摘要 油氣勘探開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)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(zhì)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(wèn)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(shù)的原理、采用低密度空心球隨鉆分離注入的實(shí)現(xiàn)方法以及其優(yōu)點(diǎn)：①可以達(dá)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(huán)；③隔水管內(nèi)鉆井液密度和鉆桿內(nèi)鉆井液密度相當(dāng)，不會(huì)產(chǎn)生U形管效應(yīng)；④設(shè)備所占空間少，系統(tǒng)操作和控制相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，編寫(xiě)了多梯度鉆井的仿真程序，分析了空心球注入對(duì)壓力變化影響效果。結(jié)果表明，采用空心球隨鉆分離注入技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井筒壓力的優(yōu)化分配，使井底壓力在較長(zhǎng)的井段內(nèi)介于地層壓力和破裂壓力之間，從而達(dá)到簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)的效果。
關(guān)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(xù)不斷開(kāi)發(fā)，勘探開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向海洋尤其轉(zhuǎn)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(huán)境和復(fù)雜的油氣儲(chǔ)藏條件產(chǎn)生了常規(guī)鉆井裝備和工藝難以克服的技術(shù)難題[1]：采用錨泊定位鉆機(jī)本身必須承受笨重的錨泊系統(tǒng)的重量，給鉆機(jī)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(huán)境載荷；在海底泥線(xiàn)處的高壓和低溫環(huán)境對(duì)鉆井液性能影響；海底的不穩(wěn)定性、淺層水流動(dòng)、天然氣水合物控制對(duì)鉆井的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于常規(guī)鉆井工藝，尤其難于控制井筒鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度在允許的作業(yè)壓力窗口之間。針對(duì)井筒壓力控制難度較大的問(wèn)題，國(guó)外20世紀(jì)90年代提出和發(fā)展的雙梯度鉆井技術(shù)[2]。目前已實(shí)施5個(gè)聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目，并取得了階段性成果[3]，提出了多套技術(shù)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(jiǎn)稱(chēng)空心球)等，以實(shí)現(xiàn)井筒壓力的優(yōu)化控制。本文基于雙梯度鉆井技術(shù)，提出了多梯度鉆井技術(shù)，該技術(shù)比雙梯度鉆井能更好地匹配地層壓力，使井底壓力在較長(zhǎng)的距離內(nèi)介于地層壓力和破裂壓力之間，能夠簡(jiǎn)化深水復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)，有效控制井筒環(huán)空壓力，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)，同時(shí)提高鉆進(jìn)效率。
1 多梯度鉆井方法及其優(yōu)點(diǎn)
1．1 多梯度鉆井方法
多梯度鉆井(Multi Gradient Drilling，簡(jiǎn)稱(chēng)MGD)，又稱(chēng)變梯度鉆井，是將輕質(zhì)介質(zhì)存海底泥線(xiàn)以下環(huán)空中某一深度或多個(gè)深度位置注入，降低環(huán)空鉆井液密度，在環(huán)空產(chǎn)生多個(gè)壓力梯度。圖l給出常規(guī)單梯度鉆井、雙梯度鉆井和多梯度鉆井示意圖[4]。采用常規(guī)的鉆井方法，井筒壓力曲線(xiàn)是從平臺(tái)延伸的直線(xiàn)；采用雙梯度鉆井，井筒壓力曲線(xiàn)是從海底延伸的直線(xiàn)；采用多梯度鉆井，井筒壓力是以注入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的多條曲線(xiàn)。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(guān)系，使井底壓力在較長(zhǎng)的距離內(nèi)介于地層壓力和破裂壓力之間，維持鉆進(jìn)(圖1)，減少下套管的層數(shù)。
1．2 多梯度井筒壓力模型
