页岩气充气泥浆钻井技术充气泥浆钻井是将一定量的气体（空气、氮气、天然气等）连续不断注入泥浆内，使其呈均匀气泡分散于泥浆中，形成充气泥浆。

从井内返出的泥浆经过地面除屑除气后再次注入井内循环。

充气泥浆的密度可根据用用户要求在0.45g/cm3以上进行调整，从而达到防止漏失和防止油气层污染的目的。

其主要优点为：减少钻井液漏失造成对目的层的污染，提高机械钻速，降低钻井成本。

充气钻井液的分散相气体可以是空气、天然气、氮气等气体；连续相可以是各种类型的常规钻井液，也可以是淡水、清洁盐水、地层水、柴油等液体，但作为连续相的钻井液必须是易充气、易脱气且很稳定。

充气钻井液入井前通过调整气、液量来调整钻井液的密度；返出井口后经过地面除气器，气体从充气钻井液中脱离出来，以保证泵的正常上水。

➢充气钻井技术优点⑴在0.55～1.03g/cm 3密度范围内能够通过充气进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层；⑵需要较高静液柱压力（而其它气体系不能产生）的油气藏，可以采用充气钻井液来钻，从而最大程度地降低地层损害；⑶将充气钻井液应用到其它气体体系不能奏效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产出大量水的严重漏失地层，通过调整注气量和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；⑷基液可以是钻井液而不是水，因此可以在钻穿水敏性地层时，维持井眼的稳定性；⑸减少钻具磨损和井下钻具着火的危险；⑹钻井时效高，能大幅提高钻机作业效率；⑺保持较高的PH值用于克服内在的腐蚀损害和对充气钻井液的破坏；⑻消除了着火和灰尘危害，有利于保护环境；⑼可用于任何类型的地层，包括硬地层、软地层、干地层或湿地层，而空气钻井需要干燥的条件；⑽根据压力变化随时调整注液量和基液密度控制井口和井底压力的变化，阻止盐水流入或井喷事故的发生；⑾可采用常规测井和常规固井；⑿易于施工，是费用最低的低压欠平衡钻井技术。

可以利用常规钻井液，成本低，比泡沫类钻井流体节省成本。

因此该技术应用比较广泛。

➢充气钻井技术缺点⏹需要增加气体的注入压力；⏹如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制；⏹不适于高压高产储层；⏹也存在井壁不稳定问题；⏹遇到高压水层会产生技术上的困难。

➢环空气液混合流体特征分析1994年Williams发表了气液混合物两相流流态结构。

液、气经过泡沫发生器的混合基本形成了比较均匀稳定的混合物进入钻具内，其结构为泡状流，是泡而不是泡沫。

充气钻井液属于塑性流体，随着气液比的增加，塑性粘度与动切力增加；随着温度的升高，相同的气液比下的充气钻井液粘度下降，动切力下降。

从井底环空到井口的上返过程中，混合物结构处于动态中变化中，流态为非线性两相流。

随着液柱压力降低、温度的下降，小气泡结为大泡，混合物中气体体积增加，由泡状流变为段塞流，再进一步变为过度流。

井筒中上部为段塞流和过度流段，该井段为流态不稳定区。

混合物到达井筒上部井段，气泡体积更大，形成环状流，流速增加。

过渡流环状流段塞流泡状流环空维持气液混合的极限返速分区液体返速（m/min ）气体上返速度（m ／min ）1.818180180018000180181.8. 18环状流区AABBC泡状流区段塞流区过度流区环空气液两相流分布情况井筒中上部弹状流、涡状流井筒下部泡状流井筒上部环状流环空内气液比、气体百分比随井深的变化地面Q = 91%R = 1.4/1600m Q = 18%1200m Q = 8%1800m Q = 5%2400m Q = 3%300m Q = 58%R = .23/1基液密度： 1.08g/cm 3R = .09/1R = .05/1气体/泥浆比率= 10/1R = .03/1在井深2400米处的混合物中气体体积占3%，到井深600米处气体体积占18%；而井深300米处气体体积急剧变大，气体占58%，由600米到300米气体体积增加了2.22倍；到井口处气体体积占91%，比井底的泡沫体积增加30倍。

3000米的井深1. 0的“基浆”在地面的气液比：25:1 ，泡沫质量为96.15%，此时的泥浆几乎全是气体，密度0.0385;在井底气液比：1:99 ，泥浆密度为0.99，与基液几乎相同。

而气体密度大约为0.37。

T Z T Z P V *11*11*22*22=P V 基本计算公式:式中：P 1——井筒某点压力，Mpa ；P 2——井筒另一点压力，Mpa ；V 1——井筒某点气体体积，m 3；V 2——井筒另一点气体体积，m 3；T 1——井筒某点热力学温度，K;T 1=273℃+t 1，t 1--井筒某点温度，℃；T 2——井筒另一点热力学温度，K 。

T 2=273℃+t 2，t 2--井筒另一点温度，℃；Z 1、Z 2——修正系数。

➢充气钻井液井筒压力计算充气钻井的注气量、注液量、井筒流体柱压力、循环压耗、注入压力（泵压）、当量密度计算与模拟均需要专门软件。

环空井底压力能够通过调整液相密度、注液量和注气量来实现控制。

特别需要指出的是，当注液量一定时，随着注气量的增加，环空压耗增加，因此存在着最佳注气量范围，现场应根据具体情况进行选择。

最好在钻具组合中安装随钻压力检测仪（PWD），实时检测井底压力，判断欠平衡状态，指导施工。

注气量与压力关系(Saponja, 1995)161412108642环空井底压力@21m(MPa)氮气注入量(st m3/min )2010405030最佳点在一定的液体注入量条件下，降低流体密度所需的最小注气量。

