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【摘 要】本文主要针对气体钻井技术的分类、气体钻井工艺流程、气体钻井的优势以及气体净化装置设计进行简要分析。
【关键词】气体钻井；气体净化装置
一、气体钻井技术的分类
1、空气钻井
空气是气体钻井中使用较多的循环介质，主要用于非储层段钻进。钻进时，空气压缩机从大气中吸入空气，经过增压以及冷凝析水后入井，由于空气可以直接从周围环境中提取，所以该项技术的成本相对较低。但是，如果钻进过程中遇到可燃气体，则井下有发生燃爆的危险，因此，在钻进时需要密切监视返出物中烃类含量的变化。典型的空气钻井地面管汇，
2、氮气钻井
在钻井过程中，氮气既可以单独作为循环介质，也可以与其他流体一起入井。氮气优于空气的地方在于氮气与烃类混合时不会燃烧，因此氮气钻井可有效地避免井下燃爆。钻井过程中氮气的来源一般有低温供氮和膜分离制氮两种。由于低温供氮方法所能提供的氮气较少，因此很少用于长井段氮气钻井作业，在现场主要用于压裂作业。膜分离制氮装置能够在现场制氮，可满足连续钻进的要求，但制氮设备价格较为昂贵，相应地会增加钻井成本，因此，一般用于钻穿产层段。
3、天然气钻井
由于天然气钻井入井流体与地层产出的烃类之间不发生反应，因此在井下没有燃爆的危险。但是，如果井口有天然气泄漏，同样有可能发生危险。因此，也需要做好井口设备的密封工作。在排屑管线的出口，返出的天然气需要点火燃烧。天然气钻井受气源井位置的限制。如果气源井压力过高，则需要考虑在气源管线上的节流以及节流后冰堵的影响。
4、柴油機尾气钻井
柴油机尾气钻井又称为废气钻井，是利用柴油机的燃烧气作为循环介质的一种钻井技术。气体在经过一定的冷凝、净化除尘后，经增压机增压后入井。由于尾气为柴油在燃烧后的产物，以二氧化碳居多，氧气的含量很少。因此，可以有效地避免钻遇储层时井下着火现象发生。
5、雾化钻井
雾化钻井能有效的解决气体钻井过程中地层出水、地层出油后导致钻头以及钻具泥包和卡钻等井下事故。雾气钻井一般在井下发生爆炸的井段以及非油气层段中可能会得到应用。雾化钻井的注入气量比纯气体钻井的要大，而且在压力方面，雾化钻井明显大于纯气体钻井。雾化钻井是在地层出水小的情况下，以提高流体的携岩性能为目的，以及地层在不出水情况下，保证井壁的润滑。
6、泡沫钻井
泡沫钻井在油气层段以及非油气层段有着重要的应用价值，其利用空气作为气基。泡沫钻井排放的气体低于纯气体钻井排放量的50%左右。因此泡沫钻井具备携岩性能强、气体排放量小、密度小、滤失量小以及对油层的损害程度小的优点，同时泡沫钻井可以有效的避免井下爆炸事故的发生，以及提高机械钻速的能力。但是泡沫钻井施工时，发泡材料价格贵，施工后的泡沫回收难度大，导致泡沫回收率不高，从而和其他的钻井技术相比成本更高。
二、气体钻井工艺流程
1、气体钻井井口地面控制分流系统
1.1设计原则
气体钻井尤其是天然气钻井是一项高风险的钻井技术，在常规钻井中是控地层流体进入井筒，而气体钻井则是允许地层进入井筒。因此在气体钻井中对入井筒的流体在井口及地面进行有效控制是极其重要的问题。气体钻井井口、面控制分流装置、管汇选择必须满足以下原则侧：
①满足设计井口压力；
②预估的储层流体流量：
③己在油田使用证明、安全、可靠。
2、气体钻井工艺技术流程设计
2.1设计原则
气体钻井是一项高风险作业，是自始至终的流体控制过程。气体钻井中必须遵循以下基本原则：
①满足井壁稳定；
②地层出水量（油）必须满足小于气体最大携屑能力；
③天然气、惰性气体钻井时H2s含量20mgm/3；
