水平井、大斜度井井眼清潔機理分析

（1渤海鉆探井下技術服務公司 天津300283；2渤海鉆探第三鉆井公司 天津300280；3.大港油田井下作業公司 天津300283）

（1渤海鉆探井下技術服務公司 天津300283；2渤海鉆探第三鉆井公司 天津300280；3.大港油田井下作業公司 天津300283）

根據大斜度井水平井的巖屑沉積及巖屑運移情況，通過理論分析，計算了粘度和流速對巖屑床的影響，結果表明增大粘度可以降低巖屑床高度和提高流速可以清楚巖屑床，理論分析了門限流速的產生以及轉速對清潔巖屑床的影響，結果表明提高粘度對井眼清潔效果明顯，流速是影響井眼清潔的主要參數，但是由于設備、井深等的限制粘度和流速的調節范圍有限，鉆柱旋轉對井眼清潔起主要作用，在實際操作過程中要通過鉆井參數控制，泥漿性能控制，鉆井操作等幾個方面共同作用才能很好的控制巖屑床，保證施工安全。

水平井巖屑清潔流速轉速

1 前言

對于大斜度井和水平井而言，井眼清潔的好壞直接關系到一口井的成敗。

從現場經驗來看由于井下巖屑得不到充分清洗而直接導致的起下鉆遇阻、卡現象時有發生[1-6]。

因此，研究水平井和大斜度井井眼清潔機理，不僅具有理論意義，而且也具有重要的實際意義。

一個清潔的井眼是指巖屑床的高度和分布不影響鉆井施工。在大斜度井段和水平井段，巖屑重力沉降方向與鉆井液流動軸向不在一條直線上，其合速度方向指向井眼下側，因而極易在井壁下側形成巖屑沉積床。

因此研究井眼清潔的關鍵就是研究井筒中巖屑的運移的影響因素，進而制定清除巖屑床的方法。

2 影響巖屑運移因素分析

根據現場經驗，影響井眼清潔的主要因素可以歸結為：鉆井參數，泥漿性能，鉆井操作和鉆井設計幾個方面，鉆井設計是鉆井開始以前進行的，而鉆井液性能的調節需要考慮很多因素這里不做詳細介紹，僅分析鉆井參數對巖屑運移的影響。

Gavignet和Sobey[7]提出了大斜度井中巖屑傳輸的兩層基本模型，此模型可用來模擬管內氣液兩相流動和顆粒水力傳輸等流動。Martins對該模型做了進一步的改進[8]，汪志明等[9]在Martins模型基礎上考慮了巖屑顆粒的分散，建立了兩層不穩定巖屑傳輸模型，本文以此模型為基礎編制了相關的計算程序，分析粘度及流速的影響。

圖1 粘度對于巖屑清除的影響

2.1 粘度的影響

在相同的環空返速（vt=0.6m/s）條件下，鉆井液流變參數的影響規律如圖1所示。

使用的低粘度鉆井液參數為k=0.2mPa·sn，n=0.68；高粘度鉆井液參數為k=0.37mPa·sn，n=0.70。

可以看出，高粘度的鉆井液比低粘度的鉆井液清潔的效果更好。

即使兩鉆井液具有相同的密度，其作用時間也不同：低粘度的鉆井液在井眼中達到穩態大約需1200s左右，而高粘度的鉆井液在2000s后還在沖蝕巖屑床。

從圖中也可以看出，高粘度鉆井液在穩態時所形成的巖屑床比低粘度鉆井液在穩態時所形成的巖屑床要低一些。

但是同時也應該指出在實際鉆井過程中，泥漿粘度會受到一定限制，這是因為，粘度增加沿程摩阻必然增加，從而對于泵壓的要求就增加，從而在鉆井設計階段就要考慮泥漿泵的性能。

2.2 流速的影響

圖2是環空返速分別是vt=0.6m/s（較低環空返速）和vt=1.2m/s（較高環空返速）情況下，巖屑床高度隨時間的變化情況。

圖2 環空返速對于巖屑清除的影響

從圖中可以看出，如果環空返速較低，只有部分巖屑被除去。隨著鉆井液流速的增加至一定程度，巖屑床可以完全被除去。因此，在一定流速條件下，長時間循環鉆井液可以完全除去巖屑床。這也就說明了，流速對于巖屑床的控制的必要性。最理想的情況，大位移井的每一段都應處于允許的最大流速，直到因為表面壓力或者井底鉆具限制而改變。其他的限制例如當量循環密度受限可能意味著流速需要降低。

另一方面通常認為高流速會沖刷井筒，紊流會導致井筒沖蝕，這是一個誤解，原因如下：

在所有的目的井中使用粘性泥漿體系，不管流速多大在環空中都很難達到紊流，在隔水管中海水可能形成紊流，但是大部分還是層流。不管理論環空返速，實際緊貼井壁的流體速度等于0，這是因為流體是粘性的，流體越貼近井壁運動越慢，距離井筒中心越近，速度越快。

實際上大多數的井眼侵蝕發生在鉆頭處，這主要是為了高比水功率噴射鉆進時，鉆頭噴嘴流出的高壓高速流體對于井底和近鉆頭井壁的沖刷，高比水功率與幾乎所有的井眼侵蝕有關。

2.3 門限流速的產生

從現場經驗來看，巖屑運移流速存在門限值。從定性的角度考慮，主要是兩個原因引起的：一是從巖屑床高度考慮，從巖屑床高度的計算來看[9]，顆粒擴散系數本身存在一個拐點，從而在達到一個臨界點時會發生一個突變。另一方面從巖屑顆粒受力角度考慮，如圖3所示。

