空气钻井技术及其应用

空气钻井技术及其应用
【摘要】文章介绍了空气钻井的技术特点及局限性，分析空气钻井技术在实际应用中的问题和难点，最后就如何改进提出了自己的一些看法和建议。

【关键词】空气钻井技术；应用；改进
中图分类号：te242文献标识码： a 文章编号：
引言
空气钻井是以压缩空气（或氮气）既作为循环介质又作为破碎岩石能量的一种欠平衡钻井技术。

这种技术的原理是以气体（或氮气）为循环介质，用气体压缩机等设备作为增压装置，用旋转防喷器作为井口控制设备的一种欠平衡钻井工艺，用于石油、天然气钻井。

空气钻井技术能够避免产油层受到钻井液的污染，有助于提高油井生产能力，并杜绝由于钻井液的大量漏失而造成的不必要的浪费。

对于高渗、裂缝性地层以及对入侵液体高度敏感的地层，空气钻井技术是降低钻井液、滤液及固相侵入，防止损害储层的一种有效方法。

空气钻井技术是继水平井钻井技术之后迅速发展起来的一门降低成本又增加钻进效率的新技术，与先前的钻井方式相比，空气钻井技术可以使井底岩石受到挤压而凸起，并产生拉应力区，有助于钻头与岩石接触，进而使钻头更容易钻入地层，从而有效的提高钻井的时效。

1 空气钻井的技术特点及局限性
空气钻井技术在实现完全欠平衡钻进、提升机械钻速以及安全性
等方面具有显著有点，但是企业存在一些局限性，如井眼稳定性不好将无法进行空间钻井，下面作者将对此进行具体分析：
（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3-8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。

尽管空气钻井具有一些明显的技术优势，但介于气体性质的特殊性，因此无法全面替代钻井液完成一口井的建井作业，亦即空气钻井具有诸多局限性，以下所列举因素中的任何一种出现即可导致
空气钻井作业方式的终止：遇井眼稳定性不好，大量塌落物堵塞环空或淤积井底时，会导致空气钻进工艺无法进行；地层中出水较多时，必须终止空气钻进并立即改用常规钻进方式；钻遇天然气层时，考虑到安全施工，一般情况下会转换常规钻井方式；井斜超标严重时一般无法坚持进行空气钻进作业。

遇有大风气象情况时，应考虑暂停或终止空气钻进作业。

这主要是考虑到在风力较大的情况下排气口排出气体会很快扩散，当排出气体中含有天然气、h2s等成分时，会造成爆炸、中毒等恶性事故。

2空气钻井技术在实际应用中的问题和难点
2.1 井斜控制难度大
空气钻井过程中，井斜很难控制，当然，这一技术缺陷在国外也还没有进行深入的研究。

目前我国主要采用轻压吊打的方法来控制井斜问题，这一方法最大的缺陷就是钻速慢和易断钻头。

对造成井斜现象出现的原因主要有：（1）空气钻井工具造成的井斜无规律可掌握，空气锤、空气螺杆等工具的导致的井斜规律尚不清楚，国内外还未对此进行较为系统的研究；（2）在井斜存在的情况下，如果钻具靠在下井壁上，下井壁的空气流动速度就会变慢，下井壁没有及时被带走的钻屑，就会将钻头“垫”向上井壁，最终导致井斜越来越大；（3）高流速气体冲击井壁，会导致井径的严重扩大，稳定器也难以发挥应起到的作用。

2.2 地层出水难以避免
钻井过程中，如果没有地层水流入井筒，环空中的钻屑始终是粉
尘，在空气足够的情况下，井筒钻屑极易携带。

如果进入井眼的地层水较多，钻屑极易结块堆积，形成井下泥环，导致它附着在井壁和钻具上，最终会出现卡钻、钻具泥包、循环管路被堵等问题，严重的情况下甚至会造成井下着火等工程事故。

2.3 岩石的硬度决定钻井效果
室内试验和钻井实践显示，用气体钻坚硬的岩石层效果最好，而钻软地层效果则差，这就要求人们在钻之前一定要掌握气体与泡沫钻井适应的岩石硬度极值范围。

2.4 井下着火现象极其不容易被发现
井下着火问题的存在是空气钻井技术的极为不利的缺点天然气或油等烃类物质与空气的混合量达到燃烧极限时，一旦有火源出现，就会引发井下着火。

