气体钻井过程所需注气量是关系到气体钻井成败的重要参数。 目前计算气体钻井所需注气量的３ 种方法各有不足 ，根据这些方法得出的计算结果与现实情况都有差异 ，有时差异还很大。 为了准确计算气体钻井 所需注气量 ，应对影响气体钻井注气量的因素进行深入研究并对现有计算方法进行改进。
经过对现有方法的分 析 ，建议应从以下几个方面进行深入研究 ：① 建立准确计算气体钻井时环空流体温度的模型以确定温度对注气量 的影响 ；② 应用气液两相流理论分析气体携水能力 ，以确定地层出水时气体钻井所需注气量 ；③ 钻屑直径对气体钻 井所需注气量的影响 ；④ 气体钻井所需注气量与井斜角的关系 ；⑤ 对“关键点”处钻具外形进行优化设计以改善该 处气体的携岩能力。
主题词　 钻井　 注气　 欠平衡钻井　 气体钻井　 钻井参数　 井斜控制 　 　 从２０ 世纪９０ 年代开始 ，世界范围内油气勘探 开发从整装大油气田、高压和常规压力、中高渗均质 砂岩等良好勘探开发条件转移到了复杂中小油气 田、断块油气田、薄油层、低压低渗低产能油气田等 恶劣的勘探开发条件 ，这种形势迫使勘探开发必须 要有新的思路和方法 ，同时由于非封固完井的水平 井数量增多 ，强化了对防止储层伤害的关注。
欠平 衡钻井技术所具有的特点恰好适应了这种需求 ，从 而成为当前钻井技术中的一大发展热点。 气体钻井 技术作为欠平衡钻井技术的一个分支 ，因其钻速快、 成本低和对储层伤害低的显著特点更是倍受人们关 注。 但在利用气体作为循环介质进行钻井时 ，需要 多大的注气量才能将钻进过程中钻头破坏岩石产生 的岩屑和流入井筒中的地层水顺利带至地面 ，是关 系到能否成功钻进的关键。
一、气体钻井注气量计算方法分类 　 　 利用气体作为钻井循环介质 ，要求气体能把井 底钻头破碎岩石所产生的岩屑携带至地面 ，而注气 量是一个至关重要的参数。 关于气体钻井注气量的 计算方法主要有３ 种 〔１〕 ：① *小动能法。 该方法是 将气体和固体岩屑颗粒看作是均相混合流体 ，忽略 了固体颗粒之间以及固体颗粒与气体之间的相互作 用。
根据矿场气体钻井的经验 ，该法认为若气体能 将井底产生的岩屑携带至地面 ，其具有的动能应该 不小于以１５ ．２４ｍ／ｓ 速度流动的空气动能。 ② *小 速度法。 该方法考虑了岩屑颗粒和气体之间的相互 作用 ，认为气体要将固体颗粒携带出地面 ，则气流的 速度要大于固体颗粒的终了沉降速度。
③ *小井底 压力法。 Ｓｕｐｏｎ 和Ａｄｅｗｕｍｉ 〔２〕 发现在环空井眼的压 力损失与空气的流速之间并不是单调关系 ，而是存 在一个使环空压降*小的流速值。 基于这个发现 ， 出现了求取环空压降*小的*优气体流速的方法 ， 从而确定*优注气量。
该方法以提高机械钻速为主 要目的。 二、研究进展及现状 　 　 使用气体作为循环介质进行油气钻井 ，*早始 于２０ 世纪２０ 年代。 １９３５ 年 ，在美国的得克萨斯州 使用反循环技术利用管道天然气钻成了一口天然气 井。 Ｍａｒｔｉｎ 于１９５２ 年和 １９５３ 年在 Ｈｕｇｈｅｓ Ｅｎｇｒ ． Ｂｕｌｌ ．杂志上先后发表了两篇关于气体钻井所需*小 注气量的文章。
在这两篇文章中 Ｍａｒｔｉｎ 利用气体 在水平光滑管中流动的Ｗｅｙｍｏｕｔｈ 公式推导出了气 体钻井过程中所需*小注气量的计算公式。 但用 Ｍａｒｔｉｎ 的公式算出的结果比实际值要小得多 ，尤其 99 １ 99 第２６ 卷第１２ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 天　 然　 气　 工　 业　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 钻 井 工 程 是随着钻速或井深增加时这种差值会逐渐增大 ，其 原因是Ｍａｒｔｉｎ 在推导过程中没有考虑钻速和地温 变化对所需气量的影响。
