定向钻探技术研究.pdf

1、 “百人计划”研究工作总结报告 研究项目名称：干旱缺水 区域定向钻探技术研究 受 资 助 人：向军文 所 在 单 位：中国地质科学院勘探技术研究所 起 止 时 间：2003-2008 国土资源部 二 00 八年十月 1目 录 一、研究领域及资助研究项目概况 .3 （一）项目研究领域 .3 （二）研究项目概况 .4 二、研究领域国内外发展趋势和前沿 .7 2.1 国内研究现状 .8 2.1.1 关于空气钻井提高钻速机理的研究 9 2.1.2 关于空气钻井参数的研究 .9 2.1.3 关于空气钻井循环系统的研究 .10 2.1.4 关于空气定向钻井特性及工艺的研究 10 2.1.5 关于空气定向钻

2、井井底马达的研究 10 2.2 国外研究现状 .11 2.2.1 国外空气钻井的进展 .11 2.2.2 国外空气钻井的工艺参数研究进展 11 2.2.3 国外空气定向钻井马达的研究 .12 2.2.4 国外空气定向钻井定向测量系统 .14 三、研究工作总结 .15 3.1 小直径空气定向钻井螺杆马达的研究 .15 3.1.1 小直径空气定向钻井螺杆马达设计基本原则 15 3.1.2 小直径空气定向钻井螺杆马达设计方法 16 3.1.3 空气螺杆马达结构设计 .22 3.1.4 空气螺杆马达试验 .23 3.1.5 本章小结 .24 3.2 空气定向钻井实验研究 .24 3.2.1 空气定向钻

3、井实验 .24 3.2.2 实验系统 .25 3.2.3 实验过程及初始数据 .27 3.2.4 实验现象及解释 .37 3.3 数据处理 .46 23.3.1 环空压差数据处理 .46 3.3.2 模拟钻具组合管路中压力测试数据处理 50 3.3.3 混合物料在不同鉆速条件下环空压差测试数据处理 52 3.3.4 气固两相流沿环空管路压力损失测试数据处理 52 3.3.5 不同固体质量流量下气体注入流速测试数据处理 53 3.4 实验结果总结 .54 3.5 空气定向钻井设计与计算研究 .56 3.5.1 空气定向钻井设计 .57 3.5.2 设计前提 .57 3.5.3 环空中压力计算 .

4、58 3.5.4 钻头喷嘴压力计算 .60 3.5.5 钻杆循环内部压力计算 .61 3.6 设计计算实例 .63 3.6.1 设计流程编制 .63 3.6.2 设计实例 .64 3.7 设计总结 .66 3一、研究领域及资助研究项目概况 （一）项目研究领域 本项目研究领域：矿产勘探开发应用中的气体定向钻进技术。 气体钻井是以气体作为循环介质代替钻井液的钻井技术。气体钻井起源于 50 年代，分为空气钻井、充气钻井和泡沫钻井。第一发展高峰始于 60 年代初至 80 年代，实际上受油价，投资，转移，市场心理因素的影响，期间出现相应的跌谷和颠峰；第二个发展期始于93 年，当时的主要目的是在满足新形势

5、下勘探开发需求情况下，力求打快、打好、降低成本。 1953 年，美国的 EIpaso 天然气公司首次利用空气作钻井液在犹他州成功地钻成了第一口油气井。 自那时起，利用空气或天然气进行油气井钻探的方法在全球范围得到广泛应用，采用空气和天然气钻井技术已能钻达 5000m 的深度。气体钻井技术在国外（特别是加拿大、美国）已得到广泛应用。 我国幅员辽阔，矿产资源十分丰富，全国已探明的矿产资源约占世界的 12%，居世界第三位，但是我国目前人均矿产资源少，只有世界人均占有量的 58%，居世界第 53 位。在我国东部发达地区及矿产资源易开采地区， 一些矿种已日趋紧张， 一些老矿山资源枯竭。1994 年至20

6、00年 45 种主要矿产保有储量出现负增长的矿种已达2627 种，连续三年减少的矿种有 14 种。为适应国家可持续发展战略和西部大开发战略，我国矿业学家及地质学家提出了西部大开发、东部大挖潜的找矿战略。无论是我国西部及边远、高山及缺水地区找矿勘探， 还是东部地区废旧矿山周围深部挖潜找矿勘探工作， 除了利用地质、 物化探、航遥等先进技术手段外，均需先进的钻探取心技术手段。近年来，我国钻探界已研究成功了多工艺空气钻进技术，已在干旱缺水地区做出了较大的贡献。 但是针对干旱缺水地区的空气定向钻探技术的研究尚未进行，而在实施矿产资源勘探时， 不可避免地发生钻孔的孔斜，及如何在钻探施工中节约钻探工作量等一

