气体循环钻井动态流动理论及携岩能力研究

气体循环钻井属于闭环钻井方式，相比于常规气体钻井工艺具有其特殊性和复杂性，且由于该项技术在国内外的研究刚刚起步，还存在诸多理论和实践问题需要研究解决。项目拟采用理论研究与实验分析相结合的方式，从循环钻井动态P-V-H(压力、流速、井深) 分布研究入手，建立循环钻井动态模型，针对循环钻井工艺特点，开展循环钻井动态流动理论研究，并在此基础上开展循环钻井气体携岩理论研究；深入分析变质量流动对气体携岩能力的影响；形成完整的气体循环钻井理论模型及分析计算方法，为气体循环钻井工艺技术的推广提供理论支撑和指导。通过上述内容的研究，本项目将建立封闭循环气体钻井动态流动理论，并在此基础上，建立循环钻井气体携岩理论和分析方法。本项的特色主要表现在（1）建立复杂结构下气体闭环循环动态压力、流速的分布理论；（2）建立复杂压力变化条件下的携岩理论和分析方法及循环钻井井筒合理气量的理论计算模型。

本项目在大量的文献调研及现场实验的基础上，对气体钻井做了系统的研究。与常规泥浆相比，气体作为循环介质的最大不同就其压缩性和低密度。因此，成熟应用于泥浆钻井的水力学设计已不再适用于气体钻井。传统气体钻井环空流动规律的计算是基于混相流模型。基于气固两相流理论，建立了气体钻井环空流动模型，得到了满足携岩的最优注气量，并分析了不同参数对最优注气量的影响，结果显示不同粒径的配比对最优注气量的影响较大。这说明传统理论计算最小注气量有着明显的误差。根据所建模型，结合相应的数学解法，开发了一套针对不同目标的气体钻井设计程序。气体钻井的本质就是利用高速的气流进行携岩。在这一过程中，不可避免的要与钻柱和井壁之间发生碰撞破碎，使得岩屑颗粒在井筒中的分布并不是一成不变的。本研究阐述了岩屑上返过程的破碎—输运机理，用理论与实验相结合的方式，证明了这一机理的正确性。并结合破碎动力学的相应原理，建立了气体钻井岩屑粒度分布模型。针对气体循环钻井技术而言，其主要工艺特点就是井口返出的携岩气体不直接进行放空，而是经过分离过滤系统进行净化后，清洁的气体从新回注到井筒，从而进行循环钻进。针对此项技术的工艺特点，结合定质量气体循环钻进H-Q-E(井深-排量-动能)的分析方法，出了气体循环钻井定质量气体延伸极限的概念并对其进行了分析，根据分析结果制定了两种补气方案。在井筒气量过多的时候会引起压缩机的憋停，在气量不足的时候会引起压缩机的喘振。针对此种现象，着重研究了井筒气量控制技术以供现场指导。