１９５７ 年 ，Ａｎｇｅｌ 〔３〕 在 Ｍａｒ‐ ｔｉｎ 方法的基础上提出了计算注气量的经典公式 ，在 推导其公式的过程中 ，Ａｎｇｅｌ 使用了如下假设 ：① 气 体在环空中是稳定流动 ；② 岩屑与气流以相同的速 度在环空中上返（忽略了在环空中运行较快的气流 与运动较慢的岩屑颗粒间的相互作用以及固体颗粒 之间的相互作用 ，即气流— 固体颗粒为均相混合流 体） ；③ 环空中气流流动的动能不小于以１５ ．２４ ｍ／ｓ 速度流动的情况下的空气动能。
　 　 ２０ 世纪８０ 年代之前虽然也有很多学者对气体 钻井的注气量计算进行过研究 ，但因他们的方法计 算过于烦琐而没能得到广泛应用。 当时被人们广泛 使用的是 Ａｎｇｅｌ 的计算方法和图表 ，因为它具有计 算简单、便于现场应用的优点。 但是随着现场的应 用 ，人们发现使用 Ａｎｇｅｌ 的方法得出的结果要比现 场实际数据低２５％ 甚至更多 ，表１ 是我国新疆石油 管理局进行气体钻井试验的一些现场数据 ，很好地 说明了这一点 。
进入８０年代后更多的学者和研究 表１ 　 空气（雾化）钻井实验井注气量对比表 〔４〕 井　 号 空气（雾化）钻井参数 空气注入量（ｍ ３ ／ｍｉｎ） 井深 （ｍ） 井径 （ｍｍ） 钻速 （ｍ／ｈ） ＡＮＧＥＬ 模型 ＰＵＯＮ 模型 实际 数据 Ｘ１０２３ ǐ １４０７ ～ １５１２ 　 ２１６ ｓ １４ ． ．５８ ＜ ３５ 珑 ＜ ３７ 〔 ７５ ｒ 乌２４ 枣 １６２６ ～ ２１０７ 　 ２１６ ｓ ２２ ． ．７０ ３６ ～ ３８  ３７ ～ ３９ 墘 ７５ ｒ 百１８４１ 排 １７６３ ～ ２１８１ 　 ２１６ ｓ １８ ． ．２８ ３７ ～ ３９  ３８ ～ ４０ 墘 ７５ ｒ １６７１ 媪 ９８５ ～ １１４７ 妸 ２１６ ｓ １４ ． ．５９ ＜ ３３ 珑 ＜ ３７ 〔 ７５ ｒ 小组开始研究更准确和便于现场应用的公式。
对应 于前面的３ 种气体钻井注气量计算方法 ，这些学者 和研究小组中有代表性的分别为 ：Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 〔５〕 （*小 速度法） 、Ｓｈｉｆｅｎｇ Ｔｉａｎ 〔６〕 （*小井底压力法）和 Ｂｏｙ‐ ｕｎ Ｇｕｏ 〔７〕 （*小动能法） 。
这些学者和研究小组得出 的研究成果和结论为 ：① １９８２ 年 ，在美国能源部和美 国Ｓａｎｄｉａ 国家实验室的资助下 ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｆ ，Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 等人开发了井眼温度模拟器ＧＥＯＴＥＭＰ２ ，该模拟器 能够模拟气体钻井过程中的井眼温度分布情况。
在 模拟计算井眼温度前 ，需要计算确定气体钻井过程 中的气体注入量和环空中流体流动的压力、速度等 流动参数。 在计算气体所需注入量时 ，Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 提 出将地层和井眼温度耦合在一起来确定气体注入 量。 ② 基于 Ｓｕｐｏｎ 和 Ａｄｅｗｕｍｉ 的发现 ，Ｓｈｉｆｅｎｇ Ｔｉａｎ 等人将气体钻井过程中的循环系统分为３ 个部 分 ：通过钻柱内部向下的单相气体流动 ；通过钻头喷 嘴的单相气体流动 ；通过井眼环空的携屑气体流动 ， 并对这 ３ 部分分别建立了数学模型 ，以求解对应于 *小井底压力的*优气体流速 ，从而确定*优注气 量。
③ Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ 认为Ａｎｇｅｌ 的不足在于在推导公 式的时候应用了光滑管流的 Ｗｅｙｍｏｕｔｈ 摩擦系数 ， 这与裸眼井段的实际情况有很大偏差。 故 Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ 引入 Ｆａｎｎｉｎｇ 摩擦系数对Ａｎｇｅｌ 的公式进行了 改进 ，并将该法从直井推广到了有斜井段和水平井 段的情况。
