隔水管注氣雙梯度鉆井井筒參數(shù)計(jì)算研究*

毛良杰，張孝誠(chéng)，薛繼彪，詹 寧，劉 君

（1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500；3.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，烏魯木齊 830000；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田 第二采油廠，甘肅 慶陽 745100）

引 言

隨著石油資源需求的增長(zhǎng)，尋找新的資源勘探開發(fā)區(qū)域勢(shì)在必行，深水海洋油氣資源儲(chǔ)量巨大，可以滿足大規(guī)模生產(chǎn)勘探開發(fā)要求[1].但是，由于海底沉積物疏松和海水液柱壓力的影響，在深水鉆井過程中地層壓力和破裂壓力之間余量較小，存在鉆井安全密度窗口窄的問題[2].雙梯度鉆井可以很好應(yīng)對(duì)深水鉆井密度窗口窄的問題，其原理為通過一定方式使泥線以上環(huán)空內(nèi)液體密度與海水相近，泥線以下地層環(huán)空為鉆井液密度，從而使泥線以上海水段壓力梯度與泥線以下環(huán)空壓力梯度不連續(xù)，即形成雙梯度[3-5]，它的井底壓力比常規(guī)鉆井低，能夠更好地控制井筒壓力.

目前實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井方案有海底泵舉升鉆井、雙密度鉆井、無隔水管鉆井三種主要方式[6-8].近年來，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究：Lopes 等[9-10]通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)向隔水管環(huán)空中注入氣體來降低井底壓力的可行性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，通過向隔水管注入氣體，可大幅降低井底壓力，且此種方法能夠顯著減少鉆井所需套管柱數(shù)量，大幅降低鉆井成本.蘇鵬等[11]對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井過程中環(huán)空內(nèi)氣體運(yùn)移過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究表明高速流動(dòng)的鉆井液能夠消除單個(gè)氣泡形成更加分散的氣泡體系.殷志明等[12-13]建立了深水雙梯度鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化程序，研究發(fā)現(xiàn)深水雙梯度技術(shù)可以大幅度降低鉆井費(fèi)用.馬永乾等[14]建立了深水隔水管注氣雙梯度鉆井環(huán)空溫度場(chǎng)模型，模擬結(jié)果表明，由于環(huán)空流體存在不同流體流型，環(huán)空傳熱呈現(xiàn)出不同傳熱規(guī)律，注入的氣體僅對(duì)上部有氣體的環(huán)空造成影響.楊小剛[15]和黃偉等[16]建立了深水鉆井環(huán)空多相流計(jì)算模型，研究了海洋隔水管注氣鉆井環(huán)空含氣率的分布規(guī)律.苗典遠(yuǎn)[17]建立了隔水管注氣鉆井注氣量計(jì)算模型，并對(duì)隔水管注氣鉆井注氣量的影響因素進(jìn)行了分析，研究表明鉆井液密度、水深以及井口回壓等參數(shù)對(duì)注氣量影響較大.Stanislawek 和Smith[18]對(duì)雙密度深水鉆井井控方法進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段隔水管注氣雙梯度鉆井井涌檢測(cè)主要是觀察井口泥漿增量和井口流量變化，但井口流量的變化無法判斷是否發(fā)生井涌.甘火華[19]建立了深水隔水管注氣鉆井與熱力學(xué)耦合的壓降模型，模擬發(fā)現(xiàn)隔水管注氣雙梯度鉆井注氣段隔水管環(huán)空壓力較小.

從目前的研究情況看，現(xiàn)有研究主要是實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井的鉆井方法和討論隔水管注氣雙梯度鉆井井控方法，對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井井筒參數(shù)計(jì)算分析較少.本文建立了隔水管注氣雙梯度鉆井井筒流動(dòng)多相流模型，采用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行求解，結(jié)合墨西哥灣某口深水井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析注氣流量、鉆井液密度和鉆井液排量等影響因素下井底壓力和環(huán)空壓力的變化規(guī)律，并對(duì)影響注氣流量的因素進(jìn)行了討論，對(duì)合理設(shè)計(jì)隔水管注氣雙梯度鉆井工藝具有指導(dǎo)意義.

