氣體鉆井研究進(jìn)展

隆清明

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

氣體鉆井研究進(jìn)展

隆清明*

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

氣體鉆井是欠平衡鉆井的一種特殊形式，具有機(jī)械鉆速快、保護(hù)儲(chǔ)層、克服井漏和鉆井效率高等常規(guī)鉆井液鉆井不可比擬的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了氣體鉆井在國(guó)內(nèi)外的推廣應(yīng)用。但作為一項(xiàng)新技術(shù)，基礎(chǔ)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過(guò)程還不成熟。綜述了國(guó)內(nèi)外氣體鉆井研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面:研究了氣體鉆井理論模型，為鉆井工藝參數(shù)奠定理論依據(jù)；探討了氣體鉆井井斜機(jī)理，類(lèi)比了氣體鉆井控制井斜新技術(shù)；分析了氣體鉆井井壁穩(wěn)定性理論，總結(jié)了應(yīng)對(duì)氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的技術(shù)思路。

氣體鉆井；鉆井理論模型；井斜；井壁穩(wěn)定

氣體鉆井技術(shù)是指在鉆井過(guò)程中使用氣體作為循環(huán)介質(zhì)的一項(xiàng)較為新型的鉆井技術(shù),包括純空氣鉆井、天然氣鉆井、惰性氣體鉆井等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體鉆井技術(shù)的理論研究尚存在很大的局限性，廣泛開(kāi)展氣體鉆井技術(shù)的研究勢(shì)在必行。本文簡(jiǎn)單敘述了氣體鉆井理論模型、氣體鉆井井斜機(jī)理和氣體鉆井井壁穩(wěn)定性3個(gè)方面國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。

1 氣體鉆井理論模型研究

完善的氣體鉆井理論模型是計(jì)算和確定氣體鉆井環(huán)空壓力分布和最小注氣量等鉆井工藝參數(shù)的理論基礎(chǔ)。D.J.Martin[1]是氣體鉆井理論模型研究開(kāi)創(chuàng)性的第一人，于1952年首次采用數(shù)學(xué)的方法利用氣體在水平光滑管中流動(dòng)的Weymouth公式推導(dǎo)出了氣體鉆井過(guò)程中所需最小注氣量的計(jì)算公式，但由于推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有考慮鉆速和地溫變化對(duì)所需氣量的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值差別較大。

1957年Angel[2]在D.J.Martin研究的基礎(chǔ)上假設(shè)：氣體在環(huán)空中是穩(wěn)定流動(dòng)；巖屑與氣流以相同的速度在環(huán)空中上返；環(huán)空中氣流流動(dòng)的動(dòng)能不小于以15.24m/s速度流動(dòng)的情況下的空氣動(dòng)能。提出了氣體鉆井的混合流體均勻流的經(jīng)典模型，該模型計(jì)算簡(jiǎn)單，便于利用，至今許多氣體鉆井計(jì)算軟件仍采用此模型。但此模型忽略了氣流—固體顆粒為均相混合流體（環(huán)空中運(yùn)行較快的氣流與運(yùn)動(dòng)較慢的巖屑顆粒間的相互作用以及固體顆粒之間的相互作用），且把井壁近似為光滑，并在計(jì)算方程中井筒溫度簡(jiǎn)單采用平均溫度，所以該模型存在很大的修正空間。1980年，Ikoku[3]考慮了砂巖、石灰?guī)r和頁(yè)巖的顆粒運(yùn)移速度以及環(huán)空摩擦因數(shù)對(duì)Angel模型進(jìn)行了修正和推廣。近幾年Boyun Guo[4]等通過(guò)引入Nikuradse摩阻系數(shù)對(duì)Angel模型進(jìn)行了改進(jìn)，并在斜井段和水平井段得到廣泛引用。

