蘇義腦　陳　燁　閆　鐵　孫曉峰　王麗敏　王克林

1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院　2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠地質(zhì)大隊(duì)3.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院

?

氣體鉆井鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及影響因素研究

蘇義腦1陳燁1閆鐵1孫曉峰1王麗敏2王克林3

1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠地質(zhì)大隊(duì)3.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院

蘇義腦等.氣體鉆井鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及影響因素研究.天然氣工業(yè)，2016,36(6):60-65.

摘要為深入研究氣體鉆井過程中地層出水后的巖屑運(yùn)移情況、避免或減少鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)、指導(dǎo)氣體鉆井的順利實(shí)施，在分析出水量預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，引入工程巖土學(xué)中的稠度指標(biāo)，將黏土的黏著界限作為泥包的臨界條件，對地層出水后的泥包情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用編制的計(jì)算機(jī)程序?qū)λＰ瓦M(jìn)行求解計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，預(yù)測泥包風(fēng)險(xiǎn)；然后對影響鉆頭泥包的巖性、鉆頭表面性質(zhì)及鉆井參數(shù)等因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：①所建模型能夠預(yù)測地層出水后形成泥包的時(shí)間，并以泥包時(shí)間為指標(biāo)對鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評級；②巖性及鉆頭表面性質(zhì)對鉆頭泥包影響很大；③鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)隨著機(jī)械鉆速、井口回壓、井深和井徑擴(kuò)大率等的增加而降低。結(jié)論認(rèn)為：從鉆遇水層到鉆頭形成泥包，時(shí)間非常短暫，基本在數(shù)十分鐘之內(nèi)就會(huì)發(fā)生井下事故。因此，現(xiàn)場操作過程中，一定要提前做好對出水層的預(yù)測和轉(zhuǎn)換鉆井方式的準(zhǔn)備工作；發(fā)生水侵后也可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果采取適當(dāng)?shù)拇胧┭泳彴l(fā)生鉆頭泥包的時(shí)間。

關(guān)鍵詞氣體鉆井水侵鉆具黏卡稠度黏著界限鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測數(shù)學(xué)模型

氣體鉆井過程中地層出水容易造成井壁失穩(wěn)、巖屑聚并，嚴(yán)重時(shí)甚至黏附井壁，泥包鉆頭，造成嚴(yán)重的井下事故[1-2]，嚴(yán)重影響氣體鉆井的順利實(shí)施。為了更好地指導(dǎo)氣體鉆井現(xiàn)場施工，避免事故的頻繁發(fā)生，前人主要對地層出水后的井底狀況、巖屑狀況、流型分布等進(jìn)行了定性分析，以及對地層水侵后的巖屑運(yùn)移機(jī)理、鉆具黏卡機(jī)理、攜水機(jī)理等進(jìn)行了研究[3-9]，而定量研究鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)的則較少。筆者通過引入工程巖土學(xué)中的稠度指標(biāo)，將黏著界限作為泥包的臨界條件，建立了能夠定量分析泥包風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型，并通過C++語言進(jìn)行編程求解計(jì)算，而后根據(jù)求解所得的泥包時(shí)間來分析發(fā)生泥包鉆頭的風(fēng)險(xiǎn)，并對影響鉆頭泥包的巖性、鉆頭表面性質(zhì)及鉆井參數(shù)等因素進(jìn)行分析，得出的結(jié)論對現(xiàn)場氣體鉆井地層出水后的井底狀況、鉆具黏卡以及泥包風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測以及所采取的防治措施具有一定的指導(dǎo)意義。

