【正文】 巖體，如鹽膏層、軟泥巖等；泥頁巖（以硬脆性為主） 應力：深部地層的上覆巖層壓力引起的地應力；強烈地質構造作用引起的地質構造力；異常熱應力、循環(huán)溫度應力、流固耦合應力破碎巖體和含弱面的巖體由于本身強度低而導致井壁失穩(wěn)；塑性巖體由于液柱壓力不夠時而出現(xiàn)蠕動變形；埋藏很深的地層由于巨大的上覆巖層壓力使水平應力增 大；強烈的地質構造作用造成很大的殘余構造力使井壁失穩(wěn)。 非泥頁巖地層的穩(wěn)定性對于給定段地層，在給定欠平衡鉆井的條件下，井壁是否可以保持穩(wěn)定，可按圖（ 21）所示的動作程序進行一系列的試驗和分析，最終得到結論。由上述綜合分析所得到的結論，如果井壁能保持穩(wěn)定，則可以采用給定參數(shù)的欠平衡鉆井；如果井壁不能保持穩(wěn)定，則應加大鉆井液密度直至井壁穩(wěn)定，必要時放棄欠平衡鉆井的方法。 圖 21 非泥頁巖地層穩(wěn)定性預測圖可得出，泥頁巖是在原有地應力再加水化應力條件下，以水化后降低的泥頁巖強度來決定水化后是否井壁失穩(wěn)；如果井 壁穩(wěn)定性不夠，則靠提高鉆井液密度予以克服。泥頁巖的水化應力大小及水化后強度降低多少，是由鉆井液的體系和性質來決定的；而井壁的最終穩(wěn)定性很大程度上還取決于鉆井液密度的提高。在常規(guī)的過平衡鉆井中，人們常常是在給定鉆井液密度的前提下，調整鉆井液體系和性質達到一個合適的狀態(tài)，使該狀態(tài)下泥頁巖水化應力、水化下降程度在給定鉆井液密度條件下能保持井壁穩(wěn)定。顯然此時鉆井液體系和性能并沒有使泥頁巖水化影響降低到最小。因此我們完全可以通過調整鉆井液體系和性能，使泥頁巖水化影響大幅度降低（即減少水化應力、使強度降低減少），到達使 泥頁巖井壁穩(wěn)定強化的目的，在此條件下可以大幅度降低鉆井液密度，實現(xiàn)欠平衡鉆井。 欠平衡鉆井兩相流理論 多相流動是幾個相處于一個系統(tǒng)內流動的體系。這幾個相可以是同一種物質的不同相態(tài)，也可以是不同物質的不同相態(tài)。僅有兩種相態(tài)同處于一個體系內的流動便稱為兩相流動，它是多相流動中最常見的一種流動組合?？梢允且环N物質的兩個相態(tài)，也可以是兩種物質的兩種相態(tài)。因此，可以分為單組分兩相流動和雙組分兩相流動。單組分兩相流動是由同一種化學成分但不同的相態(tài)混合在一起的流動體系。雙組分兩相流動是指化學成分不同的兩種物質同處 于一個系統(tǒng)內的兩相流體流動。但是，廣義來說，某些雙組分流動主要指液體、液體流動，由彼此互不混合的一種相態(tài)構成，也常被稱為兩相流動，例如油、水兩相流動。 雙組分兩相流動和單組分兩相流動定義雖有一些差異，但從流動相態(tài)的數(shù)學抽象，亦既從基本守衡方程的數(shù)學模型來看是相同的。在不涉及相變的條件下，常可將它們視為同一種物理現(xiàn)象處理。 相流流態(tài)分類及其判別方法 在欠平衡鉆井過程中，井筒中的多相流在流動時其流態(tài)是變化的。通過大量實驗觀察研究，對氣液多相流的流態(tài)，不同的人有不同的劃分方法。根據(jù) Taitel等人的研究成果，典型 的直井流態(tài)通?？煞譃榕轄盍鳎稳?，過渡流和環(huán)狀流。 氣液兩相的相態(tài)主要受各項速度、密度等參數(shù)的影響外，氣液兩相的流動的形成過程、少量雜質的存在等可能對流態(tài)有一定的影響。然而，由于不同的流態(tài)受不同的水動力學條件的控制，所以可以利用水動力學原理通過機理分析，得到流態(tài)的判別準則。 泡狀流 判別準則 1（小氣泡）： （ 21） 判別準則 2（大氣泡）： （ 22） （ 23） （ 24） 式中：管徑， mm ：氣體界面張力， Pa ：單個氣體上升的極限速度， m/s ：泰勒氣體氣泡上升速度， m/s ：氣相真實密度， g/cm3 ：液相真實密度， g/cm3 ：混合物真實密度， g/cm3 ：液相真實粘度， mPa ：含氣率，無因次 ：氣體表觀相速度， m/s ：液體表觀相速度， m/s ：混合物速度， m/s 段塞流 判別準則： （ 25） 如果，則： （ 26） 如果，則： （ 27） 過渡流 判別準則： （ 28） 如果，則： （ 29） 如果，則： （ 210） 環(huán)霧流 判別準則： （ 211） 欠平衡鉆井氣液兩相流數(shù)學模型建立在整個欠平衡鉆井過程中，我們關注的井內 各是井底、井口及套管鞋處的壓力主要受氣體、液體的流量、分布狀態(tài)和運動規(guī)律的影響，理論研究時排除了一些次要因素，突出主要影響因素的影響，因此先將研究對象模型化。 