國(guó)內(nèi)對(duì)空氣鉆井理論模型的研究與實(shí)際工況還存在較大差距，大部分研究還采用Angel的混合流體均勻流的模型。2005年，蘇義腦院士[5]針對(duì)Angel模型中將可壓縮的氣固混合物視為不可壓縮流體的假設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，考慮到高速運(yùn)動(dòng)的氣體因速度、壓強(qiáng)和溫度的變化，密度將會(huì)發(fā)生加大變化，因此必須考慮氣體的壓縮性極其熱力學(xué)過(guò)程。依據(jù)氣體的狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律，通過(guò)代入流體壓力、流速、溫度的耦合關(guān)系，依據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出直了井段、彎曲段、穩(wěn)斜段的壓力控制方程，提出了壓縮性流體模型，使鉆柱內(nèi)壓力計(jì)算更具準(zhǔn)確性。2008年，蔣宏偉[6]運(yùn)用Angel模型對(duì)氣氣鉆井進(jìn)行計(jì)算并和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的最小注氣量較實(shí)際需要值低20%～30%，其中Angel模型中僅適用于光滑壁管的Weymouth摩阻系數(shù)和平均溫度是造成誤差的主要參數(shù)。在考慮到地層有少量出水的前提下，利用粗裸眼井段流體流動(dòng)的摩阻系數(shù)f代替Angel模型中的Weymouth光滑管摩阻系數(shù)和井眼環(huán)空的實(shí)際溫度代替Angel模型中的平均溫度，對(duì)Angel模型進(jìn)行了修正。劉貢慧[7]通過(guò)鉆井實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，氣體鉆井排出的巖屑在運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生重復(fù)破碎，導(dǎo)致氣體體積流量增加。在假設(shè)井底氣體單位體積最小動(dòng)能等于地面條件下攜巖的最小動(dòng)能和單位體積內(nèi)的巖石重復(fù)破碎能耗值，不考慮鉆柱運(yùn)動(dòng)對(duì)巖屑向上運(yùn)移過(guò)程中重復(fù)破碎影響的條件下，建立了Angel修正模型，確定了計(jì)算氣體鉆井最小氣體體積流量的精確方法。

理論模型是氣體鉆井研究的基礎(chǔ)，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)Angel經(jīng)典模型都進(jìn)行了完善和修正，但均從單一的某種因素進(jìn)行深入研究，應(yīng)結(jié)合流體力學(xué)和多相流理論等多種理論基礎(chǔ)進(jìn)行多因素耦合深入分析，使氣體鉆井理論模型更加準(zhǔn)確。

2 氣體鉆井井斜機(jī)理研究

氣體鉆井具有鉆速快、成本低、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)，但實(shí)踐表明，其井斜難控制已成為影響其推廣的重要因素。氣體鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井井斜的機(jī)理是近似一致的，但由于氣體鉆井以氣體為循環(huán)介質(zhì)，井底受力狀態(tài)、鉆頭破巖形式和鉆頭—鉆柱的受力狀態(tài)均與常規(guī)鉆井液鉆井不同，造成了氣體鉆井井斜機(jī)理的獨(dú)特。

目前，由于商業(yè)技術(shù)保護(hù)的原因，國(guó)外對(duì)于氣體鉆井井斜機(jī)理研究的相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道較少[8]。國(guó)內(nèi)對(duì)于氣體鉆井井斜機(jī)理的研究主要集中于3個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究、定性研究和數(shù)值模擬方法定量研究。現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究根據(jù)特定的實(shí)際鉆井資料系統(tǒng)地總結(jié)分析氣體鉆井井斜的特點(diǎn)，分析氣體鉆井循環(huán)介質(zhì)對(duì)鉆頭和鉆柱的作用規(guī)律[9-10];定性研究主要從破巖機(jī)理、溫度、地層各向異性、井徑擴(kuò)大、下部鉆具組合等方面對(duì)氣體鉆井井斜的影響進(jìn)行分析，厘清控制氣體鉆井井斜的主要因素，提出解決井斜的針對(duì)性思路[11-13]；數(shù)值模擬方法研究通過(guò)建立鉆頭與地層作用模型、鉆具組合力學(xué)模型、井周應(yīng)力模型等，分析鉆具組合在鉆井時(shí)的受力情況、井周及井底巖石應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而探討氣體鉆井的井斜機(jī)理[14-17]。

