一种双梯度钻井系统及其钻井方法与流程

本发明涉及在钻井系统及其钻井方法，尤其涉及一种基于双壁钻杆的双梯度钻井系统及其钻井方法。

背景技术：

随着我国国民经济的持续快速发展，对石油天然气的需求不断增长，油气资源勘探开发向深海进军已成必然趋势。与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题。

当前，海上钻井使用的主要是单梯度钻井技术。单梯度钻井技术在同尺寸的井眼中只有一个液柱梯度，即井底压力由海面到井底的钻井液柱压力来产生，钻井液柱压力梯度均以海面为参考点。在深水钻井中，由于海底疏松的沉积物和海水柱影响，地层压力和破裂压力之间的间隙很小，使得钻井非常困难。国外上世纪90年代发展的双梯度钻井(dual-gradientdrilling，简称dgd)技术很好地解决了这个问题，采用该技术时，海底以上隔水管内流体密度与海水密度相近，钻井液柱的压力计算以海底为参考点，地层孔隙压力和破裂压力之间区域就相对变宽。井涌、井喷和井漏事故大大减少，不再需多层套管体系，节省下套管时间和固井时间，缩短建井周期，减少钻井时间和降低处理钻井事故的时间和成本，大大降低对钻井平台和钻机等钻井装备的要求。

国外目前己开展多个双梯度钻井系统的研究和应用：conoco领导的工业联合项目组研究的海底泥浆举升钻井(subseamudliftdrilling，简称smd)系统，美国bakerhughes和transocean公司研究的deepvision双梯度钻井系统，shell的海底泵系统(subseapumpingsystem，简称ssps)，maurer公司的空心微球(hollowglassspheres，简称hgs)双梯度钻井系统，agrsubsea公司的无隔水管钻井液回收系统(riserlessmudrecoverysystem，简称1zm助，路易斯安那州立大学研究的的隔水管气举、稀释双梯度钻井系统等。其中海底泥浆举升钻井系统于2001年底在墨西哥湾进行现场试验，并获得成功，目前己开始投入工业应用，具有良好的工业应用前景。

由此可知，双梯度钻井技术是一项应用前景广阔的深水钻井技术，它能克服深水特殊的自然环境、油藏条件带来的问题，能以更低廉的成本、更短的建井周期、更安全的作业、更高的产量实现深水油气勘探开发。该技术己经发展多种实现方法和装备系统，并己在现场进行工业应用。为加快我国深水石油开发的步伐，有必要针对中国海洋深水区块实际情况，跟踪和研究国外先进的dgd技术，借鉴其成功经验，开发适合我国国情且具有自主知识产权的深水钻井技术，形成一整套指导我国深水石油开发的钻井技术体系，对提高我国深水钻井技术水平具有重要的战略意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为加快我国深水石油开发的步伐，针对中国海洋深水区块实际情况，提供一整套指导我国深水石油开发的双梯度钻井系统以及双梯度钻井系统的钻井方法。

本发明的双梯度钻井系统是这样实现的：

第一种双梯度钻井系统，包括钻井泵组1、顶驱2、辅助泵装置3、数据监测控制系统4、顶驱适配装置5、隔水管20、常规防喷器组7、套管8、双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12，其中：

所述双壁钻杆9由同心的内钻杆91和外钻杆90组成，内钻杆91和外钻杆90之间构成环隙b17，内钻杆91的内部形成孔道a18；环隙b17用于向井底输送第一流体，孔道a18为第一流体返出流道，双壁钻杆9上部连接顶驱适配器5，下部连接转换短接10；

所述顶驱适配装置5安装在顶驱2和双壁钻杆9之间的旋转接头，顶驱适配装置5加工有孔道b50和孔道c51，孔道b50连通顶驱泥浆通道和环隙b17，孔道c51连通孔道a18和井口排出管线；

所述转换短接10加工有孔道d100、孔道e101和单向阀102，转换短接10下部连接常规钻具11和钻头12；

双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12自上而下依此连接后构成井下钻具组合；

所述钻井泵组1依此经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12与井底连通；再由井底依此经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51返回井口的排出管线；

