【正文】 To——地面溫度，K； Qgo——地面脫氣后鉆井液返出流量，L/s； Qmo——?dú)馇智般@井液流量，L/s； po——環(huán)空地面壓力，kPa； ——?dú)馇智般@井液在地面的溫度，g/cm3公式(2——26)忽略了環(huán)空中氣體滑脫造成的能量損失,并假設(shè)環(huán)空中氣體偏差因數(shù)和井下溫度為井深的線性函數(shù),在積分時(shí)取其平均值。(1)確定合理的欠壓值欠平衡鉆井是使環(huán)空中的壓力略低于地層壓力，只要能保證地層流體能進(jìn)人鉆井環(huán)空即可，不必追求過(guò)高的欠壓值。盡量選用成本低而又能滿足所確定的欠壓值的鉆井液體系，過(guò)高的欠壓值，可能會(huì)大幅增加鉆井液成本和地面控制設(shè)備施工時(shí)的難度。(3)如何保證設(shè)計(jì)欠壓值，且鉆井方式選擇流體欠平衡鉆井，可以采用控制井口回壓的方法來(lái)保證設(shè)計(jì)的欠壓值與實(shí)際欠壓值相等。根據(jù)設(shè)計(jì)的欠壓值計(jì)算出實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井所需要的鉆井濃密度，在地層流體末進(jìn)入井筒時(shí)，立管壓力如下:在欠平衡鉆井中，如果地層流體尚未進(jìn)入井筒內(nèi)時(shí)，那么立管壓力:式中：P立——循環(huán)時(shí)的立管壓力，Mpa； P地面——地面管匯壓耗，Mpa； P管柱內(nèi)——鉆柱內(nèi)壓耗，Mpa；P嘴——鉆頭噴嘴壓耗，Mpa；在環(huán)空作用在地面上的壓力只有Pa,P回。令P立=P立欠。但隨著井深增加，新的立壓參考值應(yīng)為原循環(huán)壓耗參考值加上由于井深增加段內(nèi)的壓耗與環(huán)空壓耗值。若因井下氣體滑脫至井口引起的套壓升高，可采用節(jié)流循環(huán)排氣降壓法，使套壓降至安全套壓范圍。當(dāng)新的地層壓力求出后，由于此時(shí)環(huán)空已受侵，Pm欠和Pa欠難于求出，所以可在假設(shè)地層流體未進(jìn)入井筒的基礎(chǔ)上，用式(5—29)按設(shè)計(jì)的欠壓值△P欠設(shè)計(jì)算出所需新的欠平衡鉆井液的密度。但由于鉆井液密度已經(jīng)調(diào)整，此時(shí)的初始循環(huán)壓耗不等于原鉆井液密度下的初始循環(huán)壓耗，如果采用調(diào)整井口回壓的方法來(lái)保證原鉆井液密度下的初始循環(huán)壓耗，就不能保證△P欠設(shè)=△P欠實(shí)。由于所有壓耗與鉆井液密度是正比關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，可按式(2—30)近似求出: (2—30)式中：P立1——初始循環(huán)時(shí)立管壓力，Mpa； P立2——調(diào)整鉆井液密度后循環(huán)時(shí)應(yīng)保持的立管壓力，Mpa； ——初始欠平衡時(shí)鉆井液密度，g/cm3；——調(diào)整后欠平衡的鉆井液密度，g/cm3；k——鉆井液性能的影響系數(shù)。運(yùn)用該公式近似地求出調(diào)整鉆井液密度后應(yīng)保持的立管壓力，并用井口回壓控制循環(huán)壓耗始終等于該立管壓力，從而保證實(shí)際欠壓值等于設(shè)計(jì)的欠壓值。這種鉆井液主要是由無(wú)機(jī)鹽、聚合物和暫堵劑配成，是目前國(guó)內(nèi)煤層氣井廣泛采用的鉆井液類型。由于該方法的很多技術(shù)和設(shè)備要求與常規(guī)鉆井方法相類似，并且既可以降低鉆井液成本，同時(shí)又能達(dá)到降低鉆井液柱在井底形成的壓力，從而降低了煤層鉆進(jìn)過(guò)程中的儲(chǔ)層傷害程度，因此在我國(guó)煤層氣的勘探開發(fā)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。給鉆井完井液主要是指體系中不含粘土礦物和固相顆粒直徑小于2μm的清潔鹽水鉆井完井液。其基本體系特點(diǎn)有：體系為不含任何固相的清潔鹽水，用精細(xì)過(guò)濾的方法保證鹽水的清潔程度。用體系的高礦化度和各種離子的組合對(duì)水敏礦物的強(qiáng)抑制性，以控制油層的水敏性傷害。 用對(duì)油層無(wú)傷害或傷害低的聚合物降低粘度。