气体钻井技术基础研究

气体钻井以气体循环介质替代传统液体循环介质，能够大幅度提高机械钻速和单井产量、有效保护储层和防止井漏等井下事故发生，是我国高效勘探开发"低品位油气资源"和"深层油气资源"的一项具有广泛应用前景的新技术。由于缺乏系统深入的基础研究，国内外现有气体钻井技术无力解决"气体钻井怕水"和"气体钻特殊轨迹井能力差"这两大技术瓶颈问题，导致目前气体钻井经常出现井眼清洁困难、井壁坍塌、钻具失效等事故发生，严重制约着我国气体钻井技术的推广应用。本项目拟通过开展出水条件下的泥页岩水化和井壁失稳机理研究，建立地层出水引起泥页岩地层失稳的评价模型及预测方法；通过开展气体钻井井筒气液固复杂多相流和携岩携水规律研究，揭示岩屑运移与井眼净化规律；通过建立气体钻特殊轨迹井钻柱系统动力学模型，找到气体钻井钻柱振动规律和井眼轨迹控制方法。最终形成一套气体钻井技术的理论体系，为解决气体钻井中的技术瓶颈和推广应用奠定理论基础。

针对“气体钻井怕水”和“气体钻特殊轨迹井能力差”两大技术瓶颈，项目组开展了大量研究，开展了以下三个方面的研究: 研究了气体钻井地层出水后的井壁稳定性，分析了泥岩黏土矿物表面水化动态规律及其对黏土晶层膨胀的影响。建立了描述泥岩水化对岩石力学参数影响的岩石水化反应模型。提出了气体钻井井壁稳定评价方法，并对不同工况下的气体钻井井壁稳定性进行了系统研究。开发并建立了产层气体钻井随钻安全监测系统。在地层出水后以及特殊轨迹井井眼净化问题研究方面，项目组建立了地层出水量定量预测模型，研究了干燥和湿润岩屑颗粒的碰撞、聚并和分散机理。基于理论分析和岩屑运移可视化实验，建立了气体钻水平井井眼净化模型。同时针对气体钻井环空堵塞问题开展了堵塞解除压力的实验研究。最后通过大量数值模拟，分析了注气量、岩屑粒径、岩屑外形、钻杆转速和钻杆偏心距离对水平段岩屑运移的影响，并设计了一套气体钻水平井井眼净化工具以增强井眼净化效率。在气体钻特殊轨迹井钻柱动力学问题方面，项目组搭建了气体钻井水平井摩擦系数测试平台和气体钻水平井实验台架，开展了大量实验测试。基于转子动力学与Hamilton原理建立了气体钻井钻柱系统动力学模型。同时还建立了气体钻水平井的极限延伸能力预测模型，并设计了两种适用于气体钻水平井的减摩工具、提出了基于摩阻最小的井眼轨迹最优化设计理论。通过以上研究，研究成果形成了国家领先的气体钻井理论体系，并在在塔里木油田和华北油田开展了现场应用，取得了明显的提速增产效果。这为深层油气资源勘探开发中的深井提速和大规模低品位油气资源勘探开发中的增产增效奠定了理论基础。