控程序HAZOP分析为系统提供安全保证，包括由钻井作业、隔水管分析、设备设计、培训和试井小组的代表组成的HAZOP井控小组编写所有钻井作业和井控程序，并对其进行评估、检查，开展井控实例HAZOP分析，并对其进行修改。

图3-6海底钻井液举升系统简化示意图

②Baker、Transocean的DeepVision双梯度钻井系统

DeepVision系统实现双梯度钻井的原理与SMD技术相似，不同点是DeepVision系统应用了连续管钻井技术，海底使用国民油井公司（NationalOilwell）制造的电动离心泵。

离心泵叶片粉碎岩屑、水泥、橡胶等，保证海底泵不被破坏。

根据水深和泵的扬程的需要，DeepVision系统可以安装3级泵，包括1~5个离心泵。

系统通过自动调节离心泵的速率控制井底压力。

钻井液和钻屑通过隔水管外的回流管线返回海面。

在DeepVision系统中，采用旋转控制头将隔水管和井眼隔开，隔水管内充满海水，隔水管用于下放和回收海底设备和离心泵系统，以及支撑动力和控制管缆。

利用DeepVision研究的海底马达和离心泵，推出了DeltaVisionTM、DeltaVisionPlusTM两个升级方案，DeltaVisionTM、DeltaVisionPlusTM的概念是将海底泵组下入到适当水深（900-1500m），补充环空当量循环密度偏差，而不是将泵组下入海底举升海底以上的整个钻井液柱。

该升级方案具有双梯度钻井的大部分优点，同时降低了系统的复杂性。

③Shell海底泵系统

图3-7SSPS系统[34]

SSPS实现双梯度钻井的原理与SMD和DeepVision类似，不同的是SSPS采用电潜泵，用6台串联水下电潜泵系统把钻井液回输到地面，所用的电潜泵为油田常用电潜泵。

系统同时包括水下固相处理装置，这套设备一方面将大的钻屑分离留在海底，另一方面，在钻井液进入海底电潜泵前破碎钻井液中外径大于6mm的钻屑，使返回海面的钻井液中岩屑含量少于1%，增加了系统的可靠性。

④AGR海底RMR系统

挪威AGRSubsea公司开发的无隔水管钻井液回收系统采用重的抑制性钻井液钻上部井眼，能够收集裸眼层段的返回物，可使上部井眼的钻井液得以再次应用，并且能够控制钻屑的处理和废弃。

系统硬件组成包括：

海底泵和马达模块，吸入和集中模块，控制下放工具以及密封装置，海底控制舱以及动力供应系统，回流管线系统，管缆绞车控制装置，意外事故应急关井控制系统等。

该系统的优点有：

提高井眼的稳定性；减少清洗；提高具有浅层气和浅层水流动的危险地层的井控能力。

图3-8所示为RMR系统示意图。

图3-8RMR系统[35]

⑤MTI空心微球双梯度钻井系统

图3-9Maurer空心微球双梯度钻井系统[36]

MTI空心微球双梯度钻井系统的原理如图3-9所示。

空心微球和钻井液在海面混合形成低密度的钻井液，泵送到海底并注入隔水管的底部降低隔水管中钻井液的密度，使其与周围的海水密度相当。

返回海面的钻井液通过振动筛从钻井液中分离出空心微球和钻屑，空心微球和钻屑进入海水池，重的钻屑沉到底部，轻的空心微球浮在水面，可以重新收集利用。

通过振动筛后，大部分钻井液进入钻柱，小部分钻井液与分离出的空心微球重新混合形成低密度流体，泵送到海底注入隔水管内继续循环。

图3-10低密度钻井液混合示意图

⑥LSU隔水管气举双梯度钻井系统

隔水管气举钻井技术由路易斯安那大学和巴西国家石油公司共同研究。

该系统利用标准设备，将气体压缩输送到海底注入隔水管的底部，降低隔水管中钻井液的密度。

与气举相关的问题主要包括：

隔水管内流体具有足够固相悬浮能力，以及井内流体在经过轻流体较大程度的稀释后，其携岩能力的变化情况。

⑦DGS隔水管稀释系统

DGS隔水管稀释系统应用钻井基液或钻井基液乳化剂作为低密度流体，基液通过辅助管线在海底（或泥线下）注入隔水管内，调节注入速率，使隔水管内流体密度与海水密度相当。

除了增加钻进距离，隔水管流体密度降低引起的井眼压力变化增加了钻井的安全余量，在海面利用为该系统特制的离心分离装置分离高密度的钻井液和注入基液，该系统不需要特殊的海底装置。

