凌虹

（長(zhǎng)城鉆探裝備部，北京 100101）

淺層水平井巖屑床生成機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施淺析

凌虹

（長(zhǎng)城鉆探裝備部，北京 100101）

在淺層水平井施工過(guò)程中，因 油層埋深淺、地層疏松、井壁不穩(wěn)定、易出砂、鉆井循環(huán)排量無(wú)法保證，井眼凈化難度大，施工中極易因井眼凈化問(wèn)題而導(dǎo)致環(huán)控憋堵，進(jìn)而造成井漏、卡鉆等復(fù)雜情況和事故，同時(shí)因井眼凈化不徹底，會(huì)導(dǎo)致后期完井管柱無(wú)法順利下入，造成更為復(fù)雜的情況。本文通過(guò)應(yīng)用系列工具，破壞巖屑床、提高攜巖效果，達(dá)到井眼凈化的效果。

巖屑床；井眼凈化；摩阻

0 引言

淺層水平井施工中，地層埋藏淺，造斜段短，井眼曲率大，地層松散，井眼尺寸大，極易出砂，為保證井眼安全，不得不降低排量鉆進(jìn)及循環(huán)，導(dǎo)致井眼中巖屑，尤其在大井斜井段（井斜超過(guò)45°），極易生產(chǎn)巖屑穿，影響到水平段鉆井及后期完井管柱的順利下入，甚至造成卡鉆、填井、側(cè)鉆、整井報(bào)廢等事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須應(yīng)用相應(yīng)技術(shù)解決在淺層水平井鉆井過(guò)程中容易出現(xiàn)的井眼凈化不徹底的難題。

1 巖屑床形成的過(guò)程及其造成的危害

鉆井施工中，當(dāng)井眼的井斜角大于45°后，受重力作用的影響，整個(gè)鉆具會(huì)斜躺在已鉆井眼的下井壁，鉆具與上井壁距離加大，在井眼中容易形成“偏心環(huán)空”,即環(huán)空切面為月牙狀。在偏心環(huán)空內(nèi)，鉆井的流速不均勻，即空間縫隙大的位置，鉆井液流動(dòng)阻力小，流速快；間隙小的位置，鉆井液流動(dòng)阻力大，流速小，而巖屑需要在鉆井液的流動(dòng)下被向上攜帶，進(jìn)而攜帶出井眼，流速的不均勻極易導(dǎo)致流速小的位置巖屑發(fā)生沉降，落在下井壁的位置，巖屑堆積較多后即形成巖屑床。當(dāng)鉆井液循環(huán)停止時(shí)（停泵），巖屑會(huì)以更快的速度沉積在下井壁處，更加速了巖屑床的形成，巖屑床形成之后會(huì)給安全鉆井帶來(lái)隱患。

首先大量巖屑床的存在會(huì)給緊貼下井壁的鉆具帶來(lái)極大的附著力，即鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生扭矩增加，上下活動(dòng)鉆具時(shí)也會(huì)極大的增加鉆具的摩阻力。容易在鉆井施工中發(fā)生卡鉆事故。同時(shí)巖屑床的大量存在會(huì)導(dǎo)致完井下套管、固井作業(yè)發(fā)生困難，水泥封固質(zhì)量差。

2 井眼凈化的影響因素

2.1 鉆井液的循環(huán)排量

鉆井液的循環(huán)排量是影響井眼凈化程度最重要的參數(shù)之一，相同尺寸井眼，循環(huán)排量大，則環(huán)空返速高，循環(huán)排量小，則返速低。環(huán)空返速影響到巖屑的運(yùn)移效果，如果返速不夠高，巖屑不能及時(shí)被帶離井底，將會(huì)導(dǎo)致在大井斜井段，尤其是水平井段巖屑床，大段厚的巖屑床會(huì)對(duì)鉆具產(chǎn)生卡鉆威脅。

