毕业论文：煤层气空气钻井工艺技术设计

1、编号： 字 号本科生毕业设计论文煤层气空气钻井工艺技术设计 题目： 姓名： 杨文军 学号：21070435 班级：地质工程2007级2班 二一一年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 杨 文 军 学 号： 21070435学 院： 应用技术学院 专 业： 地质工程 设计题目：煤层气空气钻井工艺技术设计 专 题：WLG01煤层气参数井空气钻井工艺技术设计 指导教师： 李巨龙 职 称： 副教授 2021年 6月 徐州 中国矿业大学毕业设计任务书学院 专业年级 学生姓名 任务下达日期：2021年 12月30日毕业设计日期： 2021 年 2 月 25日至2021年 6月10 日毕业设计题

2、目：煤层气空气钻井工艺技术设计毕业设计专题题目：WLG01煤层气参数井空气钻井工艺技术设计 毕业设计主要内容和要求：院长签字： 指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语根底理论及根本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意辩论等：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语选题的意义；根底理论及根本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的标准程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否

3、同意辩论等：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计辩论及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确根本正确有一般性错误有原那么性错误没有答复辩论委员会评语及建议成绩：辩论委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要煤层气在早期的煤炭开采利用过程中，作为一种威胁煤矿平安生产有害气体，通过矿井通风系统被全部直接排入大气之中，然而随着科学技术的日新月异和能源资源濒临短缺，煤层气开始变废为宝，成为一种环保、高效和洁净的能源物质；然而煤层气的开发手段却是现阶段主要解决问题。由于煤层气自身的性质特征和其相对应的地质条件，加之目

4、前还不甚兴旺的科技，煤层气的开发利用无疑受到很大的局限。目前，煤层气的开采主要方法有地面钻孔开采和地下瓦斯抽发系统抽出，本文主要对煤层气的地面钻进开采作了一定的探讨，主要从空气钻进入手，对煤层气空气钻井作了一番浅薄的研究。在进行空气钻井设计时，采用了修正后的Angel模型建立了井筒环空内任意井深处的空气压力计算方程，同时采用了最小动能法和最小速度法对携带岩屑最小注气量确实定作了较为深入的介绍。关键词：煤层气； 空气钻井； 工艺技术； 设计 AbstractIn the early process of coal mining, as a harmful gas to safety produc

5、tion of coal mines, coalbed methane was all directly set into the atmosphere by the ventilation system . However, with the development of the science and technology change and energy resources to the brink of a shortage of the situation, but 变废为宝 coalbed methane, an environmental protection, efficie

6、nt and clean source of material ； coalbed methane, however, the development of the means are at present the main problem.to solve 。coalbed methane itself as the nature of the characteristics and the corresponding to the geological condition, is still not very advanced technology, coalbed methane of

7、development and utilization, is restricted. currently, the chief method is accessible coalbed methane the mining and drilling in the gas off the system, this article mainly on the ground into coalbed methane mining has been made, mainly from the air into the air, coalbed methane drill made a superfi

8、cial study. Drilling in the air in the design for the angel of the revised model established izutsu the empty wells in any depth of the equation of air pressure, used to the kinetic energy and smallest of the speed with the smallest note with the determination of a more in-depth presentation.Key wor

9、ds: Coalbed methane；Air drilling；Technology；Design 目 录 一般设计局部11 绪论2选题背景及研究意义2空气钻进概述31.3国内外研究现状3空气钻井液在煤层气开采中的应用42 工程概况5位置与交通5自然地理5地形地貌5水文5气候6地层与煤层概述63 钻井一般性设计7井场平面布置7井身结构83.2.1根本数据8井身结构设计8井身质量要求9取心9专体设计局部114 空气钻井设计12空气钻井选用设备概述12潜孔锤及其工作原理12潜孔锤钻头12空压机的选择13其他辅助设备13空气钻井技术参数确定13岩屑的受力分析13修正后的Angel模型14关键点确实

10、定14携带岩屑最小注气量确实定15本工程的定量计算174常数计算17最小注气量的计算17钻进操作要点19钻井液的置换19漏水的预防19爆炸的机理与预防20煤储层的保护21钻井液对储层的伤害21钻井压力对储层的伤害225 钻井事故预防措施24井内事故24井内事故的预防措施24井内事故应急预案24机械事故25机械及人身事故预防措施25机械及人身事故应急预案265.3 H2S事故的预防26其他突发事故的应急预案27防井喷、失火、伤亡应急预案27化学品和泥浆材料应急处理28车辆事故应急预案28野外事故应急预案28触电事故应急预案29煤气中毒应急预案296 结论31主要的研究成果31存在的缺乏31没有数

