双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征

文章编号：1000 − 7393(2023)04 − 0418 − 06 DOI: 10.13639/j.odpt.202205053
双层连续管双梯度钻井井筒钻井液
当量循环密度分布特征
郝希宁1 何玉发1 程兵1 张更2 李军2
1. 中海油研究总院有限责任公司；
2. 中国石油大学(北京)石油工程学院
引用格式：郝希宁，何玉发，程兵，张更，李军. 双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征［J ］. 石油钻采工艺，2023，45（4）：418-423.
摘要：双层连续管钻井是一种新型双梯度钻井技术，为了分析双层连续管钻井井筒ECD 分布特征，研究基于双层连续管钻井工艺特点，考虑井筒温度、压力和岩屑浓度等参数影响，建立了双层连续管双梯度钻井井筒ECD 计算模型，分析了钻井液排量和钻井液密度等因素对井筒ECD 的影响规律。

案例井计算结果表明，井筒ECD 随着钻井液排量和密度的增加而增大，机械钻速的增加对井筒ECD 的影响较小，双层管尺寸需结合井眼尺寸和循环压耗进行优选。

双层连续管双梯度钻井可有效降低井底ECD ，在钻井过程中可通过调整钻井液排量和密度实现井筒压力的动态控制，为应对深水钻井压力窗口窄和浅层易发生漏失等难题提供了一种有效的解决方法。

关键词：双层连续管；双梯度钻井；深水；井筒压力；ECD 中图分类号：TE245 文献标识码： A
Well ECD distribution characteristics during dual-layer coiled tubing dual-gradient drilling
HAO Xining 1, HE Yufa 1, CHENG Bing 1, ZHANG Geng 2, LI Jun 2
1. CNOOC Research Institute Co., Ltd., Beijing 100028, China ;
2. College of Petroleum Engineering , China University of Petroleum (Beijing ), Beijing 102249, China
Citation: HAO Xining, HE Yufa, CHENG Bing, ZHANG Geng, LI Jun. Well ECD distribution characteristics during dual-layer coiled tubing dual-gradient drilling ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(4): 418-423.
Abstract: Dual-layer coiled tubing drilling is a novel dual-gradient drilling technique. In order to analyze the ECD distribution characteristics in the well during dual-layer coiled tubing drilling, a computational model for calculating well ECD based on the characteristics of dual-layer coiled tubing drilling technology was developed, taking into account parameters such as well temperature,pressure and cuttings concentration. The impacts of drilling fluid displacement and density on well ECD were analyzed. The case study indicate that the well ECD increases with the increase of drilling fluid displacement and density, while slightly influenced by the increase of penetration rate. And the dimensions of the dual-layer coiled tubing need to be optimized based on the well size and circulating pressure loss. The dual-layer coiled tubing dual-gradient drilling technique can effectively reduce the bottomhole ECD, and achieve dynamic control of well pressure by adjusting drilling fluid displacement and density during drilling, providing an effective solution for addressing challenges such as narrow pressure windows in deepwater drilling and shallow leakage.
Key words: dual-layer coiled tubing; dual-gradient drilling; deep water; well pressure; ECD
基金项目: 国家重点研发计划项目“双层连续管双梯度钻井工艺及应用研究”(编号2018YFC0310205)。

第一作者: 郝希宁(1983-)，2010年毕业于中国石油大学(北京)油气井工程专业，获博士学位，现主要从事钻井工艺和井控等方面的研究
工作，高级工程师。

通讯地址：(102218)北京市昌平区蓬莱苑南街中海油科技园区B1008。

E-mail: ***************.cn
第 45 卷 第 4 期石 油 钻 采 工 艺
Vol. 45 No. 4
2023 年 7 月OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY July 2023
0 引言
在深水环境条件下，目标地层受海水段压力和岩层段压力的共同作用，导致其上覆岩层压力较低［1］，造成了地层孔隙压力和破裂压力之间安全密度窗口窄，易发生井喷和井漏等复杂情况，给深水油气和水合物的勘探及开发带来了巨大挑战［2］。

常规深水钻井工艺采用单一的钻井液密度，随着水深的增加隔水管内钻井液液柱压力与海水液柱压力差越来越大［3］，使得井筒环空从泥线便开始承受了较大的液柱压力，通常需要通过增加套管层数来保障足够的作业窗口［4］。

因此，常规深水钻井工艺面临了两方面的挑战：一方面是安全密度窗口窄易造成喷、漏、塌、卡等复杂情况［5］，增加了井控风险，给作业安全带来了挑战［6］；另一方面，套管层数增加意味着更多的工期和费用［7］，而且可能会导致无法钻至目的层，或是井眼尺寸无法满足地质和油藏的要求［8］。

