李帮民，侯树刚，杨甘生，张建华，王惠文，龚媛

（1.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001；2.中国地质大学（北京），北京 100083；3.中国石化中原石油工程有限公司技术发展处，河南 濮阳 457001）

气举反循环防漏钻井施工参数适应性分析

李帮民1，侯树刚1，杨甘生2，张建华3，王惠文1，龚媛1

（1.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001；2.中国地质大学（北京），北京 100083；3.中国石化中原石油工程有限公司技术发展处，河南 濮阳 457001）

随着西南页岩气开发力度逐渐加大，浅表裂缝性地层漏失问题日益突出，为此尝试引进气举反循环钻井技术。该技术具有井底压力小、上返流速高、携岩效果好等优点，在水井、地热井、煤层气井以及大口径工程桩施工等领域表现出良好的防漏效果。为从理论上探讨气举反循环防漏钻井施工参数的适应性，建立了反循环气液固三相流动模型，初步分析了φ444.5 mm和φ311.2 mm两种井眼条件下双壁钻杆的类型和下深比、空气压缩机风量等施工参数对机械钻速的影响，从施工参数角度验证了该技术在石油钻井领域的适应性。该研究为气举反循环技术在石油钻井领域的应用推广提供了理论依据。

气举反循环；防漏；石油钻井；理论模型；适应性分析

0 引言

川南、礁石坝等区块是中国石化页岩气开发重点区域，在开发过程中，浅表性地层裂缝发育，漏失问题严重，缺乏行之有效的防漏技术措施［1-6］。气举反循环钻井技术因其特殊的反循环工艺，具有井底压力小、上返流速高、携岩效果好等特点，已广泛应用于水井、地热井、煤层气井以及大口径工程桩施工等领域，施工过程中针对裂缝性漏失地层表现出了良好的防漏效果［7-9］。

前期在川南H9-6井开展了气举反循环现场试验，验证了通过简单改造即可实现气举反循环设备在石油钻井设备的应用，但缺乏施工参数的理论指导。本文建立了简易气液固三相流动模型，在φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼条件下，分析了双壁钻杆的类型和下深比、空气压缩机风量等施工参数对携岩能力的影响规律，给出了气举反循环在石油钻井施工过程中的配套设备优选原则及施工参数设计方法。

1 施工工艺简介

气举反循环配套设备主要包括简易钻机、空气压缩机、双壁方钻杆、双壁钻杆、连接水龙头与双壁方钻杆的气盒子、连接双壁钻杆和普通钻杆的气水混合器、钻头、小型固控设备等。气盒子、双壁钻杆、双壁方钻杆的连接扣型与石油钻井设备扣型相同，可直接与石油设备连接；气举反循环中的钻头是在常规牙轮钻头中心部位钻取约50 mm水眼、堵塞牙轮钻头其他3个水眼改造而成的。

气举反循环施工工艺较为简单，技术原理如下：将空气压缩后通过双壁钻杆、气水混合器等设备注入双壁钻杆芯管内部，在芯管内部形成低密度的混合液，使双壁钻杆内部与环空之间形成足够的压差，造成环空内流体携带井底的岩屑通过钻头中心部位的水眼进入钻杆内部，再经过气水龙头、管路等设备进入泥浆罐中。若现场条件允许，可在井口附近挖一沉淀池，通过自由沉淀，清除钻井液中的固相和气相，并通过自由流动的方式，将沉淀池中的钻井液自由流动至井口环空处。

2 施工参数分析

2.1 数学模型

气举反循环过程中，由于双壁钻杆芯管内为气液固三相流动，流型极为复杂。目前针对气液固三相流动的理论，多为基于实验研究数据整理建立［10-12］，缺乏系统的、能够真实反映气液固三相流动的理论模型。本文简化了气液固三相流动流型，假设如下：1）气液固三相在芯管内部分布均匀；2）压缩空气在钻井液中的流动阻力损失不计；3）钻井液在钻头处的阻力损失为定值；4）钻井液在循环系统中的流动视为等温紊流；5）井眼截面为规则圆形，钻柱位于与井眼同心位置；6）不考虑钻柱回转的影响。

