一种实现双梯度钻井的方法及装置技术领械本发明涉及一种用于海上钻井的方法及装置，特别是关于一种实现双梯度钻 井的方法及装置。 背承技术在常规深水钻井中，钻井船和海底井口用隔水管连接，钻井液通过钻杆向下 流动，通过钻头，再向上流经钻杆和井眼之间的环空、已下入的套管段（导管段）、 海底以上的隔水管，循环返回钻井船。在整个钻井回路中只有泥浆一种压力梯度。在超过500m的深水中钻井，采用隔水管系统的常规钻井将容易出现常规钻井装备 和方法难以克服的技术难题，这包括：1、锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量， 给钻机稳定性增加了难度；2、隔水管除了承受自身重量，还承受严重的机械载荷， 如海流恶劣的海况等，在这种情况下，防止隔水管脱抠是一个关键问题。为了避 免船舶起伏时造成的任何松弛或者动态屈曲，起伏不定的轴向拉力应当保持为正 值；3、海底泥线处高压和低温环境对钻井液性能影响而产生特殊的难题；4、海 底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物对钻井可能引起的风险等；5、特别难 于控制钻井液当量密度在泥浆密度窗口 （地层孔隙压力和破裂压力间隙），在浅 水中，泥浆密度窗口 （如图13所示，倾斜的阴影线）"开"得非常靠进水面，从 而使得泥浆压力线（倾斜的虚线）保持在两个边界线之间，在很长的井段内可以 使用单一泥浆比重钻井。而在深水中，泥浆窗口 （如图14所示）向下平移，其"较小开口"使得将泥浆比重调整非常困难，特别是在泥线附近（图中"+ "字阴影 区和水平点划线之间的分界线），这主要是由于隔水管中的泥浆柱造成的。狭窄 的泥浆密度窗口对井身结构的质量和钻井作业造成了很大的影响： 一方面复杂的 套管程序(通常采用36 " 、 20 " 、 16 " 、 13-5/8 " 、 9-5/8 "和7 "套管），对经济性造成了巨大的影响；另一方面和传统的浅水相比，由于在巨大的隔水管中流 体流速非常缓慢，使得在深水钻井出现气泡比浅水中要迟的多；另外通过很长的 压井管线压力损失很大限制了压井循环的流速。使得井涌频繁而且控制非常困难。 为了解决以上问题，国外在上世纪60年代提出并在90年代得到大力发展的双 梯度钻井（也称双密度钻井、无隔水管钻井），该技术的主要思想是：去除隔水 管的使用或在隔水管内充满海水，采用海底泵和小直径管线旁路回输泥浆，或在 隔水管中注入低密度介质（空心微球、低密度流体、气体），来降低隔水管环空内流体的密度，使之与海水相当，在环空中形成两个压力梯度，有效控制井眼环 空压力、井底压力，克服深水钻井中遇到的问题。基于上述原理目前已开展多个双梯度钻井系统：Conoco领导的JIP研究的海底泥浆举升钻井（Subsea Mudlift Drilling,简称SMD)系统，Baker和Transocean研究的De印Vision双梯度钻并系 统，Shell的海底泵系统（Subsea Pumping System,简称SSPS)， MTI的空心球（Hollow glass spheres,简称HGS)双梯度钻井系统，AGR Subsea公司的RMR无立管泥浆回 收系统（Riserless Mud Recovery System,简称RMR) ， LSU的隔水管气举（稀释） 双梯度钻井系统等，下面分别进行分析如下：(1) Conoco、 Hydril海底泥浆举升系统：组建于1996年的SMD JIP研发了海 底泥浆举升钻井系统。在进行钻井作业时，泥浆经过钻杆、钻杆阀、钻头进入井 眼环空，在海底井口的一个海底旋转分离装置隔开了井眼环空和隔水管环空。泥 浆转而进入固相处理装置，固相处理装置处理包括岩屑在内所有直径大于40mm的 的固体颗粒，然后通过放置在海底的泥浆举升泵和独立的回输管线循环泥浆和钻 屑至地面进入泥浆循环池。