【文章內(nèi)容簡介】 晶間滲透率大于 1 103μ m 的地層、具有宏觀開放型裂縫的地層等，在這些地層常規(guī)鉆井方式難以實施，這時就可以考慮采用空氣鉆井方式。 （ 3）嚴(yán)重缺水地區(qū) 由于空氣鉆井是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，對水的需求量降到了最低，所以特別適合于沙漠、高原等缺水地區(qū)。 （ 4）地層壓力低且分布規(guī)律清楚的地層 空氣鉆井的靜氣柱壓力極小，較高的地層 壓力會加重井控設(shè)備的負(fù)擔(dān)；此外，如果不清楚地層壓力的分布規(guī)律，空氣鉆井施工的安全性就難以得到保證。因此，對于地層壓力較高和分布規(guī)律不是很清楚的井，不適合使用空氣鉆井技術(shù)。 （ 5）穩(wěn)定地層 考慮到井壁穩(wěn)定問題，不穩(wěn)定的地層不適合采用空氣鉆井技術(shù)。不穩(wěn)定的地層主要包括：①流變性不穩(wěn)定地層；②破碎性（包括弱膠結(jié)）不穩(wěn)定地層；③異常地應(yīng)力不穩(wěn)定地層（如復(fù)雜構(gòu)造、高陡構(gòu)造、山前構(gòu)造等）；④深井、超深井的深部地層。 空氣 鉆井坍塌壓力計算模型 [1] 在對巖石強度參數(shù)研究中，得出關(guān)于三軸壓縮強度試驗得到關(guān)于主應(yīng)力 的公式： ?????? ???????? ?? 2452245231 ???? oo C c tgc tg （ 1） 當(dāng)巖石中存在空隙壓力 PP 時，庫倫 — 摩爾準(zhǔn)則應(yīng)用有效應(yīng)力表示為： ? ? ? ? ?????? ???????? ???? 245c o t2245c o t 231 ?????? oopp Cpp （ 2） 由上式可以看出，巖石剪切破壞與否主要受巖石所受的最大、最小主應(yīng)力控制，σ3 與σ 1 的差值越大，井壁越容易坍塌，從井壁巖石受力狀態(tài)分析中，可以發(fā)現(xiàn)巖石的最大、最小主應(yīng)力分別為周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，這說明導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵是井壁巖石所受的周向應(yīng)力σ θ 和徑向應(yīng)力σ γ 的差值，即σ θ σ γ 的大小。差值越大，井壁越容易坍塌。由于水平地應(yīng)力是非均質(zhì)的，即σ h1≠σ h2，所以井壁上的周向應(yīng)力是隨θ角而變化的（θ角為井壁上的點的矢徑與最大地應(yīng)力方向的夾角）。研究表明，在θ =90176。和θ=270176。處，σ θ 值最大。因此，該兩處的差應(yīng)力值達到最大，是井壁發(fā)生失穩(wěn)坍塌的位置。根據(jù)上面的分析可知，井壁坍塌失穩(wěn)是發(fā)生在θ =90176。和θ =270176。處，在該處的有效差應(yīng)力σ θ ′ σ γ ′有最大值，此時井壁坍塌處的有效應(yīng)力公式為： ? ???????????????03 21????????????pihhpipppp （ 3） 上式中的 ?? 和 ?? 分別為井壁坍塌處的最大和最小有效主應(yīng)力，將他們代入（ 2）式可以得到如下井壁坍塌壓力計算模型，即保持井壁穩(wěn)定所需的鉆井液密度的計算公式： ? ? ? ?? ? 1001232221 ?? ????? Hk kpCK phhm ? ????? （ 4） 式中： ?????? ?? 