CN102720489A - 气体钻井随钻分析地层岩性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体钻井随钻分析地层岩性的方法，可对气体钻井返出的岩屑进行快速准确分析。该方法主要包括确定岩屑迟到时间，获取岩屑，现场X射线衍射分析并判断岩性。该方法可在钻井现场快速获取岩层中矿物组份的数据。与现有技术相比，不仅显著缩短了岩屑样品分析周期，使岩性判断极为快速，而且提高了岩性判断的准确性。并且，上述方法可实现随钻井进度实时分析，实时得出地层岩性剖面，可将岩性判断马上反馈给钻井现场技术人员，使现场技术人员可根据岩性判断及时采取相应措施避免钻井事故的发生。

Description

气体钻井随钻分析地层岩性的方法

技术领域

本发明涉及一种油气开发领域应用的岩性分析方法，尤其涉及一种气体钻井随钻分析地层岩性的方法。

背景技术

气体钻井是用气体（空气、氮气等）作为钻井流体所进行的一项钻井工艺，具有大幅度地提高钻井速度，缩短钻井周期，有效的发现和保护油气层等特点。尤其是对于低渗透油气田，如果采用普通钻头钻井方法，则钻井液会对岩层产生水锁损伤，影响油气田的正常开采。因此采用气体钻井是开发低渗透油气田的有效方法，目前已经成为我国低渗透油气田勘探开发的主导技术之一。

在低渗透油气田的勘探开发中，需要获得地层的详细资料，然而在气体钻井时，由于气体携带岩屑的能力远远低于液相介质，岩屑在井下被重复的破碎，被气体带到地面上的大都是粉末状岩粉。由于岩粉的颗粒极其细小，给岩粉的直观描述带来困难。也就是气体钻井时对返出岩屑的识别比较困难，即无法及时准确的获得地层的详细资料。

目前，对于钻井现场返出岩屑的岩性分析，常规钻井一般是采用“远观颜色，逐包手感，显微镜成像观察”的岩性鉴定方法，这种方法不能够准确鉴定气体钻井返出的极细小的岩粉，主要表现在以下两个方面：

第一是常规钻井通过手搓捏返出岩屑颗粒的粗糙感来粗略的判断岩屑是泥岩还是砂岩，然而气体钻井返出岩屑已成粉末状，手搓捏的粗糙感都是一样的，无法区别不同岩性；

第二是常规钻井时返出的岩屑呈颗粒状，使用显微镜观察。也就是使用显微镜观察返出岩屑的石英、长石等颗粒。但是在气体钻井中由于返出的岩屑呈粉末状，岩屑中的石英、长石也被研磨成粉末状，常规钻井使用的显微镜已经无法观察到石英、长石等颗粒，使得无法判断返出岩屑的岩性。

目前，一些资料显示，可通过X射线衍射对岩性进行分析，这种分析方法一般是钻井施工结束后，将收集起的岩屑统一带回实验室进行室内X衍射分析。由于该方法是在钻井结束后将岩屑运输到远离钻井现场的实验室内进行的，因此该方法存在以下不足：

第一，该方法不具备任何时效性，无法对地层进行随钻分析、无法及时有效的描述地层剖面以及无法指导钻井施工。

第二，该方法分析成本较高。

由于气体钻井在新区块的勘探中可以发挥其巨大的作用，然而钻井又需要准确及时的掌握地质资料，使得上述的岩性分析方法已经不适用于气体钻井，无法及时准确的获得地质资料，保证气体钻井施工安全。

目前，也有资料显示可通过X射线荧光岩屑分析方法对岩屑进行分析，即XRF分析法。但X射线荧光岩屑分析方法也有不足。例如中国专利200710078690.2公开了一种石油钻井地质X射线荧光岩屑录井方法，该方法包括以下步骤：1、按钻井深度由浅至深连续取样，获得各钻井深度岩层的岩屑样品；2、按照钻井深度，分别用清水对各岩层的岩屑样品进行清洗，再烘干该岩屑样品；3、分别将各岩层的岩屑样品进行研磨成粉，并将样品粉末装入挤压模具，在真空条件下，用压片机将粉末压制成样片；4、按照钻井深度，依次用能量色散型X射线荧光分析仪检测样片的成分数据；5、计算机系统按照钻井深度将各岩石成份数据制作成图谱，根据数据及图谱的分析，获得钻井的岩性与层位的判断。上述方法是对不同深度的岩层所含元素含量进行分析，通过元素含量来确定钻井深度和所处的岩层位置。但是由于XRF分析法是通过元素识别岩性，该方法准确性极低，因为同几种元素可以组成不同的矿物，并且矿物是混合物，成份复杂，同种矿物中的元素含量也是变化的，仅从元素的角度是不能准确确定矿物组分。由于上述方法使用的是能量色散型X射线荧光分析仪，该种仪器是对元素进行分析，不能得到岩层所含的各个矿物组分，无法根据岩层矿物组成快速确定地层剖面。上述方法中，制样过程复杂，所需条件苛刻，不利于及时对岩屑进行分析，分析周期仍然较长。此外，上述专利文献中没有给出任何可快速确定岩层所含矿物组分的技术方案或技术启示。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可对气体钻井返出的岩屑进行快速准确分析的气体钻井随钻分析地层岩性的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：气体钻井随钻分析地层岩性的方法，