7、系列问题，解决这些问题有时需要采用空气定向钻探技术及多分枝孔钻探技术进行施工。 目前，我国的定向钻进技术所采用的动力钻具均为液动动力钻具，该技术已相继应用到石油及天然气勘探、煤田、地热、地勘、冶金、水电、核工业等领域，为我国国民经济的发展已做出了重大贡献。在一些严重干旱缺水地区，可以说是水贵于油的地区施工时，钻探生产成本相当高，而且极不方便；在地形复杂地区实施钻探时，也因布井场地限制等4原因，或者施工成本等问题，致使一些钻探工作受阻。 同时，空气定向钻井技术还可应用于煤层气开发利用，煤炭地下气化工程及一些特殊领域中。因此，为了更好地满足国民经济和社会发展的需要，急需研制适应于干旱缺水地区的定向

8、钻探机器具及定向控制钻进技术。 空气定向钻井是以空气（或天然气）做了循环介质的，很适合严重漏失地层和缺水地区。并可减少了对油气层的损害，且机械钻速高，钻井成本显著降低。为此，国内外都非常重视该技术的研究与推广。与泥浆钻井相比，空气定向钻井可以提高钻速 3-4倍，而所用钻头数目仅为泥浆钻井的1/2-1/4。 （二）研究项目概况 该项目自2002年年底开展工作以来，按项目进度要求完成相应工作量。 按照合同要求，该项目2002年年底至2003年 10 月完成资料收集及空气螺杆马达设计研究；2003 年年底前完成空气螺杆马达实验研究；中间自 2004年后因负责承担土耳其30对对接采天然碱钻井工程，一直

9、到 2007 年三月全部按期顺利完成后，才继续进行相关研究工作。2007年年底前完成空气定向钻井循环系统初步研究，2008 年 4月完成空气定向钻井实验研究。 在项目前期，因空气定向钻进技术为定向钻进前沿技术，以前认识也不足，主要完成了资料收集整理研究。 截止 2003 年年底，采用本项目设计加工的空气定向钻井螺杆马达，利用已有的 GBS35 型钻机进行了钻井模拟实验，对空气螺杆马达作适当的改进，摸索空气螺杆马达与泥浆螺杆马达不同的规律， 在后续改进研究中， 掌握空气螺杆马达的设计原理，解决了空气螺杆马达设计制造的主要难点，即难启动和飞车问题，研制成功95mm 空气螺杆马达，并完成了空气螺杆马

10、达的模拟实验。 在项目中后期，主要完成了空气定向钻进循环系统的计算与研究。在上海理工大学动力工程中心的配合下，共进行了三种不同粒径，模拟三种不同钻速条件下性能测试：模拟钻具组合纯空气循环管路差压测试；混合颗粒气力输送沿环空压力测试；不同钻速条件下群颗粒悬浮临界风速测试；管路加载后性能测试及不同气量下固体质量流量测试。 已完成的主要研究内容为： （一） 、空气定向钻井95mm螺杆马达方面： 本研究依据对液压螺杆马达的研究成果，考虑到空气螺杆马达钻进特点，解决了以下几个问题： 51、根据液压螺杆马达性能特性，确定了空气螺杆马达的波齿比为 7：8； 2、根据空气螺杆马达钻进的高温特点，经实验表明：螺

11、杆钻具定转子每升高，定子橡胶收缩率为3%-5%，确定空气螺杆马达的过盈量由液压马达的0.4mm缩为0.25mm； 3、根据液压螺杆马达，采用普通内摆线等距线设计出了两种空气螺杆马达，经对比决定采用中空空气螺杆马达； 4、通过分析空气与泥浆粘性特性，确定了将泥浆螺杆马达作为空气螺杆马达的工艺参数，以液压螺杆马达推荐的泥浆流量（L/min）乘以 3033即得本泥浆螺杆马达的空气需要量（L/min） ； 5、创新性地设计了空气螺杆马达密封轴承； 6、创新性地采用分流装置解决了空气螺杆马达难以解决的启动难及飞车技术难题。 （二） 、空气定向钻井设计计算方面： 本研究主要通过模拟实验，探索出了空气定向钻

12、井循环系统的一些规律，得出了相应结论，通过与钻井实际对比表明，与工程应用结合较好，对以后设计空气定向钻井施工流程具有一定的指导意义： 1、通过模拟钻具组合管路中差压的测试，发现无论是直井段还是水平段，空气流经变截面处，由于惯性作用，离开小截面管段后流动逐渐扩大，在管壁拐角与流束之间形成漩涡，并且小管径流出的较高速空气与大管径管段中流速较低的空气产生碰撞损失，流动损失较大。可以确定变径处的空气参数是钻井设计中的关键点。 2、通过不同固体质量流量下气体注入流速的测试，发现随着输送气量的增大，固体颗粒的质量流量增大，垂直输送段中两相流动由临界状态向近乎均匀的悬浮输送状态过渡；与垂直管段的临界输送状态

