气体钻井研究进展

隆清明

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

气体钻井研究进展

隆清明*

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

气体钻井是欠平衡钻井的一种特殊形式，具有机械钻速快、保护储层、克服井漏和钻井效率高等常规钻井液钻井不可比拟的优势，促进了气体钻井在国内外的推广应用。但作为一项新技术，基础理论研究和现场实践过程还不成熟。综述了国内外气体钻井研究的几个热点问题，主要包括以下几个方面:研究了气体钻井理论模型，为钻井工艺参数奠定理论依据；探讨了气体钻井井斜机理，类比了气体钻井控制井斜新技术；分析了气体钻井井壁稳定性理论，总结了应对气体钻井井壁稳定性的技术思路。

气体钻井；钻井理论模型；井斜；井壁稳定

气体钻井技术是指在钻井过程中使用气体作为循环介质的一项较为新型的钻井技术,包括纯空气钻井、天然气钻井、惰性气体钻井等。目前，国内外对气体钻井技术的理论研究尚存在很大的局限性，广泛开展气体钻井技术的研究势在必行。本文简单叙述了气体钻井理论模型、气体钻井井斜机理和气体钻井井壁稳定性3个方面国内外的研究现状。

1 气体钻井理论模型研究

完善的气体钻井理论模型是计算和确定气体钻井环空压力分布和最小注气量等钻井工艺参数的理论基础。D.J.Martin[1]是气体钻井理论模型研究开创性的第一人，于1952年首次采用数学的方法利用气体在水平光滑管中流动的Weymouth公式推导出了气体钻井过程中所需最小注气量的计算公式，但由于推导过程中没有考虑钻速和地温变化对所需气量的影响，预测结果与实际值差别较大。

1957年Angel[2]在D.J.Martin研究的基础上假设：气体在环空中是稳定流动；岩屑与气流以相同的速度在环空中上返；环空中气流流动的动能不小于以15.24m/s速度流动的情况下的空气动能。提出了气体钻井的混合流体均匀流的经典模型，该模型计算简单，便于利用，至今许多气体钻井计算软件仍采用此模型。但此模型忽略了气流—固体颗粒为均相混合流体（环空中运行较快的气流与运动较慢的岩屑颗粒间的相互作用以及固体颗粒之间的相互作用），且把井壁近似为光滑，并在计算方程中井筒温度简单采用平均温度，所以该模型存在很大的修正空间。1980年，Ikoku[3]考虑了砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移速度以及环空摩擦因数对Angel模型进行了修正和推广。近几年Boyun Guo[4]等通过引入Nikuradse摩阻系数对Angel模型进行了改进，并在斜井段和水平井段得到广泛引用。

国内对空气钻井理论模型的研究与实际工况还存在较大差距，大部分研究还采用Angel的混合流体均匀流的模型。2005年，苏义脑院士[5]针对Angel模型中将可压缩的气固混合物视为不可压缩流体的假设进行优化，考虑到高速运动的气体因速度、压强和温度的变化，密度将会发生加大变化，因此必须考虑气体的压缩性极其热力学过程。依据气体的状态方程和质量守恒定律，通过代入流体压力、流速、温度的耦合关系，依据牛顿第二定律推导出直了井段、弯曲段、稳斜段的压力控制方程，提出了压缩性流体模型，使钻柱内压力计算更具准确性。2008年，蒋宏伟[6]运用Angel模型对气气钻井进行计算并和现场实际结果对比，发现计算的最小注气量较实际需要值低20%～30%，其中Angel模型中仅适用于光滑壁管的Weymouth摩阻系数和平均温度是造成误差的主要参数。在考虑到地层有少量出水的前提下，利用粗裸眼井段流体流动的摩阻系数f代替Angel模型中的Weymouth光滑管摩阻系数和井眼环空的实际温度代替Angel模型中的平均温度，对Angel模型进行了修正。刘贡慧[7]通过钻井实践研究发现，气体钻井排出的岩屑在运移过程中发生重复破碎，导致气体体积流量增加。在假设井底气体单位体积最小动能等于地面条件下携岩的最小动能和单位体积内的岩石重复破碎能耗值，不考虑钻柱运动对岩屑向上运移过程中重复破碎影响的条件下，建立了Angel修正模型，确定了计算气体钻井最小气体体积流量的精确方法。