11、值模拟31非原创计算模型31插图问题31计算不够精确31参考文献32附录33翻译局部34英文原文35中文译文39致 谢42一般设计部分1 绪论选题背景及研究意义 煤炭行业是一个特殊的行业,作业人员地点在井下，时刻都受到矿尘、瓦斯、顶板、火灾、透水等自然灾害的威胁。其中矿尘、瓦斯、火灾“三大害不仅危害后果特别严重，而且难以治理。特大瓦斯爆炸案例近年来就发生在山西焦煤，龙煤鹤岗等大型国有企业。煤炭开采前抽放瓦斯，不仅能大大降低重大平安事故发生的可能性，更是关系到社会和谐、稳定的重大民生问题。 煤层气俗称“瓦斯，其主要成分是CH4甲烷),与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气。1立方米纯煤

12、层气的热值相当于汽油、标准煤，其热值与天然气相当1，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是优质的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度到达5%-16%时，遇明火就会爆炸2，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍1，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的成效：降低瓦斯含量，具有平安效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。煤层气的开采一般有两种方式：一是地面钻井开采；二是井下瓦斯抽放系统抽出

13、3。地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的，通过地面开采和抽放可以大大减少风排瓦斯的数量，降低了煤矿对通风的要求，改善了矿工的平安生产条件。地面钻井开采方式，国外已经使用。我国有些矿区煤层透气性较差，地面开采有一定困难。煤层气过去除了供暖外没有找到合理的利用手段，一直未能充分利用，因而抽放瓦斯绝大局部仍然排入大气，花掉了资金，浪费了资源，污染了环境。 我国煤层气资源丰富，居世界第三。每年在采煤的同时排放的煤层气在1.3×1010m3以上，合理抽放的量应可到达3.5×109m3左右，除去现已利用局部，每年仍有3.0×109m3左右的剩余量，加上地面钻井开采的煤

14、层气5.0×109m3，可利用的总量达8.0×109m3，约折合标煤1×107吨。如用于发电，每年可发电近3×1010千瓦时1。 我国煤层气分布极不均衡，井产普遍较低，故如何提高煤层气的开采成为当今煤炭行业亟待解决的技术难题。 晋西地区是我国进行煤层气资源开发的重要目标区域之一，八十年代末至九十年代初，地矿部华北石油局选择了安徽淮南、河南安阳和山西柳林三个地区专项建立了煤层气的开放实验区。其中效果最为理想的是山西柳林地区，压裂后日产量最大的到达了7.3×103m3。 两淮矿区煤层气含量巨大，但由于开采技术不成熟，经常导致瓦斯爆炸等重大平安事故。

15、为借鉴山西在煤层气开采方面的成功经验，有效的“变废为宝，国家在两淮煤炭基地投资建设“大型油气田及煤层气开发之“两淮矿区煤层群开采条件下煤层气抽采示范工程 任务二未采区、采动区和采空区煤层气抽出技术的研究内容，淮北矿业集团有限责任公司芦岭煤矿“一井三用地面煤层气压裂井示范工程是其中一局部。 本文以淮南矿区芦岭煤矿WLG01井为例，根据相关的技术标准，对此口井相关段进行了煤层气空气钻井工艺设计，并讨论了国内煤层气空气钻进工艺技术的现状及开展趋势。 空气钻井是目前钻速最快、最经济的欠平衡钻井作业方式之一，是低压、低渗漏、特别是恶性井漏钻井最实用的技术。空气钻进是以压缩空气代替冲洗液作为循环介质，吹洗