當(dāng)基液配成后常用的添加劑為HEC（羥乙基纖維素）和XC生物聚合物等。還使用NaOH或石灰控制pH值，如遇地層中的H2S。2）KCl鹽水體系 由于K+對(duì)黏土晶格有固定作用，因此KCl鹽水鉆井液是對(duì)付水敏性地層最好的鉆井完井液體系之一。KCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其密度的關(guān)系為線性關(guān)系。3）甲酸鹽鉆井液甲酸鹽鉆井液是近年來(lái)為了克服無(wú)固相清潔鹽水液腐蝕性強(qiáng)的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種新型的無(wú)固相有機(jī)鹽鉆井液體系。該鉆井液的基本組成為：鹽水基液+%～%HVPAC+%～%抗高溫淀粉+25%瀝青類封堵劑+甲酸鹽（加量視密度要求而定）。（2） 空氣鉆井流體性能[5][6] 氣相欠平衡鉆井一般采用純天然氣體作為鉆井介質(zhì)，這種氣體是空氣、氮?dú)?、天然氣、廢氣或任一混合氣體。另外，鉆成的井具有井斜小，固井質(zhì)量好，產(chǎn)量高等特點(diǎn)，特別適用于在低壓衰竭油氣藏中鉆進(jìn)。氣流體是指空氣或天然氣、氮?dú)?、二氧化碳、防腐劑及干燥劑等組成的循環(huán)流體。使用氣流體鉆井時(shí)，需要在井場(chǎng)配備專用鉆井設(shè)備，還需有井口防噴器、旋轉(zhuǎn)頭、密封鉆桿、巖屑排除管匯及測(cè)量?jī)x表等。其缺點(diǎn)是易引起井下著火與爆炸，造成井下鉆具破壞，所以氣流體鉆井選擇氣體類型很重要。但我國(guó)目前因設(shè)備和成本問題，一直未能采用這項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)。其基液一般是由水、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑(有時(shí)根據(jù)需要還要添加一定量坂土)按一定比例配制而成，氣體一般選擇空氣。氣體進(jìn)入混有發(fā)泡劑的水溶液中，通過(guò)發(fā)泡裝置而分散成小氣泡，氣泡界面的活性劑親水基朝向液相，疏水基伸向氣體內(nèi)部，按規(guī)律排列成界膜，當(dāng)泡沫由于浮力上升，溢出界面時(shí)，活性劑分子再次定向，于是形成了雙層活性劑水膜結(jié)構(gòu)的泡沫壁，使泡沫具有一定的穩(wěn)定性能[7]。泡沫出現(xiàn)顆粒大小不勻的現(xiàn)象，因此，一般認(rèn)為對(duì)于鉆井用泡沫，～。這是因?yàn)榕菽是蛐味嗝骟w，流動(dòng)時(shí)受剪切應(yīng)力的作用，迫使球狀改變?yōu)橛欣诹鲃?dòng)的扁平狀或棒狀，以減少流動(dòng)阻力。當(dāng)剪切速率達(dá)到4000s時(shí)，粘度仍然是趨于下降，但變化不大。根據(jù)流體力學(xué)的理論，較高粘度的流體可使其具有穩(wěn)定層流的流動(dòng)趨勢(shì)，為此，泡沫在實(shí)際應(yīng)用中一般都能保持層流狀態(tài)，這對(duì)于攜帶井底巖屑，防止沖蝕井壁是極為有利的[8]。前者是由氣體、粘土、穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑配成的穩(wěn)定性比較強(qiáng)的分散體系；穩(wěn)定泡沫是指空氣、流體、發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑配成的分散體系。泡沫鉆井方法具有靜液柱壓力低、漏失量小、攜巖能力強(qiáng)且能高效清潔井眼、對(duì)油氣層損害小、適用范圍廣等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：返出地表的泡沫無(wú)法循環(huán)利用和回收，所以增加了鉆井費(fèi)用，因此可回收再利用的泡沫鉆井液的研究將成為當(dāng)下和未來(lái)科研的重點(diǎn)內(nèi)容?？偟膩?lái)說(shuō)可以分為內(nèi)因和外因：1）　內(nèi)因[9]　表面活性劑質(zhì)量濃度的影響表面活性劑對(duì)泡沫的形成和穩(wěn)定性都有影響，見圖1。