空气钻井作业过程中，假如地层水进入井眼，就会造成钻屑粘糊，致使泥环形成，泥环在井内流动会受到阻力，这样会导致泥环以下的气体温度迅速的升高。

在这种情况下即使天然气等烃类物质进入井眼的流速非常低，也有可能会导致可燃的混合物迅速形成。

只要组成的混合物达到其燃烧点的范围，压缩本身就能引发燃烧另外，钻柱与井壁的摩擦以及钻头在钻硬地层时产生的火花也会点燃井下混合气体。

由于这种燃烧通常在井眼底部，地面人员难以观察，因此对它的监测相对来说还是会有很大困扰存在。

井下着火通常会熔化掉着火点附近的钻具，情况严重者甚至会导致井眼报废，给钻井带来难以估量的损失。

2.5 岩屑迟到时间很难能够准确测量
在空气钻井条件下，井筒中的循环介质主要是气、固两相流。

与常规的钻井液相比较，空气具有一定的压缩性，而钻井液的压缩性在计算迟到时间时可以忽略不计，传统的迟到时间经验公式难以适用于空气钻井条件。

同时，为了有效提高井筒环空气体的携砂能力，必须具备较大的流速，这也造成了迟到时间较短，不便于对一定井深内迟到时间的计算。

3 空气钻井技术的改进方法
3.1 井斜控制问题的解决
空气钻井钻速很快，一旦井斜现象发生，井壁倾斜极快，鉴于此种情况的存在要求我们要一定高度重视空气钻井的防斜问题。

目前国外主要采用防斜稳定器组合、防斜滚轮式扶正器等方法来控制井斜。

我国则采用弹塑性有限元法通过对岩石的应力分布、破岩趋势以及井斜与地层倾角的变化关系的分析，得出了空气钻井的井斜规律。

3.2 地层出水需要采取的主要对策
（1）在注入空气时还要及时注入泡沫胶液，来使它转换成雾化钻井，来提高其携带能力，如果雾化钻井也使携岩无法得到满足，就要不断加大注入的泡沫胶液量以及适当的减小空气排量，让它转化为泡沫钻井。

（2）优化泡沫胶液配方，提高泡沫质量，并在其中加入粘土抑制剂，抑制地层中的泥页岩水化膨胀，防止井眼缩径和井壁坍塌。

（3）及时实施短拉，破坏已形成的泥环。

空气钻井作业时，若
井下出现大量地层水，那么各种工程事故就会接连的出现，可是这并不意味着一发现地层出水现象，就要立刻放弃空气钻井，而是按照出水的多少和地层做总体经济效益评估，如果处理地层水所花费的费用低于采用钻井液钻井，那么仍保持空气钻井方法。

3.3 运用岩屑自然伽马录井技术和图像识别技术来识别岩石层，这项技术是近年来的一重大突破。

因为这两项技术基本上不受外界因素的干扰，所以能比较真实地反映岩石自身的特点，二者结合使用，更有利于解决空气钻井造成的钻时曲线难以有效利用以及岩屑岩性难以通过人工直接判断的问题。

3.4 需要采取的其他措施
另处还要做好以下工作，以防止出现意外事故：
（1）准备好足够的空气压缩机、增压机。

根据所钻井眼尺寸的大小，准备好充足数量的空气压缩机和增压机，以保证空气钻井时对所需要的空气量的供给。

于此同时，还要准备齐全雾化泵等相关设备，以备井下出水情况发生时造成的空气钻井能够正常进行，并可以将其及时转化为雾化钻井。

（2）强化对工程工作人员的培训，做到持证上岗。

工程实施之前，要对施工现场的相关施工人员进行各项培训，让其对施工步骤、技术手段和安全事项等有进一步全方面的了解和掌握。

另一方面，还必须要对现场的操作人员进行消防井控和qhse等方面的培训，以确保能做到工程项目的顺利进行以及工作人员的技术水平提高
和人身安全。

（3）发现问题及时采取应对措施。

进行空气钻井的时候，一旦发现地层出水，应该立刻停止钻井，仔细观察空气排量的循环。

在出水量较小的情况下，则应该调低钻速，在探索出较为合理的钻井参数后再继续钻进较为理想。

如果出水量比较大，在难以确定空气钻是否能正常钻进时的情况下，需要马上停止空气钻，改成其他的流体钻。

（4）提前做好消防安全工作：为了避免井下事故的发生，保正钻井活动的正常进行，在空气钻井技术的实施过程中，一定要加强对烃类等易燃物质的监控，具体的做法为： 1）在距离井场和气体出口处五十米范围以内的空间中严令禁止烟火；2）在施工现场的重要场所，根据空气和泡沫钻井的相关规章制度备好足够的灭火工具，另外额外增加干粉和泡沫灭火机等设备，以备不时之需；3）预先制定好紧急情况出现时的应急处理措施和救援方案，标明安全区和危险区以及人员紧急撤离的安全路线等，来保证危险情况出现后事故处理以及工作人员的安全。

4 结束语
空气钻井是一种高效率的勘探作业方式，如果地层条件具备进行空气钻井作业的条件，应优先考虑采用这种方式进行钻进，以提高进尺效率，降低钻井费用。

参考文献
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