提高氣體鉆井攜巖能力的方法及應用

葉長文 徐英 李洪興 干建華 譚奇生 賀明敏

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都 610000；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液服務公司，四川 成都 610000）

提高氣體鉆井攜巖能力的方法及應用

葉長文1徐英2李洪興1干建華1譚奇生1賀明敏1

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都 610000；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液服務公司，四川 成都 610000）

目前氣體鉆井最小注氣量的計算方法僅適用于巖屑在井底被鉆頭破碎，而未考慮其通過環空向上運移時被二次破碎的情況，但鉆頭在井底對巖屑的破碎往往不夠徹底，很多巖屑必須在井底以及窄環空井段發生撞擊和碾磨，經過二次破碎后才能被氣體攜帶出井。巖屑的二次破碎主要發生在鉆頭、扶正器等環空突然變窄的位置，其二次破碎效率主要與巖屑向上運移的速度和鉆具轉速有關。通過引入二次破碎因子B，修正了巖屑粒徑的理論計算公式，并通過現場取樣分析，給出了B值的取值范圍。以修正后的計算方法為指導，提出了通過提高轉盤轉速、選擇適當的注氣量來提高氣體攜巖效率。

氣體鉆進 攜巖 二次破碎 轉速 注氣量

0 引言

氣體鉆井是提高鉆井速度的具有革命性的技術，該技術在提高機械鉆速、防止水敏性地層縮徑、防止井漏、發現和保護油氣層等方面較常規液相鉆井有很大的優勢，但氣體黏度極低，作為循環介質，只能通過氣體動能攜巖，從而導致攜巖困難。為了防止環空中的氣體返速過低，巖屑向井底回落進而堆積，造成扼流現象，工程上通過確定環空面積突然變大，環空流速的關鍵點，計算出滿足攜巖所需的最低注氣量，現場施工時要求注氣量必須大于最低注氣量，且盡可能提高注氣量，以提高攜巖能力，從而提高機械鉆速［1］。但實踐發現，一味提高注氣量并不能提高攜巖能力，甚至起到相反的效果。筆者就巖屑的二次破碎、最小注氣量的計算方法等問題進行了研究，提出了提高攜巖能力的新方法，并進行了現場試驗。

1 影響空氣鉆攜砂能力的因素

1.1巖屑的二次破碎

與液相循環介質相比，氣相介質的黏度、密度低得多，其主要依靠動能作用驅動環空內的巖屑向上移動。剛被鉆頭剝落的巖屑由于其體積和質量較大，難以被氣體攜帶至井口排出。只有在井底以及窄環空井段撞擊和碾磨，經過二次破碎形成的足夠小的顆粒才能被氣流帶至井口。造成巖屑的二次破碎的力主要來自3個方面：①如圖1中巖屑1、3與鉆頭、鉆鋌、扶正器等鉆具之間的相互作用；②巖屑1、2、5與井壁巖石的相互作用；③巖屑1、2、3、4之間的相互作用。對巖屑3做受力分析（圖2）發現，其破碎主要受扶正器作用于其上的剪切應力τ和周圍巖屑對其施加的擠壓力，將巖屑質點化，其受到的擠壓力又可分解為水平主應力σ1和垂直主應力σ2。根據Epstein提出的破碎理論，巖石的破碎主要分為體積破碎、表面破碎和均勻破碎［2］。表面破碎主要受施加于其上的σ1、σ2的影響，宏觀表現出來即為外界對巖屑施加的壓縮作用，僅引起巖屑的表面破壞，不影響其內部結構；體積破碎主要與外界的碰撞和剪切作用有關，也就是說與τ有密切關系，體積破碎將引起巖屑的整體破壞；均勻破碎模型主要發生在結合極不緊密的顆粒集合體中，與巖屑破碎的實際情況并不相符。因此，巖屑的二次破碎大多來自于體積破碎。

巖屑被鉆頭剝離井底后，由下往上運移。在環

空間隙均勻的井段，巖屑與井壁、鉆具之間僅發生摩擦和輕微的碰撞，其破碎機理主要表現為表面破碎；在鉆頭、扶正器等環空間隙突然縮小的位置，會與上部鉆具發生碰撞，同時由于鉆具的轉動，在巖屑與鉆具接觸的瞬間，鉆具會在巖屑上產生一個剪切應力，從而引起巖屑的體積破碎。巖屑與鉆具的碰撞越強烈，鉆具的鉆速越高，就越容易發生體積破碎。

