空氣鉆井技術難點分析

李乾

摘 要：空氣鉆井技術相對于傳統鉆井液具有負壓鉆井、鉆速快、易穿過地層、設備簡單和安全性高的特點，但是仍然面臨著諸多技術難點，文章綜合分析了地層出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失穩發生的原因和相應的處理措施，并對空氣鉆井技術進行了展望。

關鍵詞：空氣鉆井；難點；展望

引言

空氣鉆井是將傳統鉆井過程中使用的液體循環介質由氣體代替，通過氣體壓縮機形成環空氣，將井底鉆屑帶出，這是一種欠平衡的鉆井方式。它大大減少了鉆井完井液的使用，消除了鉆井液對環境的污染，適用在供水困難的地區。同時空氣鉆井的速度是使用普通鉆井液速度的三倍[1]，具有建井快、成本低的優點。它是水平井鉆井技術之后又一新鉆井技術，正在迅速發展。但是目前該項技術還不成熟，特別是欠平衡技術的發展還有待完善。基于上述優勢，空氣鉆井技術得到石油行業的日益重視。

1 空氣鉆井技術特點

（1）負壓鉆進。空氣密度遠遠小于水的密度，根據正常鉆井的注氣量計算，當井深超過3000m時，空氣密度也不大于150g/l，可以實現負壓鉆進，也能夠較好地控制孔隙壓力。（2）鉆速快。空氣鉆井技術消除了井底持壓效應，持壓越小，鉆頭周圍的圍壓就會越小，因此具有更高的機械鉆速。（3）易穿過地層。在穿過非正常地層時，常規的鉆井液會進入裂縫或者溶解鹽類，空氣鉆井技術沒有水的存在，不會發生井壁的水化失穩。如果鉆井介質的在井底的壓力大于巖石的孔隙壓力，介質就會流入孔隙，產生表皮效應，降低產能。（4）設備簡單。空氣鉆井的主要設備是空氣壓縮機系統，除此之外還需在井口安裝氣體防噴器和斜坡鉆桿，以減小防噴器旋轉的摩擦。（5）安全性高。空氣鉆井可以避免有害氣體和天然氣的燃爆，當井內氣體較多時可以轉換鉆井方式，在正常的監控手段下具有較高的安全性。

2 空氣鉆井技術難點及對策

2.1 地層出水

在干硬等穩定地層，可以通過控制氣量、鉆速等保證井眼清潔。但是在非穩定地層，空氣鉆井無法攜帶井眼穩定添加劑，井壁產生的粉塵遇到地層出水會阻塞空氣流動，產生卡鉆現象。由于無法穩定井壁，高速氣體會使井壁坍塌，發生井下爆炸等事故。對于不同的出水量[2]可以采取不同的處理措施。對小于0.477m3/h的小流量出水，它會使巖屑相互粘連，形成泥包，造成井眼縮小。出現上返鉆屑量減小，鉆屑變大的現象，可以通過加大氣量的方法消除這一影響。對大于7.95m3/h的大流量出水，可以通過加入泡沫劑或者改為鉆井液的方法控制。在二者之間的的中等水量出水危害較小，但是對有水敏性且井壁不穩定的井眼易發生井塌，判斷方法是注氣壓力升高，鉆速降低，處理措施是采用霧化鉆井。

2.2 井斜控制

空氣鉆井相比傳統鉆井技術具有更小的井壓，因此不易發生井斜狀況，但是由于鉆速高，一旦發生就會產生較大影響。氣體鉆井時巖石壓力得到很好的釋放，巖石應力值較小，但是巖石層的不同造成巖石各向異性顯著，這造成井斜情況嚴重，有時出現在鉆井液鉆井技術不會產生井斜的區域。鄧虎川渝地區的不同鉆井進行各向異性測量發現，空氣鉆井的各向異性時鉆井液鉆井的5～6倍，地層造斜力十分顯著。除此之外，地層傾角也是造成井斜的另一重要因素。雖然有些因素還沒有進行過系統研究，但是經驗表明，鉆壓越高，井徑擴大對井斜的影響越大。目前控制井斜的措施主要有三種：空氣錘、鐘擺鉆具和螺桿鉆具。空氣錘鉆壓較小，通過縱向沖擊破巖，井斜角控制在3°以內，效果顯著。鐘擺鉆具通過控制鉆頭的橫向作用力控制井斜，使用雙穩定鐘擺器可以使傾斜角度控制在3°以內。螺桿轉相對于前兩種具有速度快，可快速實現防斜功能，傾斜角控制在2°以內，但是設備的可靠性不足，還需提高。