16、钻井，冷却钻头和携带岩粉至井外的一种先进、高效的钻井方法。空气钻进可以是正循环钻进，也可以是反循环钻进4。 空气钻进是欠平衡钻进的一种。常规的钻井属于过平衡钻井，钻井液压力大于地层流体压力，小于地层破裂压力。欠平衡钻井时，钻井液压力略小于地层流体压力，仍大于地层破裂压力。这样能及早发现油气藏，有利于防止井喷。 空气钻进按照在空气中加注的物质，可以分为干空气钻进、雾化钻进、泡沫钻进、泡沫泥浆钻进等。 空气钻井液相对于普通泥浆有如下优点5： 相对密度小，粘度低。相对密度是指空气钻井液与同体积水的质量之比。相对密度决定着岩层的压力。粘度是泥浆流动难易程度的指标。它反映泥浆流动时，其内部摩擦阻力的大小

17、。相对密度小，有利于煤层气的析出；粘度小，使井底净化程度高，防止了重复碎岩，也有利于降低钻杆柱的磨损，减少动力设备的负荷6。冲洗效果好，钻效高，减少井漏问题。试验数据和生产实践证明，空气作为循环液冷却、清洗孔底效果要好于普通泥浆。固相含量大大降低，钻效大幅度提升。主要原因是井底岩石没有井孔内液柱的压力，而空气柱的压力仅为水柱压力的1/800左右，这就使钻头下的岩石在地层压力的“反压差作用下最大限度的释放剩余应力，岩屑以爆裂的形式崩离母岩体，从而提高了钻进效率。无化学处理剂，本钱低，对井壁、岩心、含水层污染小。空气钻井液一般不需参加化学 处理机，不仅降低了本钱，而且防止了对设备的腐蚀，保证了对岩

18、心纯洁性的要求，避 免冲洗液对岩心品位、品级的影响。 因为要对空气进行别离、加压等处理，所以在用空气钻井液时就必须配备专门的空气压缩机，另外在湿孔和含水地层中使用困难。空气钻井作业的好坏很大程度上取决于空气钻井作业设备配置的优劣程度。 所以目前空气钻进主要应用于沙漠、缺水、干孔或严重漏失地层。在水文地质和水井钻井工程中，占有特殊的地位。随着电磁波MWD、空气钻井马达的普及和各种设备的不断完善，空气钻井技术将发挥越来越重要的作用。1.3国内外研究现状 空气钻进技术国外在40年代就取得良好效果，已经广泛应用于矿产勘探和石油开采中。 目前，国外已成功采用气体型流体为循环介质来解决易漏、钻井速度低的地

19、层面临的钻井技术难题。美国和加拿大应用这方面技术比拟普遍，它们用氮气、空气、天然气等轻质流体为循环介质，成功地解决了地层漏失特别严重、地层比拟坚硬、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。 我国，八十年代末期，地矿部在山东和宁夏在黄金矿产勘探中用空气钻进技术，并取得了较好的地质效果。在煤炭系统中，北京矿务局地质勘探队1988年开始研制89mm×50mm双壁钻杆反循环钻进技术一整套器具，1989年完成生产性试验，机械钻进效率平均达1520m/h，是普通回转钻进效率的2040倍。1990年在河北煤田地质局第四勘探队宁东煤田扩大试验，采用双壁钻杆反循环潜孔锤中心连续

20、取样钻进法，在300m水柱的大背压力下，潜孔锤钻进深度突破300m到达，当时创国内双壁钻杆反循环潜孔锤钻进最深记录。在石油系统中，长城钻井公司利用空气、泡沫等气体型流体有效地解决了伊朗TABNAK油田长段复杂井漏难题，使我国的石油钻井技术在国际上逐渐得到认可5。 目前使用较普遍并具有代表性的空气钻进技术有干空气钻进、泡沫钻进、潜孔锤钻进、气举反循环钻进，双壁钻杆反循环中心连续取样钻进等。空气钻井技术需要完善的技术主要有随钻测量、遇漏失地层的处理等。 近年来，我国逐渐在山西、两淮矿区推广、研究煤层气空气钻井工艺，用以解决能源问题和煤矿平安问题。 煤层气开发有所谓“老区和“新区之分，前者指在生产矿

21、区的煤层气开发，后者指在未开采的原始煤田的煤层气开发。目前和近期内，我国煤层气的勘探、开发活动更多地集中在生产矿区，因为在生产矿区煤层气勘探程度较高。 在煤层气钻井中，最大限度的抽放瓦斯是施工的主要目的。钻井液的液柱压力与地层压力之间的压差越大，那么钻井液侵入储层的量越多，侵入半径越大，对储层的伤害就越严重，并且裂隙受压会导致严重的水锁效应7。从潮湿的煤层生产甲烷经常伴随着大量水的产出。从煤层释放甲烷产水是必然的，由于钻井后数周到数月才能产气，所以钻井液导致的伤害很难评价。由于泥浆、清水等钻井液密度较大，钻井液对地层的压力较大，并且随着钻井深度的加深而不断加大，这样吸附在煤层内的瓦斯就很难变成

