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Status Quo of Air Drilling Technology and Improved Methods
Zhao Yanxin
（陕西延长石油（集团）有限责任公司，西安 110015）
（Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Xi'an 110015，China）
摘要： 空气钻井技术作为近年来快速发展起来的一种钻井新工艺，在大幅度提高钻井效率、提高钻井施工队伍经济效益的同时，也存在着井斜控制难度大、地层出水、地层坍塌、井下爆炸等诸多问题。本文主要针对这些现状提出一系列改进措施，以期在实际操作中尽量避免。
Abstract: Air drilling technology has developed rapidly in recent years as a new drilling technology. It dramatically improved the drilling efficiency and increased economic benefits of drilling teams. However, there are many problems such as deviation controlling difficulty, watering out of ground, ground collapse, and underground explosions. Aiming at the above problems, the article puts forward a series of improvement measures, hoping to provide support in practice operation.
【关键词】： 空气钻井 现状 改进方法
Key words: air drilling；the status uo；improving methods
中图分类号：TE2文献标识码：A文章编号：100 -4311（2011）32-0048-02
0引言
空气钻井技术能够避免产油层受到钻井液的污染，有助于提高油井生产能力，并杜绝由于钻井液的大量漏失而造成的不必要的浪费。对于高渗、裂缝性地层以及对入侵液体高度敏感的地层，空气钻井技术是降低钻井液、滤液及固相侵入，防止损害储层的一种有效方法。空气钻井技术是继水平井钻井技术之后迅速发展起来的一门降低成本又增加钻进效率的新技术，与先前的钻井方式相比，空气钻井技术可以使井底岩石受到挤压而凸起，并产生拉应力区，有助于钻头与岩石接触，进而使钻头更容易钻入地层，从而有效的提高钻井的时效。然而，作为一门新的应用技术，世界上各个国家到目前还尚未能研究出更为完善的技术，尤其是在我国，空气钻井技术依然存在着诸多的缺陷。
1空气钻井技术在实际的应用操作过程中，产生了一系列的问题，主要存在以下技术难点
1.1 井斜控制难度大：空气钻井过程中，井斜很难控制，当然，这一技术缺陷在国外也还没有进行深入的研究。目前我国主要采用轻压吊打的方法来控制井斜问题，这一方法最大的缺陷就是钻速慢和易断钻头。对造成井斜现象出现的原因主要有：①空气钻井工具造成的井斜雅规律可掌握，空气锤、空气螺杆等工具的导致的井斜规律尚不清楚，国内外还未对此进行较为系统的研究；②在井斜存在的情况下，如果钻具靠在下井壁上，下井壁的空气流动速度就会变慢，下井壁没有及时被带走的钻屑，就会将钻头“垫”向上井壁，最终导致井斜越来越大；③高流速气体冲击井壁，会导致井径的严重扩大，稳定器也难以发挥应起到的作用。
1.2 地层出水难以避免：钻井过程中，如果没有地层水流入井筒，环空中的钻屑始终是粉尘，在空气足够的情况下，井筒钻屑极易携带。如果地层水流入井眼，浸湿干燥的钻屑，如果进入井眼的地层水较多，钻屑极易结块、堆积，形成井下泥环，导致它附着在井壁和钻具上，最终会出现卡钻、钻具泥包、循环管路被堵等问题，严重的情况下甚至会造成井下着火等工程事故。
1.3 岩石的硬度决定钻井效果：室内试验和钻井实践显示，用气体钻坚硬的岩石层效果最好，而钻软地层效果则差。这就要求人们在钻之前一定要掌握气体与泡沫钻井适应的岩石硬度极值范围。
1.4 井下着火现象极其不容易被发现：井下着火问题的存在是空气钻井技术的极为不利的缺点。天然气或油等烃类物质与空气的混合量达到燃烧极限时，一旦有火源出现，就会引发井下着火。空气钻井作业过程中，假如地层水进入井眼，就会造成钻屑粘糊，致使泥环形成，泥环在井内流动会受到阻力，这样会导致泥环以下的气体温度迅速的升高。在这种情况下即使天然气等烃类物质进入井眼的流速非常低，也有可能会导致可燃的混合物迅速形成。只要组成的混合物达到其燃烧点的范围，压缩本身就能引发燃烧。另外，钻柱与井壁的摩擦以及钻头在钻硬地层时产生的火花也会点燃井下混合气体。由于这种燃烧通常在井眼底部，地面人员难以观察，因此对它的监测相对来说还是会有很大困扰存在。井下着火通常会熔化掉着火点附近的钻具，情况严重者甚至会导致井眼报废，给钻井带来难以估量的损失。
