充气钻井是指钻井时将一定量的可压缩气体通过充气设备注入到钻井液中作为循环介质的钻井技术，是发现和保护油气藏、防止裂缝性储层井漏、提高机械钻速的重要技术手段，常用注入气体主要是空气和氮气。充气液是以气体为分散相、液体为连续相，并加入稳定剂而成为气液混合均匀稳定的体系，主要适用于地层压力系数为0.7~1.1的易漏低压储层。充气钻井液经过地面的除气设备后，气体从钻井液中脱离，保证钻井泵的正常工作。充入气体的目的是为了减小钻井液密度，从而降低流体液柱对井底的静压力，通过充入气量的改变，可随时调整钻井液的密度以平衡地层压力，从而实现近平衡或欠平衡钻井。

1 充气液管流的流动型态

不同流动性质的两相流体同时在管道内流动，将产生不同相交界面构型（简称两相流流型），其两相流动特性不仅与每一相的流态有关，也与两相交界面的变化和组合有关。实验表明^[1-4]，在垂直管两相流动条件下经常出现泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、雾状流5种流型。

井筒两相流流型变化通常取决于两相流体流量、流体性质和井眼几何参数等。对于充气欠平衡钻井，气、液两相的流量分别为10~50m³/min和0.189~1.325m³/min。Barnea^[1]和Lage^[3]等绘制的环空两相流流型分布见图 1。由图 1可知，井口附近的环空气体在施加一定井口回压后，环空流型由环状流或搅拌流转变为弹状流，可有效避免井口附近的高速气流对地面管线造成损坏。因此，对于多数充气钻井（井深1500~5500m），井口附近环空上部以弹状流为主，搅拌流或环状流出现的几率很小，可视为弹状流处理，而井筒环空下部主要以泡状流为主^[1-4]。

综合国外多位学者的试验研究^[1-5]，笔者认为充气欠平衡钻井环空两相流流型主要为泡状流和弹状流。这一点与Jiménez、Sunthankar等^[6-7]的环空充气钻井液主要出现泡状流和弹状流的实验结果一致。若采用钻柱注气方式进行欠平衡钻水平井（井深大于1000m），则全部斜井段和水平井段在高液柱压力作用下呈泡状流。

对于向下气液两相管内流，Barnea^[1]和Lage^[3]等在大气压状态下的小尺寸实验中发现管内两相流只有环状流、弹状流和泡状流。与环空两相流相似，气体折算速度较高时会出现环状流。然而，充气欠平衡钻井气、液两相流体同时由井口注入，井口注入压力通常高于6.9MPa，其高压和高搅拌剪切力使钻柱内气体分散于连续的液体之中，很难出现环状流。

综合国内外多位学者的研究成果^[4-9]，笔者认为充气钻井钻柱内两相流流型以泡状流和弹状流为主。将常规充气欠平衡钻井管内两相流折算速度的计算数据标注在Caetano^[8]和Lage^[4]绘制的管内两相流流型分布图（图 2），图中水平分布的3个黑色圆圈自左至右分别代表井底、井筒中部和井口处的气、液流量组合下的流型分布情况。

2 环空气液两相流数学模型

笔者曾经在文献[9-11]中多次阐述了充气钻井井筒两相流各种流型的流动模型和数值解法。针对注入气液比较高(10:1)的充气钻井进行模拟计算，井深约小于200m的环空含气率超过50%，气液比超过1:1，此时才会出现弹状流。通常，充气钻井应用于中深井或深井，当井深超过1800m，环空含气率降至5%，气液比仅为0.05:1。因此，将整个环空充气液视为泡状流管流可以满足充气钻井工程设计和作业的精度要求。

2.1 假设条件

(1）环空中钻井流体可能混合有岩屑和地层流体(天然气、原油或地层水)，模型假设环空钻井流体为两相流（气体混合物和液体+岩屑混合物）。假设环空混合气体返速相同，环空注入液体和地层产出液体返速相同。

