浅析空气钻井技术的特点与难点

【摘要】气体钻井技术被广泛应用于世界许多油气田钻井工程中。我国部分油田也推广和采用了气体钻井技术。与传统的钻井技术相比，气体钻井具有很多技术优势。重点分析了空气钻井技术的特点与难点，以期对空气钻井工艺参数选择提供一定的参考和借鉴作用。

【关键词】气体钻井 空气钻井 技术优势 技术特点 技术难点

自上个世纪50年代开始至今，钻井技术越来越广泛的被应用于世界许多油气田钻井工程之中。目前，我国部分油田，如大庆油田、四川油气田、辽河油田等，也推广和采用了气体钻井技术，其经济效益显著。气体钻井是在钻井过程中，将传统钻井工艺中运用的液体循环介质，用气体所取代，如，天然气、空气、氮气，以及其他一些惰性气体等。同时，利用高压气体钻进，将其作为击碎岩层的能量，是一种典型的欠平衡钻井技术。

与传统的钻井技术相比，气体钻井具有很多技术优势。首先，该技术能够大幅度的提升钻井速度，缩短工程周期，还有利于降低钻头的耗损，节省钻井液成本，降低工程投入。其次，空气的低密度特性降低了井眼所承受的压力，彻底消除了钻井过程中液体循环介质的漏失问题，降低井漏复杂损失，提高油气勘探效益。此外，空气钻井对储油层零污染，并消除了储层的正压差伤害和水相圈闭伤害这两大主要伤害，有效地保护了储层，在国外被称之为“无伤害钻井”。本文重点分析了空气钻井技术的特点与难点，以期对空气钻井工艺参数选择提供一定的参考和借鉴作用。

从技术特点上看，首先，空气钻井是一种典型的欠平衡钻井方式，其技术核心在于井底负压的形成。地层压力与井筒内循环介质之间形成压差，从而实现井底负压状态。空气钻井技术的井内负压形成，主要是利用了空气的动力学原理。气体在钻机工作时的井内动力与控制是空气钻井技术的研究重心。空气通过空气压缩机进行初步处理，如，压缩、降温与除水等工序，再经过增压机，直到气体压力到达钻井工作压力要求。达标后，被高度压缩后的空气便经由空气输送管线，注入立管三通，进入钻杆与钻具内。其工艺流程如图1所示。

其次，根据这一技术原理，空气钻井对于长井段，钻进难度大的坚硬地层具有显著优势，随着地层硬度的增强、钻井深度的增加，这一优势更加突出。因为空气钻井利用的是井下岩体自身的脆性“弱点”。钻井液钻井会造成岩体在高围压状态下，常伴随着硬度与强度的增强，脆性减小，塑性渐强，严重影响钻进速度。而空气钻井形成负压，便削弱了井下岩体的强度与硬度，使其脆性更加显著，钻井更容易。并且利用气体冲击力的“锤”式钻进，其效率强过传统的机械剪切式，能大幅度提高坚硬地层钻速。此外，地层漏失特别严重、地层渗透率特别低的区块，也特别适合采用空气钻井技术，提高钻井机械钻速，降低钻具的损耗。

最后，空气钻井要求其钻采地区的地层具有一定的稳定性，不易出现垮塌等问题。因为，这一技术缺少应对井壁力学性失稳的能力。特别是在高压、钻井高产储层时，安全性低。空气钻井的井筒内压力比液态介质产生的压力小很多，可能会造成井眼机械的失稳。尤其是质地疏松的地层区域，井底欠压值高，易出现储层出砂、坍塌等事故。并且，当地层水进入井筒，被空气携带起的水经裸眼井段水敏性岩层时，井壁的水化失稳风险会增高。井眼失稳后，岩屑会增大、沉积在井，带来卡钻的隐患，影响正常的工程进度。

空气钻井的技术难点主要有两方面。首先，底层出水是空气钻井面临的巨大难题之一。空气与钻井液不同，不能携带井眼稳定添加剂。当钻遇饱和水层，粉尘会变为段塞。这样，经过环空的液体与水敏性页岩接触，会造成井塌卡钻。特别是当底层出水量小时，岩屑呈泥状，难以被携带至井口。不但会增加钻进过程与空气循环的阻力，还会造成井眼内不断上移的空气大段塞而堵塞设备，造成很大损失。通常，当出水流量小于0.477m3/h，或大于7.95m3/h时，很可能会造成极其严重的后果。小水量可以根据被携带出井的钻屑多少与大小进行判断，空气压力和钻具转动扭矩也是重要的考量对象。较大水量则可依据注入压力、上返钻屑量，以及钻速的变化进行判断。

其次，理论上的观点总是基于相对理想化的状态，而现实工程作业是多种因素构成的有机、复杂的整体。因此，实际工作情况总是要比理论模型要复杂得多。如现在仍广泛沿用的50年代Angel的混合流体均匀模型，是在排除了气体压缩性与其热力学过程、岩屑与气体两者间产生滑移状态的因素得出的理想模式。实际作业中，流体温度的变化也并非完全符合线性分布。因此，基于这一假设的计算与现实之间也存在着一定程度上的误差。低速运动的气体相对来说更加适合Angel的混合流体均匀模型。虽然空气钻井技术利用了热溶性差的空气，热传递良好。但由于井筒内空气流速快，影响了其与地层的热交换程度。此外，井筒内流体温度还受到其压力、体积、局部压强变化的影响，而呈现非线性变化。

最后，空气钻井技术相关难点还包括对可然性气体的安全控制，底层塌陷，岩石硬度，以及岩屑录井、防尘、保护环境的方法等问题。对空气钻井工艺参数的选择不但要根据具体的井下条件，也要综合考虑各种因素之间的作用与影响。

参考文献

[1][2] 任双双，刘 刚，沈飞.空气钻井的应用发展[J]. 断块油气田，2006（6）：62-65

[3] 魏武，许期聪，余 梁，刘贵义，李 刚.利用空气钻井技术提高钻井速度研究[J]. 天然气工业，2006（7）：57-58

[4] 游莉，方琴.空气钻井技术难点分析及安全技术措施[J].江汉石油科技，2008（4）：29-34

[5] 苏义脑，周川，窦修荣.空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研究[J].石油勘探与开发，2005（2）：86-90，122