22、游离态而排到地面，采用空气作为循环介质，降低了钻井液对地层的压力，从而有利于瓦斯的析出。综上：针对工程实际，作者对淮北矿务局芦岭煤矿WLG01见煤段进行了空气钻进工艺设计。在实际生产中，在预见的含煤地层上覆岩层及第四系土层，为防止松散层漏失及坍塌通常用泥浆护壁钻进。当钻进将到煤层顶板时，那么用气举方法使泥浆逐渐置换为空气。 2 工程概况 工作区所在的芦岭井田位于宿州市东南20km处，西北距淮北市82km图2-1。 图2-1工作区交通位置图芦岭井田西邻京沪铁路，距芦岭火车站9km，矿区专用铁路在此与京沪铁路接轨。矿井西部20km左右有合肥徐州高速公路东坪出口，矿井北有宿州泗县省道、南有宿州蚌埠1

23、01省道穿过，矿区公路与之相连。铁路、公路构成了本区便利的交通条件。地形地貌本地区位于华北平原与黄淮平原的交接部位，区域地形总体以平原为主。由北西向南东倾斜，地面坡降1/5000，地面平均海拔40m左右。井田范围内除采矿形成的塌陷区外，均为农田，地形平坦，呈西北高东南低的变化趋势，标高在2225m之间。水文 井田内的水系主要是塌陷区及沱河。沱河是一条经人工修整的季节性河流，斜穿矿井南部；另有孟家沟、卜陈沟与沱河相通，地表水系较为简单。地下潜水面水位标高。上覆黄土层下侏罗系地层含有砂岩，本段主要是砂岩裂隙含水，以静水量为主，缺少补给源，井筒穿过时无水。到终孔位置，一共可见七个不同的含水层，水质重

24、碳酸氯化钠镁型为主。气候 安徽宿州地区属于季风型大陆气候。其特点是四季清楚、春季升温快、多东南风，常出现春旱，夏季降雨集中，常出现暴雨，形成内涝，秋季雨水少、多晴天，冬季寒冷多西北风。年平均气温，七月最热，平均气温27。年降水量750mm左右，多集中在6月下旬9月下旬，7、8月降雨量占到了全年的50%。 根据矿区多年来的地质资料分析，估计钻井所在处的地层倾角约为20°，现将钻井揭露的地层从上到下简述如下： 第四系和第三系(Q+R)：厚度，为黄土层，底部含姜石，与下伏地层呈不整合接触。 二叠系P)：整个中生界白垩、侏罗、三叠系地层缺失。二叠系为钻孔终孔地层。上统上石盒子组(P2S ),

25、厚度，层底标高。以杂色陆相沉积为特征。主要岩性为：泥岩与砂岩呈不等厚互层，局部夹粉砂岩。与下伏地层呈整合接触。下统有两个组，其中下石盒子组P1X ，厚度,层底标高, 主要岩性为砂岩和泥岩,含可采煤层5层,其中主采层2层，与下伏地层呈整合接触；山西组P1S厚度137m,层底标高, 以过渡相沉积为特征，中部含主采煤层10#煤，岩性以泥岩、砂岩为主，植物化石以羊齿为主，动物化石以贝壳类为主。 预计见煤情况见表。 表 预计煤层数据表煤层底板深度m厚度m 煤层描述8#顶板为灰色块状泥岩，岩黑色，粉沫状，半亮型煤9#顶板为深灰色块状泥岩，黑色，粉沫状，半亮型煤10#顶板为深灰色块状泥岩，粉沫状及碎块状，半

