空气钻井注气量优化设计技术研究毕业论文.doc

《空气钻井注气量优化设计技术研究毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空气钻井注气量优化设计技术研究毕业论文.doc（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、目 录毕业论文(设计)任务书I毕业设计开题报告II指导教师审查意见III评阅教师评语IV答辩记录及成绩评定V中文摘要VI英文摘要VII1 国内外空气钻井技术应用与研究现状11.1 国内外空气钻井技术应用现状11.2 国内外空气钻井技术研究现状32 空气钻井技术简介62.1 空气钻井技术的优点与局限性62.2 空气钻井技术的地层适应性82.3 空气钻井技术的设备和工艺流程83 空气钻井井筒压力计算模型123.1 空气钻井工作特性分析133.2 空气钻井沿程压力系统分析153.3 直井段井筒压力计算153.4 弯曲段(增斜或降斜)井筒压力计算253.5 稳斜段井筒压力计算284 空气钻井最小注气量

2、的确定304.1 环空携岩关键点304.2 直井段最小注气流量的确定方法304.3 水平井段最小注气量的确定方法334.4 海拨校正384.5 湿度修正39结论40参考文献40致谢43长江大学毕业论文(设计)任务书学院（系） 专业 班级 学生姓名 指导教师/职称 1. 毕业论文(设计)题目： 空气钻井注气量优化设计技术研究2毕业论文(设计)起止时间： 3毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）（1）气体钻井应用技术.魏武,乐宏等.中国石油大学出版社，2008年.（2）气体钻井理论与实践.赵业荣.石油工业出版社,2007年.（3）空气和气体钻井手册.曾义金等.中国石化出版社，200

3、6年.4毕业论文(设计)应完成的主要内容（1）空气钻井施工工艺研究；（2）空气钻井流体携岩机理研究；（3）空气钻井注气量优化设计技术研究。I5毕业论文(设计)的目标及具体要求 空气钻井是一种重要的欠平衡钻井方式,其在川东地区应用十分广泛,注气量优化设计是空气钻井的一项重要关键技术.通过本论文的研究,使学生掌握空气钻井施工工艺,深入认识其携岩机理,掌握注气量优化设计方法,从而为空气钻井现场施工提供有力的技术指导.本论文要求学生具有较好的专业理论基础和数学分析能力.6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求 钻井手册、论文等文献资料；上机200学时。任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主

4、任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学 生（签名） III长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 院 (系) 专 业 班 级 学 生 姓 名 指导教师姓名 辅 导 教 师 开题报告日期 空气钻井注气量优化设计技术研究学 生： 指导教师： 1 题目类型及来源类型：毕业设计来源：科研项目2 研究目的和意义空气钻井在我国有着广泛的应用前景。目前我国大部分油田都处于开发后期，地层压力大都存在不同程度的下降，同时随着近年来大量低渗透油气藏投入开发，如何保护此类油气藏成为人们关注的焦点。空气钻井能有效的解决钻井工程中部分地层的恶性井漏、压差卡钻、机械钻速慢和

5、油层伤害等钻井技术难题，特别能大幅度提高钻井速度，有利于发现和保护油气层以及开采低压油气层。所以空气钻井对于保护低渗透油气藏来说与传统钻井方式相比具有明显的优势，同时还具有大幅节约钻头、降低钻井成本、环境污染小等其他特点。国内急需空气钻井理论指导。我国钻井界已日益重视空气钻井这一新技术。由于气体具有可压缩性的性质，所以常规泥浆钻井的有关理论对空气钻井已经不适用。空气钻井在国内起步较晚，很多理论分析、计算方法尚未形成，计算软件还属空白。面对空气钻井的日益发展，急需开展空气钻井理论方面研究，为空气钻井的设计、设备选型、工艺参数优化提供理论保证与技术支持。空气钻井理论需要发展。国外关于空气钻井理论研

6、究及参数计算大部分还是沿用50年代Angel的混合流体均匀流的模型。该模型主要有两点假设：a混合流体为不可压缩流体；b岩屑与气流速度相同。而实际情况是气体具有很强的压缩性，特别是在流速较高时表现很突出。同时岩屑与气体之间存在滑移又是客观事实。因此对Angel的混合流体均匀流模型的优化势在必行。国内关于空气钻井理论方面的研究不多，特别是有关钻井参数计算方面研究更少。国内空气钻井的参数计算现在还依赖于国外的计算软件(如摩尔软件)，缺乏自主开发的工程应用软件。综上所述空气钻井理论还存在这样或那样的不足，要使空气钻井更好地发挥作用，就必须弥补现有理论的缺陷，找到反映空气钻井的客观规律，使人们对空气钻井

