淺層水平井巖屑床生成機理及應(yīng)對措施淺析

凌虹

（長城鉆探裝備部，北京 100101）

淺層水平井巖屑床生成機理及應(yīng)對措施淺析

凌虹

（長城鉆探裝備部，北京 100101）

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

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及循環(huán)，導(dǎo)致井眼中巖屑，尤其在大井斜井段（井斜超過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、整井報廢等事故，造成重大經(jīng)濟損失。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，整個鉆具會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，鉆井液流動阻力小，流速快；間隙小的位置，鉆井液流動阻力大，流速小，而巖屑需要在鉆井液的流動下被向上攜帶，進而攜帶出井眼，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（停泵），巖屑會以更快的速度沉積在下井壁處，更加速了巖屑床的形成，巖屑床形成之后會給安全鉆井帶來隱患。

首先大量巖屑床的存在會給緊貼下井壁的鉆具帶來極大的附著力，即鉆具轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生扭矩增加，上下活動鉆具時也會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。同時巖屑床的大量存在會導(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移效果，如果返速不夠高，巖屑不能及時被帶離井底，將會導(dǎo)致在大井斜井段，尤其是水平井段巖屑床，大段厚的巖屑床會對鉆具產(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；鉆井過程中，無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、臨界流速會隨井斜角的增加而增加的事實，同時受到井斜角的影響，鉆井液對巖屑向上運移的力量會大幅度降低，從而導(dǎo)致鉆井液攜巖效果下降，運移不充分。

通過現(xiàn)場應(yīng)用總結(jié)出，隨著井斜角增大，鉆井位移增加，鉆井液對巖屑的攜帶能力會降低，攜巖越來越困難。實踐總結(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)重時會發(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)空巖屑的運移方式及運移狀態(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)是指鉆井流動時呈現(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，鉆井液流速較低，可以通過提高鉆井液的動切力和動塑比，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，鉆井液的動切力作用非常明顯，但隨著井斜角的增加，其動切力作用明顯減弱，但動塑比對攜巖的影響仍然較大。因此，現(xiàn)場施工中，當(dāng)鉆進至大井斜井段時，通常會提高鉆井液的動塑比，從而提高巖屑運移效果。

2.5 鉆具旋轉(zhuǎn)速度

在現(xiàn)場鉆井施工中，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，因為通過鉆具的旋轉(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起來，增大巖屑融入鉆井液比例，進而把運移中的巖屑帶入環(huán)空高速區(qū)，增大了巖屑運移距離，從而減少環(huán)空巖屑含量及固向濃度；另一方面是通過轉(zhuǎn)動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

鉆井液密度與其對巖屑的懸浮能力直接相關(guān)，當(dāng)現(xiàn)場鉆井液中巖屑含量較高時，通常會提高鉆井液密度，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，靜止的鉆井液對巖屑具有較高的懸浮能力，有利于巖屑的攜帶，同時也有利于平衡地層坍塌應(yīng)力，防止地層坍塌和泥頁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 鉆進速度和巖屑尺寸

現(xiàn)場鉆井時，鉆進速度越快，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，因此對井眼清潔起到負(fù)面影響。

3 應(yīng)用實踐

通過對井眼凈化效果影響因素的分析和經(jīng)驗總結(jié)，工程師在鉆井施工中通常會采用以下五種技術(shù)措施來提高井眼凈化效果：一是通過維護鉆井液的性能，使其各項性能指標(biāo)達到預(yù)期要求，即提高鉆井液的懸浮能力，來保證鉆井液對巖屑產(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；二是通過理論計算，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移帶出井眼；三是最大限度的利用好固控設(shè)備，加強四級凈化，及時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)場鉆井中，通過鉆完一定長度井段、經(jīng)歷一定長度的施工周期后，進行短程起下鉆，這樣不僅可以降低巖屑產(chǎn)生的數(shù)量，同時可以通過鉆具的運動，利用機械方式將巖屑向上運移，當(dāng)鉆井液再次循環(huán)時將巖屑帶出井口，最大限度實現(xiàn)井眼凈化；五是通過研究，研制專用工具提高井眼凈化效果。

應(yīng)用井號：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，效果對比如表2所示。

4 結(jié)論

（1）通過采用綜合工程技術(shù)措施，提高鉆井液性能，調(diào)整鉆井參數(shù)，運用專用工具，實現(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，實現(xiàn)鉆井綜合投資的下降。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用過程中，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場的實際情況，具體調(diào)整鉆井液性能及鉆井參數(shù)，降低井眼風(fēng)險。

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

[2] 李克向，等. 國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題分析及對策. 勝利油田職工大學(xué)學(xué)報， 2009.

表1 JL-H2井實鉆軌跡

表2 效果對比

TE254

B

1671-0711（2016）07（上）-0079-02