【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機(jī)鹽、聚合物和暫堵劑配成，是目前國內(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)過程中的儲(chǔ)層傷害程度，因此在我國煤層氣的勘探開發(fā)過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為了克服無固相清潔鹽水液腐蝕性強(qiáng)的缺點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新型的無固相有機(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、巖屑排除管匯及測量儀表等。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，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)下和未來科研的重點(diǎn)內(nèi)容。總的來說可以分為內(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?，尤其是?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，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)場安裝及制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采集實(shí)驗(yàn)測試數(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)新的井場廢棄物處理系統(tǒng)等，達(dá)到精簡固控設(shè)備、節(jié)約購置費(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)化固液分離無害化處理技術(shù)，經(jīng)過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)備制約著我國鉆井液固相控制系統(tǒng)的發(fā)展。目前，我國固控系統(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，國產(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土。 造成以上現(xiàn)象的主要原因是國內(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