空气钻井技术难点分析

空气钻井技术难点分析摘要：空气钻井技术相对于传统钻井液具有负压钻井、钻速快、易穿过地层、设备简单和安全性高的特点，但是仍然面临着诸多技术难点，文章综合分析了地层出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失稳发生的原因和相应的处理措施，并对空气钻井技术进行了展望。关键词：空气钻井；难点；展望引言空气钻井是将传统钻井过程中使用的液体循环介质由气体代替，通过气体压缩机形成环空气，将井底钻屑带出，这是一种欠平衡的钻井方式。它大大减少了钻井完井液的使用，消除了钻井液对环境的污染，适用在供水困难的地区。同时空气钻井的速度是使用普通钻井液速度的三倍[1]，具有建井快、成本低的优点。它是水平井钻井技术之后又一新钻井技术，正在迅速发展。但是目前该项技术还不成熟，特别是欠平衡技术的发展还有待完善。基于上述优势，空气钻井技术得到石油行业的日益重视。1空气钻井技术特点（1）负压钻进。空气密度远远小于水的密度，根据正常钻井的注气量计算，当井深超过3000m时，空气密度也不大于150g/l，可以实现负压钻进，也能够较好地控制孔隙压力。（2）钻速快。空气钻井技术消除了井底持压效应，持压越小，钻头周围的围压就会越小，因此具有更高的机械钻速。（3）易穿过地层。在穿过非正常地层时，常规的钻井液会进入裂缝或者溶解盐类，空气钻井技术没有水的存在，不会发生井壁的水化失稳。如果钻井介质的在井底的压力大于岩石的孔隙压力，介质就会流入孔隙，产生表皮效应，降低产能。（4）设备简单。空气钻井的主要设备是空气压缩机系统，除此之外还需在井口安装气体防喷器和斜坡钻杆，以减小防喷器旋转的摩擦。（5）安全性高。空气钻井可以避免有害气体和天然气的燃爆，当井内气体较多时可以转换钻井方式，在正常的监控手段下具有较高的安全性。2空气钻井技术难点及对策2.1地层出水在干硬等稳定地层，可以通过控制气量、钻速等保证井眼清洁。但是在非稳定地层，空气钻井无法携带井眼稳定添加剂，井壁产生的粉尘遇到地层出水会阻塞空气流动，产生卡钻现象。由于无法稳定井壁，高速气体会使井壁坍塌，发生井下爆炸等事故。对于不同的出水量[2]可以采取不同的处理措施。对小于0.477m3/h的小流量出水，它会使岩屑相互粘连，形成泥包，造成井眼缩小。出现上返钻屑量减小，钻屑变大的现象，可以通过加大气量的方法消除这一影响。对大于7.95m3/h的大流量出水，可以通过加入泡沫剂或者改为钻井液的方法控制。在二者之间的的中等水量出水危害较小，但是对有水敏性且井壁不稳定的井眼易发生井塌，判断方法是注气压力升高，钻速降低，处理措施是采用雾化钻井。2.2井斜控制空气钻井相比传统钻井技术具有更小的井压，因此不易发生井斜状况，但是由于钻速高，一旦发生就会产生较大影响。气体钻井时岩石压力得到很好的释放，岩石应力值较小，但是岩石层的不同造成岩石各向异性显著，这造成井斜情况严重，有时出现在钻井液钻井技术不会产生井斜的区域。邓虎川渝地区的不同钻井进行各向异性测量发现，空气钻井的各向异性时钻井液钻井的5～6倍，地层造斜力十分显著。除此之外，地层倾角也是造成井斜的另一重要因素。虽然有些因素还没有进行过系统研究，但是经验表明，钻压越高，井径扩大对井斜的影响越大。目前控制井斜的措施主要有三种：空气锤、钟摆钻具和螺杆钻具。空气锤钻压较小，通过纵向冲击破岩，井斜角控制在3°以内，效果显著。钟摆钻具通过控制钻头的横向作用力控制井斜，使用双稳定钟摆器可以使倾斜角度控制在3°以内。螺杆转相对于前两种具有速度快，可快速实现防斜功能，倾斜角控制在2°以内，但是设备的可靠性不足，还需提高。2.3井下燃爆空气钻井技术在钻井过程中，如果遇到天然气或者其他烃类物质的地层时，与空气混合后极易发生爆燃，进而发生井塌等事故。