海底泵举升双梯度钻井技术进展

209油气资源能否稳定供应，无疑将成为影响我国经济发展的关键要素。

因此，为了增加油气资源的供应量，除了要加大油气资源的进口规模外，还要从增加油气资源规模入手，提升海洋油气资源的开发力度，确保我国经济发展可以拥有充足的能源作为支撑。

现阶段，我国海洋石油钻井技术及装配发展已经出具成效，但是仍然存在很大的提升空间，所以接下来还将下大力气，针对海洋石油钻井技术及发展进行不断探索。

1 海洋石油钻井技术的特点1.1 工作寿命长，可靠性更好海洋石油钻井技术的可靠性可以表现在以下几个方面：（1）由于需要在海上工作，钻井设备要经常性地承载大风、海浪等荷载，而且还要兼顾地震、台风等恶劣灾害环境下的作用，所以相关技术装备的强度更高。

（2）由于海洋环境存在极强的腐蚀能力，所以海洋石油钻井技术与装备要更加耐腐蚀性，加之对焊接工艺要求更高，所以有助于提升疲劳寿命，延长设备工作时间。

（3）海洋工程使用钢材为特殊制造，并且强度要求高，对设计与制作工艺的要求更加严格。

（4）海洋工程作业环境复杂，为了降低安全事故，需要对生产管理提出严格的要求，保证生产管理环节可以万无一失。

1.2 安全性要求严格在海洋石油工程中，如果发生事故，则事故的影响会加剧。

现阶段，为了提升油气开发效率，我国加快了对深海区域的油气资源探索，所以相应的安全与技术规范要求也处于变化之中。

此外，为了保证海洋油气资源可以顺利得到开发，往往会对开发技术与装备的安全性提出严格要求，务必要以海洋作业为基准，科学地完成石油钻井装备的安全设计，避免安全事故在海洋油气资源开发中出现。

1.3 学科之间相互交叉，技术复杂在海洋石油钻井技术中，存在大量与之相关的学科，例如，流体动力学、结构力学与船舶技术等。

所以，为了进一步提升海洋石油钻井技术的应用水平，还需要将现代技术应用其中，例如，卫星定位与电子计算机技术、现代机电与液压技术等紧贴时代前沿的技术，有助于提升海洋定位的准确性，为后续海上石油资源的开发与利用提供技术保障，解决油气资源的海上输送、存储等关键问题。

文章编号：1000 − 7393(2022)04 − 0444 − 06 DOI: 10.13639/j.odpt.2022.04.007海洋平台连续起下钻钻机及关键设备研究郭华1 杨向前1 徐国贤1 朱本温2 魏双会2 张庆斌21. 中海油研究总院有限责任公司；2. 兰州兰石石油装备工程股份有限公司引用格式：郭华，杨向前，徐国贤，朱本温，魏双会，张庆斌. 海洋平台连续起下钻钻机及关键设备研究［J ］. 石油钻采工艺，2022，44（4）：444-449,481.摘要：针对当前常规海洋自升式钻井平台钻井作业采用间歇起下钻方式存在的起下钻作业时间长、井下复杂情况多等缺点，提出了一种全新概念海洋自升式钻井平台的连续起下钻钻机，完成了连续起下钻作业流程确定、立根长度确定、连续起下钻系统、排管机、集成控制系统等关键技术和设备设计。

该钻机配套常规顶驱，通过采用新增连续起下钻系统设备，改进排管机和集成控制系统的方式实现连续起下钻作业，实现在高位进行钻柱提放、管具上卸扣、钻井液收集等功能，最大起下钻速度可达2 160 m/h ，与现有钻机相比，能够大幅提高钻井作业效率，降低井下压力波动，技术跨度相对较小，具有较好的可应用实施性。

关键词：海洋自升式钻井平台；连续起下钻；钻机；排管机；集成控制系统中图分类号：TE922 文献标识码： AA novel continuous tripping offshore rig and its key equipmentGUO Hua 1, YANG Xiangqian 1, XU Guoxian 1, ZHU Benwen 2, WEI Shuanghui 2, ZHANG Qingbin 21. CNOOC Research Institute Co., Ltd., Beijing 100028, China ;2. Lanzhou Lanshi Petroleum Equipment and Engineering Co., Ltd., Lanzhou 730087, Gansu , ChinaCitation: GUO Hua, YANG Xiangqian, XU Guoxian, ZHU Benwen, WEI Shuanghui, ZHANG Qingbin. A novel continuous tripping offshore rig and its key equipment ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(4): 444-449, 481.Abstract: Given the disadvantages of the intermittent tripping approach adopted in the current conventional offshore jack-up drilling rig, such as prolonged tripping duration and frequent downhole complex issues, a novel concept of continuous tripping rig was developed for the offshore jack-up drilling platform. The operation workflow of continuous tripping was clarified, the pipe stand length was determined, and the designs of key technologies and equipment, such as the continuous tripping system, pipe racker and integrated control system, were completed. The presented rig is compatible with a conventional top drive and enables continuous tripping, with the help of the extra continuous tripping system, modified pipe racker and integrated control system. It allows for drilling string lifting and lowering, tubular makeup/breakup and drilling fluid collection at higher positions, and the maximum running rate amounts to 2 160 m/h. Compared with available rigs, it can greatly enhance the drilling operation efficiency and reduce the downhole pressure fluctuation. Moreover, it presents a relatively small technical span and thus is of high practicability.Key words: offshore jack-up drilling platform; continuous tripping; rig; pipe racker; integrated control system近年来，随着世界石油工业的科技进步，石油钻井装备由机械化向自动化、智能化方向快速发展，钻井作业效率得到大幅提升，并降低了现场工人劳动强度［1-3］。