理论模型是气体钻井研究的基础，现今国内外研究者对Angel经典模型都进行了完善和修正，但均从单一的某种因素进行深入研究，应结合流体力学和多相流理论等多种理论基础进行多因素耦合深入分析，使气体钻井理论模型更加准确。

2 气体钻井井斜机理研究

气体钻井具有钻速快、成本低、环保性好等优点，已经在国内外表现出强劲的发展趋势，但实践表明，其井斜难控制已成为影响其推广的重要因素。气体钻井与常规钻井液钻井井斜的机理是近似一致的，但由于气体钻井以气体为循环介质，井底受力状态、钻头破岩形式和钻头—钻柱的受力状态均与常规钻井液钻井不同，造成了气体钻井井斜机理的独特。

目前，由于商业技术保护的原因，国外对于气体钻井井斜机理研究的相关技术文献报道较少[8]。国内对于气体钻井井斜机理的研究主要集中于3个方面：现场统计研究、定性研究和数值模拟方法定量研究。现场统计研究根据特定的实际钻井资料系统地总结分析气体钻井井斜的特点，分析气体钻井循环介质对钻头和钻柱的作用规律[9-10];定性研究主要从破岩机理、温度、地层各向异性、井径扩大、下部钻具组合等方面对气体钻井井斜的影响进行分析，厘清控制气体钻井井斜的主要因素，提出解决井斜的针对性思路[11-13]；数值模拟方法研究通过建立钻头与地层作用模型、钻具组合力学模型、井周应力模型等，分析钻具组合在钻井时的受力情况、井周及井底岩石应力应变场分布规律，进而探讨气体钻井的井斜机理[14-17]。

通过气体钻井井斜机理的研究，目前形成了钟摆钻具组合、大钻铤塔式钻具组合、带偏式或偏轴式钻具组合、空气锤钻井和空气旋杆钻井等控制气体钻井井斜技术。其中钟摆钻具组合和大钻铤塔式钻具组合采用轻压吊打方式，降低了空气钻井钻速，增加了钻井成本；带偏式或偏轴式钻具组合在钻井过程中钻具磨损严重，井眼严重扩大；空气锤钻井通过压缩空气推动活塞上下运动实现对钎头的冲击破岩，钻井过程中所加钻压较小、转速低，实现了低钻压、低转速、高钻速的条件，达到了控制井斜的最佳条件，是目前控制气体钻井井斜的较好技术[18]。

3 气体钻井井壁稳定性研究

气体钻井常由于井底压力低于井壁坍塌压力、地层流体井壁急剧出流压力和气体循环系统波动等因素造成井壁失稳，井壁失稳造成井眼坍塌、卡钻事故、邻近渗透性地层应力敏感性损伤等，限制了气体钻井的适用性。气体钻井井壁稳定性研究是解决气体钻井适用性问题的关键，对防治钻井事故和地层损伤，促进气体钻井技术推广应用具有重要意义[19-20]。