26、亮型煤 3 钻井一般性设计井场平面布置 井场是钻井作业的主要场所，有两个涵义，一是指钻井现场，如井场布置即为整个钻井现场的平面布置；二是指钻台前的平场，用来排放钻杆、套管，固井时停放水泥车，测井时停放测井车等。井场的长度和面积要保证在安装钻井设备时，能使井架放平和放置各种钻井设备，吊装机械以及车辆的停放和回转之用。其设计应符合以下依据：1井场用地面积在满足要求的前提下，应尽可能小的占用农田。2井场四周挖宽、深各的界沟，便于排出井场内的雨水。3搬迁设备车辆、井场施工机具要严格管理，严禁乱压占耕地、树木等。4井场场地平整、清洁，设备、材料、钻具摆放整齐。5在有人居住区打井时，控制钻机噪声对周围环境

27、污染。 图3-1 井场平面布置图 井身结构根本数据井 名：WLG01井井 别：煤层气参数+生产试验井井 型：直井地理位置：安徽省宿县芦岭煤矿 102采区 构造位置：宿东向斜西南翼的东南段井位坐标：X=39516320 Y=3713840 H= m设计井深：914 m目的煤层：二叠系下统下石盒子组8#煤层、9#煤层和山西组10#煤层完钻层位：二叠系下统山西组完钻原那么：钻至10#煤层底板之下50m完钻完井方法：套管完井生产套管高出地表，表套与地平井身结构设计图3-2井身结构示意图阻流环位置：套管×人工井底：钻头×钻头×10#煤：，厚度:9#煤:，厚度:8#煤:，厚度

28、:套管× 说明：1一开用三牙轮钻头钻进，钻至松散层以下40m后，下入套管，水泥固井返至地面。可根据实钻地层具体情况调节一开井深，目的是封住上部易垮易漏失松散地层，为二开的平安钻进创造条件。（2） 二开首先采用潜孔锤空气钻进，遇水后改用三牙轮钻头或PDC钻头钻进，钻达8#煤层顶板以上10m，采用绳索取心钻具进行取心钻进。开始绳索取心前，用泥浆泵大排量清洗井底，替换成清水前方可进行取心作业。 表3.1 井身质量要求井段(m)井斜(°)水平位移(m)全角变化率°/25m一般地层井径扩大率%煤层段井径 扩大率%0-91410<15<25备 注 井身质量以完井电

29、测数据为准1钻井过程中，每50m进行1次单点测斜，以控制井斜，单点测斜照片随原始资料上交保存。2 以转盘面为基准，校核钻具实长后确定钻井深度；每钻进100m校核钻具长度1次。3全角变化率为连续三个测点的计算不超表内值。4井斜计算以完钻电测连续测斜资料为准，测斜间距25m，特殊情况要加密，最后一测点距井底小于l m 。5测斜数据采用计算机进行处理，采用平均天顶角法或平均孔段法。取心 设计取心采用较为先进的绳索取心，具体如下13：1要求使用绳索式煤层取心工具，保证取心收获率及煤心出筒速度；选用与绳索式取心工具配套的mmPDC钻头。2严格按地质设计规定的取心井段及质量要求完成取心任务。3现场施工要做

30、到取心层位准，取心深度准，岩心长度及顺序准。4取心钻进中，必须认真做好钻时记录，细心观察钻速、泵压、转盘扭矩的变化，准确判断井下情况，把握入井钻具检查、取心钻进、割心等关键环节。5为使煤心中气体损失量最小，应选用绳索式半合管取心工具取心，亦应保证岩、煤心直径大于60mm。6为减少煤心在起出过程中的气体损失量，提升时间限定为：取心内筒从提心开始至出井口时间每百米不超过2min，从出井口到煤心装罐完成时间小于5min。7要求全井单层煤取心采取率85%，岩层取心采取率90% 。8取心前必须做好以下准备工作： 制定切实可行的取心措施，并进行技术交底； 有详细准确的地质预报，卡准取心层位； 准备足够的状

31、态良好的绳索式取心工具、钻具、钻头及配件。 井队技术人员及司钻必须掌握工具性能、结构、装配质量及使用操作要点。 井身质量、钻井液性能要符合取心设计要求，保证井下正常，起、下钻畅通无阻，井下无金属落物。 工具入井前要认真丈量、测绘、检查、保养，并作详细记录，确保性能良好。 地面设备及仪表必须齐全，工作正常，保证取心过程不停顿或中断。专题设计部分4 空气钻井设计空气钻井选用设备概述 空气钻进不同于一般普通的钻进，有其专用工具，现简述如下。潜孔锤及其工作原理 潜孔锤钻进是在钻头上安装一个潜孔锤，钻进时，在钻杆带动下做回转运动，而潜孔锤在压缩空气的推动下，对井底岩石进行冲击。这样，作用在钻头上就有回转