245cot ?oK H—— 井深， m； m? —— 鉆井液密度， g/cm3； C—— 巖石的粘聚力， MPa； ?—— 應(yīng)力非線性修正系數(shù)，一般取 ?? ； 21,hh?? —— 水平地應(yīng)力， MPa； p —— 地層孔隙壓力。 實施氣體鉆井通常要選擇在沒有地層流體壓力或壓力較低的地層，所以公式中孔隙壓力 Pp 近似取 0，公式簡化為： ? ?? ? 10023 2 21 ?? ??? Hk CKhhm ????? （ 5） 氣體鉆井井眼內(nèi)氣柱壓力很小，出于安全考慮，設(shè)井眼內(nèi)氣柱壓力為 0，當(dāng)計算坍塌壓力ρ m＞ 0，井壁圍巖將發(fā)生剪切破壞，容易坍塌；計算坍塌壓力ρ m＜ 0 時井壁不容易坍塌。即： ρ m＞ 0，井壁容易坍塌； ρ m＜ 0，井壁不容易坍塌。 各個參數(shù)在前面已經(jīng)詳細的闡明，在各個現(xiàn)實的情況中，把各個參數(shù)代入到庫倫 —摩爾空氣鉆井井壁穩(wěn)定的模型中，則就可以得出氣體鉆井井壁穩(wěn)定的坍塌壓力值。 地層出水條件下穩(wěn)定性分析 [1] 氣體鉆井是一種“無控制”的欠平衡鉆井?！盁o控制”是指在實際鉆井中不施加液柱壓力、環(huán)空 回壓以控制地層流體進入的數(shù)量和速度。氣體欠平衡鉆井中，地層一旦被鉆開，其中的可動流體（油、氣、水）便流入井內(nèi)，這些流體的性質(zhì)、數(shù)量、進入速度都會對鉆井施工造成影響，地層出水是氣體鉆井中的一大問題，必須認(rèn)真予以考慮。 在氣體鉆井過程中，當(dāng)環(huán)空中有水存在（地層水或者氣體本身非常潮濕）時，液滴碰撞巖屑會形成一層水膜包裹巖屑。大尺寸巖屑上升速度緩慢，小尺寸巖屑上升速度快，小尺寸巖屑追上大尺寸巖屑，形成巖屑團，產(chǎn)生聚并。這種聚并在環(huán)空關(guān)節(jié)處最容易發(fā)生：大顆粒減速、群聚。使小顆粒容易聚并。多個巖屑的聚并在碰撞過程中又分 散開來（或重力作用使聚并分開），所以，僅在巖屑表面產(chǎn)生一層水膜（非造漿、非水化），地層出水時對井眼凈化影響不大。 但對造漿水化的泥質(zhì)巖屑，水膜很快使巖屑成為泥團、小泥團碰上大泥團后粘結(jié)牢固，不會再分開。泥團越來越大，直至沉落再某處形成泥餅圈。 對泥質(zhì)地層，很少的地層出水就會形成泥餅圈，一旦形成泥餅圈，則會造成井眼不順通，使得氣體對鉆頭得冷卻效果變差，導(dǎo)致鉆頭被“燒壞”。 對這種地層，防止泥餅圈得形成，除了減弱泥頁巖水化分散外，最必要得關(guān)鍵措施是立即轉(zhuǎn)為連續(xù)均勻得泡沫流體。強結(jié)構(gòu)力得泡沫使得大、小巖屑都固定在 泡沫結(jié)構(gòu)中，同步轉(zhuǎn)移。不會形成碰撞，從而避免了泥餅圈的形成。 同樣的，地層中泥餅圈的形成，將使地層不穩(wěn)定，出水即將在空氣鉆井中造成很大的危害。在空氣鉆井中，出水將造成很大的影響。 （ 1） 引起卡鉆。地層出水引起巖屑吸水，巖屑就會水化膨脹，當(dāng)?shù)貙映鏊^多時，巖屑容易粘糊成團，在井眼的周圍形成泥環(huán)，從而引起卡鉆。 （ 2） 井壁垮塌。地層出水后地層水經(jīng)過易水化膨脹的泥頁巖層時，由于泥頁巖中的孔隙毛細管張力作用產(chǎn)生滲析，使得地層水在環(huán)空上返時滲入地層，泥頁巖吸水膨脹產(chǎn)生水化應(yīng)力 ,有的粘土礦物產(chǎn)生分散，有的不分散但裂縫增 多，擴展裂縫，減弱了巖石強度，嚴(yán)重影響井壁穩(wěn)定 ,導(dǎo)致井壁垮塌。 （ 3） 井下著火。井下著火是空氣鉆井的一大缺點?？