确定岩屑迟到时间；

根据岩屑迟到时间获取对应井深的岩屑，其中，岩屑获取是按钻井深度由浅至深每钻1至2米获取一次岩屑；

每次岩屑获取后在钻井现场对岩屑进行X射线衍射分析获得岩屑的X射线衍射数据，通过X射线衍射数据在钻井现场判断岩性：先根据X射线衍射数据获得X射线衍射图谱，然后将X射线衍射图谱与矿物组分数据库进行对比获得岩屑的矿物组份，根据获得的矿物组份判断岩性。通过上述方法，可一边钻井，一边对获取的岩屑进行及时快速准确的分析，有利于对钻井过程可能出现的问题及时解决，保证钻井作业顺利进行。

进一步的是：所述岩屑的迟到时间通过以下模型计算确定：

（1）气体钻井流动理论模型：

①气体在钻杆内的流动方程：

质量守恒方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=0,$

动量守恒方程： $\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{DV}}{\mathrm{Dt}}=\mathrm{\ρg}-\▿p+\▿\·2\mathrm{\μ}\left[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}\right]+\▿(\mathrm{\λ}\▿\·V),$

能量守恒方程： $\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{De}}{\mathrm{Dt}}=\▿(k\▿T)+\mathrm{\φ}-p\▿\·V,$

②气体钻井环空流动方程：

气相： $\frac{d(A\·{\mathrm{\φ}}_g\·{\mathrm{\ρ}}_g\·v_g)}{\mathrm{dx}}=0,$

固相： $\frac{d(A\·{\mathrm{\φ}}_s\·{\mathrm{\ρ}}_s\·v_s)}{\mathrm{dx}}=0,$

混合相： $\frac{d}{\mathrm{dx}}[A\·({\mathrm{\φ}}_g\·{\mathrm{\ρ}}_g\·v_g+{\mathrm{\φ}}_s\·{\mathrm{\ρ}}_s\·v_s)]=0,$

③环空动量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{mg}}}\frac{d\left(p_{g}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{Re}}}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_g}{2}\frac{v_g}{D}-\frac{g}{v_g},$

固相： $\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{ms}}}\frac{d\left(p_{s}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{pe}}}{t_v}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_s}{2}\frac{v_s}{D}-\frac{g}{v_s},$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-A\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}-p\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s}{D}-{\mathrm{\ρ}}_m\mathrm{Ag},$

④环空能量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_g}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_g}{2}\frac{v_g^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\μ}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

固相： $\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_s}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_s}{2}\frac{v_s^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\μ}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g^2}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s^2}{D}-g{Q}_{\mathrm{mgs}},$

其中，g──重力加速度，m/s²；

μ=μ(p、T)──粘性系数，mPa·s；

λ=λ(p、T)──体膨胀粘性系数；

k=k(p、T)──热传导系数；

p=p(x,y,z,t)──压力函数；

ρ=ρ(x,y,z,t)──密度函数；

v=v(x,y,z,t)──速度矢函数；

e=e(x,y,z,t)──内能函数；

φ=φ(x,y,z,t)──耗散功；

T=T(x,y,z,t)──温度函数；

$\left[{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂v_1}{\∂x_1}& \frac{1}{2}(\frac{\∂v_2}{\∂x_1}+\frac{\∂v_1}{\∂x_2})& \frac{1}{2}(\frac{\∂v_1}{\∂x_3}+\frac{\∂v_3}{\∂x_1})\\ \frac{1}{2}(\frac{\∂v_2}{\∂x_1}+\frac{\∂v_1}{\∂x_2})& \frac{\∂v_2}{\∂x_2}& \frac{1}{2}(\frac{\∂v_3}{\∂x_2}+\frac{\∂v_2}{\∂x_3})\\ \frac{1}{2}(\frac{\∂v_1}{\∂x_3}+\frac{\∂v_3}{\∂x_1})& \frac{1}{2}(\frac{\∂v_3}{\∂x_2}+\frac{\∂v_2}{\∂x_3})& \frac{\∂v_3}{\∂x_3}\end{array}\right]$ ──应变张量；

x、y、z为三维坐标系的三个坐标轴，其中z代表井的轴向，x和y代表与井的横截面上的两个相互垂直的方向；

t为时间；

A为环空截面积；

Q为总流量；

Qms为岩屑的质量流量；

Qmg为气体的质量流量；

Qmgs为环空中气体与固体颗粒混合物质流量；

Vg为岩屑速度；

Vs为气体速度；

f为摩阻系数；

f_RE为气动阻力修正系数；

f_PE为岩屑运动阻力修正系数；

t_v为速度松弛时间；

Cs为岩屑浓度；

Nμ为努赛尔数；

t_T为温度松弛时间；

（2）井内温度动态分布方程，通过该方程可得到温度剖面，也就是井筒环空（钻杆壁与井壁之间的空间）的温度剖面：

井内流体流动与地层传热的三维瞬态模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=0\\ \frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρV}\right)+\▿\·\left(\mathrm{\ρVV}\right)=\mathrm{\ρf}+\▿\·\tilde{P}\\ \frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}{c}_{p}T\right)+\▿\·\left(\mathrm{\ρ}{c}_p\mathrm{TV}\right)=\▿\·[\frac{\mathrm{\λ}}{c_p}\▿\·\left(c_{p}T\right)]+S_T\end{array}\right.,$

