雙密度鉆井技術(shù)

王煥平

【摘要】針對(duì)目前國(guó)際石油開采的發(fā)展形勢(shì)，大力開發(fā)海洋油氣資源勢(shì)在必行。本文主要介紹了適合我國(guó)深水安全鉆進(jìn)的雙梯度鉆井——采用雙密度方案的雙梯度鉆井技術(shù)。雙密度鉆井技術(shù)共有3種方式，即注空心球雙梯度鉆井技術(shù)、隔水管氣舉雙梯度鉆井技術(shù)和隔水管稀釋雙梯度鉆井技術(shù)。文中還對(duì)我國(guó)發(fā)展雙密度鉆井技術(shù)提出了看法和建議。

【關(guān)鍵詞】雙密度 雙梯度 隔水管 稀釋 鉆井技術(shù)

盡管近年來(lái)我國(guó)原油產(chǎn)量有較大幅度的增長(zhǎng)，但與需求相比，仍不能滿足國(guó)民生產(chǎn)的需要。因此，除大力發(fā)展我國(guó)中西部油區(qū)及海外油氣資源的勘探開發(fā)力度外，加快海洋尤其是深海油氣資源的勘探開發(fā)、大力發(fā)展海洋石油裝備與技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為一項(xiàng)重要舉措。目前，我國(guó)已經(jīng)掌握300 m水深的油氣勘探開發(fā)成套技術(shù)體系，深水鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。要想在全球深海油氣勘探開發(fā)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，必須研制、開發(fā)適合我國(guó)深水油氣鉆井的自主裝備和技術(shù)。

1 常規(guī)深水鉆井存在的問題

與陸地和淺海鉆井相比，深海鉆井環(huán)境更復(fù)雜，容易出現(xiàn)常規(guī)鉆井裝備和鉆井方法難以克服的技術(shù)難題。由于上覆巖層壓力下降，地層孔隙壓力與破裂壓力之間的差幅變小，要同時(shí)保持井眼壓力的平衡和井眼的穩(wěn)定就會(huì)引起問題，限制了鉆達(dá)目標(biāo)深度的能力。如果使用常規(guī)方法，就需要用增加套管層數(shù)的方式來(lái)最大程度地減小作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、換取繼續(xù)鉆進(jìn)的可能。地層孔隙壓力與破裂壓力之間的差幅小，給鉆井作業(yè)帶來(lái)了困難，在某些情況下，采用從常規(guī)隔水管上返鉆井液的方法難以將油氣井鉆到目標(biāo)深度。深水鉆井如何控制鉆井液密度、在鉆進(jìn)過程中將井下壓力維持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，一直是困擾海上深水鉆井作業(yè)的一個(gè)難題。

圖1 Maurer注空心球雙梯度鉆井系統(tǒng)

2.1.2 空心球的設(shè)計(jì)及其物理性能

空心球的材質(zhì)可以是玻璃、塑膠、合成材料、金屬等。Maurer最初做試驗(yàn)用的是由3M公司制造的直徑10～100 μm的空心玻璃微球，其密度為0.38 g/cm3。添加體積為50%的這種空心球可以將1.68 g/cm3的鉆井液密度降至海水密度（1.02 g/cm3）。

工業(yè)用空心玻璃球的主要化學(xué)成分見表1。選用空心玻璃球作為鉆井液的輕質(zhì)固體添加劑（LWSA）是基于其良好的物理性能及其在油氣井中高溫高壓條件下仍能保持其良好物理特性的能力，其中最主要的是空心玻璃球較低的球體密度和較高的破裂壓力。

2.1.3 空心球的海面分離技術(shù)

Maurer最初做試驗(yàn)用的是由3M公司制造的直徑10～100 μm的空心玻璃微球。為了節(jié)約鉆井成本，到達(dá)經(jīng)濟(jì)鉆井的目的，空心球需要回收再利用。但是，MTI、貝克休斯和其他公司進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明，在雙梯度鉆井的高循環(huán)速度下（50.47～88.32 L/s），用常規(guī)的離心機(jī)或者水力分離器不可能100%的將空心球從鉆井液中分離出來(lái)并回收再利用。為了解決把小直徑空心球從鉆井液中分離出來(lái)比較困難的問題，Maurer進(jìn)行了使用大直徑（大于100 μm）空心球的試驗(yàn)，證明大直徑空心球可以用普通的振動(dòng)篩從鉆井液中分離出來(lái)。