中国海洋石油深水钻完井技术姜伟【摘要】The development history of deepwater engineering technology of China National Offshore Oil Corporation has been reviewed and the development direction of deepwater engineering technology in China has been discussed. After the entry into the 21st century, China National Offshore Oil Corporation has accelerated the march towards the deepwater ifeld, and had also attached great importance to the investment scale, technical reserve, talent cultivation and other aspects. It gradually formed three systems, namely, deepwater technology, deepwater scientiifc research and deepwater management, constructed the drilling equipment suitable for differ-ent water depth gradients via the operation practices at home and abroad, which possessed the international and domestic deepwater self-support operation capacity, accumulated the organization management capacity of deepwater practices, and had achieved the leapfrog from "deepwater" to "ultra-deepwater" within 5 years.%回顾了中国海洋石油深水工程技术的发展历程，探讨了国内深水工程技术的发展方向。

深水钻井的难点及关键技术随着油气资源的持续开采,陆地未勘探的领域越来越少,油气开发难度越来越大。

占地球面积70%以上的海洋有着丰富的油气资源,油气开发重点正逐步由陆地转向海洋,并走向深海。

目前,国外钻井水深已达3000m以上,而我国海上油气生产一直在水深不足500m的浅海区进行,我国南海拥有丰富的油气资源,但这一海域水深在500~2000m,我国目前还不具备在这样水深海域进行油气勘探和生产的技术。

周边国家每年从南沙海域生产石油达5000X104t以上，相当于我国大庆油田的年产量，这种严峻的形势迫使必须加快我国南海等海域的深水油气勘探开发。

石油工业没有关于“深水”的预先定义。

“深水”的定义随时间、区域和专业在不断变化。

随着科技的进步和石油工业的发展，“深水”的定义也在不断发展。

据2002年在巴西召开的世界石油大会报道，油气勘探开发通常按水深加以区别：水深400m以内为常规水深400m-1500m为深水，超过1500m为超深水。

但深度不是唯一的着眼点，只要越过大陆架，典型的深水问题就会出现。

一、深水钻井的难点与陆地和浅水钻井相比,深水钻井有着更为复杂的海况条件,面临着更多的难题,主要表现在以下几个方面。

1、不稳定的海床由于滑坡形成的快速沉积，浊流沉积，陆坡上松软的、未胶结的沉积物形成了厚、松软、高含水、未胶结的地层。

这种地层由于沉积速度、压实方式以及含水量的不同，所以它们的活性很大，给导管井段的作业带来了很大困难。

河水和海水携带细小的沉积物离海岸越来越远，这些沉积物由于缺乏上部压实作用，所以胶结性差。

在某些地区，常表现为易于膨胀和分散性高，这将会导致过量的固相或细颗粒分散在钻井液中。

2、较低的破裂压力梯度对于相同沉积厚度的地层来说，随着水深的增加，地层的破裂压力梯度在降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易发生井漏等复杂情况。

在深水钻井作业中，将套管鞋深度尽可能设置得深的努力往往由于孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间狭小的作业窗口而放弃。

海洋人工举升工艺技术综述第一节、概述海上采用的人工举升技术主要包括：电潜泵技术、螺杆泵技术、水力喷射泵技术、气举技术等。

下面针对海上油田主要举升工艺，简要介绍如下。

一、电动潜油离心泵采油技术电动潜油离心泵，简称电潜泵，是用油管把离心泵和电动机下入井中，把油举升到地面的采油设备。

目前，采用电潜泵举或的油井占海上油气井总数的88%。

电潜泵是海上主要的人工举升方式。

电潜泵采油系统主要由井下部分、地面部分组成。

井下部分由多级离心泵、分离器、保护器、潜油电动机以及动力电缆和引接电缆组成；地面部分包括电潜泵控制柜、变压器、变频器等。

潜油电动机为电泵提供动力，一般使用三相鼠笼式感应电动机，工作原理与其他感应电动机一样。

潜油电动机主要由定子、转子、止推轴承及特殊的油循环系统组成。

为了保证电动机在较高温度的井下长期运行，电动机内充满了特殊的冷却润滑油，并设有专门的油路循环系统。

保护器的主要作用是防止井液进入电动机，避免短路。

多级离心泵具有外径小（85.5-102mm）、级数多（可达400级）的特点，它的每一级由旋转的叶轮和固定的导壳组成。

当叶轮旋转时，在离心力和沿着叶轮圆周切线方向力的共同作用下，使液体产生旋转运动，液体的压能增加，液体经过导壳的流道而被引向下一级叶轮，使液体的压能进一步增加，逐级叠加后，就得到了总压头。

多级离心泵的另一特点是是轴向卸载、径向扶正。

由于叶轮的两侧压力不平衡，因而叶轮将产生向推力。

为了减小轴向力，各级叶轮上、下均装有止推垫，叶轮压在导壳的止推套上，轴向力通过导壳传递到泵壳体上去。

多级离心泵装有启动单流阀和卸油溢流阀，为了防止气体对泵工作的影响，泵的入口处装有特殊的油、气分离装置。

电泵电缆包括动力电缆和引接电缆。

动力电费将地面电能传送至井下，从外形上看，有圆电缆和扁电缆两种，由导体、绝缘层、防护钢铠组成；引接电缆用于连接动力电缆和潜油电动机。

二、螺杆泵采油技术20世纪20年代中期，法国人勒内莫依诺发明了螺杆泵。

・专题研究・ 收稿日期:2008206226作者简介:方华灿(19302),男,福建定远人,教授,1952年毕业于北洋大学,从事海洋石油机械教学和科研工作。

文章编号:100123482(2008)1120001206海洋深水双梯度钻井用水下装备方华灿(中国石油大学(北京),北京102249)摘要:根据我国勘探开发深水油田的需要,介绍了用于深水的先进的双梯度钻井工艺,给出了实现双梯度钻井的几种方案,提出了双梯度钻井所需要的水下设备。