7、有更加清晰地认识。3 阅读的主要参考文献及资料名称1 魏武，乐宏，许期聪等气体钻井应用技术M山东：中国石油大学出版社，2008：1762 王培峰苏里格气田气体钻井技术应用研究D北京：中国石油大学，20073 廖忠会欠平衡钻井井控工艺技术应用研究D四川：西南石油大学，20074 陈志学气体钻井工艺技术理论及应用研究D四川：西南石油大学，20065 曾春珉空气钻井偏心井筒压力及注气量计算D北京：中国石油大学，20096 万金权空气钻井流体力学参数设计与计算D北京：中国石油大学，20087 翟应虎，李祖光，张旭空气钻井的技术难点剖析及发展前景展望J天然气工业，2009，29(5)：67698 张晓东

8、，吴臣德，张园等气体钻井技术剖析及研究前景展望J石油机械，2008，36(6)：75789 李士斌，陈晓华，唐玉龙等空气钻井最小注气量的计算及其影响参数J科学技术与工程，2009，9(22)：6634663710 刘颂. 国内气体钻井研究新进展J.钻采工艺,2009,32(2):202211 范兴沃，张建斌，张汉林等空气钻井过程中井下复杂问题处理方法J钻采工艺，2007，30(3)：101212 任双双，刘刚，沈飞等空气钻井计算模型J钻井液与完井液，2007，24(2)：343613 朱江，王萍，蔡利山等空气钻井技术及其应用J钻采工艺，2007，30(2)：14514814 毕雪亮，陶丽杰，翟

9、洪军等空气钻井最小流量计算方法J天然气工业，2008，28(5)：636415 蒋宏伟，邢树宾，王克雄等空气钻井最小注气量和地层出水量关系研究J大庆石油地质与开发，2008，27(2)：10610916 庞东豪，袁骐骥空气钻井携岩及防燃爆最小注气量计算方法J天然气工业，2009，29(3)：626417 许爱气体钻井技术及现场应用J石油钻探技术，2006，34(4)：161918 舒尚文，侯树刚，胡群爱等气体钻井技术提高普光气田钻井速度研究J钻采工艺，2007，30(6)：45，1219 朱红钧，林元华，明传中等气体钻井井内压力计算模型与标准化J钻井液与完井液，2010，27(1)：24252

10、0 王岩，韩辉，闫铁等气体钻井水平井注气量模型修正J大庆石油学院学报，2009，33(3)：697121 王存新，孟英峰，姜伟等气体钻井中井眼温度变化及其对注气量的影响J天然气工业， 2007，27(10)： 676922 王存新，孟英峰，邓虎等气体钻井注气量计算方法研究进展J天然气工业，2006，26(12)：979923 吴志均，唐红君等浅谈气体钻井需要关注的问题J钻采工艺 ，2008 ，31(3)：2830，3424 张杰，廖忠会，张磊等物质平衡法在气体钻井中的应用研究J天然气工业，2007，27(2)：525325 王延民，孟英峰，安文华等硬脆性泥页岩地层气体钻井最小注气量影响因素分析

11、J钻采工艺，2010，33(1)：141626 Syed Ali Faisal，Henri Obame，Ali Al-YaqoubiHT Deep Horizontal Gas Drilling in Challenging ConditionsIPTC 1333427 ZHU Hongjun，LIN YuanhuaInfluence of Relevant Parameters on Hole Cleaning and Pipe String Erosion in Air DrillingSPE 12651528 Kenneth P.Malloy，George H.medley，C.Rick

12、 StoneAir Drilling in the Presence of Hydrocarbons：A Time for PauseIADC/SPE 1083574 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1 空气钻井国内外应用现状空气钻井在国外，特别是在加拿大发展较早并日趋成熟。有文字记载，1953年在美国犹它州使用空气钻井钻了几口核实验井。此后，该技术广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻探和开发上。气体钻井技术的发展共经历了两个高峰时期，在第一个高峰期(20世纪六七十年代)，发现该技术的某些优点：高钻速、低成本、克服某些钻井困难的能力、以及不需要尤其是水供应的特点，因此该技术很快被