空心球隨鉆分離注入實(shí)現(xiàn)多梯度原理是：在海面含有空心球鉆井液先經(jīng)鉆桿內(nèi)環(huán)空泵送到井下，經(jīng)連接在鉆柱上的隨鉆分離注入短節(jié)(專(zhuān)利產(chǎn)品，其中隨鉆分離注入短節(jié)可以有多個(gè))將空心球從鉆井液中分離出來(lái)，注入井筒環(huán)空，分離后不含空心球的鉆井液通過(guò)鉆頭后進(jìn)入井筒環(huán)空。采用該方法，空心球的注入點(diǎn)位置隨鉆進(jìn)不斷變化，井筒環(huán)空將產(chǎn)生一條變化的壓力梯度曲線(xiàn)，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(jù)鉆井實(shí)際的需要可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)，這些注入點(diǎn)位置可以固定，也可以隨鉆柱移動(dòng)而移動(dòng)。井底壓力(p)為：
1．3 多梯度鉆井實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)點(diǎn)
將空心球等輕質(zhì)介質(zhì)注入海底下井筒環(huán)空，實(shí)現(xiàn)多梯度鉆井，除了隨鉆分離注入方法，其實(shí)現(xiàn)方法還包括采用雙壁鉆桿環(huán)空、通過(guò)在已下入套管中增加附加管線(xiàn)、內(nèi)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(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①可以達(dá)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(huán)；③隔水管內(nèi)鉆井液密度和鉆桿內(nèi)鉆井液密度相當(dāng)，不會(huì)產(chǎn)生U形管效應(yīng)；④設(shè)備所占空間少，系統(tǒng)操作和控制相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)施是多梯度鉆井技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。采用FLUENT混合物(Mixture)模型[7-8]建立空心球注入模型，網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖4所示。假設(shè)混合了空心球的鉆井液是不可壓縮流體，由于正常鉆進(jìn)時(shí)鉆井液的流量基本恒定，可假定鉆井液的流動(dòng)是定常流動(dòng)。在直角坐標(biāo)中混合流體的運(yùn)動(dòng)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(duì)于不可壓縮流體，可視為常數(shù)。
考慮兩相間的滑移，同時(shí)對(duì)混合流體的控制方程和相間滑移速度方程進(jìn)行迭代計(jì)算。
邊界條件設(shè)置如圖4所示，入口邊界：速度入口，泵速
泵入的空心球與鉆井液混合流體中空心球的含量為40％，經(jīng)過(guò)分離后，大部分空心球由于密度的差異和環(huán)空流動(dòng)的影響進(jìn)入環(huán)空，環(huán)空分離點(diǎn)以上空心球體積達(dá)到50％，分離點(diǎn)以下僅有少量的空心球(小于2％)未實(shí)現(xiàn)有效分離。如圖5所示，空心球在注入點(diǎn)以上環(huán)空內(nèi)分布均勻，能夠有效降低環(huán)空分離點(diǎn)以上鉆井液的密度，實(shí)現(xiàn)多梯度鉆井技術(shù)。
3 仿真軟件開(kāi)發(fā)及算例
編寫(xiě)了多梯度鉆井仿真模擬軟件，可用于模擬鉆井不同深度點(diǎn)注入、不同數(shù)量注入點(diǎn)環(huán)空壓力變化情況。軟件具有進(jìn)行鉆井過(guò)程中井下環(huán)空壓力模擬、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩阻扭矩計(jì)算、水力學(xué)分析等功能。
算例：某深水井水深為2 280 m，設(shè)計(jì)井深為6
4 結(jié)束語(yǔ)
與常規(guī)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(huán)空壓力在地層壓力窗口中變化，使井底壓力在較長(zhǎng)的井段內(nèi)介于地層壓力和破裂壓力之間，實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)的海底”概念，能夠簡(jiǎn)化深水井復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)，有效地減少深水鉆井存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全鉆進(jìn)。
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本文作者：殷志明 盛磊祥 蔣世全 陳國(guó)明
作者單位：中海油研究總院 中國(guó)石油大學(xué)(華東)
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