圖3 巖屑床顆粒受力情況

從巖屑顆粒受力分析來看，巖屑床表層顆粒處于靜止狀態，從而所有與顆粒運動有關的力都為0，其中F為顆粒對流體的阻力，同時也是流體對于顆粒的推動力，如果顆粒發生運移，巖屑床厚度變薄，F必須克服下層顆粒對于此顆粒的阻力，即T1與T2在水平方向上分力與阻力f（主要是摩擦力）的合力，在顆粒運動以前T1與T2都是不變的，運動后，T1瞬間消失從而對于F就存在一個門限值，根據圓球形物體阻力計算的一般公式為：

式中：

ρ為流體密度，kg/m3；

u1為圓球體與流體的相對運動速度（顆粒靜止，u1即為流體速度），m/s；

ds為圓球體直徑，m；

Ф為與雷諾數Re有關的系數（對非圓球體，還與物體形狀有關），由實驗確定。

F對巖屑單元來說也是驅使巖屑發生運移的主動力。

若把F力看成球體直徑平面上的分布力，則

從而可知，F與顆粒的大小和流體流速呈二次方關系，在顆粒大小一定時，要使顆粒運動必須達到一定流速，從而存在門限流速，只有流速達到一定程度，流速改變很小就可以讓顆粒運移。

2.4 鉆柱旋轉的影響

在大斜度井段，鉆具的高速旋轉對井眼清潔是必須的。

由于鉆桿旋轉的影響較為復雜，難以將其引入實際的理論計算中，故理論計算中很難考慮鉆桿旋轉，本文定性的分析了鉆柱旋轉對于巖屑運動的影響。

巖屑單元的運移趨勢由巖屑所受的主動力狀況決定。在偏心環空軸向流動下旋轉鉆柱，環空鉆井液呈螺旋流動，此情況下靜止的巖屑床表面巖屑顆粒受力，如圖4所示。

與不旋轉時候相比，旋轉的時候表面顆粒受液流旋轉影響還產生了一個彎矩，而由于流速產生的主推動力仍然不變，從而在此工況下，由于旋轉鉆柱的擾動，靜巖屑床的巖屑易于進入流動區域，而進入流動區域的巖屑顆粒由于液流的旋轉作用受力更加復雜，并且更容易產生徑向位移，增加了顆粒間碰撞的幾率，從而獲得更大動量，與下層巖屑顆粒的碰撞增加，從而使巖屑床都易于破壞。

圖4 有鉆具旋轉情況下巖屑床顆粒受力情況

通過以上分析可以認為井眼清潔有兩個機理：分散和機械清除。

分散有效的將巖屑分散到泥漿中，這樣巖屑就可以相當輕松地移除。

要達到這樣的目的需要具備兩個條件：

首先，所鉆地層必須是松軟并且易于分散的。

然后，泥漿體系必須無抑制性，因為抑制性會阻止巖屑進入泥漿。

總之，分散只在大直徑的上部井段中應用，此時使用低價的水基泥漿。從井筒中機械清除巖屑，需要許多參數共同作用。但是在水平井和大斜度井中，旋轉和流速是井眼清潔兩個最重要的參數。旋轉控制井眼清潔的效率，流速控制井眼清潔的速度。

3 結論

（1）對于巖屑運移的偏微分方程組進行數值求解，結果表明高粘度鉆井液在穩態時所形成的巖屑床比低粘度鉆井液在穩態時所形成的巖屑床要低一些。隨著鉆井液流速的增加，當流速達到一定程度時，長時間循環鉆井液可以將巖屑床完全除去。

（2）通過對巖屑床表面顆粒的受力分析，認為清除巖屑床存在門限流速，這主要是因為一方面巖屑的擴散本身存在突變性，另一方面在顆粒大小一定時，要使顆粒運動必須達到一定流速，從而存在門限流速。

（3）對巖屑床表面顆粒進行靜態受力分析，結果表明在斜井和水平井中旋轉鉆柱有助于破壞巖屑床，提高環空中巖屑的運移行程。鉆井液在環空流動過程中，由于液流的紊動以及巖屑間的相互碰撞，會對某些巖屑的運移有一定影響，但在環空流動過程中巖屑被運移的基本趨勢不會變。

（4）在井眼清潔中，單獨依靠提高轉速，提高流速和改變泥漿流變性都不能高效的清潔巖屑，在實際操作過程中要相互配合使用才能有效清潔井眼。

[1]Ozbayoglu E M,Saasen A,Sorgun M.Effect of Pipe Rotation on Hole Cleaning forWater Based Drilling Fluids in Horizontal and Deviated Wells[C].IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition.Jakarta,Indonesia,SPE 114965,2008. Galveston,Texas,SPE 154759,2012.

[2]張振興，李清，閻宏博."兩速"對大斜度井井眼清潔的影響 [J].石油化工應用，2010，29(2-3)：90-94.

[3]GAVGNET A and SOBEY I J.Model aids cuttings transport prediction[J].JPT,1989：916-921.

水平井、大斜度井井眼清潔機理分析

■朱炎琛1魯超2姜艷3

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-438-2