摩阻控制区浪费气量比较稳定气体注入量使井底压力增加静液柱压力控制区不稳定压力变化大气体注入减小井底压力注油量@ 200 L/min139.7 mm (5-1/2”) 套管120.7 mm (4-3/4”) 水平井眼最佳注入量当液柱压力所减少的量与环空摩阻增加的量相互平衡抵消时，此时的气体注入量既为最佳注入量（最佳循环点）。

临界值决定于环空几何形状、井深和液体密度。

在设计和钻井过程中，必须确定井眼内是静液柱压力控制状态还是摩阻压力控制状态。

因为增加气体的注入量并不总是使井底压力减少，反而造成因过多的增加气体泵入量，而增加成本。

为了正确地设计、预测对作业的各种限制和控制井底环空压力等，必须考虑地层流体的流入对循环系统的影响。

对各种地层流体的流入进行评价，以确定其对循环系统的影响和对循环系统的各种限制是很重要的，实现必须充分考虑。

在静液柱压力控制状态，气体、液体注入量与井底压力之间的互动关系1.较小的气体注入量或者地层流体流入量的变化将导致较大的井底压力变化；2.地层气体的流入可能导致井底温度的降低，降低（原文为增加）井内的压力梯度，导致更多的地层气体的产生等等。

3.井内气体（注入的/或地层流入井内的）少量的变化可能引起井底压力的急剧变化，井内压力的波动对所有已钻开的地层产生影响，可能导致过平衡或井眼不稳定。

4.在静液柱压力控制状态，液体更容易在环空聚集和滞留，形成段塞流。

在摩阻压力控制状态下1.循环系统更稳定；2.气体注入量的变化引起井底压力波动小；3.在地层气体进入井内时，井内气体量的增加将使井底压力适度的增加，同时也阻止了地层气体向井内的流入。

在摩阻压力控制状态，地层流体向井内的流入得到控制而且进入井内的量最少；4.在摩阻压力控制状态，如果液体注入量较大，则循环系统的稳定性好，可以不必考虑其影响。

液、气注入量对井底压力的影响1614 1210 8 6 4 20 环空井底压力@ 2100m (M P a )氮气注入量( m 3/min)20104050300注入柴油139.7 mm 套管120.7 mm 水平井眼注入油量100 L/min200 L/min300 L/min最佳注入量需要的气体标准量计算图表(After Phillips Pet. Co.)每方泥浆需要的气体量（m 3）钻井深度（米）3228 3.50252118141173006002700300090012001500180021002400设计充气液密度1.200.50.60.05需要降低的密度0.50.360.240.12注气方式钻杆注入寄生管同心套管气体寄生管气体同心管气体钻杆钻杆注气法工艺流程：来自气体注入设备的压缩气体与来自液体注入设备的液体经过混合装置的混合，形成均匀的气液两相流体，通过立管、钻具内、钻头到井筒环空，再经过井口、节流管汇（或直接通过旋转头侧口、排放管线）进入分离系统（或经过密闭循环系统）进行气、液、固分离。

旁通喷射短节☐立管注气☐选择喷嘴大小确定旁通气量☐喷嘴与钻头喷嘴类似工艺特点工艺简单、应用广泛。

缺点是在钻井过程中注气、注液的不连续性（接单根，起下钻等），井底压力会因为摩擦压降消失而降低，其结果导致已钻开的储层的出油量、出气量增加，在钻开的长水平井段后效更加明显，即接一个单根出现一个井口高压单根峰，给井口压力控制和油、气、钻井液的分离带来困难；由于停止循环，钻具内外的钻井液发生液气分离，静液压力剖面发生变化，井筒上部是气，下部是液体。

工艺特点因为井筒内处于“活”的状态，当地层只出油、水时，环空静液柱压力增加。

当重新建立循环后，主要摩擦压降作用在井的下部，而且钻具内下部的液体段塞先被泵入环空，这样就增加了环空液柱压力和流动阻力（ECD 增大），井底出现压力激动，有可能导致出现过平衡。

所以应尽量减少接单根时间，使用顶驱能够部分避免这种情况。

钻柱注气优点总结1.它不需要任何井下辅助工具，因此其基本成本比其它注气方式要低。

2.由于充气流体充满了整个环空，因此获得的井底压力比气体从旁路注入的要低。

3.同一原因，任何特定的井底压力需要的气体注入速度比环空注气的要低。

4.在钻头处有较好的水力学。

钻柱注气缺点总结1.在接单根或起下钻停止循环时，不能实现连续注气，很难维持欠平衡状态。

循环停止时，可以维持欠平衡状态，但不能有效地控制井底压力。

2.由于各种钻柱单流阀使钻柱中的气体有一定压力，因此在接单根或起钻卸压时要花一定的时间，这一操作比钻柱中只有液体时要慢。

3.流过钻柱的是两相流，产生比单相的液流更高的摩擦压力损耗，因此，立压将比环空注气时的高。

接单根时的井底压力变化液柱压力地层压力在接单根之前注入氮气在接单根时形成的压力峰值压力时间时间分钟环空压力︵psi︶地面压力井底压力起钻压力峰值井眼清洗不足井眼发生堵塞地面压力没有增加循环开始出现的大的液体塞段塞流态接单根作业环空摩阻为1.2Mpa井底压力（psi）时间分钟充气钻井过程中井底压力的变化。