1　鉆頭泥包時(shí)間數(shù)學(xué)模型

1.1泥包時(shí)間模型建立

工程巖土學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)[10]中對于黏性土的水理性質(zhì)都有著明確的描述，所謂土的水理性質(zhì)即指土粒與水相互作用而表現(xiàn)出的性質(zhì)，是由土中所含的水在量與質(zhì)方面發(fā)生變化而產(chǎn)生和引起的。黏性土含水量多少不同，土粒與水相互作用表現(xiàn)出不同特性，土粒間連結(jié)強(qiáng)度或相對活動(dòng)難易程度顯著不同，黏性土則表現(xiàn)為不同的物理狀態(tài)，處于不同的稠度。含水量很少，呈固態(tài)及半固態(tài)稠度時(shí)，土粒間連結(jié)較牢固，土質(zhì)堅(jiān)硬，力學(xué)強(qiáng)度較高，不能揉塑變形。含水量增加到一定程度后，土變?yōu)榭伤軤顟B(tài)或塑態(tài)稠度，土粒間連接減弱，在外力作用下容易變形，且可揉塑成任意形狀而不破裂。含水量很大時(shí)，土變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)和流態(tài)稠度后，土粒間連結(jié)極弱。隨著含水量的變化，黏性土由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)，相應(yīng)轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含水量，即界限含水量，也稱為稠度界限。黏性土稠度狀態(tài)較為詳細(xì)的劃分與相應(yīng)的稠度界限如表1所示。

表1　黏性土的各種稠度狀態(tài)與稠度界限表

黏性土稠度狀態(tài)的變化是由于土中含水量的增加或減少而引起的。由稠度指標(biāo)可知當(dāng)黏性土含水率處于塑限和液限之間時(shí)黏性土處于可塑狀態(tài)（圖1），此時(shí)具有塑性體性質(zhì)，可塑成任意形狀，當(dāng)含水率進(jìn)一步增加達(dá)到黏著界限后，能黏著于其他物體上，不具有流動(dòng)性。因此可將其引用到氣體鉆井中，將其作為鉆頭泥包的臨界條件。

圖1　不同含水量情況下黏土狀態(tài)示意圖

應(yīng)用到氣體鉆井中，可知當(dāng)黏性土處于固體狀態(tài)和半固體狀態(tài)時(shí)，氣體能夠?qū)r屑顆粒帶離井底，當(dāng)鉆遇水層后，在壓差的驅(qū)動(dòng)作用下，地層水將侵入井筒，隨著鉆頭的持續(xù)鉆進(jìn)，水侵量越來越大，巖屑逐漸被潤濕，含水量增加，當(dāng)巖屑的含水率達(dá)到塑限進(jìn)入可塑狀態(tài)時(shí)，巖屑間開始發(fā)生聚并黏結(jié)。此時(shí)，氣體已經(jīng)只能將聚集成團(tuán)的巖屑向上帶一段距離，大尺寸巖屑團(tuán)會(huì)沉降，重新落到井底，當(dāng)巖屑和水達(dá)到特定的比例時(shí)，潤濕的巖屑甚至開始黏附在鉆具與井壁表面，形成泥餅環(huán)，井眼環(huán)空進(jìn)一步減小，由于大尺寸巖屑團(tuán)的繼續(xù)沉降，巖屑團(tuán)進(jìn)一步聚集膨脹，井眼被堵卡，鉆頭幾乎被全包，發(fā)生嚴(yán)重的井下事故。

筆者采用Guo模型[11]進(jìn)行井底壓力的計(jì)算，以H0為出水層頂界面處深度，以鉆到水層頂界面時(shí)刻為零時(shí)刻，則水層頂界面的壓力為：

式中pwf(0)表示水層頂界面的壓力，Pa；pat表示鉆井作業(yè)出口處在環(huán)空頂部的壓力，Pa；aa表示中間參數(shù)；ba表示中間參數(shù)；H0表示水層頂界面的深度，m；Tav表示氣體平均溫度，K；

基于達(dá)西穩(wěn)定滲流機(jī)理，采用滲流力學(xué)中的平面徑向流模型，結(jié)合氣體鉆井井底壓力計(jì)算公式，建立地層出水量預(yù)測模型[12-15]，能夠計(jì)算對應(yīng)時(shí)間的出水量：

式中Q表示出水量，m3；pe表示供給壓力，Pa；k表示滲透率，D；v表示機(jī)械鉆速，m/h；t表示進(jìn)入水層的時(shí)間，h；μ表示液體的黏度，Pa·s；re表示供給半徑，m；rw表示井眼半徑，m。

