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1、摘要空气钻井作为低压钻井技术的重要组成部分，其显著的特点是可实现完全欠平衡钻井。空气钻井技术具有提高机械钻速，节约钻井成本，保护油气层等诸多特点，因此空气钻井正在国内迅速发展。但目前尚缺乏系统的理论保障。鉴于此，本文以理论研究的方法，通过大量调研详细介绍了国内外关于空气钻井的发展情况，提出了论文研究的主要目的和意义；通过对空气钻井工艺及空气钻井设备等方面进行全面调研，详细论述空气钻井适用性、施工参数计算、钻井设备等，旨在为同类研究提供理论参考。关键词：空气钻井；参数计算；空气钻井设备；目录第一章 绪论41.1研究背景及意义41.2国内外研究现状41.2.1国内空气钻井应用现状41.2.2国外空
2、气钻井应用现状51.3主要研究内容6第二章 空气钻井工艺技术特点及参数72.1空气钻井技术原理72.2空气钻井技术特点72.3空气钻井技术难点82.4空气钻井地层适应性研究92.4.1空气钻井适应地层特征92.4.2空气钻井坍塌压力计算模型1102.4.3地层出水条件下稳定性分析111第三章 空气钻井流体动力学参数计算与设计理论6133.1最小气体体积流量Qgo确定方法143.1.1最小动能法143.1.2最小携屑速度法153.1.3最小井底压力法173.2最小气体体积流量Qgo计算方程173.2.1关键点173.2.2井筒环空压力计算183.2.3最小气体体积流量确定203.2.4海拔校正2
3、13.2.5湿度校正213.3气体钻井管柱内和环空压力计算223.4气体钻井注入气量计算24第四章 空气钻井设备254.1空压装置264.1.1各类空压机简介及空气钻井中空压机特点264.1.2空压装置工作流程7274.1.3空压装置主要部件7284.1.4空压机的计算与与选择8294.2增压装置314.3膜制氮324.4旋转防喷器324.5雾化泵和化学药剂泵324.7配套入井装置及工具324.7.1钻头324.7.2井下三阀334.7.3钻具组合334.8管线及管汇系统34第五章空气钻井施工方案34第六章 结论366.1结论36参考文献：37第一章 绪论1.1研究背景及意义（1）空气钻井在我
4、国有着广泛的应用前景空气钻井有能大幅度提高机械钻速、减少井漏及压差卡钻、减少底层损害、提高油气产量、及时发现地质异常情况、识别产层等优点1，因而能明显提高钻井效率、有效发现油气层、降低钻井作业需要。根据较新的资源评价结果，我国拥有可能找到的石油资源为650多亿吨，但目前资源探明率仅为39左右。我国的天然气资源量也比较丰富，可探明的资源量为25万亿立方米，目前探明率仅为24.6。虽然我国油气资源比较丰富，但勘探程度相对较低，资源潜力仍然很大。今后一个时期，油气勘探的重点主要放在西部地区、海上和南方广大的碳酸盐岩地区。而这部分地区一般勘探开发难度较大，（2）国内急需空气钻井理论指导目前我国钻井界已
5、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不适用。空气钻井在国内还未形成成熟的技术，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术，近年来空气钻井在我国得到了一定程度的应用，并取得了良好效果。且目前未见有文献对空气钻井技术的施工参数及设备等进行综合描述，为了使空气钻井更好地发挥作用，就必须对空气钻井理论及相关计算有深刻的认识，找到反映空气钻井客观规律的有力手段，本文从对空气钻井的文献进行广泛调研入手，对空气钻井技
