摘要 油氣勘探開發轉向海洋尤其是深海已成為必然。與陸地和淺水相比，由于深水地層特殊的地質沉積條件，深水鉆井面臨地層壓力和破裂壓力之間鉆井液安全密度窗口窄的問題，井筒壓力很難保持在允許的壓力窗口之間。為此，介紹了多梯度鉆井技術的原理、采用低密度空心球隨鉆分離注入的實現方法以及其優點：①可以達到較高的空心球濃度(50％～60％)，鉆井液密度降低明顯；②鉆井液返回海面后不必分離空心球，可重新循環；③隔水管內鉆井液密度和鉆桿內鉆井液密度相當，不會產生U形管效應；④設備所占空間少，系統操作和控制相對簡單。同時，編寫了多梯度鉆井的仿真程序，分析了空心球注入對壓力變化影響效果。結果表明，采用空心球隨鉆分離注入技術能夠實現對井筒壓力的優化分配，使井底壓力在較長的井段內介于地層壓力和破裂壓力之間，從而達到簡化井身結構的效果。
關鍵詞 深水鉆井 窄密度窗口 多梯度鉆井 空心玻璃球 隨鉆分離注入
隨著陸上和淺海油氣資源的持續不斷開發，勘探開發轉向海洋尤其轉向深水已成為必然。但與陸地和淺海鉆井相比，深水海域特殊的自然環境和復雜的油氣儲藏條件產生了常規鉆井裝備和工藝難以克服的技術難題[1]：采用錨泊定位鉆機本身必須承受笨重的錨泊系統的重量，給鉆機定位增加了難度；隔水管除了承受自身重量，還需要承受諸如海流及惡劣的海洋環境載荷；在海底泥線處的高壓和低溫環境對鉆井液性能影響；海底的不穩定性、淺層水流動、天然氣水合物控制對鉆井的風險；對于常規鉆井工藝，尤其難于控制井筒鉆井液循環當量密度在允許的作業壓力窗口之間。針對井筒壓力控制難度較大的問題，國外20世紀90年代提出和發展的雙梯度鉆井技術[2]。目前已實施5個聯合工業項目，并取得了階段性成果[3]，提出了多套技術方案，包括海底泵舉升鉆井液、隔水管氣舉、隔水管稀釋以及注空心玻璃球(Hollow Glass Spheres，簡稱空心球)等，以實現井筒壓力的優化控制。本文基于雙梯度鉆井技術，提出了多梯度鉆井技術，該技術比雙梯度鉆井能更好地匹配地層壓力，使井底壓力在較長的距離內介于地層壓力和破裂壓力之間，能夠簡化深水復雜井身結構，有效控制井筒環空壓力，實現安全鉆進，同時提高鉆進效率。
1 多梯度鉆井方法及其優點
1．1 多梯度鉆井方法
多梯度鉆井(Multi Gradient Drilling，簡稱MGD)，又稱變梯度鉆井，是將輕質介質存海底泥線以下環空中某一深度或多個深度位置注入，降低環空鉆井液密度，在環空產生多個壓力梯度。圖l給出常規單梯度鉆井、雙梯度鉆井和多梯度鉆井示意圖[4]。采用常規的鉆井方法，井筒壓力曲線是從平臺延伸的直線；采用雙梯度鉆井，井筒壓力曲線是從海底延伸的直線；采用多梯度鉆井，井筒壓力是以注入點為節點的多條曲線。多梯度鉆井能比雙梯度鉆井更好地匹配海底地層的壓力關系，使井底壓力在較長的距離內介于地層壓力和破裂壓力之間，維持鉆進(圖1)，減少下套管的層數。
1．2 多梯度井筒壓力模型
空心球隨鉆分離注入實現多梯度原理是：在海面含有空心球鉆井液先經鉆桿內環空泵送到井下，經連接在鉆柱上的隨鉆分離注入短節(專利產品，其中隨鉆分離注入短節可以有多個)將空心球從鉆井液中分離出來，注入井筒環空，分離后不含空心球的鉆井液通過鉆頭后進入井筒環空。采用該方法，空心球的注入點位置隨鉆進不斷變化，井筒環空將產生一條變化的壓力梯度曲線，圖2給出了多梯度井筒壓力汁算模型示意圖，H表示水深，h(t)表示海底到井底的距離，則鉆井的總深度(D)為：
根據鉆井實際的需要可以設置一個或多個注入點，這些注入點位置可以固定，也可以隨鉆柱移動而移動。井底壓力(p)為：
1．3 多梯度鉆井實現方法及優點
將空心球等輕質介質注入海底下井筒環空，實現多梯度鉆井，除了隨鉆分離注入方法，其實現方法還包括采用雙壁鉆桿環空、通過在已下入套管中增加附加管線、內襯套管、鉆柱中安裝井下噴嘴等，如圖3所示[5-6]，其中方法a、d使用不受井段限制，b、c只適用于已下入套管的井段。MGD系統的優點主要表現為：①可以達到較高的空心球濃度(50％～60％)，鉆井液密度降低明顯；②鉆井液返回海面后不必分離卒心球，可重新循環；③隔水管內鉆井液密度和鉆桿內鉆井液密度相當，不會產生U形管效應；④設備所占空間少，系統操作和控制相對簡單。
2 海底下空心球注入仿真分析
井下多相流分離的順利實施是多梯度鉆井技術實現的關鍵。采用FLUENT混合物(Mixture)模型[7-8]建立空心球注入模型，網格劃分及邊界條件如圖4所示。假設混合了空心球的鉆井液是不可壓縮流體，由于正常鉆進時鉆井液的流量基本恒定，可假定鉆井液的流動是定常流動。在直角坐標中混合流體的運動控制方程[9]：
式中u、v分別是速度在x、y方向的分量；p為流體單元體上的壓力；ρ為流體密度，對于不可壓縮流體，可視為常數。
考慮兩相間的滑移，同時對混合流體的控制方程和相間滑移速度方程進行迭代計算。
