空气钻井技术难点分析
摘 要：空气钻井技术相对于传统钻井液具有负压钻井、钻速快、易穿过地层、设备简单和安全性高的特点，但是仍然面临着诸多技术难点，文章综合分析了地层出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失稳发生的原因和相应的处理措施，并对空气钻井技术进行了展望。
关键词：空气钻井；难点；展望
引言
空气钻井是将传统钻井过程中使用的液体循环介质由气体代替，通过气体压缩机形成环空气，将井底钻屑带出，这是一种欠平衡的钻井方式。它大大减少了钻井完井液的使用，消除了钻井液对环境的污染，适用在供水困难的地区。同时空气钻井的速度是使用普通钻井液速度的三倍[1]，具有建井快、成本低的优点。它是水平井钻井技术之后又一新钻井技术，正在迅速发展。但是目前该项技术还不成熟，特别是欠平衡技术的发展还有待完善。基于上述优势，空气钻井技术得到石油行业的日益重视。
1 空气钻井技术特点
（1）负压钻进。空气密度远远小于水的密度，根据正常钻井的注气量计算，当井深超过3000m时，空气密度也不大于150g/l，可以实现负压钻进，也能够较好地控制孔隙压力。（2）钻速快。空气钻井技术消除了井底持压效应，持压越小，钻头周围的围压就会越小，因此具有更高的机械钻速。（3）易穿过地层。在穿过非正常地层时，常规的钻井液会进入裂缝或者溶解盐类，空气钻井技术没有水的存在，不会发生井壁的水化失稳。如果钻井介质的在井底的压力大于岩石的孔隙压力，介质就会流入孔隙，产生表皮效应，降低产能。（4）设备简单。空气钻井的主要设备是空气压缩机系统，除此之外还需在井口安装气体防喷器和斜坡钻杆，以减小防喷器旋转的摩擦。（5）安全性高。空气钻井可以避免有害气体和天然气的燃爆，当井内气体较多时可以转换钻井方式，在正常的监控手段下具有较高的安全性。
2 空气钻井技术难点及对策
2.1 地层出水
在干硬等稳定地层，可以通过控制气量、钻速等保证井眼清洁。但是在非稳定地层，空气钻井无法携带井眼稳定添加剂，井壁产生的粉尘遇到地层出水会阻塞空气流动，产生卡钻现象。由于无法稳定井壁，高速气体会使井壁坍塌，发生井下爆炸等事故。对于不同的出水量[2]可以采取不同的处理措施。对小于0.477m3/h的小流量出水，它会使岩屑相互粘连，形成泥包，造成井眼缩小。出现上返钻屑量减小，钻屑变大的现象，可以通过加大气量的方法消除这一影响。对大于7.95m3/h的大流量出水，可以通过加入泡沫剂或者改为钻井液的方法控制。在二者之间的的中等水量出水危害较小，但是对有水敏性且井壁不稳定的井眼易发生井塌，判断方法是注气压力升高，钻速降低，处理措施是采用雾化钻井。
2.2 井斜控制
空气钻井相比传统钻井技术具有更小的井压，因此不易发生井斜状况，但是由于钻速高，一旦发生就会产生较大影响。气体钻井时岩石压力得到很好的释放，岩石应力值较小，但是岩石层的不同造成岩石各向异性显著，这造成井斜情况严重，有时出现在钻井液钻井技术不会产生井斜的区域。邓虎川渝地区的不同钻井进行各向异性测量发现，空气钻井的各向异性时钻井液钻井的5～6倍，地层造斜力十分显著。除此之外，地层倾角也是造成井斜的另一重要因素。虽然有些因素还没有进行过系统研究，但是经验表明，钻压越高，井径扩大对井斜的影响越大。目前控制井斜的措施主要有三种：空气锤、钟摆钻具和螺杆钻具。空气锤钻压较小，通过纵向冲击破岩，井斜角控制在3°以内，效果显著。钟摆钻具通过控制钻头的横向作用力控制井斜，使用双稳定钟摆器可以使倾斜角度控制在3°以内。螺杆转相对于前两种具有速度快，可快速实现防斜功能，倾斜角控制在2°以内，但是设备的可靠性不足，还需提高。
2.3 井下燃爆