S_T为能量方程的源项，其具体表达式为：

$S_T=\mathrm{\ρT}\frac{{\mathrm{Dc}}_p}{\mathrm{Dt}}-\▿\·(\frac{\mathrm{\λ}}{c_p}T\▿\·c_p)+\tilde{T}\▿V+q_s,$

其中：ρ——介质密度，kg/m³；

V——钻井液在井筒内的速度矢量，m/s；

f——单位质量的质量力矢量，N；

——钻井液在井筒内的流动的应力张量；

——钻井液在井筒内的流动的偏应力张量；

c_p——介质定压比热容，J/(kg·K)；

λ——介质导热系数；

q_s——单位体积计算域内热源，J/m³；

t———时间，s；

T———温度；

（3）环空颗粒运动方程：

颗粒运动的矢量方程：

${\mathrm{\ρ}}_s\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3\frac{\∂\stackrel{\→}{V_s}}{\∂t}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\ρ}}_g{(\stackrel{\→}{V_g}-\stackrel{\→}{V_s})}^2-\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_g)\sin \mathrm{\α}-\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3\▿p+\mathrm{\Σ}\stackrel{\→}{F},$

将二维流场简化为一维流场，则矢量方程简化为下列标量方程：

${\mathrm{\ρ}}_s\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3\frac{\∂V_s}{\∂t}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\ρ}}_g{(V_g-V_s)}^2-\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_g)-\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_s^3\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\mathrm{\Σ}{F}_z,$

其中：

$\stackrel{\→}{V_s}=\stackrel{\→}{V_s}(x,y,z,t)$ —颗粒速度矢；

$\stackrel{\→}{V_g}=\stackrel{\→}{V_g}(x,y,z,t)$ —气流速度矢；

p(x,y,z,t)—压力场；

—压力梯度；

—重力加速度矢，

-力；

ρ_s—颗粒密度；

ρ_g-气体密度，

p_g为气体压力，M为气体的分子量，R为气体常数8.31，T为温度，T需要根据（2）井内温度动态分布方程确定；

d_s-颗粒直径；

Re=d_s|V_s-V_g|/μ，μ为气体动力粘度；

根据上述（1）气体钻井流动理论模型、（2）井内温度动态分布方程和（3）环空颗粒运动方程可确定岩屑的上返速度与井深的对应关系；

计算迟到时间时，可将全井段分成i个微元，由于计算时划分的微元相对全井段极小,岩屑在微元内匀速运动，由此,可计算岩屑流经微元体所需的时间:

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{\mathrm{\Δh}}{v_i};$

然后，分别求出岩屑经过每个微元中所需时间,迭代求和即可得岩屑迟到时间t:

$t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_i.$

通过上述方法确定岩屑迟到时间，可实现计算机自动化计算，准确快捷方便。上述方法计算得到的迟到时间与实际测量值基本相同。

进一步的是：根据各次获取的岩屑的岩性以及对应的井深绘制地层岩性剖面图。通过绘制地层岩性剖面图可对地层进行直观分析，对邻近地区的钻井作业可起到指导作用。

进一步的是：所述岩屑获取是通过以下方法实现的：通过在用于将井内岩屑排出井外的排砂管上连接取砂管，在取砂管上设置控制阀，在取砂管的出口连接取砂袋，通过取砂袋获取由井内返出的岩屑。由于气体钻井时注入气量大，气体流速高，直接从排砂管的出口获取岩屑是一项危险作业，因此在气体钻井施工前在排砂管上接一取砂管，取砂管上设置一控制阀，取砂管口接取砂袋，便于在气体钻井施工过程中安全获取岩屑。

进一步的是：在对岩屑进行X射线衍射分析前先对岩屑进行烘干，以消除岩屑成团现象。操作者观察所取岩屑是否有成团现象，判断成团现象的程度，从而决定岩屑是否需要烘干，例如岩屑成团的粒径大于0.5mm就需要烘干。成团现象是气体钻井时，井内产出的液体对岩屑浸湿，使得岩屑成团并具有粘性，成团现象严重时，岩屑的粘度增大，不利于装片和制片。烘干后岩屑所成的团自然分散，形成粉末状岩屑。

进一步的是：在对岩屑进行X射线衍射分析前先通过80～120目筛子对岩屑进行筛选。气体钻井返出岩屑的特征是极其细小的粉末状，但是气体钻井时，井内无液柱压力，同常规钻井相比，井壁更容易出现掉块，导致获取的岩屑中可能夹杂着大颗粒状的岩块，岩块会影响X射线衍射数据的准确性，因此需要采用上述方法，有利于通过X射线衍射获得岩屑样品的准确的分析数据。筛选后，将岩屑放入相关X射线衍射仪器的样品腔内的样片内，通过仪器上设置的震动器使样片内的岩屑分布均匀，然后可进行X射线衍射分析。

