作者：（美）莱昂斯等
出版社：石油工业出版社
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空气与气体钻井手册(第三版)试读：
内容提要
本手册从气体与钻井液钻井的对比入手，介绍了地面专用设备、井下设备、压缩机与氮气发生器、专用井下钻井设备等，重点讲解了空气钻井、气体钻井、不稳定泡沫钻井、稳定泡沫钻井、充气钻井液钻井、欠平衡钻井等内容。并且总结了大量公式、图表和计算实例以方便读者阅读。
本手册适合从事钻井工作的现场技术人员、研究人员及高校相关专业师生参考。
图书在版编目（CIP）数据
空气与气体钻井手册（第三版）/［美］莱昂斯等著，杨虎等译.北京：石油工业出版社，2012.3（国外油气勘探开发新进展丛书：第9辑）
书名原文：Air and Gas Drillingmanual
ISBN 978-7-5021-8899-3
Ⅰ.空… Ⅱ.①莱…②杨… Ⅲ.气体钻井-技术手册 Ⅳ.TE242.6-62
中国版本图书馆CIP数据核字（2011）第002875号
Air and Gas Drillingmanual，Third Edition. Willian C.Lyons ISBN：978-0-12-370895-3（ ISBN of original edition）Copyright © 2009 by Elsevier.All rights reserved. Authorized Simplified Chinese translation edition published by the Proprietor.Copyright © 2012 by Elsevier（Singapore）Pte Ltd. All rights reserved.
Published in China by Petroleum Industry Press under special arrangement with Elsevier（Singapore）Pte Ltd..This edition is authorized for sale in China only，excluding Hong Kong SAR and Taiwan. Unauthorized export of this edition is a violation of the Copyright Act.Violation of this Law is subject to Civil and Criminal Penalties.
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2012年3月第1版 2012年3月第1次印刷
787×1092毫米 开本：1/16 印张：34.25
字 数：832千字
定 价：150.00元（如出现印装质量问题，我社发行部负责调换）
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《国外油气勘探开发新进展丛书（九）》编委会
主 任：赵政璋
副 主 任：赵文智 张卫国
编 委：（按姓氏笔画排序）
马 纪 侯玉芳 詹盛云 刘德来
张 磊 杨 虎 张仲宏 周家尧
姬忠礼 周思柱 章卫兵序
为了及时学习国外油气勘探开发新理论、新技术和新工艺，推动中国石油上游业务技术进步，本着先进、实用、有效的原则，中国石油勘探与生产分公司和石油工业出版社组织多方力量，对国外著名出版社和知名学者最新出版的、代表最先进理论和技术水平的著作进行了引进，并翻译和出版。
从2001年起，在跟踪国外油气勘探、开发最新理论新技术发展和最新出版动态基础上，从生产需求出发，通过优中选优已经翻译出版了8辑近50本专著。在这套系列丛书中，有些代表了某一专业的最先进理论和技术水平，有些非常具有实用性，也是生产中所亟需。这些译著发行后，得到了企业和科研院校广大生产管理、科技人员的欢迎，并在实用中发挥了重要作用，达到了促进生产、更新知识、提高业务水平的目的。部分石油单位统一购买并配发到了相关的技术人员手中。同时中国石油总部也筛选了部分适合基层员工学习参考的图书，列入“千万图书送基层，百万员工品书香”活动的书目，配发到中国石油所属的4万个基层队站。该套系列丛书也获得了我国出版界的认可，三次获得了中国出版工作者协会的“引进版科技类优秀图书奖”，形成了规模品牌，产生了很好的社会效益。
2011年在前8辑出版的基础上，经过多次调研、筛选，又推选出了国外最新出版的6本专著，即《油藏工程手册》、《现代油藏工程》、《钻井工程手册》、《空气与气体钻井手册（第三版）》、《燃气轮机工程手册》、《阀门选用手册（第五版）》，以飨读者。
在本套丛书的引进、翻译和出版过程中，中国石油勘探与生产分公司和石油工业出版社组织了一批著名专家、教授和有丰富实践经验的工程技术人员担任翻译和审校人员，使得该套丛书能以较高的质量和效率翻译出版，并和广大读者见面。
希望该套丛书在相关企业、科研单位、院校的生产和科研中发挥应有的作用。中国石油天然气股份有限公司副总裁
原书前言
第三版的《空气与气体钻井手册》适用于石油、天然气和地热流体开发，对于从事气体钻井设计和施工的工程师、地球科学家来说是一本工程实践教材。本书包括空气（气体）钻井、充气钻井和泡沫钻井。在机械破岩方面，本书涵盖了传统的旋转钻井、井下动力钻具钻井、井下空气锤冲击钻井。