(2) Baker、 Transocean的De印Vision双梯度钻井系统：De印Vision泵系 统实现双梯度钻井的原理与SMD海底泥浆举升钻井技术相^U不同点是De印Vision 泵系统应用了连续管钻井技术，海底使用National Oilwell制造电驱动离心泵， 离心泵叶片粉碎岩屑、水泥、橡胶等，保证海底泵不被损坏。在De印Vision系统 中，采用水下旋转控制头将隔水管和井眼隔开，隔水管内充满海水，用于提升海 底设备和离心泵系统，以及支撑动力和控制管缆，系统通过自动调节离心泵的速 率控制井底压力。(3) Shell海底泵系统：SSPS实现双梯度钻井的原理与SMD和De印Vision类 似，都是在海底使用海底泵。不同的是SSPS采用油田常用电潜泵。系统同时包括 水下固相处理装置，这套设备一方面将大的钻屑分离留在海底。自从一些作业者 在海洋钻井操作中提出"零排放"后，由于该系统将大的岩屑排放至海底，破坏 海底生态环境，因此限制了该系统的使用。(4) AGR海底RMR系统：AGR Subsea公司开发无隔水管双梯度上部井眼钻井系 统，获得2005年度的海洋技术会议新技术奖。该系统使用重的抑制钻井液钻上部 井眼，能够收集裸眼层段的返回物，可使顶部井眼的钻井液得以再次应用并且能 够控制钻屑的处理和废弃。该系统具有的优点为：提高井眼的稳定性；减少清洗; 提髙具有浅层气和浅层水流动的危险地层井控能力。(5) 毛勒技术公司（Maurer Technology Inc.,简称MTI)空心球双梯度钻井系统：MTI研究空心球双梯度钻井系统。在空心球双梯度钻井系统中，钻井液与 分离出的空心球重新混合形成低密度流体，并通过隔水管外一个单独的管线输送 到海底注入隔水管的底部，减少隔水管中钻井液的密度使其与周围的海水密度相 当。从环空返回海面的钻井液，通过100目滤网的振动筛从钻井液中分离出空心球 和钻屑，分离出的空心球和钻屑进入海水池，重的钻屑沉入底部，而轻的空心球 浮在水面，可以重新收集利用。通过振动筛后，大部分钻井液进入钻柱，小部分 钻井液与分离出的空心球重新混合形成低密度流体，泵送到海底注入隔水管内继 续循环。上述各种双梯度方案，海底泵方案由于需要庞大复杂的海底泵系统，系统可 靠性低、风险高，而且需要新的钻并作业和井控方法。而空心球双梯度方案由于 需要一个单独的管线向海底输送空心球，而且空心球回到海面需要一套复杂的分 离装置，占用平台空间。 发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种设备简单、费用低廉、性能良好， 可以实现双梯度钻井的方法及装置。为实现上述目的，本发明釆取以下技术方案：一种实现双梯度钻井的方法，其包括以下步骤：（1)将在海面混合有轻质微 球的钻井液，经泥浆泵通过钻杆送到井下；（2)通过至少一随钻分离注入装置， 将钻杆内的轻质微球从钻井液中分离出来，注入钻杆与井眼之间的环空，分离后 的钻井液继续沿钻杆向井下流动；（3)钻井液经过井下安全阀、钻头到达井底， 并通过井眼与钻杆之间的环空返回；（4)从井底返回的钻井液在途经分离后进入 井眼与钻杆之间环空的轻质微球稀释后，在井眼与钻杆之间环空中形成至少两个 不同的压力梯度；（5)含轻质微球的钻井液从井眼与钻杆、钻杆与隔水管之间的 环空返回海面，通过钻井液处理装置，除去钻井液中的钻屑和废弃物后，重新调 整空心球的含量，继续循环利用。所述步骤（2)中的随钻分离注入装置为间隔设置的一个以上。 一种实现深水双梯度钻井的装置，其特征在于：它包括由钻杆，随钻分离注 入装置、井下安全阀、钻头组成的钻井装置，以及泥浆处理装置，经过所述钻井 装置的钻井液，通过所述钻杆与井眼之间的环空和钻杆与隔水管之间的环空连接 所述泥浆处理装置，所述泥浆处理装置的出口连接所述钻杆中心；所述随钻分离 注入装置包括一通过周向支撑装置设置在井眼内的圆柱型框架，一转动地设置在 所述圆柱形框架内的套筒，所述套筒的上、下分别连接所述钻杆， 一锥形壳体设置在所述套筒外面，并固定在所述圆柱形框架内，一轻质微球注入模块和一泥浆 注入模块分别设置在所述锥形壳体的顶部和底部，并固定在所述套简上，所述套 筒与所述锥形壳体周向对应设置有若干通孔，所述锥形壳体的顶部与所述轻质微 球注入模块及所述圆柱形框架对应设置有若干轻质微球注入通道，所述锥形壳体 的底部与所述泥浆注入模块及所述套简对应设置有多个泥浆注入通道。