1.5 岩屑迟到时间很难能够准确测量：在空气钻井条件下，井筒中的循环介质主要是气、固两相流。与常规的钻井液相比较，空气具有一定的压缩性，而钻井液的压缩性在计算迟到时间时可以忽略不计，传统的迟到时间经验公式难以适用于空气钻井条件。同时，为了有效提高井筒环空气体的携砂能力，必须具备较大的流速，这也造成了迟到时间较短，不便于对一定井深内迟到时间的计算。
2空气钻井技术的改进方法
2.1 井斜控制问题的解决：空气钻井钻速很快，一旦井斜现象发生，井壁倾斜极快，鉴于此种情况的存在要求我们要一定高度重视空气钻井的防斜问题。目前国外主要采用防斜稳定器组合、防斜滚轮式扶正器等方法来控制井斜。我国则采用弹塑性有限元法通过对岩石的应力分布、破岩趋势以及井斜与地层倾角的变化关系的分析，得出了空气钻井的井斜规律。
2.2 运用岩屑自然伽马录井技术和图像识别技术来识别岩石层，这项技术是近年来的一重大突破。因为这两项技术基本上不受外界因素的干扰，所以能比较真实地反映岩石自身的特点，二者结合使用，更有利于解决空气钻井造成的钻时曲线难以有效利用以及岩屑岩性难以通过人工直接判断的问题。
2.3 地层出水需要采取的主要对策有
2.3.1 在注入空气时还要及时注入泡沫胶液，来使它转换成雾化钻井，来提高其携带能力，如果雾化钻井也使携岩雅法得到满足，就要不断加大注入的泡沫胶液量以及适当的减小空气排量，让它转化为泡沫钻井。
2.3.2 优化泡沫胶液配方，提高泡沫质量，并在其中加入粘土抑制剂，抑制地层中的泥页岩水化膨胀，防止井眼缩径和井壁坍塌。
2.3.3 及时实施短拉，破坏已形成的泥环。空气钻井作业时，若井下出现大量地层水，那么各种工程事故就会接连的出现，可是这并不意味着一发现地层出水现象，就要立刻放弃空气钻井，而是按照出水的多少和地层做总体经济效益评估，如果处理地层水所花费的费用低于采用钻井液钻井，那么仍保持空气钻井方法。
2.3.4 另处还要做好以下工作，以防止出现意外事故。①准备好足够的空气压缩机、增压机。根据所钻井眼尺寸的大小，准备好充足数量的空气压缩机和增压机，以保证空气钻井时对所需要的空气量的供给。于此同时，还要准备齐全雾化泵等相关设备，以备井下出水情况发生时造成的空气钻井能够正常进行，并可以将其及时转化为雾化钻井。②强化对工程工作人员的培训，做到持证上岗。工程实施之前，要对施工现场的相关施工人员进行各项培训，让其对施工步骤、技术手段和安全事项等有进一步全方面的了解和掌握。另一方面，还必须要对现场的操作人员进行消防、井控和QHSE等方面的培训，以确保能做到工程项目的顺利进行以及工作人员的技术水平提高和人身安全。③发现问题及时采取应对措施。进行空气钻井的时候，一旦发现地层出水，应该立刻停止钻井，仔细观察空气排量的循环。在出水量较小的情况下，则应该调低钻速，在探索出较为合理的钻井参数后再继续钻进较为理想。如果出水量比较大，在难以确定空气钻是否能正常钻进时的情况下，需要马上停止空气钻，改成其他的流体钻。④提前做好消防安全工作。为了避免井下事故的发生，保正钻井活动的正常进行，在空气钻井技术的实施过程中，一定要加强对烃类等易燃物质的监控，具体的做法为：1）在距离井场和气体出口处五十米范围以内的空间中严令禁止烟火。2）在施工现场的重要场所，根据空气和泡沫钻井的相关规章制度备好足够的灭火工具，另外额外增加干粉和泡沫灭火机等设备，以备不时之需。3）预先制定好紧急情况出现时的应急处理措施和救援方案，标明安全区和危险区以及人员紧急撤离的安全路线等，来保证危险情况出现后事故处理以及工作人员的安全。⑤入井钻具必须安装两只以上钻具止回阀，一只接在钻头上，另一只接在井口附近的钻柱上。在有条件的井队中，还应在钻铤与钻杆之间装一只井下防火阀。同时，在空气钻井时，每钻进五十至一百米应在钻具上加接一只钻具止回阀。
3结论
当前空气钻井技术主要运用于中低压地层，鉴于我国大部分油田都已处于开采后期的现状，地层压力存在各种不同程度的下降，正是空气钻井技术大显身手之时，再加上近年来大量低渗透油气藏的投入开发，更显出空气钻井技术的优越性，因为空气钻井具有欠平衡钻井的特点，所以对于保护低渗透油气藏来说具有比传统钻井方式明显的优势。同时空气钻井还具有提高机械钻速、避免地层伤害、避免地层漏失等其他特点，但在控制地层压力、地层流体流入能力等方面存在不足。只要充分了解、认识空气钻井技术的优点和缺点，并把其相关的哥特点加以结合，合理的选择应用，并充分利用空气钻井具有的各项技术和经济上的优势，从综合情况而言，空气钻井技术的开发利用必定在我国有着极为广泛的应用前景。
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作者简介：赵延新（1958-），男，陕西延安人，高级工程师，研究方向为石油机械的研究与设计。
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