試驗(yàn)中采用單一類型的表面活性劑，它的臨界與臨界膠束(CMC)接近，只有當(dāng)?shù)貙訅毫λソ撸绕涫钱?dāng)表面活性劑吸附在巖屑上時(shí)，需要另外增加表面活性劑。圖2　聚合物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響 發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的影響泡沫黏度隨發(fā)泡劑濃度增大而增大。泡沫鉆進(jìn)用泡沫劑多以陰離子型、非離子型、復(fù)合型及高聚物型發(fā)泡劑。2）外因　溫度時(shí)間的影響泡沫鉆井液密度和溫度、時(shí)間有關(guān)，在100℃時(shí)，泡沫鉆井液靜置時(shí)間越長(zhǎng)，密度變化越大。但溫度在100℃以內(nèi)的地區(qū)，泡沫鉆井液的穩(wěn)定性能夠滿足鉆井工程的要求。圖3　泡沫鉆井液密度壓力溫度曲線 煤層氣鉆井固相控制工藝 在鉆井過(guò)程中，優(yōu)良的鉆井液性能是提高鉆井速度、降低鉆井成本、預(yù)防井下事故、保護(hù)產(chǎn)層的前提，而鉆井液固控系統(tǒng)是維持鉆井液性能的保證。固控設(shè)備的優(yōu)化配套非常重要，固控設(shè)備1～4級(jí)的處理量應(yīng)相互匹配，且分離粒度的間距要適當(dāng)，有一定的重疊，使上一級(jí)固控設(shè)備處理不完全的較小顆粒在下一級(jí)固控設(shè)備中仍可被處理。國(guó)內(nèi)鉆井液固控系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)及主要內(nèi)容：（1） 優(yōu)化的目標(biāo)以滿足鉆井工藝流程為基礎(chǔ)、設(shè)備投入和運(yùn)行成本最優(yōu)化為目標(biāo)，使系統(tǒng)具有合理的流程、較強(qiáng)的鉆井液處理能力。 模塊化模塊化的含義包括功能的模塊化(能形成標(biāo)準(zhǔn)化的鉆井液補(bǔ)給模塊、固相凈化模塊、材料添加混合模塊、鉆井液檢驗(yàn)/吸入模塊和鉆井液儲(chǔ)備模塊)；固相控制設(shè)備、輔助設(shè)備、電器電路的模塊化；對(duì)人行通道、護(hù)欄、上下梯子以及罐體設(shè)計(jì)的模塊化。如對(duì)循環(huán)罐設(shè)計(jì)的模塊化，使每個(gè)罐之間都有標(biāo)準(zhǔn)的快捷接口裝置，各罐之間既相互獨(dú)立又可相互聯(lián)通，可按需求進(jìn)行組合、配套、增減罐的數(shù)量。模塊化和系列化的研究對(duì)于固控設(shè)備的制造和使用方都能起到節(jié)約成本、方便實(shí)用的作用，并可促進(jìn)固控系統(tǒng)行業(yè)的健康發(fā)展。 通用化 在總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)安裝及制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和用戶反饋信息，確定出設(shè)備合理統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式、接口尺寸和快捷方便的連接方式，實(shí)現(xiàn)固控系統(tǒng)系列產(chǎn)品之間的互換性和統(tǒng)一性。如固控系統(tǒng)配套標(biāo)準(zhǔn)、固控系統(tǒng)配套評(píng)價(jià)辦法、固控設(shè)備產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、其他部件或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。 性能及可靠性此項(xiàng)的重點(diǎn)在提高振動(dòng)篩的處理能力及篩網(wǎng)壽命；提高旋流器的分離效率、底流的可控能力和耐磨壽命；提高離心機(jī)的處理能力和壽命、提高砂泵的效率及其密封件等的使用壽命；開發(fā)新的井場(chǎng)廢棄物處理系統(tǒng)等，達(dá)到精簡(jiǎn)固控設(shè)備、節(jié)約購(gòu)置費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和電費(fèi)的目的。