所述轻质微球注入模块和所述泥浆注入模块分别呈圆盘状，其上间隔设置有 上、下连通的腔室和不连通的腔室。所述井下安全阀包括环形的阀体，设置在所述阀体内的阀芯，所述阀体上设 置有若干泄压孔，所述阀芯上设置有若干钻井液流通孔，所述阀体与所述阀芯之 间设置有一弹簧，所述弹簧被压縮时，所述阀芯上的钻井液流通孔连通所述上、 下钻杆。所述井下安全阀的阀体由阀头、阀座和连接所述阀头、阀座的阀杆组成，所述阀头顶部和阀座底部分别设置有连接所述钻杆的螺纹；所述阀头内设置有一圈 凸环，所述阀芯的顶部位于所述凸环的底部，所述弹簧设置在所述阀芯顶部凸缘 与所述阀座之间；所述钻井液流通孔设置在所述阀芯的末端。所述井下安全阀的阀体由阀杆和连接在阀杆底部的阀座组成，所述阀杆顶端 和阀座底端封闭设置由连接所述钻杆的嫘纹；所述钻井液流通孔设置在所述阀芯 的上部，所述阀杆内设置有一围凸环，在所述凸环的上方设置一封闭所述阀芯上 部钻井液流通孔的压环，所述压环的底部顶在一设置在所述凸环底部的弹簧固定 块，所述弹簧点在所述弹簧固定座与所述阀座之间。本发明方法与现有各种双梯度钻井方法相比，其具有以下优点：1、本发明设 置了至少一个随钻分离注入装置，因此可以将钻杆内的轻质微球从钻井液中分离 出来，注入钻杆与井眼之间的环空，分离后的钻井液继续沿钻杆向井下流动，而 从井底返回的钻井液在途经分离后进入井眼与钻杆之间环空的轻质微球稀释后， 在井眼与钻杆之间环空中形成至少两个不同的压力梯度，从而通过注入点的设置 以及分离率的控制，使整个环空剖面的压力梯度呈线形变化，实现井底压力控制。 2、本发明方法在含轻质微球钻井液返回海面的钻井平台以后，只霈分离钻屑，而 不需要分离轻质微球，可将混有轻质微球的钻井液直接送入循环系统，通过钻杆 进入下一次循环。3、本发明在深水钻井作业中可以更好地匹配地层孔隙压力和破 裂压力窗口，简化井身结构，减少套管下入层数，节省时间和建井成本，减少或 消除了海底泵的使用，岩屑和碎片不通过海底泵，消除了海底泵的堵塞，不霈要 海底的电力和动力管线。4、本发明如果不考虑环空内岩屑的重量，隔水管内泥浆密度和钻杆内泥浆密度相等，因此不会产生U-型管效应。5、本发明易控制由于地 层孔隙压力较大使油气进入泥浆引起的井喷等事故，容易保持海水的梯度。6、本 发明具有双梯度钻井的优点，使用的设备简单，占空间少，系统操作和控制相对 简单，不需要在海底和海面添加设备，而且所用材料价格便宜，经济性好，运行 成本低廉。本发明可以广泛用于各种深水钻井作业过程中。图l是本发明系统示意图图2是本发明单点设置随钻分离注入装置示意图图3是本发明两点设置随钻分离注入装置示意图图4是本发明三点设置随钻分离注入装置示意图图5是本发明随钻分离注入装置结构示意图图6是本发明随钻分离注入装置的周向支撑结构示意图图7是本发明海底随钻分离装置中轻质微球注入模块结构俯视示意图图8是本发明井下安全阀结构示意图图9是本发明井下安全阀的另一结构示意图图10是本发明井下安全阀关闭状态示意图图ll是本发明井下安全阀开启状态示意图 图12是本发明海面钻井液处理装置示意图 图13是浅水井泥浆密度窗口 图14是深水井泥浆密度窗口 具伴实滩方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。如图1所示，深水钻井平台通常采用动态定位，并使用大直径隔水管l (例如 21英寸）来连接钻井平台2上的钻井设备和海底井口的防喷器组，引导钻头和其 它钻井工具从钻井平台2到海底井口，并传导泥浆和碎屑从海底井口到钻井平台 2。