深水雙梯度鉆井技術(shù)分類及其研究進(jìn)展

韓天旺,2，蔣宏偉，楊 光

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

20世紀(jì)70年代末期，世界油氣勘探開(kāi)始涉足深水海域。隨著不斷擴(kuò)大的能源需求以及陸上可開(kāi)發(fā)能源的逐漸減少，海洋深水盆地的油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷升溫。海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)已成為當(dāng)今世界油氣資源開(kāi)發(fā)的重要方向[1-2]。

在深水鉆井過(guò)程中，因水深、地質(zhì)情況復(fù)雜、安全密度窗口狹窄等客觀因素，給井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水下鉆進(jìn)、井控等帶來(lái)了諸多難題。其中，由于地層壓力和地層破裂壓力之間的安全余量小、兩者形成的安全窗口狹窄，給深水鉆井帶來(lái)諸多不利因素[3]。就井控方面而言，鉆井液密度過(guò)小，將造成溢流；密度太大，可能會(huì)造成地層破裂、坍塌，從而出現(xiàn)卡鉆、鉆井液漏失等問(wèn)題。通常采用增加套管層次來(lái)解決。但是，由于井眼尺寸要求及開(kāi)發(fā)效益的要求，套管層次并不能無(wú)限制的增加，使得深水鉆井難度增加[4-5]。

針對(duì)窄安全密度窗口這一難題，國(guó)外最先提出雙梯度鉆井(Dual Gradient Drilling)的理念。目前，國(guó)外已發(fā)展多個(gè)雙梯度鉆井系統(tǒng)，并成功進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。以海底舉升為代表的有：大陸石油公司研究出的SMD系統(tǒng)，殼牌石油公司研究的SSPS系統(tǒng)，MTI和LSU研究出的以注低密度介質(zhì)原理為核心相關(guān)雙梯度鉆井系統(tǒng)等。國(guó)外的商業(yè)應(yīng)用表明，采用雙梯度鉆井能夠較好地解決窄密度窗口的難題，同時(shí)可以減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生，簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)，能夠更加經(jīng)濟(jì)、安全進(jìn)行深水鉆井作業(yè)[6]。

1 雙梯度鉆井技術(shù)基本原理

雙梯度鉆井技術(shù)屬于控壓鉆井技術(shù)的一種，其技術(shù)及裝備在21世紀(jì)初投入商業(yè)應(yīng)用。其核心思想是采用一定技術(shù)手段使得鉆井井口至海底、海底至鉆頭兩井段實(shí)現(xiàn)不同的壓力梯度[7]。

在傳統(tǒng)深水鉆井過(guò)程中，井眼只產(chǎn)生單一壓力梯度，即由鉆井平臺(tái)至井底的井底壓力，其可表示為:

p=0.009 8ρpHA

(1)

式中：p為傳統(tǒng)鉆井的井底壓力，MPa；ρp為鉆井液密度，g/cm3；HA為井垂深，m。

在雙梯度鉆井條件下，井口至泥線井段隔水管內(nèi)流體密度可以減小到與其等深的海水密度(或相近)，即從海底到井底井段為鉆井液，而由海底泥線到水面井段則為與海水密度相當(dāng)?shù)膬上嗷蛉嗔黧w。流體在回返過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同的壓力梯度，在此條件下井底壓力表示為:

pp=0.009 8[ρsHs+ρp(HA-Hs)]

(2)

式中：pp為雙梯度鉆井的井底壓力，MPa；ρs為海水密度，g/cm3；ρp為鉆井液密度，g/cm3；Hs為水深，m。

常規(guī)鉆井技術(shù)中地層壓力、地層破裂壓力和泥漿柱壓力梯度以海水面(鉆井平臺(tái))為參考點(diǎn)。雙梯度鉆井技術(shù)的核心是采取某種方法，讓等尺寸的井眼中同時(shí)存在兩個(gè)不同液柱壓力梯度，即從海水面(平臺(tái))到海底是一梯度而海底到井底為另一梯度[8-9]。這樣使得井內(nèi)環(huán)空中的流體與海水密度相同或相近，原來(lái)采用常規(guī)鉆井的壓力梯度的參考點(diǎn)由水面變?yōu)楹５祝喈?dāng)于常規(guī)陸上鉆井，使得原本狹小的地層破裂壓力和地層壓力之間區(qū)間相對(duì)變大。在采用雙梯度鉆井液系統(tǒng)條件下，使得鉆井液密度窗口變大，這樣一來(lái)深水鉆井遇到的窄安全密度窗口便迎刃而解，同時(shí)還可以減少其相關(guān)的一系列問(wèn)題，減少套管層次，實(shí)現(xiàn)更為高效、安全深水資源的開(kāi)發(fā)。常規(guī)鉆井與雙梯度鉆井的壓力平衡原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)鉆井與雙梯度鉆井的壓力平衡原理對(duì)比

