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，促進(jìn)了氣體鉆井在國內(nèi)外的推廣應(yīng)用。但作為一項新技術(shù)，基礎(chǔ)理論研究和現(xiàn)場實踐過程還不成熟。綜述了國內(nèi)外氣體鉆井研究的幾個熱點問題，主要包括以下幾個方面: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)是指在鉆井過程中使用氣體作為循環(huán)介質(zhì)的一項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，國內(nèi)外對氣體鉆井技術(shù)的理論研究尚存在很大的局限性，廣泛開展氣體鉆井技術(shù)的研究勢在必行。本文簡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個方面國內(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的Weymouth公式推導(dǎo)出了氣體鉆井過程中所需最小注氣量的計算公式，但由于推導(dǎo)過程中沒有考慮鉆速和地溫變化對所需氣量的影響，預(yù)測結(jié)果與實際值差別較大。

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；巖屑與氣流以相同的速度在環(huán)空中上返；環(huán)空中氣流流動的動能不小于以15.24m/s速度流動的情況下的空氣動能。提出了氣體鉆井的混合流體均勻流的經(jīng)典模型，該模型計算簡單，便于利用，至今許多氣體鉆井計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)空中運行較快的氣流與運動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，并在計算方程中井筒溫度簡單采用平均溫度，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和頁巖的顆粒運移速度以及環(huán)空摩擦因數(shù)對Angel模型進(jìn)行了修正和推廣。近幾年Boyun Guo[4]等通過引入Nikuradse摩阻系數(shù)對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。

國內(nèi)對空氣鉆井理論模型的研究與實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，考慮到高速運動的氣體因速度、壓強(qiáng)和溫度的變化，密度將會發(fā)生加大變化，因此必須考慮氣體的壓縮性極其熱力學(xué)過程。依據(jù)氣體的狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律，通過代入流體壓力、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)壓力計算更具準(zhǔn)確性。2008年，蔣宏偉[6]運用Angel模型對氣氣鉆井進(jìn)行計算并和現(xiàn)場實際結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)計算的最小注氣量較實際需要值低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)空的實際溫度代替Angel模型中的平均溫度，對Angel模型進(jìn)行了修正。劉貢慧[7]通過鉆井實踐研究發(fā)現(xiàn)，氣體鉆井排出的巖屑在運移過程中發(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能等于地面條件下攜巖的最小動能和單位體積內(nèi)的巖石重復(fù)破碎能耗值，不考慮鉆柱運動對巖屑向上運移過程中重復(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)今國內(nèi)外研究者對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，已經(jīng)在國內(nèi)外表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢，但實踐表明，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)理的獨特。

目前，由于商業(yè)技術(shù)保護(hù)的原因，國外對于氣體鉆井井斜機(jī)理研究的相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)報道較少[8]。國內(nèi)對于氣體鉆井井斜機(jī)理的研究主要集中于3個方面：現(xiàn)場統(tǒng)計研究、定性研究和數(shù)值模擬方法定量研究?，F(xiàn)場統(tǒng)計研究根據(jù)特定的實際鉆井資料系統(tǒng)地總結(jié)分析氣體鉆井井斜的特點，分析氣體鉆井循環(huán)介質(zhì)對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性思路[11-13]；數(shù)值模擬方法研究通過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的受力情況、井周及井底巖石應(yīng)力應(yīng)變場分布規(guī)律，進(jìn)而探討氣體鉆井的井斜機(jī)理[14-17]。

通過氣體鉆井井斜機(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程中鉆具磨損嚴(yán)重，井眼嚴(yán)重擴(kuò)大；空氣錘鉆井通過壓縮空氣推動活塞上下運動實現(xiàn)對釬頭的沖擊破巖，鉆井過程中所加鉆壓較小、轉(zhuǎn)速低，實現(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題的關(guān)鍵，對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)來計算坍塌壓力。氣體鉆井井壁穩(wěn)定性研究主要通過建立鉆井井壁穩(wěn)定性模型，進(jìn)行氣體鉆井井壁穩(wěn)定性機(jī)理和評價分析。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]等借鑒近年來巖石的全應(yīng)力—應(yīng)變實驗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)時井壁都能夠保持穩(wěn)定，塑性臨界狀態(tài)時井壁圍巖恰好達(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，通過跟蹤聲發(fā)射信號研究井壁圍巖在應(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井壁圍巖的損傷演化。研究表明，氣體鉆井時井眼周圍一定范圍內(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)射信號檢測手段，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，同時鉆具的碰撞作用和高速氣固兩相流的沖刷也會加劇失穩(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)定評價的重點。

通過氣體鉆井井壁穩(wěn)定性理論的研究，應(yīng)對氣體鉆井井壁穩(wěn)定性的技術(shù)思路可歸納為以下3個方面：（1）加強(qiáng)特殊地層的失穩(wěn)機(jī)理與評價方法研究：對于一些特殊類型的巖體，本身的膠結(jié)強(qiáng)度如不足以支撐井壁，則無法實施氣體鉆井，應(yīng)當(dāng)通過選層論證予以規(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)測與隨鉆封堵技術(shù)研究：目前鉆前流體預(yù)測方法主要根據(jù)鄰井測井及生產(chǎn)測試資料解釋得到，無法得出可靠的結(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題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究。

4 總結(jié)

對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)計算的準(zhǔn)確性；對于氣體鉆井井斜機(jī)理研究，主要從現(xiàn)場統(tǒng)計研究、定性研究和數(shù)值模擬方法定量研究3個方面進(jìn)行了說明，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個方面歸納了應(yīng)對氣體鉆井井壁穩(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），山東東營人，助理研究員，現(xiàn)從事礦井瓦斯防治工作。