隔水管20连接在常规防喷器组7上方，辅助泵装置3通过隔水管20与双壁钻杆9外部的环空连通；

数据监测控制系统4与辅助泵装置3连接并监测辅助泵装置3的流量。

第二种双梯度钻井系统，包括钻井泵组1、顶驱2、辅助泵装置3、数据监测控制系统4、顶驱适配装置5、旋转放喷装置6、常规防喷器组7、套管8、双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12，其中：

所述双壁钻杆9由同心的内钻杆91和外钻杆90组成，内钻杆91和外钻杆90之间构成环隙b17，内钻杆91的内部形成孔道a18；环隙b17用于向井底输送第一流体，孔道a18为第一流体返出流道，双壁钻杆9上部连接顶驱适配器5，下部连接转换短接10；

所述顶驱适配装置5安装在顶驱2和双壁钻杆9之间的旋转接头，顶驱适配装置5加工有孔道b50和孔道c51，孔道b50连通顶驱泥浆通道和环隙b17，孔道c51连同孔道a18和井口排出管线；

所述转换短接10加工有孔道d100、孔道e101和单向阀102，转换短接10下部连接常规钻具11和钻头12；

双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12自上而下依此连接后构成井下钻具组合；

所述钻井泵组1依此经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12与井底连通；再由井底依此经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51返回井口的排出管线；

旋转放喷装置6连接在常规防喷器组7上方，辅助泵装置3通过旋转放喷装置6与双壁钻杆9外部的环空连通；

数据监测控制系统4与辅助泵装置3连接并监测辅助泵装置3的流量。

上述第一种或第二种双梯度钻井系统进一步优化方案还包括：

在顶驱适配装置5的井口排出管线上接入专用节流管汇19，专用节流管汇19配套钻井节流阀，数据监测控制系统4连接并监测钻井节流阀。

采用前述第一种或第二种双梯度钻井系统的钻井方法，包括以下步骤：

双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12构成井下钻具组合并伸入井眼内，上部连接顶驱适配器5，井下钻具组合和井眼之间形成环隙a14；

钻井泵组1注入第一流体经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12，进入环隙a14；环隙a14返回的第一流体经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51，然后通过排出管线到达下游泥浆处理系统；

辅助泵装置3向环隙a14内注入第二流体，用于调节环隙a14内的压力梯度；数据监测控制系统4用于监测辅助泵装置3注入的第二流体流量，从而确定第二流体在环隙a14内的高度。

采用第一种或第二种双梯度钻井系统进一步优化方案的双梯度钻井方法，包括以下步骤：

双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12构成井下钻具组合并伸入井眼内，上部连接顶驱适配器5，井下钻具组合和井眼之间形成环隙a14；

钻井泵组1注入第一流体经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12，进入环隙a14；环隙a14返回的第一流体经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51，然后通过排出管线和专用节流管汇19到达下游泥浆处理系统；

辅助泵装置3向环隙a14内注入第二流体，用于调节环隙a14内的压力梯度；数据监测控制系统4用于监测辅助泵装置3注入的第二流体流量，从而确定第二流体在环隙a14内的高度；同时数据监测控制系统4通过控制专用节流管汇19的钻井节流阀实现对返出双壁钻杆的第一流体的背压调节，通过对第一流体的背压调节同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。

前述双梯度钻井方法进一步优化方案包括：

所述的第二流体的密度大于第一流体的密度。

通过改变所述的第一流体的密度同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。

所述的环隙a14内的第二流体形成环形液柱，第二流体环形液柱下端位于转换短接10上部，第二流体不参与第一流体的整个循环过程；在环隙a14内的裸眼段内，不同深度处的第二流体静压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间。

所述的第一流体循环过程中，在转换短接10下部的环隙a14中形成的压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间。

本发明的优点包括（1）适应性强，能够应用于陆上钻井和海上钻井；（2）能够有效解深水钻井中，由于海底疏松的沉积物和海水柱影响，地层压力和破裂压力之间间隙很小导致的钻井复杂问题；（3）更低廉的成本、更短的建井时间、更安全的作业实现深水油气勘探开发；（4）本发明所提出的钻井系统及钻井方法，不仅适用于深水钻井，也适用于陆上钻井中的窄密度窗口等复杂钻井条件下的钻井。