6、术相关工艺及设备进行综述，旨在为同类研究提供理论指导与参考，使人们对空气钻井有更加清晰的认识。1.2国内外研究现状1.2.1国内空气钻井应用现状20世纪80年代初国内开始研究气体钻井的基础理论，20世纪80年代末新疆局进口了我国第一套空气雾化钻井装备（空压机3台、增压机3台、雾化泵1台、空气锤2套），首先在我国开始了气体钻井工业化应用3。目前，国内已形成了初步的气体钻井设备能力，气体钻井应用规模正在不断扩大。国内气体钻井理论是在国外现有理论的基础上发展的，主要是对现有模型进行修正或者根据气体钻井实际建立经验公式。目前国内广泛应用的气体钻井注气排量计算公式是在R.R.Angel计算公式的基础上发
7、展的，改进后的公式考虑了钻屑对井下压力及流速的影响，使用了Weymouth垂直流因子进行修正。在归纳总结国内外气体钻井携岩理论及实验研究的基础上，国内建立了一种适合于气体钻井的携屑理论模型（一维非定常高载荷流动模型）。长庆油气田唐贵等人建立了气体钻井瞬态流动模型。目前，国外气体钻井设备已经基本发展成熟，气体钻井主要设备完成系列化。针对引进国外设备存在购买费用昂贵、交货不及时、售后服务滞后等问题，国内积极开展自主设备的研制，空气压缩机、增压机、膜制氮装备已初步实现国产化，但价格仍然较高，主要原因是压缩机、柴油发动机、联轴器、膜分离单元等关键部件仍依赖进口3。国内已经掌握了纯空气钻井、雾化钻井、泡
8、沫钻井、氮气或天然气钻井、充气钻井等常规气体钻井的施工工艺，对气体钻井配套技术进行了积极的研究。但由于国内气体钻井设备发展相对落后，气体钻井工艺技术进一步发展受到制约。气体/欠平衡钻井技术是一项系统工程，目前国内气体钻井技术迫切需要钻井、地质、油藏、录井、测井、井下作业、采油等各专业共同研究、试验、配套发展。近年来该地区应用气体钻井技术解决井漏难题取得重大突破，采用气体钻井技术治漏的井无一口报废，大大减少了恶性井漏造成的损失，节约了钻井周期3。1.2.2国外空气钻井应用现状据文献记载空气钻井首次使用是在19世纪中期。在20世纪50年代初期，美国EI Paso天然气公司在犹他州首次应用气体作为钻
9、井液钻探油气井16，极大地保护了储层，提高了钻速，提高了经济效益；此后气体钻井技术在美国、加拿大和欧洲一些国家得到了应用推广。然而受配套技术与装备的限制，该技术发展一度受到限制，直至上世纪80年代中后期，空气钻井技术才真正开始起步，并迅速的发展起来。据美国1986年的钻井统计，有16.4%的美国内陆地区的钻井是应用空气或天然气钻井技术来完成的主要井段的钻进作业。气体钻井发展历程分为两个阶段，第一阶段从20世纪3080年代早期，这一阶段循环介质主要是空气及以空气为组分的气液混合流体。气体钻井用于非储层段钻进，作为钻井提速或者应对井漏的手段3。该阶段的主要成果有：研制出大功率空气压缩机、增压机等核
10、心装备；研制出空气锤、空气钻井系列牙轮钻头、井下灭火阀等工具；发展了包括雾化、泡沫、充气钻井在内的技术系列；开展了分析井壁稳定、出水预测的技术研究；研究建立了空气钻井的理论体系、研发了专用软件。据统计，这一阶段美国气体钻井的全年进尺比例占钻井总进尺的16.7%（美国能源部，1986）。第二阶段从20世纪80年代至今，这一阶段循环介质除空气外，又出现了氮气、天然气及以其为组分的气液混合流体。气体钻井的钻进范围扩展到储层段，不但作为钻井提速或者应对井漏的手段，而且成为发现和保护油气层的最佳方法。目前，国外气体钻井工艺技术完成了配套，在气体钻井设备不断发展完善的基础上，气体钻井技术更加成熟，成为主流
11、钻井技术中的重要组成部分。美国和加拿大已将气体/欠平衡钻井作为常规钻井方法使用，在可以应用气体/欠平衡钻井的地区优先选用气体/欠平衡钻井技术。气体钻井领域逐渐扩大，气体钻井向与水平井、侧钻井、小井眼钻井、挠性管钻井等钻井方法相结合的方向发展3。1.3主要研究内容本文通过对目前空气钻井技术应用现状进行全面调研，详细论述空气钻井施工参数计算、适用油藏条件及相关钻井设备等。研究内容包括：（1）空气钻井国内外研究现状分析；（2）钻头压降、钻柱内气体流动、地面管汇压降、最大允许机械钻速等的计算；（3）空压装置、增压装置、管汇系统、旋转防喷器、井下钻具止回阀、排岩管线以及与管汇系统和工艺相适应的阀门、仪表