空气钻井技术在钻井过程中，如果遇到天然气或者其他烃类物质的地层时，与空气混合后极易发生爆燃，进而发生井塌等事故。钻井过程中水与粉尘混合形成滤饼，堵塞环形通道，形成密闭空间，随着可燃气体的不断注入温度逐渐升高，当温度达到临界点时就会发生爆炸。除了压力增大引起温度升高之外，钻具与岩石的摩擦也会引起火星。岩石之间的摩擦、钻井屑的返排、扶正器的摩擦均会产生火星。对于井下燃爆的防治措施，首先要勘探地层分布，监测易燃气体含量，通过加大空气量加强空气循环，降低天然气等含量，时刻监测井下温度和可燃气体浓度。如果出现大量可燃气体需要及时转换为氮气或者钻井液，阻止燃爆的发生。张林伟[3]对气体钻井的井下燃爆条件进行了分析计算，分别考虑可燃气体组成、温度、压力和惰性气体含量的影响。建议在空气中提高氮气纯度，同时加强气体含量检测和压力的控制，对燃爆的薄弱环节使用专用的防爆工具等措施。
2.4 井壁失稳
气体钻井技术的另一难点是在产油、产气、出水等复杂条件下井壁的失稳问题。井壁稳定性主要取决于岩石强度，在没有钻井液存在的条件下，井壁承受岩石的压应力和空气的压力，但是空气的压力很小。对于大多数岩石来说，井壁具有足够的强度支撑周围的压力，但是对于塑性和黏土化较为严重的玄武岩较易失稳，出现掉块、崩塌等情况。在产液地层，也体会由于岩石与井筒内较大的压差而流向井筒，降低井壁强度引起失稳。在致密产气层，巨大的负压差会使气体流动阻力变大，井壁岩块发生“岩爆”效应，这是岩石的动力学失稳。在不同的地层井壁失稳千差万别，需要对特殊地层的失稳进行机理研究，同时研究气体钻井过程针对复杂地层的处理剂和处理工艺，进行随钻封堵技术的研究，实现快速高强度的封堵。李皋[4]对地层失稳机理和评价方法进行了研究，使用岩石力学性质、地应力状态与力学-化学耦合作用三种性质对井壁的稳定性进行综合评价。
3 展望
空气钻井技术基于其优势将有广阔的发展前景，但是目前仍然需要不断完善，未来仍然需要在以下几个方面进行研究：（1）基础理论研究。空气钻井是一个复杂的多学科综合的技术，需要涉及流体力学、空气动力学、热力学、理论力学和弹塑性力学等，需要根据钻井的实际情况考虑更加全面的因素，以此建立更加完善的数学模型。对高压下气体与岩屑的作用、气量对岩屑的携带和对井壁的磨损进行研究。（2）实验研究。实验是对理论的验证和升华。实验研究需要对注气量、钻速、出水量进行研究，搭建实验设备，选择合适的实验设备和工艺流程。对岩屑运动、钻具磨损规律进行研究。（3）智能化。引入计算机对井壁温度场、压力、岩壁强度和钻具受力时刻监测，对反馈的信息及时进行加工处理，对工况进行相应的修改。也可以利用相应的软件进行模拟研究，为实验研究提供参考。（4）应用广阔。目前国内很多油田已经进入了薄油层、渗透油气藏阶段。油气井压力低、渗透大，采用常规的钻井方法会使钻井液漏失较多，不利于油层的保护和开发。空气钻井技术能够克服以上困难，在类似地质下的汉江油田空气钻井取得了成功。在地层可钻性较差、井眼尺寸大的鄂西渝东地区也实现了空气钻井。
4 结束语
空气钻井技术凭借其优势在低压钻井等领域将得到广泛的应用，但是在地层出水、井斜控制、井下燃爆和井壁失稳方面仍然有待完善，相应的应对措施无法从根本上解决这些问题的出现，只有全面的掌握空气钻井技术和难点发生的机理，才能够使空气钻井技术得到广泛的应用，因此，要重视并尽快解决出现的问题，以此应用并获得社会效益。
参考文献
[1]侯树刚.空气钻井安全钻进特性分析[J].石油钻探技术，2007，35（6）：50-53.
[2]卓云，胡显智，等.气体钻井遇地层出水时的充气钻井技术[J].钻井工程，2011，31（8）：73-75.
[3]张林伟.气体钻井井下燃爆分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2012，34（5）：146-152.
[4]李皋，孟英峰.气体快速钻井井壁失稳研究[J].钻采工艺，2013，36（4）：26-30.