李 黔，張小林 ，李鄭濤，李 娟，代 鋒

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)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(zé)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(shù)低，井漏問題嚴(yán)重，反復(fù)堵漏在降低鉆井效率的同時(shí)，嚴(yán)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(shù)是一種有效的低壓地層控壓鉆井技術(shù)，具有攜屑效率高、消除環(huán)空壓耗、減少井漏等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水井、地?zé)峋?、瓦斯排放井等鉆井領(lǐng)域[3-5]，可以利用氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來解決長寧頁巖氣表層鉆井井漏問題。

學(xué)者們對氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的工藝原理[6-8]、裝備配套[9-11]、施工參數(shù)[12]等方面進(jìn)行了研究，均取得了一定的進(jìn)展。Binkley 等利用雙壁鉆桿氣舉鉆進(jìn)技術(shù)解決了在低于正常靜水壓力的地區(qū)或地層鉆進(jìn)時(shí)的嚴(yán)重井漏問題[13]。Allen 等在英格索蘭公司氣舉經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)之上，考慮了返排鉆井液中巖屑的影響，對注氣量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法進(jìn)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(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，對氣舉提升過程中各參數(shù)之間的相互關(guān)系和注氣量計(jì)算方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為注氣量應(yīng)該依據(jù)鉆井液排量來計(jì)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(yīng)考慮鉆桿直徑影響[15]。王曼青對氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)所需的空壓機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)行了研究，得出了在不同條件下所需注氣量的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(jīng)驗(yàn)公式[17]。耿令強(qiáng)認(rèn)為氣舉反循環(huán)沉沒系數(shù)必須大于0.5 才能順利建立反循環(huán)，且最大鉆進(jìn)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(jìn)行了研究，認(rèn)為影響氣舉反循環(huán)技術(shù)攜屑能力的主要因素包括鉆桿內(nèi)徑、注氣壓力、注氣量、鉆井液密度等[19]。

以往關(guān)于氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)的研究多是針對工程應(yīng)用，對施工參數(shù)的研究尚停留在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段[20-22]，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式確定施工參數(shù)，井底壓力控制并不精確，且常規(guī)氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)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(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shù)，建立了井底壓力計(jì)算模型，分析了關(guān)鍵施工參數(shù)對井底壓力的影響規(guī)律，并建立了與新工藝相適應(yīng)的關(guān)鍵施工參數(shù)設(shè)計(jì)方法。環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)在長寧某井表層成功進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，為應(yīng)用該技術(shù)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(jù)。

1 環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝設(shè)計(jì)

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(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(zhuǎn)防噴器封閉井口，由空壓機(jī)、泥漿泵通過鉆井四通向井筒大環(huán)空同時(shí)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(dòng)，隨著注入壓力的升高，低密度氣液混合流體經(jīng)氣舉閥進(jìn)入鉆桿內(nèi)，頂替氣舉閥上部鉆柱內(nèi)鉆井液，降低鉆柱內(nèi)等效液柱壓力當(dāng)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(nèi)液柱壓力當(dāng)量密度已經(jīng)降低，所以低密度氣液混合流體經(jīng)鉆頭水眼進(jìn)入鉆柱內(nèi)，攜帶巖屑上返出井口，形成反循環(huán)鉆進(jìn)。

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(shè)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(jī)、增壓機(jī)、旋轉(zhuǎn)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(cè)面縫隙進(jìn)入，堵塞水眼；氣舉閥在本體側(cè)壁上集中分布4 個(gè)直徑7 mm 側(cè)孔，環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井啟動(dòng)時(shí)，低密度混合流體經(jīng)側(cè)孔從環(huán)空進(jìn)入鉆柱內(nèi)，頂替上部鉆柱內(nèi)鉆井液，降低鉆柱內(nèi)的液柱壓力當(dāng)量密度；空壓機(jī)提供壓縮空氣，增壓機(jī)在空壓機(jī)注氣壓力不足時(shí)提供更高的注氣壓力；井口安裝旋轉(zhuǎn)防噴器，在環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)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(nèi)防噴工具。所以，環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)工藝技術(shù)具備較強(qiáng)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(jì)算

2.1 模型建立

實(shí)際鉆井過程中流體流動(dòng)模型太復(fù)雜，為將模型簡化，在此作如下假設(shè)。

（1）不考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)對鉆井液流動(dòng)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(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，井底壓力等于鉆柱內(nèi)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(jìn)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(jì)算模型相比，在垂直管多相流壓降計(jì)算過程中，Hasan–Kabir 模型壓降計(jì)算結(jié)果精度較高，滿足工程需求，各流型的判別準(zhǔn)則和壓降計(jì)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(zhǔn)則（流體流速較大）和壓降梯度分別為

（2）段塞流

判別準(zhǔn)則和壓降梯度分別為

在已知井口壓力、溫度時(shí)，將壓降求解問題轉(zhuǎn)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?shù)臏囟?、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(jì)）。從井口開始，采用數(shù)值方法，分段反復(fù)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(wǎng)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(jì)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(shù)，無因次；

de噴嘴當(dāng)量直徑，cm。

式（11）中，流量系數(shù)受噴嘴結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)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(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