達(dá)到穩(wěn)態(tài)后[16]，井筒內(nèi)的巖屑量為：

則地層出水后的含水率為：

當(dāng)巖屑含水率剛剛大于黏著界限ωN時(shí)即可認(rèn)為巖屑間發(fā)生明顯的黏結(jié)，聚集成團(tuán)，有部分潤濕的巖屑甚至開始在鉆頭、鉆柱和井壁上黏附，形成泥包。則鉆遇水層后，形成泥包的時(shí)間為：

式（3）～（5）當(dāng)中QS表示巖屑量，m3；Dbit表示鉆頭直徑，m；t0表示第一粒鉆屑返到井口的時(shí)間，h；ωi表示天然含水率；ωN表示黏著界限；t表示泥包所需時(shí)間，h。

1.2模型求解

根據(jù)建立的氣體鉆井地層出水鉆頭泥包時(shí)間模型，首先進(jìn)行環(huán)空井底壓力計(jì)算，具體措施為：根據(jù)井身結(jié)構(gòu)將整個(gè)井分為若干段，根據(jù)井口回壓計(jì)算第一個(gè)微分井段的摩擦損耗及該段的巖屑上返速度和井底壓力，而后根據(jù)第一個(gè)微分井段的井底壓力，計(jì)算第二個(gè)微分井段的摩擦損耗和井底壓力，得到該段的巖屑上返速度，依次分層迭代直至計(jì)算至井底得出該井的井底壓力及各段巖屑上返速度。而后由各段巖屑的上返速度計(jì)算出第一顆巖屑返回井口的時(shí)間，然后將時(shí)間和最終的井底壓力即水層頂界面的壓力代入泥包鉆頭定量風(fēng)險(xiǎn)模型中，得出最終的泥包時(shí)間（圖2）。

圖2　鉆頭泥包時(shí)間數(shù)學(xué)模型計(jì)算流程圖

2　基于泥包時(shí)間的鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

根據(jù)上述建立的鉆頭泥包時(shí)間數(shù)學(xué)模型，以泥包時(shí)間為指示參數(shù)來預(yù)測氣體鉆井地層出水后的鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)，其主體框架如下（圖3）。

圖3　鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測流程圖

根據(jù)井位構(gòu)造圖、地震反射剖面圖及相鄰工區(qū)、相鄰井的巖性柱狀圖等資料，預(yù)計(jì)本井的出水層；

取得出水層層位相關(guān)井深，含水性質(zhì)等信息；

通過建立的鉆頭泥包時(shí)間數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算；得出該條件下進(jìn)行氣體鉆井鉆遇水層后發(fā)生鉆頭泥包所需的時(shí)間；

預(yù)測該地區(qū)實(shí)行氣體鉆井發(fā)生鉆頭泥包的風(fēng)險(xiǎn)，得到預(yù)警提示。

根據(jù)研究，井下作業(yè)發(fā)生鉆頭泥包事故大多為不可逆的[17]，一旦發(fā)生，很難補(bǔ)救，而根據(jù)泥包時(shí)間可以提前判斷鉆頭泥包的風(fēng)險(xiǎn)大小，這里以泥包時(shí)間長短為指標(biāo)將泥包風(fēng)險(xiǎn)分為極易發(fā)生、易發(fā)生和不易發(fā)生3個(gè)等級，如表2所示。

表2　鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)測表

泥包發(fā)生時(shí)間太短，就必須在鉆遇水層之前就進(jìn)行轉(zhuǎn)換鉆井方式作業(yè)，否則鉆遇水層后會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生鉆頭泥包，造成嚴(yán)重井下事故；泥包時(shí)間大于1min小于10min時(shí)，說明泥包易發(fā)生，此時(shí)可以利用具有一定承壓能力和帶正電的堵水劑封堵出水層；如果泥包時(shí)間在10min以上，說明當(dāng)前情況下，泥包不易發(fā)生，可以考慮在鉆遇水層前后提高排量，將地層水和巖屑及時(shí)帶離井底，同時(shí)注意送鉆均勻，不要過于加大鉆壓，也可根據(jù)下文因素分析結(jié)果采取相應(yīng)措施，然后密切觀察效果。