13、相比，水平输送段气固两相流速增大，处于悬移状态的固体颗粒数量增多，流速增加。说明注气 量增加有利于岩屑上返。气量与固体质量流量关系式为： 2.9522111.455sSQVVQ=3、 通过不同钻速下群颗粒临界风速的测试，发现相同粒径的颗粒，随着钻速的提高（即固体质量流量增大） ，要达到相同的临界输送状态所对应的风量必然增大；相同钻速下，随着颗粒粒径的增大，出现临界输送状态时的悬浮速度增大，对应的风量必然增加。并由此得出结论为：对同等粒径岩屑，风量增加与井内风速增加成正比关系，风速约为风6量的 0.0828 倍。 4、通过混合颗粒岩粉气力输送沿环空压力损失的测试，发现流体通过弯管产生垂直于流动方

14、向的二次流动，流动状态复杂；处于临界输送状态的气固两相流在弯管处产生回落上升的循环往复运动，甚至有较大程度的堵塞现象，对两相流场压力影响很大。两相流速固气质量比的增大，会使通过弯管时的流动损失增大，压差变大；两相流通过 70 度段变截面处，通流面积的增大使气体流速下降，易在此处开始形成堆积现象。垂直输送管道中，临界输送状态下，在浮重力和气体冲击力的作用下，大部分颗粒处于动态悬浮状态，较少部分的颗粒流出环管，单位长度管段中两相流动压差较大；随着两相流固气质量比的提高，颗粒之间以及颗粒与管壁之间的碰撞加剧，由此造成的流动损失增大。并通过数据分析，得出结论：钻速与各井段压降关系式为：0.486221

15、11.07VPPV=。 5、通过管路加载后流动参数的测试，发现模拟钻头部分处于常压状态下时，固体颗粒由孔底进入变截面段，摩擦阻力增大，较大流量的颗粒形成一定程度的堆积，因此，在该管段上形成了较大的平均单位长度压差。两相流通过变截面终端时，流通截面突扩，流速降低，压缩空气的携带能力下降，在重力作用下，同时考虑水平内管的下沉，使水平环管下部固体颗粒形成沙丘流动， 沙丘上部少部分小粒径颗粒在压缩气体作用下处于跃移或悬移状态，大粒径颗粒进行蠕移运动，壁面摩擦效应较大，两相流动在此管段的单位长度压差较小。在弯管的两个管段（90 度到 70度段，70 度到30 度段）沿流向产生负压差测量值，其原因为：流体

16、流经 90 度弯管时，在外管内壁和内管外壁处产生旋涡区，造成压力不稳定；流体通过 90度弯管产生垂直于流动方向的二次流动，流动状态复杂；处于临界输送状态的气固两相流在弯管处产生回落上升的循环往复运动以及较大程度的堵塞现象，对两相流场压力影响很大。较为明显的是，气固两相流速越大，通过弯管的损失越大，压差损失越大；两相流通过 70 度变截面处，通流面积的增大使气体流速下降，易在此处开始形成堆积现象。 垂直输送管道中， 临界输送状态下， 在浮重力和气体冲击力的作用下，大部分颗粒处于动态悬浮状态，较少部分的颗粒流出环管，单位长度管段中两相流动压差较大。孔底到水平变截面段，常压时，变截面处堆积厚度较小，

17、压差较小；随着加载压力的提高，变截面处堆积严重，压差增大。变截面到弯曲 90度管段，流体通过变截面处后，随着加载压力的增大，此管段流速增加，两相流动损失（压差）增大。30 度到直井段顶端，随着加载压力的变化，压差变化不大，主要原因为：在钻速相同的情况下，垂直输送7环管中两相流动流型均为相似的临界输送状态。 6、利用试验结果，拟合出水平段固体的附加压力损失系数与弗雷德数的定量关系：856.055.0= FrS；垂直段固体的附加压力损失系数与弗雷德数的定量关系：46.227.0= FrZ。 并拟合出在满足关键点最小动能的条件下理论计算 Q0,与实际 Q1数值关系：18871.027647.1)40

18、459.09306.6(01= QQ。可用于垂直井段与水平井段气力输送固体颗粒的数据处理中。 7、通过模拟钻具组合管路中差压的测试，得出了管外循环计算压降与实际压降数据。实验表明，实际空气定向钻井理论计算的压力比实际注入的压力小 1.7 倍。也就是说如果实际施工中，由于存在漩涡流等原因，造成了压力损失，按理论计算的压力值实际井下达不到，要达到理论计算参数，实际工程中，井底需要增加原有计算压力的 1.7 倍以上，即有关系式： 1.7P P=实际 计算。 二、研究领域国内外发展趋势和前沿 目前国内外已成功采用空气型流体作为循环介质来解决易漏、钻井速度图2-1 空气钻井工艺流程图 低的地层面临的钻井