确保岩屑被携带至井口过程中，岩屑上返速度需大于其自由沉降速度，综合考虑岩屑自由沉降速度、钻井液上返速度等，可推导得到描述机械钻速与岩屑粒径、井眼直径、钻杆内径等关系的计算模型：

式中：ROP为机械钻速，m/h；d为钻杆内径，m；D为井眼直径，m；ρ1为含岩屑的钻井液密度，kg/m3；ρ0为岩屑密度，kg/m3；ρ为钻井液密度，kg/m3；v为钻井液的上返速度，m/s；K为岩屑的形状系数，圆形岩屑取4.0～4.5；d0为岩屑粒径，m；δ为岩屑粒径与钻杆内径的相对大小，δ=d0/d。

基于能量守恒方程，建立气举反循环过程中的能量分布公式：

式中：A为压缩气体在钻井液中膨胀做功值，J（以下单位同）；A1为钻井液和岩屑的位能增加值；A2为从井底到气水混合器处的流动能量损失；A3为从气水混合器到气水龙头处的能量损失；A4为钻头处能量损失，取为定值ε；A5为排渣出口处的钻井液和岩屑动能；A6为固液相对密度差引起的能量损失；A7为井眼环空间隙内钻井液由井口至井底的流动能量损失，其中钻具外径统一按双壁钻杆外径计算；p0为大气压，MPa；Q0为压缩空气供气量 （自由状态下），m3/s；p为气水混合器处压缩空气压力，MPa；h0为气举反循环扬程，m；Q为气举反循环排量，m3/s；λ为钻井液流动阻力系数［13］；g为重力加速度，m/s2；h2为气水混合器距井底的距离，m；h1为气水混合器下入深度，m；hx为从气水混合器到气水龙头处的距离，m；vx为hx处对应的流速，m/s；vend为排渣出口处的钻井液速度，专业词叫“末速度”，m/s；H为井深，m；ds为双壁钻杆外径，m；e为钻具内壁平均粗糙度，m（此处不考虑钻具接头，按e=0.045 72m计算）；dh为钻杆内水力直径，m。

令K0=Q0/Q，K0为气液举升比，即举升单位体积钻井液所需的空气量。取p0/γw=10m（γw为水的容重，N/m3），整理式（3）可得：

通过推导，得出携带岩屑至井口的钻井液速度：

将表征钻井液携岩能力的S除以井眼截面积，得到一个钻进速度值。该值即为该型号双壁钻杆能保持井底清洁所容许的最大机械钻速：

2.2 双壁钻杆类型

目前，石油钻井钻杆以φ139.7mm和φ127.0 mm钻杆为主，对应气举反循环配套设备中的SHB139.7/80，SHB127.0/70，SHB127.0/79双壁钻杆。模型计算过程中，气液举升比为4，双壁钻杆下深比为1∶5，其他计算参数见表1，模型分析结果如图1所示。

表1 计算参数

川南、礁石坝等区块页岩气开发过程中，一开井眼直径普遍采用444.5 mm，井深约为600m。在φ444.5 mm井眼中，SHB139.7/80，SHB127.0/79双壁钻杆的最大机械钻速相近，均远高于SHB127.0/70双壁钻杆，在φ311.2 mm井眼中变化规律相同。

2.3 双壁钻杆下深比

双壁钻杆下深比直接影响双壁钻杆内管钻井液的上返速度，与空气压缩机风量共同决定了钻井液的携岩能力。目前气举反循环技术在石油等领域施工过程中，常规的下深比从1∶4到1∶15，缺乏理论依据。因此，本文计算了双壁钻杆下深比对最大机械钻速的影响规律，结果如图2所示。气液举升比为4，双壁钻杆型号SHB139.7/80，其他计算参数见表1。

图1 不同型号双壁钻杆对最大机械钻速的影响规律

图2 不同下深比对最大机械钻速的影响规律

如图2所示，在φ444.5 mm和φ311.2 mm井眼中，均存在随着下深比的逐渐降低（双壁钻杆数量的减小），最大机械钻速逐渐降低的趋势，最大机械钻速均分布在下深比为1∶4。同时，当下深比一定时，随着井深的增加，机械钻速呈现先增加后降低的趋势。因此，气举反循环技术在石油钻井应用过程中，建议准备足够的双壁钻杆，避免因双壁钻杆下深不够，导致机械钻速降低。