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(guān)鍵施工參數(shù)有3 個(gè)：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(guān)鍵參數(shù)對井底壓力的影響規(guī)律。該平臺(tái)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(shù)1.0，同平臺(tái)已鉆井表層井漏問題嚴(yán)重，井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換接頭+φ203.2 mm 鉆鋌×6+631×410 轉(zhuǎn)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(dāng)量密度0.85 g/cm3，破裂壓力當(dāng)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(shù)井底壓力隨注氣量變化的關(guān)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(yīng)的注氣量為臨界注氣量；鉆井液排量越大、井深越深，對應(yīng)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(guān)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(gè)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(nèi)，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(xiàn)為逐漸降低。摩阻控制區(qū)內(nèi)，井底壓力主要受流動(dòng)摩阻影響，注氣量繼續(xù)增大，井底壓力表現(xiàn)為慢慢增大。

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

當(dāng)井深300 m、鉆井液排量18 L/s 時(shí)，在安全窗口內(nèi)的摩阻控制區(qū)對應(yīng)的注氣量是400～450 L/s（圖4a）；鉆井液排量14 L/s，安全窗口內(nèi)的注氣量是450～500 L/s。結(jié)合工程實(shí)際，在井深300 m時(shí)，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(jī)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(shù)井底壓力隨井深變化的關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 井底壓力隨井深變化的關(guān)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(dāng)注氣量大于臨界注氣量時(shí)，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?yàn)樽⑷霘怏w對井底壓力影響在摩阻控制區(qū)內(nèi)，壓力變化較為平穩(wěn)，利于井底壓力控制。在圖5b 中，當(dāng)注氣量在臨界注氣量附近范圍變化時(shí)，井底壓力隨井深的增大曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先緩慢增大，后快速增大。主要是因?yàn)樵陟o壓控制區(qū)內(nèi)，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(diào)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(shí)，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(shù)井底壓力隨鉆井液排量變化的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 井底壓力與鉆井液排量的關(guān)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(shí)，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(nèi)，所以壓力變化平穩(wěn)，利于井底壓力控制。圖6b 中，當(dāng)注氣量在臨界注氣量附近變化時(shí)，井底壓力隨鉆井液排量的增大曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先緩慢增大，后快速增大。主要是因?yàn)樽⑷霘怏w對井底壓力的影響在靜壓控制區(qū)內(nèi)，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(jié)合圖4 可知，當(dāng)井深300 m、鉆井液排量14～20 L/s 時(shí)，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(diào)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(shù)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(yīng)的注氣量為臨界注氣量；隨井深的增大而增大，對應(yīng)注氣量小于臨界注氣量時(shí)，井底壓力隨井深增大增長梯度較大，對應(yīng)注氣量大于臨界注氣量時(shí)，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(yīng)注氣量小于臨界注氣量時(shí)，井底壓力隨鉆井液排量增大增長梯度較大，對應(yīng)注氣量大于臨界注氣量時(shí)，井底壓力隨井深增大增長梯度較小。

3.4 關(guān)鍵施工參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果，建立二開環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井過程中的關(guān)鍵施工參數(shù)設(shè)計(jì)圖版，見圖7。

圖7 關(guān)鍵施工參數(shù)設(shè)計(jì)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(nèi)的注氣量和鉆井液排量不同，需要在鉆井過程中，不斷進(jìn)行注氣量和鉆井液排量調(diào)節(jié)，以滿足安全鉆井需求。根據(jù)以上分析結(jié)果，推薦二開環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井施工參數(shù)如表2 所示。

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

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在長寧頁巖氣216 井區(qū)某井進(jìn)行表層環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井試驗(yàn)，本次試驗(yàn)為二開120～360 m井段，按鉆具組合下鉆至120 m，接上頂驅(qū)后，先開空壓機(jī)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，鉆壓100 kN，開始鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)關(guān)鍵施工參數(shù)設(shè)計(jì)方法在不同井段選擇合理的施工參數(shù)，順利完成二開鉆進(jìn)。試驗(yàn)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(jì)進(jìn)尺154 m，純鉆時(shí)間72.0 h，第二只鉆頭從274 m 鉆進(jìn)至361 m，累計(jì)進(jìn)尺87 m，純鉆時(shí)間36.5 h。試驗(yàn)共完成進(jìn)尺241 m，平均機(jī)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(shù)能有效減少表層鉆井漏失，較常規(guī)鉆井工藝技術(shù)井漏減少83.6%，且環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)攜屑效果好，攜屑效率達(dá)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(fù)切削，提高鉆頭使用壽命，井底無沉砂，成井質(zhì)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(jié)論

（1）環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術(shù)加裝旋轉(zhuǎn)防噴器、鉆柱旋塞等工具，在鉆井過程中由旋轉(zhuǎn)防噴器封閉井口環(huán)空，經(jīng)環(huán)空向井內(nèi)充氣，實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆井，旋轉(zhuǎn)防噴器、鉆柱旋塞的應(yīng)用使環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井工藝技術(shù)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(shù)包括注氣量、井深和鉆井液排量，通過建立井底壓力計(jì)算模型，對井底壓力的變化規(guī)律進(jìn)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(shù)關(guān)鍵參數(shù)為注氣量和鉆井液排量，通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)，控制井底壓力。建立了環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井關(guān)鍵施工參數(shù)圖版設(shè)計(jì)方法，在安全窗口內(nèi)，優(yōu)選合理的關(guān)鍵施工參數(shù)，如井深200～280 m 時(shí)，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(jìn)行了環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井現(xiàn)場試驗(yàn)，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(shù)井漏減少83.6%。驗(yàn)證了利用環(huán)空注氣氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)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(shù)措施。