关键词:海洋;深水;双梯度;钻井;水下设备中图分类号:TE 951 文献标识码:ASubsea Equipments for Du al G radient Drilling System of Deep W ater in OceanFAN G Hua 2can(China Universit y of Pet roleum (B ej ing ),B ei j ing 102249,China )Abstract :Based upon t he demand of exploration and develop ment of oil field in deep water of PRC ,t he advanced new technologies of dual gradient drilling system used for deep water was in 2t roduces ,a few p rocedures for realizing of dual gradient drilling system was given ,and t he subsea equip ment s used for t he dual gradient drilling system were p rovided.K ey w ords :ocean ;deep water ;dual gradient ;drilling system ;subsea equip ment 我国拥有的海域面积约为488×104km 2,其中水深大于300m 的海域约有150×104km 2,对这些深水海域的油气勘探仅有16×104km 2,也就是说,还有90%的深水海域需要进行油气勘探开发。

我国海洋石油钻井技术及装备发展探讨中海油田服务股份有限公司山东德州253200摘要：油气资源是否能够得到持续的供给，对于一个国家的经济发展来说，无疑是一个至关重要的因素。

为此，为了确保石油的供应可以得到有效的提升，应从两个方面入手，一个是要加大原油和天然气的进口，另一个是要对原油和天然气的产量进行提升，并对海洋石油的开发力度予以强化，为我国的经济发展提供大量的能源。

现阶段，我国对于海洋石油的发展已经初具成效，但在实际情况下，还有较大的改进力度，所以，我们将继续投入大量的精力，对海上石油钻井技术及其发展进行深入的研究。

关键词：海洋石油；钻井技术；装备；发展引言在现代工业社会不断发展的过程中，石油资源是人类赖以生存和发展的物质基础。

在新时期，伴随着国家经济的迅速发展，对石油资源的需求量也在不断增加，仅凭国内的采油量已经不能满足需要。

根据数据显示，每年进口的原油约占国内原油需求的70%。

为了适应国家对石油资源的巨大需要，开展海洋石油资源的勘探和开发工作具有十分重大的现实意义。

要想更好地开发海洋石油资源，就必须要更好地进行海洋石油钻井技术的研发。

海上石油钻井产业对海上石油钻井技术的需求十分严格，这是一个高科技、高资本密集型的产业，要想把海上石油资源的钻探与开采做好，就一定要大力开展海上石油钻井技术的研发工作。

1我国海洋石油钻井技术发展现状近年来，我国在海洋油气钻探技术方面取得了一定进展，取得了一定的进展。

要想发展和应用海上石油钻井技术，就必须要有一个海上石油钻井平台作为支持，所以，进行海上石油钻井技术的研究工作是其发展的必要条件。

近几年来，国家加大了对海洋石油钻井平台的研发和生产，参与到海上石油资源钻机的数量也在增加，在此过程中，海洋石油钻井平台也在不断地改进，为今后的钻井技术奠定了良好的基础。

我国海洋石油钻井技术的发展相对滞后，各种海洋石油钻井装备的起步阶段最大的问题就是人才的缺乏。

目前，我国的海上石油钻探技术发展中，主要面临以下问题：海上石油钻探设备的国产化程度不高，据不完全统计，目前国内海上石油钻探设备的国产化率仅占1/5，仍有相当多的设备需要从国外进口，而这20%的设备中，国内设备仅完成了非常少的工作，技术含量也相对较低，这已成为制约我国海上石油钻探技术发展的一个重要因素。

Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报, 2023, 45(2), 137-142 Published Online June 2023 in Hans. https:///journal/jogt https:///10.12677/jogt.2023.452017浅谈双层二层台技术在海洋钻修井机上 的作用马冬辉1，王长军1，罗立臣1，王家琦2*，陈 康2，刘 权21中海油能源发展装备技术有限公司，天津2湖北省聚元石油自动化装备股份有限公司，湖北 武汉收稿日期：2023年3月9日；录用日期：2023年6月2日；发布日期：2023年6月14日摘 要本文介绍了双层自动二层台排管装置在石油天然气海洋模块钻修井机上起下钻作业过程中的作用。

该双层自动二层台排管装置利用安装在井架上的上层自动二层台和下层自动二层台，将容易发生弯曲的管柱立根进行位置限定，防止管柱立根变形过大，确保二层台排管机械手能百分之百地捕捉到管柱立根，从而解决了管柱立根易发生中间弯曲现象以及管柱立根在排管过程中被排放的位置具有随意性，导致排管机械手捕捉管柱时捕捉率较低，作业过程中需要人工操作排管机械手捕捉管柱立根的问题。

使起下钻作业的一键化操作能够完全实现，排管系统的自动化程度也得到进一步的提高，降低作业司钻人员和人工操作的劳动强度，也大大降低了二层台排管作业事故的发生频率。

同时使用双层自动二层台也可以实现三单根小直径管柱立根在钻修井机上进行起下钻作业，相较于两单根立柱起下钻作业，减少了一半的拆接管柱次数，大大降低了作业故障率，使作业效率提高了50%。

关键词自动二层台，排管装置，管柱弯曲，提高自动化程度，三单根立柱Brief Analysis of the Role of Double-Deck Technology in Ocean Drilling and Workover RigDonghui Ma 1, Changjun Wang 1, Lichen Luo 1, Jiaqi Wang 2*, Kang Chen 2, Quan Liu 21CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin2Hubei Juyuan Petroleum Automation Equipment Co., Ltd., Wuhan HubeiReceived: Mar. 9th , 2023; accepted: Jun. 2nd , 2023; published: Jun. 14th, 2023*通讯作者。

双梯度钻井技术1 双梯度钻井技术简介双梯度钻井（双密度钻井）方法(Dual Gradient Drilling)是一种非传统钻井方法，它使用相对小直径的返回管线(RL)把钻井液和钻屑从海底循环到海面钻井船的泥浆系统。