本书的第一版是在1984年由休斯敦的Gulf公司出版。主要是为了油气钻井工业而作，并获得了一定的成功，第一次印刷后在20世纪80年代末就售完了。第二版是在2001年由McGraw-Hill公司出版，增加了很重要的关于浅层钻井技术的章节（例如，水井、环境监测井、双壁钻杆和空气锤技术）。
新编第三版的独特之处在于全部公式计算均由英制和国际单位制表示，包括空气（气体）钻井、充气钻井和泡沫钻井的重要方程。方程的求解以MathCadTM为基础，采用英制和国际单位，将这些复杂流体问题的求解过程清晰地展示给读者，MathCadTM的求解过程详见附录。
作者要感谢Elsevier Science和Technology Books的编辑和全体工作人员，尤其是高级编辑KenmcCombs和开发项目经理AnnemcGee在手册准备阶段的大力支持和帮助。
作者也要感谢威德福国际公司欠平衡钻井全体技术人员对手册出版工作的大力支持。我们还要特别感谢Jim Stanley的不断鼓励。
作者希望钻井界的工程师和科学家们对本书进行指导批评，也对本书中存在的一些疏漏表示歉意。我们知道这本书并不是完美无缺的，但我们也相信这个版本内容是完整的。William C. LyonsBoyun GuoReuben L. GrahamGreg D. Kawley1 绪言
空气与气体钻井技术约占世界陆上油气钻井的30%。该项技术适用于成熟的沉积盆地。因为成熟的沉积盆地年代更久，含水少，地层胶结良好。尽管现代空气与气体钻井技术始于20世纪30年代的美国，但现在该技术已经广泛应用于世界范围内油气生产区。在该项技术大力发展的今天，以手册的形式向钻井技术人员介绍该技术的基本理论是非常重要的。
工程师和钻井管理人员为了使钻井操作更为经济有效，需要做事先的计算分析。空气与气体钻井的计算非常复杂且需要编制计算机程序，已经有比较成熟的商业化计算软件。尽管如此，按照大多数工程领域的传统，一旦程序的基本框架确定，我们的研究部门就要不断完TM善和丰富计算模型。作者选择MathCad作为工具让读者清楚地了解TM空气与气体钻井计算过程。MathCad求解非常迅速，我们可以手工连续地编写程序。TM
在每一章中都有详细的MathCad求解过程和结果总结，求解用了英制和国际制单位。学习该技术的读者可以自由选择利用已有的商业化软件或者自己发展本公司的程序。1.1 宗旨和术语
本书的宗旨就是希望读者能够掌握新型的空气与气体钻井技术的基本概念和作业流程。该项技术局限于陆上钻井作业，包括3个具体技术分类：（1）空气与气体钻井；（2）充气钻井液钻井；（3）稳定泡沫流体钻井。该项技术在石油钻井工业中应用的两个特殊目的为快速钻井和欠平衡钻井。
快速钻井：此类型钻井充分利用了该项技术特有的环空井底压力低的特点。通常，环空井底压力较低会导致机械钻速增大。该类型的钻井作业主要针对储层之上的非目的层钻井，其特殊目的是在储层以上的非目的层实现快速钻进，最终实现缩减钻井作业成本的目的。
欠平衡钻井：此类型钻井也利用了该项技术特有的环空井底压力低的特点。欠平衡钻井采用各种不同密度的流体（空气与气体、充气钻井液、稳定泡沫）以产生不同的井底压力，在钻井过程中环空井底压力低于储层孔隙压力。随着钻头在储层中的钻进，储层流体渗入井筒。欠平衡钻井的目的是避免储层伤害，提高储层高效生产。1.2 工程计算和单位制
现代工程实践可追溯到公元8世纪的“master buider”传统。那是一个创造测量方法的时代，包括著名的Charlemagne脚步法。从公元8世纪到17世纪，全世界使用多种重量和长度计量单位，直到1824年发生的重量和长度计量运动（Weights andmeasures Act），英格兰群岛、英格兰联邦国家和部分英格兰早期殖民地的计量单位统一为英格兰度量衡法定标准体系（BIS），美国实际上并未完全采纳该计量体系，仅借鉴了部分主要的单位和1824年之前殖民时期部分旧的单位。美国的这种演化最终形成了美国惯用单位体系（USCS），该计量体系目前仍通用。
现今通用的国际计量单位体系的某些基本单位或许源自法兰西路易十四时期。该计量体系就是现在通用的SI单位制（或国际单位）。该计量单位体系在1875年的法国公约中统一整理。现今大部分单位体系，包括：英格兰度量衡法定标准体系（BIS）和美国惯用单位体系（USCS），均参考了现今的重量（质量）和长度计量SI单位。这些重量和长度计量在法国、英国等国家都在使用，自1875年国际单位体系迅速并广泛地在全球开始使用。该单位体系的特点是相容性好，使用简单，且基于十进制计量。国际单位制中的所有计量单位均以十进制递增，例如，10，100，1000等。现今，全球用于国际商业和贸易的所有其他单位体系在确定其国际商业贸易的合法性之前，必须参考国际标准单位体系。1.2.1 物理机理
本文给出了主要计量单位的基本概念，这些单位可用于定义其他计量单位。
力是两个物体间的相互作用，可导致另一个物体加速运动，或在原物体上产生相等大小的反作用。
时间是事件连续性的测量方式，在牛顿力学中，时间是一个绝对值；在相对论中，时间在所观察事件的参照系统中是一个相对值。时间的统一单位为秒。
惯性是指一个物体阻止其本体改变运动状态的特性。
质量是指物体惯性的量。
本书在牛顿力学和牛顿万有引力定律适用条件下，3个定律分别是：