19、技术难题(其钻进流程见图 2-1)。美国和加拿大应用这方面技术比较普遍，它们以空气、天然气等轻质流体为循环介质，成功采用空气钻井技术，解决了地层漏失特别严重、地层比较坚硬、地层渗透率特别低的区块的钻井问题，其设备趋于完善，技术趋于成熟。 国内长城钻井公司利用空气、 泡沫等空气型流体有效地解决了伊朗 TABNAK 油田长段复杂井漏难题。国内在川渝地区等钻井作业中，常钻遇长段低压漏失带或破碎性地层引起严重井漏，由于漏失层段多、井段长、漏层连续不断，没有特定的漏层位置，采8用常规钻井液钻进时，往往是“有进无出” ，给钻井工程造成巨大损失。对于这类严重井漏，采用单一的常规钻井及堵漏的方法难以从根本解决

20、问题，必须采用包括空气钻井、泡沫钻井、充气流体钻井等多种技术的综合应用。 空气钻井具有钻井液钻井所不具备的诸多优点。 以空气作为介质，一方面能大幅提高钻井机械速度，另一方面作为循环介质的空气密度低，对井眼形成的压力较低，在钻井过程中不存在钻井液的漏失，能有效解决长段复杂地层的井漏问题，大幅度降低井漏复杂损失，加快钻井工程进度，提高油气勘探效益。 2.1 国内研究现状 图 2-2 空气定向钻井研究内容分析图 综合空气钻井的许多优点，国内钻探行业早已发展完善了多工艺空气钻探技术，石油行业也相继将其与欠平衡钻井技术列为重点攻关课题。 近十年来， 空气钻井这项技术的应用研究在我国有了一定的发展，新疆、

21、 四川等油田及西南石油学院先后开展了这方面的室内试验研究和现场实践工作， 但该技术正处于起步阶段。尤其对空气定向钻井技术的研究更少，总体上讲，空气定向钻井技术的研究主要有井底空气马达研究；注入空气的优选及注气设备配套研究；气、雾钻井的携岩、循环分析计算；钻具设计、钻头选择及钻井参数设计；操作规程、施工工艺技术研究；井壁稳定分析；防腐研究及空气冲击钻井技术；测井技术等仍缺乏大量的研究工作(见图 2-2)。 92.1.1 关于空气钻井提高钻速机理的研究 李玉飞、 魏武等人对空气钻井提高钻速机理进行了相关的研究。通过对钻井过程中降低井底压降、 旋冲钻井、 提高清洁效率、 避免重复破碎等提高破岩效率的

22、方法进行了总结，并对相关文献提供的数据和图表资料的分析，比较了空气钻井与常规钻井液钻井的差别，指出空气钻井能大幅度提高机械钻速的主要机理是负压差作用、 井底岩石力学性质和应力状态发生变化、钻头旋转冲击破碎岩石、井底清洁及热应力等。空气钻井时，井底岩石应力状态发生改变，降低了岩石的强度、塑性和研磨性，使井底中心带钻头前方两倍井径范围内的岩石易破碎、易开裂、裂纹易扩展。空气钻井不但可以压碎和剪切岩石，还具有冲击破碎的作用，使岩石更容易破碎，并且空气钻井消除了液柱压力对地层的“压持效应” ，减少了重复破碎，提高了钻头寿命。 空气钻井井底相对较高的温度也有一定的辅助破岩作用。 2.1.2 关于空气钻井

23、参数的研究 国内外空气钻井参数的计算以往基本上沿 Angel 的方法，由于该法假设条件带有局限性而存在理论缺陷（见表2-1 为我国新疆石油管理局进行空气试验的一些现场数据） 。70年代末，lkoku 等人根据室内实验对 Angel 法做了一些修正，因其计算复杂，亦未广泛采用。 表 2-1 空气（雾化）钻井试验井注气量对比表 崔之健、孟英峰等人从力学分析入手，通过对环空中空气举升能力最小的“关键点”处的岩屑受力分析， 应用两相流动动力学和空气动力学原理，提出了计算空气钻井参数的方法和公式，解决空气钻井中携带岩屑的最小排量问题。 任双双等人利用最小动能标准计算方法，计算出不同条件下的压缩机的最小排

24、量，形成一系列的数据供选择。刘刚等人通过对空气钻井参数的研究得出随着注气量的增大，会使环空的摩阻增大，从而增大井底压力。 空气（雾化）钻井参数 空气注入量（m3/min） 井号 井深（m） 井径（mm） 钻 速（m/h） ANGEL 模型 PUON 模型 实际 X1023 1407-1512 216 14.58 35 37 75 乌24 1625-2107 216 22.70 36-38 37-39 75 百1814 1763-2181 216 18.28 37-39 38-40 75 1671 985-1147 216 14.59 33 37 75 102.1.3 关于空气钻井循环系统的研究