为了应对深水钻井安全密度窗口窄的挑战，很多新技术得到了发展和应用［9］，包括地层安全密度窗口精确预测(钻前和随钻地层压力分析等)［10］、地层安全密度窗口的优化和控制(采用化学方法增加浅部地层破裂压力、控压钻井等)［11-12］。

其中，双梯度钻井可有效扩大地层安全密度窗口，被认为是解决深水窄压力窗口最有效的方法之一［13］。

而且，双梯度钻井工艺有利于早期井涌监测，减少井下复杂情况，保障钻井作业安全［14］。

由于双梯度钻井技术的诸多优点，使其得到了快速发展［15-16］。

目前，主要有2种不同实现双梯度的方法：一种是将举升泵安装在海底或隔水管上，通过回流管线将钻井液举升至平台或控制隔水管液位，减小井筒环空ECD(当量循环密度)［17］；另一种是在海底处向隔水管内注入气体或空心微球等以减小隔水管内钻井液的密度，使井筒环空ECD更好地匹配地层安全密度窗口［18］。

为了有效解决深水浅层水合物开发面临的难题，周守为等学者［19］提出了固态流化开采方法，并提出了双层连续管双梯度钻井技术。

该技术能以更低的成本、更短的建井时间、更安全的作业实现深水油气和浅层水合物的勘探开发，其应用前景非常广阔［20-21］。

但该技术尚处于研发的初级阶段，很多方面还有待进一步探索，对双层连续管双梯度钻井井筒压力分布规律的研究还不够充分［22］。

笔者通过建立双层连续管双梯度钻井井筒的压力计算模型［23］，分析了钻井过程中井筒ECD分布特征，为钻井水力参数设计和井筒压力控制提供理论依据。

1 双层连续管双梯度钻井工艺
双层连续管是在常规连续油管工艺基础上发展起来的，开始应用于低压井和大斜度井等除砂作业。

双层连续管配合固态流化开采工艺，可为深水浅层水合物的开发提供有效的手段。

钻井液通过平台钻井泵经注入头进入双层管环空，经桥式通道进入内管，驱动井下马达，再经钻头水眼进入环空，携带钻屑和水合物浆体从桥式通道进入双层管内管，通过井下泵举升返回至平台，如图1所示。

图 1　双层连续管双梯度钻井示意图
Fig. 1 Schematic diagram of dual-layer coiled tubing
dual-gradient drilling
井下举升泵为返回钻井液提供动力，可有效降低井底压力，控制其在地层安全密度窗口之内，达到双梯度效果。

双层连续管钻井主要步骤：(1)通过双层连续管和井下工具组合钻进形成领眼；(2)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；(3)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；(4)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；(5)将经过分离净化后的水合物矿浆沿着内管输送至平台。

2 井筒压力计算模型
钻井过程中，钻井液从井口由双层管环空注入，经桥式通道后发生流道转换，进入双层管内管，再依次经过涡轮马达、动力钻具和钻头到达井底。

到达井底后，携带岩屑沿着双层管环空上返，经桥式通道由双层管环空进入双层管内管，再由举升泵提供动
郝希宁等：双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征419
力后继续向上流动至井口。

此外，地层与外管之间的井筒环空内是静止的海水、隔离液和钻井液。

双层管内管压力可以表示为
双层管环空压力可以表示为
井筒环空压力可以表示为
井底压力可以表示为
∆θ∆∆h m ρg h g ρs h s ∆p p ∆式中，p t 为双层管内管压力，MPa ；p s 为井口回压，MPa ；p f 为循环压耗，MPa ；ρm 为钻井液密度，g/cm 3；g 为重力加速度，m/s 2；h 为井深，m ；为井斜角，rad ；p s 为举升泵压降，MPa ；H 为举升泵所在井深，m ；p m 为双层管环空压力，MPa ；p p 为平台立管压力，MPa ；p m 为双层管环空沿程循环压耗，MPa ；p w 为井筒环空压力，MPa ；为钻井液段长度，m ；
为隔离液密度，g/cm 3；为隔离液段长度，m ；为
海水密度，g/cm 3；为海水段长度，m ；w 为井筒环空隔离液摩阻，MPa ；b 为井底压力，MPa ；p e 为双层管内管沿程循环压耗，MPa 。