定律Ⅰ：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直至受到其他物体的作用力迫使它改变这种状态为止。
定律Ⅱ：物体受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小，与物体的质量呈反比。
定律Ⅲ：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。
需要注意：上述牛顿力学3个定律的定义被视为力的概念。1.2.2 基本单位和用法
USCS单位制是一个万有引力体系，其中的长度、力和时间（例如，分别为L，F和T）为该单位体系的基本量，其他单位，包括质量，均为推导量。SI国际单位制是一个绝对体系，其中的长度、质量和时间（例如，分别为L，M和T）为该单位体系的基本量，其他单位，包括力，均为推导量。
万有引力体系与绝对体系间差别的原因在于希望对一个物体质量的定义和量度保持一致，除非其他物体通过万有引力对其产生影响。因此，SI国际单位体系需要与牛顿万有引力定律一致。牛顿万有引力的数学表达式为：式中 F——万有引力，lbf（N）；gavity-822-112
G——比例系数，3.437×101bf·ft/slug（6.673×10N·m/2kg）；
m——物体1的质量，slug（kg）；1
m——物体2的质量，slug（kg）；2
d——两物体间的距离，ft（m）。
牛顿第二定律可表示为：式中 F——近地表物体所受的力，lbf（N）；
m——任何物体的质量，slug（kg）；22
a——受力物体的加速度，ft/s（m/s）
如果一个物体位于或接近地表，地球对该物体的作用力被称为重力（假设该物体不存在其他力的作用），此时加速度a就变为g，即物体朝地球中心自由下落时的加速度。将g代入式（1.2），并与式（1.1）联立，则g可表示为：
大多数实际工程力学问题采用的重力加速度是将各个单位体系的数值代入上式计算而得，其中：质量为物体在地球中纬度的平均值，距离为地表附加物体距地球中心的距离。表1.1列出了USCS和SI单位体系的重力加速度g，其中包括精确值和工程值。表1.1 USCS和SI单位体系的重力加速度
值得注意的是地球并非一个理想的球体。因此，在极地和赤道地区物体自由下落的重力加速度存在差别。地球的椭圆形说明赤道附近的重力加速度略高于极地。对于地球表面的多数工程的计算应用均采用重力加速度的平均值。
本著作第三版的目标就是让钻井工程师和其他技术人员采用USCS和SI两种单位体系进行空气和气体钻井的相关计算，尤其是多数的工程师和技术人员更喜欢采用国际单位制。本书中讨论的多数计算实例均为稳态流动问题。为实现此目的，本书的计算内容多数采用两种单位制，并且将两种单位制间操作透明化。
本书中几乎所有方程式的推导过程均采用了统一的单位体系。该版书中的大多数方程式表征为稳态流动，方程式中 有一些质量和重力加速度的关系。因此，对于国际单位制一次转换，涵盖质量单位2（kg）的变量在转换为力（N）时，均需乘以9.8m/s。例如，功率的2国际单位首选N·m/s（W），而不是功率单位的原形式kg·m/3s（W）。对传统国际单位制的二次单位转换后，例如流体流动压力22的单位为N/cm，而不是其原形式N/m。针对单位制的最后转换，不论是采用USCS单位制还是SI单位制，其操作人员很难想象通径为2in（50.8mm）的管流面积承受的压力有多大，此时此受力面积的压力或应力值是流道面积或受力面积的许多倍。因此，在应用USCS单222位制时，压力和应力的的单位lbf/ft可转换为lbf/in，N/m可转换为N/2cm。
本质上，作者推荐分析SI单位制和USCS单位制时，可将其视为L，F和T体系，而不是L，M和T体系。尽管此处理方法忽视了SI单位制的纯粹性，但利用SI单位制的质量概念（USCS单位制的力的概念）［1］远远胜于组合单位的转换和附加的相关系数。
研究化学和物理学的工程师及教师们对这类易产生误导的单位转换表示怀疑，他们希望以力为基础单位的热传递方程式应该转换为以［2］质量为基础单位的方程式。由于比热容的SI单位为kcal/（kg·K），USCS单位为Btu/（lb·°R），所以SI单位制的热传递方程式以质量流量为基础，而USCS单位制的热传递方程式以重量流量为基础。对于首选单位制不是国际单位的读者，这些单位转换令人担心。如果两种单位体系采用相同的方式转换，那么工程师很容易采用任何单位制进行计算。表1.2列出了“kg”应用时的单位转换。表1.2 定义质量的单位［1］
本书中另一项重要的变化就是将SI国际单位制应用于钻井计算过2程中，没有采用N/m和Pa作为压力的单位。多数工程师认为将这些数值与很小的横截面积（例如，通径为2in管路）相关联是件麻烦3事。此时，我们希望采用的压力单位是N/cm。实际上，将该单位的4数值乘以10就可得出以Pa为单位的压力值，乘以0.6897就可得出以psi为单位的压力值。这种压力单位转换的便利性可由图1.1所证实，该图中同一个表盘上标明了两种刻度，很容易读取压力值（同时可参考另一个数值）。2图1.1 压力表（包括psi和N/cm两种单位刻度）参考文献
［1］Daugherty，R. L.，Franzini，J. B.，and Finnemore，E. J.，Fluidmechanics with Engineering Applications，Eighth Edition，McGraw-Hill，1985.