空心球的分離過程見圖2：空心球在海底混合到鉆井液并注入隔水管后，與從環(huán)空返回的、攜帶鉆屑的鉆井液混合在一起。當(dāng)攜帶空心球和鉆屑的鉆井液返出井眼后先通過振動(dòng)篩進(jìn)行分離，分離出的空心球和鉆屑進(jìn)入一個(gè)海水容器（池），因?yàn)殂@屑比較重所以沉入底部，而空心球比較輕則漂浮在水面，可以將其重新收集利用。通過振動(dòng)篩后，大部分鉆井液進(jìn)入循環(huán)池，小部分鉆井液與分離出的空心球重新混合形成低密度流體，泵送到海底注入隔水管內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。大直徑空心球除了具有用普通振動(dòng)篩可以很容易地從鉆井液中分離出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)外，由它配置的鉆井液的黏度也比較低。

圖3 氣舉法雙梯度鉆井系統(tǒng)的組成

2.2.2 氣舉法雙梯度鉆井的優(yōu)勢(shì)

氣舉法雙梯度鉆井具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）氣舉法和欠平衡鉆井在實(shí)現(xiàn)機(jī)理上有一定的相似性，而欠平衡鉆井技術(shù)的研究與應(yīng)用目前已經(jīng)成熟，所以氣舉法在技術(shù)原理上具有較為成功的參考依據(jù)；

（2）它與傳統(tǒng)單梯度的隔水管鉆井相比，不需要對(duì)鉆井設(shè)備作太多的改動(dòng)，只需要添加一套氮?dú)夥蛛x設(shè)備、一套注氣附加管線和一臺(tái)注氣泵，對(duì)于成本高昂的深水鉆井來(lái)說(shuō)，這就大大節(jié)省了設(shè)備改造上的資金投入。據(jù)估計(jì)，應(yīng)用隔水管氣舉法時(shí)，至少能降低9%的成本，大部分情況下可以降低17%到24%。

2.3 隔水管稀釋雙梯度鉆井技術(shù)

將低密度流體注入隔水管底部，使隔水管環(huán)空內(nèi)的流體密度降低，接近海水密度，從而在隔水管環(huán)空和井眼環(huán)空形成兩個(gè)不同的流體密度，國(guó)外把采用這種方式進(jìn)行的雙梯度鉆井稱為“隔水管稀釋”。

2.3.1 隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)的工作原理

在隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)中（圖4），密度“較高”的鉆井液從鉆柱被泵送到井下，通過鉆頭后從鉆柱與裸眼或鉆柱與套管之間的環(huán)空上返。在隔水管環(huán)空接近海底或海底以下的某一個(gè)點(diǎn)，密度“較低”的稀釋流體（即低密度流體）通過注入管線從隔水管底部或海底以下注入隔水管環(huán)空，在注入點(diǎn)以下的隔水管內(nèi)形成“被稀釋的”的、接近海水的流體密度，而注入點(diǎn)以下不斷增加的總體鉆井液梯度則變得類似于或更接近于自然產(chǎn)生的孔隙壓力-破裂壓力梯度剖面。被稀釋的鉆井液返回海面后，要采用特制的高規(guī)格離心機(jī)連續(xù)進(jìn)行分離，將其分離回原來(lái)的“鉆井液密度”和“稀釋流體密度”兩種組分。這一分離方法是隔水管稀釋雙梯度鉆井的核心技術(shù)之一。隔水管稀釋鉆井系統(tǒng)使用的另一個(gè)重要工具就是鉆柱斷流閥（即鉆柱閥）。該閥安裝在靠近鉆柱底部的位置，其作用是在必要的時(shí)候阻擋鉆柱內(nèi)較重的鉆井液進(jìn)入環(huán)空。

圖4 隔水管稀釋雙梯度鉆井的循環(huán)系統(tǒng)（采用海底防噴器組時(shí)）

2.3.2 鉆井液與低密度流體的類型與配方

為了使隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)正常工作，要求鉆井液在井眼內(nèi)和在隔水管內(nèi)都能懸浮固相并能有效地?cái)y帶巖屑，鉆井液即使被未加重流體高度稀釋后也應(yīng)能發(fā)揮這些功能。