双梯度钻井技术是国外在60年代提出的一项新技术，由于它能够解决一系列的深水钻井问题，例如，保持钻机稳定性、防止隔水管脱扣、地层孔隙压力与地层破裂压力窗口小，难于控制钻井液密度、海底的不稳定性、浅层水流、天然气水合物等，因此，20世纪90年代，双梯度钻井技术在国外得到了快速发展，取得了一系列成果。

（1）双梯度钻井的原理[30]双梯度钻井是一种控制压力钻井技术，该技术的主要思想是：隔水管内充满海水(或不使用隔水管 )，采用海底泵和小直径回流管线旁路回输钻井液；或在隔水管中注入低密度介质(空心微球、低密度流体、气体)，降低隔水管环空内返回流体的密度，使之与海水相当，在整个钻井液返回回路中保持双密度钻井液体系，有效控制井眼环空压力，克服深水钻井遇到的问题，实现安全、经济钻井。

常规钻井在井眼环空中只有一个液柱梯度，即井底压力由水面到井底的钻井液柱压力来产生，井底压力表示为：TVD CD CD H p ρ0098.0= (3-1)式中 CD p ——常规钻井井底压力，Mpa ；TVD H ——井总垂直深度，m ；CD ρ——常规钻井液密度，g/cm 3 。

而DGD 钻井液返回回路中将产生两个液柱梯度，从水面到海底为海水或与海水密度相近的混合流体，而从海底到井底则为高密度的钻井液。

井底压力表示为：()W TVD DGD w w DGD H H H p -+=ρρ0098.00098.0 (3-2)式中 DGD p ——DGD 井底压力，Mpa ；w H ——水深，m ；w ρ——海水密度，g/cm3；——DGD钻井液密度g/cm3。