1 隔水管注氣雙梯度鉆井環(huán)空多相流模型

隔水管注氣雙梯度鉆井通過注氣管線在泥線處向隔水管環(huán)空注入氣體，降低隔水管內(nèi)混合液體密度，從而使得泥線以上環(huán)空和泥線以下環(huán)空且有不同的流體密度，降低泥線處隔水管壓力，由此實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井，如圖1所示.隔水管注氣雙梯度鉆井系統(tǒng)鉆井液循環(huán)過程與常規(guī)鉆井的鉆井液循環(huán)過程相似，不同的是，隔水管注氣雙梯度鉆井在泥線以上隔水管環(huán)空有氣體隨鉆井液向上運(yùn)動(dòng).隔水管注氣雙梯度鉆井所用設(shè)備與傳統(tǒng)海洋鉆井設(shè)備基本相同，不需要將原有設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改動(dòng)，只需在海底泥線處隔水管增加注氣管線接口，海面部分主要增加制氮設(shè)備和氣體分離裝置，極大地節(jié)省了設(shè)備改造費(fèi)用.與常規(guī)鉆井相比，隔水管注氣雙梯度鉆井能以更低的鉆井成本，更安全高效地完成鉆井任務(wù).

圖1 隔水管注氣雙梯度鉆井物理模型Fig.1 The physical model for dual-gradient drilling with riser gas injection

1.1 連續(xù)性方程和動(dòng)量方程

在隔水管注氣雙梯度鉆井過程中，當(dāng)注氣管線未向隔水管注氣時(shí)，在井筒內(nèi)鉆井液和巖屑一起向上流動(dòng)；當(dāng)注氣管線開始向隔水管注氣時(shí)，隔水管環(huán)空內(nèi)氣體、鉆井液和巖屑三相一起向上運(yùn)動(dòng).針對(duì)隔水管環(huán)空多相流流動(dòng)，本文建立了一個(gè)數(shù)值模型，以獲得鉆井液的流動(dòng)參數(shù).為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們做了以下假設(shè)：1)隔水管內(nèi)的氣體、巖屑和鉆井液流動(dòng)是一維的；2)鉆井液、巖屑不可壓縮；3)控制單元內(nèi)氣體、巖屑和鉆井液連續(xù)；4)忽略環(huán)空偏心的影響；5)不考慮巖屑和氣體在鉆井液中的溶解.在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，可以得到簡(jiǎn)化的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程.

圖2為氣相質(zhì)量守恒的物理模型，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，控制單元質(zhì)量的變化量為控制單元的輸入質(zhì)量減去輸出質(zhì)量.對(duì)于氣相，進(jìn)入控制單元的質(zhì)量為

圖2 氣相質(zhì)量守恒的物理模型Fig.2 The physical model for mass conservation of the gas phase

離開控制單元的質(zhì)量為

含氣率變化引起的內(nèi)部質(zhì)量變化為

因此，氣相連續(xù)性方程可表示為

同理，液相連續(xù)性方程可表示為

固相連續(xù)性方程可表示為

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，作用于整個(gè)單元控制體流體上作用力的合力等于單位時(shí)間內(nèi)流入流出控制體的動(dòng)量以及由于流場(chǎng)不定常性造成的動(dòng)量變化率三項(xiàng)之和.從而可以得到動(dòng)量方程：

對(duì)于氣體，動(dòng)量方程可以表示為

對(duì)于液體，動(dòng)量方程可以表示為

對(duì)于固體，動(dòng)量方程可以表示為

在控制單元中，

因此，總動(dòng)量方程可以寫成

其中，ρg，ρl和 ρs分別是氣體、液體和巖屑密度，kg/m3；vg，vl和vs分別是氣體、液體和巖屑速度，m/s；Eg，El和Es分別是氣體、液體和巖屑所占份數(shù)；A是截面積，m2；Qg是注入氣體流量，是摩阻壓降，MPa/m.