隔水管1由多个管段组成，各管段是带有联接器设备的特殊套管。隔水管1的 底端连接在海底防喷器组上，连接处通常包括一个可旋转的柔性接头，以随着钻 井平台2直接在海底井口上面移动。隔水管1的上端有个伸縮接头来补偿钻井平 台2的升沉，伸縮接头通过靠近平台月池的隔水管张紧器滑轮上的缆绳来保护钻 井平台2。钻井平台2上安装有钻井装置和泥桨处理装置。钻井装置包括：钻杆3、 随钻分离注入装置4，井下安全阀5和钻头6等，泥浆处理装置包括：振动筛7、 泥浆池8、输送泵9和旋流分离器10、钻井液存储池11和泥浆泵12等。本发明的随钻分离注入装置4连接在钻杆3上，随钻分离注入装置4可以在 整个钻杆3的一个位置上设置（如图2所示），也可以隔一段设置一个（如图3、 图4所示），形成多点设置。如图5、图6所示，随钻分离注入装置4包括一圆柱形框架41，圆柱形框架 41外围的上下设置有至少两组周向支撑装置42，每组周向支據装置42至少为三 个。每个周向支撑装置42均包括弹性的支撑杆421和连接在支撑杆421上的滚轮 422。圆柱形框架41的轴向设置一与圆柱形框架41转动连接的套筒43,套筒43 头部和尾部分别设置有与钻杆3连接的嫘纹431、432。当套筒43随钻杆3转动时， 圆柱形框架41周向的滚轮422与井眼13壁面之间的摩擦力可以使圆柱形框架41 不随钻杆3转动，而可沿井眼13上下方向滑动。如图5、图7所示，在套筒43顶部螺纹431的下方固定连接一轻质微球注入 模块44，轻质微球注入模块44呈圆盘状，具有多个相互分离的腔室441, 一部分 腔室441上下连通，另一部分腔室441上下隔绝（使用时上下堵上），连通的和不 连通的腔室441相互间隔1〜2个设置，连通的腔室441可以是两个或三个，腔室 441的数量是可以变化。在套筒43底部的螺纹432上方固定连接一泥浆注入模块 45，泥浆注入模块45与轻质微球注入模块44的结构大致相同，也分为连通的和 隔绝的腔室451。在圆柱形框架41与套筒43之间设置一与圆柱形框架41固定在 一起的锥形壳体46，在锥形壳体46的侧部设置与套筒43上的通孔433对应的若 干通孔461，在锥形壳体46顶部设置与圆柱形框架41上的通孔411对应的若干通 孔462，并与转动的轻质微球注入模块44上连通的腔室441配合形成若干轻质徼 球注入通道；在锥形壳体46底部设置有若干通孔463，在套筒43的周向设置有若 干通孔434，并与转动的泥浆注入模块45上连通的腔室451配合形成若干泥浆注 入通道。上述若千通孔的设置范围为3〜8个。当混合有轻质微球14的钻井液13不断从转动的钻杆3中心流入套简43，并 从套筒43的侧部通孔433经通孔461进入锥形壳体46后，随钻杆3 —起转动的 轻质微球注入模块44和泥浆注入模块45上的腔室441、 451，会间歇地与锥形壳 体46顶、底部的通孔462、 463连通，重量较轻的轻质微球14会从圆形框架41 顶部的通孔411进入钻杆3与井眼13之间的环空，重量较重的钻井液15会经通 孔463进入套筒43下部的通孔434回到钻杆3中心继续使用。由于此时的环空钻 井液轻质微球大量增加，钻井液密度降低，在井眼环空中形成两个密度梯度。如 果是多个随钻分离注入装置4将会使钻井液中的轻质微球14逐级减少，而使钻井 液的密度形成多个密度梯度。如图l、图8所示，井下安全阀5安装在钻头6上方，其作用是阻止钻井液在 钻杆3内自由下落，控制流经井下安全阀5的钻井液压力。井下安全阀5由阀头 51、阀座52和阀杆53组成的一阀体，阀头51的上部和阀座52的下部分别设置 有与钻杆3连接的螺纹。在阀头51内设置有一圏凸环54，在凸环54底部的阀杆 53内插设一阀芯55，在阀芯55顶部的凸缘56底部和阀座52之间设置一弹簧57, 在阀杆53的下部沿周向设置有几个泄压孔58，以调节弹簧57压縮或复位体积变 化时，阀杆53与阀芯55之间的压力始终处于与阀杆53外部的压力相同，在阀芯 55的末端沿周向设置了几个钻井液流通孔59。