④在满足以上基本原则条件下，对用于钻开储层的天然气或氮气钻井均可用于碳酸岩储层和碎屑岩储层，并都可采用先期裸眼完井方式。
2.2气体钻井工艺技术流程设计
气体钻井工艺技术设计流程按如下程序：
2.2.1储层特性数据
.岩性
.储层地层压力
.渗透率
.孔隙率
.地层水流量
.温度
.储层中潜在敏感物
2.2.2完井方式选择
2.2.3气体类型
.氮气
.天然气
.空气
.柴油机尾气
2.2.4井口、地面控制、分流系统设计
.BOP组合级别
.旋转控制头
.节流管汇
.分离器压力、流量
.燃烧坑
2.2.5钻柱设计
.钻柱组合
.钻柱强度
2.2.6气举设计
2.2.7气体流动力学参数设计
.注气量
.注气压力
.井底压力
.钻头内压力
2.2.8机械破碎参数设计
.钻头选型
.钻压
.转速
2.2.9井控、安全设计
三、气体钻井的优势
1、气体钻井的优点
气体钻井技术的优点在于能够降低钻井成本，提高单井产量，具体表现在以下几个方面。
1.1提高钻井速度，缩短钻井周期
在气体钻井中，地层孔隙压力会在负压差条件下产生向井内的“推力”，该“推力”有促使井底岩石破碎（或崩离井底）的趋势。该现象的实质是原始地层孔隙压力向井内气体压力过渡的“压降梯度”，类似于单井径向流中的“压降漏斗”。对于有可动流体的层位，该压降梯度由流体在多孔介质中的流动阻力所产生；对于有束缚流体的层位，该压降梯度则由液固界面张力和流体粘度所产生。该流动阻力产生的流固祸合应力使井底处岩石有脱离的趋势。 1.2消除井漏对一钻井的影响
井漏是指在钻井过程中循环介质不返出地面，而是消失进入地层的现象。过平衡钻井中，井内液柱压力高于地层压力，钻井液会向地层发生轻微渗漏，如果钻遇高渗层或裂缝或熔洞型地层时，可能会造成大量钻井液流入地层，造成严重井漏或恶性不返，这不仅延长了钻井周期，而且会因钻井液的大量消失而造成更大的经济损失。气体钻井井内压力远低于地层压力，循環流体进入地层的作用力没有了，因此可以完全避免发生井漏。
1.3克服水敏性页岩坍塌
水基流体钻井中，如果钻遇水敏性页岩，循环介质中的水相与页岩发生物理化学作用，使页岩强度降低，造成井壁坍塌。如果采用气体钻井，由于工作流体中无水基成分，钻进中不会对井壁的岩石强度造成影响，因此不会引起井壁的水化坍塌。
1.4减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，能随钻评价产层
由于气体钻井循环介质中不含水基流体，因此可以彻底地消除正压差伤害和水相圈闭对储层的伤害，而且钻井过程中由于地层流体流入使立管压力、出口返速等可观测参数发生改变，因此可以通过直接计量分析返出的地层流体来实现对产层的随钻评价。
四、气体净化装置设计与分析
1、根据气体钻井增压机的工作原理、结构特点、调试参数以及气体净化装置的使用环境，提出了气体净化装置的设计要求和技术指标：额定工作压力2.4MPa；额定压降≤0.1MPa；额定气体处理量60～180Nm3/min；额定净化温度100℃；分离效率≥99%；过滤精度（简称过滤度，即以微米级颗粒计数的过滤效率）≤10μm。
2、对气体净化方法和净化设备进行了调研与分析，提出了旋风分离+挡板分离+滤芯过滤分离的三级净化方案。
3、压缩空气过滤器的选型与设计
对压缩空气过滤器的特点、滤芯材质，使用场合、过滤效率、经济性和使用寿命进行了分析，完成了滤芯选型与设计：滤芯数量为10只（每个分离罐内5只）；滤芯材质为烧结不锈钢丝毡；单只滤芯的过滤能力为：额定处理量25Nm3/min；过滤精度10μm；过滤效率>99.5%；初始压力降<500Pa；终了压力降7000Pa；工作寿命（连续工作时间）>6000h。
4、旋风分离器的设计