13、广泛应用。70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气与气体钻井技术。自20世纪80年代未之后，气体钻井的发展进入了第二个高峰期。这一时期的直接动力是勘探、开发技术进步的需要。截止到2000年，据美国能源部统计，约30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深的井已钻达19000ft，特别是在美国东部的Appalachian山脉地区、新墨西哥州的San Juan盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如Rocky地区，空气钻井得到了广泛的应用。2005年美国用空气和气体钻井技术的油井达到30%以上。我国全面开展欠平衡钻井技术是在“十五”时期，并成为发现低压储层、

14、保护油气层、提高油气产量、减少井内漏失和提高钻速的重要手段。我国于20世纪60年代在四川、玉门等油田进行过气体钻井实验，但由于受当时设备和技术条件的限制，并未发展成可用技术。在20世纪80年代未，我国进口了第一套现代化空气钻井设备，随之先后开展了空气雾化钻井、泡沫钻井、天然气钻井等技术攻关。较短时间内达到了保护和发现油气层、大幅度提高钻井速度、降低钻井成本等目的，并以此解决了常规钻井无法解决的技术难题，使气体钻井成为我国油气钻井领域中的主流钻井技术。4.2 空气钻井井筒压力计算和最小气量计算的理论现状井筒压力计算现状：目前，空气钻井井筒压力计算大多还是沿用Angel的公式，在环空上Angel把

15、气体-固体颗粒的两相流看成混合均匀的单相流动，从而可以应用伯努利方程进行求解。并且对温度的处理是取井内的平均温度为整个井筒的温度，即认为混合物在环空中做等温运动,这样处理显然存在较大误差，因为井筒内各点温度应该是不一样的。文中在计算井筒环空压力时仍然采用Angel的混合均匀流模型，这样可以使计算简单，但在钻柱内压力计算时考虑了气体的可压缩性，并且温度取地温。最小气量计算理论现状：空气钻井的关键技术之一是最小注气量的计算方法，由于气体密度、粘度随温度和压力变化，使得计算方法比较复杂。目前，国内外学术界逐渐形成了井底清洁的三类标准。第一类是气体最小动能标准，由现场成功的空气钻井实例总结而来，已有比

16、较成功的公式体系；第二类是岩屑沉降末速度标准；第三类是最低井底压力标准。文中在携屑最小气量计算上采用第二类是岩屑沉降末速度标准。4.3 研究的主攻方向近两年来国内外学者多把注意力放在不稳定流动的研究上，例如西南石油大学的孟英峰教授建立了气体钻井过程中瞬态流动的数学模型，探讨了定解条件的决定方法；长庆石油勘探局的唐贵等人建立了气体钻井钻开储层过程中井筒与地层的藕合流动模型，并结合边界条件与初始条件对模型进行了数值求解。5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路主要研究内容：主要研究空气钻井过程中气体的携岩机理，空气钻井的适用条件，影响最小注气量的因素，确定注气压力和最小注气量的方法等。重点

17、研究的关键问题是空气钻井过程中最小注气量的准确模型。解决思路：首先通过查阅资料确定气体的携岩机理，然后在已知携岩机理的基础上全面的找出井筒环境下影响气体携岩的各种因素，定性地分析各种因素与注气量的主次关系，找出主要因素与注气量的定量关系，最后确定出注气量的计算模型。6 完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法必须具备的工作条件是去图书管查阅相关书籍，网上查阅最新的相关文献(包过外文文献)，在图书馆借用英汉石油字典等工具书进行外文翻译。通过阅读这些相关资料了解前人所做出的成果和存在的不足，并在导师的指导下对现有结论进行改进和完善。7 工作的主要阶段、进度与时间安排日期完成内容3.294.11

18、查阅资料，翻译外文，完成开题报告4.125.15完成理论、实验和计算内容，得出设计方案5.165.28完成论文的撰写5.296.8完成论文的修改和装订，并准备答辩6.96.16交论文纸质稿6.176.19论文答辩8 指导老师审查意见长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见指导教师职 称评 审日 期评审参考内容：学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计（论文）的质量和水平，毕业设计（论文）的难度及工作量，学生的学习态度和组织纪律，毕业设计（论文）的优特点及不足。审查意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语评阅教师职 称评 阅日 期评阅参

