摘要：空气钻井作为一种新兴的钻井技术，具有钻速高、成本低、环保性好等优势，已在国内外展现出强劲的发展势头。目前，国内外对空气钻井技术的理论研究尚存在很大的局限性，广泛开展空气钻井技术的研究势在必行。在总结国内外现有空气钻井理论研究的基础上，着重分析了空气钻井理论模型的建立、温度场模型的建立、最小注气量的选取以及临界出水量的确定4方面的技术难点；并且从空气钻井理论模型的深入研究、实验手段和计算机科学的应用以及空气钻井配套技术的研究等方面展望了未来空气钻井技术的研究方向。
关键词：空气钻井；理论模型；温度场；注气量；出水量；技术难点；发展前景
0 引言
空气钻井是目前钻速最快的钻井作业方式之一，已展现出强劲的发展势头[1]。据美国能源部统计，截至2000年，30%左右的油气井钻井作业采用了空气钻井技术[1]。我国对空气钻井的研究与应用始于20世纪80年代末，川庆钻探工程公司在全国率先引进了成套的空气钻井设备，建成了专业化的空气钻井公司，先后开展了数十口井的空气钻井技术服务[2]，收到了大幅度提高钻速、有效解决工程难题的良好效果。新疆、大庆、玉门、长庆等油气田也曾先后尝试了空气钻井的现场试验[3～6]。但总的来说，该项技术在我国尚属起步发展阶段，仍受到理论体系不完善、设备不配套、人员不专业等因素的制约，与国外先进水平还有较大差距。
1 主要技术难点及其研究现状
1.1 空气钻井理论模型的研究
空气钻井理论研究的第一个具有里程碑式的人物是D.J.Martin，他于1952年首次提出使用数学方法来预估干空气钻井所需要的气量[7]。尽管他当时提出的模型还过于简单，但是他启发了人们使用数学的方法来解决空气钻井的若干问题。
1957年，Angel[8]提出了计算空气钻井的混合流体均匀流的模型。该模型计算简单、便于应用，是20世纪应用最广泛的空气钻井计算模型。但由于其忽略了在环空中运行较快的气体流与运动较慢的岩屑微粒间的能量损耗，且将井眼近似看成光滑的管壁，同时在计算过程中简单地采用平均温度。因此，Angel模型尚存在着很大的修正空间。Boyun Guo等人[9]引入了Nikuradse摩阻系数计算对Angel模型进行了改进，并将该方法从直井推广到了斜井段和水平井段的情况。
国内方面，苏义脑院士Ⅲ3摒弃了Angel模型中未考虑气体压缩性的假设，依据气体状态方程和质量守恒定律，并代入流体压力、流速、温度的耦合关系，按照牛顿第二定律推导出直井段、弯曲段、稳斜段的压力控制方程，并用迭代法进行求解。蒋宏伟[9]等人利用实际温度代替井筒平均温度，同时用粗糙裸眼井段的摩阻系数代替Weymouth光滑管流动摩阻系数，对Angel模型进行了修正。从理论上讲，这些修正后的模型更符合空气钻井的实际情况。
1.2 空气钻井流体温度场的分析
温度是空气钻井数学计算中最为关键的物理量之一。但是由于目前技术的局限性，计算时大多是将环空流体的温度取同一深度自然地层温度计算，没有考虑空气的热容性及其他影响因素，这必然会给计算结果带来误差。Mitchell[12]提出了将井眼附近地层和井眼内流体的温度耦合在一起来确定环空流体温度，但其分析过程还是以环空流体温度等于自然地层温度为前提进行的，故并未从根本上解决问题，仍具有很大的局限性。
国内方面，苏义脑院士[10]在综合考虑各种影响因素的前提下，给出了空气钻井中流体温度分布的4种可能形式，为后续研究提供了可参考的思路。王存新[13]等人在前人研究的基础上，利用能量守恒原理，考虑了钻柱内流体与环空流体之间热量交换、环空流体与地层之间热量交换以及可压缩流体流过钻头水眼过程的温度变化对环空流体温度的影响，建立了计算井眼内部流体温度的数学模型并进行了求解，取得了较好的效果。
1.3 空气钻井最小注气量的选择