在本模型的建立中，應用了以下假設： 在本文的研究中，假設井眼截面為圓形且與井內鉆柱同心。 忽略氣體在泥漿中的溶解，且兩相間無化學反應。 本文只討論沿流動方向的一維非定常流動問題，用截面的平均特性和分布系數(shù)修正方法來表征過流斷面的流動參數(shù)分布。 環(huán)空內兩相段在同一位置處氣液兩相溫度相同，無熱量交換。 兩相流體動力學研究提供了描述一元兩相 流動基本方程，既保證能夠計算求解，又保證了兩相流的重要特點。 三相攜屑研究井眼凈化能力是否滿足正常鉆井需要，取決于鉆井環(huán)空流體的有效上返速度，只要有效上返速度大于巖屑的沉降速度和巖屑的最低上返速度，巖屑就可以被攜帶到地面上來。 欠平衡鉆井井下爆燃基礎理論 根據(jù)燃燒學理論，氣體燃燒的可以分為擴散性燃燒預混氣體燃燒兩大類。擴散性燃燒是指燃料與空氣在著火前不互相混合，燃燒速度主要受擴散速度控制，相對預混氣體燃燒，其燃燒速度較低。而預混氣體燃燒則是在著火前燃料與空氣已經混合，一旦著火，其燃燒速度很快，通 常表現(xiàn)為失火爆炸形式。在井下條件下，多數(shù)情況都表現(xiàn)為空氣與可燃氣體混合后失火爆炸的形式，其危害性較大，主要介紹預混氣體的失火爆炸問題。 任何可燃混合物（燃料與空氣或其他氧化劑的混合物）的燃燒都必須著火后才能產生快速的燃燒爆炸。著火前可燃氣處于緩慢的氧化過程，化學反應速度很低，而一旦著火后，初期對著火點的燃燒使可燃混合物的溫度升高，化學反應加速。反應的加速又近一步使反應熱增大，使可燃混合物的溫度進一步增高，如此反應，在很短的時間內致使反應速度急劇升高，從而由緩慢的氧化過程轉化為燃燒過程直至爆炸。使可燃混合物著 火的方法一般有兩種：自燃與點燃。前者是自發(fā)的，后者是人為的，可燃混合物由于化學反應使自身溫度升高而引起反應速度急劇升高形成的燃爆稱為熱自燃，反之由外界加入能量。點燃時，由于點火物體的形狀與能量傳遞途徑的不同，也可以分為不同的種類。以下將介紹引起井下失火的可能方式，即熱自燃、平板點火、熱球點火、火花點火的燃燒分析。 裂縫性儲層欠平衡鉆井流動規(guī)律 嚴重裂縫性儲層的最大問題是井漏 所有碳酸鹽巖儲層探區(qū)均存在不同程度的井漏問題。井漏嚴重制約著勘探開發(fā)速度和鉆井成功率。對于嚴重井漏、惡性井漏和漏噴同層，不 但堵漏成本與時效很高，有時無法堵漏。尤其是探井打開產層，產層同時又是漏層。產層漏失除了造成時效成本損失外，漏入產層的工作液還造成了嚴重的儲層傷害。井漏是鉆井工程中最復雜的問題之一，它不僅大大增加了鉆井液的費用，而且還會導致循環(huán)喪失，施工中斷，無法進行巖屑錄井，甚至引起井塌、井噴和卡鉆等惡性事故。 漏層漏失的原因分析 漏失性地層中鉆井液漏失一般具備以下條件：地層中有孔隙、裂縫或溶洞；地層孔隙中的流體壓力 通常稱之為地層壓力 小于鉆井液的液柱壓力；地層破裂壓力小于井底壓力包括液柱壓力、循環(huán)回壓和激動 壓力，因地層破裂而發(fā)生鉆井液漏失。地層中的孔隙、裂縫或溶洞以及地層壓力和破裂壓力，是在地層沉積、構造運動或地下水溶蝕過程中天然形成的，因其成因不同又分為滲透性漏失和裂縫 溶洞 性漏失。滲透性漏失多發(fā)生在膠結不好的孔隙性地層，其巖性以砂、礫巖為主。在鉆進滲透率大于 14m2 或砂、礫巖的平均粒徑大于鉆井液固相顆粒直徑三倍的孔隙性地層時，若井底壓力超過地層壓力就會發(fā)生滲透性漏失。在鉆進石灰?guī)r、白云巖的裂縫、溶洞及不整和侵蝕面、斷層、地應力破碎帶，火成巖侵入體的裂縫和孔洞時，若井底壓力大于地層壓力就會發(fā)生裂縫 溶洞 性漏失。而且漏失量大，漏失速度快。鉆井過程中發(fā)生井漏，除了地層本身存在孔隙、裂縫或溶洞，具有鉆井液通行的條件外。井底壓力大于地層壓力是導致鉆井液漏失的重要原因。 漏層的漏失規(guī)律與地質特征 對川東地區(qū)的井漏進行統(tǒng)計，結果表明：川東地區(qū)所有構造上均發(fā)生井漏。漏失的層位則從沙溪苗到志留系，從地表到 5000 米以下，幾乎每個層位都發(fā)生過井漏，但不同層位其漏失的嚴重程度和普遍程度有很大差異。嘉陵江、飛