DGS系统能在一些第三代钻井平台上使用，而且仅需要很少的改造，系统使用普通钻井液、常规钻井方法和油田常用设备。

如图3-11所示为DGS系统示意图。

图3-11DGS隔水管稀释系统

1-隔水管；2-隔水管充液管道；3-基液的隔水管环空注入点；

4-环空中向上流的混合流体；5-钻柱内往下流的泥浆；6-环空中泥浆与钻屑的混合物。

（3）双梯度钻井的水下装备[31]

由于在大于中等水深的深水海域中实施双梯度钻井，均以装设海底泵系统为核心，再与注气系统或注入空心球系统相联合，故按照海底泵所选用的类型不同，水下装备组成可以划分为3大类，如表3-1。

表3-1双梯度钻井用水下装备的类型

泵类型及其驱动

海水与泥浆分离系统

岩屑处理系统

电力驱动电潜泵

采用水下泥浆、气体与海水的分离装置

使用振动筛筛选出6.35mm（0.25英寸）以上的岩屑颗粒，并排入海底。

海水动力驱动隔膜泵

使用海底旋转式分离器

采用岩屑压碎设备将岩屑压碎成小于38mm（1.5英寸）的颗粒。

电力驱动离心泵

采用水下海水-泥浆分离系统

采用刀片切碎机，用刀片将岩屑切碎到小于12.7mm（0.5英寸）颗粒。

①水下电潜泵系统装备

该系统包括电潜泵组、分离装置、岩屑处理设备、隔离工具总成等。

a.电潜泵组电潜泵组一般由6台电力驱动的电潜泵串联组成，它们位于海床上井口附近。

电潜泵应解决海水腐蚀问题。

电潜泵将自井筒中返回的泥浆，经清除岩屑及分离气体之后，通过单独的一条泥浆返回管线，举升到水面平台（船）上，再由平台上的普通泥浆泵将处理后的泥浆经水龙头泵如钻杆内。

b.分离装置分离装置就是将水下的泥浆、气体分离的设备，可将自井筒返回的泥浆中的气体分离出来。

c.岩屑处理设备设备位于海床上，采用机械切割原理，使返回的泥浆在进入电潜泵前，将大于6.35mm的岩屑切碎，并分离出来。

d.隔离工具总成主要由隔离阀组成，上与隔水管相连，下与防喷器相连。

井筒返回的泥浆通过此阀流出，并进入到海底电潜泵举升泥浆系统。

②水下隔膜泵系统装备

该系统由隔膜泵、岩屑破碎机、旋转分离器等组成。

a.隔膜泵该系统的核心装备是3-6台隔膜泵，每台泵的排量为0.3028m3/min。

隔膜泵是一种特殊结构的往复泵，它用弹簧隔膜与泵缸组成一个工作容积可以变化而又密封良好的工作室，来吸入及排除泥浆。

隔膜由金属或非金属弹性薄片制成。

此泵采用海水作为动力，可以省去送电到海底的电缆以及电缆绞车和水下电机等装备，从而降低成本。

b.岩屑破碎机该系统由1台岩屑破碎机，可以用来破碎大的岩石、坚硬的黏土以及水泥块，将其破碎成38mm的微粒。

c.旋转分离器装在海床上用以将自井筒返回到海床处的泥浆中的气体分离出去。

旋转分离器采用橡胶元件来密封住钻柱和旋转体。

③水下离心泵系统装备

该系统由离心泵组、分离装置等组成。

a.离心泵组该系统随水深的不同配备有不同扬程的离心泵1-5台，离心泵装设在海床上，用于将泥浆举升到水面的钻井平台上。

离心泵采用电驱动，一般多安装3级。

离心泵为咀嚼式。

b.分离装置自海床以上直到钻井平台上的隔水管柱内的环空中充满着海水，因此，该系统配备有海水-泥浆隔离装置SMIS（SeawaterMudIsolutionSystem）,通过该装置将将自井筒返回到海床处的泥浆与海床以上的隔水管柱内环空中的海水隔离开来。