32、又有冲击的综合作用。这种破碎岩石的方法，对硬岩是十分有效的。气动潜孔锤有钻进效率高、钻头寿命长、所需钻压低、防斜效果好、排粉快、钻探本钱低等优点。 目前，国内外潜孔锤的型式较多，按照其配气的方式可以分为有阀式和无阀式两大类。本设计采用无阀式潜孔锤，其结构图见下。无阀式潜孔锤是利用布置在活塞和气缸壁上的配气系统控制活塞往复运动的，没有配气阀装置，免去了因配气阀片磨损而失效的现象。与有阀式潜孔锤相比，压缩空气消耗量可以节约30%左右。无阀式潜孔锤零件少，结构简单，加工制造容易，更适合用于高压条件下深孔钻进。 如左图：压缩空气经接头内孔推开单向阀1，经过进气道2进入冲锤下腔室10。推动冲锤6上行，

33、上腔室12内的气体从冲锤中心孔11排出，当冲锤1 继续上行接触上阀3时，中心孔被关闭，与此同2345 时，冲锤的部位关闭下腔进气道，冲锤再上行122 使冲锤部位离开汽缸体5，从而翻开上腔进气2 道4，使上进气道与上腔室相通。时冲锤部位 1126 翻开下排气道9，下腔室的气体从钻头中心孔排 出，而压缩空气推动冲锤下行直至冲击钻头8破1097 碎井底岩石4。 在水文地质条件允许的情况下应用空气潜孔锤 钻进工艺可以提高生产效率和录井质量，同时能维8 护或改善煤储层渗透性，减少对环境的污染。空气 潜孔锤钻进工艺参数主要包括轴向压力(kN)、回转 速度(r/min)、冲击功(kg·m)、冲击频

34、率(次/min)。图4-1气体潜孔锤示意图1单向阀 2进气道 3上阀4上进气道 5内缸体 6冲锤7外壳 8钻头 9下排气道10下腔室 11中心孔 12上腔室 在不同硬度的岩石中钻进，参数的选择差异较大， 钻进硬度小的岩石时，钻进参数应主要满足回转切 削碎石的要求；钻进坚硬但胶结不好的岩石时，钻 进参数应满足冲击碎石的需要，以形成体积破碎； 钻进坚硬致密的岩石时，钻进参数应满足冲击和回转两种碎岩作用。 潜孔锤钻头 潜孔锤钻进用的钻头承受较大的动荷载及摩擦作用，因此要求钻头体具有较高的外表硬度和较好的耐磨性及足够的冲击韧性13。目前用的钻头根本上有两种：刃片钻头和柱齿钻头，刃片钻头用于软岩，柱齿钻

35、头用于硬岩。因此，本工程在煤层气空气钻进时采用柱齿钻头。柱齿钻头是用机械方法将一定规格的硬质合金柱压入到钻头体孔内形成的。空压机的选择 空压机是气源装置中的主体，它是将原动机通常是电动机的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。空气压缩机的种类很多，按工作原理可分为容积式压缩机，往复式压缩机，离心式压缩机，容积式压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。往复式压缩机(也称活塞式压缩机)的工作原理是直接压缩气体，当气体到达一定

36、压力后排出。 现在常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机，螺杆式空气压缩机，(螺杆空气压缩机又分为双螺杆空气压缩机和单螺杆空气压缩机)，离心式压缩机以及滑片式空气压缩机，涡旋式空气压缩机。 本设计选用螺杆空压机，必要时可以选择两台并联，现将其简述如下。 螺杆式空气压缩机采用预成套配置，只需单一的电源连接及压缩空气连接，并内置冷却系统，令安装工作大为简化。螺杆式空气压缩机以其高效能、高效率、免维护、高度可靠等优点始终如一的为各行各业提供优质的压缩空气。 其他辅助设备 如固相注入器、涤气器、空气别离器、空气管汇、空气集流管等8。固相注入器的功能是往井眼中注入干粉添加剂，以便枯燥渗水带或用以降低深井的摩

