深水油气资源丰富，约占全球油气资源的10%～15%。2000年以来，世界油气重大发现有一半位于深水区^[1–2]。深水钻井时由于海水柱和海底疏松沉积物的作用造成安全密度窗口窄，增加了套管层次，增长了非作业时间^[3–4]。针对深水钻井安全密度窗口窄的问题，20世纪70年代国外率先提出了双梯度钻井^[5]。双梯度钻井技术是采用技术手段将井底到海底、海底到海面分为2个压力梯度，使海底到海面压力梯度与海水相当^[6–9]。目前，双梯度钻井技术包括海底泵举升双梯度钻井^[10–11]、双密度双梯度钻井^[12–13]和无隔水管双梯度钻井^[14–17]等，其中海底泵技术已实现规模化工业应用，市场占有率位居前列^[18–20]。为进一步简化海底泵、回流管线等海底设备，基于双层管钻井技术^[21]，结合现有双梯度钻井技术，王国荣等人^[22]提出了双层管双梯度钻井技术。双层管双梯度钻井主要设备有双层管（双层连续管或双壁钻杆）、双壁钻杆顶驱适配器和井下水力举升泵等。双层管是钻井液泵入和回流的通道，可以有效保护井壁和储层；举升泵是双层管双梯度钻井的关键装置，可以有效降低井底压力。目前，围绕双层管双梯度钻井，已开展了一些理论研究和数值仿真分析。王江帅等人^[23]建立了双层管双梯度钻井井筒温度场预测模型，开展了井筒温度分布规律研究。郝希宁等人^[24]建立了双层管双梯度钻井井筒ECD计算模型，分析了钻井液排量、密度等参数对井筒ECD的影响因素。Wang Guorong等人^[25]开展了隔离液界面稳定性的影响因素分析，研究了环空流速、钻柱转速等参数对隔离液界面的影响。双层管双梯度钻井作为一种新的双梯度钻井技术，其系统组成、工作原理、井筒压力体系与现有双梯度钻井不同，因此需要通过实验来验证其可行性。

为此，笔者基于双层管双梯度钻井工作原理、双梯度形成原理及井筒压力控制原理，研制了一套双层管双梯度钻井室内联调实验装置，并利用该实验装置开展了不同钻井液排量、不同返出液排量下举升泵泵压的变化实验，分析了钻井液排量、返出液排量对举升泵泵压、效率的影响规律，验证了双层管双梯度钻井的可行性，为后续双层管双梯度钻井理论研究提供了实验依据。

1.   双层管双梯度钻井原理

1.1   基本原理

针对安全密度窗口窄的难题，双层管双梯度钻井技术通过调节钻井液排量和返出液排量，进一步调控井底压力，使裸眼段井筒压力在窄安全密度窗口内，实现在窄安全密度窗口内安全钻进。双层管双梯度钻井采用双层管（双壁钻杆或双层连续管），高压钻井液由钻井泵通过高压管汇注入双层管内外管环空，依次通过举升泵、井下工具管串、钻头、井底，再从井底通过举升泵、双层管内管返回钻井平台（见图1）；外环空由海水、隔离液和钻井液等3段液柱构成。隔离液是一种特殊凝胶，用来分隔上层海水和下层钻井液，作用相当于活塞。井下举升泵在高压钻井液的驱动下开始工作，协助举升回流钻井液，由于抽汲作用降低了举升泵下方的井筒压力，使井底压力降低，同时井底压力的降低导致隔离液液面降低，并在隔水管环空形成了海水段和钻井液段压力体系，从而形成双梯度。

图  1  双层管双梯度钻井原理

Figure  1.  Principle of double-layer pipe dual-gradient drilling

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1.2   井筒压力控制原理

双层管双梯度钻井控制井筒压力的方式有2种。第一种控制方式是调节返出液流量，该控制方式是通过调节节流阀开度实现的。井筒环空、双壁钻杆内管流道、双壁钻杆内外管环空流道在井底是连通的，当调节节流阀开度时，隔离液会随着井底压力变化而上下移动，井筒环空内钻井液会流入/流出井筒，使返出液流量减小/增大；同时，返出液流量的变化会导致轴流泵泵压发生变化（如图2所示），降低井底压力的效果随之改变。第二种控制方式是调节钻井泵钻井液排量。举升泵由涡轮、传动轴和轴流泵组成，轴流泵的动力由涡轮通过传动轴传递，而涡轮由动力液驱动，因此可以通过调节钻井泵钻井液排量来控制涡轮入口动力液流量，从而调节涡轮功率，调节举升泵输入功率及泵压，进一步调节井筒压力。