12、等空井钻井设备进行归纳总结；（4）总结空气钻井的适用油藏条件，为空气钻井的施工提出指导与参考；同时，分析比较空气钻井与常规钻井的优缺点；（5）并分析其原理及经济性等。第二章 空气钻井工艺技术特点及参数空气钻井方式较常规钻进相比，一方面降低了对钻屑的压持作用影响，另一方面在空气钻井方式下井底岩石受挤压而凸起和出现拉应力区，有利于钻头和岩石的接触，并利于钻头的牙齿吃入地层和破岩，从而大大提高钻速，另外空气钻井技术几乎对油藏没有污染，因此也有利于及时发现油气藏。基于空气钻井具有的上述优越性，当前空气钻井技术愈来愈受到石油业界的重视4。2.1空气钻井技术原理空气钻井是通过地面的空气压缩机组将空气变成压
13、力为1.22.0MPa压缩气体，排气量为100130m3/min的高压空气，经由输气管汇注入钻井平台上的立压管线内，以高压空气替代普通钻井液，把钻井过程中产生的岩屑携带到地面同时对钻头进行冷却降温，然后经过专用排砂管线排入至废砂坑的一种钻井模式2（图1）。2.2空气钻井技术特点空气钻井技术特点如下4：（1）可以实现完全欠平衡钻进。标准状况下，空气的密度为1.29g/L，根据满足正常钻进所需要的注气量计算，当井深超过3000m时环空气体密度不高于150g/L，远低于地层水的密度（纯水密度为1000g/L），可以轻易实现负压钻进。（2）以空气作为循环介质时彻底消除了井底压持效应，极大的解放了机械钻
14、速，因此空气钻进具有较高的机械钻速，一般是常规钻井液钻进方式的38倍。（3）利用空气钻井技术可以比较容易的穿过非正常地层。非正常地层是指天然裂缝、溶洞和盐类物质的夹层，例如硬石膏层，而且由于空气钻进无液相存在，因此不会涉及井壁的水化失稳问题。（4）空气钻井工艺所使用的设备比较简单，除主要设备压缩机系统外，只需在井口加装一个旋转防喷器即可。此外钻井队应将常规钻杆换为斜坡钻杆，以避免旋转防喷器胶芯过度磨损。（5）空气钻井安全性较高，在正常的配套与监控手段下，一般不会发生有害气体污染和天然气的爆燃现象。当井内气体溢出较多时可及时转换作业方式，以避免井口失控。与常规钻井进技术相比，主要有以下优点2：（
15、1）空气密度较小，与常规钻井液相比可明显降低对井底地层的压力，有利于提高机械钻速。（2）空气钻进在地层压实程度较高，可钻性差的地区，可明显提高钻进速度，降低钻井周期。（3）空气在井内循环流速快，能迅速将岩屑带出井底,而且返出的岩屑没有经过钻井液的污染，能够完全保证井下地层岩性的代表性，有利于及时判明井底情况。（4）空气取之不尽，川东北地区井位多在山上，供水困难，环境保护难度大、代价高，使用空气钻井技术可节约用水、减少污染、降低成本。空气欠平衡平衡钻井，具有自己显著的特点，当然应用范围亦有一定的限制。下面简要介绍空气钻井的适用范围及其局限性。空气钻井的局限性6：A.对地层流体的侵入控制力不强；钻
16、头的适用范围窄。由于空气对钻头的冷却作用不强，使得耐高温性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中，因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头。B.软地层不适用于空气与气体钻井。通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大，不利于在较大井深情况下气体携屑；且此时使用空气钻井不能提供足够大的压力以防止井眼坍塌，而且很容易造成井眼倾斜，这种情况下应当采用密度更高的钻井液。C.井底着火。当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后，就有可能发生燃烧。由于空气钻井在钻遇天然气或油层时有一定燃爆的危险性，现在国内空气钻井主要用于压力比较低的裂缝及溶洞性地层和严重漏失的地层，或者用泥浆不能建立正常的循环情况下使用。2.3空气钻井技