1.2 瞬態(tài)溫度預(yù)測(cè)模型

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井筒內(nèi)氣體變化，應(yīng)用此前筆者建立的基于有限體積法的瞬態(tài)溫度預(yù)測(cè)模型[20-22].采用非穩(wěn)態(tài)二維對(duì)流擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)二維擴(kuò)散方程用于描述傳熱模型：

1)鉆桿內(nèi)傳熱模型

2)鉆桿傳熱模型

3)環(huán)空傳熱模型

4)隔水管傳熱模型

其中，c為鉆井液比熱容，T為鉆井液溫度，up，ua分別為鉆桿內(nèi)和環(huán)空內(nèi)鉆井液在x方向上的速度，vp，va分別為鉆桿內(nèi)和環(huán)空內(nèi)鉆井液在y方向上的速度，Γx為 鉆井液在x方向上的傳熱系數(shù)，Γy為鉆井液在y方向上的傳熱 系數(shù)，ρ2為 鉆柱密度，Sp，Sa分別為鉆桿和環(huán)空內(nèi)鉆井液熱量.

1.3 巖屑參數(shù)計(jì)算

在tr時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖屑質(zhì)量為

式中，W為巖屑質(zhì)量，kg；D為井眼直徑，m；Vm為機(jī)械鉆速，m/s.

假定巖屑均勻分布于環(huán)空中，則由巖屑所產(chǎn)生的附加密度為

式 中，Van為 巖屑所占當(dāng)量體積；Qr為 巖屑流量； Δρs為附加密度，kg/m3.

1.4 流型判別

由于不同流態(tài)下的流體產(chǎn)生的摩阻不同.因此，需要建立流體流態(tài)判別模型.在隔水管注入氣體后，將形成固相、氣相和液相的多相流混合物，而不同流態(tài)下的摩阻以及各相流速不同.本文采用現(xiàn)有的四大流態(tài)判別準(zhǔn)則[23]：

泡狀流

段塞流

攪動(dòng)流

環(huán)狀流

其中，vsg為 氣體表觀速度，m/s；vsl為 液體表觀速度，m/s；v∞為 氣體上升最大速度，m/s； σ為表面張力，N/m.

1.5 邊界條件和初始條件

1)初始條件

開始注氣時(shí)，氣體還沒有進(jìn)入隔水管，鉆井液填充整個(gè)環(huán)空.因此，可以得到正常鉆井條件下環(huán)空內(nèi)的壓力和速度分布，將其作為注氣的初始條件：

其中，Pb為地層壓力；h是井深，m；Ql是泥漿排量，L/s.

2)邊界條件

氣體到達(dá)井口作為邊界條件，此時(shí)壓力為井口大氣壓力，井筒內(nèi)總流量等于鉆井液流量和氣體注入流量之和.因此，邊界條件可以設(shè)置為

其中，P0是井口大氣壓，MPa.

至此，本文最主要的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程已經(jīng)建立，氣體漂移方程等輔助方程的相關(guān)計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[10].

1.6 模型離散

1.6.1 離散方程

圖3展示了單元格網(wǎng)格集成區(qū)域L.數(shù)學(xué)模型中的偏微分方程可以寫成

圖3 網(wǎng)格劃分及離散單元區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid division and a discrete unit area

將式(23)積分到區(qū)域L，根據(jù)Green 定理可以得到沿L邊界的曲線積分：

可以將上面的方程化簡(jiǎn)為下面的方程：

1)連續(xù)性方程的數(shù)值化

對(duì)于氣相連續(xù)性方程，令

由式(25)和式(26)可得氣相差分方程：

同理，可以得到液相差分方程為

固相差分方程為

2)動(dòng)量方程的數(shù)值化

對(duì)于混合動(dòng)量方程，令

將式(25)和式(28)結(jié)合可得到混合動(dòng)量差分方程：

3)初始條件和邊界條件的數(shù)值化

初始條件的數(shù)值化如下：

邊界條件的數(shù)值化如下：

1.6.2 求解步驟

本文采用逐網(wǎng)格迭代校正的方法實(shí)現(xiàn)求解過程，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散并通過節(jié)點(diǎn)估算和精度控制建立了整個(gè)差分方程的迭代格式.以環(huán)空內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)j，j+1 從i到i+1 時(shí)刻的動(dòng)態(tài)過程為例說明計(jì)算過程，求解流程如圖4所示.

