空氣鉆井的技術(shù)難點(diǎn)剖析及發(fā)展前景展望

摘 要

摘要：空氣鉆井作為一種新興的鉆井技術(shù)，具有鉆速高、成本低、環(huán)保性好等優(yōu)勢，已在國內(nèi)外展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。目前，國內(nèi)外對(duì)空氣鉆井技術(shù)的理論研究尚存在很大的局限性，廣泛開展
摘要：空氣鉆井作為一種新興的鉆井技術(shù)，具有鉆速高、成本低、環(huán)保性好等優(yōu)勢，已在國內(nèi)外展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。目前，國內(nèi)外對(duì)空氣鉆井技術(shù)的理論研究尚存在很大的局限性，廣泛開展空氣鉆井技術(shù)的研究勢在必行。在總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有空氣鉆井理論研究的基礎(chǔ)上，著重分析了空氣鉆井理論模型的建立、溫度場模型的建立、最小注氣量的選取以及臨界出水量的確定4方面的技術(shù)難點(diǎn)；并且從空氣鉆井理論模型的深入研究、實(shí)驗(yàn)手段和計(jì)算機(jī)科學(xué)的應(yīng)用以及空氣鉆井配套技術(shù)的研究等方面展望了未來空氣鉆井技術(shù)的研究方向。
關(guān)鍵詞：空氣鉆井；理論模型；溫度場；注氣量；出水量；技術(shù)難點(diǎn)；發(fā)展前景
0 引言
空氣鉆井是目前鉆速最快的鉆井作業(yè)方式之一，已展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭[1]。據(jù)美國能源部統(tǒng)計(jì)，截至2000年，30%左右的油氣井鉆井作業(yè)采用了空氣鉆井技術(shù)[1]。我國對(duì)空氣鉆井的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代末，川慶鉆探工程公司在全國率先引進(jìn)了成套的空氣鉆井設(shè)備，建成了專業(yè)化的空氣鉆井公司，先后開展了數(shù)十口井的空氣鉆井技術(shù)服務(wù)[2]，收到了大幅度提高鉆速、有效解決工程難題的良好效果。新疆、大慶、玉門、長慶等油氣田也曾先后嘗試了空氣鉆井的現(xiàn)場試驗(yàn)[3～6]。但總的來說，該項(xiàng)技術(shù)在我國尚屬起步發(fā)展階段，仍受到理論體系不完善、設(shè)備不配套、人員不專業(yè)等因素的制約，與國外先進(jìn)水平還有較大差距。
1 主要技術(shù)難點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀
1.1 空氣鉆井理論模型的研究
空氣鉆井理論研究的第一個(gè)具有里程碑式的人物是D.J.Martin，他于1952年首次提出使用數(shù)學(xué)方法來預(yù)估干空氣鉆井所需要的氣量[7]。盡管他當(dāng)時(shí)提出的模型還過于簡單，但是他啟發(fā)了人們使用數(shù)學(xué)的方法來解決空氣鉆井的若干問題。
1957年，Angel[8]提出了計(jì)算空氣鉆井的混合流體均勻流的模型。該模型計(jì)算簡單、便于應(yīng)用，是20世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的空氣鉆井計(jì)算模型。但由于其忽略了在環(huán)空中運(yùn)行較快的氣體流與運(yùn)動(dòng)較慢的巖屑微粒間的能量損耗，且將井眼近似看成光滑的管壁，同時(shí)在計(jì)算過程中簡單地采用平均溫度。因此，Angel模型尚存在著很大的修正空間。Boyun Guo等人[9]引入了Nikuradse摩阻系數(shù)計(jì)算對(duì)Angel模型進(jìn)行了改進(jìn)，并將該方法從直井推廣到了斜井段和水平井段的情況。
國內(nèi)方面，蘇義腦院士Ⅲ3摒棄了Angel模型中未考慮氣體壓縮性的假設(shè)，依據(jù)氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定律，并代入流體壓力、流速、溫度的耦合關(guān)系，按照牛頓第二定律推導(dǎo)出直井段、彎曲段、穩(wěn)斜段的壓力控制方程，并用迭代法進(jìn)行求解。蔣宏偉[9]等人利用實(shí)際溫度代替井筒平均溫度，同時(shí)用粗糙裸眼井段的摩阻系數(shù)代替Weymouth光滑管流動(dòng)摩阻系數(shù)，對(duì)Angel模型進(jìn)行了修正。從理論上講，這些修正后的模型更符合空氣鉆井的實(shí)際情況。
1.2 空氣鉆井流體溫度場的分析
溫度是空氣鉆井?dāng)?shù)學(xué)計(jì)算中最為關(guān)鍵的物理量之一。但是由于目前技術(shù)的局限性，計(jì)算時(shí)大多是將環(huán)空流體的溫度取同一深度自然地層溫度計(jì)算，沒有考慮空氣的熱容性及其他影響因素，這必然會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。Mitchell[12]提出了將井眼附近地層和井眼內(nèi)流體的溫度耦合在一起來確定環(huán)空流體溫度，但其分析過程還是以環(huán)空流體溫度等于自然地層溫度為前提進(jìn)行的，故并未從根本上解決問題，仍具有很大的局限性。
國內(nèi)方面，蘇義腦院士[10]在綜合考慮各種影響因素的前提下，給出了空氣鉆井中流體溫度分布的4種可能形式，為后續(xù)研究提供了可參考的思路。王存新[13]等人在前人研究的基礎(chǔ)上，利用能量守恒原理，考慮了鉆柱內(nèi)流體與環(huán)空流體之間熱量交換、環(huán)空流體與地層之間熱量交換以及可壓縮流體流過鉆頭水眼過程的溫度變化對(duì)環(huán)空流體溫度的影響，建立了計(jì)算井眼內(nèi)部流體溫度的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了求解，取得了較好的效果。
1.3 空氣鉆井最小注氣量的選擇