由此可見，巖屑的二次破碎主要發生在鉆頭、扶正器等環空突然變窄的位置，其二次破碎效率主要與巖屑向上運移的速度和鉆具轉速有關。

圖1 巖屑的二次破碎圖

圖2 巖屑的二次破碎的受力分析圖

1.2 有效攜巖注氣量方法探討

注氣量Q的確定與巖屑直徑Ds有直接關系。用激光粒度儀對對四川油氣田JM105井空氣鉆進取得的不同井段、不同工況下返出的巖屑樣品進行測量。將測量結果（表1）與根據轉速與機械鉆速估算的理論粒徑D′s（式1）相比較后發現，實測Ds數據較理論計算值小得多，其原因是理論計算沒有考慮巖屑的二次破碎的因素。

式中，Rp為機械鉆速，m／h；N為轉盤轉速，rpm。

為此，筆者引入一個無因次量，即二次破碎因子B，將式（1）修正為式（2）。

表1 實際測得的巖屑直徑表

注氣量過小難以將二次破碎后的巖屑帶出或沒有足夠的動力驅動將剛從井底剝落的大塊巖屑高速向上運移，使巖屑與鉆頭或扶正器等鉆具發生碰撞和切削作用，加快巖屑的二次破碎。注氣量過大會使大塊巖屑在鉆頭、扶正器工作棱的下端面發生壓持造成憋鉆；在疏松地層，井壁還有可能因過度沖蝕后發生掉塊、坍塌［3］，帶來新的沉砂源。

因此二次破碎因子B的值的選擇應大于用式（1）計算的巖屑粒徑與真實巖屑的平均粒徑的比值，同時綜合考慮扶正器與井壁的環空間隙、地層巖石的穩定性等因素，一般選擇在0.6～0.9比較合理。

2 現場試驗

綜上所述，提高氣體鉆進攜砂能力應從提高巖屑的二次破碎效率入手，以提高轉盤轉速、選擇合理的注氣量為主要手段來實現。注氣量的大小應根據地層巖石特性、井深、機械鉆速、返出巖屑粒徑的變化及時調整。

LG160井是位于龍崗地區儀隴構造主高點的一口預探井，設計井深3820m。該井第一次開鉆用?444.5mm鉆頭鉆進至198m，下入?339.7mm套管固井，第二次開鉆用?311.2mm鉆頭，鉆進（排量180m3／min，轉速40rpm）至1966.03m，第一次短程起下鉆后發現有大段沉砂，采用加大排量（200

m3／min）循環，起鉆換鉆頭后下鉆遇阻，降低排量（80m3／min，轉速70rpm）循環，偶爾間斷干鉆劃眼后，出口無粒狀巖屑，全為粉塵。繼續鉆進（排量180m3／min，轉速40rpm）至井深2346m起鉆，換?210mm和?208mm扶正器鐘擺滿眼鉆具組合下鉆至2274.21m遇阻，靜砂面厚度171.79m，劃眼（120 m3／min，轉速50rpm）到底后，循環（排量80m3／min，轉速70rpm）1h，短起至2192.64m，靜止觀察40 min后，下鉆探靜砂面至2340m遇阻，厚度6m，隨后間斷循環劃眼（80m3／min，轉速70rpm），清砂到底后，探砂面，無沉砂，最后順利完成該井段的干井電測、下套管、固井施工。

從現場試驗施工過程可以看出，采用低注氣量（80m3／min）、高轉速（70rpm）的攜巖效率明顯高于大注氣量（180～200m3／min）、低轉速（40rpm）的攜巖效率，符合以上推斷。

3 結論

1）巖屑的二次破碎主要發生在鉆頭、扶正器等環空突然變窄的位置，其二次破碎效率主要與巖屑向上運移的速度和鉆具轉速有關。

2）修正了巖屑粒徑的計算方法，通過選擇合理的二次破碎因子值，確定合理的注氣量。

3）提高氣體鉆進攜砂能力應從提高巖屑的二次破碎效率入手，以提高轉盤轉速、選擇合理的注氣量為主要手段來實現，該方法在LG160井的現場試驗中取得了成功。

［1］趙業榮，孟英峰，雷桐，等.氣體鉆井理論與實踐［M］.北京：石油工業出版社，2007.

［2］陸厚根.粉體技術導論［M］.上海：同濟大學出版社，1998.

［3］高如軍，何世明，補成中，等.氣體鉆井環空巖屑顆粒碰撞對井壁穩定性的影響［J］.鉆井液與完井液，2007，24（9）：69-71.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2014）04-0034-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.010

修訂回稿日期：2014－07－14

葉長文（1968－），工程師，從事鉆完井工程工作。E-mail：amoing99@163.com。