由于海底復(fù)雜的地質(zhì)條件，地層破裂壓力和地層壓力均不為線性變化，且二者之間的區(qū)間狹小，而鉆進(jìn)過(guò)程鉆井液密度梯度要維持在二者之間，這也是產(chǎn)生窄安全密度窗口問(wèn)題的原因。如圖2所示。常規(guī)深水鉆井條件下，鉆井液的靜水壓力梯度曲線是從鉆井平臺(tái)為起點(diǎn)與垂直深度成線性關(guān)系。采用雙梯度鉆井技術(shù)后，鉆井液靜水壓力曲線起點(diǎn)變成以海底泥線為始點(diǎn)，由于后者直線斜率相對(duì)原來(lái)變大，相對(duì)增大了安全密度窗口的安全余量。這樣一來(lái)，簡(jiǎn)化了套管層次，同時(shí)減少鉆井過(guò)程由此產(chǎn)生的相關(guān)技術(shù)難題，節(jié)約了鉆井成本[10-12]。

圖2 兩種鉆井條件下鉆井液壓力梯度示意

2 雙梯度鉆井技術(shù)分類及應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井的方法主要有3種：①海底泵舉升鉆井液；②無(wú)隔水管CAML鉆井；③注低密度介質(zhì)。主要的雙梯度鉆井系統(tǒng)如圖3所示。其中，各方法下又可按不同基準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)分，如海底泵舉升方法可按泵的類別、動(dòng)力、井下處理用途進(jìn)行分類。注低密度介質(zhì)方法按注入介質(zhì)類型又分為:注空心微球法、注氣法和注低密度液體法。也可按其實(shí)現(xiàn)雙梯度能力、應(yīng)用井段、注入方式進(jìn)行分類等。另外，不同方法也可結(jié)合使用[13-14]。

圖3 雙梯度鉆井技術(shù)分類

2.1 雙梯度鉆井技術(shù)工業(yè)應(yīng)用

2.1.1 海底泵方案

該方案實(shí)現(xiàn)雙梯度的原理是通過(guò)在海底或適當(dāng)深度安裝海底泵，由海底泵提供動(dòng)力將海底泥線到鉆頭的井段的鉆井液舉升至海底泥線處，而后使用小直徑管線直接將鉆井液舉升到鉆井平臺(tái)。因此，回返的鉆井液不需要通過(guò)隔水管環(huán)空，隔水管內(nèi)流體為海水。目前，采用該方案研制出的典型系統(tǒng)包括：Shell公司的系統(tǒng)(SSPS)，Baker-Transocean聯(lián)合研制的雙梯度鉆井系統(tǒng)(DeepVision)，Conoco研究的海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)(SMD)[15]。

1) Shell公司的“SSPS”海底泵系統(tǒng)項(xiàng)目歷時(shí)5 a完成。于20世紀(jì)初進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。該系統(tǒng)在海底采用6臺(tái)電潛泵以串聯(lián)方式組成動(dòng)力系統(tǒng)核心的裝置，通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)把“初步處理后”的攜巖鉆井液通過(guò)回返管線送至鉆井平臺(tái)。SSPS系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)了水下固相處理模塊，經(jīng)該模塊處理可使回返的鉆井液中固相顆粒少于1%，使系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能得到保證[15]。針對(duì)井下壓力控制問(wèn)題，“SSPS”為井控壓井設(shè)計(jì)了水下泥漿氣體分離設(shè)備，但是該系統(tǒng)將大的巖屑排放到海底，因此系統(tǒng)涉及的環(huán)保問(wèn)題，在一定程度上限制了其使用。

2) Conoco海底泥漿舉升泵系統(tǒng)(SMD)是唯一進(jìn)行了全尺寸海上實(shí)驗(yàn)的雙梯度鉆井系統(tǒng)，于20世紀(jì)初在墨西哥灣136個(gè)區(qū)塊進(jìn)行作業(yè)測(cè)試，其推出后在業(yè)內(nèi)市場(chǎng)一度領(lǐng)先[16]。其原理如圖4所示。