3　影響因素分析

3.1巖性對鉆頭泥包的影響

鉆頭泥包的影響因素中，巖性屬于不可控因素，但巖性又是影響鉆頭泥包的根本性因素，不同巖性、不同礦物組成其親水性不同，因而達(dá)到塑性狀態(tài)所需的時(shí)間不同，而鉆頭泥包快慢和泥包程度主要受塑性及黏附性能的影響。一般而言，泥巖和黏土巖等含黏土礦物較多的巖石，遇水后更易水化分散膨脹，黏附性能更強(qiáng)，也更容易吸附于鉆頭表面導(dǎo)致鉆頭泥包事故，而隨著砂含量的逐漸增多，砂泥比（S/M）的增大，表現(xiàn)為較高的強(qiáng)度和抗壓入硬度，巖石不易切削，巖屑減少，切削方式也由塑性切削轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈约羟?，形成的巖屑更加細(xì)小，而且砂含量增多，巖屑潤濕困難，無法遇水膨脹聚集，黏附于鉆頭上形成鉆頭泥包（圖4）。但需要注意的是砂含量較少時(shí)，反而會(huì)增強(qiáng)巖石的塑性，因而更易泥包。

圖4　巖性對鉆頭泥包時(shí)間的影響示意圖

3.2鉆頭表面性質(zhì)對鉆頭泥包的影響

泥包主要發(fā)生在鉆頭上，因而鉆頭表面性質(zhì)甚至形狀都對鉆頭泥包有重要影響，一般而言，普通鉆頭表面含有較多的鎳銅，含有較強(qiáng)的正電勢，如果不進(jìn)行處理，對水中的負(fù)電勢及巖屑均有吸附作用，很容易形成泥包。但是如果通過對鉆頭進(jìn)行表面滲氮處理，處理后的鉆頭表面由原來的正電勢變?yōu)樨?fù)電勢，鉆頭表面就會(huì)排斥侵入井筒內(nèi)地層水中的電負(fù)性離子，從而使水分子移動(dòng)到帶電金屬表面，在鉆頭表面形成一層潤滑層，進(jìn)而使鉆屑不易在鉆頭表面黏附，阻止泥包產(chǎn)生。另外通過加入泥巖清潔劑等在鉆頭表面形成油膜，從而將鉆頭潤濕性由親水改為親油，同樣可以達(dá)到阻止泥包產(chǎn)生的效果。

3.3鉆井參數(shù)等因素對鉆頭泥包時(shí)間的影響

通過計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析得到了機(jī)械鉆速，井口回壓、井深變化及井徑擴(kuò)大率等因素的變化對鉆頭泥包時(shí)間的影響規(guī)律。

3.3.1機(jī)械鉆速對鉆頭泥包時(shí)間的影響

圖5　機(jī)械鉆速對鉆頭泥包時(shí)間的影響圖

機(jī)械鉆速對泥包時(shí)間的影響呈線性關(guān)系。如圖5所示，隨著機(jī)械鉆速的不斷增加，形成泥包的時(shí)間逐漸增大，表明發(fā)生鉆頭泥包的風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。對于不同井深，機(jī)械鉆速相同時(shí)，在井深較大處鉆遇水層形成泥包所需時(shí)間較長，因而發(fā)生鉆頭泥包的風(fēng)險(xiǎn)也較低。這是因?yàn)闄C(jī)械鉆速越大，同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖屑量越大，在相同出水量的情況下，巖屑難以在短時(shí)間內(nèi)被潤濕，達(dá)到塑性狀態(tài)。另一方面，巖屑含量的增加也會(huì)造成多相流密度的增大，進(jìn)而增大井底壓力，進(jìn)一步減小地層壓力和井底壓力之間的壓差，減少地層水的侵入量，從而增大鉆頭泥包的時(shí)間，進(jìn)而降低了鉆頭發(fā)生泥包的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2井口回壓對鉆頭泥包時(shí)間的影響