［2］SPE Alphabetical List of Units，SPE Publication，2006.2 气体与钻井液钻井的对比
本工程操作手册是为那些从事现代旋转钻井作业的工程师、地球科学家以及技术人员们准备的。本书推导并举例说明了与空气和气体钻井技术有关的工程计算方法，本书的各章节中使用一致的单位，方程式尽量最简化。第1章和附录A说明了单位制的重要性，给出了英制和国际制两种单位制的转化关系。
空气与气体钻井技术利用可压缩的空气和其他气体作为钻井循环流体，把井底随钻头的钻进而产生的岩屑携带到地面。被压缩的空气或其他气体（如氮气、天然气）可以单独使用，也可以与不可压缩流体（如淡水、地层水或地层油）混合注入井内使用。该技术包括三种不同的应用方式：空气与气体钻井作业（只用压缩空气或其他气体作为循环流体）、充气钻井作业（把空气或其他气体与不可压缩的液体混合）和稳定泡沫钻井作业（把压缩的空气或其他气体与不可压缩的液体混合，产生一种连续的泡沫循环流体）。
在过去，空气与气体钻井作业是油气开发钻井工业的一小部分。目前，采用压缩空气（或其他气体）、充气液或泡沫作为循环流体的气基钻井占所有钻井总数的20%～30%。现代油气储层开发采用气体钻井作业主要存在两个方面的缘由。
快速钻井：采用气基流体钻井钻潜在储层以上的非储层段，利用低压流体的特点提高机械钻速。
欠平衡钻井：采用气基流体钻井钻潜在储层，利用环空井底压力低于地层孔隙压力的特点，减少或消除钻井过程中的储层伤害，避免影响随后的油井生产。
气动传输首先应用于借助空气的流动来运移物体。气流是由蒸汽作为动力，带动扇叶旋转产生的，它是16世纪早期工业革命的产物。到19世纪60年代末，气动传输已成规模，对高压力的空气和其［1］他气体的需求，导致了19世纪70年代末期的空气压缩机的诞生，［2］这些早期的压缩机，都是靠蒸汽来产生动力的。自内燃机出现以后，出现便携式的往复式压缩机和旋转式压缩机也成为可能。在19世纪80年代末期，人们首次在采矿业使用了便携式压缩机进行钻井作业。2.1 旋转钻井
旋转钻井是在地壳岩层中钻探井眼的一种方法。该方法是一种比较新型的钻井方式，是法国土木工程师Rudolf Leschot在1863年最先［3］发明的钻井方式。首次使用淡水作为循环流体钻探水井。到目前为止，这种方法是唯一钻超过3000ft（或900m）井深的钻孔技术。当首次把空气压缩机应用于钻水井时，人们对这种方法还是一知半解，但是，在20世纪20年代，便携式压缩机开始应用在钻探石油和天然［4］气井时，这种方法才被人们所认知。1935年，在得克萨斯州采用管道里的天然气成功进行天然气井的气体钻井，并且采用了反循环钻［5］井方式。
现在，旋转钻井被用于钻各种各样的井眼，大多数水井和环境监测井都采用旋转钻井。在采矿业中，旋转钻井可用于钻岩矿井和试验井，这样，有助于钻进较深的大尺寸垂直井。为了铺设那些从河流、公路和其他天然或人工障碍下通过的水、油、气和其他的液体管道，曾用旋转钻井技术来钻此类的孔洞。尤其是，最近，旋转钻井被用来在城镇或工业区等人口与建筑密集的地区铺设光学纤维和通信管线而钻孔。旋转钻井最复杂的应用是钻深井，其主要目的是为了发现原油、天然气和地热蒸汽、地热水等自然资源。要发现这些流体资源，钻井深度至少需要3000ft（900m），甚至高达20000ft（6000m）。
旋转钻井具有很强的适用性，旋转钻井适用于火成岩、变质岩和沉积岩的钻探。然而，为发现原油和天然气，深井钻探的地层大部分为沉积岩。若寻找地热蒸汽和地热水，钻探的地层则包括上述三种岩性。旋转钻井需要采用切削岩石或破碎岩石的钻头。图2.1所示为典型的碳化钨硬质合金齿的三牙轮钻头，此类钻头主要以压碎的方式破岩（详见第4章），并且主要用于中等硬度的沉积岩钻进。