25、 许文波、靳玉生等人通过对多组不同循环流体的循环实验结果进行分析，认为：空气对井壁会形成一定的冲蚀，其冲蚀的强弱则主要取决于岩心的力学强度（主要是胶结强度） ；地层出水是产生井壁不稳定的重要原因，尤其会对泥岩和泥质砂岩型的井壁产生较大的损害；并对反循环钻探管路中空气的运动参数包括流量、 流速、压力、差压进行研究，通过实验测试运动参数并找出规律性， 探讨介质携岩运动机理及相互间存在一定的函数关系。 孟英峰等人利用数值分析及空气动力学中的薄翼理论建立了空气定向水平井计算分析模型，并通过实钻得出：在井斜角大于 30 度的情况下，最小注气量随井斜角变化较大，90 度井斜角下的最小注气量接近 30 度井

26、斜角最小注气量的 2.22 倍。计算的注气量乘以2.22 后得出的注气量为定向钻进段所需最小注气量。并根据地层特点：若对泥页岩、泥质胶结低强度砂岩，扩大 1.3 1.5 ；若对碳酸盐岩、变质岩、火成岩等硬脆地层，扩大1.7-2作为水平井所需最小注气量。 2.1.4 关于空气定向钻井特性及工艺的研究 苏义脑院士等人率先在国内进行了空气定向钻井工作特性与工艺参数的选择研究， 认为Angel模型只适用于低速运动的空气， 设计上采用压缩性空气模型更符合空气钻井实际情况。 得出环空的空气单位体积动能最小时和空气流速最低处均出现在钻杆与钻铤交接面处；并给出了流体温度计算模型。 对螺杆马达转速特性按声速流和

27、亚声速流分别进行了计算。指出温度、压力对马达贡献刚好相反，压力高则转速慢；温度高则转速快。 2.1.5 关于空气定向钻井井底马达的研究 杨赟等人针对空气定向钻井马达特点， 建立了马达的等效模型，并用实测数据计算出了马达的当量直径，并计算出了不同气液比下马达的压降。以此为基础，推导出了计算马达在两相流下的输出特性方程，计算出了马达在两相流下的输出特性参数； 并对计算结果进行分析比较，得出随着气液比的增加，马达的最大功率和最大功率时的压降、扭矩将会减小，同时马达最大功率时的转速将增加。国内只有在 2001年 4月当中国石油天然气集团公司长城钻井公司伊朗项目部急需用 9 5/8空气螺杆钻具，而国外各

28、技术公司仅贝克休斯公司有能力生产 9 1/2空气螺杆钻具，且报价旧钻具每套 13万美元，价格昂贵时。2001 年5 月，中国石油天然气集团公司决定进行用于空气及泡沫作为钻井介质的 9 5/8新型螺杆钻具的研制， 课题由中国石油勘探开发研究院钻井所、 北京石油机械厂共同承担，并将此课题列入该集团公司重点技术开发项目。 中国工程院院士苏义脑带领攻关小组人员11根据收集到的大量国外有关空气螺杆钻具的信息和资料，在此基础上进行了理论分析计算，先设计了原理样机K7LZ1207.0 空气螺杆钻具。2002年 7 月，苏义脑院士带领研究人员在河北涿洲成功进行了空气螺杆钻具的模拟钻井实验， 结果表明实验样机完

29、全符合实际要求，同时克服了“飞车” 、 “难启动”等技术难点。2002 年8 月，K7LZ1207.0 空气螺杆钻具实验样机在长庆油田苏里格苏 35-18 井 50628 钻井队进行现场实验，当时井深3235 米，气源为天然气，在供气量不足的情况下钻水泥塞、钢质扶圈和盖层，螺杆钻具共运转 8 小时，工作正常；6 吨最佳钻压时，机械钻速高达每小时 30 米，受到现场技术人员的高度评价。2003年 10 月在伊朗 RIG16 井 17 1/2井眼中 618-690 米井段的灰岩及页岩中，这种依靠自己的技术力量研发的新型钻具先后用泥浆、空气、泡沫作为介质进行定向作业取得成功，在井下工作了 118.5

