空气钻井介绍

钻头牙齿可以更好的切削井底，并把钻屑带离井底，这样对于清洗井底和提高
都有好处，如图2-1。在同样的地层钻进，其速度可达到普通泥浆钻井的10倍以
的机械钻速是很容易达到的。由于泥浆费用和钻头费用大大减少，以及钻头进
寿命延长，从而降低了起下钻次数等优点综合起来使总的钻井成本降低。
(2)减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，并且能够随钻评价产层，如图
2.2.2空气钻井循环系统
图2-9空气钻井正循环系统工艺流程图
Fig2-9 Direct circulation air system
空气钻井工艺流程如图2-9所示，在实施空气钻井时，首先用空压机对空
级加压，降温、除水之后经过增压机增压将高压气体通过立管三通压入钻具。
钻头时对钻头进行冷却，同时完成携带岩屑的任务，再返回井口。接着空气和
层、破碎带、超深井等)和弱岩地层(如低胶结强度松散砂岩、破碎性岩体、流变
则可能诱发井壁的力学失稳。
井壁不稳定大致分为两种形式：井壁剥落、掉块，并且不能及时排走造成
钻；地层大块坍塌甚至错动，造成卡钻。
(2)地层出水问题。地层出水对空气钻井的影响主要表现在形成泥饼圈以
壁坍塌两方面。如果钻遇的地层为泥页岩地层，岩屑遇水后会发生水化膨胀，
设计旋转头或类似的气体导流器，是气体钻井作业中为了防止携带岩屑的
转盘方补心喷向钻台。对于钻井作业，从钻台导流这些钻井流体是必须要做的
给钻井操作者提供一个安全的工作空间。
空气钻井中主要使用两种防喷器：一种为环形防喷器(或旋转防喷器)，它
用使胶芯挤向井口中心，直到抱紧钻具或全封闭井口，从而实现其封井的目的
缩短了钻井时间，减少了钻具和扶正器的磨损；而且，钻压低使得钻具负荷轻
钻具磨损和疲劳损坏，延长了钻具的使用寿命；再者，气体钻井的注气压力低
钻具的刺漏，确保了钻具使用的安全。
除此之外空气钻井还具有延长钻头使用寿命，克服水敏性页岩坍塌，减少中国石油大学（华东）硕士学位论文
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点。
Fig2-1 Improved penetration rate Fig2-2 Formation damage av
井口环空截面的1.1倍。
岩取样器：用于获得井口处的岩屑样本。
气体探测器：用于检测烃类气体，便于钻工采取安全措施。
除尘器：用于向排管内的气固混合物喷水，减少粉尘污染。
燃烧池：用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。
引火器：将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃，保证安全钻
排出管线的控制阀：用于控制井口回压，也可用于配合试井测试。
(2)空气和气体钻井主要设备及其功能
压缩机：与泵的分类一样，通常将压缩机分为两大类：连续流压缩机和间
机(见图2-8)
[14]
。
压缩机单元分为：初级压缩机系统单元和增压压缩机系统单元。初级压缩
大气环境中获取空气，这种压缩机系统可以是旋转式或往复式压缩机，可以是
级。增压机系统单元在初级压缩机下游操作，它们接受来自初级压缩系统的压
泥浆
递增
机械钻速
空气和气体
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
泥浆
递增
图2-1逐步提高机械钻速图2-2避免地层受损的能力第二章空气钻井介绍
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柱压力在一定Байду номын сангаас度上起到了支撑井壁的作用。空气钻井中，这种支撑作用失去
周围岩石是否稳定取决于地应力的状态、岩石强度、实际地层压力和井眼的几
对于大部分地层，采用空气钻井不会发生井壁失稳的问题，但是在某些高应
产生的连续泡沫作为循环介质(25%≧液相比≧2.5%)。
(4)充气钻井液(Aerated drilling)：使用压缩空气或其它气体与不可压缩流
物作为循环介质(液相比≧25%)。
表2-1为各种工艺的循环介质密度范围
[2]
：
表2-1欠平衡钻井流体的当量密度单
Table2-1 Equivalent mud density in underbalanced drilling
循环则是钻大井眼井的首选。反循环作业需要专门制造的钻头。空气钻井所用