17、术难点空气钻井技术在以往实际的应用过程中，产生过一系列的问题，并且主要存在以下技术难点4：（1）井斜控制：气体钻井井斜控制难度非常大，井斜控制技术在国外尚未有较深入的研究，我国在气体钻井控制井斜方法上，主要是采用轻压吊打等牺牲机械钻速的方法。据分析，千万井斜的原因主要有：气体钻井工具造斜规律不清楚，空气锤、空气螺杆等工具的造斜规律尚未有较系统的研究；在井斜存在的情况下，钻具靠在下井壁上，造成下井壁的空气流动速度减慢，下井壁的钻屑无法及时被带走，将钻头“垫”向上井壁，造成井斜越来越大；高流速气体冲刷井壁，井径扩大严重，稳定器不起作用。（2）地层出水：由于空气不能携带井眼稳定添加剂，所以不能直接用
18、空气钻穿不稳定地层。当钻遇饱和水层，粉尘会变为段塞。当填充环空时，阻止了空气流动并产生卡钻。地层出水是空气钻井的一个主要障碍。当空气钻井钻遇地层少量出水时，可通过增大注气量的方式继续钻进，但当出水量达到一定值时，必须向雾化钻井或常规钻井液钻井方式转换，这便是空气钻井的临界出水量。目前国内外对于临界出水量的确定仍采用经验数据。国外推荐在地层出水大于2m3/h时就要向雾化钻井转化11，国内采用空气钻井时通常的做法则是在地层出水大于5m3/h后转化为雾化钻井。这些经验数据缺乏理论依据，因而在一定程度上必然影响到空气钻井的应用范围。（3）岩石的硬度：根据室内和钻井实践表明，在坚硬的岩层中用气体钻井最有
19、效，而软地层效果差。这就需要掌握气体与泡沫钻井适应的岩石硬度极值范围。（4）地层坍塌：因井筒内空气柱几乎对地层无作用力，因此靠静液柱压力来平衡坍塌压力的地层能不能用气体来钻，有待调研。（5）正确选择空压机等设备：根据设计的钻井参数如上返速度、立管压力来确定空压机等设备：根据设计的钻井参数如上返速度、立管压力来确定空压机的供气量和压力以及地面管汇，为了能够及时转为雾化钻井还应配备雾化设备。（6）岩屑录井，防尘，保护环境的方法：岩屑录井获得大岩屑困难，同时不能采用常规的录井方法进行录井。（7）防止井下爆炸：空气用于欠平衡钻井具有一般气体欠平衡钻井的特点，但由于空气中含有腐蚀和着火来源的氧气，空气造
20、成腐蚀和井下着火。只要压缩空气中的氧同烃液或天然气混合，就极易燃烧或爆炸。通常在空气钻井过程中空气钻井期间，以返出气体中全烃含量连续不超过3%为限12。如果超过3%或连续发生两次井下燃爆，应立即停止空气钻井。若全烃含量超过3%但气产量达不到8104m3/d，没有H2S或SO2，其它情况正常时，可以转换为氮气钻井或钻井液钻井。（8）防止排出管线堵塞：一般认为排出管内气流速度不低于25.4m/s时就能够避免岩屑下沉。为了防止气流中的岩屑下沉，应采取相应的措施。（9）有毒气体泄漏空气钻井过程很可能钻遇气层，部分气层中高含H2S气体，一旦逸出对周围环境和人身带来极大危害，因此要求空气钻井过程中如果监测
21、设备发现H2S气体应立即停止气体钻井作业，点火将有毒气体排除，加强人身防护，同时转换为钻井液钻井12。2.4空气钻井地层适应性研究2.4.1空气钻井适应地层特征许多资料表明，空气钻井主要适用于以下地层18：（1）不出水的坚硬地层在坚硬地层中，采用空气钻井可以大幅度地提高机械钻速。由于地层水能使粘土颗粒凝结膨胀，容易造成环空堵塞及卡钻事故，所以出水地层不适于空气钻井。在空气钻井过程中，出于对井壁稳定和井下安全的考虑，如果地层的出水量小于0.48m3/h，可加大气量排水；如果出水量在0.487.9m3/h范围内，建议采用雾化钻井方法；当出水量更高时，则不宜采用空气钻井或雾化钻井方式，需转为泥浆钻井