附图说明

图1是本发明第一种双梯度钻井系统实施例1的总体设备及连接示意图。

图2是本发明第二种双梯度钻井系统实施例2的总体设备及连接示意图。

图3是常规钻井（单梯度钻井）的井身结构设计图。

图4是本发明一种双梯度钻井方法的井身结构设计图。

图中：1.钻井泵组，2.顶驱，3.辅助泵装置，4.数据监测控制系统，5.顶驱适配装置，6.旋转放喷装置，7.常规防喷器组，8.套管，9.双壁钻杆，10.转换短接，11.常规钻具，12.钻头，13.裸眼，14.环隙a，15.钻具止回阀，16.第二流体环形液柱下端，17.环隙b，18.孔道a，19.专用节流管汇，20.隔水管，50.孔道b，51.孔道c，90.外钻杆，91.内钻杆，100.孔道d，101.孔道e，102.单向阀。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述：

海上钻井过程中，采用常规单梯度钻井技术其钻井液（泥浆）静水压力曲线和井身结构如附图3所示。由于深水海底疏松的沉积和海水柱作用，地层压力和破裂压力曲线之间的间隙狭窄，常规钻井钻井液的静水压力（即图中泥浆静压力）曲线是从海面钻井船延伸的一条直线，该静水压力在很短的垂直距离上穿过钻井液密度窗口，很难将裸眼环空压力维持在这两条曲线中间，容易发生井漏事故。为了保证井身的质量，需要下多层套管柱（如图3设计7层套管都无法完全保证海底一开井段的顺利钻进）。

实施例1，如2所示，双梯度钻井系统应用于无隔水管海上钻井。一种双梯度钻井系统包括钻井泵组1、顶驱2、辅助泵装置3、数据监测控制系统4、顶驱适配装置5、旋转放喷装置6、常规防喷器组7、套管8、双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12。双壁钻杆9由同心的内钻杆91和外钻杆90组成，内钻杆91和外钻杆90之间构成环隙b17，内钻杆91的内部形成孔道a18；环隙b17用于向井底输送第一流体，孔道a18为第一流体返出流道；顶驱适配装置5为安装在顶驱2和双壁钻杆9之间的旋转接头，用于双壁钻杆9与顶驱2的连接；顶驱适配装置5加工有孔道b50和孔道c51；孔道b50连通顶驱泥浆通道和环隙b17，孔道c51连通孔道a18至专用节流管汇19；转换短接10加工有孔道d100、孔道e101和单向阀102，用于注入流体的流道转换以及孔道a18的启闭。在海底常规防喷器组7上部安装海底旋转放喷装置6，辅助泵装置3通过管线到达海底与环隙a14连通。

双壁钻杆9伸入井眼内，上部连接顶驱适配器5，下部连接转换短接10；转换短接10下部连接常规钻具11和钻头12；双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12构成井下钻具组合；井下钻具组合和井眼之间形成环隙a14，井眼由套管8和裸眼13组成,第二流体上端液位也可以位于辅助泵装置3与海底环隙a14的连接管线中。常规钻具11可以包括常规的单壁钻杆、单壁钻铤以及钻具止回阀15和井下测控工具等。

钻井泵组1注入第一流体经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12，进入环隙a14；环隙a14返回的第一流体经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51，然后通过排出管线到达下游泥浆处理系统。

辅助泵装置3用于向环隙a14内注入第二流体，用于调节环隙a14内的压力梯度；数据监测控制系统4用于监测辅助泵装置3注入的第二流体流量，从而确定第二流体在环隙a14内的高度。

实施例2，如图1所示，双梯度钻井系统应用于隔水管海上钻井。双梯度钻井系统，包括钻井泵组1、顶驱2、辅助泵装置3、数据监测控制系统4、顶驱适配装置5、隔水管20、常规防喷器组7、套管8、双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12。其中辅助泵装置3通过管线与隔水管20上部连通，从而与环隙a14连通，因此环隙a14也包括井下钻具组合与隔水管20形成的环隙，其余实施内容与实施例1相同。