圖4 SMD系統(tǒng)原理示意

3) DeepVision系統(tǒng)也是采用海底泵舉升思想實(shí)現(xiàn)雙梯度的另一典型方案。該系統(tǒng)在裝備組成上與SSPS系統(tǒng)相近，最大區(qū)別在于DeepVision系統(tǒng)首次將連續(xù)管鉆井技術(shù)引入雙梯度鉆井系統(tǒng)中，大幅提高了其深水鉆井作業(yè)效率。另外，固相處理方面，該系統(tǒng)采用電動(dòng)離心泵，并利用其扇葉粉碎大的固相顆粒，通過(guò)地面固相裝備處理，系統(tǒng)通過(guò)離心泵模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井底壓力自動(dòng)化控制[17]。

海底泵方案是雙梯度鉆井實(shí)現(xiàn)的最為普遍的方式之一，各海外石油公司在20世紀(jì)初基本實(shí)現(xiàn)規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，市場(chǎng)占有率居前列。其智能化程度更高，尤其體現(xiàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，配備有井下壓力控制模塊。由于受海洋環(huán)保方面的限制，正在向“綠色化”、“智能化”、“安全化”的方向發(fā)展。

2.1.2 無(wú)隔水管方案

無(wú)隔水管方案由挪威AGR公司最早采用，其開(kāi)發(fā)出無(wú)隔水管鉆井液回收系統(tǒng)(RMR)。該系統(tǒng)在鉆上部井眼時(shí)使用重的抑制性鉆井液，通過(guò)處理返回的鉆井液，使得上部井眼的鉆井液可以二次利用。RMR系統(tǒng)包括:海底動(dòng)力系統(tǒng)，鉆井液處理系統(tǒng)，水下控制系統(tǒng)，回流管線系統(tǒng)，事故應(yīng)急處理系統(tǒng)等。

控制鉆井液液面高度(Controlled Annular Mud Level)鉆井技術(shù)是無(wú)隔水管鉆井技術(shù)的延伸技術(shù)。該系統(tǒng)主要由海底動(dòng)力系統(tǒng)、鉆井液處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。通過(guò)調(diào)節(jié)隔水管上部鉆井液液面高度，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液的閉路循環(huán)及對(duì)井底壓力的精確控制。該系統(tǒng)已在黑海West Azeri油田區(qū)塊商業(yè)應(yīng)用，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益[18]。

2.1.3 注低密度介質(zhì)方案

該技術(shù)核心思想主要是從海底處向隔水管內(nèi)注入低密度介質(zhì)，使得隔水管環(huán)空中鉆井液的密度降至與海水密度相近或相同，從而達(dá)到平臺(tái)到泥線段、泥線到井底段形成兩個(gè)壓力梯度。目前，相關(guān)系統(tǒng)包括：隔水管氣舉(注氣)系統(tǒng)(LSU-BR)和Maurer注空心球(HGS)系統(tǒng)[19]

1) LSU-BR隔水管氣舉雙梯度鉆井系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由LSU和BR共同研究。系統(tǒng)核心思想是從海底處向隔水管內(nèi)注入氣體或混合氣體，達(dá)到降低隔水管環(huán)空泥漿密度的目的。系統(tǒng)通過(guò)地面氣體處理裝備將處理后氣體經(jīng)壓縮后通過(guò)管線注入至海底隔水管的底部，這樣一來(lái)原攜巖兩相流體變成氣液固三相混合流體密度，由于氣體舉升及稀釋作用實(shí)現(xiàn)雙梯度。于2007年進(jìn)行隔水管氣舉系統(tǒng)(如圖5)實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井的可行性研究及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。目前，該系統(tǒng)已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，但由于其降低密度效果有限，且不能很好符合理論的雙梯度曲線，以及控制海底壓力方面的不足，使其使用規(guī)模極為有限。

圖5 LSU隔水管氣舉雙梯度鉆井系統(tǒng)

2) DGS隔水管稀釋系統(tǒng)。

De Boer等人研究的DGS隔水管稀釋系統(tǒng)(如圖6)與隔水管氣舉原理相似，不同點(diǎn)在于該系統(tǒng)將氣體替換成了鉆井基液或鉆井基液乳化劑。注入的方式分為從泥線下注入、從海底處注入。系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)基液的注入速率來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)空混合流體密度降低，實(shí)現(xiàn)雙梯度條件下鉆進(jìn)[20]。

