李 黔，張小林 ，李鄭濤，李 娟，代 鋒

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.四川中頁利華新能源科技有限公司，四川 成都 610056；3.中國石油西南油氣田公司四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，四川 成都610000

引言

四川長寧頁巖氣資源豐富，部分井區(qū)地下水源富積，地層出水量大，淺表地層孔隙、裂縫、溶洞發(fā)育，壓力系數低，井漏問題嚴重，反復堵漏在降低鉆井效率的同時，嚴重限制了該區(qū)頁巖氣的高效勘探開發(fā)[1-2]。常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆井技術是一種有效的低壓地層控壓鉆井技術，具有攜屑效率高、消除環(huán)空壓耗、減少井漏等優(yōu)點，已廣泛應用于水井、地熱井、瓦斯排放井等鉆井領域[3-5]，可以利用氣舉反循環(huán)鉆井技術的優(yōu)點來解決長寧頁巖氣表層鉆井井漏問題。

學者們對氣舉反循環(huán)鉆井技術的工藝原理[6-8]、裝備配套[9-11]、施工參數[12]等方面進行了研究，均取得了一定的進展。Binkley 等利用雙壁鉆桿氣舉鉆進技術解決了在低于正常靜水壓力的地區(qū)或地層鉆進時的嚴重井漏問題[13]。Allen 等在英格索蘭公司氣舉經驗公式基礎之上，考慮了返排鉆井液中巖屑的影響，對注氣量經驗計算方法進行了修正，推薦氣水混合器沉沒比取65%～70%，最小不得低于50%[14]。Weber 等在氣舉提升經驗公式基礎上，對氣舉提升過程中各參數之間的相互關系和注氣量計算方法進行了研究，認為注氣量應該依據鉆井液排量來計算，推薦鉆井液與注氣量之比為1.0：1.5～1.0：2.0，此外，注氣量大小還應考慮鉆桿直徑影響[15]。王曼青對氣舉反循環(huán)鉆井技術所需的空壓機及輔助設備進行了研究，得出了在不同條件下所需注氣量的經驗公式計算方法[16]。孫孝慶等考慮管道對氣舉反循環(huán)鉆井懸浮速度的影響，建立了考慮壓力損耗的沉沒比經驗公式[17]。耿令強認為氣舉反循環(huán)沉沒系數必須大于0.5 才能順利建立反循環(huán)，且最大鉆進深度必須小于雙壁鉆具長度的5 倍[18]。李元靈對氣舉反循環(huán)裝備配套及攜屑能力影響因素進行了研究，認為影響氣舉反循環(huán)技術攜屑能力的主要因素包括鉆桿內徑、注氣壓力、注氣量、鉆井液密度等[19]。

以往關于氣舉反循環(huán)鉆井技術的研究多是針對工程應用，對施工參數的研究尚停留在經驗總結階段[20-22]，通常采用經驗公式確定施工參數，井底壓力控制并不精確，且常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆井技術井口敞開，不滿足油氣井鉆井井控需求。為此，在常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆井技術的基礎上，設計出具備井口井控能力的環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術，建立了井底壓力計算模型，分析了關鍵施工參數對井底壓力的影響規(guī)律，并建立了與新工藝相適應的關鍵施工參數設計方法。環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術在長寧某井表層成功進行了現場試驗，為應用該技術解決四川長寧頁巖氣表層鉆井過程中的井漏問題提供理論依據。

1 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝設計

1.1 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝原理

為滿足油氣井鉆井井控需求，在常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆井技術的基礎上進行改進，設計了一種環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝，工藝流程如圖1 所示。工藝原理：在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井過程中，通過旋轉防噴器封閉井口，由空壓機、泥漿泵通過鉆井四通向井筒大環(huán)空同時注入氣體、鉆井液，氣體、鉆井液混合為低密度流體由環(huán)空向井底流動，隨著注入壓力的升高，低密度氣液混合流體經氣舉閥進入鉆桿內，頂替氣舉閥上部鉆柱內鉆井液，降低鉆柱內等效液柱壓力當量密度，之后低密度氣液混合流體繼續(xù)流至井底，由于鉆柱內液柱壓力當量密度已經降低，所以低密度氣液混合流體經鉆頭水眼進入鉆柱內，攜帶巖屑上返出井口，形成反循環(huán)鉆進。

圖1 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝原理示意圖Fig.1 Diagram of annular aerated gas-lift reverse circulation drilling