为保证钻头在岩石中的顺利钻进，需要运用钻头的轴向力和扭矩，并且要让循环流体及时地清理钻头在钻岩石的过程中产生的岩屑（图2.2）。如果钻头不施加轴向载荷而其他两个方面正常工作，则钻头不会向前推进。同样，如果钻头不施加扭矩而其他两个方面正常工作，则钻头不会向前推进。然而，如果停止流体循环而其他两个方面正常工作，则钻具容易损坏。上述简短的论述是为了说明钻井整个循环系统的重要性。图2.1 IADC代码为627碳化钨硬质合金齿的in（200.1mm）三牙轮钻头图2.2 旋转钻进的3个必要的组成示意图
各种钻机均可用于旋转钻井，可以是小型的单钻杆钻机，也可以是较大型的双钻杆或三钻杆钻机。现在大多数的陆地钻机都是具有折叠井架的可移动式钻机。一台单钻杆钻机的纵向空间仅仅能排放单根钻杆，双钻杆钻机的纵向空间可排放两单根连起来的钻柱，三钻杆钻机的纵向空间可排放3个单根连起来的钻柱。表2.1给出了钻铤和钻杆［6］API长度范围。
图2.3所示为Gardner Denver SD 55型自动推进单钻杆钻机。这种小型的单钻杆钻机具有很好的可移动性，主要用来钻进小于3000ft（900m）的浅井，例如，煤层气井和地热井。该特殊钻机使用的钻铤和钻杆尺寸范围见表2.1的范围2。图2.3 典型的自动推进单钻杆钻机（由George E. Failing公司提供）图2.4 典型双钻杆钻机的示意图表2.1 API钻杆和钻铤的长度范围
这种钻机既可用钻井平台上的空气压缩机，也可用钻井平台上的钻井泵，有时压缩机和钻井泵同时采用。这种钻机在钻井平台上有的有一个专用的主发动机，有的配备一个动力牵引系统（其中绞车是主要的动力牵引系统）。这种小型钻机由钻柱通过链式驱动提升系统或液压提升系统向钻头提供轴向力。提升系统把设备重力的一部分传到钻杆的顶部，然后再传给钻头。钻柱的顶部扭矩和转动由液压顶驱提供，这种顶驱通过链式驱动提升系统使钻柱上下移动。许多单钻杆钻机都可以使钻柱在与垂直方向上呈45°倾角状态下工作。这种钻机的主要燃料是丙烷或柴油。图2.5 Helmerick & Payne股份公司的Flex钻机
图2.4所示为一台典型双钻杆钻机的示意图，这台钻机装配了一台用来循环钻井液的钻井泵。有一台运载车来运载钻机，运载车同时向转盘、绞车和钻井泵提供动力。对于这种钻机，这些动力带动液压泵打出高压，通过向液压发动机提供流体驱动液压马达来操作转盘、绞车和钻井泵。井架上的二层平台可以完成两钻杆的连接工作。这种钻机利用转盘和方钻杆向钻柱提供扭矩，由钻柱底部的钻铤的重量提供轴向力。示例中的钻机所配置的设备，只能用钻井液或者是净化水作为循环流体。安装在钻机前端的小型压缩机可以用于钻机的气动操作。这种钻机完全适用于空气和气体钻井作业。已经配备钻井泵的这种钻机，为了完成空气钻井作业，需要安装一台辅助的外部空气压缩机。空气钻井作业时，通常由专门的分包商提供压缩系统及其相关的设备。
图2.5所示为一台新型陆地钻井用的三钻杆钻机。该新型Flex钻机配备了转盘，并且需要在钻井现场进行组装。
除了配备最先进的钻井设备（自动液压大钳、独立操作台等），新型Flex钻机的设计理念也是独一无二的，该钻机可实现快速装配和拆卸，最大限度地节约非生产时间。国际钻井承包商Helmerick & Payne股份公司使用此钻机在海上和陆地上进行多次钻井作业。该钻机的钻井深度可达18000ft（5500m）。2.2 循环系统
钻井液钻井系统和空气与气体钻井系统均采用两种类型的流体循环技术，即正循环和反循环。2.2.1 正循环
图2.6给出一个旋转钻井的示意图，典型的双钻杆（三钻杆）钻机采用正循环钻井液系统。正循环需要把钻井液或净化水从钻井泵中流出，依次经过井架上的立管、水龙带、水龙头并顺方钻杆、钻杆和钻铤流下，然后，通过底部的钻头进入井眼与钻柱外部的环空。钻井液携带岩屑并在环空中上返，把岩屑携带到地面，然后通过地面钻井液振动筛把岩屑从钻井液中除掉，最后钻井液返回到钻井液罐（钻井泵会再次把钻井液循环到井内）。用在这种双钻杆（三钻杆）钻机上的钻井泵为容积式往复泵。图2.6 正循环钻井液系统示意图图2.7 正循环空气钻井系统