4双梯度钻井的技术关键

双梯度钻井技术作为一项针对深水钻井的新技术，虽然近几年取得了飞速发展，各方面的研究正如火如荼地进行着，工艺技术、设备等方面都不断趋于成熟，但是目前也仍有一些问题没有得到更好的解决，其中一项就是海水环境污染问题。

通过大量文献的调研，现总结双梯度钻井的技术关键如下：

（1）将泥浆从海底返回到平台上，这是实现双梯度钻井的的关键技术之一。

目前一般采用海底泥浆泵将井筒环空返回的泥浆泵送到平台上。

（2）井筒环空返回泥浆与泥线以上低密度钻井液的分离，一般通过专门的分离装置实现此目的，此装置下接防喷器上接隔水管。

（3）低密度钻井液进入泥线以上隔水管环空，一般通过平台上的专门泥浆泵将低密度钻井液从海底处的基液入口点泵入隔水管环空。

（4）泥浆与岩屑混合物进入海底泵前的处理问题，为了防止岩屑对海底泵的破坏，必须将大的岩屑提前破碎，并分离出来，这又会遇到另一个问题，就是海水的污染，此问题尚需更完善的方法解决。

（5）平台上泥浆的分离处理，泥浆从井筒返回到平台上要进行一系列处理，包括固相处理、气体分离等，利用空心微球技术时还要进行空心球的分离，分离后还要重新生成重钻井液进入钻杆，低密度钻井液进入隔水管环空。

（6）双梯度钻井的专门设备研究，需要进行专门设备的研究以更好地适应双梯度钻井。

（7）海底泵位于海床上，要承受海流与海水腐蚀的作用，因此，海底泵的定位、稳定性、耐腐蚀性以及密封性的问题都要考虑。

海底泵的动力问题也要考虑。

（8）泥浆返回的旁路管线的受力问题要建立数学模型进行分析。

（9）双梯度钻井一般都应用于深水钻井，因此会遇到一系列与深水有关的问题，例如，高压、低温、天然气水合物等，因此要对深水的相关问题进行研究，防止设备的破坏以及项目的失败。

5双梯度钻井技术总结

双梯度钻井技术是一种海上控制压力钻井技术，于上世纪60年代提出，90年代开始发展，目前仍在继续完善中。

双梯度钻井能够解决深水钻井的一系列问题，例如，保持钻机稳定性、防止隔水管脱扣、地层孔隙压力与地层破裂压力窗口小，难于控制钻井液密度、海底的不稳定性等。

而且该技术还可以减少套管使用量，简化井身结构，减少非作业时间，提高效率，降低钻井作业成本，因此受到了国内外石油公司的关注。

目前，对双梯度钻井技术工艺设备的研究主要在国外，而且国外一些公司与石油院校合作开发了一系列双梯度钻井的配套设备，并进行了室内与现场试验，取得了一系列的成果和经验，为双梯度钻井技术的发展提供了强大的动力。

但国外先进的技术向来是对我国进行封锁的，因此我们不能等待别人送我们技术，我们要积极自主地去研究，去创造。

现在国内双梯度钻井的研究也在热烈地进行中，各石油院校、油田研究所、石油公司都在努力进行技术调研以及装备的研发，并取得了一些成果。

我国的海上石油开发的目标是立足于近海大陆架，积极拓展深水领域。

不久的将来我们将挥师南海，进行南海深水油气的开发，而双梯度钻井技术正是深水开发的专门技术。

在理论上，它没有水深的限制，因此，我们更需要对其进行研究。

建议各石油院校联合成立专门的研究小组与国内石油公司、研究院所进行合作，对双梯度钻井技术进行调研，依据我国南海的实际情况对其工艺进行研究，开发适宜于我国深水环境的双梯度钻井的专门配套设备。

而且，可以对该项技术的创新提出悬赏，这样就会凝聚很多力量，我们钻井技术就会产生飞跃。