現(xiàn)投入商業(yè)應(yīng)用的DGS系統(tǒng)主要使用油基鉆井液，通過(guò)平臺(tái)離心分離固相處理。該系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)在于，一部分老式鉆井平臺(tái)僅需要很少的改造便可應(yīng)用該系統(tǒng)。

3) MTI空心微球雙梯度鉆井系統(tǒng)。

Maurer等人針對(duì)低密度介質(zhì)進(jìn)行了研究，最終采用了優(yōu)勢(shì)明顯的空心球，并由此研究出成本更低MTI系統(tǒng)?？招那?可以為各種材料)與鉆井液混合，通過(guò)管線泵自海底處注入環(huán)空，由于空心球內(nèi)皆為空氣，使得原流體密度變小。該辦法與上述兩種技術(shù)原理相似，其特點(diǎn)是中空球具有不可壓縮性以及由此產(chǎn)生的線性壓力梯度更好貼合雙梯度鉆井原理的理想曲線。系統(tǒng)在600～1 500 m中等深度水深中有較好的應(yīng)用前景[21]。系統(tǒng)原理如圖7所示。

1—鉆井船；2—隔水管；3—鉆桿；4—注入管線；5—注入管線；6—換向閥；7—注入管線；8—海水；9—BOP；10—套管頭；11—海底；12—地層；13—井眼；14—鉆柱；15—鉆頭。

圖7 Maurer空心微球雙梯度鉆井系統(tǒng)

2.2 雙梯度鉆井技術(shù)方案評(píng)價(jià)

綜合各種實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井方案，各系統(tǒng)在裝備要求、實(shí)現(xiàn)原理，實(shí)現(xiàn)雙梯度能力以及應(yīng)用條件等方面都有區(qū)別，各技術(shù)方案評(píng)價(jià)如下：

1) 海底泵舉升鉆井液方案是實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井最成熟的方案，而且實(shí)現(xiàn)雙梯度的能力強(qiáng)，適用范圍最廣。但是，該技術(shù)成本相對(duì)較高，技術(shù)要求較高，并有環(huán)保處理的問(wèn)題。

2) RMR系統(tǒng)已在里海海域區(qū)塊進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)其作業(yè)水深已從450 m增至700～800 m，每口井成本降低20%～30%。CAML方案是由無(wú)隔水管發(fā)展來(lái)的技術(shù)，其核心是控制液面高度來(lái)控制環(huán)空壓力，其裝備系統(tǒng)核心在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與自動(dòng)節(jié)流管匯控制系統(tǒng)。

3) 隔水管氣舉方法使用常規(guī)鉆井的設(shè)備，只是增加了氣體注入模塊，其降低成本可達(dá)50%。該技術(shù)遇到的主要問(wèn)題是:壓縮氣體制取成本較高，氣體分離再利用問(wèn)題，氣體注入控制實(shí)現(xiàn)線性梯度程度不理想(相較于海底泵舉升技術(shù))；隔水管稀釋技術(shù)和注空心微球方法，系統(tǒng)所需要能量較小，但該技術(shù)有效降低泥漿密度的能力有限，注低密度介質(zhì)方案的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)優(yōu)于海底泵方案。

2.3 國(guó)內(nèi)雙梯度鉆井技術(shù)研究

雙梯度鉆井技術(shù)的研究在我國(guó)還處于發(fā)展階段，已建立部分相關(guān)理論體系，但仍存在相關(guān)核心設(shè)備研制的技術(shù)短板。目前研究方向已從主要跟進(jìn)國(guó)外先進(jìn)裝備方案階段轉(zhuǎn)向立足自主創(chuàng)新，以期實(shí)現(xiàn)與國(guó)際并行至引領(lǐng)的目標(biāo)，最后形成我國(guó)特有的雙梯度鉆井理論研究體系，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水雙梯度鉆井技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一“卡脖子”技術(shù)的突破[22-24]。中國(guó)石油大學(xué)(華東)的殷志明、陳國(guó)明以及中海石油研究中心目前已初步建立注空心球系統(tǒng)的理論體系，并研發(fā)出相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備。中國(guó)石油大學(xué)(北京)的張輝也申請(qǐng)了雙梯度鉆井設(shè)備相關(guān)專利，部分裝備已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但總體技術(shù)水平與國(guó)外相比仍有差距。