对于单钻杆钻机，钻井液处理通常是把淡水放在地面上的池子中，并接上密闭的塑料管。一根高压水龙管从钻井泵的吸入端接到钻井液池上（图2.4）。钻井液从钻井液池中抽出，依次经过泵、钻机上的管线系统、水龙带，然后在水压驱动下进入钻杆，再经由钻头到达井底。钻井液在钻杆外部与井眼的环空携带岩屑到达地面。在地面，夹带岩屑的钻井液返回到钻井液池，在钻井液池中，岩屑沉淀到池的底部。这种钻机上的泵是小型容积式往复式活塞或离心式活塞。
图2.7是用在双钻杆或三钻杆钻机上的正循环压缩空气钻井系统示意图。正循环要求让压缩空气进入井架上的立管，依次经过水龙带、水龙头，进入方钻杆，然后再沿钻杆和钻铤向下流动，最后经由底部钻头返到钻柱外部和井眼形成的环空。经过压缩的空气夹带岩屑返到地面，通过排出管路进入钻井液池，然后再进入地面上的废气燃烧坑，这些池子之间用密封的塑料管线连接。
如果用天然气钻井，在主要天然气管线和钻机之间要连一条气体管线。通常在这条管线上装备增压（辅助）压缩机，目的是让管线中的气体到达钻机的立管之前达到较高的压力。2.2.2 反循环
反循环旋转钻井（用钻井液或者压缩空气或气体）和正循环一样，也是一种很好的循环方法。反循环模式尤其适用于大井径的浅井，典型的反循环作业采用钻井液。钻井液（净化水）从污水泵（或钻井泵）中流出，返到井眼和钻柱外部之间环空的顶部，到达井眼底部。在井底，夹带岩屑的钻井液通过钻头上的大喷嘴，沿钻柱内部空间上返到地面。在地面，岩屑由钻井液振动筛从钻井液中除去，钻井液重新返回到钻井液罐（在钻井液罐中污水泵会再次把钻井液循环到井中）。
用空气或气体作为循环流体的钻井方法，也可以采用反循环的方式。图2.8是用空气或气体（雾或者非稳定泡沫）作为钻井液的反循［7］环的典型例子。这个例子所示的是双层管（双层钻杆）的封闭反循环系统。封闭空间指的是外部管子的内部和内部管的外部之间的空间。这是一种专用的反循环系统，通常只用在井架底部有旋转驱动的单钻杆或双钻杆钻机上。双层管和双壁钻杆由美国和世界上其他地方的个别制造商制造（第4章）。
反循环钻井需要专门制造的特殊钻头。图2.9为反循环作业的三牙轮旋转钻头内流道设计示意图。正像那些用于正循环的钻头，这类钻头也配备类似的牙轮轴承（图2.1）。然而，这种钻头的中心处有一个大的流道，可以让夹带岩屑的循环流体，从井底由这个流道进入钻柱的内部空间并到达地面。
如图2.9所示，大多数三牙轮钻头的中心流道的设计直径为in（146mm）或者更小。图2.1所示为典型的用于正循环的三牙轮钻头。通常正循环所用的都是配备三个喷嘴的三水眼钻头。用于反循环作业的三牙轮旋转钻头直径为～31in（114～787mm）。用于反循环的且较大直径的钻头需要专门设计和制造。双管反循环作业需要专门的配有导流罩的钻头，这种钻头可用于特殊的钻井作业，需要专门制造。多数用于反循环的三牙轮钻头，由专门的采矿钻井设备公司制造生产。图2.8 双层管（双壁钻杆）封闭反循环作业示意图图2.9 反循环作业的三牙轮旋转钻头内流道设计示意图（由史密斯公司提供）2.3 钻井液钻井和空气钻井的对比
通常情况下，主要对比正循环方式下的钻井液钻井和气体钻井。2.3.1 优点和缺点
钻井液钻井和空气钻井都有一些基本的优点和缺点。最初的认识是，气体钻井相比于钻井液钻井能够提高机械钻速。
图2.10所示为各种不同的钻井流体（前四种包括气体钻井技术）及其对机械钻速的影响。密度最小的钻井流体在列表的顶部，密度最大的钻井流体在底部。一般而言，钻井流体越轻机械钻速就越大。在环空（输送岩屑）中，液柱作用越轻，钻头切削面上的围压就越低。围压越低，越有利于钻头破岩（第4章）。图2.10 不同钻井流体提高机械钻速的程度图2.11 不同钻井流体避免储层伤害的潜力