钻井过程中水与粉尘混合形成滤饼，堵塞环形通道，形成密闭空间，随着可燃气体的不断注入温度逐渐升高，当温度达到临界点时就会发生爆炸。除了压力增大引起温度升高之外，钻具与岩石的摩擦也会引起火星。岩石之间的摩擦、钻井屑的返排、扶正器的摩擦均会产生火星。对于井下燃爆的防治措施，首先要勘探地层分布，监测易燃气体含量，通过加大空气量加强空气循环，降低天然气等含量，时刻监测井下温度和可燃气体浓度。如果出现大量可燃气体需要及时转换为氮气或者钻井液，阻止燃爆的发生。张林伟[3]对气体钻井的井下燃爆条件进行了分析计算，分别考虑可燃气体组成、温度、压力和惰性气体含量的影响。建议在空气中提高氮气纯度，同时加强气体含量检测和压力的控制，对燃爆的薄弱环节使用专用的防爆工具等措施。2.4井壁失稳气体钻井技术的另一难点是在产油、产气、出水等复杂条件下井壁的失稳问题。井壁稳定性主要取决于岩石强度，在没有钻井液存在的条件下，井壁承受岩石的压应力和空气的压力，但是空气的压力很小。对于大多数岩石来说，井壁具有足够的强度支撑周围的压力，但是对于塑性和黏土化较为严重的玄武岩较易失稳，出现掉块、崩塌等情况。在产液地层，也体会由于岩石与井筒内较大的压差而流向井筒，降低井壁强度引起失稳。在致密产气层，巨大的负压差会使气体流动阻力变大，井壁岩块发生“岩爆”效应，这是岩石的动力学失稳。在不同的地层井壁失稳千差万别，需要对特殊地层的失稳进行机理研究，同时研究气体钻井过程针对复杂地层的处理剂和处理工艺，进行随钻封堵技术的研究，实现快速高强度的封堵。李皋[4]对地层失稳机理和评价方法进行了研究，使用岩石力学性质、地应力状态与力学-化学耦合作用三种性质对井壁的稳定性进行综合评价。3展望空气钻井技术基于其优势将有广阔的发展前景，但是目前仍然需要不断完善，未来仍然需要在以下几个方面进行研究：（1）基础理论研究。空气钻井是一个复杂的多学科综合的技术，需要涉及流体力学、空气动力学、热力学、理论力学和弹塑性力学等，需要根据钻井的实际情况考虑更加全面的因素，以此建立更加完善的数学模型。对高压下气体与岩屑的作用、气量对岩屑的携带和对井壁的磨损进行研究。（2）实验研究。实验是对理论的验证和升华。实验研究需要对注气量、钻速、出水量进行研究，搭建实验设备，选择合适的实验设备和工艺流程。对岩屑运动、钻具磨损规律进行研究。（3）智能化。引入计算机对井壁温度场、压力、岩壁强度和钻具受力时刻监测，对反馈的信息及时进行加工处理，对工况进行相应的修改。也可以利用相应的软件进行模拟研究，为实验研究提供参考。（4）应用广阔。目前国内很多油田已经进入了薄油层、渗透油气藏阶段。油气井压力低、渗透大，采用常规的钻井方法会使钻井液漏失较多，不利于油层的保护和开发。空气钻井技术能够克服以上困难，在类似地质下的汉江油田空气钻井取得了成功。在地层可钻性较差、井眼尺寸大的鄂西渝东地区也实现了空气钻井。4结束语空气钻井技术凭借其优势在低压钻井等领域将得到广泛的应用，但是在地层出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失稳方面仍然有待完善，相应的应对措施无法从根本上解决这些问题的出现，只有全面的掌握空气钻井技术和难点发生的机理，才能够使空气钻井技术得到广泛的应用，因此，要重视并尽快解决出现的问题，以此应用并获得社会效益。参考文献[1]侯树刚.空气钻井安全钻进特性分析[J].石油钻探技术，2007，35（6）：50-53.[2]卓云，胡显智，等.气体钻井遇地层出水时的充气钻井技术[J].钻井工程，2011，31（8）：73-75.[3]张林伟.气体钻井井下燃爆分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2012，34（5）：146-152.[4]李皋，孟英峰.气体快速钻井井壁失稳研究[J].钻采工艺，2013，36（4）：26-30.