圖4 求解流程圖Fig.4 The solution flow chart

2 模型驗(yàn)證

由于目前國(guó)內(nèi)沒有進(jìn)行深水隔水管注氣雙梯度鉆井，為驗(yàn)證本文模型的有效性，通過對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)的調(diào)研，選擇文獻(xiàn)[24]中一口墨西哥灣深水井進(jìn)行模型驗(yàn)證，將模型計(jì)算結(jié)果與墨西哥灣深水隔水管注氣鉆井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.將墨西哥灣某口采用隔水管注氣雙梯度鉆井技術(shù)的深水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔水管注氣雙梯度鉆井井筒壓力模擬，表1為該井基礎(chǔ)數(shù)據(jù).以該井的基礎(chǔ)參數(shù)用本文建立的隔水管注氣雙梯度鉆井環(huán)空多相流模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比見圖5.從圖5可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合較好，數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)的誤差可能是由于模型中相關(guān)水力系數(shù)選取上造成的，表明本文建立的隔水管注氣雙梯度鉆井環(huán)空多相流模型具有較高的精度.

圖5 模擬結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison of simulation results with measured results

表1 墨西哥灣某口深水井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of a deep water well in the Gulf of Mexico

3 實(shí)例計(jì)算與影響因素分析

3.1 實(shí)例計(jì)算分析

為研究隔水管注氣雙梯度鉆井技術(shù)特性，選取墨西哥灣另一口深水井進(jìn)行井筒壓力模擬，其基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示.

表2 墨西哥灣某口深水井相關(guān)計(jì)算參數(shù)Table 2 Related calculation parameters of a deep-water well in the Gulf of Mexico

根據(jù)本文建立的模型，對(duì)墨西哥灣某口深水井隔水管注氣雙梯度鉆井過程進(jìn)行模擬.圖6(a)～(d)分別為隔水管注氣雙梯度鉆井注氣過程中注氣雙梯度鉆井和常規(guī)鉆井環(huán)空壓力分布、注氣法雙梯度鉆井井底壓力、環(huán)空壓力云圖和井筒溫度場(chǎng)變化規(guī)律.從圖6(d)可知深水鉆井井筒溫度變化復(fù)雜，海水段溫度從海面到海底逐漸降低，地層段溫度隨著井深的增加不斷上升.由于海水和地層溫度的復(fù)雜變化，從流體流動(dòng)方向來看，鉆桿內(nèi)流體先是不斷降低，然后又開始上升；環(huán)空內(nèi)流體溫度，從地層到海面，先上升后下降，最后又開始上升.因?yàn)楹Ｋ偷貙訙囟炔煌奶荻茸兓?，造成鉆桿內(nèi)流體和環(huán)空內(nèi)流體溫度復(fù)雜的變化過程，對(duì)井筒流體流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生不可忽視的影響，因此在建立井筒流體多相流模型時(shí)考慮井筒溫度變化.從圖6(a)可知在泥線處向隔水管環(huán)空注入氣體后，泥線以上環(huán)空壓力梯度非恒定值，即環(huán)空壓力與井深變化非線性；泥線以下環(huán)空壓力梯度為恒定值.從圖6(b)、(c)可以看出，在隔水管環(huán)空注入氣體，可以有效降低環(huán)空和井底壓力，維持井底壓力在地層孔隙壓力和破裂壓力之間.在隔水管環(huán)空注入氣體，氣體在環(huán)空向上運(yùn)移的過程中，壓力不斷降低，氣體發(fā)生膨脹，環(huán)空含氣率增大，從而減小隔水管內(nèi)的混合液體密度，井眼環(huán)空和隔水管環(huán)空形成兩個(gè)不同的流體密度，使隔水管底部的壓力等于甚至低于泥線處海水的靜水壓力，從而可以將井底壓力控制在安全密度窗口之內(nèi).