22、。（2）严重漏失地层对于严重漏失地层，如晶间渗透率大于110-3m的地层、具有宏观开放型裂缝的地层等，在这些地层常规钻井方式难以实施，这时就可以考虑采用空气钻井方式。（3）严重缺水地区由于空气钻井是以空气作为循环介质，对水的需求量降到了最低，所以特别适合于沙漠、高原等缺水地区。（4）地层压力低且分布规律清楚的地层空气钻井的静气柱压力极小，较高的地层压力会加重井控设备的负担；此外，如果不清楚地层压力的分布规律，空气钻井施工的安全性就难以得到保证。因此，对于地层压力较高和分布规律不是很清楚的井，不适合使用空气钻井技术。（5）稳定地层考虑到井壁稳定问题，不稳定的地层不适合采用空气钻井技术。不稳定的地
23、层主要包括：流变性不稳定地层；破碎性（包括弱胶结）不稳定地层；异常地应力不稳定地层（如复杂构造、高陡构造、山前构造等）；深井、超深井的深部地层。2.4.2空气钻井坍塌压力计算模型1在对岩石强度参数研究中，得出关于三轴压缩强度试验得到关于主应力的公式： （1）当岩石中存在空隙压力PP时，库伦摩尔准则应用有效应力表示为： （2）由上式可以看出，岩石剪切破坏与否主要受岩石所受的最大、最小主应力控制，3与1的差值越大，井壁越容易坍塌，从井壁岩石受力状态分析中，可以发现岩石的最大、最小主应力分别为周向应力和径向应力，这说明导致井壁失稳的关键是井壁岩石所受的周向应力和径向应力的差值，即-的大小。差值越大，
24、井壁越容易坍塌。由于水平地应力是非均质的，即h1h2，所以井壁上的周向应力是随角而变化的（角为井壁上的点的矢径与最大地应力方向的夹角）。研究表明，在=90和=270处，值最大。因此，该两处的差应力值达到最大，是井壁发生失稳坍塌的位置。根据上面的分析可知，井壁坍塌失稳是发生在=90和=270处，在该处的有效差应力-有最大值，此时井壁坍塌处的有效应力公式为： （3）上式中的和分别为井壁坍塌处的最大和最小有效主应力，将他们代入（2）式可以得到如下井壁坍塌压力计算模型，即保持井壁稳定所需的钻井液密度的计算公式： （4）式中： H井深，m； 钻井液密度，g/cm3； C岩石的粘聚力，MPa； 应力非线性
25、修正系数，一般取； 水平地应力，MPa； 地层孔隙压力。实施气体钻井通常要选择在没有地层流体压力或压力较低的地层，所以公式中孔隙压力Pp近似取0，公式简化为： （5）气体钻井井眼内气柱压力很小，出于安全考虑，设井眼内气柱压力为0，当计算坍塌压力m0，井壁围岩将发生剪切破坏，容易坍塌；计算坍塌压力m0时井壁不容易坍塌。即：m0，井壁容易坍塌；m0，井壁不容易坍塌。各个参数在前面已经详细的阐明，在各个现实的情况中，把各个参数代入到库伦摩尔空气钻井井壁稳定的模型中，则就可以得出气体钻井井壁稳定的坍塌压力值。2.4.3地层出水条件下稳定性分析1气体钻井是一种“无控制”的欠平衡钻井。“无控制”是指在实际
26、钻井中不施加液柱压力、环空回压以控制地层流体进入的数量和速度。气体欠平衡钻井中，地层一旦被钻开，其中的可动流体（油、气、水）便流入井内，这些流体的性质、数量、进入速度都会对钻井施工造成影响，地层出水是气体钻井中的一大问题，必须认真予以考虑。在气体钻井过程中，当环空中有水存在（地层水或者气体本身非常潮湿）时，液滴碰撞岩屑会形成一层水膜包裹岩屑。大尺寸岩屑上升速度缓慢，小尺寸岩屑上升速度快，小尺寸岩屑追上大尺寸岩屑，形成岩屑团，产生聚并。这种聚并在环空关节处最容易发生：大颗粒减速、群聚。使小颗粒容易聚并。多个岩屑的聚并在碰撞过程中又分散开来（或重力作用使聚并分开），所以，仅在岩屑表面产生一层水膜（
27、非造浆、非水化），地层出水时对井眼净化影响不大。但对造浆水化的泥质岩屑，水膜很快使岩屑成为泥团、小泥团碰上大泥团后粘结牢固，不会再分开。泥团越来越大，直至沉落再某处形成泥饼圈。对泥质地层，很少的地层出水就会形成泥饼圈，一旦形成泥饼圈，则会造成井眼不顺通，使得气体对钻头得冷却效果变差，导致钻头被“烧坏”。对这种地层，防止泥饼圈得形成，除了减弱泥页岩水化分散外，最必要得关键措施是立即转为连续均匀得泡沫流体。强结构力得泡沫使得大、小岩屑都固定在泡沫结构中，同步转移。不会形成碰撞，从而避免了泥饼圈的形成。同样的，地层中泥饼圈的形成，将使地层不稳定，出水即将在空气钻井中造成很大的危害。在空气钻井中，出水