1.2 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井裝備配套

環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井設備主要包括反循環(huán)鉆頭、鉆鋌、氣舉閥、鉆桿、鉆柱旋塞、空壓機、增壓機、旋轉防噴器和排砂管線等。其中，反循環(huán)鉆頭通過普通三牙輪鉆頭加工而成，原水眼堵死，中心開80 mm 水眼，牙輪周圍加焊擋板，防止超大塊巖屑從牙輪側面縫隙進入，堵塞水眼；氣舉閥在本體側壁上集中分布4 個直徑7 mm 側孔，環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井啟動時，低密度混合流體經側孔從環(huán)空進入鉆柱內，頂替上部鉆柱內鉆井液，降低鉆柱內的液柱壓力當量密度；空壓機提供壓縮空氣，增壓機在空壓機注氣壓力不足時提供更高的注氣壓力；井口安裝旋轉防噴器，在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆進時封閉井口，并提供一定的井控能力；井口使用普通鉆桿，完全匹配常規(guī)內防噴工具。所以，環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)工藝技術具備較強的井控能力，滿足油氣井鉆井井控需求。

2 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)井底壓力計算

2.1 模型建立

實際鉆井過程中流體流動模型太復雜，為將模型簡化，在此作如下假設。

（1）不考慮鉆柱旋轉對鉆井液流動的影響。

（2）考慮鉆井液為不可壓縮液體。

（3）溫度為地溫梯度，忽略傳熱。

（4）巖屑在鉆井液中的分布均勻，不考慮巖屑對氣液兩相流的影響。

在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井井筒流動達到穩(wěn)態(tài)時，井底壓力等于鉆柱內多相流壓降、鉆頭壓降與出口壓力之和

2.2 模型求解

出口壓力可直接測得，多相流段壓降采用多相流Hasan–Kabir 模型，忽略巖屑的影響，把多相流看作氣液兩相流進行求解。Hasan 和Kabir 將氣液兩相流分為4 種流型（泡狀流、段塞流、過渡流、環(huán)霧流）（圖2）。與其他多相流計算模型相比，在垂直管多相流壓降計算過程中，Hasan–Kabir 模型壓降計算結果精度較高，滿足工程需求，各流型的判別準則和壓降計算方法如下[23-24]。

圖2 垂直圓管氣液兩相流4 種流態(tài)示意圖Fig.2 Diagram of four flow patterns of gas-liquid two-phase flow in vertical pipe

（1）泡狀流

判別準則（流體流速較大）和壓降梯度分別為

（2）段塞流

判別準則和壓降梯度分別為

在已知井口壓力、溫度時，將壓降求解問題轉化為以井口壓力、溫度為邊界條件的常微分方程初值問題，有

氣液兩相流段以Δz為步長，離散為n段，如圖3所示。由Hasan–Kabir 壓降模型與式（10），將第i段段頂的溫度、壓力視作段平均溫度、平均壓力（只要步長合適，誤差可忽略不計）。從井口開始，采用數值方法，分段反復迭代，可求得每段段底的溫度、壓力，最終可求得井底處的壓力，最后，由井底處的壓力與井口壓力之差可得氣液兩相流段壓降。

圖3 氣液兩相流段網格劃分示意圖Fig.3 Diagram of grid division of gas-liquid two-phase flow section

鉆頭壓降的計算公式為[25]

式中：ρ 鉆井液密度，g/cm3；

Q 鉆井液排量，L/s；

C 流量系數，無因次；

de噴嘴當量直徑，cm。

式（11）中，流量系數受噴嘴結構、流體性質等因素影響，通常取0.95～0.98。

3 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)關鍵參數設計

在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井過程中，影響井底壓力的關鍵施工參數有3 個：注氣量、井深及鉆井液排量。以長寧頁巖氣216 井區(qū)某井為例，分析關鍵參數對井底壓力的影響規(guī)律。該平臺所在地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，地表、地下水資源豐富，表層裂縫、溶洞發(fā)育，壓力系數1.0，同平臺已鉆井表層井漏問題嚴重，井身結構數據見表1。

表1 井身結構數據Tab.1 Data of wellbore structure

施工井段為120～360 m。鉆具組合：φ444.5 mm反循環(huán)鉆頭+φ228.6 mm 雙母接頭+φ228.6 mm 無磁鉆鋌×1+φ438.0 mm 穩(wěn)定器+φ228.6 mm 鉆鋌×2+731×630 轉換接頭+φ203.2 mm 鉆鋌×6+631×410 轉換接頭+氣舉閥+φ177.8 mm 鉆鋌×3+φ127.0 mm鉆桿。鉆井液為清水，注入氣體為空氣，地表壓力0.101 MPa，地表溫度20°C，地溫梯度3°C/hm。坍塌壓力當量密度0.85 g/cm3，破裂壓力當量密度1.05 g/cm3。