圖6 隔水管注氣雙梯度鉆井注氣過程中壓力及溫度變化：(a)注氣雙梯度鉆井和常規(guī)鉆井環(huán)空壓力分布；(b)注氣雙梯度鉆井井底壓力；(c)環(huán)空壓力云圖；(d)井筒溫度場(chǎng)變化規(guī)律Fig.6 During the gas injection process of dual-gradient drilling with riser gas injection: (a)the annulus pressure distributions in dual-gradient drilling and conventional drilling; (b)the bottom hole pressure in dual-gradient drilling with gas injection; (c)the annulus pressure contour ; (d)variation laws of the wellbore temperature field

3.2 影響因素分析

3.2.1 注氣流量對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井井筒多相流特性影響分析

圖7(a)～(d)分別為不同注氣流量下環(huán)空壓力、井底壓力、泥線處含氣率和氣液速度的變化規(guī)律.由圖7(a)、(b)可知，隨著注氣流量的增加，環(huán)空壓力和井底壓力均逐漸降低.該情形的原因是：增大注氣流量，即從泥線處向隔水管環(huán)空注入更多的氣體，隔水管中氣體占據(jù)更大的空間，混合液體的密度進(jìn)一步降低，且隨著更多的氣體進(jìn)入環(huán)空，在氣體向上運(yùn)移的過程中，氣體膨脹的程度更大，混合液體的密度降低得更多，環(huán)空壓力也降低得更多，增加注氣流量可明顯降低井底壓力.另一方面可以看到，增大注氣流量，泥線處隔水管內(nèi)環(huán)空含氣率增加幅度較大，環(huán)空氣液速度明顯增大，如圖7(c)、(d)所示.注入隔水管環(huán)空的氣體增多，極易造成環(huán)空混合液體出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，使井底壓力下降較快.井底壓力持續(xù)下降，小于地層壓力還會(huì)引發(fā)溢流.因此，在保證工程安全的前提下，注氣流量應(yīng)在滿足壓力需要下，選擇較小的注氣流量.

圖7 不同注氣流量下壓力、含氣率及速度的變化：(a)環(huán)空壓力；(b)井底壓力；(c)泥線處含氣率；(d)氣液速度Fig.7 At different gas injection flow rates: (a)the annulus pressure; (b)the bottom hole pressure; (c)the gas content at the mudline;(d)the gas-liquid velocity variation

3.2.2 鉆井液排量對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井井筒多相流特性影響分析

圖8(a)～(d)分別為不同鉆井液排量下環(huán)空壓力、井底壓力、泥線處含氣率和氣液速度的變化規(guī)律.由圖8(a)、(b)可知，提高鉆井液排量，環(huán)空壓力和井底壓力增大.由圖8(c)、(d)可知，增大鉆井液排量，泥線處含氣率降低，氣液速度有小幅度增加.鉆井液排量增大，液體流速增加，使隔水管環(huán)空中注入的氣體向上運(yùn)移的速度增加，氣體在環(huán)空中膨脹時(shí)間減少，混合液體的密度降低程度減少，環(huán)空和井底壓力增大.提高鉆井液排量有利于攜巖，但是在高排量下井筒內(nèi)氣體所占體積減小，環(huán)空壓力和井底壓力更高，如圖8（a）、（b）所示.此時(shí)，采用的排量如果低于30 L/s，井底壓力可能會(huì)低于地層坍塌壓力，極有可能造成地層坍塌.此外，排量也不應(yīng)該過大，過大的排量可能壓裂儲(chǔ)層上部地層，造成儲(chǔ)層污染，且鉆井液排量過大也容易造成管柱磨損加劇.因此，基于上述分析，為保證工程安全，建議在隔水管注氣雙梯度鉆井時(shí)采用的排量范圍為30～40 L/s.

圖8 不同鉆井液排量下壓力、含氣率及速度的變化：(a)環(huán)空壓力；(b)井底壓力；(c)泥線處含氣率；(d)氣液速度Fig.8 Under different drilling displacements: (a)the annulus pressure; (b)the bottom hole pressure; (c)the gas content at the mudline;(d)the gas-liquid velocity variation

3.2.3 鉆井液密度對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井井筒多相流特性影響分析

圖9(a)～(d)分別為不同鉆井液密度下環(huán)空壓力、井底壓力、泥線處含氣率和氣液速度的變化規(guī)律.由圖9(c)、(d)可知，提高鉆井液密度，對(duì)泥線處含氣率和環(huán)空氣液速度影響較小.即改變鉆井液密度對(duì)注入隔水管的氣體狀態(tài)影響較小.在低鉆井液密度下，環(huán)空壓力和井底壓力更低，如圖9（a）、（b）所示.鉆井液密度如果低于1.1 g/cm3，儲(chǔ)層段環(huán)空壓力低于地層壓力，可能引發(fā)溢流事故；井底壓力低于地層坍塌壓力，可能造成地層坍塌.同時(shí)，如果鉆井液密度大于1.25 g/cm3，井底壓力將大于地層漏失壓力，引發(fā)鉆井液漏失.因此，為確保工程安全，鉆井液密度應(yīng)該控制在1.15～1.30 g/cm3.