諝忏@井作業(yè)時，若有地層水進入井眼，使鉆屑變濕形成泥環(huán)，井內(nèi)流動受阻，井下壓力迅速上升，泥環(huán)以下的氣體溫度升高，這時，即使天然氣等烴類物質(zhì)進入井眼的流速很低，也可能會迅速形成可燃的混合物。一旦混合物達到燃燒范圍，混合氣體壓縮本身就可能會引起燃燒。另外，鉆柱與井壁的摩擦、鉆頭在鉆硬地層時會產(chǎn)生火花也會把井下混合氣體點燃。 （ 4） 空氣量增加，作業(yè)費用增加?？諝忏@井時，當(dāng)?shù)貙映鏊?，不但要把巖屑帶出井眼， 同時還要把地層水帶出井眼。在相同條件下，地層出水與地層不出水相比，就需要更多的空氣量。 所以在空氣鉆井中，遇到地層出水的情況下，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的情況而定是不是該用空氣鉆井。特別是當(dāng)空氣鉆井在出水的情況下，導(dǎo)致井不穩(wěn)定的情況，則改變?yōu)槠渌你@井方式。當(dāng)出水量＜ 2m3/h時，可用加大氣量的方法予以處理；當(dāng)出水量在 2～ 10m3/h之間時，可用霧化或不穩(wěn)定泡沫的方法處理；當(dāng)出水量＞ 10m3/h時，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)為泡沫鉆井，對于地層壓力系數(shù)極高的地層必須考慮轉(zhuǎn)化為常規(guī)泥漿鉆井方式應(yīng)對復(fù)雜狀況。 第三章 空氣鉆井流體動力學(xué)參數(shù)計算與設(shè)計理論 [6] 氣體鉆井（空氣、氮氣、天然氣、煙道氣）中，井筒環(huán)空流動為氣 — 固兩相流。當(dāng)?shù)貙映鏊箔h(huán)空為氣 — 液 — 固三相流動 ， 其流動計算十分復(fù)雜。 Angel 是最早研究氣體鉆井氣體流動力學(xué)的學(xué)者。在 80 年代以前氣體鉆井流體力學(xué)參數(shù)設(shè)計均采用 Angel計算方法和相關(guān)圖表。 Angel 最小動能模型計算的 最小 注氣體積流量比油田實值需要值低 25%。由于這種原因激勵了更多的研究者去尋求氣體鉆井更準(zhǔn)確的計算方法。 Guo，B. Miska 等對最小上攜巖速度等模型的計算結(jié) 果與油田實鉆數(shù)據(jù)進行了分析對比。比較表明，雖然 Angel 最小動能方法計算的最小注氣量比油田實際注氣量更低 ， 但在這些模型中 ， 只有 Angel 模型計算結(jié)果與油田實際注氣量趨于一致。 Guo 等研究分析發(fā)現(xiàn) Angel最小動能模型計算結(jié)果比油田實際需值低的原因在于將 Weymouth 光滑管流動摩阻系數(shù)用于 Angel 模型中粗糙裸眼段中。因此 Guo 等將 Nikuradse 粗糙裸眼段流體流動摩阻系數(shù)計算引入 Angel 最小動能模型，這個重要的改進使 Angel 最小動能模型與油田實 際最小 注氣量十分吻合。因此，該項研究的氣體流動力學(xué)參數(shù)計 算采用修正的 Angel模型。 最小氣體體積流量 Qgo確定方法 最小動能法 Angel 在不考慮鉆屑和流體間的相互作用 （ 能量、質(zhì)量、動量交換 ） 及氣固兩相間無滑脫的條件下 ， 將氣相和固相 （ 鉆屑 ） 混合物的密度和速度視為在環(huán)空中的定常均勻單相流動，由氣體動力學(xué)理論導(dǎo)出有效將固相巖屑從井底攜帶到地面所需最小環(huán)空速度Vg， 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) （ 20℃， ） 為 ，或 50ft/s（ 60℉ ， ）， 即單位氣體動能 Ego 為 ： 221 gogogo VgrE ? （ 31） 式中： rgo—— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的重度， N/m3； Vgo—— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需最小氣體速度， m/s； g—— 重力加速度， 。 