邊界條件設置如圖4所示，入口邊界：速度入口，泵速2 m3／min，鉆井液中混有40％體積的空心球；返回流體出口邊界：壓力出口，標準大氣壓；鉆桿內鉆井液流出邊界：速度出口；返回流體入口邊界：速度入口，其值根據與鉆桿內鉆井液流出口橫截面接折算獲得。
泵入的空心球與鉆井液混合流體中空心球的含量為40％，經過分離后，大部分空心球由于密度的差異和環空流動的影響進入環空，環空分離點以上空心球體積達到50％，分離點以下僅有少量的空心球(小于2％)未實現有效分離。如圖5所示，空心球在注入點以上環空內分布均勻，能夠有效降低環空分離點以上鉆井液的密度，實現多梯度鉆井技術。
3 仿真軟件開發及算例
編寫了多梯度鉆井仿真模擬軟件，可用于模擬鉆井不同深度點注入、不同數量注入點環空壓力變化情況。軟件具有進行鉆井過程中井下環空壓力模擬、井身結構設計、摩阻扭矩計算、水力學分析等功能。
算例：某深水井水深為2 280 m，設計井深為6 080 m，轉盤面海拔高度為25 m。地層孔隙壓力和破裂壓力當量密度曲線如圖6，取抽汲壓力當量密度值為0.05 g／m3，井涌條件允許值為0．07 g／cm3，地層破裂壓力安全增值為0．03 g／m3，異常地層壓力井段壓差允許值為21．4 MPa，正常壓力井段壓差允許值為15.7 MPa，根據系統設計和優化結果(圖6)和海上鉆井井口裝置和完井要求，確定選用標準類型的井身結構。
4 結束語
與常規鉆井和雙梯度鉆井方法相比，采用多梯度鉆井能更好地匹配地層孔隙壓力和破裂壓力窗口，有效控制井筒環空壓力在地層壓力窗口中變化，使井底壓力在較長的井段內介于地層壓力和破裂壓力之間，實現“移動的海底”概念，能夠簡化深水井復雜井身結構，有效地減少深水鉆井存在的問題，實現安全鉆進。
參考文獻
[1] CHARLEZ P A，SIM()NDIN A．A collection of innovative answers to solve the main problematics encountered when drilling deep water prospects[C]∥OTC 15234 presented at the Off Shore Technology Conference，5 May-8 May 2003，Houston,Texas，USA．New York：Offshore Tectmo1ogy Conference，2003．
[2] DEAN G E．Industry group studies dual gradient drilling[J]．Oil＆Gas Journal，1999，97(33)：32-33．
[3]BOURGOYNE A T，Overview of dual-density drilling[C]//paper presented at the DOE／MMS Deepwater Dual-Density Drilling Workshop，28 September．2000，Houston．Texas，USA．New York：DOE／MMS，2000．
[4] MAURER W C，MCDONALD W J，WILLIAMS T E，et．al. Development and testing of underbalanced drilling products[R].Texas: Maurer Technology Inc,2001.
[5]毛雷爾W C，小梅德利G H，麥克唐納W J．多梯度鉆井方法和系統：中國專利，CNl446286[P]．2003-10-1．
[6] MAURER WC，MEDLEY G H，MCDONALD W J．Multi gradient drilling method and system：United States Patent，us6530437[P]．2003-03-11．
[7] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M]．北京：清華大學出版社，2004
[8] 韓占忠，王敬，蘭小平．FLUNT流體工程仿真計算實例與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2000．
[9] FONTANA P，SJOBERG G，Reeled pipe technology for deepwater drilling utilizing a dual gradient mud system[C]//paper IADC／SPE 59160 presented at the IADC／SPE Drilling Conference，23 25 February 2000，New Orleans，Louisiana，USA．New York：IADC／SPE．2000.
本文作者：殷志明 盛磊祥 蔣世全 陳國明
作者單位：中海油研究總院 中國石油大學(華東)