目前，国内外气体钻井井壁稳定的分析多数仍然沿用泥浆钻井条件下的方法，即按照井壁围压达到弹性极限状态来计算坍塌压力。气体钻井井壁稳定性研究主要通过建立钻井井壁稳定性模型，进行气体钻井井壁稳定性机理和评价分析。金衍等[21]从气体钻井井壁围岩的力学特性出发，确定了井壁围岩应力场的分布，结合Mohr-Coulomb准则，建立了气体钻井井壁稳定模型，即弹塑性模型和硬脆性模型，成功解释了气体钻井条件下地层进入塑性状态变形达到一定程度，井壁坍塌井径扩大后，地层趋于稳定的现象；聂臻[22]等借鉴近年来岩石的全应力—应变实验成果和弹塑性分析理论模型的最新成果，考虑岩石材料峰后的应变软化特性、剪切膨胀特性，建立了气体钻井井壁稳定性模型。得出气体钻井时井壁围岩可能出现弹性状态、塑性软化状态和塑性残余状态，当岩石处于弹性状态和塑性软化状态时井壁都能够保持稳定，塑性临界状态时井壁围岩恰好达到塑性残余状态，井壁将发生坍塌。该气体钻井井壁稳定分析模型创新性在于依据井壁围岩是否达到临界塑性状态而不是弹性极限状态来判断井壁稳定性。周翔宇等[23]用RFPA2D软件建立气体钻井井眼稳定的损伤力学模型，通过跟踪声发射信号研究井壁围岩在应力下的损伤演化，从细观损伤力学的角度探讨了气体钻井时井壁围岩的损伤演化。研究表明，气体钻井时井眼周围一定范围内出现损伤区，损伤区内形成微裂纹和裂缝。该研究采用声发射信号检测手段，引入细观损伤力学方法，深入井壁岩石内部变化解释了气体钻井井眼的稳定性；李皋[24]通过建立地应力模型、地层液相侵入模型、空隙压力模型和井壁岩石破坏预测模型，探讨了复杂条件下气体钻井井壁失稳机理。认为气体钻井井壁失稳机理主要包括：由于缺乏足够井筒流体压力支撑引起的力学失稳（软弱岩体井壁失稳主要表现为缩径、坍塌，破碎性岩体则主要表现为崩落、掉块和大面积扩径坍塌，同时钻具的碰撞作用和高速气固两相流的冲刷也会加剧失稳程度[25]。）、地层产水、产油、雾化、钻井液转换过程中的力学—化学耦合失稳（液体敏感性地层在产出液体或人为注入液体的作用下产生物理化学反应，导致岩石力学强度降低，引起井壁失稳[26]。）和钻遇产层段的岩石崩爆与相邻泥岩动力学失稳。原地岩石力学性质、地应力状态与力学—化学耦合作用规律是气体钻井井壁稳定评价的重点。

通过气体钻井井壁稳定性理论的研究，应对气体钻井井壁稳定性的技术思路可归纳为以下3个方面：（1）加强特殊地层的失稳机理与评价方法研究：对于一些特殊类型的岩体，本身的胶结强度如不足以支撑井壁，则无法实施气体钻井，应当通过选层论证予以规避。（2）加强适合气体钻井复杂工况的处理剂与处理工艺研究：在易失稳井段通过特殊的处理剂作用机理快速形成二次井壁，防止液相进一步侵入井壁或确保在液体侵入后地层岩石强度不发生明显变化，甚至提高井壁稳定性。（3）加强气体钻井地层流体预测与随钻封堵技术研究：目前钻前流体预测方法主要根据邻井测井及生产测试资料解释得到，无法得出可靠的结果，需要进一步加强研究。地层流体封堵方面，目前主要包括膨胀管封堵技术[27]、水泥封堵技术[28]以及注入封堵剂封堵技术，但存在封堵不严、承压能力差等诸多问题，需要进一步加强技术研究。

4 总结

对于气体钻井理论模型研究，主要是以Angel经典模型研究为基础，通过分析该模型的各种假设条件进行修正完善，提高钻井工艺参数计算的准确性；对于气体钻井井斜机理研究，主要从现场统计研究、定性研究和数值模拟方法定量研究3个方面进行了说明，比较了钟摆钻具组合、大钻铤塔式钻具组合、带偏式或偏轴式钻具组合、空气锤钻井和空气旋杆钻井几种控制气体钻井井斜技术的利弊；对于气体钻井井壁稳定性研究，总结了近几年几种典型的钻井井壁稳定性模型，从3个方面归纳了应对气体钻井井壁稳定性的技术思路。

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TE24

A

1004-5716(2015)02-0059-04

2014-07-18

2014-07-18

“十二五”科技支撑计划（2012BAK04B00）,中煤科工集团重庆研究院青年创新基金（2012QNJJ18）。

隆清明（1982-），男（汉族），山东东营人，助理研究员，现从事矿井瓦斯防治工作。