如圖6所示，井口回壓的增大會(huì)使形成泥包的時(shí)間增大，表明發(fā)生鉆頭泥包的風(fēng)險(xiǎn)降低，且井口回壓越大，增幅越大，當(dāng)保持井口回壓恒定時(shí)，增大井深，會(huì)使得形成泥包所需時(shí)間增大，發(fā)生泥包的風(fēng)險(xiǎn)降低。這是因?yàn)榫诨貕涸酱?，井底壓力越大，地層壓力與井底壓力之間的壓差減小，水侵速度變小，同一時(shí)間進(jìn)入井眼的水侵量減小，而且井口回壓較小時(shí)，井底壓力增加平緩，當(dāng)井口回壓逐漸增大時(shí)，井底壓力急劇增加，從而導(dǎo)致井底壓差急劇降低，水侵速度急劇減小，使得進(jìn)入井筒的地層水減少，因此需要更長時(shí)間才能潤濕巖屑使其達(dá)到黏著界限，從而使得發(fā)生鉆頭泥包的時(shí)間大幅增加。另一方面，井口回壓越大，巖屑運(yùn)移速度減小，同一機(jī)械鉆速下，產(chǎn)生巖屑速度相同，導(dǎo)致有更多巖屑留存在井筒內(nèi)，進(jìn)一步減弱了地層水對巖屑的潤濕，也進(jìn)一步增大了井底壓力，降低了井底壓差，從而使得形成鉆頭泥包所需時(shí)間逐漸增大，且增大幅度越來越大，進(jìn)而降低了鉆頭發(fā)生泥包的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6　井口回壓對鉆頭泥包時(shí)間的影響圖

3.3.3井深變化對鉆頭泥包時(shí)間的影響

鉆頭泥包所需時(shí)間隨井深的增大而增大，如圖7所示，鉆頭發(fā)生泥包的風(fēng)險(xiǎn)隨著井深的增加而降低，同一井深下井口回壓越大，鉆頭泥包所需時(shí)間越大，鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)越小。這是因?yàn)椋S著井深的增加，環(huán)空摩擦損耗增加，井底壓力隨之增大，井底壓力增加后又會(huì)進(jìn)一步減小與地層壓力之間的壓力差，從而減少水侵速度，使得進(jìn)入井筒的地層水減小，難以在短時(shí)間內(nèi)潤濕巖屑使其達(dá)到黏著界限，具有黏著性，從而增大泥包時(shí)間，降低了泥包和黏卡風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　井深變化對鉆頭泥包時(shí)間的影響圖

3.3.4井徑擴(kuò)大率對鉆頭泥包時(shí)間的影響

鉆頭泥包時(shí)間隨著井徑擴(kuò)大率的增大而增大，如圖8所示。

圖8　鉆頭泥包時(shí)間與井徑擴(kuò)大率關(guān)系圖

從圖8中可看出，泥包鉆頭的風(fēng)險(xiǎn)則隨之降低，且當(dāng)井徑擴(kuò)大率較小時(shí)鉆頭發(fā)生泥包所需時(shí)間增加平緩，井徑擴(kuò)大率較大時(shí)形成泥包的時(shí)間開始大幅增加。這是因?yàn)椋畯綌U(kuò)大率增大，環(huán)空截面積變大，相同的注氣量下，氣體流速降低，導(dǎo)致巖屑向上運(yùn)移速度減小，同一機(jī)械鉆速下，留存在井筒內(nèi)的巖屑量增加，進(jìn)入井筒內(nèi)的地層水難以在短時(shí)間內(nèi)潤濕巖屑使其達(dá)到塑性狀態(tài)，獲得黏著性，因而使得形成泥包的時(shí)間增大。而且隨著井徑擴(kuò)大率的增加，留存在井筒內(nèi)的巖屑量增加越來越快，最終導(dǎo)致泥包所需時(shí)間隨著井徑擴(kuò)大率的增加而增大，且增大幅度越來越快，進(jìn)而降低了鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)論

1）基于達(dá)西穩(wěn)定滲流機(jī)理，引入工程巖土學(xué)中的稠度指標(biāo)，針對氣體鉆井地層出水后的井底情況，建立了以泥包時(shí)間為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型，能夠?qū)τ捎诘貙铀侄l(fā)的鉆頭泥包風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析預(yù)測。

2）氣體鉆井過程中，地層出水后，巖性，鉆頭表面性質(zhì)、機(jī)械鉆速、井口回壓、井深變化和井徑擴(kuò)大等因素都會(huì)造成形成泥包時(shí)間的變化。泥包時(shí)間隨著機(jī)械鉆速、井口回壓、井深變化和井徑擴(kuò)大率的增大而增大。而且，巖性、鉆頭表面性質(zhì)、井口回壓值和井徑擴(kuò)大率對地層水侵后形成泥包的時(shí)間影響很大。