DGD图3-1所示为常规钻井和双梯度钻井钻井液静水压力曲线图。

由于深水海底疏松的沉积和海水柱作用，地层压力曲线和破裂压力曲线距离很近。

基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究王国荣１,２,钟㊀林１,刘清友２,３,周守为２,４①㊀(１ 西南石油大学机电工程学院,成都６１０５００;２ 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都６１０５００;３ 成都理工大学,成都６１００５９;４ 中国海洋石油集团有限公司,北京１０００２７)摘要㊀为安全高效的开发深水油气和水合物资源,亟需解决深水钻井的窄密度窗口和浅层水合物开采面临的地层漏失严重和开采效率低难题.国内外文献研究表明,国外同心钻杆㊁海底泵举升和隔水管充气双梯度钻井技术是解决上述难题的有效手段,但其钻井费用昂贵㊁且对国内技术封锁和垄断.基于此,该研究创新性提出一种基于双层管的双梯度钻井新方法;建立了基于双层管井下泵举升的双梯度钻井井筒压力调控理论及策略;发明了一套双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术.在此基础上,又创新性提出了一种基于双层管双梯度的深水水合物固态流化开发的新工艺,研发了一套天然气水合物射流破碎回收㊁原位分离回填和泵输一体化开采的工具管串系统,有望突破深水油气和水合物开采的技术和装备瓶颈,为深水油气和水合物的安全高效开采提供具有完全自主知识产权的双梯度钻井技术和装备.关键词㊀双层连续管;双梯度钻井;安全密度窗口;固态流化开采中图分类号:T E ３㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ７２９７(２０１９)z １Ｇ０２２５Ｇ０９d o i :１０．１２０８７/oe e t ．２０９５Ｇ７２９７．２０１９．z １．４４R e s e a r c ho nM a r i n eP e t r o l e u ma n dH y d r a t eD e v e l o p m e n t T e c h n o l o g yB a s e d o nD u a lG r a d i e n tD r i l l i n g o fD o u b l e ＧL a y e rP i pe W a n g G u o Ｇr o n g １,２㊀Zh o n g L i n １㊀L i uQ i n g Ｇy o u ２,３㊀Z h o uS h o u Ｇw e i ２,４(１ E n e r g y e q u i p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e /M e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g C o l l e g e ,S o u t h w e s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ,C h e n gd u ６１０５００,C h i n a ;２ S t a t eKe y L a b o r a t o r y of O i l a n dG a sR e s e r v o i rG e o l og y a n dE x p l o i t a t i o n ,S o u th w e s tP e t r o l e u mU ni v e r s i t y ,C h e n gd u ６１０５００,C h i n a ;３ C he n g d uU n i v e r s i t y of T e c h n o l og y ,Ch e n gd u ６１００５９,C h i n a ;４ C h i n aN a t i o n a lO f f s h o r eO i lC o r p o r a t i o n ,Be i j i n g １０００２７,C h i n a )A b s t r a c t ㊀F o r t h e s a f e a n d e f f i c i e n t e x p l o i t a t i o n o f d e e p w a t e r o i l Ｇg a s a n dh y d r a t e r e s o u r c e s ,i t i s u r g e n t t o s o l v e t h e p r o b l e mo fs e r i o u sf o r m a t i o nl e a k a gea n dl o w m i n i n g e f f i c i e n c y o fs h a l l o w h y d r a t e m i n i n g a n dn a r r o w d e n s i t y w i n d o wo f d e e p w a t e rd r i l l i n g ．D o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r er e s e a r c hs h o w st h a t f o r e i g nc o n c e n t r i cd r i l l p i pe ,s u b s e a p u m p l if ta n dr i s e r i n f l a t a b l ed o u b l eg r a d i e n td r i l l i n g t e ch n o l o g yi sa ne f f e c t i v e m e a n st os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s ,b u t i t sd r i l l i n g c o s t sa r ee x p e n s i v e ,a n dt e c h n o l o g y b l o c k a d ea n d m o n o p o l y fo r t h ed o m e s t i c ．B a s e do n t h i s ,an e w m e t h o do fd o u b l e Ｇg r a d i e n td r i l l i n g b a s e do nd o u b l e Ｇl a y e r p i p e i s p r o p o s e d ,t h e t h e o r y a n ds t r a t e g y o f d o u b l e Ｇg r a d i e n tw e l l b o r e p r e s s u r ec o n t r o lb a s e do n p u m p l i f to fd o u b l e Ｇl a y e r p i pei se s t a b l i s h e d ,a n das e to f e x p e r i m e n t a l t e s t t e c h n o l o g y o fd o u b l e Ｇg r a d i e n td r i l l i n g o fd o u b l e Ｇl a y e r p i p ei sd e v e l o pe d ．O nt h i sb a s i s ,an e w t e c h n o l o g yf o r s o l i d f l u i d i z a t i o nd e v e l o p m e n t o f d e e p Ｇw a t e r h y d r a t e s b a s e d o nd o u b l e Ｇg r a d i e n t o f d o u b l e Ｇl a y e r p i p e i s p r o p o s e d ,a n d a s e t o f t o o l s t r i n g s y s t e mf o r g a sh y d r a t e j e t b r e a k a g e r e c o v e r y ,i n Ｇs i t u s e p a r a t i o nb a c k f i l l a n d p u m pt r a n s p o r t a t i o n i s d e v e l o p e d ,w h i c h i s e x p e c t e d t o b r e a k t h r o u g h t h e b o t t l e n e c k o f d e e p Ｇw a t e r o i l a n d g a s a n dh y d r a t e m i n i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t ,a n d p r o v i d e d o u b l e Ｇg r a d i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i pm e n t w i t h f u l l ①㊀㊀收稿日期:２０１９Ｇ８Ｇ３１;修回日期:２０１９Ｇ１１Ｇ１㊀㊀基金项目:双梯度钻井系统关键技术研究及应用(２０１８Y F C ０３１０２００)㊀㊀作者简介:王国荣(１９７７ ㊀),男,博士,教授,主要从事深水双梯度钻井和水合物开发技术及装备领域研究.