因此，應(yīng)做到對(duì)鉆井作業(yè)中的廢棄物實(shí)施妥善處理，采用鉆井廢棄物化學(xué)絮凝強(qiáng)化固液分離無(wú)害化處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)處理的水可直接排放。 優(yōu)化的主要內(nèi)容1)鉆井液罐的容量和有效系數(shù)的確定[11][12]①容量和有效系數(shù)以井身結(jié)構(gòu)、鉆頭尺寸、井徑擴(kuò)大率等主要參數(shù)測(cè)算井筒內(nèi)有效鉆井液容積，同時(shí)考慮固控設(shè)備的擺放位置、內(nèi)部管路、罐上部鉆井液槽等影響因素，確定固控系統(tǒng)總?cè)莘e及有效容積系數(shù)，以滿足正常鉆井時(shí)對(duì)鉆井液量的需要。，能夠確保事故得到處理，包括能夠儲(chǔ)存1～2種不同功能的鉆井液，能實(shí)現(xiàn)加重鉆井液和其他混配調(diào)節(jié)鉆井液性能的鉆井液處理劑，以應(yīng)付井噴等惡性事故的發(fā)生；當(dāng)發(fā)生井漏導(dǎo)致鉆井液大量漏失時(shí)，可通過(guò)系統(tǒng)向井內(nèi)補(bǔ)充液體，以維持井壁穩(wěn)定，給事故的處理預(yù)留必要的時(shí)間。即各罐大體上應(yīng)具有相同的外形尺寸，系統(tǒng)罐群間只是數(shù)量不等。在對(duì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先按設(shè)計(jì)好的鉆井液循環(huán)系統(tǒng)容量及固控設(shè)備的選擇要求進(jìn)行設(shè)備組合配置。同時(shí)為滿足不同鉆井工藝的要求，配置或預(yù)留相應(yīng)位置，具備特殊化需求的加重、剪切、灌注、吸入、清水、鉆井液槍、補(bǔ)給等管路接口，使固控系統(tǒng)的流程更加合理與完善。2)關(guān)鍵設(shè)備的研制關(guān)鍵設(shè)備制約著我國(guó)鉆井液固相控制系統(tǒng)的發(fā)展。目前，我國(guó)固控系統(tǒng)基本按五級(jí)凈化配置：振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)、除氣器，相應(yīng)配置砂泵、攪拌器和混合器。①振動(dòng)篩[13]在鉆井過(guò)程中，井底產(chǎn)生的鉆屑由鉆井液帶到地面，振動(dòng)篩是最先、最快、最大量清除鉆屑的固控設(shè)備，也是鉆井必備的第一級(jí)處理設(shè)備。因此，指導(dǎo)思想應(yīng)該是改善振動(dòng)篩的適應(yīng)性、提高其使用壽命。在鉆井液固相顆粒的大小、含量和粘度等性能不變的情況下，鉆井液固相顆粒動(dòng)切應(yīng)力越大，固相顆粒的起跳阻力越大，固相顆粒的運(yùn)移速度也就越小。圖5 鉆井液沖擊槽設(shè)置位置近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)振動(dòng)篩的理論研究和制造工藝水平都有較大的發(fā)展，特別是在理論研究方面，例如振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)軌跡、篩網(wǎng)壽命等，已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。因此，在選用振動(dòng)篩時(shí)要注意選用帶有此種結(jié)構(gòu)的振動(dòng)篩。所以在選配振動(dòng)篩時(shí)，要詳細(xì)了解材料、加工工藝、加工精度和配套使用的通用設(shè)備等情況，而不是單從標(biāo)明的技術(shù)參數(shù)來(lái)選擇。影響振動(dòng)篩處理量的因素除自身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)外，還有鉆井液類型、密度、粘度、固相粒度分布及含量、篩網(wǎng)尺寸等。②離心機(jī)鉆井行業(yè)專家普遍認(rèn)同離心機(jī)在固控系統(tǒng)中的重要作用，、234轉(zhuǎn)速為1300～2200的中速離心機(jī)。