淺層水平井巖屑床生成機理及應對措施淺析

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、井壁不穩定、易出砂、鉆井循環排量無法保證，井眼凈化難度大，施工中極易因井眼凈化問題而導致環控憋堵，進而造成井漏、卡鉆等復雜情況和事故，同時因井眼凈化不徹底，會導致后期完井管柱無法順利下入，造成更為復雜的情況。本文通過應用系列工具，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，導致井眼中巖屑，尤其在大井斜井段（井斜超過45°），極易生產巖屑穿，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、側鉆、整井報廢等事故，造成重大經濟損失。因此，必須應用相應技術解決在淺層水平井鉆井過程中容易出現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“偏心環空”,即環空切面為月牙狀。在偏心環空內，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致流速小的位置巖屑發生沉降，落在下井壁的位置，巖屑堆積較多后即形成巖屑床。當鉆井液循環停止時（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，即鉆具轉動時產生扭矩增加，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生卡鉆事故。同時巖屑床的大量存在會導致完井下套管、固井作業發生困難，水泥封固質量差。

2 井眼凈化的影響因素

2.1 鉆井液的循環排量

鉆井液的循環排量是影響井眼凈化程度最重要的參數之一，相同尺寸井眼，循環排量大，則環空返速高，循環排量小，則返速低。環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，從而導致鉆井液攜巖效果下降，運移不充分。

通過現場應用總結出，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。實踐總結出當井斜角大于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，這就導致了鉆井施工中起下鉆困難，嚴重時會發生卡鉆等復雜情況，給鉆井施工設下極大隱患。

2.3 井眼環空返速

井眼內環空返速直接影響到環空巖屑的運移方式及運移狀態，導致巖屑濃度發生極大變化。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

鉆井液流態是指鉆井流動時呈現的層流狀態或者是紊流狀態。當鉆井液處于層流狀態時，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，現場施工中，當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 鉆具旋轉速度

在現場鉆井施工中，尤其是在水平井施工中，旋轉鉆具可以提高巖屑的清除效果，因為通過鉆具的旋轉一方面可以改變鉆井液的流態，將鉆井液的流態調整為紊流狀態，從而增加了環空鉆井液的紊流度，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空高速區，增大了巖屑運移距離，從而減少環空巖屑含量及固向濃度；另一方面是通過轉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，當現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力，防止地層坍塌和泥頁巖的剝落掉塊增加環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面影響。

3 應用實踐

通過對井眼凈化效果影響因素的分析和經驗總結，工程師在鉆井施工中通常會采用以下五種技術措施來提高井眼凈化效果：一是通過維護鉆井液的性能，使其各項性能指標達到預期要求，即提高鉆井液的懸浮能力，來保證鉆井液對巖屑產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，調整鉆井參數，即調整鉆井液的排量、返速，使鉆井液的流態達到平板型層流狀態，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，現場鉆井中，通過鉆完一定長度井段、經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生的數量，同時可以通過鉆具的運動，利用機械方式將巖屑向上運移，當鉆井液再次循環時將巖屑帶出井口，最大限度實現井眼凈化；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

井身結構（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 結論

（1）通過采用綜合工程技術措施，提高鉆井液性能，調整鉆井參數，運用專用工具，實現了水平井鉆井的井眼凈化目標。

（2）在鉆井液綜合成本受限的前提下，應當研制配套工具，在保證安全的前提下，實現鉆井綜合投資的下降。

（3）現場應用過程中，應依據現場的實際情況，具體調整鉆井液性能及鉆井參數，降低井眼風險。

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

[2] 李克向，等. 國外大位移井鉆井技術[M]. 北京：石油工業出版社，1998.

[3] 陳浩，等. 大井斜大位移井鉆井液攜巖問題分析及對策. 勝利油田職工大學學報， 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