30、 小时后仍然完好无损，同时表现出耐多种介质、功率大、寿命长的特点。此类空气螺杆钻具的研制成功填补了该项国内空白，提高了中国石油天然气集团公司的核心竞争力，同时为国家节省了大量的外汇，为企业创造了新的效益增长点，具有很好的社会效益和经济效益。 2.2 国外研究现状 2.2.1 国外空气钻井的进展 使用空气作为循环介质进行油气钻井，最早始于 20 世纪 20年代。从 1953年在美国犹他州首次使用空气钻井钻成第一口油井至今，世界范围内一直采用空气钻油气井。在美国东部阿帕拉契山区的阿肯色州油气田、 新墨西哥州的圣居安本以及西得克萨斯的某些油气田， 采用空气钻井技术已为常事。空气或空气（天然气）钻井广

31、泛用于经常出现漏失问题的地区， 也经常用来钻进浅海地区的潜在漏失地层。随着水平钻井技术的发展和不断完善，在地质条件已清楚且潜在产油地层压力相当低的地区， 采用空气或空气钻水平井以进行二次采油，标志着这两种工艺技术的完美结合。 2.2.2 国外空气钻井的工艺参数研究进展 Martin 于 1952 年和 1953 年先后发表了两篇关于空气钻井所需最小注气量的文章。在这两篇文章中Martin利用空气在水平光滑管中流动的Weymouth公式推导出了空气钻井过程中所需最小注气量的计算公式。由于 Martin在推导过程中没有考虑钻速和地温变化对所需气量的影响，其结果比实际值要小得多， 尤其是随着钻速或井

32、深增加时这种差值会逐渐增大。 Angel 于 1957 年在Martin 方法的基础上作如下假设：空气在环空中是稳定流动；12岩屑与气流以相同的速度在环空中上返 （忽略了在环空中运行较快的气流与运动较慢的岩屑间的相互作用以及固体岩屑之间的相互作用，即气流一固体岩屑为均相混合流体） ；环空中气流流动的动能不小于以 15.24 ms 速度流动的情况下的空气动能。Angel 的计算方法和图表具有计算简单、便于现场应用的优点。但是随着现场的应用，人们发现使用Angel的方法得出的结果要比现场实际数据低 25%甚至更多。 关于空气钻井注气量的计算方法，国外主要有3 种 ：BoyunGuo最小动能法。Bo

33、yun Guo 认为 Angel 的不足在于在推导公式的时候应用了光滑管流的 Weymouth 摩擦系数，这与裸眼井段的实际情况有很大偏差。故 BoyunGuo引入 Fanning摩擦系数对 Angel 的公式进行了改进。 该方法是将空气和固体岩屑岩屑看作是均相混合流体，忽略了固体岩屑之间以及固体岩屑与空气之间的相互作用 。根据实际空气钻井的经验，该法认为若空气能将井底产生的岩屑携带至地面，其具有的动能应该不小于以 1524ms 速度流动的空气动能。Mitchell的最小速度法。1982年，在美国能源部和美国 Sandia 国家实验室的资助下，Robert F、Mitchell 等人开发了井眼

34、温度模拟器 GE0TEMP2，该模拟器能够模拟空气钻井过程中的井眼温度分布情况。在模拟计算井眼温度前，需要计算确定空气钻井过程中的空气注入量和环空中流体流动的压力、速度等流动参数。在计算空气所需注入量时，Mitchell 提出将地层和井眼温度耦合在一起来确定空气注入量。该方法考虑了岩屑和空气之间的相互作用，认为空气要将固体岩屑携带出地面，则气流的速度要大于固体岩屑的沉降速度。Shifeng Tian的最小井底压力法。Supon 和Adewumi发现在环空井眼的压力损失与空气的流速之间并不是单调关系，而是存在一个使环空压降最小的流速值。基于Supon 和Adewumi 的发现， ShifengT

35、ian等人将空气钻井过程中的循环系统分为 3个部分：通过钻柱内部向下的单相空气流动；通过钻头喷嘴的单相空气流动；通过井眼环空的携屑空气流动，并对这 3 部份分别建立了数学模型， 以求解对应于最小井底压力的最优空气流速，从而确定最优注气量。 2.2.3 国外空气定向钻井马达的研究 美国在 20 世纪 90 年代研制成功了新一代各种规格的空气钻井马达 MachlAD 型，MachlAD 型是一种专门研制的空气定向钻井马达（PDM） 。主要部件的设计是为适应空气或空气钻井环境而专门设计的外，其根据与泥浆马达同样的设计原则设计的。 这种马达的设计也是采用摩里（Moincau）多头马达、可调弯外管、新型

36、的万向节总成和密封轴承总成组成的。空气钻井的 13表2-2 国外主要生产螺杆马达公司及规格 马达规格 公司名称 主要产品 （外径，英寸）马达类型（介质） Bico Drilling Tools Inc. 马达 1 11/16 11 1/4 空气和液体 Baker Hughes INTEQ 马达 1 11/16 12 3/4 空气和液体 Canadian Advanced Inc. 马达 3 1/28 5/8 电动 Cavo Drilling Motors 马达 2 7/89 5/8 空气和液体 Directional Drilling ontractors 马达 3 液体 Dyna Drill