2.4 空气压缩机风量

空气压缩机向井内输送的压缩空气是钻井液实现反循环的动力，因此，输送压缩空气的压力和排量对钻井液携岩能力具有极为重要的影响。气举反循环技术在其他工程领域施工过程中，普遍采用的风量为12.5m3/min，输出压力为15 MPa；而在石油钻井领域，空气压缩机应用于常规空气钻井过程中，单台空气压缩机的风量均大于25.0m3/min，输出压力在15 MPa以上。两者采用的输出压力均为不可调式，即出口压力由压缩空气供气管路循环压耗决定。从输出压力角度分析，空气钻井用空气压缩机适用于气举反循环钻井施工。基于数学模型，分析了空气压缩机风量对钻井液携岩能力的影响规律（见图3），井眼直径为444.5 mm，双壁钻杆下深比为1∶5，双壁钻杆型号SHB139.7/80，其他计算参数见表1。本文模型中，空气压缩机风量与气液举升比K0之间的换算关系如式（8）所示。

图3 不同举升比条件下空气压缩机风量变化规律

如图3所示，在φ444.5 mm井眼中，随着井深的增大，对空气压缩机风量要求均存在先增大后降低的趋势，但对空气压缩机风量而言，变化范围较小，即在空气压缩机风量为4m3/min左右，即可气举反循环施工，远低于前文介绍的石油空气钻井空气压缩机风量。因此，可将空气钻井使用的空气压缩机用于气举反循环施工。

3 结论

1）为提高气举反循环技术在钻井过程中的机械钻速，双壁钻杆建议采用SHB139.7/80或SHB127.0/79两种型号。

2）气举反循环技术在石油钻井施工过程中，应尽量备足双壁钻杆数量，提高双壁钻杆下深比。

3）石油空气钻井中应用的空气压缩机风量、输出压力适用于气举反循环技术施工，无需单独为气举反循环施工引进低风量空气压缩机。

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（编辑 赵卫红）

Adaptability of air-lifting reverse circulation caulk drilling with different parameters

LI Bangmin1,HOU Shugang1,YANG Gansheng2,ZHANG Jianhua3,WANG Huiwen1,GONG Yuan1
(1.Research Institute of Drilling Engineering and Technology,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.Technology Development Department,Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd.,SINOPEC,Puyang 457001,China)

with the development of shale gas in the southwest China,fractured leakage of shallow formation becomes increasingly severe.Air-lifting reverse circulation drilling technology,which has a lot of advantages,such as low bottom hole pressure,high return velocity and better cutting clean,shows good leak proof effect in the process of wide application.In order to study the adaptability of air-lifting reverse circulation drilling with different parameters,three phase flow model of air-lifting reverse circulation is established.The impact on the rate of penetration with different parameters,including the type of double-wall drill pipe,depth,air compressor discharge rate,in both 444.5 mm and 311.2 mm wellbores is preliminarily analyzed.The verified adaptability of air-lifting reverse circulation drilling technology provides a theoretical basis for the application and extension of this technology in the oil drilling.

air-lifting reverse circulation;leak proof;petroleum drilling;theoretical model;adaptability analysis

中国石化石油工程技术服务有限公司项目“气举反循环钻井技术适应性研究”（SG14-06X）；中国石化中原石油工程有限公司项目“充气反循环钻井技术应用研究”（2016102）

TE242

A

10.6056/dkyqt201606032

2016-04-28；改回日期：2016-08-20。

李帮民，男，1981年生，工程师，2012年1月获中国石油大学（北京）油气井工程专业博士学位，主要从事钻井工艺、井下复杂流动等方面研究。E-mail：bangmin_li@126.com。

李帮民，侯树刚，杨甘生，等.气举反循环防漏钻井施工参数适应性分析［J］.断块油气田，2016，23（6）：838-841.

LI Bangmin，HOU Shugang，YANG Gansheng，et al.Adaptability of air-lifting reverse circulation caulk drilling with different parameters［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：838-841.