本发明的有益效果是：本发明的方法可显著缩短岩屑样品分析周期，具有准确、高效、随钻分析地层岩性剖面、实时反馈的特点。可避免因岩屑远距离运输导致的岩性判断失真。

附图说明

图1为本发明的岩屑获取装置的示意图；

图2为通过震动器使样片内的岩屑分布均匀的示意图；

图3为4666米处岩屑X射线衍射图；

图4为4666米处岩屑X射线衍射图与已有的矿物组份数据库对比图；

图5为4684米处岩屑X射线衍射图；

图6为4684米处岩屑X射线衍射图与已有的矿物组份数据库对比图；

图7为从获取岩屑到进行X射线衍射分析的流程图；

图8为岩屑颗粒受力分析图；

图9为岩屑上返速度与井深的对应关系示意图；

图中标记为：排砂管1，取砂管2，控制阀3，取砂袋4，震动器5，样片6,钻杆壁7，井壁8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图7所示，本发明的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，

确定岩屑迟到时间；

根据岩屑迟到时间获取对应井深的岩屑，其中，岩屑获取是按钻井深度由浅至深每钻1至2米获取一次岩屑；

每次岩屑获取后在钻井现场对岩屑进行X射线衍射分析获得岩屑的X射线衍射数据，通过X射线衍射数据在钻井现场判断岩性：先根据X射线衍射数据获得X射线衍射图谱，然后将X射线衍射图谱与矿物组分数据库进行对比获得岩屑的矿物组份，根据获得的矿物组份判断岩性。上述方法使用时，例如要从井深3000米处获取岩屑，迟到时间为3.6min，取岩屑时，在气体钻井达到3000米处时开始计时，获取3.6min后的岩屑，这个岩屑即为3000米处的岩屑。上述X射线衍射分析使用的设备可为便携式X射线衍射仪，该设备为现有技术中可直接购买到的设备，例如Inxitu的Terra便携式X射线衍射仪器。上述便携式X射线衍射仪可得到相关衍射数据，将这些数据与已有的矿物组份数据库进行对比，可通过计算机来进行上述对比操作，从而可获得矿物的组份信息。上述矿物组分数据库为现有技术，可直接应用。上述岩性的判断可按现有技术常用的岩性判断方法：砂质含量<25%，粘土含量>75%，定名为泥岩；25%<砂质含量<50%，50%<粘土含量<75%，定名为砂质泥岩；25%<粘土含量<50%，50%<砂质含量<75%，定名为泥质砂岩；砂质含量>75%，粘土含量<25%，定名为砂岩。上述粘土主要包括伊利石、云母和蒙脱石等。上述砂质主要包括石英和长石等。

如图3至图6所示，从4624m开始进行氮气钻井，采取每2m取1次岩屑，采用便携式X射线衍射仪器分析样片，将得出的数据与已有的矿物组份数据库对比。

结合图3和图4得到以下结果：

井深

岩性

石英

长石

其他非黏土含量

黏土矿物含量

备注

4666m

泥岩

26%

0

3.8%

70.2%

伊利石、云母

结合图5和图6得到以下结果：

井深

岩性

石英

长石

其他非黏土含量

黏土矿物含量

备注

4684m

砂岩

71.2%

5.1%

2.0%

11.7%

伊利石、云母

本发明的方法可显著提高岩性判断速度，且岩性判断的准确性也显著提高。并且，可将岩性判断结构实时反馈给钻井现场，及时得出地层岩性剖面，极大提高了气体钻井的安全性，可有效避免安全事故的发生。而且，本发明的方法有利于快速绘制地层岩性剖面图，也就是可根据各次获取的岩屑的岩性以及对应的井深绘制地层岩性剖面图。此外，可在计算机内设置分析模块和判断模块，分析模块用于获取X射线衍射仪器的衍射数据并与已有的矿物组份数据库进行对比获得准确的矿物组份，判断模块根据分析模块获得的矿物组份判断岩性，最终可由绘图模块根据各次获取的岩屑的岩性以及对应的井深绘制地层岩性剖面图。采用上述结构，可实现气体钻井快速准确得到地层岩性剖面图，也就是只需将样片安装到X射线衍射仪器上，计算机即可根据样片中岩屑样品包含的信息实时快速获得地层岩性剖面图。

上述岩屑迟到时间的确定方法有多种，例如可用传统的实际测量方法，也就是现场通过测量其它井的内部岩屑迟到时间，来作为待测井的内部岩屑的迟到时间。也可以用一些已经公开的数学模型来计算，但目前的数学模型计算出的迟到时间与实际测量值相比，误差在10%左右。虽然现有的数学模型可以应用，但为了通过数学模型计算出更加精确的迟到时间，本发明通过深入研究和反复试验得出以下确定岩屑迟到时间的方法：

（1）气体钻井流动理论模型：

①气体在钻杆内的流动方程：

质量守恒方程： $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;V}\right)=0,$

动量守恒方程： $\mathrm{\&rho;}\frac{\mathrm{DV}}{\mathrm{Dt}}=\mathrm{\&rho;g}-\&dtri;p+\&dtri;\&CenterDot;2\mathrm{\&mu;}\left[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{ij}}\right]+\&dtri;(\mathrm{\&lambda;}\&dtri;\&CenterDot;V),$