结构参数设计上，分析了旋风分离器的主要结构形式，完成了筒锥形标准旋风分离器的结构设计；旋风分离器的压降及分离效率计算，选择Stairmand模型和Barth模型分别对旋风分离器进行压降计算和分离效率计算，当气体流量为90Nm3/min时压降6064Pa，颗粒直径为10μm时的分级效率为99.6%，达到了净化装置初级净化的设计要求。
5、装置样机
气体净化装置是两个并联的分离罐，该装置结构紧凑，分离效率高，有压差指示、安全泄压、手自动排污等功能，其布置图如图1所示，主要技术性能见表2。
该装置实现了以下目标：气体净化装置具有强制旋风分离+挡板分离+滤芯过滤分离的三级净化能力；气体净化装置具有压差指示、安全泄压、手自动排污的功能；并列的双分离罐配置，增加了气体净化装置对不同气量的分离效果，具有更强的现场适应性，可以满足增压机进气质量要求，减少因油水和固体颗粒杂质引起的增压机组的维护次数和故障损失，减少因为停气导致的卡钻等井下复杂情况，为气体钻井的安全顺利实施提供保障。
结束语
气体钻井是目前钻速最快、最经济的钻井方式之一，具有泥浆钻井所不具备的诸多优点。气体钻井服务过程中，气源中未能分离的液态油水、输送管路中的铁锈和管线安装时意外进入的泥砂等固体颗粒，如果不及时清除，一旦进入增压机，将会导致增压机进气过滤器堵塞、气缸高温、缸头断裂、拉缸、气阀组件和活塞环损伤等现象，对增压机造成损坏，明显增加设备运行和维修成本。增压机损坏后，将进行停气操作，处理不当将导致卡钻等井下复杂情况，影响气体钻井的安全实施，同时增加气体钻井成本。
参考文献：
[1]魏武，许期聪，邓虎.气体钻井技术的应用与研究[J].天然气工业，2010（05）.
[2]孟英峰，刘绘新.注气欠平衡钻水平井的新技[J].石油勘探与开发，2011（01）.
[3]杨令瑞.四川天然气平衡钻井完井技术研究与应用[J].天然气工业，2012（03）.
[4]韩祥龙.探讨气体钻井和控压钻井技术应用效能的影响因素[J].科技致富向导，2012（02）.
【关键词】气体钻井；气体净化装置
一、气体钻井技术的分类
1、空气钻井
空气是气体钻井中使用较多的循环介质，主要用于非储层段钻进。钻进时，空气压缩机从大气中吸入空气，经过增压以及冷凝析水后入井，由于空气可以直接从周围环境中提取，所以该项技术的成本相对较低。但是，如果钻进过程中遇到可燃气体，则井下有发生燃爆的危险，因此，在钻进时需要密切监视返出物中烃类含量的变化。典型的空气钻井地面管汇，
2、氮气钻井
在钻井过程中，氮气既可以单独作为循环介质，也可以与其他流体一起入井。氮气优于空气的地方在于氮气与烃类混合时不会燃烧，因此氮气钻井可有效地避免井下燃爆。钻井过程中氮气的来源一般有低温供氮和膜分离制氮两种。由于低温供氮方法所能提供的氮气较少，因此很少用于长井段氮气钻井作业，在现场主要用于压裂作业。膜分离制氮装置能够在现场制氮，可满足连续钻进的要求，但制氮设备价格较为昂贵，相应地会增加钻井成本，因此，一般用于钻穿产层段。
3、天然气钻井
由于天然气钻井入井流体与地层产出的烃类之间不发生反应，因此在井下没有燃爆的危险。但是，如果井口有天然气泄漏，同样有可能发生危险。因此，也需要做好井口设备的密封工作。在排屑管线的出口，返出的天然气需要点火燃烧。天然气钻井受气源井位置的限制。如果气源井压力过高，则需要考虑在气源管线上的节流以及节流后冰堵的影响。
4、柴油機尾气钻井
柴油机尾气钻井又称为废气钻井，是利用柴油机的燃烧气作为循环介质的一种钻井技术。气体在经过一定的冷凝、净化除尘后，经增压机增压后入井。由于尾气为柴油在燃烧后的产物，以二氧化碳居多，氧气的含量很少。因此，可以有效地避免钻遇储层时井下着火现象发生。