艺流程有别于传统钻井方式，下面介绍一下主要设备及其工艺流程。中国石油大学（华东）硕士学位论文
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(1)空气钻井作业井场图
几乎所有的空气和气体钻井作业都是陆上作业，图2-7为典型的钻机和其
地面设备的井场设计图。
图2-7空气钻井井场图
Fig2-7 Drilling rig location plan for air drilling operations
任何技术都有其一定的适应性，空气钻井技术也一样。除了以上的优势之
钻井也有其技术和经济上的局限性。气体钻井的局限性主要表现在井壁稳定性
层出水问题以及井下燃爆问题上。
(1)井壁稳定问题。空气钻井的井筒压力比常规的过平衡钻井要小，这可
井壁坍塌，且低的井眼压力还可能会引起一些井段的缩径。常规过平衡钻井时
空气和气体
为闸板防喷器，要求半封、全封齐全。
泥浆罐：储备泥浆，用于特殊情况下，由空气钻井转为常规泥浆钻井时使
通向钻机的气管线：主要有泄压管线、气涤器、注水泵、固体颗粒注入器
压力表、体积流量计。
泄压管线:用于释放空气流动系统中过高的压力。常用于起下钻、接单根
要开口操作的场合。
液体注入泵：由于地层大量出水而需要将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时
空气钻井井底压力低于地层压力，在钻遇油层时，能够及时连续不断地发现碳
从而对产层进行评价。
(3)有利于环境保护。由于采用空气钻井时，不使用钻井泥浆，而且钻井
整口井减少了钻井液的消耗和维护量，同时也减少了废弃钻井液的处理量，可
钻井液费用和减少化工产品对环境造成的污染。
(4)消除井漏对钻井的影响：井漏是指在钻井过程中循环介质不返出地面
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
泥浆
递增
图2-6钻硬地层的能力
空气和气体
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
泥浆
递增
图2-5控制地层水流入的能力
空气和气体
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
泥浆
递增空气和气体
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
泥浆
递增
图2-3避免漏失的能力图2-4控制较高孔隙压力的能力
空气和气体
不稳定泡沫
稳定泡沫
充气泥浆
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2.1空气和气体钻井技术工艺分类
空气钻井以空气作为循环介质，但空气钻井的循环介质也可为天然气或氮
统称为空气和气体钻井技术。其技术实质是如何利用压缩空气将钻头在井底产
携带上来。在现场应用中，循环介质可以是压缩空气或天然气，氮气等，也可
气体的不可压缩流体。因此，空气和气体钻井技术在工艺上可分为四类[12]：
易发生粘结，形成大的岩屑团。这种岩屑团很难被带离井底，而是附着在钻杆
以及钻铤顶部的台阶上，从而形成泥饼圈。
如果裸眼段地层中含有一定量的水敏性泥页岩，则在遭遇地层水后，泥页
水化膨胀，其强度也会降低。由于空气钻井缺乏对井壁的支撑和稳定作用，井
地层会发生坍塌，引起井径扩大。井径扩大将会带来井眼净化和井斜等问题。
并把这些空气再送往钻机前压缩到更大的压力。这个单元的压缩机都是往复式
可以是单级或多级。
2.2.1空气钻井作业主要设备第二章空气钻井介绍
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图2-8压缩机分类
Fig2-8 Compressor classification
井口装置：所有的空气和气体钻井作业都需要使用安装在转盘底下面的旋
安装防喷器(ROP)组。
(3)井下着火和爆炸。空气钻井在钻遇碳氢化合物时，可能出现燃料、氧
后造成井下着火。这样会造成烧毁井下设备和对地层造成伤害，井下着火对地
害不大，但对井下钻具，井眼的破坏极大，所以损失非常大。引起点火有三种
饼圈(由于岩屑堆积形成泥环，封住了环空，空气流动受阻)；井下火花；钻柱
缝或小孔，刺漏出的空气在其周围产生局部高温。目前常用的预防方法有：改