第６卷增刊㊀２０１９年１１月海洋工程装备与技术O C E A NE N G I N E E R I N GE Q U I P M E N T A N DT E C HN O L O G YV o l ．６,S u p p l ．N o v ．,２０１９２２６㊀ 海洋工程装备与技术第６卷i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y r i g h t s f o r s a f e a n de f f i c i e n t d e v e l o p m e n t o f d e e p Ｇw a t e r o i l a n d g a s a n dh y d r a t e ．K e y wo r d s ㊀d o u b l e Ｇl a y e r p i p e ;d u a l g r a d i e n t d r i l l i n g ;s a f e t y d e n s i t y w i n d o w ;s o l i d Ｇs t a t e f l u i d i z a t i o nd e v e l o p m e n t ０㊀引㊀言我国经济社会的高速发展对油气的需求逐年增加,供需矛盾日益突出.２０１８年石油的对外依存度已达７０．９％,严重威胁国家能源安全(见图１和图２).寻找新的油气资源是国家重要战略需求,除页岩气等非常规资源外,开发深水油气资源是保障国家能源安全的迫切需要,也是缓解目前供需矛盾的重大举措.天然气水合物矿藏开发是我国能源战略长远规划新能源的战略举措.天然气水合物资源其储量相当于全世界已知煤炭㊁石油和天然气等能源总储量的两倍.南海孕育着十分丰富的天然气水合物资源和深海油气资源,但７０以上都在深水.海洋深水钻井时由于海底疏松沉积物和海水柱作用,造成深水钻井安全密度窗口变窄,常规钻井技术面临井涌和井漏等系列问题[１].深水油气开发的难题:深水油气钻井风险大,成本高.①深水钻井相对陆地多了海水段,造成深井孔隙压力与破裂压力之间的安全窗口窄,钻井风险大.②现行工艺采用多层套管来封隔海底浅表层和易漏产层,单井成本达２亿元以上.近年来我国完成深水井近５０口,因井涌㊁井漏等复杂事故造成的损失超１０亿.天然气水合物开发难题:水合物开发比油气难度更大,易引发地质灾害.①海洋水合物绝大部分埋藏在深水海底的疏松浅表层(水深＞３００m ,埋深０~４００m );②常规钻井方法浅表层漏失严重,打破水合物相态平衡易造成地质灾害[２](见图３);③地层弱胶结,井壁稳定性差.双梯度钻井技术使得孔隙压力与破裂压力间的余量相对增大,更能较好控制井眼环空压力和井底压力,防止井漏㊁井涌事故发生(见图４),因此,其出现使深海钻井面临的问题迎刃而解.图１㊀我国油气产量及消费缺口图２㊀我国油气对外依存度(a)(b)图３㊀常规钻井技术引发的井漏和井涌地质灾害(a )常规钻井方法浅表层地层漏失㊀(b)水合物开采的钻井的地质灾害１㊀国内外深水双梯度钻井技术的研究双梯度钻井实质就是采用两种不同密度流体的组合来解决工程上的问题.目前国际上主要形成了三种解决思路.第一种,同心钻杆双梯度钻井技术[３],其思想是在井底安装旋转控制头,来隔开海增刊王国荣,等:基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究２２７㊀㊀图４㊀双梯度钻井技术水段的影响.第二种,采用海底泵从单独的管线将钻井液举升至海面[４].第三种,向隔水管段充入气体或者空心微球[５]等低密度介质,来实现隔水管段和地层的双密度压力梯度.在前面三条思路下,国外７０年代开始投入巨资展开相关研究工作,已经形成了R M R ㊁S M D ㊁D e e pV i s i o n ㊁S S P S 以及H G S 等为代表的双梯度钻井系统.目前国外开发了三种双梯度钻井技术方案:同心钻杆反循环双梯度钻井技术:首先钻井液从钻杆环控注入,其次井底钻井液及岩屑通过钻头反循环进入钻柱,实现钻井液携岩;然后通过海底井口液压系统和套管内封隔器控制井筒压力,实现双梯度钻井(见图５).代表产品:挪威A G RS u b s e a 公司和R e e l w e l l A S 公司的R D M 同心钻杆反循环双梯度钻井系统[６](见图６).优点:国内外已有的旋转控制装置㊁顶驱套管下入技术和控压钻井技术可解决同心钻杆反循环双梯度钻井面临的钻井难题.图５㊀同心钻杆反循环双梯度钻井技术原理示意图隔水管液位控制双梯度钻井技术[７]:首先通过在隔水管上安装泥浆举升系统,将隔水管内泥浆通过小管线举升到平台,通过举升泵的排量调节,降㊀㊀图６㊀同心钻杆反循环双梯度钻井系统低隔水管段泥浆液面高度,实现双梯度(见图７).代表性产品:C o n o c o ㊁B a k e r 和S h e l l 公司等的S M D 钻井系统(见图８),已在墨西哥湾海域１３６个区块投入使用.其优点是突发情况可切换到传统钻井形式;缺点是钻井技术成本高㊁工作可靠性低.图７㊀隔水管液位控制双梯度钻井技术原理示意图无隔水管海底泵举升双梯度钻井技术[８,９]:其原理为通过在水下井口装置附近安装泥浆泵系统,将井筒内泥浆通过小管线举升到平台,通过举升泵的排量调节,降低井下环空液柱压力,实现双梯度(见图７).代表产品:挪威A G R S u b s e a 公司的R M R 无隔水管双梯度钻井系统(见图７),已在里海㊁S a k h a l i n 半岛㊁B a r e n t s 海域１００多口油井实施商业应用.优点在于减少了下套管的数量,节约了成本,提高了井眼的稳定性且井控能力好,已发展到了水深超过３６５７m 的R MR 系统现场试验[１０].２２８㊀ 海洋工程装备与技术第６卷图８㊀隔水管液位控制双梯度钻井系统关键设备图９㊀无隔水管海底泵举升双梯度钻井技术原理及系统关键设备双密度钻井技术:基于改变海床以上至水面上平台处隔水管的钻井液密度实现双梯度钻井(见图１０).代表作:MT I公司和路易斯安那大学的空心微球双梯度钻井系统[５],L S U隔水管气举[１１]和D G S隔水管稀释双梯度钻井系统[１２].D G S系统已商业应用,但其仍存在运行费用高㊁腐蚀严重和钻井液分离效率低问题.国外已实现双梯度钻井商业化应用,但国内还处于研发初期阶段.中国海洋石油总公司的许亮斌[１３]等人发明了一种实现双梯度钻井的方法及装置和一种深水多功能水中泵钻井系统.中国石油大学殷志明[１４,１５]开展了双梯度钻井系统技术原理研究,且进行了系统的概念设计和选型.中国石油大学的张叶等[１６]创建了双梯度钻井海底泥浆圆盘泵设计方案及理论(见图１１).中国石油钻井工程技术研究院的王朝辉等[１７]开展了新型深水可控环空泥浆液面双梯度钻井理论研究(见图１２).胜利石油管理局钻井工艺研究院的马永乾等人开展了隔水管注气双梯度钻井基础理论研究[１８].中海油研究总院开展了海底泥浆举升双梯度钻井系统工艺技术及关键装置研发,但是还处在海底泥浆举升系统室内试验阶段(见图１３).西南石油大学发明了双层管双梯度钻井系统及结构方案[１９](见图１４).增刊王国荣,等:基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究２２９㊀㊀(a)㊀(b)图１０㊀双密度钻井技术(a )M T I 空心微球双梯度钻井㊀(b )L S U隔水管气举双梯度钻井图１１㊀海底泥浆举升的圆盘泵㊀㊀综上所述,国外双梯度钻井技术发展较为成熟,国内主要停留在双梯度钻井基础理论研究㊁样机室内试验测试和控制系统研发阶段,且对国内技术封锁和垄断.为了保障国家的能源安全,解决我国南海深水油气易漏产层和海底疏松表层安全钻井及海底浅层水合物漏失严重的难题,亟需研制我国具有自主知识产权的双梯度钻井系统,打破国外的技术垄断㊁安全高效开发我国深水复杂油气和水合物资源.