能量守恒方程： $\mathrm{\&rho;}\frac{\mathrm{De}}{\mathrm{Dt}}=\&dtri;(k\&dtri;T)+\mathrm{\&phi;}-p\&dtri;\&CenterDot;V,$

②气体钻井环空流动方程：

气相： $\frac{d(A\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}_g\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_g\&CenterDot;v_g)}{\mathrm{dx}}=0,$

固相： $\frac{d(A\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}_s\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_s\&CenterDot;v_s)}{\mathrm{dx}}=0,$

混合相： $\frac{d}{\mathrm{dx}}[A\&CenterDot;({\mathrm{\&phi;}}_g\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_g\&CenterDot;v_g+{\mathrm{\&phi;}}_s\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_s\&CenterDot;v_s)]=0,$

③环空动量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{mg}}}\frac{d\left(p_{g}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{Re}}}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_g}{2}\frac{v_g}{D}-\frac{g}{v_g},$

固相： $\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{ms}}}\frac{d\left(p_{s}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{pe}}}{t_v}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_s}{2}\frac{v_s}{D}-\frac{g}{v_s},$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-A\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}-p\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s}{D}-{\mathrm{\&rho;}}_m\mathrm{Ag},$

④环空能量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_g}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_g}{2}\frac{v_g^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\&mu;}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

固相： $\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_s}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_s}{2}\frac{v_s^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\&mu;}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g^2}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s^2}{D}-g{Q}_{\mathrm{mgs}},$

其中，g──重力加速度，m/s²；

μ=μ(p、T)──粘性系数，mPa·s；

λ=λ(p、T)──体膨胀粘性系数；

k=k(p、T)──热传导系数；

p=p(x,y,z,t)──压力函数；

ρ=ρ(x,y,z,t)──密度函数；

v=v(x,y,z,t)──速度矢函数；

e=e(x,y,z,t)──内能函数；

φ=φ(x,y,z,t)──耗散功；

T=T(x,y,z,t)──温度函数；

$\left[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_1}& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_1}+\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_2})& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_3}+\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_1})\\ \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_1}+\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_2})& \frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_2}& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_2}+\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_3})\\ \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_3}+\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_1})& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_2}+\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_3})& \frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_3}\end{array}\right]$ ──应变张量；

x、y、z为三维坐标系的三个坐标轴，其中z代表井的轴向，x和y代表与井的横截面上的两个相互垂直的方向；

t为时间；

A为环空截面积；

Q为总流量；

Qms为岩屑的质量流量；

Qmg为气体的质量流量；

Qmgs为环空中气体与固体颗粒混合物质流量；

Vg为岩屑速度；

Vs为气体速度；

f为摩阻系数；

f_RE为气动阻力修正系数；

f_PE为岩屑运动阻力修正系数；

t_v为速度松弛时间；

Cs为岩屑浓度；

Nμ为努赛尔数；

t_T为温度松弛时间；

M=M(x₁,x₂x₃)为三维空间点。上述方程描述的是三维瞬态气体流动，如果时间项全部消失，则得到三维稳态流动。如果V的三个分量v₁、v₂、v₃中，垂直于流动方向x₁的速度分量v₂、v₃为零，只有v₁=(M,t)存在，则得到只有轴向速度的v₁三维瞬态流。在只有轴向速度v₁=(M,t)的三维瞬态流中，去掉全部时间项，则得到只有轴向速度v₁=(M)的三维稳态流。在只有轴向速度v₁=(M,t)的三维瞬态流中，如果认为沿任一流道截面上速度v₁都相等（为截面平均速度），则有v₁=(x₁,t)，得到一维瞬态流方程。在一维瞬态流方程中，去掉全部时间项，得到一维稳态流方程v₁=(x₁)。

（2）井内温度动态分布方程：

井内流体流动与地层传热的三维瞬态模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;V}\right)=0\\ \frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;V}\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;VV}\right)=\mathrm{\&rho;f}+\&dtri;\&CenterDot;\tilde{P}\\ \frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;}{c}_{p}T\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;}{c}_p\mathrm{TV}\right)=\&dtri;\&CenterDot;[\frac{\mathrm{\&lambda;}}{c_p}\&dtri;\&CenterDot;\left(c_{p}T\right)]+S_T\end{array}\right.,$

S_T为能量方程的源项，其具体表达式为：

$S_T=\mathrm{\&rho;T}\frac{{\mathrm{Dc}}_p}{\mathrm{Dt}}-\&dtri;\&CenterDot;(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{c_p}T\&dtri;\&CenterDot;c_p)+\tilde{T}\&dtri;V+q_s,$

