深水双梯度钻井方法研究

徐 勇, 宋庆甲

深水双梯度钻井方法研究

徐 勇1, 宋庆甲2

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318； 2. 北京市昌平一中，北京 102200）

世界深海油气资源充足，但对深水油气的开发还不是十分完善。本文研究了国外采用的深水双梯度钻井技术，详细阐述了它的技术方法、工作原理以及这些年来开发的系统。双梯度钻井系统相对于常规钻井，它的优势是建井周期短、操作更安全、生产成本低、产量高。双梯度钻井技术可以为我国南海油气的开发提供技术保障，对我国的深水开发具有指导意义。

双梯度；深水；钻井；开发

随着世界工业的快速发展，能源问题日益严峻。我国是能源消耗大国，国民经济的迅猛发展，对石油天然气的需求日益增大，深水油气资源的开发已经成为热点，国内外都在进行积极尝试[3]。但相对于陆地和浅海钻井，深海钻井所面临的难度十分巨大。深海环境复杂，海底钻井压力难以控制，隔水套管承受载荷过大容易脱扣，钻井液难以在海底环境下得到有效控制，这一系列因素严重影响深海钻井。早在1960年双梯度钻井技术就被提出，在随后的几十年里，该技术得到良好的发展，双梯度钻井技术可以很好解决深海钻井所遇到的问题[1]。

1 双梯度钻井方法

目前经常使用的是单梯度钻井方法，在单梯度钻井方法中，每一个井眼里面存在一个由井底到地面的钻井液柱所产生的液柱梯度值。而双梯度钻井方法则不同，一共分为两个部分：由井底往上到海底，此段由钻井液填充；而海底到海面这段，则有海水填充[1]。具体示意图见图1。

图1 双梯度钻井技术海底上的环空无钻井液

由图1分析可知，单梯度钻井系统中，地面是钻井液柱压力的参考点，而双梯度钻井方法的两段液柱压力设计，使得孔隙压力和液柱压力是以海底为参考点。由于这样的设计，使得破裂压力和孔隙压力的调控范围变宽，双梯度钻井相对于单梯度钻井有更好的可操作性[2]。压力示意图如2。

从井身设计的角度来说，双梯度钻井减少了技术套管的使用，从而整套工艺的实施时间大幅度缩减，施工费用减少。

图2 钻井液压力梯度从地面算起与钻井液压力梯度从海底算起对比图

在双梯度钻井方法中，海底以上的隔水套管由海水填充，使得隔水套管内外压差相近，这样降低了隔水导管的剪切应力，从而提高了钻井的钻探能力。利用双梯度钻井方法，可以有效配合使用现有的钻井设备，在深水区里面安全的操作，在经济上减小输出，产量上可以进一步提高。

2 深水双梯度钻井的原理

单梯度钻井只有一个液柱压力梯度，这个压力梯度是由井底到海面之间的钻井液液柱压力所提供的。排除温度，压力的影响，单梯度钻井技术的井底压力为：

P=ρg D×10-3（1）

式中：P——常规钻井井底压力，MPa；

ρ——常规钻井采用的钻井液密度，g／cm3；

——重力加速度，m／s2(通常为9.8)；

——井眼总垂直深度，m。

双梯度钻井技术中，井底压力由两部分组成：井底到海底这段液柱压力是由钻井液所提供，海底到海面的压力由海水提供。井底压力表示为

P=[ρgH+ρg(-)]×10-3（2）

式中：P——DGD井底压力，MPa；

ρ——海水密度，g／cm3；

——水深，m；

ρ——DGD钻井液密度，g／cm3；

——井总垂直深度，m。

工程计算中，一般视ρ、ρ为常数，但要考虑温度和压力的影响，海水的密度与温度、深度有关。而钻井液的密度随着温度和深度的变化，也会有所改变。

图3 双梯度钻井井底压力计算模型

图4显示的是单梯度钻井和双梯度钻井的静水压力。海底的特殊的构造环境致使地层破裂压力和地层压力非常接近，钻井的关键就是将钻井压力维持在它们中间。常规的单梯度钻井的静水压力曲线是一条斜线，如图所示，这条斜线很容易穿过地层压力和破裂压力所包围的区域，操作难度非常大。而双梯度钻井方法的设计，井底以上的压力由两部分组成，使得海底以上的环空压力减小，它的静水压力曲线相对于单梯度钻井方法来说，更大程度上的穿越地层压力和破裂压力之间的间隙，这样有利于安全有效的钻进。

图4 双梯度静水力学梯度

3 国外双梯度钻井系统

3.1 Shell公司海底泵系统

Shell公司于1996年启动的SSPS项目，总共分为四期，该项目由Shell、Kongsberg、FMC等公司共同参与[4，5]。

SSPS的原理方面和SMD和Deep Vision大相径庭。其特点是使用6台电潜泵，这些电潜泵是相互串联的，这样有足够大的动力把钻井液输到海面。该系统安装了水下固相处理装置，这套装置的主要工作是将钻井液中较大的岩屑沉积在海底，在钻井液还没有进去电潜泵之前，粉碎外径大于6 mm的钻屑，从而将返回的钻井液当中的岩屑含量降低到1%以内。SSPS的设计增加了系统操作时候的可靠性，缺点是大量的岩屑沉于海底会污染海洋环境，破坏海底的生态系统，因此近些年来它的使用逐渐减少。

3.2 AGR公司海底RMR系统

RMR系统的硬件组成海底泵和马达模块，吸入和对中模块，下方控制工具及密封装置，海底控制舱，回流管线系统等，它的特点是采用重的抑制性钻井液钻开上部井眼，回收裸眼井段的返回物，上部井眼的钻井液循环使用，减少井眼的清洗，稳定性增加[6，7]。

3.3 Maurer公司空心微球双梯度钻井系统

空心微球双梯度钻进系统的关键是采用空心微球降低隔水套管内钻井液的密度。

在进行注入钻井液的时候，可以通过控制空心微球的注入量、空心微球的材质来控制钻井液的密度，减少套损。该项目是由美国能源部开展的，已经进行了大量的实验研究，研发出了多种注入装置[8]。

4 结论及展望

双梯度钻井技术的产生和发展是其自身的技术优势与钻井工业发展的需要有机结合的必然。与常规钻井方法相比，双梯度钻井井眼压力很好地匹配地层孔隙压力和破裂压力之间的间隙，可优化井身结构设计。总之，双梯度钻井技术具有良好的经济效益和工业实用价值，预期将在未来的深水与超深水油气开发中得到广泛应用。进行双梯度钻井基础理论的研究，分析双梯度钻井钻井液密度的可调范围是我们未来的研究方向。

［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］毛雷尔W C,小梅德利G H,麦克唐纳W J.多梯度钻井方法和系统[P].中国专利: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，硕士研究生，湖北省黄冈市人，研究方向：提高石油采收率原理及技术。