3） 計(jì)算結(jié)果表明，從鉆遇水層到鉆頭形成泥包，時(shí)間非常短暫，基本在數(shù)十分鐘之內(nèi)就會(huì)發(fā)生井下事故。因此，現(xiàn)場操作過程中，一定要提前做好出水層的預(yù)測和轉(zhuǎn)換鉆井方式的準(zhǔn)備工作。發(fā)生水侵后也可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果采取適當(dāng)?shù)拇胧┭泳彴l(fā)生鉆頭泥包的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] 李皋,孟英峰,劉厚彬,韓林,陳一健,羅兵.氣體快速鉆井井壁失穩(wěn)研究[J].鉆采工藝,2013,36(4): 26-30.Li Gao,Meng Yingfeng,Liu Houbin,Han Lin,Chen Yijian,Luo Bing.Evaluation methods of borehole instability in gas drilling[J].Drilling & Production Technology,2013,36(4): 26-30.

[2] 趙業(yè)榮,孟英峰,雷桐,唐貴,張漢林.氣體鉆井理論與實(shí)踐[M].北京: 石油工業(yè)出版社,2007.Zhao Yerong,Meng Yingfeng,Lei Tong,Tang Gui,Zhang Hanlin.Theory and practice of gas drilling[M].Beijing: Petroleum Industry Press,2007.

[3] Lopens JCB,Dukler AE.Droplet entrainment in vertical annular flow and its contribution to momentum transfer[J].AIChE Journal，1986,32(9): 1500-1515.

[4] Taitel Y， Bornea D， Dukler AE.Modelling flow pattern transitions for steady upward gas-liquid flow in vertical tubes[J].AIChE Journal,1980,26(3): 345-354.

[5] 王延民,孟英峰,李皋,顏建華,李永杰,林鐵軍,等.氣體鉆井出水條件下環(huán)空攜巖機(jī)理研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2008,10(4): 1-3.Wang Yanmin,Meng Yingfeng,Li Gao,Yan Jianhua,Li Yongjie,Lin Tiejun,et al.Annular carrying cutting study on gas drilling of water bearing formation[J].Journal of Chongqing University of Science and Technology: Natural Science Edition,2008,10(4): 1-3.

[6] 蔣祖軍.地層出水后的氣體鉆井?dāng)y巖攜水機(jī)理研究[J].鉆采工藝,2008,31(1): 12-14.Jiang Zujun.Research on the mechanism for carrying debris and water about gas drilling on condition of formation water output[J].Drilling & Production Technology,2008,31(1): 12-14.

[7] Wang Kexiong,Zhang Laibin,Jiang Hongwei.Relationshipbetween formation water rate,equivalent penetration rate and volume flow rate of air in air drilling[J].Petroleum Science， 2007， 4（4）: 62-65.

[8] Guo Boyun,Gao Deli.New development of theories in gas drilling[J].Petroleum Science,2013,10(4): 507-514.

[9] Jiang Yufang,Liu He,Liu Zhihuan,Liu Yonggui,Li Zengle.Study and application of formation water production and borehole wall stability prediction technologies in Daqing gas/foam drilling[C]// International Petroleum Technology Conference,7-9 December 2009,Doha,Qatar.

[10] 宿文姬，李子生.工程地質(zhì)學(xué)[M].廣州: 華南理工大學(xué)出版社,2013: 128-148.Su Wenji,Li Zisheng.Engineering geology[M].Guang Zhou: South China University of Technology Press,2013:128-148.

[11] William CL,Guo BY,Frank AS.Air and gas drilling manual[M].2nded.New York: McGraw-Hill,2001.

[12] 劉偉,劉波,李黔,鄒強(qiáng),高林,白璟,等.氣體鉆進(jìn)過程地層液體侵入量預(yù)測方法[J].鉆采工藝,2010,33(1): 8-10.Liu Wei,Liu Bo,Li Qian,Zou Qiang,Gao Lin,Bai Jing,et al.Method of predicting liquid invasion during gas drilling[J].Drilling & Production Technology,2010,33(1): 8-10.