其中：ρ——介质密度，kg/m³；

V——钻井液在井筒内的速度矢量，m/s；

f——单位质量的质量力矢量，N；

——钻井液在井筒内的流动的应力张量；

——钻井液在井筒内的流动的偏应力张量；

c_p——介质定压比热容，J/(kg·K)；

λ——介质导热系数；

q_s——单位体积计算域内热源，J/m³；

t———时间，s；

T———温度；

（3）环空颗粒运动方程：

单一颗粒在环空复杂流场中的运动受力状态如图8所示，该平衡力系一般是三维空间力系。由颗粒受力平衡建立颗粒运动的矢量方程：

${\mathrm{\&rho;}}_s\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\&PartialD;\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}}{\&PartialD;t}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\&rho;}}_g{(\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}-\stackrel{\&RightArrow;}{V_s})}^2-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\&rho;}}_s-{\mathrm{\&rho;}}_g)\sin \mathrm{\&alpha;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\&dtri;p+\mathrm{\&Sigma;}\stackrel{\&RightArrow;}{F},$

将二维流场简化为一维流场，则矢量方程简化为下列标量方程：

${\mathrm{\&rho;}}_s\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\&PartialD;V_s}{\&PartialD;t}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\&rho;}}_g{(V_g-V_s)}^2-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\&rho;}}_s-{\mathrm{\&rho;}}_g)-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\mathrm{\&Sigma;}{F}_z,$

其中：

$\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}=\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}(x,y,z,t)$ —颗粒速度矢；

$\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}=\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}(x,y,z,t)$ -气流速度矢；

p(x,y,z,t)—压力场；

-压力梯度；

—重力加速度矢，

-力，也就是图8中的其它合力中的各个力，包括巴塞特力，马格努斯力等，由于这些力主要依赖于岩屑的粒径大小，由于气体钻井的岩屑粒径极其微小，因此在实际计算过程中可以忽略这些力的数值，也就是可认为这些力为0。

ρ_s-颗粒密度；

ρ_g-气体密度，

p_g为气体压力，M为气体的分子量，R为气体常数8.31，T为温度，T需要根据（2）井内温度动态分布方程确定；

d_s-颗粒直径；

Re=d_s|V_s-V_g|/μ，μ为气体动力粘度；

根据上述（1）气体钻井流动理论模型、（2）井内温度动态分布方程和（3）环空颗粒运动方程可确定岩屑的上返速度与井深的对应关系；

例如某气体钻井钻具组合参数：钻头311.2mm，不带喷嘴，水眼尺寸为：30mm×3；159mm钻铤243m，内径71.4mm；127mm加厚钻杆85m，内径76.2mm；其余为127mm钻杆，内径108.6mm；另外技术套管外径339.7mm，内径321.4mm，下深2698m。

其它相关参数：

地温梯度3℃/100m，岩屑颗粒密度2.6g/cm³，空气密度1.293kg/m³，天然气密度0.713kg/m³，环境温度20℃，环境压力1atm，临界注气量81m3/min，实际设备注气量120m3/min，介质为空气，机械钻速8m/h；钻头不装水嘴，三个水眼直径均为33mm，地层压力系数1.8。

根据上述各数据并结合（1）气体钻井流动理论模型、（2）井内温度动态分布方程和（3）环空颗粒运动方程可确定岩屑的上返速度与井深的对应关系；如图9所示。

然后可根据图9所示的相关数据计算迟到时间时，可将全井段分成i个微元，由于计算时划分的微元相对全井段极小,岩屑在微元内匀速运动，由此,可计算岩屑流经微元体所需的时间:

$\mathrm{\&Delta;}{t}_i=\frac{\mathrm{\&Delta;h}}{v_i};$

然后，分别求出岩屑经过每个微元中所需时间,迭代求和即可得岩屑迟到时间t:

$t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{t}_i.$

通过实验证明，采用本发明的上述方法确定的迟到时间与实际测量值相比，误差在5%以下。上述计算可完全通过计算机编程实现。

在上述基础上，所述岩屑获取是通过以下方法实现的：如图1所示，通过在用于将井内岩屑排出井外的排砂管1上连接取砂管2，在取砂管2上设置控制阀3，在取砂管2的出口连接取砂袋4，通过取砂袋4获取由井内返出的岩屑。通过本发明的上述方法，可使岩屑由取砂管2进入砂袋4，有利于控制岩屑获取时机和获取量，岩屑获取安全方便。当需要取样时，可打开控制阀3，使岩屑进入取砂袋4。当不需要取样时，可关闭控制阀3。并且可通过控制阀3的开启量的大小来控制获取岩屑的量。

在上述基础上，如图7所示，当获取的岩屑成团现象严重时，对岩屑进行X射线衍射分析前先对岩屑进行烘干操作者观察所取岩屑是否有成团现象，判断成团现象的程度，从而决定岩屑是否需要烘干，例如岩屑成团的粒径大于0.5mm就需要烘干。成团现象是气体钻井时，井内产出的液体对岩屑浸湿，使得岩屑成团并具有粘性，成团现象严重时，岩屑的粘度增大，不利于装片和制片。烘干后岩屑所成的团自然分散，形成粉末状岩屑。。

为了提高X射线衍射结果的准确度，在对岩屑进行X射线衍射分析前先通过80～120目筛子对岩屑进行筛选。筛选后，将岩屑放入相关X射线衍射仪器的样品腔内的样片内，通过仪器上设置的震动器使样片内的岩屑分布均匀，然后可进行X射线衍射分析。如图2所示，样片6可包括一个半透明薄膜，该薄膜内承装有岩屑样品。通过震动器5将样片6震动，使其内部的岩屑分布均匀。采用上述方法有利于提高X射线衍射结果的准确度。