(2）模型中所有与位移有关的参数（包括井深、速度、压力等）均为沿井眼的测量深度进行计算^[9]，因此模型适用于水平井。

(3）井筒流体稳定流动时，流体温度沿井深为线性分布。

2.2 数学模型

根据机械能守恒定律，环空稳定泡状流的流动总压降由重力压降、摩阻压降和加速压降组成^[12]：

$ {{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{T}}}={{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Hy}}}+{{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Fric}}}+{{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Acc}}} $

(1)

重力压降为：

$ \begin{align} &{{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Hy}}}=g{{\rho }_{\text{m}}} \\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =g\left[{{\rho }_{\text{L}}}{{H}_{\text{L}}}+{{\rho }_{\text{G}}}\left( 1-{{H}_{\text{L}}} \right)+{{\rho }_{\text{R}}}\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\left( D_{\text{IC}}^{2}-D_{\text{OT}}^{2} \right){{V}_{\text{DR}}}}{4{{Q}_{\text{m}}}} \right] \\ \end{align} $

(2)

摩阻压降为：

$ {{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Fric}}}=\frac{2{{f}_{\text{F}}}{{\rho }_{\text{m}}}U_{\text{m}}^{2}}{{{D}_{\text{h}}}} $

(3)

采用Beggs^[13]和Brill^[14]的推荐方法，加速压降为：

$ {{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Acc}}}=\frac{{{\rho }_{\text{m}}}{{U}_{\text{m}}}{{U}_{\text{SG}}}}{p}{{\left( \frac{\text{d}p}{\text{d}L} \right)}_{\text{Hy}}} $

(4)

式中  ρ_G、ρ_L、ρ_m、ρ_R——分别为气体、液体、混合流体及地层岩石的密度，kg/m³；

      D_IC、D_OT——分别为井眼或套管内径、钻柱外径，m；

      D_h——环空水力直径，m；

      Q_m——混合物流量，m³/s；

      H_L——真实含液率，无因次；

      U_SG——液体折算速度，m/s；

      U_m——混合物两相流流速, m/s；

      V_DR——机械钻速，m/s；

      f_F——范宁摩阻系数，可由Gunn和Darling推荐方法计算得出^[2]。

2.3 数值解法

考虑到钻井流体沿环空流道为一维稳定流动，可利用数值迭代解法进行计算^[15]。由于是稳态模型，算法中无需考虑时间因素。将环空流道进行一维迭代网格划分，根据计算精度要求设定计算步长为5~20m；边界条件为井口温度和井口压力；迭代计算路径为井口→环空→井底。

3 环空气液参数设计图版

上述环空流体数学模型及数值解法，可通过计算机程序化进行充气钻井的参数设计。然而，多数设计人员和工程作业人员并没有配备相应计算软件，且该类数值计算繁琐，往往由地面流体参数迭代出井底参数，需要多次试算。为了方便工程设计和现场作业，针对常用的井身结构和套管程序，计算不同气体流量、不同井深的环空井底压力（表 1），并且绘制出相应井身结构的气体流量的设计图版（图 3）。在确定了最大井底压降和设计井深后，可由此图版确定气体流量并选择注气设备。

表 1中计算条件如下：井深不大于5000m；钻杆外径为127mm；上层套管外径为244.5mm；上层套管内径为222.4mm；液体流量为1.20m³/min；液体黏度为15mPa·s；液体密度为1.10g/cm³；机械钻速为2m/h；岩屑直径为4mm；岩屑密度为2.6g/cm³；井口回压为100kPa。

由于井底压力是液柱压力和摩阻压力的矢量和，若气液比过高，环空摩阻将抵消气体产生的液柱压降^[9-11]。因此，图版曲线密集区中气体流量对井底压降的贡献较小。为节约成本，建议设计时不宜在曲线密集区选择设计点，应在稀疏区选择气体流量和液体流量的最优组合。