图2.11所示为各种不同的钻井流体在避免地层伤害方面的相应潜力。在流体资源的勘探（如水井、环境检测井、石油和天然气以及地热井等）中，储层伤害是一个严重的问题。在携带岩屑的环空中，液柱越轻，储层伤害的程度就越小。当液柱作用在井眼底部的压力高于储层的孔隙压力时，就会产生储层伤害。较高的井底压力，就会导致钻井液沿裂缝或者孔隙进入所钻的储层，于是井眼附近区域就有了新的特征，这种破坏叫做表皮效应，它损害了地层流体渗流入井眼中的能力，从而降低了井的产能。
图2.12所示为各种不同的钻井流体防漏能力示意图。当钻井流体或滤液在钻到有裂缝或者大的、连通性好的孔隙或溶洞岩层时，就会发生漏失，如果这些裂缝或孔隙足够大而且没有被地层流体充满，那么在环空中本应循环回地面的钻井流体就会进入这些裂缝或孔隙当中，这样将导致没有钻井流体（携带岩屑）返出地面。岩屑滞留井底，就会在钻头和底部钻柱形成卡钻。如果这种情况没有被及时发现，在井筒内的钻柱就会发生扭曲，从而产生机械破坏，甚至剪断钻柱，导致实施井内打捞钻柱的工作。
对于深层油气开发井，漏失将产生更多的灾难性的后果。如果钻井流体漏入漏层，环空液面的下降造成井底压力过低，低压就会诱导高压油气或地热流体涌入环空。这种溢流必须及时平稳地循环出井筒环空，否则，就会发生井喷失控事故。同时，加大钻井流体密度常常又会导致更加严重的漏失（箭头所指方向更易于避免漏失）。
图2.13所示为各种不同的钻井流体控制高地层孔隙压力区域的相应能力。在石油、天然气和地热的钻探作业中，常常会遭遇到高孔隙压力。在石油、天然气和地热的新开采的过程中，也会遇到高孔隙压力的问题。为了顺利安全地钻探作业，就要采用更高密度的钻井液。在环空中采用高密度液柱产生的高井底压力来平衡地层的高孔隙压力。
图2.13表明，环空中液柱越重，钻井液平衡孔隙压力的效果就越好（箭头越向下表示控制孔隙压力能力越高）。然而，使用高密度钻井液也是有限制的，密度过高的钻井液会导致过平衡压力，从而引起储层伤害。另外，过平衡钻井的一个更大的风险在于，如果钻井液密度太大，在裸眼段的地层可能会发生破裂现象。这种地层破裂就会导致井漏，进而导致井喷事故。图2.12 不同钻井流体避免井漏的能力图2.13 不同钻井流体控制高地层孔隙压力的能力
在过去的十年里，人们发现在钻井过程中，钻井液产生的井底压力低于地层孔隙压力的时候，往往可以获得最好的结果。这种类型的钻井称作欠平衡钻井。欠平衡钻井允许在钻井过程中有地层流体产生，这样就可以避免或减轻储层伤害，减小发生地层破裂和漏失的可能性。一般来说，当地层孔隙压力较高时，可以通过调节钻井流体密度来确保实现欠平衡。当然，当地层孔隙压力不是很高的时候，就需要使用气体钻井技术来降低环空液柱压力，实现欠平衡钻井。
图2.14所示为不同钻井流体阻止地层水流入井筒的能力。当钻到地下目标深度时，经常会遇到地层水。地层水存在于目的层以上岩层的裂缝或孔隙中，如果用钻井液作循环流体，环空液柱压力通常可以有效阻止地层水从井眼裸露的岩层中渗出。钻井流体密度越低，井底压力就越小，作用在裸眼井壁的裂缝和孔隙中的压力就越小。如图2.14所示，密度越大的钻井流体在克服地层水进入井筒的能力越大（箭头向下指向更好的控制地层水的能力）。图2.14 不同钻井流体控制出地层水的能力2.3.2 流动特征
以下是在深井中钻井液钻井和空气钻井的流动特性对比。图2.15所示为一个典型井的井身结构示意图。该井由地表至井深7000ft（2133m）的井段，下入直径为in（219mm）、单位长度上质量为32.00lb/ft 14.60kg/m的API套管，采用in（200mm）钻头钻出套管鞋。做流动特性的对比井深为10000ft（3048m）。该井自井底至井口的钻柱结构为：in（200mm）钻头+in（159mm）钻铤（内径in）×500ft+in（114mm）API钻杆（单位长度上质量为16.60lb/ft或7.52kg/m，钢级IEU-S135，NC46）×9500ft（2895m）。图2.15 实例中典型井的井身结构和钻具组合示意图i—注入口；a—钻头上游；b—钻头下游；c—钻铤环空；d—钻杆环空；e—出口