2.3 井下燃爆

空氣鉆井技術在鉆井過程中，如果遇到天然氣或者其他烴類物質的地層時，與空氣混合后極易發生爆燃，進而發生井塌等事故。鉆井過程中水與粉塵混合形成濾餅，堵塞環形通道，形成密閉空間，隨著可燃氣體的不斷注入溫度逐漸升高，當溫度達到臨界點時就會發生爆炸。除了壓力增大引起溫度升高之外，鉆具與巖石的摩擦也會引起火星。巖石之間的摩擦、鉆井屑的返排、扶正器的摩擦均會產生火星。對于井下燃爆的防治措施，首先要勘探地層分布，監測易燃氣體含量，通過加大空氣量加強空氣循環，降低天然氣等含量，時刻監測井下溫度和可燃氣體濃度。如果出現大量可燃氣體需要及時轉換為氮氣或者鉆井液，阻止燃爆的發生。張林偉[3]對氣體鉆井的井下燃爆條件進行了分析計算，分別考慮可燃氣體組成、溫度、壓力和惰性氣體含量的影響。建議在空氣中提高氮氣純度，同時加強氣體含量檢測和壓力的控制，對燃爆的薄弱環節使用專用的防爆工具等措施。

2.4 井壁失穩

氣體鉆井技術的另一難點是在產油、產氣、出水等復雜條件下井壁的失穩問題。井壁穩定性主要取決于巖石強度，在沒有鉆井液存在的條件下，井壁承受巖石的壓應力和空氣的壓力，但是空氣的壓力很小。對于大多數巖石來說，井壁具有足夠的強度支撐周圍的壓力，但是對于塑性和黏土化較為嚴重的玄武巖較易失穩，出現掉塊、崩塌等情況。在產液地層，也體會由于巖石與井筒內較大的壓差而流向井筒，降低井壁強度引起失穩。在致密產氣層，巨大的負壓差會使氣體流動阻力變大，井壁巖塊發生“巖爆”效應，這是巖石的動力學失穩。在不同的地層井壁失穩千差萬別，需要對特殊地層的失穩進行機理研究，同時研究氣體鉆井過程針對復雜地層的處理劑和處理工藝，進行隨鉆封堵技術的研究，實現快速高強度的封堵。李皋[4]對地層失穩機理和評價方法進行了研究，使用巖石力學性質、地應力狀態與力學-化學耦合作用三種性質對井壁的穩定性進行綜合評價。

3 展望

空氣鉆井技術基于其優勢將有廣闊的發展前景，但是目前仍然需要不斷完善，未來仍然需要在以下幾個方面進行研究：（1）基礎理論研究。空氣鉆井是一個復雜的多學科綜合的技術，需要涉及流體力學、空氣動力學、熱力學、理論力學和彈塑性力學等，需要根據鉆井的實際情況考慮更加全面的因素，以此建立更加完善的數學模型。對高壓下氣體與巖屑的作用、氣量對巖屑的攜帶和對井壁的磨損進行研究。（2）實驗研究。實驗是對理論的驗證和升華。實驗研究需要對注氣量、鉆速、出水量進行研究，搭建實驗設備，選擇合適的實驗設備和工藝流程。對巖屑運動、鉆具磨損規律進行研究。（3）智能化。引入計算機對井壁溫度場、壓力、巖壁強度和鉆具受力時刻監測，對反饋的信息及時進行加工處理，對工況進行相應的修改。也可以利用相應的軟件進行模擬研究，為實驗研究提供參考。（4）應用廣闊。目前國內很多油田已經進入了薄油層、滲透油氣藏階段。油氣井壓力低、滲透大，采用常規的鉆井方法會使鉆井液漏失較多，不利于油層的保護和開發。空氣鉆井技術能夠克服以上困難，在類似地質下的漢江油田空氣鉆井取得了成功。在地層可鉆性較差、井眼尺寸大的鄂西渝東地區也實現了空氣鉆井。

4 結束語

空氣鉆井技術憑借其優勢在低壓鉆井等領域將得到廣泛的應用，但是在地層出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失穩方面仍然有待完善，相應的應對措施無法從根本上解決這些問題的出現，只有全面的掌握空氣鉆井技術和難點發生的機理，才能夠使空氣鉆井技術得到廣泛的應用，因此，要重視并盡快解決出現的問題，以此應用并獲得社會效益。

參考文獻

[1]侯樹剛.空氣鉆井安全鉆進特性分析[J].石油鉆探技術，2007，35（6）：50-53.

[2]卓云，胡顯智，等.氣體鉆井遇地層出水時的充氣鉆井技術[J].鉆井工程，2011，31（8）：73-75.

[3]張林偉.氣體鉆井井下燃爆分析[J].西南石油大學學報（自然科學版），2012，34（5）：146-152.

[4]李皋，孟英峰.氣體快速鉆井井壁失穩研究[J].鉆采工藝，2013，36（4）：26-30.