　 　 国内对气体钻井注气量的研究 ，崔之健 〔８〕 针对 气体钻井中携岩“关键点”进行了分析和讨论 ，并提 出了一个新的气体注入量计算公式。 三、结　 论 　 　 现有计算方法中 ，大多将环空流体的温度取未 受干扰的地层温度或者取环空流体的平均温度进行 计算 ，而气体的体积和压力特性参数对温度是敏感 的 ，故应对环空中气流的温度进行准确计算 。
Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 虽在文献〔５〕中提出将地层和井眼温度耦 合在一起来确定环空流体温度从而确定注气量 ，但 其分析过程还是以环空流体温度等于地层温度来进 行的 ，没有给出将地层和井眼温度耦合在一起的分 析过程和计算模型。 关于地层出水时气体注入量的 计算 ，现有方法都是将地层水重量换算成相应的岩 屑重量来计算地层水对井内压力等参数的影响 ，进 而确定地层水对注气量的影响。
这种处理是将井眼 环空中流体的气液固多相流动简化成为了气固流动 情况 ，没有将地层水作为液相的这一实际物理特性 反映出来 ，与现实情况不符。 岩屑颗粒尺寸是影响 注气量的一个重要因素 ，但在上述方法中岩屑颗粒 直径取值的看法没有一致意见。 Ｍｉｔｃｈｅｌｌ 建议岩屑 颗粒直径取３／８〃（约 １ ｃｍ） ，Ｓｈｉｆｅｎｇ Ｔｉａｎ 则将固体 颗粒按照直径范围进行分组 ，每一组作为一相来处 理。
而据文献〔９〕 ，大直径颗粒（即使它的体积百分 比很小）对气体注入量起主要作用。 在井底产生的 岩屑颗粒直径为１３ ～ ２５ ｍｍ 〔４〕 。 因此 ，计算气体注 入量时颗粒直径取值还需深入研究。 井斜对注气量 也有很大影响 〔１０〕 ，这是因为在气体注入量相同的情 况下 ，斜井和水平井中气固（或气固液）多相流流型 和垂直井内的流型有所不同 〔１１‐１２〕 ，气流携带岩屑的 机理也就不同 ，这就需要建立与之相适应的模型来 描述。
而Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ 将其计算公式由垂直井推广到 斜井和水平井时 ，没有考虑这种不同 ，只是在原直井 99 ２ 99 钻 井 工 程 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 天　 然　 气　 工　 业　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２００６ 年１２ 月 计算公式中加入了井斜角参数。
因此 ，将 Ｂｏｙｕｎ Ｇｕｏ 的计算公式应用在大斜度井和水平井时 ，计算 结果与实际值会有较大的误差。 气体钻井中携岩 “关键点”出现的原因是因为环空面积的突变引起 的 ，应针对这种情况对该处钻具外形进行优化设计 ， 以改善“关键点”处气体的携岩能力。
据上述分析 ， 今后对气体钻井注气量进行深入研究的重点为以下 几点。 　 　 （１）对气体在井筒内流动的温度变化做准确计 算 ，以准确确定温度对注气量的影响。 　 　 （２）在遇有地层出水时 ，应将液相作为实际的流 体来计算所需注气量 ，这就需要引入气液和气液固 多相流的相关理论对井眼内的流体流动情况进行研 究。
　 　 （３）对颗粒直径大小取值和它对注气量的影响 应作深入研究。 　 　 （４）对斜井和水平井中气液和气固液多相流动 情况做进一步研究 ，以解决用气体钻斜井和水平井 时的注气量计算问题。 　 　 （５）对气体钻井携岩“关键点”产生的机理进行 研究 ，通过对该处的钻具外形进行优化设计以改善 “关键点”处的气体携岩能力。