钻井液钻井的水力参数计算时，假设钻井液重度为10lbf/gal（密3度为1201kg/m），属于宾汉模型，钻井液屈服值为2210lb/100ft（48N/10m），塑性黏度为30mPa·s。假设钻头有3个直径为12/32in（9.5mm）的喷嘴，钻井液的循环流量为200gal/min（757L/min）。图2.16所示为不可压缩钻井液在井筒内的压力与深度的关系曲线。图中给出了钻柱内的压力曲线分布情况，在井口处的压力约为21072psig（739N/cm），而在钻头喷嘴上游的钻柱底部压力约为25877psig（4049N/cm）。在图上，也有一簇环空压力曲线，在喷嘴2下游井底环空压力约为5401psig（3721N/cm），在环空顶部的地面压力为0psig。
图2.16所示为钻井液静液柱重量以及钻柱和环空内表面流动阻力，由于流体内摩擦力的作用，在流动过程中会有压力的损失。这种压力损失包括管壁、井壁和钻头水眼上的压力损失。这个例子的钻柱设计中，钻头上备有光水眼或大喷嘴。该计算实例中循环系统的整体2压力损失约为1071 psi（739N/cm），钻头压耗约为476psi（328N/2cm）。钻头喷嘴直径越小，产生压耗越大，且地面的喷射力越大。
假设空气钻井作业地面海拔等于海平面，采用两台额定排量为31200ft/min（566.3L/s）的空气压缩机，则注入钻柱的总气量为32400ft/min（1133L/s）。假设钻头配备有3个直径为0.75in（19mm）光水眼，则压缩气体的井筒压力剖面见图2.17。在此图中，绘有一条2钻柱内的压力曲线，在井口处的压力大约为245psia（169N/cm），2在钻头水眼上游的钻柱底部压力约为201psia（139N/cm）。在此图中，也绘有一条环空中的压力曲线，在钻头水眼下游的井底环空压力2约为180psia（124N/cm），在地面放喷管线入口端（环空顶部）的2压力约为14.7psia（10.1N/cm）。图2.16 钻井液钻进时井筒压力剖面图2.17 空气钻井时井筒压力剖面
与钻井液钻井的计算实例相似，图2.17中的压力反映了压缩空气的静重以及钻柱和环空的内表面流动阻力，压力损失也是由于摩擦力的作用，在这个计算实例中，流体是可压缩的。考虑流体在钻柱内流动时，由于摩擦力和气柱的静重影响，地面上的喷射压力要小于作用在钻柱底部（钻头水眼以上钻柱内）的压力。
图2.18为不可压缩钻井液钻井时井筒温度剖面图。实例中，地温梯度为0.01 ℉/ft（0.018℃/m），地球地表以下是一个无穷的热源。在钻井液钻井循环体系中，钻井液明显要比压缩空气或其他气体的密度大得多，因此，在钻井液顺钻柱而下并沿环空返回到地面的过程中，地热就会从地层通过井壁传到环空中的钻井液，并通过钻柱传到钻柱内的钻井液中。由此，假设钻井液流入钻柱顶部的温度为60℉（15.6℃）。
钻柱内钻井液在向下流动过程中，由于来自地层流体和环空钻井液的温度较高而升温。在井底钻井液的温度会达到160℉（71.1℃）。当钻井液在环空中上返（一般层流状态）时仍被地层岩石加热，环空中这种较高温度的钻井液会传热给钻柱的外部，进而把热量传给钻柱内向下流动的钻井液。由于有良好的保温能力，环空出口处，钻井液的温度高于注入温度，但低于井底温度。在环空出口处，钻井液温度约为130℉（54.4℃）。
图2.19为可压缩空气钻井时井筒温度剖面图。可压缩气体的密度明显小于钻井液密度，因此，相对于钻井液来说，可压缩空气的保温能力就比较差。另外，可压缩空气在钻井循环系统的流动很快，理论上在钻柱和环空中的流动形态为紊流，紊流有利于将热量从井壁传到流动在环空和钻柱内的空气。假设，压缩空气进入钻柱顶部时的温度为60℉（15.6℃），热量会很快传到井内的整个流体，在这样的条件下，环空中的压缩空气和进入钻柱顶部时的温度就会差不多。
由图2.19可以看出，在井眼任意深度上的压缩空气的温度都约等
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