从式(4)可以看出，由井下举升泵提供的压力能可有效降低井底压力。

ECD 由当量静态密度(ESD)与附加当量循环密度(AECD)组成，ESD 的准确计算归结到底是钻井液密度的计算；AECD 的计算实际上是循环压耗的计算。

通过钻井液密度测量实验（温度5~200℃，压力0.1~90 MPa ），分析温度和压力对钻井液密度的影响。

基于实验测量结果，利用多元线性回归模型分析方法，得到了不同温度和压力条件下，钻井液密度计算模型的表达式为
ϕ(p ,T )p p 0T ξ1ξ2ξ3ξ4ξ5式中，为随温度压力变化的钻井液密度，kg/m 3；为井筒压力，MPa ；为地面压力，MPa ，取值为0.1 MPa ；T 为井筒温度， ℃；0为地面温度， ℃，取值为15 ℃；、、、、为钻井液密度计算模
ρ0型的回归系数；为钻井液初始密度，kg/m 3。

基于实验测量结果，水基和油基钻井液密度计算模型的多元线性回归系数如表1所示。

表 1 钻井液密度计算模型回归系数
Table 1 Regression coefficients for drilling fluid density
calculation model 钻井液ξ1/10−5ξ2/10−7ξ3/10−5ξ4/10−6ξ5/10−6
水基
钻井液−7.982−7.058 1.218−4.797 3.904油基钻井液
−1.939
−6.837
3.152
−2.768
1.218
钻井液循环压耗与流变模式和流型有关，研究采用赫巴流变模式，层流状态下钻井液循环压耗为
f
求解紊流状态下钻井液循环压耗，首先需要通过迭代计算求出范宁摩阻系数，其表达式为
再利用范宁-达西公式求得循环压耗为
∆l d n v τ0式中，p v 为层流状态下钻井液循环压耗，MPa ；K 为稠度系数，Pa · s n ；为井深，m ；为环空水力直径，m ；
为流性指数；为环空平均流速，m/s ；为钻井液屈
服值，Pa 。

3 井筒ECD 分布特征分析
双层连续管双梯度钻井过程中，将外管与地层
之间的井筒环空ECD 控制在地层安全密度窗口内是安全钻进的关键。

井筒环空内是静止的流体，由空气段、海水段、隔离液段和钻井液段组成，海水密度与钻井液密度的差异凸显出双梯度的特征。

井筒环空ECD 受钻井液排量、钻井液密度、机械钻速、双层管尺寸等参数的影响。

以南海某深水井为例，该井为一口直井，采用四开井身结构，水深1 338 m ，井深3 326 m ，具体井身结构和钻具组合参数如表2、表3所示。

利用钻进参数进行模拟计算，并分析了钻井液排量、钻井液密度、机械钻速和双层管尺寸等主要参数对井筒环空ECD 分布特征的影响。

420
石油钻采工艺 2023年 7 月（第 45 卷）第 4 期
图2为双层连续管双梯度钻井井筒压力分布，可以看出，钻井液从外管柱注入随井深的增加钻井液压力也逐渐增加，经涡轮马达和钻头位置后，由于涡轮马达和钻头的压降较大，压力明显减小；上返过程中经举升泵位置时，由于举升泵提供了一定泵压，内管流体压力增加，而后随着上返过程，内管钻井液压力逐渐下降。

井筒环空压力由静止的海水、隔离液和钻井液提供，随着井深增加，井筒环空压力线性增加，在进入隔离液段后由于密度的差异出现拐点，井筒压力以另一个梯度线性增加，表现出明显的双梯度特征。

井下举升泵为返回钻井液提供动能，有效降低了井底压力，在此研究计算条件下，井下举升泵提供的压力降约4 MPa 左右。

对于整个循环流程，由于井下涡轮马达等井下工具压耗的影响，平台钻井泵的泵压也相应要求更高。

1 000
2 000
3 000
4 000
01020
3040
506070
井深/m 压力/MPa 破裂压力
孔隙压力
双层管内管压力双层管外管压力井筒环空压力
图 2　双层连续管双梯度钻井井筒压力分布曲线Fig. 2 Well pressure distribution curve in dual-layer coiled
tubing dual-gradient drilling
图3为不同钻井液排量条件下井筒环空ECD 分布剖面，可以看出，随着井深增加，井筒环空ECD 不断增加；在进入隔离液段后出现拐点，后又随着井深的增加逐渐增大。

这是由于随着钻井液排量的增加，循环压耗相应地增加，导致井底压力增加。

为了保持井底压力平衡，井筒环空中海水段长度减小，钻井液段长度增加，最终造成井筒环空ECD 增加。

同时，随着钻井液排量增加，井筒环空ECD 在隔离液段的拐点坡度更大。

01 0002 0003 0004 000
1.0 1.1 1.2
1.3 1.4 1.5
1.6 1.7
井深/m ECD/(g ∙cm −3)破裂压力
孔隙压力排量15 L/s 排量20 L/s 排量25 L/s 排量30 L/s
图 3　不同钻井液排量下井筒环空ECD 剖面Fig. 3 Well annular ECD profiles at different
drilling fluid displacements
图4为不同钻井液密度下井筒环空ECD 分布剖面，可以看出，随着钻井液密度的增加，重力压降相应地增加，造成钻井液静液柱压力增加，最终造成井筒环空ECD 增加。