本发明的方法还可直接用于录井作业，具体为：岩屑获取包括：按钻井深度由浅至深连续取样，获得各钻井深度岩层的岩屑样品；获得X射线衍射数据包括：按照钻井深度，通过在钻井现场设置的便携式X射线衍射仪获得各岩屑样品矿物组份的数据；岩性判断包括：按照钻井深度，将各岩层的岩屑的矿物组份的数据与矿物组份数据库对比得到各岩层的矿物组份，根据获得的矿物组份判断岩性。上述录井方法与传统的录井方法相比，可直接对岩性进行判断，也就是判断岩层是泥岩、砂岩或其它种类的岩层。录井效率显著提高，可极大缩短岩性判断时间。

Claims (6)

1.气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：

确定岩屑迟到时间；

根据岩屑迟到时间获取对应井深的岩屑，其中，岩屑获取是按钻井深度由浅至深每钻1至2米获取一次岩屑；

每次岩屑获取后在钻井现场对岩屑进行X射线衍射分析获得岩屑的X射线衍射数据，通过X射线衍射数据在钻井现场判断岩性：先根据X射线衍射数据获得X射线衍射图谱，然后将X射线衍射图谱与矿物组分数据库进行对比获得岩屑的矿物组份，根据获得的矿物组份判断岩性。

2.如权利要求1所述的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：所述岩屑迟到时间通过以下模型计算确定：

（1）气体钻井流动理论模型：

①气体在钻杆内的流动方程：

质量守恒方程： $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;V}\right)=0,$

动量守恒方程： $\mathrm{\&rho;}\frac{\mathrm{DV}}{\mathrm{Dt}}=\mathrm{\&rho;g}-\&dtri;p+\&dtri;\&CenterDot;2\mathrm{\&mu;}\left[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{ij}}\right]+\&dtri;(\mathrm{\&lambda;}\&dtri;\&CenterDot;V),$

能量守恒方程： $\mathrm{\&rho;}\frac{\mathrm{De}}{\mathrm{Dt}}=\&dtri;(k\&dtri;T)+\mathrm{\&phi;}-p\&dtri;\&CenterDot;V,$

②气体钻井环空流动方程：

气相： $\frac{d(A\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}_g\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_g\&CenterDot;v_g)}{\mathrm{dx}}=0,$

固相： $\frac{d(A\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}_s\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_s\&CenterDot;v_s)}{\mathrm{dx}}=0,$

混合相： $\frac{d}{\mathrm{dx}}[A\&CenterDot;({\mathrm{\&phi;}}_g\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_g\&CenterDot;v_g+{\mathrm{\&phi;}}_s\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_s\&CenterDot;v_s)]=0,$

③环空动量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{mg}}}\frac{d\left(p_{g}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{Re}}}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_g}{2}\frac{v_g}{D}-\frac{g}{v_g},$

固相： $\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{1}{Q_{\mathrm{ms}}}\frac{d\left(p_{s}A\right)}{\mathrm{dx}}-\frac{f_{\mathrm{pe}}}{t_v}(\frac{v_g}{v_s}-1)-\frac{f_s}{2}\frac{v_s}{D}-\frac{g}{v_s},$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{dv}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{dv}}_s}{\mathrm{dx}}=-A\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dx}}-p\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dx}}-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s}{D}-{\mathrm{\&rho;}}_m\mathrm{Ag},$

④环空能量方程：

气相： $\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_g}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_g}{2}\frac{v_g^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\&mu;}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

固相： $\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_{\mathrm{pe}}{v}_s}{t_v}\frac{Q_{\mathrm{ms}}}{Q_{\mathrm{mg}}}{(\frac{v_g}{v_s}-1)}^2-\frac{f_s}{2}\frac{v_s^2}{D}-\frac{c_s}{v_s}\frac{N_{\mathrm{\&mu;}}}{2}\frac{T_g-T_s}{t_T}-g,$

混合相： $Q_{\mathrm{mg}}\frac{{\mathrm{de}}_g}{\mathrm{dx}}+Q_{\mathrm{ms}}\frac{{\mathrm{de}}_s}{\mathrm{dx}}=-\frac{f_g}{2}\frac{Q_{\mathrm{mg}}{v}_g^2}{D}-\frac{f_s}{2}\frac{Q_{\mathrm{ms}}{v}_s^2}{D}-g{Q}_{\mathrm{mgs}},$