通過(guò)氣體鉆井井斜機(jī)理的研究，目前形成了鐘擺鉆具組合、大鉆鋌塔式鉆具組合、帶偏式或偏軸式鉆具組合、空氣錘鉆井和空氣旋桿鉆井等控制氣體鉆井井斜技術(shù)。其中鐘擺鉆具組合和大鉆鋌塔式鉆具組合采用輕壓吊打方式，降低了空氣鉆井鉆速，增加了鉆井成本；帶偏式或偏軸式鉆具組合在鉆井過(guò)程中鉆具磨損嚴(yán)重，井眼嚴(yán)重?cái)U(kuò)大；空氣錘鉆井通過(guò)壓縮空氣推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)釬頭的沖擊破巖，鉆井過(guò)程中所加鉆壓較小、轉(zhuǎn)速低，實(shí)現(xiàn)了低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高鉆速的條件，達(dá)到了控制井斜的最佳條件，是目前控制氣體鉆井井斜的較好技術(shù)[18]。

3 氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究

氣體鉆井常由于井底壓力低于井壁坍塌壓力、地層流體井壁急劇出流壓力和氣體循環(huán)系統(tǒng)波動(dòng)等因素造成井壁失穩(wěn)，井壁失穩(wěn)造成井眼坍塌、卡鉆事故、鄰近滲透性地層應(yīng)力敏感性損傷等，限制了氣體鉆井的適用性。氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究是解決氣體鉆井適用性問(wèn)題的關(guān)鍵，對(duì)防治鉆井事故和地層損傷，促進(jìn)氣體鉆井技術(shù)推廣應(yīng)用具有重要意義[19-20]。

目前，國(guó)內(nèi)外氣體鉆井井壁穩(wěn)定的分析多數(shù)仍然沿用泥漿鉆井條件下的方法，即按照井壁圍壓達(dá)到彈性極限狀態(tài)來(lái)計(jì)算坍塌壓力。氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究主要通過(guò)建立鉆井井壁穩(wěn)定性模型，進(jìn)行氣體鉆井井壁穩(wěn)定性機(jī)理和評(píng)價(jià)分析。金衍等[21]從氣體鉆井井壁圍巖的力學(xué)特性出發(fā)，確定了井壁圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布，結(jié)合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立了氣體鉆井井壁穩(wěn)定模型，即彈塑性模型和硬脆性模型，成功解釋了氣體鉆井條件下地層進(jìn)入塑性狀態(tài)變形達(dá)到一定程度，井壁坍塌井徑擴(kuò)大后，地層趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；聶臻[22]等借鑒近年來(lái)巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)成果和彈塑性分析理論模型的最新成果，考慮巖石材料峰后的應(yīng)變軟化特性、剪切膨脹特性，建立了氣體鉆井井壁穩(wěn)定性模型。得出氣體鉆井時(shí)井壁圍巖可能出現(xiàn)彈性狀態(tài)、塑性軟化狀態(tài)和塑性殘余狀態(tài)，當(dāng)巖石處于彈性狀態(tài)和塑性軟化狀態(tài)時(shí)井壁都能夠保持穩(wěn)定，塑性臨界狀態(tài)時(shí)井壁圍巖恰好達(dá)到塑性殘余狀態(tài)，井壁將發(fā)生坍塌。該氣體鉆井井壁穩(wěn)定分析模型創(chuàng)新性在于依據(jù)井壁圍巖是否達(dá)到臨界塑性狀態(tài)而不是彈性極限狀態(tài)來(lái)判斷井壁穩(wěn)定性。周翔宇等[23]用RFPA2D軟件建立氣體鉆井井眼穩(wěn)定的損傷力學(xué)模型，通過(guò)跟蹤聲發(fā)射信號(hào)研究井壁圍巖在應(yīng)力下的損傷演化，從細(xì)觀損傷力學(xué)的角度探討了氣體鉆井時(shí)井壁圍巖的損傷演化。研究表明，氣體鉆井時(shí)井眼周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)出現(xiàn)損傷區(qū)，損傷區(qū)內(nèi)形成微裂紋和裂縫。該研究采用聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)手段，引入細(xì)觀損傷力學(xué)方法，深入井壁巖石內(nèi)部變化解釋了氣體鉆井井眼的穩(wěn)定性；李皋[24]通過(guò)建立地應(yīng)力模型、地層液相侵入模型、空隙壓力模型和井壁巖石破壞預(yù)測(cè)模型，探討了復(fù)雜條件下氣體鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理。認(rèn)為氣體鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理主要包括：由于缺乏足夠井筒流體壓力支撐引起的力學(xué)失穩(wěn)（軟弱巖體井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)為縮徑、坍塌，破碎性巖體則主要表現(xiàn)為崩落、掉塊和大面積擴(kuò)徑坍塌，同時(shí)鉆具的碰撞作用和高速氣固兩相流的沖刷也會(huì)加劇失穩(wěn)程度[25]。）、地層產(chǎn)水、產(chǎn)油、霧化、鉆井液轉(zhuǎn)換過(guò)程中的力學(xué)—化學(xué)耦合失穩(wěn)（液體敏感性地層在產(chǎn)出液體或人為注入液體的作用下產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致巖石力學(xué)強(qiáng)度降低，引起井壁失穩(wěn)[26]。）和鉆遇產(chǎn)層段的巖石崩爆與相鄰泥巖動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)。原地巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)—化學(xué)耦合作用規(guī)律是氣體鉆井井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。