空气中加入水或起泡剂，或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。
固体注入泵：当地层出现少量水时，可向井筒内注入干燥剂，有利于气体
压力计、温度计、流量计:用来监测流管中气体状态。
增压机控制阀：控制增压机移出或接入空气循环系统。
流管中的安全阀：当流管中气体压力过高时，通过开启安全阀释放过高的
空气吸湿器：干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。当空气较湿润
较低的裂缝及溶洞性地层和严重漏失的地层，或者用泥浆不能建立正常的循环
用[13-20]。
2.1.1空气钻井的优势
(1)提高机械钻速，缩短建井周期，降低钻井总成本。由于气体密度很小
的压力很小，因此造成三轴围压严重失衡，岩石强度降低，塑性减弱，井底应
化，不但各点处压持应力小，而且在某些部分还出现岩石局部受拉现象。没有
Fig2-3 Loss of circulation avoidance Fig2-4 Controlling high pore pres
Fig2-5 Control of the inflow of formation water Fig2-6 Penetrate the hard
2.1.2空气钻井的局限性
性强的地层。对于有些地层就不能应用空气钻井，比如：比较松软的地层或倾
层，因为此时使用空气钻井不能提供足够大的压力以防止井眼坍塌，而且很容
眼倾斜，这种情况下应当采用密度更高的钻井液。钻遇稳定性差的地层，易造第二章空气钻井介绍
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钻遇高压油气层、含硫化氢地层及煤层，可能引起井下爆炸，导致钻井事故。
钻井在钻遇天然气或油层时有一定的燃爆的危险性，现在国内空气钻井主要用
分类当量密度分类当量密
干气0.001～0.01充气液0.6～0
雾化0.01～0.03玻璃微珠，塑料微珠>0.7
泡沫0.03～0.46，有回压时更高液体0.96以
空气钻井适宜于非常干燥的，无任何流体侵入的层段，尤其是在白云岩、
石英砂等坚硬地层，钻速可以大幅度提高。在水敏性泥页岩，孔洞裂缝性易漏
空气钻井是十分理想的钻井手段。另外，空气钻井适宜于地层压力系数不高，
进；改用天然气钻进；改用雾化空气钻进(现场多采用此方法)。
此外，软地层不适用于空气钻井，并且金刚石钻头较少应用于空气钻井中
多使用牙轮钻头。
2.2空气钻井的设备和循环系统介绍
空气钻井系统与常规的泥浆钻井一样，也采用两种类型的循环技术：正循
环。正循环广泛应用于浅井的空气钻井作业中。一般来说，正循环用于钻小井
压缩机
间断流式连续流式
容积式动压式
往复式旋转式
射流
机械式活塞滑片式液体活塞螺杆式
径向流混流式轴流
离心式混流轴中国石油大学（华东）硕士学位论文
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空压机压缩后，空气中可能有水分析出，因此使用空气吸湿器除去水分。
从钻机出来的管线：排屑管线、燃烧池、主次喷嘴、取样器、除尘器、天
器、引火源。
排屑管线：从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台，其内截面
(1)空气钻井(Air drilling)：仅使用压缩空气或其它气体作为循环介质
≦2.5%)。
(2)雾化钻井(Mist drilling)：把一定的乳化水溶于空气中注入井内，地层
滴的形式被带返出井眼。雾化钻井所需空气量一般增加30%-40%。
(3)泡沫钻井(Foam drilling)：使用压缩空气或其它气体混以不可压缩的流
失进入地层的现象。气体钻井井内压力远低于地层压力，循环流体进入地层的
有了，因此可以完全避免井漏的发生，如图2-3。气体钻井或者气基流体欠平
经成为钻穿漏失层位的重要技术手段。
(5)适用于严重缺水地区。由于空气钻井采用干空气进行钻进，可以解决
缺水的困难，以保证正常钻进。
(6)有利于延长钻具使用寿命，减少井下复杂事故的发生。由于气体钻井
排砂管线，排砂管线上安装有一个岩屑取样器，可以取砂样，最后到岩屑池。
常规钻井液钻井
空气空压机
冷凝器
立管增压机
钻柱内
钻头
环空
钻井泵
循环罐
井口
污水池
排砂管线
基液回收
空气钻井第二章空气钻井介绍
如需要，空气钻井期间也可以转换为常规钻井液钻井。