1、关于空气钻井工作特性分析与工艺参数的选择研究摘要：空气钻井是将压缩空气既作为循环介质，携带岩屑，又作为破碎岩石的能量的一种特殊的欠平衡钻井技术。空气钻井的主要特点是：成本低、钻速高、排量高、环保性好等。空气钻井在国内外的应用日渐广泛。相比传统空气钻井系统的各方面，现代的钻进技术可以说有了很大的提高。通过对现有关于空气钻井理论的研究，以及对钻井压力分布模型的分析，结合相应的公式计算、推导，获得了空气钻井系统多方面的结论。对空气钻井系统工艺参数的选择和研究，主要有以下两个方向：第一，如何选择系统的最小气量；第二，如何合理选择空气钻速。通过这两个方面的研究，得到如下结果： 最小气量与过流截面积呈相反
2、关系。 关键词：空气钻井 工作特性 工艺参数 钻速 一、概述 空气钻井是将压缩空气既作为循环介质，携带岩屑，又作为破碎岩石的能量的一种特殊的欠平衡钻井技术。空气钻井的主要特点是：成本低、钻速高、排量高、环保性好等。趋于这些优势，空气钻井在国内外应用日渐广泛。就目前，国内的钻井技术还不够成熟，还存在很多问题，如：a 空气钻井理论模型与实际工作状况存在相当大的区别。目前我国的大部分关于钻井的资料的介绍还停留在 angle 混合流体均匀流的模型。b空气钻井的最小气量和钻头钻速等参数的选择和分析上有待改进。c 实际上并不是呈线性分布的流体温度被看作是呈线性分布，这样就导致计算结果与实际情况存在较大的不
3、同。D 对空气螺杆马达的工作特性进行系统的研究相对较少。本文主要目的就是研究讨论以上四个问题。 二、空气钻井工作特性分析、研究 1.空气钻井压力系统计算及流速分析 “倒算法”是空气钻井压力计算的原则，就是将钻井系统环空出口作为压力计算的起始点，井口压力为终点，依次计算钻井系统的各个压降。系统的压降主要是环空压降、钻内柱压降和钻头压降。本文对环空压力计算采用 angle 模型。计算钻内柱压力是采用压缩性流体模型。计算钻头压降时要考虑亚声速流和声速流。 1.1 钻柱内压力分布的计算 1.1.1 讨论 angel 模型的适用范围 1.1.2 钻柱内压力分布计算采用压缩性流体模型 流体的压缩性是流体质
4、点在一定压力差或温度差的条件下，其体积或密度可以改变的性质。压缩性流体遵守气体的状态方程和质量守恒定律，结合影响流体的因素的关系，如流体压力、温度、流速等，结合牛顿第二定律推导出空气钻井的压力控制方程，进而求解钻柱内压力分布。根据经验指导，求解钻柱内压力分布时，压缩性流体模型更加可靠、准确。 关于钻井系统的基本假设：a 流体是一种容易流动、容易压缩、均质、等向，无粘性的连续介质；b 钻井系统的环空及钻柱内均在阻力平方区（紊流粗糙区） ，钻柱和钻井眼的位置是同心的，钻柱旋转不予考虑。 1.2 空气钻井循环系统的压力分布以及气体流速的研究分析 1.2.1 环空以及钻柱内压力分布特性分析 2.2 分
5、析空气压缩机排气量与马达转速曲线 按本算例条件，马达的转速和排气量成正相关，即转速的增加是随着排气量的增加而增加的。 通过马达转速公式可以知道，当排气量增加后，气体质量的流量也会相应增加，但是马达内的转速压力也相应增大，明显，这两者对马达转速产生了相反的影响。 3.讨论流体的温度模型 运用于空气钻井的线性流体模型是这样假设的：空气热容性极差并且热传递非常充分，明显这样的假设与实际情况不相符。钻井中空气流速较快，空气热容性差，但是热交换不一定充分。 三、空气钻井工艺参数的选择研究 1.最小气量的选择 空气钻井成败的关键在于气量是否充足。合理的确定并保持井底清洁的空气流量是空气钻井的关键技术。利用
6、井底清洁程度的标准选择井底状况的最小气量和钻杆与钻铤交接处的最小气量；选择两者中的大值作为最终的最小气量。值得注意的是：随着井深的增加，所需最小气量也增加。 2.钻速的选择 空气钻井过程中钻速是由很多原因共同决定的，比如：钻压、转速、钻井井底压差、钻头的类型、井底的清洁程度等。而选取合理钻速只能从不同原因逐一分析。研究表明：要提高排量可以合理提高钻速。 通过对循环系统流速分析，可以发现最可能出现最小单位体积动能点的地方仍是在交接处，所以要分别计算交接处的钻速，选取最小值为最终合理钻速。 四、结论 空气钻井是利用压缩空气作为循环介质的特殊欠平衡技术，研究空气钻井时采用的 angle 模型只适用于低速运动的流体。空气钻井的气体一般具有压缩性，所以压缩性流体模型更加可靠。最小排气量与钻速的选择要着重研究交接面处的情况。空气螺杆马达的转速特性计算有亚声速流和声速流两种情况，计算时需要考虑到。钻井压力、温度对马达的作用相反，所以其转速的确定必须要结合具体的情况，分析具体参数方可确定。 参看文献 1刘绘新，注气欠平衡钻水平井的新技术，石油勘探与开发，2005.03.02. 2苏义脑，地质导向钻井技术及新发展，石油勘探与开发，2002.02.09.
