李幫民，侯樹剛，楊甘生，張建華，王惠文，龔媛

（1.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；2.中國地質大學（北京），北京 100083；3.中國石化中原石油工程有限公司技術發(fā)展處，河南 濮陽 457001）

氣舉反循環(huán)防漏鉆井施工參數(shù)適應性分析

李幫民1，侯樹剛1，楊甘生2，張建華3，王惠文1，龔媛1

（1.中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001；2.中國地質大學（北京），北京 100083；3.中國石化中原石油工程有限公司技術發(fā)展處，河南 濮陽 457001）

隨著西南頁巖氣開發(fā)力度逐漸加大，淺表裂縫性地層漏失問題日益突出，為此嘗試引進氣舉反循環(huán)鉆井技術。該技術具有井底壓力小、上返流速高、攜巖效果好等優(yōu)點，在水井、地熱井、煤層氣井以及大口徑工程樁施工等領域表現(xiàn)出良好的防漏效果。為從理論上探討氣舉反循環(huán)防漏鉆井施工參數(shù)的適應性，建立了反循環(huán)氣液固三相流動模型，初步分析了φ444.5 mm和φ311.2 mm兩種井眼條件下雙壁鉆桿的類型和下深比、空氣壓縮機風量等施工參數(shù)對機械鉆速的影響，從施工參數(shù)角度驗證了該技術在石油鉆井領域的適應性。該研究為氣舉反循環(huán)技術在石油鉆井領域的應用推廣提供了理論依據(jù)。

氣舉反循環(huán)；防漏；石油鉆井；理論模型；適應性分析

0 引言

川南、礁石壩等區(qū)塊是中國石化頁巖氣開發(fā)重點區(qū)域，在開發(fā)過程中，淺表性地層裂縫發(fā)育，漏失問題嚴重，缺乏行之有效的防漏技術措施［1-6］。氣舉反循環(huán)鉆井技術因其特殊的反循環(huán)工藝，具有井底壓力小、上返流速高、攜巖效果好等特點，已廣泛應用于水井、地熱井、煤層氣井以及大口徑工程樁施工等領域，施工過程中針對裂縫性漏失地層表現(xiàn)出了良好的防漏效果［7-9］。

前期在川南H9-6井開展了氣舉反循環(huán)現(xiàn)場試驗，驗證了通過簡單改造即可實現(xiàn)氣舉反循環(huán)設備在石油鉆井設備的應用，但缺乏施工參數(shù)的理論指導。本文建立了簡易氣液固三相流動模型，在φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼條件下，分析了雙壁鉆桿的類型和下深比、空氣壓縮機風量等施工參數(shù)對攜巖能力的影響規(guī)律，給出了氣舉反循環(huán)在石油鉆井施工過程中的配套設備優(yōu)選原則及施工參數(shù)設計方法。

1 施工工藝簡介

氣舉反循環(huán)配套設備主要包括簡易鉆機、空氣壓縮機、雙壁方鉆桿、雙壁鉆桿、連接水龍頭與雙壁方鉆桿的氣盒子、連接雙壁鉆桿和普通鉆桿的氣水混合器、鉆頭、小型固控設備等。氣盒子、雙壁鉆桿、雙壁方鉆桿的連接扣型與石油鉆井設備扣型相同，可直接與石油設備連接；氣舉反循環(huán)中的鉆頭是在常規(guī)牙輪鉆頭中心部位鉆取約50 mm水眼、堵塞牙輪鉆頭其他3個水眼改造而成的。

氣舉反循環(huán)施工工藝較為簡單，技術原理如下：將空氣壓縮后通過雙壁鉆桿、氣水混合器等設備注入雙壁鉆桿芯管內部，在芯管內部形成低密度的混合液，使雙壁鉆桿內部與環(huán)空之間形成足夠的壓差，造成環(huán)空內流體攜帶井底的巖屑通過鉆頭中心部位的水眼進入鉆桿內部，再經(jīng)過氣水龍頭、管路等設備進入泥漿罐中。若現(xiàn)場條件允許，可在井口附近挖一沉淀池，通過自由沉淀，清除鉆井液中的固相和氣相，并通過自由流動的方式，將沉淀池中的鉆井液自由流動至井口環(huán)空處。

2 施工參數(shù)分析

2.1 數(shù)學模型

氣舉反循環(huán)過程中，由于雙壁鉆桿芯管內為氣液固三相流動，流型極為復雜。目前針對氣液固三相流動的理論，多為基于實驗研究數(shù)據(jù)整理建立［10-12］，缺乏系統(tǒng)的、能夠真實反映氣液固三相流動的理論模型。本文簡化了氣液固三相流動流型，假設如下：1）氣液固三相在芯管內部分布均勻；2）壓縮空氣在鉆井液中的流動阻力損失不計；3）鉆井液在鉆頭處的阻力損失為定值；4）鉆井液在循環(huán)系統(tǒng)中的流動視為等溫紊流；5）井眼截面為規(guī)則圓形，鉆柱位于與井眼同心位置；6）不考慮鉆柱回轉的影響。