2.2 井斜角

井斜角的存在，為巖屑床的形成的提供了條件，主要是井斜角的大小決定了巖屑床的形成厚度；鉆井過(guò)程中，無(wú)論使用清水還是具有良好流變性的鉆井液，都不能改變巖屑濃度、臨界流速會(huì)隨井斜角的增加而增加的事實(shí)，同時(shí)受到井斜角的影響，鉆井液對(duì)巖屑向上運(yùn)移的力量會(huì)大幅度降低，從而導(dǎo)致鉆井液攜巖效果下降，運(yùn)移不充分。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總結(jié)出，隨著井斜角增大，鉆井位移增加，鉆井液對(duì)巖屑的攜帶能力會(huì)降低，攜巖越來(lái)越困難。實(shí)踐總結(jié)出當(dāng)井斜角大于60°后，鉆井液中的巖屑極易在下井壁形成巖屑床，且不易被清除干凈，這就導(dǎo)致了鉆井施工中起下鉆困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生卡鉆等復(fù)雜情況，給鉆井施工設(shè)下極大隱患。

2.3 井眼環(huán)空返速

井眼內(nèi)環(huán)空返速直接影響到環(huán)空巖屑的運(yùn)移方式及運(yùn)移狀態(tài)，導(dǎo)致巖屑濃度發(fā)生極大變化。有研究表明，處于井眼中巖屑的臨界返速會(huì)隨井斜角的變化發(fā)生變化，即井斜角越大，臨界返速越大，相反，井斜角降低，需要的臨界返速下降。

2.4 鉆井液流變性能

鉆井液流態(tài)是指鉆井流動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)的層流狀態(tài)或者是紊流狀態(tài)。當(dāng)鉆井液處于層流狀態(tài)時(shí)，鉆井液流速較低，可以通過(guò)提高鉆井液的動(dòng)切力和動(dòng)塑比，降低環(huán)空巖屑濃度，從而提高鉆井液攜巖效果。在大斜度井施工中，當(dāng)井斜角較小時(shí)，鉆井液的動(dòng)切力作用非常明顯，但隨著井斜角的增加，其動(dòng)切力作用明顯減弱，但動(dòng)塑比對(duì)攜巖的影響仍然較大。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工中，當(dāng)鉆進(jìn)至大井斜井段時(shí)，通常會(huì)提高鉆井液的動(dòng)塑比，從而提高巖屑運(yùn)移效果。

2.5 鉆具旋轉(zhuǎn)速度

在現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工中，尤其是在水平井施工中，旋轉(zhuǎn)鉆具可以提高巖屑的清除效果，因?yàn)橥ㄟ^(guò)鉆具的旋轉(zhuǎn)一方面可以改變鉆井液的流態(tài)，將鉆井液的流態(tài)調(diào)整為紊流狀態(tài)，從而增加了環(huán)空鉆井液的紊流度，使處于巖屑床上的巖屑被攪動(dòng)起來(lái)，增大巖屑融入鉆井液比例，進(jìn)而把運(yùn)移中的巖屑帶入環(huán)空高速區(qū)，增大了巖屑運(yùn)移距離，從而減少環(huán)空巖屑含量及固向濃度；另一方面是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具可以將井壁及井眼中的大塊巖屑擠壓研磨生成小顆粒，小顆粒的巖屑更有利于被鉆井液攜帶，從而離開(kāi)井眼，保證了巖屑濃度下降。

2.6 鉆井液密度

鉆井液密度與其對(duì)巖屑的懸浮能力直接相關(guān)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中巖屑含量較高時(shí)，通常會(huì)提高鉆井液密度，這樣既可以提高鉆井液拖拽巖屑的能力，又可以保證當(dāng)停泵時(shí)，靜止的鉆井液對(duì)巖屑具有較高的懸浮能力，有利于巖屑的攜帶，同時(shí)也有利于平衡地層坍塌應(yīng)力，防止地層坍塌和泥頁(yè)巖的剝落掉塊增加環(huán)空中有害固相的含量，改善了鉆井液攜巖效果。