图  2  轴流泵泵压随返出液流量变化示意

Figure  2.  Variation of axial pump pressure with flow rate of return liquid

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2.   实验装置及流程

2.1   实验装置

为了探究双层管双梯度钻井的可行性和举升泵的工作性能，研制了一套双层管双梯度钻井室内联调实验装置（见图3）。钻井泵与钻井液池相连，为实验系统提供钻井液。钻井泵出口处安装有压力表和流量计，以测量钻井泵压力和排量。由于举升泵两端是双层通道结构，因此两边安装有2个接头，以方便连接。钻井液由钻井泵泵出后，依次经过压力表、流量计和接头1，驱动举升泵涡轮，由接头2返出后，经过压力表2，返回钻井液池。这条循环路线可以模拟实际工况下钻井泵泵出钻井液、驱动举升泵的工况。井底钻井液经过循环池、压力表、流量计和接头2，由举升泵吸入口吸入，通过举升泵举升，再依次经过压力表、节流阀，最后返回到循环池。节流阀用来给举升泵返出液排出口提供负载，模拟实际工况下回流管线的管路压力，即海水段压力；压力表4用于测量举升泵返出液排出口的压力。该实验装置可以模拟实际工况下井底流体（包括钻井液、岩屑和地层流体等），经过举升泵举升后返出井口的过程。

图  3  双层管双梯度钻井室内联调实验装置

Figure  3.  Laboratory inter-conditioning experimental device for double-layer pipe dual-gradient drilling

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整个实验系统由举升泵举升系统、钻井液循环系统、返出液循环系统和测量系统等4部分组成。

1）举升泵举升系统。举升泵是双层管双梯度钻井实验系统的核心，其主要作用是吸入井底钻井液，协助举升井底钻井液，使举升泵上方回流管线压力降低，降低井底压力，在环空隔离液系统配合下实现环空压力梯度变化。举升泵由涡轮、传动轴、轴流泵和密封系统等组成（见图4），其工作原理是钻井泵泵出高压钻井液驱动举升泵涡轮，涡轮通过传动轴带动轴流泵转动，轴流泵协助举升井底钻井液，从而降低井底压力。

图  4  井下水力举升泵的结构

Figure  4.  Downhole hydraulic lift pump structure

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2）钻井液循环系统。利用钻井液循环系统模拟高压钻井液驱动举升泵的工况。钻井液循环系统由钻井泵、压力表、流量计、循环管线和钻井液池组成，主要作用是为举升泵提供高压动力液，并测量不同钻井液排量下举升泵的压耗。

3）返出液循环系统。利用返出液循环模拟举升泵吸入并协助举升井底钻井液的工况。返出液循环系统由循环池、压力表、流量计和节流阀等组成，主要作用是为举升泵提供返出液，并测量不同钻井液排量、不同返出液排量下举升泵的泵压。压力表、节流阀及流量计接口撬装在同一底座上，以实现高压流体的安全流动，并方便管道连接。节流阀的主要功能是模拟井口回压，实现不同返出液流量的变工况调节；压力表安装在节流阀前，测量节流阀不同开度下的压力；流量计测量节流阀不同开度下的流量。

4）数据采集系统。数据采集系统主要包括计算机和数据采集卡，主要作用是对测量系统测量的数据进行监测与存储，便于后期数据的提取和分析。实验过程中，流量计、压力表测试的数据通过信号线将传递给数据采集系统，由数据采集系统接收处理后进行存储。数据处理软件采用C#编程，可以实时监测实验参数，并对测量数据进行存储。

2.2   实验流程

2.2.1   准备工作

检查管线和各处接头连接是否可靠、有无松动等情况。样机启动前，保证举升泵的吸入口阀门处于打开状态，举升泵返出液排出口阀门处于打开状态。设定往复泵（动力液泵送泵）的压力为5 MPa，设定流量为10 L/s，启动往复泵。举升泵样机运行10 min充分排气后进入测量阶段。