其中，g──重力加速度，m/s²；

μ=μ(p、T)──粘性系数，mPa·s；

λ=λ(p、T)──体膨胀粘性系数；

k=k(p、T)──热传导系数；

p=p(x,y,z,t)──压力函数；

ρ=ρ(x,y,z,t)──密度函数；

v=v(x,y,z,t)──速度矢函数；

e=e(x,y,z,t)──内能函数；

φ=φ(x,y,z,t)──耗散功；

T=T(x,y,z,t)──温度函数；

$\left[{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{ij}}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_1}& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_1}+\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_2})& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_3}+\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_1})\\ \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_1}+\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_2})& \frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_2}& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_2}+\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_3})\\ \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_1}{\&PartialD;x_3}+\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_1})& \frac{1}{2}(\frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_2}+\frac{\&PartialD;v_2}{\&PartialD;x_3})& \frac{\&PartialD;v_3}{\&PartialD;x_3}\end{array}\right]$ ──应变张量；

x、y、z为三维坐标系的三个坐标轴，其中z代表井的轴向，x和y代表与井的横截面上的两个相互垂直的方向；

t为时间；

A为环空截面积；

Q为总流量；

Qms为岩屑的质量流量；

Qmg为气体的质量流量；

Qmgs为环空中气体与固体颗粒混合物质流量；

Vg为岩屑速度；

Vs为气体速度；

f为摩阻系数；

f_RE为气动阻力修正系数；

f_PE为岩屑运动阻力修正系数；

t_v为速度松弛时间；

Cs为岩屑浓度；

Nμ为努赛尔数；

t_T为温度松弛时间；

（2）井内温度动态分布方程：

井内流体流动与地层传热的三维瞬态模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;t}+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;V}\right)=0\\ \frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;V}\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;VV}\right)=\mathrm{\&rho;f}+\&dtri;\&CenterDot;\tilde{P}\\ \frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\left(\mathrm{\&rho;}{c}_{p}T\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left(\mathrm{\&rho;}{c}_p\mathrm{TV}\right)=\&dtri;\&CenterDot;[\frac{\mathrm{\&lambda;}}{c_p}\&dtri;\&CenterDot;\left(c_{p}T\right)]+S_T\end{array}\right.,$

S_T为能量方程的源项，其具体表达式为：

$S_T=\mathrm{\&rho;T}\frac{{\mathrm{Dc}}_p}{\mathrm{Dt}}-\&dtri;\&CenterDot;(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{c_p}T\&dtri;\&CenterDot;c_p)+\tilde{T}\&dtri;V+q_s,$

其中：ρ——介质密度，kg/m³；

V——钻井液在井筒内的速度矢量，m/s；

f——单位质量的质量力矢量，N；

——钻井液在井筒内的流动的应力张量；

——钻井液在井筒内的流动的偏应力张量；

c_p——介质定压比热容，J/(kg·K)；

λ——介质导热系数；

q_s——单位体积计算域内热源，J/m³；

t———时间，s；

T———温度；

（3）环空颗粒运动方程：

颗粒运动的矢量方程：

${\mathrm{\&rho;}}_s\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\&PartialD;\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}}{\&PartialD;t}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\&rho;}}_g{(\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}-\stackrel{\&RightArrow;}{V_s})}^2-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\&rho;}}_s-{\mathrm{\&rho;}}_g)\sin \mathrm{\&alpha;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\&dtri;p+\mathrm{\&Sigma;}\stackrel{\&RightArrow;}{F},$

将二维流场简化为一维流场，则矢量方程简化为下列标量方程：

${\mathrm{\&rho;}}_s\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\&PartialD;V_s}{\&PartialD;t}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{d}_s^2\frac{C_D}{2}{\mathrm{\&rho;}}_g{(V_g-V_s)}^2-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3({\mathrm{\&rho;}}_s-{\mathrm{\&rho;}}_g)-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}{d}_s^3\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}+\mathrm{\&Sigma;}{F}_z,$

其中：

$\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}=\stackrel{\&RightArrow;}{V_s}(x,y,z,t)$ -颗粒速度矢；

$\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}=\stackrel{\&RightArrow;}{V_g}(x,y,z,t)$ -气流速度矢；

p(x,y,z,t)-压力场；

-压力梯度；

—重力加速度矢，

—力；

ρ_s—颗粒密度；

ρ_g—气体密度，

p_g为气体压力，M为气体的分子量，R为气体常数8.31，T为温度，T需要根据（2）井内温度动态分布方程确定；

d_s—颗粒直径；

Re=d_s|V_s-V_g|/μ，μ为气体动力粘度；

根据上述（1）气体钻井流动理论模型、（2）井内温度动态分布方程和（3）环空颗粒运动方程可确定岩屑的上返速度与井深的对应关系；

计算迟到时间时，可将全井段分成i个微元，由于计算时划分的微元相对全井段极小,岩屑在微元内匀速运动，由此,可计算岩屑流经微元体所需的时间:

$\mathrm{\&Delta;}{t}_i=\frac{\mathrm{\&Delta;h}}{v_i};$

然后，分别求出岩屑经过每个微元中所需时间,迭代求和即可得岩屑迟到时间t:

$t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{t}_i.$

3.如权利要求1所述的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：根据各次获取的岩屑的岩性以及对应的井深绘制地层岩性剖面图。

4.如权利要求1所述的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：所述岩屑获取是通过以下方法实现的：通过在用于将井内岩屑排出井外的排砂管上连接取砂管，在取砂管上设置控制阀，在取砂管的出口连接取砂袋，通过取砂袋获取由井内返出的岩屑。

5.如权利要求1所述的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：在对岩屑进行X射线衍射分析前先对岩屑进行烘干。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的气体钻井随钻分析地层岩性的方法，其特征是：在对岩屑进行X射线衍射分析前先通过80～120目筛子对岩屑进行筛选。

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