19、考内容：学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计（论文）的质量和水平，毕业设计（论文）的难度及工作量，毕业设计（论文）的优特点及不足。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名 专业班级 毕业论文(设计)题目空气钻井注气量优化设计技术研究答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关

20、规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)I空气钻井注气量优化设计技术研究学生： 指导老师： 摘要空气钻井作为欠平衡钻井技术的重要分支，该技术以气体为循环介质，其循环系统的压力分布、钻井参数的优化设计及井筒流体流动特性等都与传统钻井方式有着很大的区别，目前尚缺乏系统的理论保障和实验研究。鉴于此，本文对空气钻井流体力学参数设计和计算进行了研究，以期对空气钻井的进一步发展及应用提供一定的技术支持。论文首先对空气钻井技术的优缺点、地层适应性、所需设备和工艺流程做了简要的介绍。随后在分析空气钻井技术原理的前提下，基于A

21、ngel混合流体理论，建立了垂直段、弯曲段和稳斜段井筒压力计算模型，并对空气钻井环空及钻柱内的压力、气相密度及流速分布特征进行了分析。最后分别讨论了气体最小动能标准和岩屑沉降末速度标准。环空中气体流速和气体单位体积动能的最低值出现在“关键点”处，根据颗粒沉降末速公式和基于颗粒位置随机性的床面颗粒起动临界返速公式分别建立了垂直井段和水平井段内的最小气量标准。关键词空气钻井；流体力学参数；最小气量；环空临界返速IIIResearch of Gas Injection Optimal Design Technology in Air DrillingStudent:：Li Zhengpeng，Yan

22、gtze University，institute of Petroleum Engineering Teacher：Huang zhiqiang，Yangtze University，institute of Petroleum EngineeringAbstract Air drilling is the one of main branches of underbalanced drillingThis technology use the air as the circulating media，it has a big distinction to the traditional d

23、rilling，such as the pressure distribution of the circulating system，the optimal designment of drilling parameters，and the flow characteristics of wellbore fluidAt present，we lack of systematic theory security and experimental studyIn view of this，this paper had a research into design and calculation

24、 of hydrodynamic parameters in air drilling，expected it can provide technical support to the further development and application of the air drillingFirstly，the advantages and disadvantages of air drilling, formation adaptability，the necessary equipment and processes are briefly introduced分布Subsequen

25、t，in the premise of analyzing the technical principle of air drilling，on the base of Angel mixed fluid theory，established the wellbore calculation model in vertical section，curved section and hold angle sectionAnalyzing the distribution characteristics of pressure，density and velocity both in annulu

26、s and in drill stringAt last，The minimum kinetic energy criterion and the minimum velocity criterion are discussedAnd the minimum volumetric flow rates and the minimum kinetic energy per unit volume are occurred just above the drill collars in the annulus around the bottom of the drill pipeAccording

27、 to formula of granular settlement velocity and granular starting critical velocity of the surface of cutting bed，established the criterion of minimum volumetric flow rate in vertical section and horizontal section respectivelyKey words:Air drilling；Hydrodynamic parameter；Minimum volumetric flow rat

28、e；Annular critical velocity国内外空气钻井技术应用与研究现状1 国内外空气钻井技术应用与研究现状空气钻井在我国有着广泛的应用前景。目前我国大部分油田都处于开发后期，地层压力大都存在不同程度的下降，而且近年来随着大量低渗透油气藏投入开发，如何保护此类油气藏成为人们关注的焦点。空气钻井中作为循环介质的空气密度低，对井眼形成的压力相对较小，在钻井过程中可减少因压差而引起的钻井流体的漏失，能有效解决长段复杂地层的钻井液漏失问题。因而其在保护低渗透油气藏方面具有较为明显的优势。同时空气钻井还具有提高钻井速度、降低钻井成本、提高油气勘探效益等优点。国内急需空气钻井理论指导。目前我