確保巖屑被攜帶至井口過程中，巖屑上返速度需大于其自由沉降速度，綜合考慮巖屑自由沉降速度、鉆井液上返速度等，可推導得到描述機械鉆速與巖屑粒徑、井眼直徑、鉆桿內徑等關系的計算模型：

式中：ROP為機械鉆速，m/h；d為鉆桿內徑，m；D為井眼直徑，m；ρ1為含巖屑的鉆井液密度，kg/m3；ρ0為巖屑密度，kg/m3；ρ為鉆井液密度，kg/m3；v為鉆井液的上返速度，m/s；K為巖屑的形狀系數(shù)，圓形巖屑取4.0～4.5；d0為巖屑粒徑，m；δ為巖屑粒徑與鉆桿內徑的相對大小，δ=d0/d。

基于能量守恒方程，建立氣舉反循環(huán)過程中的能量分布公式：

式中：A為壓縮氣體在鉆井液中膨脹做功值，J（以下單位同）；A1為鉆井液和巖屑的位能增加值；A2為從井底到氣水混合器處的流動能量損失；A3為從氣水混合器到氣水龍頭處的能量損失；A4為鉆頭處能量損失，取為定值ε；A5為排渣出口處的鉆井液和巖屑動能；A6為固液相對密度差引起的能量損失；A7為井眼環(huán)空間隙內鉆井液由井口至井底的流動能量損失，其中鉆具外徑統(tǒng)一按雙壁鉆桿外徑計算；p0為大氣壓，MPa；Q0為壓縮空氣供氣量 （自由狀態(tài)下），m3/s；p為氣水混合器處壓縮空氣壓力，MPa；h0為氣舉反循環(huán)揚程，m；Q為氣舉反循環(huán)排量，m3/s；λ為鉆井液流動阻力系數(shù)［13］；g為重力加速度，m/s2；h2為氣水混合器距井底的距離，m；h1為氣水混合器下入深度，m；hx為從氣水混合器到氣水龍頭處的距離，m；vx為hx處對應的流速，m/s；vend為排渣出口處的鉆井液速度，專業(yè)詞叫“末速度”，m/s；H為井深，m；ds為雙壁鉆桿外徑，m；e為鉆具內壁平均粗糙度，m（此處不考慮鉆具接頭，按e=0.045 72m計算）；dh為鉆桿內水力直徑，m。

令K0=Q0/Q，K0為氣液舉升比，即舉升單位體積鉆井液所需的空氣量。取p0/γw=10m（γw為水的容重，N/m3），整理式（3）可得：

通過推導，得出攜帶巖屑至井口的鉆井液速度：

將表征鉆井液攜巖能力的S除以井眼截面積，得到一個鉆進速度值。該值即為該型號雙壁鉆桿能保持井底清潔所容許的最大機械鉆速：

2.2 雙壁鉆桿類型

目前，石油鉆井鉆桿以φ139.7mm和φ127.0 mm鉆桿為主，對應氣舉反循環(huán)配套設備中的SHB139.7/80，SHB127.0/70，SHB127.0/79雙壁鉆桿。模型計算過程中，氣液舉升比為4，雙壁鉆桿下深比為1∶5，其他計算參數(shù)見表1，模型分析結果如圖1所示。

表1 計算參數(shù)

川南、礁石壩等區(qū)塊頁巖氣開發(fā)過程中，一開井眼直徑普遍采用444.5 mm，井深約為600m。在φ444.5 mm井眼中，SHB139.7/80，SHB127.0/79雙壁鉆桿的最大機械鉆速相近，均遠高于SHB127.0/70雙壁鉆桿，在φ311.2 mm井眼中變化規(guī)律相同。

2.3 雙壁鉆桿下深比

雙壁鉆桿下深比直接影響雙壁鉆桿內管鉆井液的上返速度，與空氣壓縮機風量共同決定了鉆井液的攜巖能力。目前氣舉反循環(huán)技術在石油等領域施工過程中，常規(guī)的下深比從1∶4到1∶15，缺乏理論依據(jù)。因此，本文計算了雙壁鉆桿下深比對最大機械鉆速的影響規(guī)律，結果如圖2所示。氣液舉升比為4，雙壁鉆桿型號SHB139.7/80，其他計算參數(shù)見表1。