28、将造成很大的影响。（1）引起卡钻。地层出水引起岩屑吸水，岩屑就会水化膨胀，当地层出水较多时，岩屑容易粘糊成团，在井眼的周围形成泥环，从而引起卡钻。（2）井壁垮塌。地层出水后地层水经过易水化膨胀的泥页岩层时，由于泥页岩中的孔隙毛细管张力作用产生渗析，使得地层水在环空上返时渗入地层，泥页岩吸水膨胀产生水化应力,有的粘土矿物产生分散，有的不分散但裂缝增多，扩展裂缝，减弱了岩石强度，严重影响井壁稳定,导致井壁垮塌。（3）井下着火。井下着火是空气钻井的一大缺点。空气钻井作业时，若有地层水进入井眼，使钻屑变湿形成泥环，井内流动受阻，井下压力迅速上升，泥环以下的气体温度升高，这时，即使天然气等烃类物质进入井
29、眼的流速很低，也可能会迅速形成可燃的混合物。一旦混合物达到燃烧范围，混合气体压缩本身就可能会引起燃烧。另外，钻柱与井壁的摩擦、钻头在钻硬地层时会产生火花也会把井下混合气体点燃。（4）空气量增加，作业费用增加。空气钻井时，当地层出水后，不但要把岩屑带出井眼，同时还要把地层水带出井眼。在相同条件下，地层出水与地层不出水相比，就需要更多的空气量。所以在空气钻井中，遇到地层出水的情况下，应该根据现场的情况而定是不是该用空气钻井。特别是当空气钻井在出水的情况下，导致井不稳定的情况，则改变为其他的钻井方式。当出水量2m3/h时，可用加大气量的方法予以处理；当出水量在210m3/h之间时，可用雾化或不稳定泡
30、沫的方法处理；当出水量10m3/h时，应考虑转为泡沫钻井，对于地层压力系数极高的地层必须考虑转化为常规泥浆钻井方式应对复杂状况。第三章 空气钻井流体动力学参数计算与设计理论6气体钻井（空气、氮气、天然气、烟道气）中，井筒环空流动为气固两相流。当地层出水，井筒环空为气液固三相流动，其流动计算十分复杂。Angel是最早研究气体钻井气体流动力学的学者。在80年代以前气体钻井流体力学参数设计均采用Angel计算方法和相关图表。Angel最小动能模型计算的最小注气体积流量比油田实值需要值低25%。由于这种原因激励了更多的研究者去寻求气体钻井更准确的计算方法。Guo，B. Miska等对最小上携岩速度等模
31、型的计算结果与油田实钻数据进行了分析对比。比较表明，虽然Angel最小动能方法计算的最小注气量比油田实际注气量更低，但在这些模型中，只有Angel模型计算结果与油田实际注气量趋于一致。Guo等研究分析发现Angel最小动能模型计算结果比油田实际需值低的原因在于将Weymouth光滑管流动摩阻系数用于Angel模型中粗糙裸眼段中。因此Guo等将Nikuradse粗糙裸眼段流体流动摩阻系数计算引入Angel最小动能模型，这个重要的改进使Angel最小动能模型与油田实际最小注气量十分吻合。因此，该项研究的气体流动力学参数计算采用修正的Angel模型。3.1最小气体体积流量Qgo确定方法3.1.1最小
32、动能法Angel在不考虑钻屑和流体间的相互作用（能量、质量、动量交换）及气固两相间无滑脱的条件下，将气相和固相（钻屑）混合物的密度和速度视为在环空中的定常均匀单相流动，由气体动力学理论导出有效将固相岩屑从井底携带到地面所需最小环空速度Vg，在标准状态（20，0.1MPa）为15.24m/s，或50ft/s（60，14.7Psi），即单位气体动能Ego为： （3-1）式中：rgo标准状态下气体的重度，N/m3； Vgo标准状态下所需最小气体速度，m/s； g重力加速度，9.8m/s2。井筒内计算点深处与标准状态具有同等携屑能力的动能必须满足以下关系： （3-2）或：由气体状态方程，任意计算井深处