2.2.2   实验工况调节

1）启动往复泵，往复泵流量调至35 L/s，将举升泵返出液排出口节流阀全部关闭；

2）读取各个传感器、流量计和压力表的初始读数，并在纸质记录表和计算机上进行记录；

3）调节节流阀，逐渐增大举升泵返出液排出口节流阀开度，从而增大举升泵返出液流量，降低节流阀压力，并保证节流阀压力变化小于0.5 MPa；

4）调节节流阀开度，循环2 min后，记录各传感器、流量计和压力及的数据，直至节流阀的开度达到100%；

5）将往复泵流量分别调节为30，25，20和15 L/s，重复步骤1）—4）；

6）关闭泵组，打开举升泵出口节流阀，实验结束。

2.3   实验数据的处理方法

钻井液排量会影响举升泵的输入功率，从而导致举升泵泵压变化。举升泵设计工况是在20～25 L/s，测试钻井液排量分别为15，20，25，30和35 L/s时的举升泵泵压。同一钻井液排量下，通过调节节流阀开度可以改变返出液流量，测试同一钻井液排量下举升泵泵压与返出液流量的关系，可以为后续建立井筒压力控制模型提供实验数据支持。为节约实验时间和成本，手动调节节流阀，并记录返出液流量、钻井液排量及节流阀压力等数据。

基于伯努利方程，举升泵泵压计算公式为：

式中：$p_{\mathrm{lp}}$为举升泵泵压，MPa；${p_2}$为举升泵返出液排出口压力，MPa；${p_1}$为举升泵返出液吸入口压力，MPa；${v_2}$为举升泵返出液排出口速度，m/s；${v_1}$为举升泵返出液吸入口速度，m/s；$\rho$为钻井液密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；${z_2}$为举升泵返出液排出口位置，m；${z_1}$为举升泵返出液吸入口位置，m。

考虑压力损耗、轴承摩擦损耗、传动损耗等因素，根据现场测量数据计算举升泵总效率的公式：

式中：$\eta$为举升泵总效率；${Q_{{\text{out}}}}$为返出液流量，L/s；${p_{\text{p}}}$为钻井泵压力，MPa；${Q_{{\text{in}}}}$为钻井液排量，L/s。

3.   举升系统举升能力分析

不同钻井液排量下，调节返出液管线节流阀开度，测试相应工况下的节流阀压力、返出液流量等数据，计算得到举升泵泵压与返出液流量的关系，结果如图5所示。

图  5  不同钻井液排量下举升泵泵压与返出液流量的关系曲线

Figure  5.  Relationship between lift pump pressure and flow rate of return fluid under different drilling fluid flow rates

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从图5可以看出，不同钻井液排量下，举升泵泵压都随着返出液流量增大而降低；钻井液排量一定时，返出液排量对举升泵泵压影响较大。通过调节返出液排量，可以调节举升泵泵压，从而调节井底压力，证明了利用举升泵调控井筒压力的可行性。

钻井液排量为15 L/s时，举升泵泵压较小，最大泵压为0.26 MPa，这是因为钻井液排量为15 L/s时，钻井液流速较小，举升泵刚启动，从而使轴流泵转速较慢，功率较低，泵压较低。钻井液排量为20，25和30 L/s时，举升泵泵压随返出液排量变化的趋势相似，这是因为举升泵设计工况为25 L/s，钻井液排量为20～30 L/s时，运行工况变化不大，泵压随返出液排量变化的趋势相似。钻井液排量为35 L/s时，举升泵泵压升高，最大泵压为3.5 MPa，符合实验预期。但随后举升泵泵压随返出液排量增大而迅速降低，甚至与钻井液排量为30 L/s时的泵压−返出液排量曲线相交，结合实验现场结果，发现这是因为轴承摩擦和涡轮高速旋转导致温度升高，使机械效率显著降低。

不同钻井液排量下，关闭返出液管线节流阀，测量相应工况下的节流阀压力等数据，计算得到举升泵最大泵压与钻井液排量的关系曲线（见图6）。从图6可以看出，随着钻井液排量增大，举升泵泵压从0.26 MPa升至3.50 MPa，说明钻井液排量对举升泵泵压的影响较大。分析认为，举升泵是由涡轮和轴流泵等部件组成的，涡轮将钻井液压力势能转化为机械能，并通过传动轴将动力传递给轴流泵，然后轴流泵将机械能转化为井底钻井液的压力势能和动能，因此随着钻井液排量增大，举升泵的输入功率增大，举升泵最大泵压也随之升高。