3.1 注氣量對井底壓力的影響

環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術井底壓力隨注氣量變化的關系曲線如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，隨著注氣量的逐漸增大，井底壓力先降低，然后增大，存在井底壓力最小值，對應的注氣量為臨界注氣量；鉆井液排量越大、井深越深，對應的臨界注氣量越大；相同注氣量條件下，鉆井液排量越大，井深越深，井底壓力越大。

圖4 井底壓力隨注氣量變化的關系曲線圖Fig.4 Effects of gas injection rate on bottom hole pressure

井底壓力隨注氣量變化以臨界注氣量為界可分為兩個區(qū)域，臨界注氣量左邊為靜壓控制區(qū)，右邊為摩阻控制區(qū)。

靜壓控制區(qū)內，井底壓力主要受靜液柱壓力影響，隨注氣量增大，靜液柱壓力急劇減小，井底壓力表現為逐漸降低。摩阻控制區(qū)內，井底壓力主要受流動摩阻影響，注氣量繼續(xù)增大，井底壓力表現為慢慢增大。

在摩阻控制區(qū)內，井底壓力變化較為平穩(wěn)，所以，可在摩阻控制區(qū)內選擇合適的注氣量參數，易于維持井底壓力穩(wěn)定。

當井深300 m、鉆井液排量18 L/s 時，在安全窗口內的摩阻控制區(qū)對應的注氣量是400～450 L/s（圖4a）；鉆井液排量14 L/s，安全窗口內的注氣量是450～500 L/s。結合工程實際，在井深300 m時，推薦鉆井液排量18 L/s、注氣量400～450 L/s。鉆井液排量大有利于反循環(huán)攜帶巖屑，而注氣量小可以減少空壓機使用，降低噪音。

3.2 井深對井底壓力的影響

環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術井底壓力隨井深變化的關系曲線如圖5 所示。

圖5 井底壓力隨井深變化的關系曲線圖Fig.5 Effects of well depth on bottom hole pressure

從圖5 中可以看出，隨著井深的增大，井底壓力呈增大趨勢。在圖5a 中，當注氣量大于臨界注氣量時，不同鉆井液排量下的井底壓力隨井深的增大逐漸增大，各條曲線斜率保持一致，主要是因為注入氣體對井底壓力影響在摩阻控制區(qū)內，壓力變化較為平穩(wěn)，利于井底壓力控制。在圖5b 中，當注氣量在臨界注氣量附近范圍變化時，井底壓力隨井深的增大曲線存在轉折點，先緩慢增大，后快速增大。主要是因為在靜壓控制區(qū)內，隨井深的增大，井底壓力逐漸增大，氣體被急速壓縮后，對井底壓力影響的急速減弱。

所以，在施工過程中想要較為平穩(wěn)地調控井底壓力，所選注氣量一定要大于臨界注氣量。如圖5a中，注氣量400 L/s、鉆井液排量18 L/s 時，安全施工井段為225～300 m。

3.3 鉆井液排量對井底壓力的影響

環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術井底壓力隨鉆井液排量變化的關系曲線如圖6 所示。

圖6 井底壓力與鉆井液排量的關系曲線圖Fig.6 Effects of drilling fluid displacement on bottom hole pressure

從圖6 可以看出，隨著鉆井液排量的增大，井底壓力整體呈增大趨勢。圖6a 中，在井深300 m、注氣量大于臨界注氣量時，不同注氣量條件下的井底壓力隨鉆井液排量的增大逐漸增大，各條曲線上漲梯度基本相同，主要是注入氣體對井底壓力的影響在摩阻控制區(qū)內，所以壓力變化平穩(wěn)，利于井底壓力控制。圖6b 中，當注氣量在臨界注氣量附近變化時，井底壓力隨鉆井液排量的增大曲線存在轉折點，先緩慢增大，后快速增大。主要是因為注入氣體對井底壓力的影響在靜壓控制區(qū)內，隨鉆井液排量的增大，井底壓力逐漸增大，氣體被急速壓縮后，對井底壓力影響的急速減弱。