因?yàn)楹铣苫@井液在墨西哥灣深水鉆井中應(yīng)用較多，所以將其選為隔水管稀釋鉆井中最具代表性的鉆井液類型。貝克休斯和Baroid公司各自提出用于墨西哥灣深水鉆井作業(yè)的合成基鉆井液性能要求（見表2 和表3）。

靜切力分別取自10 s，10 min和30 min。2.3.3 隔水管稀釋雙梯度鉆井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）隔水管稀釋通過調(diào)整鉆井液的各種性能，提供一種穩(wěn)定而又容易控制的工藝過程，不必安裝大型、昂貴、復(fù)雜而又難以處置的海底組件。

（2）隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)適合在現(xiàn)有的許多鉆井平臺(tái)（船）上使用，不必對(duì)平臺(tái)進(jìn)行大的改造。如果該技術(shù)與小井眼鉆井配合，則非常適于在早期的移動(dòng)式鉆井平臺(tái)上使用，因?yàn)榕c現(xiàn)代深水鉆井平臺(tái)相比，這些平臺(tái)的鉆井液泵送和處理能力更適合實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)。

（3）通過對(duì)實(shí)例井的研究表明，與常規(guī)作業(yè)相比，隔水管稀釋雙梯度鉆井至少可降低鉆井成本7%，如果加上采用較小直徑隔水管和小型鉆井平臺(tái)節(jié)省的費(fèi)用，隔水管稀釋法降低的作業(yè)成本還要多。

（4）對(duì)于地層壓力剖面類似于深井的大陸架地區(qū)（如墨西哥灣）來(lái)說(shuō)，尤其是在需要鉆過鹽丘的情況下，采用隔水管稀釋雙梯度鉆井技術(shù)也許是最適宜的選擇。

（5）由于其獨(dú)特的雙密度特性，該技術(shù)還非常適合鉆進(jìn)衰竭油藏，在鉆進(jìn)水平井的水平段時(shí)也具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 我國(guó)雙梯度鉆井技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀

雙梯度鉆井技術(shù)的研究在我國(guó)還處于起步階段，前期工作主要是跟蹤國(guó)外雙梯度鉆井各種方案的最新進(jìn)展，研究其技術(shù)原理和相關(guān)配套技術(shù)，以期能提出適合我國(guó)深水油氣開發(fā)的雙梯度鉆井技術(shù)方案以及裝備方案，研發(fā)一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水雙梯度鉆井技術(shù)和裝備，為雙梯度鉆井技術(shù)在我國(guó)深水油氣田的應(yīng)用提供必要的技術(shù)支持。

最近幾年，中國(guó)海洋石油總公司、中海石油研究中心、中國(guó)石油大學(xué)（華東）等單位的科研人員，對(duì)雙梯度鉆井的原理、水力學(xué)計(jì)算及實(shí)施方案等進(jìn)行了研究，并申請(qǐng)了一些國(guó)家專利，其中包括以注空心球?yàn)槭侄蔚摹耙环N實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井的方法及裝置”、以注低密度流體為手段的“一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法及裝置”等。

4 對(duì)我國(guó)開展深水雙梯度鉆井試驗(yàn)研究的分析與建議

4.1 注空心球法是適宜于南中國(guó)海深水作業(yè)的雙梯度鉆井方案

注空心球雙梯度鉆井分離工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，在中等深度的深水（600～1 500 m）中有較好的應(yīng)用前景。綜合考慮我國(guó)海洋油氣開發(fā)工程裝備能力、南海復(fù)雜的氣候環(huán)境和油氣藏特性，我國(guó)有關(guān)科研單位開展了適宜于南海深水的雙梯度鉆井方案的優(yōu)選，優(yōu)選結(jié)果表明，注空心球系統(tǒng)是最適宜于南海深水作業(yè)的雙梯度鉆井方案，有可能成為解決制約我國(guó)深水鉆井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)突破口，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是為了實(shí)現(xiàn)注空心球雙梯度鉆井系統(tǒng)在我國(guó)深水油氣開發(fā)中的應(yīng)用，還需要對(duì)空心球注入方式、分離技術(shù)、分離設(shè)備等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面研究，并按照計(jì)劃有針對(duì)性地進(jìn)行探索型應(yīng)用，形成一套適合我國(guó)深水油氣開發(fā)特點(diǎn)的雙梯度鉆井技術(shù)體系，為我國(guó)深水油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

