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1、中国石油大学（华东）成人(网络)教育毕业论文 石油工程钻井论文题 目： 气基流体空气钻井技术 专 业： 石油工程 中国石油大学(华东)成人(网络)教育毕业论文摘 要过去，对气基流体(空气、雾化液等)作为气体钻井循环流体缺乏深入的理论研究和现场应用经验。为适应新的气基流体钻井方式及钻井工艺技术的进步，开展了气基流体空气的应用技术的研究。空气作为循环流体，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼，如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。介绍了气基流体空气的携岩机理、空气量的计算方法、空气循环系统以及气基流体空气、雾液在现场的应用
2、效果、空气钻井国内外应用现状、优缺点及所用的设备.并阐述了空气钻井的一些关键技术,如钻具腐蚀问题、钻遇水层问题、固井等,最后介绍了空气钻井技术的改进技术1.关键词: 气体钻井;气基流体;空气钻井; 携岩机理 ;钻具腐蚀 ;钻遇水层 固井i石油工程钻井论文目 录前 言. 3第1章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统. 41.1基本概念. 41.2 空气量的大小与井眼净化的关系41.2.1 空气携岩机理. 41.2.2 钻屑形状与下沉速度的关系. 51.2.3 空气注入量的确定. 61.3 气基流体(空气雾液)的循环系统8第2章 空气钻井技术的国内外研究现状102.1 空气钻井在国内外应用现状1
3、02.2 国内外关于空气钻井理论研究与参数计算的发展与现状112.3 空气钻井的优缺点比较122.4 空气钻井设备介绍132.5气体钻井所必需的条件井眼条件.13第3章空气钻井的关键技术与实例简. 163.1 空气钻井与钻具腐蚀163.1.1 腐蚀物质与腐蚀形式. 163.1.2 防治措施. 173.2 空气钻井地层出水限定值183.2.1 地层出水对空气钻井的影. 183.2.2 地层出水后空气钻井方法. 193.3 空气钻固井技术实例223.3.1 平落0065井空井固井初. 223.3.2 主要技术难点. 233.3.3 空井固井施工技术. 253.3.4 现场施工技术. 263.3.5
4、 固井技术总结. 27第4章 气体钻井技术的改进284.1控制气体体系的压力284.2 控制压力钻井的目标294.2.1 液压系统. 294.2.2 气压系统. 294.2.3 气体流体钻井误解. 304.2.4 没有适当控制井眼压力所造成的问题. 304.3 井下空气分流器(DHAD)314.4 压力试验结果324.5 建议33结 论34参考文献35致 谢36iii前 言气体钻井技术就是以气体为主要循环介质的欠平衡钻井技术,主要有纯气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和充气钻井液钻井1。气体钻井在国外应用已相当广泛，主要用于加快钻速，发现和保护气层，在低压破碎地层用气体钻井可以解决长段井漏问题。气体
5、钻井首次使用是在19世纪中期，美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井（包括煤层气）的钻探和开发上，特别是在阿巴拉契亚山脉地区新墨西哥圣胡安盆地西得克萨斯等油田和钻井液易漏失的洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用2，截至2000年，美国约30%的钻井和完井作业采用该技术，最深井5791.2m2。1第1章 气基流体空气钻井的基本概念和循环系统1.1基本概念气基流体空气钻井是利用大气中的空气或雾化空气流体作为钻井的循环介质，通过特殊的气体钻井配套设备(空压机、增压机、空气锤、旋转防喷器及连接管汇等)将空气注入井下再携岩返至地面来进行钻井的一种工艺技术。气基流体空气
6、是由空气、干燥剂、防腐剂以及其它添加剂按一定的比例混合组成。干空气和充空气、空气泡沫流体钻井是可使地层压力小于1.0的地层实现欠平衡钻进的钻井技术，是目前使用较多的一种气体型流体。1.2 空气量的大小与井眼净化的关系气基流体空气钻井中使用的循环流体是空气，它在钻井过程中的主要作用是将井下的钻屑举升到井口并带出井眼。如果空气量不够，则难以有效地将井下钻屑携带出来，这样钻屑就会在井内沉降并在井底聚积造成卡钻。因而在空气钻井作业中，空气注入量(空气流速)是安全钻井的关键因素。1.2.1 空气携岩机理在空气钻井中，循环的空气对钻屑施加一个与钻屑重力方向相反的举升力，当举升力大于重力时，钻屑就沿井眼向上