注氣量選擇的合理與否直接關(guān)系到空氣鉆井的成敗。目前國內(nèi)外關(guān)于最小注氣量的選擇方法主要有3種[14]：①最小動(dòng)能法，該方法認(rèn)為若氣體能將井底巖屑攜帶至地面，其具有的動(dòng)能應(yīng)不小于以15.24m/s速度流動(dòng)的空氣動(dòng)能；②最小速度法，該方法考慮了巖屑顆粒和氣體之間的相互作用，認(rèn)為氣體要將固體顆粒攜帶出地面，則氣流的速度要大于固體顆粒的終了沉降速度；③最小井底壓力法，該方法認(rèn)為井底壓力越低表明攜帶巖屑越順暢。目前，應(yīng)用最廣的仍然是基于Angel模型基礎(chǔ)上的最小動(dòng)能法[7～9]。但由于Angel模型所作的一些必要假設(shè)，利用其計(jì)算出的注氣量一般要小于實(shí)際需要的20%～30%。
國內(nèi)方面，崔之健[15]應(yīng)用兩相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)及氣體動(dòng)力學(xué)原理，提出了環(huán)空氣體舉升力最小“關(guān)鍵點(diǎn)”的概念。蘇義腦院士[10]在最小速度法的基礎(chǔ)上，考慮了環(huán)空中過流截面的大小對(duì)最小注氣量取值的影響，提出了將利用最小速度法計(jì)算的井底狀況下的最小注氣量和鉆桿與鉆鋌交接處的最小注氣量中的較大值作為最終選定的最小注氣量。柳貢慧教授[16]引入了巖屑重復(fù)破碎概念，根據(jù)井底和井口巖屑粒徑的變化，確定了巖屑重復(fù)破碎能耗，并據(jù)此對(duì)Angel模型進(jìn)行了修正，得到一種更加準(zhǔn)確的確定空氣鉆井最小氣體體積流量的新方法。
1.4 空氣鉆井臨界出水量的確定
地層出水是空氣鉆井的一個(gè)主要障礙。當(dāng)空氣鉆井鉆遇地層少量出水時(shí)，可通過增大注氣量的方式繼續(xù)鉆進(jìn)，但當(dāng)出水量達(dá)到一定值時(shí)，必須向霧化鉆井或常規(guī)鉆井液鉆井方式轉(zhuǎn)換，這便是空氣鉆井的臨界出水量。目前國內(nèi)外對(duì)于臨界出水量的確定仍采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。國外推薦在地層出水大于2m3/h時(shí)就要向霧化鉆井轉(zhuǎn)化[1]，國內(nèi)采用空氣鉆井時(shí)通常的做法則是在地層出水大于5m3/h后轉(zhuǎn)化為霧化鉆井[17]。這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏理論依據(jù)，因而在一定程度上必然影響到空氣鉆井的應(yīng)用范圍。
2 發(fā)展前景展望
從以上分析可以看出，空氣鉆井技術(shù)在國內(nèi)外均有著廣闊的發(fā)展前景，但其技術(shù)的逐步完善尚需時(shí)日。筆者認(rèn)為，國內(nèi)石油鉆井領(lǐng)域的科技工作者應(yīng)從如下幾個(gè)方面深入開展空氣鉆井技術(shù)的研究工作：
1) 理論模型是空氣鉆井研究的基礎(chǔ)。應(yīng)結(jié)合流體力學(xué)、多相流理論、氣體動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)及物理化學(xué)等多種理論基礎(chǔ)對(duì)空氣鉆井井筒內(nèi)及環(huán)空內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行深入分析研究，建立更為合理準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。著重進(jìn)行環(huán)空氣體與井壁、鉆桿間熱傳導(dǎo)狀況研究、高溫高壓狀態(tài)下環(huán)空內(nèi)流體物態(tài)變化規(guī)律研究以及巖屑顆粒的形狀、大小對(duì)氣體攜帶巖屑效果影響的研究。
2) 在理論模型研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展開空氣鉆井最小注氣量、臨界出水量及機(jī)械鉆速合理選擇的方法研究，以用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。
3) 實(shí)驗(yàn)是工程技術(shù)研究中必不可少的環(huán)節(jié)。應(yīng)著眼于空氣鉆井技術(shù)研究的專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制工作，尤其是大型試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)與加工。通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行空氣鉆井的巖屑運(yùn)移規(guī)律、巖屑對(duì)鉆具的沖蝕磨損規(guī)律以及巖屑吸水膨脹規(guī)律的研究。
4) 作為一種高效的計(jì)算及信息處理工具，將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入空氣鉆井的研究工作中是必然的趨勢。應(yīng)開發(fā)相應(yīng)的模擬軟件對(duì)空氣鉆井的井下壓力場、溫度場、鉆柱受力狀況及環(huán)空流體相態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)井下反饋的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的加工處理，從而對(duì)空氣鉆井技術(shù)的研究提供重要的輔助作用。
5) 加快開展空氣鉆井配套技術(shù)的研究。主要包括：空氣鉆井井位及井段優(yōu)選方法的研究；空氣鉆井鉆頭、鉆具優(yōu)選及個(gè)性化設(shè)計(jì)的研究；空氣鉆井特殊工具的改進(jìn)研究；隨鉆測井技術(shù)在空氣鉆井作業(yè)中的應(yīng)用研究等。
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(本文作者：翟應(yīng)虎 李祖光 張旭 中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)