圖9 不同鉆井液密度下壓力、含氣率及速度的變化：(a)環(huán)空壓力；(b)井底壓力；(c)泥線處含氣率; (d)氣液速度Fig.9 Under different drilling fluid densities: (a)the annulus pressure; (b)the bottom hole pressure; (c)the gas content at the mudline;(d)the gas-liquid velocity variation

3.3 影響注氣量大小因素分析

隔水管注氣雙梯度鉆井注氣量的設(shè)計(jì)是整個(gè)隔水管注氣雙梯度鉆井工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，所以很有必要對(duì)影響注氣量的因素進(jìn)行分析，選擇水深、鉆井液密度和鉆井液排量三個(gè)重要影響因素進(jìn)行分析.考慮水深因素時(shí)，保持鉆井深度一致，改變水深后，使隔水管底部壓力等于海水靜壓力.

圖10(a)～(c)分別為水深、鉆井液密度和鉆井液排量對(duì)注氣量大小的影響關(guān)系圖.由圖10 可知，注氣流量與水深、鉆井液密度和鉆井液排量大致呈線性關(guān)系.由圖10(a)可知，注氣流量對(duì)水深的改變敏感，水深超過1 500 m后，隨著水深的增加，注氣量增加趨勢(shì)增大；其中水深2 000 m 處，注氣流量為水深1 000 m 處注氣流量的五倍.由圖10(b)可知，鉆井液密度也是影響注氣流量的重要因素，鉆井液密度大于1.2 g/cm3，注氣流量增加幅度明顯增大.由圖10(c)可知，提高鉆井液排量，注氣流量也會(huì)相應(yīng)增大，但增加幅度較小.隔水管注氣雙梯度鉆井在鉆井過程中，注氣流量的大小是影響鉆井成功與否的重要因素，其中水深和鉆井液密度對(duì)注氣流量影響較大，鉆井液排量影響較小.

圖10 水深、鉆井液密度、鉆井液排量對(duì)注氣量的影響：(a)水深；(b)鉆井液密度; (c)鉆井液排量Fig.10 The effects on gas injection: (a)the water depth; (b)the drilling fluid density; (c)the drilling fluid displacement

4 結(jié) 論

本文建立了隔水管注氣雙梯度鉆井井筒多相流模型，對(duì)隔水管注氣雙梯度鉆井的鉆井過程進(jìn)行模擬，將模型計(jì)算結(jié)果與墨西哥灣某口深水井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最后對(duì)雙梯度鉆井井筒多相流特性的影響因素進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

1）隔水管注氣雙梯度鉆井較常規(guī)鉆井的環(huán)空壓力更低，在一些窄密度窗口地層，由于隔水管注氣雙梯度鉆井的井底壓力可調(diào)節(jié)范圍更大，從而能有效地維持井底壓力處于地層孔隙壓力和破裂壓力之間，所以隔水管注氣雙梯度鉆井更能適應(yīng)海洋鉆井.

2）綜合分析了注氣流量、鉆井液密度、鉆井液排量等鉆井參數(shù)對(duì)井底壓力和環(huán)空壓力的影響，通過分析可知隔水管注氣雙梯度鉆井注氣流量的大小對(duì)井底壓力和環(huán)空壓力影響較大.注氣流量過小，井底壓力就會(huì)小于地層壓力，引發(fā)溢流；注氣流量過大，井底壓力將大于地層漏失壓力，引發(fā)鉆井液漏失.

3）隔水管注氣雙梯度鉆井注氣量的設(shè)計(jì)是整個(gè)隔水管注氣雙梯度鉆井工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，通過對(duì)水深、鉆井液密度、鉆井液排量對(duì)注氣流量的影響進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隔水管注氣雙梯度鉆井過程中，水深和鉆井液密度對(duì)注氣流量影響較大，鉆井液排量影響較小.