4.2 隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單但降低作業(yè)費(fèi)用效果不明顯

隔水管稀釋系統(tǒng)主要依賴于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)展和延伸來(lái)獲取雙梯度鉆井的經(jīng)濟(jì)效益。該方法通過調(diào)整鉆井液的各種性能，提供一種穩(wěn)定而又容易控制的工藝過程，不必安裝大型、昂貴、復(fù)雜而又難以處置的海底組件。隔水管稀釋雙梯度鉆井系統(tǒng)適合在現(xiàn)有的許多鉆井平臺(tái)（船）上使用，不必對(duì)平臺(tái)進(jìn)行大的改造，實(shí)施起來(lái)也較為簡(jiǎn)單，安全性較強(qiáng)。但應(yīng)當(dāng)指出的是，隔水管稀釋方案降低作業(yè)費(fèi)用的效果不是很明顯，試驗(yàn)證明與常規(guī)系統(tǒng)相比大約可節(jié)省7%（不包括采用較小直徑隔水管等節(jié)省的費(fèi)用）。

4.3 隔水管氣舉方案降低費(fèi)用效果明顯但安全風(fēng)險(xiǎn)問題需要考慮

隔水管氣舉雙梯度鉆井方案主要利用現(xiàn)有的工藝設(shè)備，但要增添壓縮機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)制氮設(shè)備或氮?dú)夤?yīng)等，與常規(guī)工藝（假設(shè)沒有事故處理費(fèi)用）相比，至少能降低9%的作業(yè)成本，大部分情況下可以降低17%到24%，如果加上使用小直徑隔水管和小型鉆井平臺(tái)節(jié)約的費(fèi)用，總成本有可能降低50%左右（估算的無(wú)故障成本）。但該技術(shù)遇到的主要問題是較高的壓縮機(jī)費(fèi)用、氮?dú)赓M(fèi)用、腐蝕問題、氣體的可壓縮性導(dǎo)致的壓力梯度的非線性、難以將氮?dú)鈴你@井液中重新分離出來(lái)等。而且，由于井控等安全風(fēng)險(xiǎn)問題同時(shí)存在，所以在決定采用該方案時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重，應(yīng)當(dāng)根據(jù)作業(yè)環(huán)境、鉆井裝置的類型、設(shè)備條件等諸多因素認(rèn)真進(jìn)行特定環(huán)境條件下的可行性研究。

4.4 加強(qiáng)對(duì)國(guó)外雙梯度鉆井技術(shù)最新發(fā)展的跟蹤、研究與借鑒

雙梯度鉆井是一項(xiàng)正處于發(fā)展中的新技術(shù)，隨著理論研究與模擬實(shí)驗(yàn)的不斷深入、水下與海底設(shè)備的不斷改進(jìn)、操作參數(shù)的不斷優(yōu)化、工藝流程的不斷完善、局限性的不斷克服、深水鉆井裝置及其配套設(shè)施的不斷升級(jí)與改造，雙梯度鉆井的各項(xiàng)技術(shù)方案將更加成熟，優(yōu)勢(shì)將更加突出，推廣應(yīng)用效果將更加明顯。為加快我國(guó)深水油氣資源的勘探開發(fā)步伐，有必要針對(duì)我國(guó)海深水區(qū)塊的實(shí)際情況，及時(shí)跟蹤和研究國(guó)外雙梯度鉆井技術(shù)的最新發(fā)展，借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水雙梯度鉆井技術(shù)，形成一套能指導(dǎo)我國(guó)深水油氣開發(fā)的鉆井技術(shù)體系。這不但能為我國(guó)深海油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐，而且對(duì)于全面提升我國(guó)深水鉆井技術(shù)水平、使我國(guó)在全球深海油氣勘探開發(fā)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，具有重要的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 殷志明，陳國(guó)明，許亮斌，等.采用雙梯度鉆井優(yōu)化深水井井身結(jié)構(gòu)[J]. 天然氣工業(yè)，2006，26（12）：112-114

[2] 殷志明，陳國(guó)明，盛磊祥，等. 深水空心球雙梯度鉆井技術(shù)[J]. 中國(guó)造船，2005，46（增刊）：71-75

[3] 楊樹東. 深水雙梯度鉆井空心球注入與分離技術(shù)研究[D]. 中國(guó)石油大學(xué)（華東），2007