29、国钻井界已日益重视空气钻井这一新技术。由于气体具有可压缩性的性质，所以常规泥浆钻井的有关理论对空气钻井而言已不适用。空气钻井在国内刚刚起步不久，很多理论分析、计算方法尚未形成，计算软件还属空白。面对空气钻井的日益发展壮大，急需开展空气钻井理论方面研究，为空气钻井的设计、设备选型、工艺参数优化提供理论保证与技术支持。综上所述空气钻井理论还存在这样或那样的不足，要使空气钻井更好地发挥作用，就必须弥补现有理论的缺陷，找到反映空气钻井客观规律的有力手段，使人们对空气钻井有更加清晰地认识。1.1 国内外空气钻井技术应用现状空气钻井技术是指钻进中以压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作冲洗介质，或用压缩空气

30、既作破岩工具的动力，又兼作冲洗介质的一种新的钻进技术。空气钻井是欠平衡钻井的一个重要分支，与常规的钻井液钻井相比有明显的优势1，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。空气钻井在美国和加拿大应用较为广泛。据文献记载，空气钻井首次使用是在十九世纪中期，有文字记载的是1953年在美国犹他州使用空气钻井钻了几口核实验井。此后，该技术广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻探和开发上2。到20世纪70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气钻井技术。截止到2000年，据美国能源部统计30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深的井已钻达19000英尺，特别是在美国东部的Appal

31、achian山脉地区、新墨西哥州的San Juan盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如Rocky地区，空气钻井得到广泛的应用3。2005年美国应用空气或气体钻井技术的油井达到30%以上，美国年钻井33000口左右，也就是说2005年有10000口以上的油井采用空气或气体钻井技术4。我国20世纪50年代在四川、玉门应用过空气钻井技术，见到良好效果。近年来空气钻井在我国也得到了一定程度的应用。例如，1988年至1991年期间新疆克拉玛依油田用美国进口的一套空气钻井设备，在克拉玛依地区的复子街、乌尔禾、百口泉、一东区、二西区等区块成功进行了九口空气雾化钻井的实验研究，取得了显著的技

32、术进步和经济效益5。玉门青西油田的窿9井一开后，所钻遇的地层均为逆掩推覆体地层，窟山逆掩推覆体地层倾角大，最大达到70o，而且裂缝发育，斜、硬、跳、磨、变是制约该井机械钻速的主要因素，给施工带来了极大的困难，严重制约了钻井速度，平均机械钻速约为0.58m/h左右。为了寻求硬地层井段提高机械钻速的新方法，降低勘探开发综合成本，加快窿9井推覆体井段钻井速度，决定在2970m至3300m井段采用空气(雾化)钻井技术，结果实验取得成功，机械钻速达到3.48m/h左右，为原钻速的620倍6。另外在长庆油田苏里格气田、四川油田的正坝1井、浅三井、长庆油田的陕242井、苏35-18井等都曾采用过空气或气体钻

33、井的方式，均取得了良好的效果7。川西白浅106丛式井组的白浅111H井，是我国第一口气体钻水平井，与同井场同产层直井相比，机械钻速大幅提高，平均10m/h，最快达21.8m/h。该井的成功，不但使我国在该项技术领域跨入国际先进行列，而且为川西地区久攻不下的低压低渗碎屑岩储层勘探开发打开了新的局面8。2004年5月12日四川石油管理局川西南矿与钻井院共同施工，采用天然气气体钻井完井的平落19井喜获高产气流。该井位于平落坝潜伏构造东南翼平落、号断层之间的构造转折端，是平落构造上的一口重点开发井，地质要求尽最大努力保护储层不受污染。现场初算产量45.3110 4 m3/d，平均机械钻速7.20m/h

34、，创国内气体钻井获天然气产量的最高记录9。2005年7月1日，中国石油天然气集团公司2005年度新技术重点工程试验井-龙l7井在空气钻井施工作业中获得重大试验成果，创造了陆上复杂地质构造四项国内陆上钻井技术的记录。龙17井是西南油气田实现700亿立方米天然气控制储量的重点科探井，设计井深5850m，主探二叠系栖霞组、茅口组。该井位于四川北部旺苍县境内九龙山构造，是国内陆上复杂地质构造之一。2005年4月19日开钻，在钻机上安装使用美国VARCO公司的顶驱装置钻井，并运用气体欠平衡和常规顶驱欠平衡钻井技术。在总进尺420.45m的空气钻进中，最高机械钻速达到了69.76m/h，经测试该段井眼规则