图  6  举升泵最大泵压随钻井液排量的变化

Figure  6.  Relationship between maximum lift pump pressure and drilling fluid flow rates

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实验过程中，钻井泵为举升泵提供动力，通过测试不同钻井液排量下的钻井泵泵压，可以得到不同钻井液排量下的举升泵压耗（见图7）。从图7可以看出，举升泵压耗随着钻井液排量增大而增大。举升泵由涡轮、连接轴、轴流泵组成，利用高压钻井液驱动涡轮，涡轮工作并将动力通过连接轴传递给轴流泵，轴流泵旋转，协助举升井底钻井液，根据举升泵工作原理可以得知，举升泵产生的压耗由涡轮压耗和钻井液经过涡轮后继续在举升泵内流动的压耗2部分组成。由于举升泵内流动压耗较小，因此举升泵的压耗主要为涡轮压耗。涡轮为流体机械，利用流体的动能带动涡轮叶片旋转，因此钻井液排量越大，流体流速越快，涡轮叶片转速越快，所消耗的压耗越多，举升泵压耗也越大。

图  7  举升泵压耗随钻井液排量的变化

Figure  7.  Relationship between lift pump pressure loss and drilling fluid flow rates

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根据钻井液排量和举升泵压耗，可以计算出不同钻井液排量下的举升泵输入功率（见图8）。由图8可知：举升泵输入功率随着钻井液排量增大而增大；钻井液排量大于25 L/s时，随着钻井液排量增大，举升泵输入功率的变化幅度增大。这是因为，钻井液排量25 L/s为举升泵最佳运行工况的排量；钻井液排量大于25 L/s时，涡轮和轴流泵转速较快，轴承摩擦加剧，造成摩擦损耗增大，输入功率增大。

图  8  举升泵输入功率随钻井液排量的变化

Figure  8.  Relationship between lift pump input power and drilling fluid flow rates

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根据钻井液排量、举升泵压耗、返出液流量和举升泵泵压，计算得到不同钻井液排量、不同返出液流量下举升泵的效率（见图9）。由图9可知，钻井液排量为15 L/s时，举升泵的效率极低，且返出液流量远小于泵入流量。分析认为，钻井液排量较小，小于涡轮正常工作排量，涡轮转速较慢，造成举升泵整体效率偏低；钻井液排量为30 L/s时，举升泵的效率较高，当返出液流量为25.8 L/s时，举升泵的效率最高，为13.73%。整体上看，举升泵的效率较低，结合现场实验实际情况，认为举升泵轴承磨阻较高，在涡轮和轴流泵高速转动时，产生了较大阻力。因此，未来对举升泵进行优化时，建议优选轴承材料、优化其结构，以降低轴承磨阻，从而提高举升泵的工作效率。

图  9  不同钻井液排量下举升泵效率随返出液流量的变化

Figure  9.  Variation curve of total efficiency of lift pump with flow rate of reclaimed fluid under different drilling fluid discharges

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综合上述分析可知，钻井液排量和返出液流量对举升泵泵压、效率的影响较大。钻井液排量越大，举升泵的输入功率越大、泵压越高。在同一钻井液排量下，随着返出液流量增大，举升泵泵压先降低再升高然后再降低，出现一个“驼峰区”。因此，通过调控钻井液排量和返出液流量可以调节举升泵的泵压，从而调节井底压力，证明了双层管双梯度钻井的可行性。

4.   结论及建议

1）基于双梯度钻井原理，结合双层管双梯度钻井技术，研制了双层管双梯度钻井室内联调实验装置，开展了不同钻井液排量、不同返出液流量下的举升泵泵压变化实验研究，验证了双层管双梯度钻井技术的可行性。

2）举升泵吸入能力越强，协助举升助排钻井液效果越明显。钻井液排量一定时，返出液排量对举升泵泵压有重要影响，通过调节返出液排量，可以调节举升泵的泵压，从而调节井底压力。

3）建议优选轴承材料和优化其结构，以减小轴承损耗，提高举升泵效率，提高双层管双梯度钻井技术的深井、超深井钻井能力。