33、气体重度rg为： （3-3）式中：Sg注入气体的比重； P计算井深处的压力，MPa； T计算井深处的绝对温度，。井内计算井深处的气体体积流量Qg由状态方程： （3-4）式中：Qg计算井深处注入气体体积流量，m3/min； Qgo标准状态下注入气体体积流量，m3/min； T计算井深处绝对温度，； P计算井深处压力，MPa。计算井深处的气体流速由（3-4）式求得： （3-5）式中：A计算井深处流道横截面积，m2。代方程（3-3）、（3-5）进方程（3-2），整理得： （3-6）求得计算井深处的压力P、温度T、过流面积A，即可确定按最小动能准则设计井深，井筒流道条件下注入气体体积流量Qgo。目前，
34、应用最广的仍然是基于Angel模型基础上的最小动能法910。但由于Angel模型所作的一些必要假设，利用其计算出的注气量一般要小于实际需要的20%30%。3.1.2最小携屑速度法Ikoku等人根据质点在阻尼介质中的自由下落问题研究了气体钻井中，携带钻屑的最小速度计算模型，该方法确定最小注入气体体积流量Qgo时需要计算钻屑在气体中的终了沉降速度VSL和输送速度Vtr。终了沉降速度VSL：钻屑终了沉降速度是其几何尺寸、形状、密度与气体密度、粘度及流动形态的函数，下式即为钻屑是球状的终了沉降速度方程： （3-7）式中：VSL终了沉降速度，m/s； Ds钻屑的当量直径，m； DH流道的水力直径，m；
35、g气体密度，kg/m3； s钻屑密度，kg/m3； 球形度； CD钻屑滑脱系数（页岩，石灰岩CD=1.40，砂岩CD=0.85）； g重力加速度，m/s2。输送速度Vtr：钻屑输送速度Vtr取决于气体钻井中的机械钻速Vm和环空允许（安全）输送的钻屑量。钻屑量与机械钻速Vm和钻头尺寸db有关，即： （3-8）式中：Qp钻头破碎岩屑的体积，m3/s； db钻头尺寸，m； Vm机械钻速，m/h。环空过流断面上输送钻屑的体积流： （3-9）式中：Cp环空钻屑的体积浓度，Cp=0.04。由固体颗粒的物质平衡方程：得： （3-10）当量机械钻速VmE：对雾化钻井，气体钻井中地层水Qf进入井筒时，最小注气量
36、准则应考虑以下两个问题：（1）钻屑吸水膨胀，Cp应按岩水膨胀后的体积计算，且0.04；（2）雾化水Qx，地层水Qf折算成当量机械钻速VmE。 （3-11）式中：VmE对应Qx、Qf折算（当量）机械钻速，m/h； Qx雾化水体积流量，m3/s； Qf地层水体积流量，m3/s； Ss雾化水比重，无因次； Sf地层水比重，无因次； db钻头尺寸，m； B、B常数，取决于方程中采用的计算单位。有效机械钻速VmF为： （3-12）由以上分析输送钻屑和雾化、地层水时的最小注气速度为： （3-13）3.1.3最小井底压力法最小井底压力法认为井底压力越低表明携带岩屑越顺畅。此方法现场应用较简单，考虑因素单一，
37、故较少采用。最小速度标准方法是普遍采用的方法，但利用这种方法计算的气体流量偏小。问题的实质是这种方法假定颗粒是圆形的前提与工程实际存在较大的差别，因为颗粒的形状对流动阻力影响很大，不同形状的物体的阻力系数可能有较大数量级的差别。因为对未知参数（如颗粒的形状和尺寸）的粗略估计，最终妨碍了它的实际应用17。在此期间还要注意考虑单个运移的关键点。最小注气量是为了保证环空内有效清除岩屑，根据气体的压缩性和钻柱排列特点，一般认为钻挺上部与钻杆接触处流速最小，存在着携岩的最大问题，称之为关键点。3.2最小气体体积流量Qgo计算方程3.2.1关键点空气在环空携带岩屑上返过程中，在钻杆与钻铤结合部位处，环空面
38、积有一个突然的扩大，由于空气的可压缩性，气体上返到达该处时将发生较大的膨胀，在此处，气流的压力、密度都有一个突降。我们把该点称为“关键点”（图2-2-1），从能量的观点看，携带岩屑的气体在该处有一个较大的能量损失8。图2-2-1 最小注气量确定的关键点由于携带岩屑气体的能量正比于其密度及速度的平方，所以当环空面积及气体流量不变时，一般说来，在空气流速较低处将出现最小举升力8。环空中越往井底，气体流速越低，但压力较大，密度也越大，保是在“关键点”部位，气流的密度、压力均有一个突然的下降，无疑，在此点附近将出现对岩屑颗粒的最小举升力8。从井底到“关键点”，气体的流速增大，一定尺寸、重量的岩屑颗粒被