7、移动，相反钻屑就会沉降。由于钻屑自身重力不受空气流的影响，因而空气使钻屑向上运动有一个临界速度，当空气在环空中的流动速度超过临界速度时，钻屑就向上运动。如果钻屑的自由沉降速度为Vt ，空气沿井眼环空向上的流速为Vf ，那么钻屑向上的运动速度Vc 可由下式表示：Vc = Vf-Vt (1-1)由公式(1-1)可知，钻屑的自由下沉速度越大，运移钻屑所需的空气流速越大。钻屑的自由下沉速度与钻屑直径、密度、形状和流体密度等因素有关。研究发现，球形微粒的自由下沉速度为： （1-2)在公示（1-2)中：dc为钻屑直径，mm；Cd为阻力系数；c为钻屑密度，gcm3；f为流体密度，gcm3。1.2.2 钻屑形
8、状与下沉速度的关系携带岩屑的阻力系数与雷诺数有关，可由钻屑在流体中的运动速度确定。研究发现，在空气钻井中，环空中的空气一般为紊流，这时钻屑的阻力系数与流动速度无关，为一定值。但阻力系数受钻屑形状的影响，扁平状钻屑的阻力系数为1.4，角状及次圆状钻屑的阻力系数为0.8。结合气体状态方程，可推导出扁平状钻屑的自由下沉速度为：（1-3）次圆角状钻屑的自由下沉速度为：（1-4）式中：T为井底温度，K；P为井底压力，MPa。钻屑的自由下沉速度主要由钻屑直径、形状、井底温度和压力决定。但没有考虑钻屑之间或钻屑与井壁之间的相互作用，而这些作用会引起钻屑下沉速度的降低。从公式(1-3)、公式(1-4)可以看出
9、，钻屑的自由下沉速度随钻屑直径的增加而加大，钻屑尺寸越大，要带出钻屑所需的空气流速就越大。同时，携带圆球形钻屑所需空气量比扁平状钻屑所需空气量大。1.2.3 空气注人量的确定为了有效携带钻屑，需要预测地面空气注入速度，而其与井眼大小、井深、机械钻速等有关。国外研究了多种预测方法，其中多数方法用于现场时都遇到一个共同问题，这就是难以提供钻屑的形状和尺寸。同时还需要知道井眼的几何形状，因为在井径扩大处，环空空气流速会明显下降，携带钻屑的效果也会下降。Angel提出了一种方法，该方法假设空气冲击每粒钻屑的动能与空气在标准状态下给予钻屑的动能是相同的。目前该方法已广泛成为预测空气注入量的基础。利用An
10、gel软件，以某井为例，计算了311.2mm井眼与127mm 钻杆环空、井深为500m、机械钻速为8mh、球形钻屑直径为3mm时空气注入量与注入压力、岩屑含量和岩屑运移速度的关系，分别如图1-1、图1-2和图1-3所示。图1-1 注入压力与空气注入量的关系图1-2 岩屑含量与空气注入量的关系图1-3 岩屑运移速度与空气注入量的关系图1-1表明，随空气注入量增加，注入压力降低，最终趋于一个比较恒定的值；图1-2表明，岩屑含量随空气注入量的增加而下降，当空气注入量达到一定值后，岩屑含量变化趋势减缓；图1-3表明，空气注入量增加，岩屑在环空的运移速度增加，当空气注入量达到一定值后，运移速度呈显著上升
11、趋势。空气钻井时，对于 444.5 mm、311.2 mm、215.9 mm不同尺寸的井眼，一般情况下的注气量分别为180210、11015O、8O120 m3min。1.3 气基流体(空气雾液)的循环系统空气钻井的流程大致是：空气-空压机-增压机-方钻杆-钻具-钻头-环空-井口-排砂管-排砂池。在空气钻井作业中，需要将压缩机系统的压缩空气输送到钻机的立管管汇，因此就需要连接较大直径(76101.6mm)的钢管或软管。这些连接管线的额定压力值应与增压机的最大压力相匹配或更高。此外，在这些连接管线中应安装相应的单流阀、安全阀和球阀，以保护压缩机和便于泄压。在气体输入的主管线上要连接一根旁通管线(
12、泄压管线)，方便在接单根或需要时泄压。旁通管线可以直接导流到排砂管线。另外在旁通管线与立管之间也需安装一条泄压管线，用以在接单根前放掉立管和钻具内的压缩空气，以便压缩机在接单根期间保持运转。旁通管线和泄压管线的直径一般为50.8 mm3。第2章 空 气 钻 井 简 介2.1 空气钻井在国内外应用现状空气钻井是欠平衡钻井的一个重要分支，与传统钻井液钻井相比具有明显的特征。空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井，它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。空气钻井在美国及加拿大应用较为广泛。据文献记载空气钻井首次使用是在十九世纪中期，有文字记载的是1953年美国犹他州使用空气钻井技术进行钻井。此后，该技术被广泛应用于世界各地油气井(包括煤层气)的钻探和开发上。到70年代末，估计有10%的深井钻井和完井作业采用了空气与气体钻井技术。截止到2000年，据美国能源部统计30%左右的石油、天然气钻井和完井作业采用了该技术，最深井已钻达19000英尺，特别是在美国东部阿巴拉契亚山脉地区、新墨西哥州的圣.胡安盆地以及西得克萨斯的某些油田和那些钻井液易漏失的地区如洛基山脉地区，空气钻井得到广泛的应用。美国能源部要求，到2005年用空气或气体钻井技术的油井要达到30%以上，美国年钻井33000口左右，也就是说到2005