实施例1和实施例2中，所述的环隙a14内的第二流体形成环形液柱，第二流体环形液柱下端位16于转换短接10上部，第二流体不参与第一流体的整个循环过程；在环隙a14内的裸眼段内，不同深度处的第二流体静压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间；所述的第一流体循环过程中，在转换短接10下部的环隙a14中形成的压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间；通过改变所述的第一流体的密度同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力；在顶驱适配装置5的排出管线和下游泥浆处理系统之间安装专用节流管汇19，专用节流管汇配套钻井节流阀，数据监测控制系统4通过控制钻井节流阀实现对返出双壁钻杆的第一流体的背压调节同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。

实施例3，一种双梯度钻井方法，包括以下步骤：

双壁钻杆9伸入井眼内，上部连接顶驱适配器5，下部连接转换短接10；转换短接10下部连接常规钻具11和钻头12；双壁钻杆9、转换短接10、常规钻具11和钻头12构成井下钻具组合；井下钻具组合和井眼之间形成环隙a14；

钻井泵组1注入第一流体经过顶驱2、顶驱适配装置孔道b50、双壁钻杆环隙b17、转换短接孔道e101、常规钻具11和钻头12，进入环隙a14；环隙a14返回的第一流体经过转换短接孔道d100、双壁钻杆孔道a18、顶驱适配装置孔道c51，然后通过排出管线到达下游泥浆处理系统；

辅助泵装置3用于向环隙a14内注入第二流体，用于调节环隙a14内的压力梯度；数据监测控制系统4用于监测辅助泵装置3注入的第二流体流量，从而确定第二流体在环隙a14内的高度。

所述的环隙a14内的第二流体形成环形液柱，第二流体环形液柱下端位于转换短接10上部，第二流体不参与第一流体的整个循环过程；在环隙a14内的裸眼段内，不同深度处的第二流体静压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间。所述的第一流体循环过程中，在转换短接10下部的环隙a14中形成的压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间。通过改变所述的第一流体的密度同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。在顶驱适配装置5的排出管线和下游泥浆处理系统之间安装专用节流管汇19，专用节流管汇配套钻井节流阀，数据监测控制系统4通过控制钻井节流阀实现对返出双壁钻杆的第一流体的背压调节同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。第二流体的密度大于第一流体密度。

采用本发明所提出的一种双梯度钻井系统及其钻井方法后，其钻井液（第一流体和第二流体）静水压力曲线和井身结构如附图4所示。环隙a14内为第二流体，其形成的第二流体静水压力曲线为一条直线。第二流体静水压力曲线与上部窗口线段和下部窗口地层线段相交（上部窗口线段为裸眼段最上端的地层压力和破裂压力的连线，下部窗口线段为裸眼段最下端的地层压力和破裂压力的连线），而且该直线也位于不同裸眼井深处的地层压力和破裂压力之间。井底压力的计算方法有两种：一种是井底压力等于第一流体在孔道a18内的循环压耗、第一流体在环隙a14下段（位于转换短接10下部的环隙a）的环隙循环压耗以及第一流体的整个井眼的静液柱压力之和；另一种是井底压力等于第二流体静液柱压力、第一流体在环隙a14下段（位于转换短接10下部的环隙a）的循环压耗以以及第一流体在环隙a14下段的静液柱压力之和。两种方法计算的井底压力相等，而且位于所钻裸眼段井底的地层压力和破裂压力之间。钻进过程中，不断调整第一流体密度以及第二流体在环隙a14中环形液柱的高度，从而保证环隙a裸眼段压力位于相应深度的地层压力和破裂压力之间。当在顶驱适配装置5的排出管线和下游泥浆处理系统之间安装专用节流管汇19时，井底压力的第一种计算方法也可表示为第一流体在孔道a18内的循环压耗、第一流体在环隙a14下段（位于转换短接10下部的环隙a）的环隙循环压耗、第一流体的背压以及第一流体的整个井眼的静液柱压力之和；因此，可以通过数据监测控制系统4控制钻井节流阀实现对返出双壁钻杆的第一流体的背压调节同时改变第二流体环形液柱的高度来调节井底压力，从而调节环隙a14中不同裸眼段深度的流体压力。

本发明的双梯度钻井系统及其钻井方法可将裸眼段环隙压力降低为一条从海面以下开始的一条直线，直线的斜率（相对于海面或者海底）大大减小，孔隙压力和破裂压力之间间隙就相对变宽，有一个相对较大的垂直距离保证安全钻进，减少套管使用层数，并使得深水复杂条件下钻井成为可能。