結合圖4 可知，當井深300 m、鉆井液排量14～20 L/s 時，臨界注氣量為200～250 L/s。在施工過程中想要較為平穩(wěn)地調控井底壓力，所選注氣量一定要大于臨界注氣量。參考圖6a 中井底壓力隨鉆井液排量變化曲線，推薦注氣量為450 L/s，安全施工鉆井液排量為14～19 L/s。

所以，在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井過程中，影響井底壓力的主要參數為注氣量、井深、鉆井液排量。井底壓力的變化規(guī)律為：隨注氣量的增大先減小、后增大，存在極小值，對應的注氣量為臨界注氣量；隨井深的增大而增大，對應注氣量小于臨界注氣量時，井底壓力隨井深增大增長梯度較大，對應注氣量大于臨界注氣量時，井底壓力隨井深增大增長梯度較??；隨鉆井液排量增大而增大，對應注氣量小于臨界注氣量時，井底壓力隨鉆井液排量增大增長梯度較大，對應注氣量大于臨界注氣量時，井底壓力隨井深增大增長梯度較小。

3.4 關鍵施工參數設計

根據以上分析結果，建立二開環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井過程中的關鍵施工參數設計圖版，見圖7。

圖7 關鍵施工參數設計圖版Fig.7 Design chart of key construction parameters

由圖7 分析可知，不同井深條件下，在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井安全窗口內的注氣量和鉆井液排量不同，需要在鉆井過程中，不斷進行注氣量和鉆井液排量調節(jié)，以滿足安全鉆井需求。根據以上分析結果，推薦二開環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井施工參數如表2 所示。

表2 二開環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井關鍵施工參數推薦Tab.2 Recommended parameters of annular aerated gas-lift reverse circulation drilling

4 現場應用

在長寧頁巖氣216 井區(qū)某井進行表層環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井試驗，本次試驗為二開120～360 m井段，按鉆具組合下鉆至120 m，接上頂驅后，先開空壓機反循環(huán)注氣，注氣量18～20 m3/min，待出口有氣液返出后，再緩慢開泵，注入清水，逐漸增大排量至12～13 L/s，順利建立氣舉反循環(huán)，轉盤轉速60 r/min，鉆壓100 kN，開始鉆進。在鉆進過程中，根據關鍵施工參數設計方法在不同井段選擇合理的施工參數，順利完成二開鉆進。試驗共入井兩只反循環(huán)鉆頭，第一只反循環(huán)鉆頭從120 m 鉆至274 m，累計進尺154 m，純鉆時間72.0 h，第二只鉆頭從274 m 鉆進至361 m，累計進尺87 m，純鉆時間36.5 h。試驗共完成進尺241 m，平均機械鉆速2.22 m/h。

與鄰井同井段井漏地層相比，環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術能有效減少表層鉆井漏失，較常規(guī)鉆井工藝技術井漏減少83.6%，且環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術攜屑效果好，攜屑效率達到99.0%，返出巖屑粒徑普遍偏大，如圖8 所示，能有效減少巖屑在井底的重復切削，提高鉆頭使用壽命，井底無沉砂，成井質量高。

圖8 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井返出巖屑Fig.8 Drilling cuttings from gas lift reverse circulation drilling

5 結論

（1）環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術加裝旋轉防噴器、鉆柱旋塞等工具，在鉆井過程中由旋轉防噴器封閉井口環(huán)空，經環(huán)空向井內充氣，實現反循環(huán)鉆井，旋轉防噴器、鉆柱旋塞的應用使環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術具備井控能力。

（2）影響環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井井底壓力的施工參數包括注氣量、井深和鉆井液排量，通過建立井底壓力計算模型，對井底壓力的變化規(guī)律進行了分析：井底壓力隨注氣量的增大先減小、后增大，存在臨界注氣量；井底壓力隨井深增大而增大；井底壓力隨鉆井液排量增大而增大。

（3）環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術關鍵參數為注氣量和鉆井液排量，通過調節(jié)關鍵參數，控制井底壓力。建立了環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井關鍵施工參數圖版設計方法，在安全窗口內，優(yōu)選合理的關鍵施工參數，如井深200～280 m 時，優(yōu)選注氣量為390 L/s，鉆井液排量為16 L/s。

（4）在長寧某井表層成功進行了環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井現場試驗，注氣量范圍300～416 L/s，鉆井液排量范圍13～20 L/s，較常規(guī)鉆井工藝技術井漏減少83.6%。驗證了利用環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術解決頁巖氣表層鉆井井漏問題的可行性，為解決四川長寧頁巖氣表層鉆井井漏問題提供了一種新的技術措施。