２㊀双层管双梯度钻井新技术２．１㊀基于双层管的双梯度钻井新方法针对深水油气开发安全钻井的窄密度窗口和㊀㊀图１２㊀深水可控环空泥浆液面双梯度钻井系统高风险问题,西南石油大学能源装备研究院创新性提出了一种基于双层管的双梯度钻井新方法.双层管双梯度钻井原理:采用双层管,增加井下举升泵将钻井液从双层管内举升至水面,泥线上下环空形成双梯度静液柱(海水静液柱和钻井液静液柱)２３０㊀ 海洋工程装备与技术第６卷㊀㊀图１３㊀海底泥浆举升双梯度钻井实验系统图１４㊀双层管双梯度钻井系统(见图１５);基于泥线井口隔离液压力变化,调控水面泵送动力液流量和上返流体管路节流阀开度,实现井下举升泵扬程和排量的调控,实现泥线环空井底压力调控,降低地层漏失.该双层管双梯度钻井系统主要包含:平台流量控制单元㊁双层连续管㊁泥线井口隔离液压力测试装置和井下水力驱动举升泵模块(见图１５),其优点是不仅可以解决深水天然气水合物开发地层漏失严重问题,同时也可以解决深水油气开发的窄密度窗口问题.２．２㊀双层管井下泵举升的双梯度井筒压力调控理论㊀㊀双层管双梯度钻井控制系统的基础理论是全井筒多相流压力剖面精细调控,基于井下水力驱动举升泵的泵输特性,建立双梯度钻井井筒压力控制㊀㊀图１５㊀双层管双梯度钻井系统模型(见图１６).提出了双层管双梯度钻井井筒节点压力的调控与维持策略(见图１７),其原理是通过监测泥线井口隔离液液位或压力波动,合理调节泵入钻井液和井下举升泵泵出钻井液的流量差,调控井下举升泵的扬程,实现泥线环空井底压力的调控.２．３㊀双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术㊀㊀创新发明了一套双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术(见图１８),其可以验证双层连续管双梯度钻井控制工艺技术可行性,可开展双层管双梯度钻井系统的联调控制测试,对系统的关键设备和关键参数进行分步或联合试验和验证;检验水力驱动举升泵设计制造合理性及控制系统的压力梯度调控性能.３㊀基于双层管双梯度的水合物流化开采技术３．１㊀基于双层管双梯度的水合物固态流化开发新工艺㊀㊀基于双层管双梯度的水合物固态流化方法的工艺示意图如图１９所示,通过双层连续管和水合物增刊王国荣,等:基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究２３１㊀ ㊀㊀㊀图１６㊀双层管双梯度钻井井筒压力控制理论模型图１７㊀双层管双梯度钻井压力梯度调控策略图１８㊀双层管双梯度钻井的陆地试验井测试技术开采工具管串水平钻进形成领眼,回拖双层管的同时利用压控滑套喷射工具射流将水合物矿体破碎成水合物浆体,利用回收短节和井下水力驱动举升泵的负压抽吸将水合物矿浆收集进双层管密闭通道,再利用井下分离器分离出水合物矿浆中的泥砂,并将其回填至钻头远端采空区以防止储层的坍塌,经过分离净化后的水合物矿浆被输送至海面再进行后续统一处理.该工艺方法的优势是将传统钻井的裸眼环空动态循环转化为双层管内动态循环,将传统水合物开采方式的不可控转化为可控开采,提高水合物开采的安全性㊁降低水合物开发的工程地质灾害风险.３．２㊀基于双层管双梯度水合物固态流化开采工具管串系统㊀㊀双层管双梯度的水合物固态流化开采工具管串系统主要有水合物钻头㊁螺杆钻具㊁压控喷头㊁测２３２㊀ 海洋工程装备与技术第６卷㊀㊀图１９㊀基于双层管双梯度的水合物固态流化开采工艺示意图试短节㊁水力举升泵㊁桥式通道㊁原位分离器㊁双层单层管转换接头组成(见图２０),基于所设计的双层管双梯度水合物固态流化开采工具管串系统可实现天然气水合物射流破碎回收㊁分离回填输送的一体化开发,提高水合物的开采效率㊁降低地层的漏失.图２０㊀基于双层管双梯度水合物固态流化开采工具管串系统结构图４㊀结㊀语深水油气和水合物开发是一项庞大的系统工程,深水双梯度钻井技术和装备直接决定着海洋油气资源开发水平,是成功开发我国南海深水油气和水合物资源的关键.目前国际深水双梯度钻井已实现商业化应用,而我国深水油气双梯度钻井技术还停留在双梯度钻井基础理论研究㊁样机室内试验测试和控制系统研发阶段,与国外存在较大的差距.为此该研究创新性提出了一种基于双层管的双梯度钻井新方法,建立了基于双层管井下泵举升的双梯度钻井井筒压力调控理论模型和压力调控维持策略;同时发明了一套双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术.在此基础上,研发了一套具有完全自主知识产权的双层连续管双梯度水合物射流破碎回收㊁分离回填输送的一体化开发技术装备体系.为进一步加快我国深水油气和水合物资源的勘探开发速度,必须加强深海油气和水合物开采双梯度钻井技术装备方面的研究投入和研发团队建设,并创新技术革新体制,以形成一套适合我国深水油气和水合物钻采的技术体系,为我国的深水油气和水合物资源的商业化开发提供有力的技术装备支撑.参考文献[１]许亮斌,蒋世全,殷志明,等．双梯度钻井技术原理研究[J ]．中增刊王国荣,等:基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究 ２３３㊀ ㊀国海上油气,２００５(０４):２６０Ｇ２６４．X uL i a n g b i n,J i a n g S h i q u a n,Y i nZ h i m i n g,e t a l．S t u d y o n t h e p r i n c i p l eo fd o u b l eＧg r a d i e n td r i l l i n g t e c h n o l o g y[J]．C h i n a O f f s h o r eO i l&G a s,２００５(０４):２６０Ｇ２６４．[２]R u p p e l C,B o s w e l lR,J o n e sE．S c i e n t i f i c r e s u l t s f r o m G u l f o f M e x i c o g a sh y d r a t e sJ o i n tI n d u s t r y P r o j e c t L e g１d r i l l i n g:i n t r o d u c t i o n a n d o v e r v i e w[J]．M a r i n e a n d P e t r o l e u mG e o l o g y,２００８,２５(９):８１９Ｇ８２９．[３]V e s t a v i k,O．M．,B r o w n,S．C．,&K e r r,S．P．(２００９, J a n u a r y１)．R e e l w e l lD r i l l i l n g M e t h o d．S o c i e t y o fP e t r o l e u mE n g i n e e r s．d o i:１０．２１１８/１１９４９１ＧM S[４]Z i e g l e r,R．,A s h l e y,P．,M a l t,R．F．,S t a v e,R．,& T o f t e v a g,K．R．(２０１３,A p r i l１７)．S u c c e s s f u lA p p l i c a t i o no fD e e p w a t e r D u a l G r a d i e n t D r i l l i n g．S o c i e t y o f P e t r o l e u mE n g i n e e r s．d o i:１０．２１１８/１６４５６１ＧM S[５]C o h e n,J．H．,&D e s k i n s,W．G．(２００６,J a n u a r y１)．U s eo f L i g h t w e i g h t S o l i dA d d i t i v e sT oR e d u c e t h e W e i g h t o fD r i l l i n gF l u i d i nt h eR i s e r．S o c i e t y o fP e t r o l e u m E n g i n e e r s．d o i:１０．２１１８/９９１７４ＧM S[６]M i r r a j a b i,M．,N e r g a a r d,A．I．,H o l e,O．,&V e s t a v i k,O．M．(２０１０,J a n u a r y１)．R i s e r l e s sR e e l W e l l D r i l l i n g M e t h o dT oA d d r e s s M a n y D e e p w a t e r D r i l l i n g C h a l l e n g e s．