37、擦扭矩。涤气器的作用是除掉即将进入增压机进气阀的空气中的过量水分，起到保护增压机的作用。特别是在气候潮湿的地区和季节更应当配备。空气别离器为一组碗形的容器，设置在振动筛上部，与排屑管的一端相连。空气别离器可使大局部空气从水中别离而排出。空气管汇是指从压缩机到立管之间的管汇。这段管线的特点是管径足够大(通常为102)以便把摩擦压力降低到最低程度。供气管汇上应设有压力释放阀以防止压缩机和其它设备的压力过高；还应设置单向阀以防止空气或流体向压缩机回流。空气集流管上应安装压力表，还应有分支管线与套管头相连接以便在必要时进行反循环。确定空气钻井广泛应用的同时也出现了许多使生产无法顺利进行的情况，包括气体

38、携屑困难、井眼堵塞、井壁失稳、井下爆炸等。解决这些问题的有效途径就是对空气钻井参数进行定量计算9。岩屑的受力分析在空气钻井井壁内，岩屑颗粒在环空中上返时受到两个力的作用：自身重力G，空气向上流动对岩屑的举升力F。其中举升力随着空气流速的增大而增大。显然：当F<G时，颗粒有向下的加速度，即颗粒有向下的运动趋势；当F=G时，岩屑颗粒处于悬浮状态；当F>G时，岩屑颗粒具有向上的加速度，即有向上运动的趋势。当全井F>G时，岩屑颗粒被带到地面10。修正后的Angel模型根据一维定常流体力学理论，可建立井筒环空内任意计算井深处的空气压力计算微分方程9 ： (1)为了使计算结果更接近实际，

39、用井眼环空的实际温度代替Angel模型中的平均温度，同时考虑空气钻井的实际情况，用粗糙裸眼井段流体流动的摩阻系数(f)代替Angel模型中的光滑管流动摩阻系数 ： (2)其中e由下式决定： (3)将2、3带如(1)式积分得： (4) 式4中： (5) (6) 式(4)即计算环空压力的公式。其中:dP是计算点压力的微分，Pa；mix是计算点混合气体的密度，kg/m3；V是计算点流体速度，m/s；f是摩阻系数；Dh是井眼直径，m；Dp是钻杆外径，m；dH计算点井身的微分；e为井壁绝对粗糙度，m；ep为钻柱和套管的绝对粗糙度，m；eb 为裸眼井段的绝对粗糙，m；Hs套管斜井身，m；Ps为环空出口处的

40、地面压力，Pa；Ts为环空出口处的地面温度，K；为地温梯度，K/s；M为空气的相对分子质量，；R为摩尔气体常数，；Kt为机械钻速，m/s；s为岩屑密度，kg/m3；Qw为地层出水量，m3/s；w为地层水密度，kg/m3；0为实际作业井口的压力，Pa；T0 为实际作业井口的温度，K；Qg0为井口注气量，m3/s。关键点确实定在空气钻井中，当环空内的气体携带岩屑上返时，在钻铤顶部、钻杆与钻铤结合处，会出现环空面积突然扩大的现象。由于空气具有较强的可压缩性，气体上返到达该处将发生较大的膨胀，气流的压力、密度及上升速度都有一个突然降低，在此气体速度突然降低处将出现气体最小举升力，于是就把这一局部的环空

41、称为“关键点。在“关键点处，如果气体上升速度不够 (空气排量缺乏)，那么气体将无法完成携带岩屑的任务；岩屑颗粒将在此点附近滑落、沉降直至堵塞流道，造成空气钻井的失败。环空中从“关键点向下，越往井底，气体密度和压力越大，气流无法携带上返的大块岩屑会落人井底，被重新破碎成小颗粒，从而再次被气流携带至环空井上返而在“关键点以上，气体的上返速度迅速增大，虽然岩屑下滑速度将因气体密度的减小增大，但增大幅度低于气流上升速度的增大幅度，且由于在上升过程中，钻杆与井壁的碰撞和研磨，岩屑会被破碎得更小、更细，因此满足“关键点处携带岩屑的空气排量要求也就意味着满足了整个环空的空气排量要求。携带岩屑最小注气量确实定

