双梯度钻井技术.doc

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）方式 (Dual Gradient Drilling)是一种非传统钻井方式，它利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，维持钻机稳固性、避免隔水管脱扣、地层孔隙压力与地层破裂压力窗口小，难于操纵钻井液密度、海底的不稳固性、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取得了快速进 展，取得了一系列功效1）双梯度钻井的原理[30]双梯度钻井是一种操纵压力钻井技术，该技术的要紧思想是：隔水管内充满海水 (或不利用隔水管 )，采纳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维持双密度钻井液体系，有效操纵井眼环空压力，克服深水钻井碰到的问题，实现平安、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：pCD=0.0098rCDHTVD(3-1)式中pCD——常规钻井井底压力，Mpa；HTVD——井总垂直深度，m；rCD——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，而从海底到井底那么为高密度的钻井液井底压力表 示为：pDGD=0.0098 r H +0.0098 rw wDGD(HTVD-HW)(3-2)式中pDGD——DGD 井底压力，Mpa；Hw——水深，m；rw——海水密度，g/cm3；rDGD——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，因此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纳 DGD 方式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如此一方面能够 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，从而能够减少套管柱利用的数量、利用小的钻井船， 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照图 3-2 双梯度钻井原理图[31]（2）双梯度钻井的优势[32] [33]①减少了套管数量，能够节省 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，采纳双梯度钻井技术能够将建井周期缩短约 65%，每口井 可节约钻井本钱 500 万-1500 万美元；②增加了调剂钻井液密度的窗口，能够降低钻井液的漏失；③提高了工作效率，通过利用标准计量孔钻井技术（例如，旋转导向和多边 技术）能够明显降低非作业时刻；④钻穿产油层时能够维持大井眼钻进，实现快速、大油管完井；⑤对环境阻碍减少立管内再也不充满泥浆，因此，当显现紧急状况要进行 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、外受力平稳，而且可幸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太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 术相较，能够用更小、更廉价的钻井设备钻更深的深水井，能够采纳 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平安，显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，使本钱降 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，在必然程度上会增加钻井本钱；②相关技术不成熟，会带来必然的作业风险；③检测和处置井涌会有一些困难，会显现井控等平安方面的问题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 年代快速进展的一项技术 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、Deep Vision 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式要紧有 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、Transocean Sedco Forex 公司、壳牌石油公司、毛勒技术公司、AGR Subsea 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 SMD JIP 研发海底泥浆举升钻井系统，SMD JIP 是唯一进 行全尺寸海上实验的双梯度钻井系统，SMD JIP 利用平台“Diamond New Era”， 于 2001 年 8 月 24 日至 2001 年 10 月 14 日在墨西哥湾绿峡 136 区块进行海上实 验，目前已投入工业应用。

DeepVision JIP 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操纵系统在内的关键设备的室内实验 Shell 公司海底泵系统的研究于 1996 年启动，项目于 2002 年下半年进入应历时 期挪威 AGR Subsea 公司开发的无隔水管钻井液回收(RMR)系统，取得 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 West Azeri 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 稳 钻 井 产 品 的 开 发 与 实 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)一起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时期中国石油大学 （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踊跃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。

我国石油勘探开发最近几年将挥师南海，南海深水石油的勘探开发将会碰 到一系列的问题因此，此刻咱们要尽力学习、研究国外先进的深水钻井技术， 并踊跃进行自主创新，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）双梯度钻井实现方式目前实现双梯度钻井的方式要紧有 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形如图 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(或不利用隔水管)，采纳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，有效操纵海 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，实现平安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 双梯度钻井方式分类②无隔水管钻井无隔水管 DGD 钻井技术要紧应用在深水环境中，一样用来钻深水上部井眼 所利用的设备有：水下旋转操纵设备(SSRCD)和远程操纵设备(ROV)远程操纵 设备 (ROV)又称水下机械人，能够通过调剂泥线上的节流阀来调剂回压。

若是 ROV 关闭了水下节流阀，那么井底压力(BHP)将增加这将致使钻井进程处于轻 微过平稳状态若是利用海水钻进，那么返出的海水和岩屑就能够够直接排到海 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 , 依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[30]种方式双密度钻井方式需要隔水管，无需利用海底泵，大大地减少海底装 置的数量目前要紧研究的项目有：隔水管气举(注气)方案(riser gaslift)(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 3-5 Maurer 注空心玻璃球系统（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(或通过升级改造)，系统需要开发的关键设备和装置包括：套管阀、钻 柱阀、固相处置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，钻井液通过钻杆、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，钻井液进入固相处置装置固相处置装置处置包括岩屑在内的所有直 径大于 40mm 的固相颗粒，处置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 池在该钻井方式中，充满海水的隔水管能够对钻柱进行导向或在紧急情形下备 用，使得能够转换到常规钻井方式依照系统的硬件设备、水深、循环速度和其 它意外情形，可利用多路回流管线和其它的设备SMD 系统采纳井控程序 HAZOP 分析为系统提供平安保证，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用意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 系统应用了持续管钻井技术，海底利用国民油井公司（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 不被破坏依照水深和泵的扬程的需要，Dee。