通過(guò)氣體鉆井井壁穩(wěn)定性理論的研究，應(yīng)對(duì)氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的技術(shù)思路可歸納為以下3個(gè)方面：（1）加強(qiáng)特殊地層的失穩(wěn)機(jī)理與評(píng)價(jià)方法研究：對(duì)于一些特殊類(lèi)型的巖體，本身的膠結(jié)強(qiáng)度如不足以支撐井壁，則無(wú)法實(shí)施氣體鉆井，應(yīng)當(dāng)通過(guò)選層論證予以規(guī)避。（2）加強(qiáng)適合氣體鉆井復(fù)雜工況的處理劑與處理工藝研究：在易失穩(wěn)井段通過(guò)特殊的處理劑作用機(jī)理快速形成二次井壁，防止液相進(jìn)一步侵入井壁或確保在液體侵入后地層巖石強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化，甚至提高井壁穩(wěn)定性。（3）加強(qiáng)氣體鉆井地層流體預(yù)測(cè)與隨鉆封堵技術(shù)研究：目前鉆前流體預(yù)測(cè)方法主要根據(jù)鄰井測(cè)井及生產(chǎn)測(cè)試資料解釋得到，無(wú)法得出可靠的結(jié)果，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。地層流體封堵方面，目前主要包括膨脹管封堵技術(shù)[27]、水泥封堵技術(shù)[28]以及注入封堵劑封堵技術(shù)，但存在封堵不嚴(yán)、承壓能力差等諸多問(wèn)題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究。

4 總結(jié)

對(duì)于氣體鉆井理論模型研究，主要是以Angel經(jīng)典模型研究為基礎(chǔ)，通過(guò)分析該模型的各種假設(shè)條件進(jìn)行修正完善，提高鉆井工藝參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性；對(duì)于氣體鉆井井斜機(jī)理研究，主要從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究、定性研究和數(shù)值模擬方法定量研究3個(gè)方面進(jìn)行了說(shuō)明，比較了鐘擺鉆具組合、大鉆鋌塔式鉆具組合、帶偏式或偏軸式鉆具組合、空氣錘鉆井和空氣旋桿鉆井幾種控制氣體鉆井井斜技術(shù)的利弊；對(duì)于氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究，總結(jié)了近幾年幾種典型的鉆井井壁穩(wěn)定性模型，從3個(gè)方面歸納了應(yīng)對(duì)氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的技術(shù)思路。

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TE24

A

1004-5716(2015)02-0059-04

2014-07-18

2014-07-18

“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAK04B00）,中煤科工集團(tuán)重慶研究院青年創(chuàng)新基金（2012QNJJ18）。

隆清明（1982-），男（漢族），山東東營(yíng)人，助理研究員，現(xiàn)從事礦井瓦斯防治工作。