4 应用实例

百泉1井位于准噶尔盆地西部隆起克百断裂带百口泉鼻隆，完钻井深为4998m，采用三开井身结构，主探目的层为二叠系风城组（P₁f），风城组主要岩性为砂砾岩和白云质粉砂岩，局部夹薄层碳质泥岩，孔洞、裂缝非常发育^[16-17]。该井三开井眼采用密度为1.11~1.13g/cm³的钾钙基聚磺钻井液，钻至风城组3070~3656m时，由于储层裂缝发育、承压能力低，井漏频发13次。虽然采取架桥材料、刚性材料及注灰等堵漏措施，仍无法避免井漏^[18]。为此，后续井段（3656~4998m）开展充氮气钻井试验。

4.1 钻井设计

从风城组井壁稳定性、储层压力系统、储层潜在伤害等方面，开展百泉1井充氮气钻井的可行性论证^[19-21]，认为风城组满足充氮气钻井的适应性要求，包括：①利用邻井百56井测井和试油数据，评价风城组孔隙压力系数为0.9~1.1；②百泉1井风城组井眼力学稳定性较好，预测水基聚合物钻井液浸泡下坍塌压力系数为0.5~0.9；③反演风城组岩石单轴抗压强度为100~160MPa，黏聚力为13.0~25.5MPa，岩石可钻性差。

利用百泉1井钻井基本数据和建立的设计图版，设计出三开ϕ215.9mm井眼内气体和液体的最佳流量范围。结合地面钻井设备（钻井泵等）的性能，设计出充氮气钻井的相关技术参数（表 2）。图 4为百泉1井三开充氮气钻井地面设备配置及工艺流程。

4.2 效果评价

百泉1井自井深3656m开始充氮气钻井，未发生井漏。当钻进至3769m停止注气后，仍发生漏速为33.6m³/h的井漏。充氮气钻进至4105.43m，气测全烃峰值为0.28%~1.08%，分离器远端火炬点火，焰高2~5m。由此证实，充氮气钻井技术能有效保护低压裂缝性储层并防止井漏。

如表 3所示，百泉1井在3656~4998m的风城组采用间歇分段充氮气钻井。充氮气钻井总进尺为952m，平均机械钻速为1.36m/h；常规钻井总进尺为390m，平均机械钻速为0.80m/h；同一层组内充氮气钻井的机械钻速较常规钻井提高了8.6%~48.3%，提速效果明显。然而，百泉1井的试验表明，针对岩石强度及可钻性不同的地层，充氮气钻井提速的效果存在差异。利用百泉1井测井资料反演了岩石强度参数和可钻性极值（表 4），可见与风三段相比，风一段和风二段的抗压强度和内摩擦角更高，研磨性更大，可钻性极值高出0.9~2.2。风二段充氮气钻井的提速效果不明显进一步说明对于超硬研磨性地层（单轴抗压强度大于150MPa），小幅度降低井底岩石围压（百泉1井充氮气后井底压降为5.5~7.2MPa）对破岩效率改变不大^[22-23]。而对于中硬砂砾岩且裂缝发育的风三段，充氮气钻井的提速比例近50%。

5 结论

（1）研究认为充氮气钻井环空顶部（井深小于200m）以弹状流为主，大部分环空为泡状流（包括分散泡状流）。通常，充氮气钻井应用于中深井或深井，将整个环空充气液视为泡状流管流可以满足充氮气钻井工程设计和作业的精度要求。

（2）为方便工程设计和现场作业，针对常用的井身结构和套管程序，计算并绘制出气液注入流量的设计图版。设计人员可由设计井底压力和充气钻井井段，依据图版确定气体流量和注气设备。现场技术人员也可由地面气体流量和液体流量等参数，依据设计图版反算井底压力，及时调整作业参数。

（3）百泉1井充氮气钻井解决了裂缝性低压储层的恶性井漏难题，保护和发现风城组油气同层2层、油水同层3层，机械钻速提高8.6%~48.3%。对于单轴抗压强度大于150MPa的超硬高研磨深部地层，建议采用气体或泡沫钻井技术来提高机械钻速。