目前，中海油已實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用，但主要核心裝備仍依賴進(jìn)口。我國(guó)制定的重點(diǎn)研究計(jì)劃中便包含“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)。近年來(lái)，我國(guó)雙梯度鉆井技術(shù)的研究不斷升溫，2018-10-31，由西南石油大學(xué)牽頭承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)“雙梯度鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)在成都召開(kāi)，標(biāo)志著項(xiàng)目研究工作全面啟動(dòng)。這為我國(guó)雙梯度鉆井技術(shù)提供良好的發(fā)展環(huán)境，相信未來(lái)我國(guó)雙梯度鉆井技術(shù)方面可以實(shí)現(xiàn)由追趕到并行引領(lǐng)的跨越。

2.4 雙梯度鉆井技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

雙梯度鉆井技術(shù)很好地解決深水鉆井遇到的“窄密度窗口”難題，同時(shí)成本更低，可以減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生，是深海鉆井技術(shù)里程碑式的進(jìn)展。與常規(guī)深水鉆井技術(shù)相比，以上各技術(shù)方案均具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 相對(duì)增大了地層壓力與地層破裂壓力之間的安全窗口，同時(shí)解決了由此帶來(lái)的一系列相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

2) 優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，減少套管層次，提高了鉆井作業(yè)效率，從而縮短建井周期，降低鉆井成本[25]。(如圖8所示)。

圖8 雙梯度鉆井高效的完井方法

3) 因采用雙梯度鉆井，隔水管內(nèi)外介質(zhì)密度相當(dāng)，因此使得隔水導(dǎo)管內(nèi)、外受力平衡，并且由于隔水管內(nèi)流體密度的降低，因此增加了其攜巖能力，相對(duì)增加了隔水管的可靠性，大幅降低事故發(fā)生的可能性及對(duì)海洋環(huán)境污染的可能。

4) 對(duì)水深沒(méi)有理論方面的限制，可應(yīng)用于深水和超深水鉆井，某些方案僅需對(duì)原有設(shè)備稍加改造便可投入應(yīng)用，這使得其應(yīng)用前景廣闊[26-27]。

雙梯度鉆井技術(shù)在某些方面也存在局限:

雙梯度鉆井系統(tǒng)技術(shù)對(duì)操作與核心裝備要求較高，其檢測(cè)與處理井下復(fù)雜情況能力有限，因此存在一定風(fēng)險(xiǎn)。隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，雙梯度鉆井應(yīng)用條件也遇到一定的挑戰(zhàn)[28-39]。但是，相比于常規(guī)深水鉆井，雙梯度鉆井技術(shù)其優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于其局限。

3 結(jié)論

1) 相比于常規(guī)深水鉆井技術(shù)，采用雙梯度鉆井技術(shù)能更好地解決深水鉆井中所遇到的窄安全密度窗口的難題，同時(shí)減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，可大幅節(jié)約深水鉆井的時(shí)間及鉆井成本，使得深水油氣勘探的開(kāi)發(fā)更加安全高效[30-31]。

2) 目前，雙梯度鉆井技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成為一項(xiàng)成熟的深水鉆井開(kāi)發(fā)技術(shù)。我國(guó)雖實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但核心裝備仍依賴進(jìn)口，并且基礎(chǔ)理論研究尚未完善。隨著我國(guó)能源對(duì)外依賴度不斷提高，而我國(guó)內(nèi)陸諸多油田已處于開(kāi)發(fā)后期，海洋油氣的開(kāi)發(fā)顯得愈加重要，因而能實(shí)現(xiàn)高效鉆井開(kāi)發(fā)深水油氣資源的雙梯度鉆井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用尤為重要。

3) 為了使雙梯度鉆井技術(shù)更好地為中國(guó)深水能源開(kāi)發(fā)服務(wù)，我國(guó)應(yīng)繼續(xù)加大雙梯度鉆井技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)選，攻克各種技術(shù)方案關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)投入相關(guān)核心設(shè)備的研制。建立完整基礎(chǔ)技術(shù)理論體系，研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水雙梯度鉆井技術(shù)體系和裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一領(lǐng)域的突破，為我國(guó)深水資源的勘探和開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障。