S o c i e t y o fP e t r o l e u m E n g i n e e r s．d o i:１０．２１１８/１２６１４８ＧM S [７]F o n t a n a,P．,&S j o b e r g,G．(２０００,J a n u a r y１)．R e e l e dP i p e T e c h n o l o g y f o rD e e p w a t e rD r i l l i n g U t i l i z i n g a D u a lG r a d i e n t M u dS y s t e m．S o c i e t y o fP e t r o l e u m E n g i n e e r s．d o i:１０．２１１８/５９１６０ＧM S[８]G o n z a l e zR．S h e l l d r i l l i n g s y s t e m[R]．H o u s t o n:D O E/MM SD e e p w a t e rD u a lＧD e n s i t y D r i l l i n g W o r k s h o p,２００２．[９]F u r l o w W．S h e l l s s e a f l o o r p u m p,s o l i d s r e m o v a l k e y t o u l t r aＧd e e p,d u a lＧg r a d i e n t d r i l l i n g[J]．O f f s h o r e,２００１,６１(６):５４Ｇ５５．[１０]陈国明,殷志明,许亮斌,等．深水双梯度钻井技术研究进展[J]．石油勘探与开发,２００７(０２):２４６Ｇ２５１．C h e n G u o m i n g,Y i nZ h i m i n g,X uL i a n g b i n,e ta l．R e s e a r c hp r o g r e s s o nd o u b l eＧg r a d i e n td r i l l i n g t e c h n o l o g y i nd e e p w a t e r [J]．P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t,２００７(０２):２４６Ｇ２５１．[１１]L o p e s C．F e a s i b i l i t y s t u d y o nt h er e d u c t i o n o fh y d r o s t a t i c p r e s s u r e i nad e e p w a t e rr i s e ru s i n g a g a sＧl i f t m e t h o d[D]．B a t o nR o u g e:L o u i s i a n aS t a t eU n i v e r s i t y,１９９７．[１２]D eB o e rL．M e t h o da n da p p a r a t u s f o rv a r y i n g t h ed e n s i t y i nd r i l l i n g f l u i d si n de e p w a t e r o i ld r i l l i n g a p p l i c a t i o n s[P]．U n i t e dS t a t e sP a t e n t:６５３６５４０,２００３Ｇ０３Ｇ２５．[１３]许亮斌,殷志明,蒋世全,等．一种实现双梯度钻井的方法及装置[P]．北京:C N１９３２２３４,２００７Ｇ０３Ｇ２１．X uL i a n g b i n,Y i nZ h i m i n g,J i a n g S h i q u a n,e ta l．A m e t h o da n d d e v i c e f o r d o ub l e g r a d i e n t d r i l l i n g[P]．B e i j i n g:C N１９３２２３４,２００７Ｇ０３Ｇ２１．[１４]殷志明,陈国明,徐群,等．一种深水多功能水中泵钻井系统及其安装方法[P]．北京:C N１０２１５５１６３A,２０１１Ｇ０８Ｇ１７．Y i nZ h i m i n g,C h e n G u o m i n g,X u Q u n,e ta l．A d r i l l i n g s y s t e m f o r d e e p w a t e r m u l t iＧf u n c t i o n w a t e r p u m p a n di t si n s t a l l a t i o n m e t h o d[P]．B e i j i n g:C N１０２１５５１６３A,２０１１Ｇ０８Ｇ１７．[１５]殷志明．新型深水双梯度钻井系统原理㊁方法及应用研究[D]．青岛:中国石油大学,２００７．Y i n Z h i m i n g．P r i n c i p l e,m e t h o d a n d a p p l i c a t i o n o f n e wd e e p w a t e rd o u b l e g r a d i e n t d r i l l i n g s y s t e m[D]．Q i n g d a o:C h i n aU n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m,２００７．[１６]张叶．海底泥浆举升圆盘泵设计应用技术研究[D]．青岛:中国石油大学(华东),２０１５．Z h a n g Y e．R e s e a r c ho nd e s i g na n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y o f s u b m a r i n e m u d l i f t i n g d i s c p u m p[D]．Q i n g d a o:C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m(e a s tC h i n a),２０１５．[１７]王朝辉．C AM L钻井方法 一种新的双梯度钻井技术[A]．西安石油大学㊁陕西省石油学会㊁北京振威展览有限公司,２０１７:１０．W a n g Z h a o h u i．C AM L d r i l l i n g m e t h o d A n e w d o u b l eＧg r a d i e n t d r i l l i n g t e c h n o l o g y[A]．X i a nP e t r o l e u m U n i v e r s i t y,S h a a n x i P e t r o l e u mI n s t i t u t e,B e i j i n g Z h e n w e i E x h i b i t i o nC o．, L t d．,２０１７:１０．[１８]马永乾,孙宝江,邵茹,等．注气法双梯度钻井隔水管环空温度场模拟[J]．石油学报,２０１４,３５(０４):７７９Ｇ７８５．M aY o n g g a n,S u n B a o j i a n g,S h a o R u,e ta l．S i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l di nr i s e ra n n u l u so fd o u b l eＧg r a d i e n td r i l l i n g w i t h g a s i n j e c t i o nm e t h o d[J]．A c t aP e t r o l e i S i n i c a,２０１４,３５(０４):７７９Ｇ７８５．[１９]王国荣．双梯度钻井系统关键技术研究及应用[J]．中国科技成果,２０１９,２０(２):１１Ｇ１２．W a n g G u o r o n g．R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fk e y t e c h n o l o g i e s o fd o u b l eＧg r a d i e n td r i l l i n g s y s t e m[J]．C h i n a S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y A c h i e v e m e n t s,２０１９,２０(２):１１Ｇ１２．。