新型深水雙梯度鉆井系統(tǒng)原理、方法及應(yīng)用研究.pdf

1、雙梯度鉆井技術(shù)是于上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新型鉆井技術(shù)，在深水鉆井中具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，已取得良好的工業(yè)應(yīng)用效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合中國海洋石油總公司綜合科研課題“深水鉆井隔水管工程方法研究及雙梯度鉆井跟蹤應(yīng)用研究”和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域重大項目“南海深水油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及裝備”專項課題“深水鉆完井關(guān)鍵技術(shù)”，針對南中國海特有的強熱帶風(fēng)暴、內(nèi)波流等復(fù)雜的氣候環(huán)境和油氣藏特性，以及淺層災(zāi)害、

2、地層孔隙壓力和破裂壓力窗口狹窄等技術(shù)難題，基于鉆井工程、機械工程和海洋工程理論，開展雙梯度鉆井系統(tǒng)技術(shù)原理研究，考慮我國現(xiàn)有海洋油氣開發(fā)工程裝備能力，提出多梯度鉆井系統(tǒng)和新型多功能水中泵鉆井系統(tǒng)，進行系統(tǒng)的概念設(shè)計和選型，并對雙梯度鉆井系統(tǒng)在南中國海工業(yè)應(yīng)用進行初步研究，主要研究內(nèi)容如下： 1.雙梯度鉆井各種實現(xiàn)方案的技術(shù)原理研究 分析了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)、當(dāng)量循環(huán)密度降低工具、壓力泥漿帽鉆井系統(tǒng)、可控泥漿帽鉆井系統(tǒng)等控制壓力

3、鉆井系統(tǒng)的工作原理。進行海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)、空心球雙梯度鉆井系統(tǒng)、隔水管稀釋、隔水管氣舉等雙梯度鉆井系統(tǒng)的技術(shù)原理研究。分析雙梯度鉆井鉆井液密度可調(diào)范圍，提出雙梯度鉆井效果因子新概念，建立了隔水管氣舉兩相流模型，用于計算環(huán)空內(nèi)壓力分布、速度分布和含氣率分布，并給出一種計算隔水管底部氣體注入量的簡便方法。推導(dǎo)出雙梯度鉆井當(dāng)量密度計算公式，基于“自上而下”的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，開發(fā)了雙梯度鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計程序，可用于指導(dǎo)工程應(yīng)用。

4、2.多梯度鉆井系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備研究 通過對雙梯度鉆井技術(shù)原理的分析和改進，提出多梯度鉆井方法。多梯度鉆井是指將輕質(zhì)介質(zhì)在海底以下環(huán)空中一處或多處注入，在返回環(huán)空中產(chǎn)生多個壓力梯度，與雙梯度鉆井相比，多梯度鉆井能更好的匹配地層壓力間隙，可實現(xiàn)特殊復(fù)雜油氣層的鉆井作業(yè)。研究多梯度鉆井系統(tǒng)技術(shù)原理，建立多梯度鉆井井筒壓力模型，提出一種基于空心球注入法的多梯度鉆井系統(tǒng)概念模型，并進行系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備隨鉆旋轉(zhuǎn)分離及注入裝置設(shè)計和分離介質(zhì)流動分

5、布特征數(shù)值模擬。提出一種基于低密度流體注入的多梯度鉆井系統(tǒng)概念模型，進行系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備隨鉆注入接頭的概念設(shè)計，可為系統(tǒng)的進一步詳細設(shè)計和工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。 3.新型多功能水中泵鉆井系統(tǒng)研究 基于可控泥漿帽鉆井系統(tǒng)和海底泥漿舉升鉆井系統(tǒng)技術(shù)原理，采用TRIZ的多用性發(fā)明方法，提出一種新型多功能水中泵鉆井系統(tǒng)(MPUPS)。MPUPS可以布放在水中或海底，能實現(xiàn)雙梯度鉆井、可控泥漿帽鉆井、隔水管稀釋鉆井等多種控制壓力鉆井功能。

6、開展了MPUPS概念設(shè)計及系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計、選型和分析計算，進行夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)浮筒的詳細設(shè)計。采用有限元分析軟件ANSYS計算浮筒外壓作用、以及吊裝過程中強度特性。采用流體動力學(xué)分析軟件FLUENT，計算水中浮筒表面的壓力分布、流體阻力，以及水中浮筒動態(tài)速度響應(yīng)、動態(tài)位移響應(yīng)，分析計算結(jié)果表明，夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)浮筒能滿足深水工況要求。 4.水中泵雙梯度鉆井系統(tǒng)水力學(xué)分析計算 建立水中泵雙梯度鉆井井筒溫度分布預(yù)測模型，以及考

7、慮溫度和壓力對鉆井液密度影響的井筒壓力計算模型，編寫相應(yīng)模型的求解程序，可用于計算常規(guī)深水鉆井、無隔水管鉆井、海底泥漿舉升鉆井以及水中泵雙梯度鉆井的井眼壓力分布，計算結(jié)果與實例數(shù)據(jù)吻合。分析雙梯度鉆井中“U型管效應(yīng)”的主要影響因素，設(shè)計“U型管效應(yīng)”抑制工具一鉆柱閥。進行雙梯度鉆井井涌檢測和井控方法初步研究，編寫了雙梯度鉆井水力學(xué)分析計算和井控模擬程序，可用于鉆井設(shè)計和鉆井模擬。 5.雙梯度鉆井系統(tǒng)在南中國海應(yīng)用的先導(dǎo)性研究

8、 充分考慮我國海洋油氣開發(fā)工程裝備能力、南中國海復(fù)雜的氣候環(huán)境和油氣藏特性，提出一種結(jié)合套管鉆井的雙梯度上部井眼鉆井系統(tǒng)實現(xiàn)雙梯度鉆井技術(shù)在南中國海工業(yè)化的構(gòu)想，進行上部井眼鉆井系統(tǒng)概念設(shè)計和虛擬隔水管子系統(tǒng)的詳細設(shè)計。該系統(tǒng)具有套管鉆井和雙梯度上部井眼鉆井的優(yōu)點，可以減少作業(yè)時間，有效控制深水淺層災(zāi)害。開展適宜南中國海深水的雙梯度鉆井方法對比與優(yōu)選研究，研究表明空心球雙梯度鉆井系統(tǒng)為最優(yōu)方案。采用Monlre-Carlo方法和控制