当钻井平台上的泥浆泵12处于关闭状态时，作用在阀芯55上的钻井液不足 以克服弹簧57的预压力，井下安全阀5处于关闭状态，钻井液不能自由下落。当 泥浆泵工作，钻井液的压力达到足够大时，便会压縮弹繁57推动阀芯55向下运

敞开的空间，使井下安全阀5处于打开状^^钻井液可以通过井下安全阀5进入 下部钻杆。当井下安全阀5下部的压力大于上部压力时，被压縮的弹簧57便会带 动阀芯55逐渐复位，直至使井下安全阀5完全关闭。当需要调节井下安全阀5上、 下部压力时，可以通过更换弹簧57改变预紧力，进而改变井下安全阀5的打开压 力。

上述井下安全阀5的结构还可以釆取其它结构形式，如图9所示，阀杆53' 连接在阀座52'上，阀杆53'的顶部和阀座52'的底部分别设置有与钻杆3连接 的螺纹，阀杆53'内设置有一圈凸环54,在阀杆53'内设置有一阀芯55'，阀 芯55，底部固定在阀座52上，在凸环54和阀芯55之间插设一压环56，，压环 56，的底部顶在一弹簧固定块51，上，凸环54，上设置有若干通气孔，以使压环 压縮弹簧固定块51'时，没有阻力。弹簧固定块51'底部与阀座52'之间设置有 一弹簧57'，在阀杆53'的下部沿周向设置有几个泄压孔58'，在阀芯55'顶 部沿周向设置有几个钻井液流通孔59'。