同时随着钻井液密度增加，为了保持井底压力平衡，井筒环空中海水段长度显著减小，钻井液段长度显著增加。

01 0002 0003 000
4 000
1.0 1.1 1.2
1.3 1.4
1.5 1.6 1.7
井深/m ECD/(g·cm −3) 破裂压力
孔隙压力
钻井液密度1.1 g/cm 3钻井液密度1.2 g/cm 3钻井液密度1.3 g/cm 3钻井液密度1.4 g/cm 3
图 4　不同钻井液密度下井筒环空ECD 剖面Fig. 4 Well annular ECD profiles at different
drilling fluid densities
图5为不同机械钻速下井筒环空ECD 分布剖面，可以看出，随着机械钻速增加，内管中岩屑浓度增加，使钻井液密度增加，造成井底压力增加。

井底压力增加使井筒环空中海水段减小，钻井液段增加，最终井筒环空ECD 增加。

但岩屑浓度对钻井液密度影响相对较小，井筒环空ECD 变化也相对较小。

表 2 井身结构参数Table 2 Well structure parameters
开次井筒尺寸/mm 套管下深/m 水泥返高/m 一开508(套管外径)1 4451 364二开340(套管外径)2 0501 364三开244(套管外径)2 7501 364
四开
216(裸眼井径)
3 362
表 3 底部钻具组合参数
Table 3 Parameters of bottom hole assembly 井下工具名称长度/m 内径/mm
外径/mm 井下动力钻具21.3140压控滑套 1.847140举升泵10.150140流道转换接头0.8
50140双层连续管
89/127102/140
郝希宁等：双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征421
01 0002 0003 000
4 000
1.0
1.1 1.2
1.3 1.4
1.5 1.6 1.7
井深/m ECD/(g·cm −3)破裂压力
孔隙压力
机械钻速10 m/h 机械钻速20 m/h 机械钻速30 m/h 机械钻速40 m/h
图 5　不同机械钻速下井筒环空ECD 剖面Fig. 5 Well annular ECD profiles at different
rates of penetration
图6为不同双层管尺寸组合条件下井筒环空ECD 分布剖面，可以看出，不同双层管尺寸组合直接造成管内流体速度不同，影响循环压耗的大小，最终导致井底压力和地层ECD 的变化。

随着双层管直径的增大，井筒环空ECD 逐渐减小，但受制造技术水平和现场应用条件的限制，目前连续管的直径一般不超过Ø152.4 mm 。

在此研究条件下，优选内外管直径为Ø101.6 mm+Ø139.7 mm 的组合。

01 0002 0003 000
4 0001.0
1.1 1.2
1.3 1.4
1.5 1.6 1.7
井深/m ECD/(g·cm −3
)破裂压力孔隙压力
双层管尺寸Ø76.2 mm+Ø127 mm 双层管尺寸Ø88.9 mm+Ø139.7 mm 双层管尺寸Ø101.6 mm+Ø139.7 mm 双层管尺寸Ø101.6 mm+Ø152.4 mm
图 6　不同双层管尺寸下井筒环空ECD 剖面
Fig. 6 Well annular ECD profiles at different
dual-layer tubing sizes
4 结论
(1)双层连续管双梯度钻井通过井下举升泵提
供压力能可有效降低井筒环空ECD ，控制井筒压力在地层安全密度窗口之内。

ECD 在海水段保持与海水压力梯度一致，进入地层段时压力梯度发生变化，由隔离液和钻井液静液柱压力及摩阻共同作用。

(2)双层连续管双梯度钻井过程中，井筒环空ECD 受钻井液排量和密度的影响较大，机械钻速的影响较小，需结合加工制造能力优选双层管尺寸。

(3)双层连续管双梯度钻井技术还处于起步阶
段，还有很多方面需要进一步研究和完善。

例如，双层管钻井过程中抗拉和抗扭等力学性能分析、水下举升泵的水力特性和可靠性、双层管系统作业风险及应急措施等，为双层连续管双梯度钻井技术的应用和推广提供技术支持。

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［23］ （修改稿收到日期 2023-06-12）
〔编辑 李春燕〕
郝希宁等：双层连续管双梯度钻井井筒钻井液当量循环密度分布特征
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