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充气欠平衡钻井钻井的分类及优缺点[4] 用于充气钻井作业的钻柱和井身结构有几套。按气体注入方式，一般可分为两种：钻杆注入和环空注入。 （1）钻杆注入 图5时钻杆注入充气钻井结构示意图。在此结构里，不可压缩流体和压缩气体一起注入钻杆的顶端，这两种流体沿钻杆内而下，在通过钻头喷嘴时就会混合在一起。当混合流体流入井底环空时，岩屑（来自钻头钻进）混入，最后，混合流由环空返回地面，混合流从环空出来，进入一根水平管线，此水平管线通向常规的敞口式泥浆罐。当返回的气体中含有污染的流体、气体或烃时，就选用密封的回流罐。 图5 钻杆注入充气钻井示意图 为了使钻柱内的混合液流到钻头，做法是，在钻铤上安装一个喷射接头，使两相流动过钻铤之前，大部分压缩气体可从钻柱内直接流入到环空。图2是装有喷射接头的钻柱注入充气钻井结构示意图。喷射钻头钻柱注入技术，通常用于深井充气钻井作业中，因为，在深井底部，通常用小直径钻头和相应的小直径钻铤来钻井。就像气泡能提供对付漏失层的抑制性机理一样，当充气液流经小内径的钻铤出口时，充气液中泡沫的表面张力会产生很高的管内摩阻。增加的这个流动阻力，无法用均质流体试验中得到的常规摩擦系数来模拟。因此，为了减少循环泵压，把喷射接头安装在钻铤以上的钻杆段中。通常，喷射钻头安装在钻杆和钻铤结合处之前，喷射钻头水眼的尺寸要足以使压缩气体排入到环空中。 当用充气钻柱注入技术钻穿漏失层时，不可压缩钻井液以恒定的体积流量循环通过钻柱顶端。不可压缩钻井液的实际流量，就是能充分清洁井底环空并携带岩屑的流量。注入可压缩气体的体积流量，是在现场经过试算确定的。气体体积流量逐渐增加直至钻井液漏失量减少或消除。欠平衡钻井作业要求，在钻头钻进和井加深的过程中，保持一个恒定的境地压力。为达到这一目标，需要钻井液以恒定体积流量注入钻柱内部。不可压缩钻井液的实际体积流量，就是能充分清洁井底环空并携带岩屑的流量。为了维持基本恒定的井底环空压力，注入压缩气体的体积流量，必须随井深的增加而增加。 （2）环空注入 环空注入的充气钻井结构可用寄生油管柱钻井、寄生套管钻井或直接完井钻井，不可压缩的钻井液注入钻柱，压缩气体由环空注入，这种充气技术也是用于减少环空裸眼段的钻井液压力。在早期充气钻井中，此项技术用于消除地层裂缝（和钻井液可能的漏失）的威胁。而最近，这种技术已用于受限的欠平衡钻井作业中（通常在寄生套管钻井或直接完井钻井结构中使用）。 图6 寄生管充气钻井示意图 图6为寄生油管充气的示意图。这种结构是通过把小直径的油管柱固定在裸眼段上面的套管柱外边来实现的。带有寄生油管的套管柱，按正常工序下入并封固在井里。在同安馆周围注入水泥时，要注意保持油管管线的畅通和清洁。水泥凝固后，不可压缩的钻井液会直接从钻柱内向下流至钻头，经钻头通过环空上返地面。在不可压缩钻井液循环的过程中，压缩气体被注入到油管柱顶端，然后从油管柱底部的出口处进入环空。这样，不可压缩钻井液就从油管柱的环空出口到井口得到充气。 可以替代寄生油管柱的另一种环空注入技术是同心管充气，如图7。在最后一层封固的套管环空内，临时悬挂一个套管柱。这项技术和上面的寄生油管柱技术效果相同。 图7 同心管充气钻井示意图 （3）钻杆注入和环空注入的优缺点对比 钻杆注入技术的优缺点： 优点： ①不需要其他附加的井底设备，因此，比环空注入技术节省成本； ②整个环空中几乎都充满充气液，相对于环空注入技术而言，可得到较低的井底压力； ③因为气体被注入到环空底部或接近底部，所以要达到设定井底压力所需要的气体体积流量比使用环空注入小； 缺点： ①接单根和起下钻作业，循环不能继续时，不可压缩钻井液的充气过程就不能继续，因此难于维持欠平衡钻井作业。 ②由于注入气体在钻柱内的压力作用下，被钻柱内各种流体所阻碍，当接单根和起下钻时，必须有足够时间进行排气，排气过程再度增加了维持恒定井底压力的难度。 ③沿钻柱内向下的流动是两相流，因此，存在较高的壁面摩阻损失，导致注入时泵和压缩机压力很高。 ④充气液中的气相会减弱常规的MWD系统的脉冲，因此，不能使用常规的泥浆脉冲MWD测量。 环空注入技术的优缺点： 优点： ①在接单根和起下钻时，在环空气体入口以上位置，不可压缩钻井液的充气过程可以继续进行。 ②沿钻柱内向下的流动是单相流，因此，在钻定向井作业时，可以使用常规的泥浆脉冲MWD。 ③相比于正循环（到钻头）充气钻井作业所需要的压力，维持注入流动的压缩机压力通常很低。 缺点： ①因为寄生油管或临时套管安装在境内固定位置，所以，充气技术不如钻杆注入技术灵活。 ②开始将气体注入环空，需要很高的压缩机压力。 ③由于气体被注入到环空底部之上的一个固定位置，因此，同钻柱注入技术相比，需要更高的气体体积流量以维持恒定的井底压力。