上述结构的井下安全阀5，如图10所示，当作用在阀芯55'上的钻井液不足 以克服弹簧57的预压力，压环56'便从周向堵住阀芯55'上的钻井液流通孔59'， 使井下安全阀5处于关闭状态；如图11所示，当泥浆泵工作，钻井液的压力达到 足够大时，钻井液便会顶压压环56'向下运动，使阀芯55'上的钻井液流通孔59' 逐渐露出来，钻井液可以从井下安全阀5通过，并经井下安全阀5下方的钻杆3 通过钻头6，并如相应技术那样从钻头6返回到钻杆3与井眼13之间的环空。当 井下安全阀5下部的压力大于上部压力时，被压縮的弹簧57'便会带动弹簧座51，向上运动，推动压环56'逐渐复位，直至使井下安全阀5完全关闭（如图10所示）。 当需要调节井下安全阀5上、下部压力时，可以通过更换弹簧57改变预紧力，进 而改变井下安全阀5的打开压力。

如图12所示，设置在钻井平台2上的泥浆处理装置可以使用一些常规装置， 包括一振动筛7，振动筛7可以将从钻杆3与隔水管1之间的环空中返回的钻井液 中大尺寸的钻屑和废弃物去除，振动筛7的底部连接一泥浆池8,泥浆池8上设置 一输送泵9，输送泵9可以将泥浆池8中的钻井液送入一常规的旋流分离器10， 通过旋转分离，将钻井液中的小尺寸钻屑从旋流分离器10底部排除，旋流分离器 10的顶部连接一钻井液存储池11 (如图1所示），在钻井液存储池11中可以补充 轻质微球14,钻井液存储池ll上设置一泥衆泵12，泥浆泵12的出口通过管路连 接钻杆3中心，在管路上连接一阀门16，开启阀门16,启动输送泵15，便可以向 钻杆3中心供混合有轻质微球14的钻井液15。

通过以上对本发明装置和作用的描述可知，本发明实现双梯度钻井的方法包 括以下步骤：

(1) 将轻质微球14 (材料可以是玻璃、塑胶、合成复合材料、金属等）和钻 井液在海面混合，然后送入钻杆3中心进入井下；

(2) 钻井液至少经过一个随钻分离注入装置4，在重力的作用下，轻质微球 14从钻井液中分离出来，并从随钻分离注入装置4的上部进入钻杆3与井眼13 之间的环空；

(3) 继续从随钻分离注入装置4底部流入下部钻杆3的钻井液，经井下安全 阀5、钻头6等到达井底，然后沿钻杆3和井眼13之间的环空返回；

(4) 从随钻分离注入装置4分离进入钻杆3与井眼13环空的轻质微球14将稀释 从井底返回的钻井液，在井眼环空中形成两个不同的压力梯度，进而实现了双梯 度钻井；

(5) 携带轻质微球14的钻井液通过钻杆3与井眼13之间的环空、隔水管l与钻 杆3之间的环空返回海面，进入泥浆处理装置，除去钻井液中的钻屑和废弃物后， 重新调整轻质微球14的含量，继续循环利用。

本发明可以设置单个或多个随钻分离注入装置4，从而实现多梯度钻井。 例如：在深水井中，水深为丛海底到井底的尺寸为力（t)，则钻井的总深度

"为：

根据钻井实际的需要可以设置一个或多个注入点，这些注入点位置可以固定，也可以随钻井的不断移动。井底压力尸为：(1) 单注入点（如图2所示）formula see original document page 12(2) 双注入点（如图3所示）formula see original document page 12由此可知，对多级多梯度钻并（如图4所示)，井底压力尸为：如上（l)点所示单注入，当有轻质微球注入钻井液中，则钻井液的密度变为：formula see original document page 12 (5)式中，/^""^井液密度，g/cm3; P,—不含轻质微球的钻井液的密度，g/cm3; A—轻质微球的密度，g/cm3;广轻质微球的浓度（％)， 厶是两个注入点之间的距离，或者是两个注入点之间套管的长度，根据地层压力情况确定，霈要用计 箅机程序进行确定。采用本发明方法实现双梯度钻井技术，环空压力能够很好地匹配地层孔隙压 力和破裂压力间隙，能实现"移动的海底（与海水密度相等的深度增加，可以超 过海底，最深到注入点）"，使双梯度钻井技术得以延伸，有效地减少了深水钻 井中存在的问题。