35、，井身质量远远优于常规钻井井身质量，创造了陆上空气钻井平均机械钻速最高和井身质量最好等多项国内陆上钻井纪录10。2005年12月30日，中石化南方勘探开发分公司川东北探区重点探井老君1井，是南方分公司也是中石化首次投用空气钻井技术。空气钻井纯钻时间平均钻速达到每小时13m，而常规钻井只有每小时1.6m，这是一次成功的尝试，取得了很好的经济效益。通过在老君1井、河坝2井、清溪1井和老君3井等井成功应用空气钻井技术，证明空气钻井技术是成功解决川东北地区陆相地层机械钻速低、钻井周期长、成本高、易发生井下复杂情况和事故等制约钻井生产问题的有效途径11。1.2 国内外空气钻井技术研究现状空气或气体钻井的

36、理论研究第一个具有里程碑式的人物是D.J Martin，他于1952年发表题为Use of Air or Gas as a Circulating Fluid in Rotary DrillingVolumetric Requirements的论文，首次提出用数学的方法来预估干空气钻井所需的气量12。尽管当时他没有考虑环空岩屑的影响，但是他启发了人们使用数学的方法来解决空气钻井的若干问题。1957年，PHILLIPS公司的R.R.Angel给出了第一个实用的计算公式，在这个公式里，Angel把所需流量与气体的密度，井眼的大小、深度、钻柱的尺寸以及机械钻速关联起来13。该公式的影响极其深远，此后

37、所推导的包含各种考虑因素的公式皆是在该公式基础上的修正或引用。比如：1980年，Ikoku和Williams就是把该公式与砂岩、石灰岩和页岩的颗粒运移速度以及环空摩擦系数关联起来。1984年，W.C.Lyons总结了当时的各项公式，提出计算空压机和增压器所需功率的七个步骤，并于当年出版了第一版的Air and Gas Drilling Manual。20世纪90年代早期，由于空气与空气钻井技术的潜在经济效益和环保效益越来越受到关注，促使他和同事于2001年再版Air and GasDrilling Manual14。近年来，国内外学者多把注意力放在环空携岩研究上，例如Y.Masuda研究了泥浆

38、钻井中弯曲井段环空携屑的规律并给出了控制方程；Liu HuiXing等研究了在实验室条件下环空携屑的各种情况并推导了携屑数学模型，但其结果只停留在实验室阶段，未经现场实钻检验15。20世纪90年代中期崔之健认为以往沿用的空气钻井参数计算方法，因为其依据的假设条件带有局限性而存在理论的缺陷。他从力学分析入手，通过对环空中气体举升能力最小的“关键点”处的颗粒受力分析，应用两相流动动力学和气体动力学原理，探讨了空气钻井中携带岩屑的最小排量问题，并且在此基础上，提出了计算空气钻井参数的方法和公式，弥补了过去的一些缺陷16。进入21世纪以来，中国工程院院士苏义脑对空气钻井工作特性进行分析，以及对于其中工

39、艺参数的选择作了相关的研究17。目前有关空气钻井流量、压降、携岩方面的计算模式和理论的研究可分为四类：(1)Angel的理论推算18。Angel的理论是把最小注气量视为井深，环空截面积，钻速及井温的函数，其理论建立在3条假设之上：a环空流体是稳定的；b忽略岩屑在环空中的滑落速度，即认为岩屑和气体同步上升；c环空中，最小动能发生在井底，它相当于标准状态下流动速度为15.24m/s的空气所具有的动能。但许多研究者认为，视环空中岩屑与空气上返速度相同是不合理的，因此计算结果偏大。Angel理论能够计算空气钻井各种参数如：空气压力、注入量等。Angel的公式在现场应用比较好，但理论上存在缺陷，极大地限

40、制了其理论的应用。(2)Ikoku等人考虑岩屑下沉的计算方法19。空气钻井的两个重要参数是井底压力和空气流量。Ikoku等人从理论和实验上对环空两相流进行了仔细研究，并认为空气钻井时，空气流体的速度在钻铤与钻柱连接处减少一半。Ikoku等人运用伯努利方程计算出气、固两相流条件下两点间的环空压降，虽然考虑了颗粒的下沉速度，比较符合实际的钻井条件，但由于岩性，岩屑尺寸变化较大，计算存在一定的复杂性。(3)Adewumi等人由流体力学推导的计算方法20。Adewumi等人在大量试验基础上，从水力学出发，提出了空气钻井环空井眼的多相流水力计算模型。从理论上分析，这种计算方法比较符合空气钻井的实际条件，