圖1 不同型號雙壁鉆桿對最大機械鉆速的影響規(guī)律

圖2 不同下深比對最大機械鉆速的影響規(guī)律

如圖2所示，在φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼中，均存在隨著下深比的逐漸降低（雙壁鉆桿數(shù)量的減?。?，最大機械鉆速逐漸降低的趨勢，最大機械鉆速均分布在下深比為1∶4。同時，當下深比一定時，隨著井深的增加，機械鉆速呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。因此，氣舉反循環(huán)技術在石油鉆井應用過程中，建議準備足夠的雙壁鉆桿，避免因雙壁鉆桿下深不夠，導致機械鉆速降低。

2.4 空氣壓縮機風量

空氣壓縮機向井內輸送的壓縮空氣是鉆井液實現(xiàn)反循環(huán)的動力，因此，輸送壓縮空氣的壓力和排量對鉆井液攜巖能力具有極為重要的影響。氣舉反循環(huán)技術在其他工程領域施工過程中，普遍采用的風量為12.5m3/min，輸出壓力為15 MPa；而在石油鉆井領域，空氣壓縮機應用于常規(guī)空氣鉆井過程中，單臺空氣壓縮機的風量均大于25.0m3/min，輸出壓力在15 MPa以上。兩者采用的輸出壓力均為不可調式，即出口壓力由壓縮空氣供氣管路循環(huán)壓耗決定。從輸出壓力角度分析，空氣鉆井用空氣壓縮機適用于氣舉反循環(huán)鉆井施工。基于數(shù)學模型，分析了空氣壓縮機風量對鉆井液攜巖能力的影響規(guī)律（見圖3），井眼直徑為444.5 mm，雙壁鉆桿下深比為1∶5，雙壁鉆桿型號SHB139.7/80，其他計算參數(shù)見表1。本文模型中，空氣壓縮機風量與氣液舉升比K0之間的換算關系如式（8）所示。

圖3 不同舉升比條件下空氣壓縮機風量變化規(guī)律

如圖3所示，在φ444.5 mm井眼中，隨著井深的增大，對空氣壓縮機風量要求均存在先增大后降低的趨勢，但對空氣壓縮機風量而言，變化范圍較小，即在空氣壓縮機風量為4m3/min左右，即可氣舉反循環(huán)施工，遠低于前文介紹的石油空氣鉆井空氣壓縮機風量。因此，可將空氣鉆井使用的空氣壓縮機用于氣舉反循環(huán)施工。

3 結論

1）為提高氣舉反循環(huán)技術在鉆井過程中的機械鉆速，雙壁鉆桿建議采用SHB139.7/80或SHB127.0/79兩種型號。

2）氣舉反循環(huán)技術在石油鉆井施工過程中，應盡量備足雙壁鉆桿數(shù)量，提高雙壁鉆桿下深比。

3）石油空氣鉆井中應用的空氣壓縮機風量、輸出壓力適用于氣舉反循環(huán)技術施工，無需單獨為氣舉反循環(huán)施工引進低風量空氣壓縮機。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Adaptability of air-lifting reverse circulation caulk drilling with different parameters

LI Bangmin1,HOU Shugang1,YANG Gansheng2,ZHANG Jianhua3,WANG Huiwen1,GONG Yuan1
(1.Research Institute of Drilling Engineering and Technology,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.Technology Development Department,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China)

with the development of shale gas in the southwest China,fractured leakage of shallow formation becomes increasingly severe.Air-lifting reverse circulation drilling technology,which has a lot of advantages,such as low bottom hole pressure,high return velocity and better cutting clean,shows good leak proof effect in the process of wide application.In order to study the adaptability of air-lifting reverse circulation drilling with different parameters,three phase flow model of air-lifting reverse circulation is established.The impact on the rate of penetration with different parameters,including the type of double-wall drill pipe,depth,air compressor discharge rate,in both 444.5 mm and 311.2 mm wellbores is preliminarily analyzed.The verified adaptability of air-lifting reverse circulation drilling technology provides a theoretical basis for the application and extension of this technology in the oil drilling.

air-lifting reverse circulation;leak proof;petroleum drilling;theoretical model;adaptability analysis

中國石化石油工程技術服務有限公司項目“氣舉反循環(huán)鉆井技術適應性研究”（SG14-06X）；中國石化中原石油工程有限公司項目“充氣反循環(huán)鉆井技術應用研究”（2016102）

TE242

A

10.6056/dkyqt201606032

2016-04-28；改回日期：2016-08-20。

李幫民，男，1981年生，工程師，2012年1月獲中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)博士學位，主要從事鉆井工藝、井下復雜流動等方面研究。E-mail：bangmin_li@126.com。

李幫民，侯樹剛，楊甘生，等.氣舉反循環(huán)防漏鉆井施工參數(shù)適應性分析［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：838-841.

LI Bangmin，HOU Shugang，YANG Gansheng，et al.Adaptability of air-lifting reverse circulation caulk drilling with different parameters［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：838-841.