[13] 賈紅軍,孟英峰,李皋,楊謀,魏納,汪傳磊.氣體鉆進(jìn)過程地層液體侵入量計(jì)算及攜液規(guī)律研究[J].鉆采工藝,2013,36(2): 1-5.Jia Hongjun,Meng Yingfeng,Li Gao,Yang Mou,Wei Na,Wang Chuanlei.Liquid influx calculation and study on liquid-carrying during gas drilling[J].Drilling & Production Technology,2013,36(2): 1-5.

[14] Tabatabaei M,Ghalambor A,Guo B.The minimum required gas-injection rate for liquid removal in air/gas drilling[C]//SPE Annual Technical Conference and Exibition,21-24 September 2008,Denver,Colorado,USA.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/ 116135-MS.

[15] Turner RG,Hubbard MG,Dukler AE.Analysis and prediction of minimum flow rate for the continuous removal of liquids from gas wells[J].Journal of Petroleum Technology,1969,21(11): 1475-1482.

[16] 王浩.深水鉆井巖屑濃度分布及遲到時(shí)間計(jì)算[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(32): 8660-8662.Wang Hao.Deep water drilling debris concentration distribution and the lag time calculation[J].Science Technology and Engineering,2012,12(32): 8660-8662.

[17] Solano J.Evaluation of new methods for processing drilling data to determine the cause of changes in bit performance[D].Baton Rouge: Louisiana State University,2004.

(修改回稿日期2016-03-16編輯凌忠)

Risk prediction of bit balling in gas drilling and its infuential factors

Su Yinao1,Chen Ye1,Yan Tie1,Sun Xiaofeng1,Wang Limin2,Wang Kelin3
(1.College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China; 2.Geological Brigade of the No.4 Oil Production Plant， PetroChina Daqing Oilfield Company， Daqing， Heilongjiang 163511，China; 3.Oil and Gas Engineering Research Institute， PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla， Xinjiang 841000，China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.60-65,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:In order to avoid or reduce the risk of bit balling and provide the guidance for successful gas drilling,it is necessary to study the cuttings migration after water breakthrough in the process of gas drilling.In this paper,therefore,the consistency index of geotechnics was introduced after water influx prediction model was analyzed.The mathematic model for simulating bit balling situations after water breakthrough was established by taking the adhesion limit of clay as the critical condition of bit balling.The model was solved by using the calculation program and the calculation results were analyzed to predict the risk of bit balling.And then,the factors influencing bit balling were analyzed,including lithology,bit surface properties and drilling parameters.It is shown that the forming time of bit balling after water breakthrough can be predicted by using the model established in this paper.Bit balling risk is predicted and assessed with the balling occurrence time as an indicator.Bit balling is greatly influenced by the lithology and the bit surface properties.Furthermore,the risk of bit balling decreases with the increase of ROP (rate of penetration),wellhead back pressure,well depth and hole diameter enlargement rate.It is concluded that the time interval between water breakthrough and bit balling is very short and downhole accidents happen within a few minutes.Therefore,it is necessary to complete aquifer prediction in advance and prepare sufficiently for drilling mode change.Once water breakthrough happens,it is significant to take some appropriate measures to delay the occurrence of bit balling based on the numerical simulation results.

Keywords:Gas drilling; Water influx; Stuck pipe; Consistency; Adhesion limit; Bit balling; Risk profile; Mathematical model

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.009

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“氣體鉆井地層—井眼流體—旋轉(zhuǎn)管柱耦合作用下井眼凈化機(jī)理研究”(51174043)。

作者簡介：蘇義腦，1949年生，中國工程院院士，博士生導(dǎo)師，博士；主要從事油氣井鉆井工程技術(shù)方面的研究工作。地址：（163318）黑龍江省大慶市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)發(fā)展路199號。ORCID: 0000-0001-9782-5823。E-mail: suyinaonepu@163.com

通信作者：陳燁，1991年生，碩士研究生；主要從事油氣井流體力學(xué)方面的研究工作。地址：（163318）黑龍江省大慶市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)發(fā)展路199號。E-mail: chenyenepu@163.com