39、携带上返，过大、过重的岩屑会落下或不为气流所动，被钻头或钻柱重新破碎，碾磨成小尺寸；在“关键点”以上，气体在环空中携岩上返，密度降低引起岩屑下滑速度增大，但岩屑下滑速度增大的幅度低于气体流速增大的幅度8。研究表明，如果空气速度不够（即排量不足），在“关键点”处将无法完成携带岩屑的任务，岩屑在此点附近滑落、沉降，直至堵塞流道，造成空气钻井的失败。因此，“关键点”被认为是空气钻井计算的借鉴点，利用此点的参数来计算携带岩屑所需的空气最小流速，也即空气钻井所需的携岩最小空气排量8。3.2.2井筒环空压力计算从式（3-6）知只要知道关键点A处的压力P，即可求得注入气体的体积流量Qgo。根据一维定常流体力
40、学理论，可建立井筒环空内任意计算井深处的压力计算微分方程： （3-14）式中：dp压力增量，MPa； m计算井深处混相物的重度，kg/m3； f摩阻系数，无因次； V计算井深流体速度，m/s； dH井深增量，m。混合流体重度rm： （3-15）式中：Ws固相重量流速，N/s； WL液相重量流速，N/s； Wg气相重量流速，N/s； Qs固相体积流速，m3/s； QL液相体积流速，m3/s； Qg气相体积流速，m3/s；在气体、雾化、稳定泡沫钻井中，固相和液相体积的总和不超过5%，方程（3-15）可简化为： （3-16）由理想气体状态方程可得： （3-17）式中：Ts大气环境条件下温度，； G地
41、温梯度，/m。代（3-17）进方程（3-16）得： （3-18）固相的重量流速取决于钻头直径和钻速及固相比重，而液相包括雾化液Qx和地层水Qf及雾化液比重Sx和地层水比重Sf，即：代Ws，WL，Wg进方程（3-17）整理得： （3-19）式中：Qx雾化液体积流速，m3/s； Qf地层体积流速，m3/s； Sx雾化液比重； Sf地层水比重； Qgo标准状态下气体体积流量，m3/min； C、E与采用单位有关的常数。代（3-19）、（3-5）式入方程（3-14）：（3-20）在方程（3-20）中令：式（3-20）简化成： （3-21）积分方程（3-21），并由边界条件H=0时，P=Ps，T=Ts得
42、： （3-22）方程（3-22）为气体钻井中求井筒环空任一计算点井深压力的一般方程。方程（3-22）中的摩阻系数f由下式计算： （3-23）式中：e井壁绝对粗糙度，m。根据岩心测试裸眼井段的绝对粗糙度为0.0015240.003048m。但由于循环流体对裸眼井壁的冲蚀，井壁扩大015%。有人研究表明在气体钻井中，假如井径扩大7.5%，7-7/8钻头处裸眼的绝对粗糙度达0.00762m。环空裸眼段的平均绝对粗糙度由下确定： （3-24）式中：di管柱外径，m； db钻头尺寸，m； ep钻柱和套管的绝对粗糙度，取0.00004572m； eb裸眼井段的绝对粗糙度，0.00254m； H井深，m；
43、Hs套管鞋井深，m。3.2.3最小气体体积流量确定气体钻井所需最小注入气体体积流量Qgo采用最小动能准则，根据方程（3-6）计算钻铤顶部（见图2-2-1）以上环空流速，将方程（3-6）代入方程（3-22）：（3-25）方程（3-25）为气体钻井按最小动能准则设计地面气体体积流量的重要方程。3.2.4海拔校正环境压力和温度随海拔的增加而降低，表3-2-1给出了从北纬30o60o的平均大气压和温度。实际应用中应注意在这一区域温度也是随季节变化而不同的。当气体钻井在不同海拔高度施工时，按标准状态计算的气体体积流量Qgo，必须根据当地当时的温度、压力进行修正。 （3-26）式中：海拔校正后的注气体积流速，m3/min； Pa当地海拔大气压，MPa； Ta当地海拔环境绝对温度，oR。表3-2-1 不同海拔大气压力和环境温度的变化海拔，m压力，MPa温度，00.10301915.0000609.60.09577111.03891219.20.0889527.07781828.80