注气量选择的合理与否直接关系到空气钻井的成败。目前国内外关于最小注气量的选择方法主要有3种[14]：①最小动能法，该方法认为若气体能将井底岩屑携带至地面，其具有的动能应不小于以15.24m/s速度流动的空气动能；②最小速度法，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最小井底压力法，该方法认为井底压力越低表明携带岩屑越顺畅。目前，应用最广的仍然是基于Angel模型基础上的最小动能法[7～9]。但由于Angel模型所作的一些必要假设，利用其计算出的注气量一般要小于实际需要的20%～30%。
国内方面，崔之健[15]应用两相流动动力学及气体动力学原理，提出了环空气体举升力最小“关键点”的概念。苏义脑院士[10]在最小速度法的基础上，考虑了环空中过流截面的大小对最小注气量取值的影响，提出了将利用最小速度法计算的井底状况下的最小注气量和钻杆与钻铤交接处的最小注气量中的较大值作为最终选定的最小注气量。柳贡慧教授[16]引入了岩屑重复破碎概念，根据井底和井口岩屑粒径的变化，确定了岩屑重复破碎能耗，并据此对Angel模型进行了修正，得到一种更加准确的确定空气钻井最小气体体积流量的新方法。
1.4 空气钻井临界出水量的确定
地层出水是空气钻井的一个主要障碍。当空气钻井钻遇地层少量出水时，可通过增大注气量的方式继续钻进，但当出水量达到一定值时，必须向雾化钻井或常规钻井液钻井方式转换，这便是空气钻井的临界出水量。目前国内外对于临界出水量的确定仍采用经验数据。国外推荐在地层出水大于2m3/h时就要向雾化钻井转化[1]，国内采用空气钻井时通常的做法则是在地层出水大于5m3/h后转化为雾化钻井[17]。这些经验数据缺乏理论依据，因而在一定程度上必然影响到空气钻井的应用范围。
2 发展前景展望
从以上分析可以看出，空气钻井技术在国内外均有着广阔的发展前景，但其技术的逐步完善尚需时日。笔者认为，国内石油钻井领域的科技工作者应从如下几个方面深入开展空气钻井技术的研究工作：
1) 理论模型是空气钻井研究的基础。应结合流体力学、多相流理论、气体动力学、工程热力学、传热学及物理化学等多种理论基础对空气钻井井筒内及环空内的实际情况进行深入分析研究，建立更为合理准确的数学模型。着重进行环空气体与井壁、钻杆间热传导状况研究、高温高压状态下环空内流体物态变化规律研究以及岩屑颗粒的形状、大小对气体携带岩屑效果影响的研究。
2) 在理论模型研究的基础上，进一步展开空气钻井最小注气量、临界出水量及机械钻速合理选择的方法研究，以用于指导现场施工。
3) 实验是工程技术研究中必不可少的环节。应着眼于空气钻井技术研究的专用实验设备的研制工作，尤其是大型试验台架的设计与加工。通过实验手段进行空气钻井的岩屑运移规律、岩屑对钻具的冲蚀磨损规律以及岩屑吸水膨胀规律的研究。
4) 作为一种高效的计算及信息处理工具，将计算机技术引入空气钻井的研究工作中是必然的趋势。应开发相应的模拟软件对空气钻井的井下压力场、温度场、钻柱受力状况及环空流体相态变化规律进行数值模拟研究，并对井下反馈的信息进行实时的加工处理，从而对空气钻井技术的研究提供重要的辅助作用。
5) 加快开展空气钻井配套技术的研究。主要包括：空气钻井井位及井段优选方法的研究；空气钻井钻头、钻具优选及个性化设计的研究；空气钻井特殊工具的改进研究；随钻测井技术在空气钻井作业中的应用研究等。
参考文献
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[15] 崔之健.计算空气钻井参数的新方法[J].江汉石油学院学报，1996，18(4)：64-68.
[16] 柳贡慧，刘伟.计算空气一氮气钻井最小气体体积流量的新方法[J].石油学报，2008，29(4)：629-632.
[17] 吴仕荣，邓传光，周开吉.空气钻井地层出水限定值的探讨[J].钻采工艺，2006，29(5)：7-8.
(本文作者：翟应虎 李祖光 张旭 中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室)
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