井筒內(nèi)計算點深處與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)具有同等攜屑能力的動能必須滿足以下關(guān)系： 22 2121 gogogg VgrVgr ? （ 32） 或： 22 goggog VrrV ? 由氣體狀態(tài)方程，任意計算井深處氣體重度 rg 為： TPSr gg ? （ 33） 式中： Sg—— 注入氣體的比重； P—— 計算井深處的壓力， MPa； T—— 計算井深處的絕對溫度， ℃。 井內(nèi)計算井深處的氣體體積流量 Qg 由狀態(tài)方程： P T gog ??? （ 34） 式中： Qg—— 計算井深處注入氣體體積流量， m3/min； Qgo—— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下注入氣體體積流量， m3/min； T—— 計算井深處絕對溫度 ，℃； P—— 計算井深處壓力， MPa。 計算井深處的氣體流速由（ 34）式求得： PA TQV gog ??? （ 35） 式中： A—— 計算井深處流道橫截面積， m2。 代方程（ 33）、（ 35）進方程（ 32），整理得： AV SgTQP go go2 ??? （ 36） 求得計算井深處的壓力 P、溫度 T、過流面積 A，即可確定按最小動能準(zhǔn)則設(shè)計井深，井筒流道條件下注入氣 體體積流量 Qgo。 目前，應(yīng)用最廣的仍然是基于 Angel模型基礎(chǔ)上的最小動能法 [9]~[10]。但由于 Angel模型所作的一些必要假設(shè)，利用其計算出的注氣量一般要小于實際需要的 20%~30%。 最小攜屑速度法 Ikoku 等人根據(jù)質(zhì)點在阻尼介質(zhì)中的自由下落問題研究了氣體鉆井中，攜帶鉆屑的最小速度計算模型，該方法確定最小注入氣體體積流量 Qgo 時需要計算鉆屑在氣體中的終了沉降速度 VSL 和輸送速度 Vtr。 終了沉降速度 VSL： 鉆屑終了沉降速度是其幾何尺寸、形狀、密度與氣體密度、粘度及流動形態(tài)的函數(shù) ，下式 即為鉆屑是球狀的終了沉降速度方程 ： ? ?HsDggssSL DDCgDV /134 ? ???? ? ?? （ 37） 式中： VSL—— 終了沉降速度， m/s； Ds—— 鉆屑的當(dāng)量直徑， m； DH—— 流道的水力直徑， m； ρ g—— 氣體密度， kg/m3； ρ s—— 鉆屑密度， kg/m3； ψ —— 球形度 ； CD—— 鉆屑滑脫系數(shù)（頁巖，石灰?guī)r CD=，砂巖 CD=）； g—— 重力加速度， m/s2。 輸送速度 Vtr： 鉆屑輸送速度 Vtr 取決于氣體鉆井中的機械鉆速 Vm 和環(huán)空允許（安全）輸送的鉆屑量。 鉆屑量與機械鉆速 Vm 和鉆頭尺寸 db 有關(guān)，即： ??????? 36004 2 mbp VdQ ? （ 38） 式中： Qp—— 鉆頭破碎巖屑的體積， m3/s； db—— 鉆頭尺寸， m； Vm—— 機械鉆速， m/h。 環(huán)空過流斷面上輸送鉆屑的體積流： ACVQ ptrtr ? （ 39） 式中： Cp—— 環(huán) 空鉆屑的體積濃度， Cp=。