2.7 鉆進(jìn)速度和巖屑尺寸

現(xiàn)場(chǎng)鉆井時(shí)，鉆進(jìn)速度越快，從地層中返出的巖屑就越多，鉆井液中固相含量就越高，越容易在井壁生成巖屑床；巖屑顆粒尺寸的大小，影響到其在鉆井液中浮力，巖屑浮力與其自身重力之間得關(guān)系，直接影響其隨鉆井液攜帶出井眼的效果，巖屑尺寸太大，不易被攜帶出井眼，因此對(duì)井眼清潔起到負(fù)面影響。

3 應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)對(duì)井眼凈化效果影響因素的分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，工程師在鉆井施工中通常會(huì)采用以下五種技術(shù)措施來(lái)提高井眼凈化效果：一是通過(guò)維護(hù)鉆井液的性能，使其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求，即提高鉆井液的懸浮能力，來(lái)保證鉆井液對(duì)巖屑產(chǎn)生的上浮力大于巖屑自身的重力，或者最大限度地克服巖屑的下沉力，使其下沉能力下降；二是通過(guò)理論計(jì)算，調(diào)整鉆井參數(shù)，即調(diào)整鉆井液的排量、返速，使鉆井液的流態(tài)達(dá)到平板型層流狀態(tài)，這樣有利于將鉆井液中攜帶的巖屑向上運(yùn)移帶出井眼；三是最大限度的利用好固控設(shè)備，加強(qiáng)四級(jí)凈化，及時(shí)將鉆井液中的巖屑清除掉，巖屑量的降低可以有效降低鉆井液中固控含量，有利于井眼的凈化；四是制定合理的施工措施，現(xiàn)場(chǎng)鉆井中，通過(guò)鉆完一定長(zhǎng)度井段、經(jīng)歷一定長(zhǎng)度的施工周期后，進(jìn)行短程起下鉆，這樣不僅可以降低巖屑產(chǎn)生的數(shù)量，同時(shí)可以通過(guò)鉆具的運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)械方式將巖屑向上運(yùn)移，當(dāng)鉆井液再次循環(huán)時(shí)將巖屑帶出井口，最大限度實(shí)現(xiàn)井眼凈化；五是通過(guò)研究，研制專用工具提高井眼凈化效果。

應(yīng)用井號(hào)：JL-H2井

地層描述：

井段：530~970 m

地層：姚家組

巖性：紫紅色泥巖，棕褐色粉砂巖

井身結(jié)構(gòu)（圖1）：

圖1

鉆具組合：

f241.3 mmBIT＋f197 mm旋 流 短 接 ＋ f197 mm1.25o螺桿＋f197 mm定位短接＋f197 mmNMDC ＋f127 mmHWDP＋f127 mmDP×100 m＋f127 mm旋流短接＋f127 mmDP×100 m＋f127 mm旋流短接＋f127 mmHWDP＋f127 mmDP，如表1所示，效果對(duì)比如表2所示。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)采用綜合工程技術(shù)措施，提高鉆井液性能，調(diào)整鉆井參數(shù)，運(yùn)用專用工具，實(shí)現(xiàn)了水平井鉆井的井眼凈化目標(biāo)。

（2）在鉆井液綜合成本受限的前提下，應(yīng)當(dāng)研制配套工具，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)鉆井綜合投資的下降。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，具體調(diào)整鉆井液性能及鉆井參數(shù)，降低井眼風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 劉峰，王鑫偉. 水平井中鉆柱屈曲的非線性有限元分析[A].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005.8:917~920.

[2] 李克向，等. 國(guó)外大位移井鉆井技術(shù)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[3] 陳浩，等. 大井斜大位移井鉆井液攜巖問(wèn)題分析及對(duì)策. 勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009.

表1 JL-H2井實(shí)鉆軌跡

表2 效果對(duì)比

TE254

B

1671-0711（2016）07（上）-0079-02