摘要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、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、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、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。
关键词双层连续管;双梯度钻井;安全密度窗口;固态流化开采
0引言
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、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、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、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。
1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RMR、SMD、DeepVision、SSPS以及HGS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AGRSubsea公司和ReelwellAS公司的RDM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、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。
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，降低隔水管段泥浆液面高度，实现双梯度(见图7)。代表性产品：Conoco、Baker和Shell公司等的SMD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、工作可靠性低。
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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AGRSubsea公司的RMR无隔水管双梯度钻井系统(见图7)，已在里海、Sakhalin半岛、Barents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RMR系统现场试验[10]。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：MTI公司和路易斯安那大学的空心微球双梯度钻井系统[5]，LSU隔水管气举[11]和DGS隔水管稀释双梯度钻井系统[12]。DGS系统已商业应用，但其仍存在运行费用高、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)。
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、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、安全高效开发我国深水复杂油气和水合物资源。
双层管双梯度钻井新技术
2.1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)(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、双层连续管、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。
2.2双层管井下泵举升的双梯度井筒压力调控理论
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 图15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。
2.3双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术
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。
3基于双层管双梯度的水合物流化开采技术
3.1基于双层管双梯度的水合物固态流化开发新工艺
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、降低水合物开发的工程地质灾害风险。
3.2基于双层管双梯度水合物固态流化开采工具管串系统
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、螺杆钻具、压控喷头、测试短节、水力举升泵、桥式通道、原位分离器、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、分离回填输送的一体化开发，提高水合物的开采效率、降低地层的漏失。
4结语
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、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、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。