中速離心機(jī)指轉(zhuǎn)速為1300～2200，產(chǎn)生的離心力為重力的800倍左右，處理量為40～60的離心機(jī)，這種離心機(jī)用來(lái)清除5～7的固相顆粒；高速離心機(jī)指轉(zhuǎn)速為2500～3300，產(chǎn)生的離心力為重力的1200～2100倍左右，分離粒度可達(dá)2～5的離心機(jī)。然而，離心機(jī)在我國(guó)鉆井行業(yè)應(yīng)用的時(shí)間比較短，高品質(zhì)離心機(jī)主要依賴于進(jìn)口。開發(fā)具有國(guó)際先進(jìn)水平的基于電力變頻或液力平臺(tái)的離心機(jī)，使分離顆粒達(dá)到小于7μm非常重要。旋流器的質(zhì)量指標(biāo)主要是耐磨性，旋流器的性能主要是分離粒度即D50，D50越低，旋流器的分離效果越好。旋流除砂器分離粒度一般在44～74，旋流除泥器分離粒度一般在15～44，微型旋流分離器分離的固相顆粒粒徑5～10，可從鉆井液中分離出膨潤(rùn)土。 造成以上現(xiàn)象的主要原因是國(guó)內(nèi)旋流器的制造水平達(dá)不到要求，效果也達(dá)不到鉆井工藝要求。有些用戶簡(jiǎn)單地在原安裝除泥器的位置安裝第2臺(tái)除砂器，工藝流程不予改變，很多學(xué)者認(rèn)為此做法不可取。但對(duì)于對(duì)鉆井液性能要求較高的煤層氣井，合理的配套方案仍是配套1臺(tái)除砂器和1臺(tái)除泥器，采用串聯(lián)的工藝流程，在選擇除砂器和除泥器時(shí)應(yīng)選擇分離粒度范圍不同的產(chǎn)品，例如除砂器的分離粒度為40～60，除泥器的分離粒度為15～45，則可達(dá)到較好的處理效果。如何使真空除氣器安全、可靠、高效運(yùn)行，是當(dāng)前必須解決的問題。⑤砂泵目前，固控系統(tǒng)用砂泵普遍存在過(guò)流部件壽命短、密封不可靠、砂泵效率不高等問題。攪拌器攪拌器是固控系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備，現(xiàn)在廣泛采用的蝸輪傳動(dòng)攪拌器及皮帶加錐齒輪攪拌器普遍存在著傳動(dòng)效率低(70%)、漏油、溫升高、壽命短的缺點(diǎn)。3)設(shè)備匹配合理化研究通過(guò)優(yōu)化研究，可使鉆井液固相控制系統(tǒng)處理后的鉆井液含沙量%、固液分離出的泥餅持水率30%，故障停機(jī)率1%，系統(tǒng)設(shè)備制造配套能力可達(dá)50套/年以上。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案實(shí)施后，在保證處理效果的前提下，不僅不會(huì)增加投資成本，反而可降低日后使用及維護(hù)的費(fèi)用，同時(shí)可提高決策能力、管理和使用水平。為保證鉆井液密度符合要求，需根據(jù)鉆井液的消耗情況及時(shí)補(bǔ)充；每鉆進(jìn)150m左右進(jìn)行一次部分換漿，在鉆遇煤層前要徹底換漿，排掉地面上的鉆井液后，還要通過(guò)循環(huán)，將井筒內(nèi)的鉆井液徹底換掉。要求非煤系地層鉆進(jìn)每一小班測(cè)定鉆井液常規(guī)性能（密度、粘度、PH值等）4次，煤系地層鉆進(jìn)每一小時(shí)測(cè)定一次。井口裝置應(yīng)配套齊全，安裝除氣器、液氣分離器和方鉆桿上下旋塞，以便發(fā)生氣侵井涌時(shí)能及時(shí)排氣處理。通過(guò)整套固控設(shè)備和工程措施的處理，鉆井液固相可以得到較好的凈化，對(duì)提高后續(xù)設(shè)備(鉆井泵、鉆具、井下儀器等)的使用壽命、節(jié)約泥漿材料用量、提高機(jī)械鉆速、保護(hù)煤氣儲(chǔ)層等方面具有積極意義。從保護(hù)煤層的角度來(lái)講，氣體(一般多用空氣)是一種非常規(guī)流體，可以防止鉆井液化學(xué)添加劑、鉆屑?jí)哼M(jìn)和堵塞煤的裂縫系統(tǒng)，可以避免煤吸收液體后基質(zhì)膨脹．使煤層孔隙度和滲透率降低，所以對(duì)煤層傷害最小，尤其適于低滲透、高水敏煤層 但氣體鉆井的缺點(diǎn)是對(duì)付復(fù)雜地層的能力差(如地層出水井壁坍塌等)，遇地下水易結(jié)“泥環(huán)”；需要空壓機(jī)增壓機(jī)等投資較大的設(shè)備，此設(shè)備需要中、高壓力，一般依賴于進(jìn)口；易引起井下著火與爆炸，造成井下鉆具破壞，故限制了其應(yīng)用范圍當(dāng)井眼出水不能再用