5、雾化钻井
雾化钻井能有效的解决气体钻井过程中地层出水、地层出油后导致钻头以及钻具泥包和卡钻等井下事故。雾气钻井一般在井下发生爆炸的井段以及非油气层段中可能会得到应用。雾化钻井的注入气量比纯气体钻井的要大，而且在压力方面，雾化钻井明显大于纯气体钻井。雾化钻井是在地层出水小的情况下，以提高流体的携岩性能为目的，以及地层在不出水情况下，保证井壁的润滑。
6、泡沫钻井
泡沫钻井在油气层段以及非油气层段有着重要的应用价值，其利用空气作为气基。泡沫钻井排放的气体低于纯气体钻井排放量的50%左右。因此泡沫钻井具备携岩性能强、气体排放量小、密度小、滤失量小以及对油层的损害程度小的优点，同时泡沫钻井可以有效的避免井下爆炸事故的发生，以及提高机械钻速的能力。但是泡沫钻井施工时，发泡材料价格贵，施工后的泡沫回收难度大，导致泡沫回收率不高，从而和其他的钻井技术相比成本更高。
二、气体钻井工艺流程
1、气体钻井井口地面控制分流系统
1.1设计原则
气体钻井尤其是天然气钻井是一项高风险的钻井技术，在常规钻井中是控地层流体进入井筒，而气体钻井则是允许地层进入井筒。因此在气体钻井中对入井筒的流体在井口及地面进行有效控制是极其重要的问题。气体钻井井口、面控制分流装置、管汇选择必须满足以下原则侧：
①满足设计井口压力；
②预估的储层流体流量：
③己在油田使用证明、安全、可靠。
2、气体钻井工艺技术流程设计
2.1设计原则
气体钻井是一项高风险作业，是自始至终的流体控制过程。气体钻井中必须遵循以下基本原则：
①满足井壁稳定；
②地层出水量（油）必须满足小于气体最大携屑能力；
③天然气、惰性气体钻井时H2s含量20mgm/3；
④在满足以上基本原则条件下，对用于钻开储层的天然气或氮气钻井均可用于碳酸岩储层和碎屑岩储层，并都可采用先期裸眼完井方式。
2.2气体钻井工艺技术流程设计
气体钻井工艺技术设计流程按如下程序：
2.2.1储层特性数据
.岩性
.储层地层压力
.渗透率
.孔隙率
.地层水流量
.温度
.储层中潜在敏感物
2.2.2完井方式选择
2.2.3气体类型
.氮气
.天然气
.空气
.柴油机尾气
2.2.4井口、地面控制、分流系统设计
.BOP组合级别
.旋转控制头
.节流管汇
.分离器压力、流量
.燃烧坑
2.2.5钻柱设计
.钻柱组合
.钻柱强度
2.2.6气举设计
2.2.7气体流动力学参数设计
.注气量
.注气压力
.井底压力
.钻头内压力
2.2.8机械破碎参数设计
.钻头选型
.钻压
.转速
2.2.9井控、安全设计
三、气体钻井的优势
1、气体钻井的优点
气体钻井技术的优点在于能够降低钻井成本，提高单井产量，具体表现在以下几个方面。
1.1提高钻井速度，缩短钻井周期
在气体钻井中，地层孔隙压力会在负压差条件下产生向井内的“推力”，该“推力”有促使井底岩石破碎（或崩离井底）的趋势。该现象的实质是原始地层孔隙压力向井内气体压力过渡的“压降梯度”，类似于单井径向流中的“压降漏斗”。对于有可动流体的层位，该压降梯度由流体在多孔介质中的流动阻力所产生；对于有束缚流体的层位，该压降梯度则由液固界面张力和流体粘度所产生。该流动阻力产生的流固祸合应力使井底处岩石有脱离的趋势。 1.2消除井漏对一钻井的影响
井漏是指在钻井过程中循环介质不返出地面，而是消失进入地层的现象。过平衡钻井中，井内液柱压力高于地层压力，钻井液会向地层发生轻微渗漏，如果钻遇高渗层或裂缝或熔洞型地层时，可能会造成大量钻井液流入地层，造成严重井漏或恶性不返，这不仅延长了钻井周期，而且会因钻井液的大量消失而造成更大的经济损失。气体钻井井内压力远低于地层压力，循環流体进入地层的作用力没有了，因此可以完全避免发生井漏。