37、 动力部分 2 7/811 1/4 空气和液体 Griffith-Vetor 马达 1 11/163 1/8 空气和液体 Horizontal Technology Inc. 马达 2 7/87 3/4 空气和液体 Inrock 马达 2 7/88 空气和液体 Interational Directional Services 马达 1 11/16 11 1/4 空气和液体 NQL Drilling Products 马达 1 11/16 11 1/16 空气和液体 PV Fluid Products 动力部分 2 1/16 11 1/16 空气和液体 R&M Energy System 动力

38、部分 1 11/16 11 1/4 空气和液体 Roper Pump 动力及马达 1 1/212 3/4 空气和液体 Rotech Group 动力及马达 1 11/164 3/4 空气和液体 Ryan Energy Technologies 马达 3 1/29 5/8 空气和液体 Schlumberger 马达 1 11/16 2 空气和液体 149/16 Sharewell Directional Drilling 马达 2 7/86 3/4 空气和液体 Slimhole International Drilling 马达 1 1/211 3/4 空气和液体 Sperry Sun 马达 1

39、 3/411 1/4 空气和液体 Thru Tubing Solutions 马达 1 11/162 7/8 液体 Weatherford International Ltd. 马达 1 11/163 1/2 空气和液体 Wenzel Downhole Tools 马达 2 7/89 5/8 空气和液体 XL Technology 马达 3 1/8 电动 马达部分采用7：8定转子比结构，目的是尽量增加气室的体积，满足空气或空气钻井的需要。转子表面抛光并镀一层硬铬，以降低摩擦和磨损。万向节壳体总成为可调弯外管，其可调最大倾斜角度为 275，使用中可在 0 极大值间任意变化。它可用来钻进定向井和垂

40、直井，并能精确定向控制。一般情况下，一次起下钻就可完成每口井要求的定向和水平段钻进作业，利用整套定向控制系统，可精确地控制狗腿度，减少复杂井段的事故。钻柱旋转时，又可进行复合钻进钻直井段或稳斜段。 目前国外主要生产螺杆马达厂家见表2-2。 2.2.4 国外空气定向钻井定向测量系统 空气钻井时，普通测量仪器的工作条件相当差。由于没有钻井液帮助减振，所以测量仪器在短时间内就会失效。在空气钻进中应用空气钻井马达，因无法产生脉冲信号，只能采用单点测斜仪进行测量和提供马达钻进时的井底信息。 由于采用电缆的测斜工具易受振动而损坏，限制了连续钻进时间，即使采用特殊的侧入短接，也仍限制了电缆测斜工具的应用。

41、15图 2-3 电磁波随钻测量仪器工作原理图 为此，国内外非常重视随钻测量在空气钻井中的应用，但经振动后易损坏，而且井深超过 1500m 后就没有足够的信号。国外目前主要采用电磁式随钻测量仪器的研究与开发（见图 2-3） 。美国 Scientific 钻井公司为 Machl/AD 型空气钻井马达研制了非脉冲电磁式随钻测量仪器，它可以确定马达方向，并允许用钻铤旋转来钻直井。这种检测系统使用了一种专门的抗振检测工具， 可在地面及时反应井眼的倾角和方位及工具面角。 检测工具的信号及时通过电磁信号传输到地面设备，以便随时纠正马达方向，保证达到钻进目标，完成钻井任务。Scientific 钻井公司利用电

42、磁波传播技术来传输井下数据所研制的 EField MWD 随钻系统，其传输速度至少是普通泥浆脉冲系统 MWD 的 4 倍。同时，由于空气钻井钻进速度比在普通泥浆中高，因而能提高定向井的钻井效率。 三、研究工作总结 3.1 小直径空气定向钻井螺杆马达的研究 3.1.1 小直径空气定向钻井螺杆马达设计基本原则 国内外资料研究表明：采用空气作为介质进行钻进时，泥浆马达的性能不如空气专用马达好。由于泥浆马达的设计有一容积较小的转子定子腔室， 使流量和速度成一定的比例。因而为了获得所需扭矩，需要相当高的压差。以空气为钻进介质的液压马达要达到这一目的，就需要大功率的空压机和增压器。因为空气可以压缩，空气中

43、储存着大量的压缩功。但是液压马达只能使用位移动。泥浆马达与空气马达体积变化功比较见图 3-1。由于16钻杆具有 图3-1 泥浆马达与空气马达变化功比较图 储压作用，马达失速可能引起压力和扭矩的缓慢上升。但是马达提离井底会引起空气的膨胀和速度的急剧上升，从而使马达变形，导致马达失速。为了解决这一问题，国外采用不同的喷嘴作过几次试验，以增大压力，从而限制流量和速度。测试发现，通过优化腔室容积，是使马达适应于空气钻进条件的最佳方法，就是在用较高的流量以保持钻孔清洁时，马达仍然保持低速。空气马达体积变化功在比较低的压力时产生足够的扭矩； 由于与总压缩功有关的容积变化所作的功降低了，效率得到了提高；由于