41、但假设条件存在一些问题：首先，假设环空中岩屑尺寸不符合实际；其次模型中的有两相流动条件下的阻力系数修正公式尚未仔细研究。(4)Supon等人试验回归方法21。Supon比较全面分析气、固两相在垂直管道中的流动规律，在大量试验的基础上利用回归分析的方法得到了环空最小压降，并指出环空最小压降对应着最优流速，而实际上钻井中空气速度比最小流速大。Supon的试验研究没有考虑所有的因素，比如：环空尺寸，井斜角，井眼和钻杆粗糙度，岩屑形状等就没有考虑到。因此这种方法对现场来说局限性较大。以上4种方法，各有优缺点，并且环空中气体携岩机理比较复杂。空气钻井的关键技术之一是气体最小体积流量的计算方法，由于气体密

42、度、粘度随温度和压力变化，使得计算方法比较复杂。目前，在气体钻井行业中，有几条标准和方法用来决定所需的气体最小体积流量。分别是：(1)气体最小动能标准。这一标准将气体和固体混合物看成一个具有同一密度和流速的一种“流体”，也就是是对颗粒和流体间的相互作用不予考虑。该方法由现场成功的空气钻井实例总结而来。(2)岩屑沉降末速度标准。在这个标准中考虑了固体颗粒与流体间的相互作用，提出了岩屑沉降末速度的概念，岩屑的沉降末速度越高则要求气体流速也越高。第41页（共43页）空气钻井技术简介2 空气钻井技术简介空气钻井以压缩空气作为循环介质，其技术实质是如何利用压缩空气将钻头在井底产生的岩屑携带上来。在现场应

43、用中，循环介质可以是压缩空气或天然气，氮气等。它是欠平衡钻井的一个重要分支，与常规的钻井液钻井相比有明显的优势，但它也有其自身的局限性。下面就分别介绍一下空气钻井的优点及其局限性22。2.1 空气钻井技术的优点与局限性2.1.1 空气钻井技术的优点(1)提高钻井速度，缩短建井周期气体钻井提高钻速主要表现为以下几个方面的原因：在气体钻井中，地层空隙压力会在负压差条件下产生向井内的“推力”，该“推力”有促使井底岩石破碎(或崩离井底)的趋势；在气体钻井过程中，井内几乎无重量的气柱大大改变了井底应力状态，在钻头前方未破碎地层内产生很大范围的低应力区，便于岩石破碎；与液基循环介质相比，相同地层、相同岩性

44、、相同埋深的井下岩体，在空气钻井条件下更容易破碎，且地层越硬、井越深，该特点越显著；气体钻井的冲击式破碎更有利于提高硬地层鉆速，因为强研磨性硬地层，冲击式破碎的效率比剪切式高、破岩工具磨损小；气体钻井井底清岩效率高，岩屑不会水化粘结而泥包钻头或在井底形成渗滤性泥饼而被黏附，因此不会因为岩屑重复破碎而严重影响鉆速。(2)消除丼漏对钻井的影响丼漏是指在钻井过程中循环介质不返出地面，而是漏失进入地层的现象。过平衡钻井中，井内液柱压力高于地层压力，如果钻遇高渗层或裂缝或溶洞型地层时，可能会造成大量钻井液流入地层，造成严重丼漏或恶性失返。而空气钻井井内压力远低于地层压力，循环流体进入地层的作用力没有了，因此可以避免丼漏的发生。(3)克服水敏性页岩坍塌水基流体钻井中，如果鉆遇水敏性页岩，循环介质中的水相与页岩发生物理化学作用，使页岩强度降低，造成井壁坍塌。如果采用空气钻井，由于工作流体中无水基成分，钻进中不会对井壁的岩石强度再次影响，因此不会引起井壁的水化坍塌。(4)减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，能随钻评价产层由于气体钻井循环介质中不含水基流体，可以彻底地消除正压差伤害和水相圈闭对储层的伤害，而且钻井过程中由于地层流体流入使立管压力、出口返速等可观测参数发生改变，因此可以通过直接计量分析返出的地层流体