1.3克服水敏性页岩坍塌
水基流体钻井中，如果钻遇水敏性页岩，循环介质中的水相与页岩发生物理化学作用，使页岩强度降低，造成井壁坍塌。如果采用气体钻井，由于工作流体中无水基成分，钻进中不会对井壁的岩石强度造成影响，因此不会引起井壁的水化坍塌。
1.4减轻或消除钻井流体对油气层的伤害，能随钻评价产层
由于气体钻井循环介质中不含水基流体，因此可以彻底地消除正压差伤害和水相圈闭对储层的伤害，而且钻井过程中由于地层流体流入使立管压力、出口返速等可观测参数发生改变，因此可以通过直接计量分析返出的地层流体来实现对产层的随钻评价。
四、气体净化装置设计与分析
1、根据气体钻井增压机的工作原理、结构特点、调试参数以及气体净化装置的使用环境，提出了气体净化装置的设计要求和技术指标：额定工作压力2.4MPa；额定压降≤0.1MPa；额定气体处理量60～180Nm3/min；额定净化温度100℃；分离效率≥99%；过滤精度（简称过滤度，即以微米级颗粒计数的过滤效率）≤10μm。
2、对气体净化方法和净化设备进行了调研与分析，提出了旋风分离+挡板分离+滤芯过滤分离的三级净化方案。
3、压缩空气过滤器的选型与设计
对压缩空气过滤器的特点、滤芯材质，使用场合、过滤效率、经济性和使用寿命进行了分析，完成了滤芯选型与设计：滤芯数量为10只（每个分离罐内5只）；滤芯材质为烧结不锈钢丝毡；单只滤芯的过滤能力为：额定处理量25Nm3/min；过滤精度10μm；过滤效率>99.5%；初始压力降<500Pa；终了压力降7000Pa；工作寿命（连续工作时间）>6000h。
4、旋风分离器的设计
结构参数设计上，分析了旋风分离器的主要结构形式，完成了筒锥形标准旋风分离器的结构设计；旋风分离器的压降及分离效率计算，选择Stairmand模型和Barth模型分别对旋风分离器进行压降计算和分离效率计算，当气体流量为90Nm3/min时压降6064Pa，颗粒直径为10μm时的分级效率为99.6%，达到了净化装置初级净化的设计要求。
5、装置样机
气体净化装置是两个并联的分离罐，该装置结构紧凑，分离效率高，有压差指示、安全泄压、手自动排污等功能，其布置图如图1所示，主要技术性能见表2。
该装置实现了以下目标：气体净化装置具有强制旋风分离+挡板分离+滤芯过滤分离的三级净化能力；气体净化装置具有压差指示、安全泄压、手自动排污的功能；并列的双分离罐配置，增加了气体净化装置对不同气量的分离效果，具有更强的现场适应性，可以满足增压机进气质量要求，减少因油水和固体颗粒杂质引起的增压机组的维护次数和故障损失，减少因为停气导致的卡钻等井下复杂情况，为气体钻井的安全顺利实施提供保障。
结束语
气体钻井是目前钻速最快、最经济的钻井方式之一，具有泥浆钻井所不具备的诸多优点。气体钻井服务过程中，气源中未能分离的液态油水、输送管路中的铁锈和管线安装时意外进入的泥砂等固体颗粒，如果不及时清除，一旦进入增压机，将会导致增压机进气过滤器堵塞、气缸高温、缸头断裂、拉缸、气阀组件和活塞环损伤等现象，对增压机造成损坏，明显增加设备运行和维修成本。增压机损坏后，将进行停气操作，处理不当将导致卡钻等井下复杂情况，影响气体钻井的安全实施，同时增加气体钻井成本。
参考文献：
[1]魏武，许期聪，邓虎.气体钻井技术的应用与研究[J].天然气工业，2010（05）.
[2]孟英峰，刘绘新.注气欠平衡钻水平井的新技[J].石油勘探与开发，2011（01）.
[3]杨令瑞.四川天然气平衡钻井完井技术研究与应用[J].天然气工业，2012（03）.
[4]韩祥龙.探讨气体钻井和控压钻井技术应用效能的影响因素[J].科技致富向导，2012（02）.