42、最小注气量是选择空气压缩机的关键因素。这里讨论的最小注气量是指储层流体涌入时空气钻井工程中最小空气量。早期研究最小注气量的有Angle，他的angle模型适用于光滑的管壁，采用了平均温度等理想化情况，使得结果较实际有较大偏差。70年代有人根据室内试验对angle模型进行了修正，使用修正的摩擦系数和实际温度。（1） 最小动能法 环空的气体在关键点即钻铤顶部单位体积的动能为最小，假设此处携带岩屑的能力等效于空气在标准状况下携带岩屑的能力，就有： (7)气体在关键点的密度为： (8)气体在关键点的速度为： (9)将(8)、(9)带入(7)得关键点的压力： (10) 联立式(4)和式(10)可用最小动

43、能法求得最小注气量，其中：Tsl标准状态下的温度，K；Psl标准状态下的大气压力，Pa；Vsl为标准状态下最小动能的空气速度，m/s；sl为标准状态下的空气密度，kg/m3；Vsl为标准状态下的最小动能的气体速度，m/s；b为关键点的气体密度，kg/m3；Vb为关键点的气体速度，m/s；Pb为关键点处的压力，Pa；L为钻铤长度，m；f、e、a、b分别由式(2)、(3)、(5)、(6) 决定。2最小速度法 环空的气体在关键点的上升速度最小，注气的速度必须满足该点的最小携带岩屑速度。Ikoku等人根据质点在阻尼介质中的自由下落问题研究了气体钻井中携带岩屑的最小速度计算模型，该方法确定最小注入气体体

44、积流量 (Qgo)时需要计算岩屑在气体中的终了沉降速度(Vs )和输送速度(Vtr)。岩屑终了沉降速度是其几何尺寸、形状、密度与气体密度、黏度及流动形态的函数，下式即为球状岩屑的终了沉降速度(Vs )： (11) 岩屑输送速度(Vtr )取决于气体钻井中的机械钻速和环空允许(平安)输送的岩屑量。钻头产生的岩屑体积流量可以表示为： (12)环空过流断面输送岩屑的体积流量可以表示为： (13)根据固体颗粒的物质平衡方程： (14)将式(12)和式(13)代人式(14)可得岩屑输送速度： (15)携带固体颗粒所需的气体速度等于终了沉降速度加上岩屑输送速度： (16)根据气体速度可求得最小注气量井下的

45、体积： 井口的最小注气量为： (17) 联立(4)、(8)、(16)、17，通过试算法或计算机编程可以求出由最小速度法求出的最小注气量。其中：Vs为终了沉降速度，m/s；DS为岩屑当量直径，m；Cd为岩屑滑脱系数，(页岩和石灰岩为1.4；砂岩为0.85；为球形度；Db为钻头直径,m；Qtr为流道中输送岩屑的体积流量，m3/s；Vtr为岩屑传输速度，m/s；CP为环空岩屑的体积浓度；A为关键点流道横截面积，m2；Qp为钻头产生岩屑的体积流量，m3/s； 由上述公式推导可知：压力、最小注气量等均与井深有关系。现以8#煤顶板处某点为例计算，此时H=737m。4常数计算 各参数意义及取值如下ep为钻柱

46、和套管的绝对粗糙度，根据经验、文献资料取值；Dp为钻杆外径，取值；eb 为裸眼井段的绝对粗糙度，根据经验、文献资料取值；Dh为井眼直径，略大于钻头直径，取值70m；H为计算点井身，取值737m；Hs为套管鞋井身，略大于套管深度。计算点深度为737m，井身结构示意图中的二开套管还没有下，故取值Hs=271m；f为摩阻系数，中间参数，计算可得；Vtr为岩屑传输速度，m/s，中间参数，计算可得；为重力加速度，取值9.8 m/s2；为圆周率，取值3.1415926；Db为钻头直径,取值；Cp环空岩屑的体积浓度，根据现场情况，取值0.04；A为关键点流道横截面积，由钻铤直径d=m计算得A=2；Kt为机械钻速，根据班报取值1.83×10-3 m/s；将以上数据代入得到：e=1.0387×10-3，f=1.0469×10-2，Vtr=×10-2 m/s。最小注气量的计算(1)最小动能法因为4式普遍适应，所以在关键点处4式即为： 18 又 10 其中 各参数意义及取值如下：Pb为气体在关键点处的环空压力，Pa，关于最小注气量Qg0函数；Ps为环空出口处的地面压力,由压力表测量，取值2.02×105 Pa；P0为实际作业井口的压力，由压力表测量，取值1.64×105 Pa；Psl为标准状态下的大气压力，取