页岩气充气泥浆钻井技术

页岩气充气泥浆钻井技术

充气泥浆钻井是将一定量的气体

（空气、氮气、天然气等）连续不断

注入泥浆内，使其呈均匀气泡分散于

泥浆中，形成充气泥浆。从井内返出

的泥浆经过地面除屑除气后再次注入

井内循环。充气泥浆的密度可根据用

用户要求在0.45g/cm3以上进行调整，

从而达到防止漏失和防止油气层污染

的目的。其主要优点为：减少钻井液

漏失造成对目的层的污染，提高机械

钻速，降低钻井成本。

充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体；

连续相可以是各种类型的常规钻井液，也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体，但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且很稳定。

充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度；返出井口后经过地面除气器，气体从充气钻井液中脱离出来，以保证泵的正常上水。

➢充气钻井技术优点

⑴在0.55～1.03g/cm 3密度范围内能够通过充气进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层；

⑵需要较高静液柱压力（而其它气体系不能产生）的油气藏，可以采用充气钻井液来钻，从而最大程度地降低地层损害；

⑶将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产出大量水的严重漏失地层，通过调整注气量和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；

⑷基液可以是钻井液而不是水，因此可以在钻穿水敏性地层时，维持井眼的稳定性；

⑸减少钻具磨损和井下钻具着火的危险；

⑹钻井时效高，能大幅提高钻机作业效率；

⑺保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏；

⑻消除了着火和灰尘危害，有利于保护环境；

⑼可用于任何类型的地层，包括硬地层、软地层、干地层或湿地层，而空气钻井需要干燥的条件；

⑽根据压力变化随时调整注液量和基液密度控制井口和井底压力的变化，阻止盐水流入或井喷事故的发生；⑾可采用常规测井和常规固井；

⑿易于施工，是费用最低的低压欠平衡钻井技术。可以利用常规钻井液，成本低，比泡沫类钻井流体节省成本。因此该技术应用比较广泛。

➢充气钻井技术缺点

⏹需要增加气体的注入压力；

⏹如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制；

⏹不适于高压高产储层；

⏹也存在井壁不稳定问题；

⏹遇到高压水层会产生技术上的困难。

➢环空气液混合流体特征分析

1994年Williams发表了气液混合物两相流流

态结构。液、气经过泡沫发生器的混合基本形成

了比较均匀稳定的混合物进入钻具内，其结构为

泡状流，是泡而不是泡沫。

充气钻井液属于塑性流体，随着气液比的增加，塑性粘度与动切力增加；随着温度的升高，相同

的气液比下的充气钻井液粘度下降，动切力下降。

从井底环空到井口的上返过程中，混合物结构处于动态中变化中，流态为非线性两相流。随着液柱压力降低、温度的下降，小气泡结为大泡，混合物中气体体积增加，由泡状流变为段塞流，再进一步变为过度流。

井筒中上部为段塞流和过度流段，该井段为流态不稳定区。混合物到达井筒上部井段，气泡体积更大，形成环状流，流速增加。

过渡流环状流段塞流泡状流

环空维持气液混合的极限返速分区

液体返速（

m/min ）

气体上返速度（m ／min ）

1.8

18180180018000

180

18

1.8

. 18

环状流区

A

A

B

B

C

泡状流区

段塞流区

过度流区

环空

气液两相流分布情况

井筒中上部

弹状流、涡状流井筒下部

泡状流

井筒上部

环状流

环空内气液比、气体百分比随井深的变化

地面Q = 91%R = 1.4/1600m Q = 18%

1200m Q = 8%

1800m Q = 5%

2400m Q = 3%

300m Q = 58%R = .23/1

基液密度： 1.08g/cm 3

R = .09/1

R = .05/1

气体/泥浆比率= 10/1

R = .03/1

在井深2400米处的混合物中气体体积占3%，到井深600米处气体体积占18%；而井深300米处气体体积急剧变大，气体

占58%，由600米到300米

气体体积增加了2.22倍；

到井口处气体体积占91%，比井底的泡沫体积增加

30倍。

3000米的井深

1. 0的“基浆”

在地面的气液比：25:1 ，泡沫质量为96.15%，此时的泥浆几乎全是气体，密度0.0385;

在井底气液比：1:99 ，泥浆密度为0.99，与基液几乎相同。而气体密度大约为0.37。

T Z T Z P V *11*11

*22*22

=

P V 基本计算公式:

式中：

P 1——井筒某点压力，Mpa ；P 2——井筒另一点压力，Mpa ；V 1——井筒某点气体体积，m 3；

V 2——井筒另一点气体体积，m 3；T 1——井筒某点热力学温度，K;T 1=273℃+t 1，t 1--井筒某点温度，℃；

T 2——井筒另一点热力学温度，K 。T 2=273℃+t 2，t 2--井筒另一点温度，℃；

Z 1、Z 2——修正系数。