双梯度钻井技术是于上世纪90年代发展起来的新型钻井技术,在深水钻井中具有显著的技术和经济优势,已取得良好的工业应用效果,具有广阔的应用前景。本文结合中国海洋石油总公司综合科研课题“深水钻井隔水管工程方法研究及双梯度钻井跟踪应用研究”和国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域重大项目“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”专项课题“深水钻完井关键技术”,针对南中国海特有的强热带风暴、内波流等复杂的气候环境和油气藏特性,以及浅层灾害、地层孔隙压力和破裂压力窗口狭窄等技术难题,基于钻井工程、机械工程和海洋工程理论,开展双梯度钻井系统技术原理研究,考虑我国现有海洋油气开发工程装备能力,提出多梯度钻井系统和新型多功能水中泵钻井系统,进行系统的概念设计和选型,并对双梯度钻井系统在南中国海工业应用进行初步研究,主要研究内容如下:1双梯度钻井各种实现方案的技术原理研究分析了连续循环系统、当量循环密度降低工具、压力泥浆帽钻井系统、可控泥浆帽钻井系统等控制压力钻井系统的工作原理。进行海底泥浆举升钻井系统、空心球双梯度钻井系统、隔水管稀释、隔水管气举等双梯度钻井系统的技术原理研究。分析双梯度钻井钻井液密度可调范围,提出双梯度钻井效果因子新概念,建立了隔水管气举两相流模型,用于计算环空内压力分布、速度分布和含气率分布,并给出一种计算隔水管底部气体注入量的简便方法。推导出双梯度钻井当量密度计算公式,基于“自上而下”的井身结构设计方法,开发了双梯度钻井井身结构设计程序,可用于指导工程应用。2多梯度钻井系统及其关键设备研究通过对双梯度钻井技术原理的分析和改进,提出多梯度钻井方法。多梯度钻井是指将轻质介质在海底以下环空中一处或多处注入,在返回环空中产生多个压力梯度,与双梯度钻井相比,多梯度钻井能更好的匹配地层压力间隙,可实现特殊复杂油气层的钻井作业。研究多梯度钻井系统技术原理,建立多梯度钻井井筒压力模型,提出一种基于空心球注入法的多梯度钻井系统概念模型,并进行系统关键设备随钻旋转分离及注入装置设计和分离介质流动分布特征数值模拟。提出一种基于低密度流体注入的多梯度钻井系统概念模型,进行系统关键设备随钻注入接头的概念设计,可为系统的进一步详细设计和工业应用提供依据。3新型多功能水中泵钻井系统研究基于可控泥浆帽钻井系统和海底泥浆举升钻井系统技术原理,采用TRIZ的多用性发明方法,提出一种新型多功能水中泵钻井系统(MPUPS)。MPUPS可以布放在水中或海底,能实现双梯度钻井、可控泥浆帽钻井、隔水管稀释钻井等多种控制压力钻井功能。开展了MPUPS概念设计及系统关键设备设计、选型和分析计算,进行夹层圆柱壳结构浮筒的详细设计。采用有限元分析软件ANSYS计算浮筒外压作用、以及吊装过程中强度特性。采用流体动力学分析软件FLUENT,计算水中浮筒表面的压力分布、流体阻力,以及水中浮筒动态速度响应、动态位移响应,分析计算结果表明,夹层圆柱壳结构浮筒能满足深水工况要求。4水中泵双梯度钻井系统水力学分析计算建立水中泵双梯度钻井井筒温度分布预测模型,以及考虑温度和压力对钻井液密度影响的井筒压力计算模型,编写相应模型的求解程序,可用于计算常规深水钻井、无隔水管钻井、海底泥浆举升钻井以及水中泵双梯度钻井的井眼压力分布,计算结果与实例数据吻合。分析双梯度钻井中“U型管效应”的主要影响因素,设计“U型管效应”抑制工具—钻柱阀。进行双梯度钻井井涌检测和井控方法初步研究,编写了双梯度钻井水力学分析计算和井控模拟程序,可用于钻井设计和钻井模拟。5双梯度钻井系统在南中国海应用的先导性研究充分考虑我国海洋油气开发工程装备能力、南中国海复杂的气候环境和油气藏特性,提出一种结合套管钻井的双梯度上部井眼钻井系统实现双梯度钻井技术在南中国海工业化的构想,进行上部井眼钻井系统概念设计和虚拟隔水管子系统的详细设计。该系统具有套管钻井和双梯度上部井眼钻井的优点,可以减少作业时间,有效控制深水浅层灾害。开展适宜南中国海深水的双梯度钻井方法对比与优选研究,研究表明空心球双梯度钻井系统为最优方案。采用Monte-Carlo方法和控制区间记忆(CIM)模型,模拟南中国海深水钻井作业过程,分析受多项风险因素综合影响的常规钻井和双梯度钻井工程投资,结果表明采用双梯度钻井技术后可节省钻井成本8~24%。基于MMS和SINTEF的海洋工程事故统计数据库,建立双梯度钻井系统失效事故树,对双梯度钻井系统的可能失效方式进行定性、定量分析,并提出提高双梯度钻井装备系统可靠性的措施。