44、扭矩和压力之间的比例更为合适，马达不易失速；由于钻杆储能降低，钻杆提离井底时马达超速的可能性极小。设计条件的空气钻进马达的性能以通用泥浆马达常规计算的结果为基础， 其中包括几何形状和实际流量参数的确定。空气流量和立管压力以普通钻机上使用的空气钻进设备为准。 3.1.2 小直径空气定向钻井螺杆马达设计方法 3.1.2.1 基本参数设计 （1）基本波齿比的确定 17图 3-2 液压螺杆马达不同波齿比性能曲线 图 3-3 液压螺杆马达不同波齿比偏心率关系图 因空气螺杆马达具有较强的软特性,根据扭矩、波齿比、转速关系图（图 3-2） ，结合波齿比与偏心率关系图（图 3-3） ，因为偏心率与泄流量成立方

45、关系，因此本设计的空气螺杆钻具采用7：8波齿比。 （2）基本过盈量的确定 因为定转子的密封问题，考虑到空气螺杆钻具的高温特点，根据螺杆钻具定转子每升高，定子橡胶收缩率为 3%-5%，因此空气螺杆马达的过盈量由液压马达的 0.4mm 缩为0.25mm。 （3）设计参数及模型 确定马达直径 95mm。 定子几何参数：齿数Z 2=8；偏心距e=3.71mm；等距圆半径ru=7mm；导程 t=1600mm；定子截形大径DL=72.94mm；定子截形小径 DS=58.94mm； 转子几何参数：齿数Z 1=7；偏心距e=3.71mm；等距圆半径ru=7mm；导程 T=1400mm；转子截形大径DL=65.

46、94mm；转子截形小径 DS=51.94mm。 定转子截形方程式为： 542096.8/)1(360542096.8/360)2/)2()1()1()2/()2/)2()1()1()2/(+=+=NmQNmQNCOSRQNSINTSINQRTDLYQNSINRQNCOSTCOSQRTDLXmm（3-1） 及 350285.890350285.890)/360()/360()2/()/360()/360()2/(+=+=KNmKSINRNmSINDSYNmKCOSRNmCOSDSX（3-2） 式中： 1,.,1,0 = Nm ；N 为定转子齿数；R为等距圆半径。 3.1.2.2 基本参数分析 1

47、8螺杆马达主要有两个特性：一是转速 n；一是扭矩 M。螺杆马达的输出特性有以下规律： 利用普通内摆线等距线所包围的面积可以通过先计算摆线所围的面积， 然后再利用等效周长法计算螺杆马达转速： ()rueZTeZQn41211+=（3-3） 式中： Q马达实际流量（m3/min） Z1转子的波齿数 T螺杆马达导程（mm） e偏心距（mm） u 等距曲线园半径（mm） 令：A= ( )rueZTeZ 41211+ 则可简化为： AQn /= （3-4） 式中： A马达设计参数 结论一：n 与Q 有关，并且在一定范围内成正比关系。 理论计算螺杆马达的输出扭矩为： ()TeZrueZPM114118.3

48、 += 令：B= ( )TeZrueZ114118.3 + 则可简化为： PBM = （3-5） 式中： B马达设计常数 结论二：M 与p 有关，成正比关系。 在螺杆马达的压力降和转动的离心惯性作用下，橡胶定子产生径向变形，从而出现定转子间隙，造成间隙的流量损失。间隙损失量 q与压力降p关系式为： paq = （3-6） 则马达实际流量为： pQQi= （3-7） 式中：Q i马达理论流量（m3/min） ；a-压力降系数（m3/Pa.s） 19由以上可以得出：当螺杆马达内的温度为定数时，压降增加使得钻具内的平均压力增加，漏失量也增加，从而导致马达转速减小。当漏失量达到一定程度后，就无法形成一定的压差，从而导致马达转速急剧增加，螺杆马达失速。 根据马达中液压能转变为机械能的公式： )(2fMMPA += （3-8） 式中：M 为马达的扭矩（Nm） ； p为通过马达的压力降（Pa） ； fM为马达中的摩擦扭矩（N .m） ； 将式（3-6）和式（3-7）代入（2-4） ，得出转子转速随着扭矩的变化公式： ()+=fiMMAQAn21（3-9） （1） 、 确定马达的摩擦扭矩 将式（3-9）和式（3-4）代入（3-8） ，得出马达的摩擦扭矩变化公式： ()BApMf2= 令：C= BA 2 则： pCMf= 式中：C为常数