大斜度井井眼清潔影響因素及對策研究

王建龍， 張長清, 郭云鵬， 王 濤, 于 琛， 鄭 鋒，劉 軒, 尚 薇

(1中石油集團渤海鉆探工程技術研究院 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井服務分公司 3中國石油渤海鉆探工程有限公司)

大斜度井當井斜角超過一定值之后，普遍存在井眼清潔困難的技術難題，導致摩阻和當量循環密度(ECD)異常升高，增加了施工難度和卡鉆、漏失的風險，嚴重制約了安全高效鉆井。國內外學者在這方面做過大量的工作，較多的從理論方面分析了巖屑運移規律，這些研究對指導現場施工起到很大的作用[1-6]。但是，對井眼清潔影響因素、井眼清潔狀態判斷方法等研究較少。因此，本文利用軟件對井眼清潔因素進行了模擬分析，確定了影響規律。分析了井眼清潔程度與大鉤載荷變化規律，提出了井眼清潔程度判斷方法。在上述基礎上提出了保證井眼清潔的方法，為大斜度井安全高效鉆井提供了理論指導。

1 井眼清潔影響因素分析

目前，一般利用懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度表征井眼清潔狀況。影響井眼清潔的因素主要有井斜角、鉆井液排量、轉盤轉速和鉆井液動塑比等[7-10]。為了分析上述因素的影響規律，利用Landmark軟件進行了模擬，分析了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與各影響因素之間的定性關系。

1.1 井斜角影響分析

假定鉆井液排量30 L/s、機械鉆速5 m/h、轉盤轉速60 r/min和鉆井液動塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與井斜角的關系，如圖1所示。

圖1 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨井斜角變化規律

圖1所示，井斜角≤50°時，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度幾乎為0，即基本上沒有巖屑床形成；當井斜角≥50°時，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度直線上升，說明該井段最易形成巖屑床；當井斜角≥70°時，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度增加趨勢變緩。由此可以看出，井斜角50°～70°井段最容易形成巖屑床，是井眼清潔的重點井段。

1.2 轉盤轉速影響分析

假定井斜角65°、鉆井液排量30 L/s、機械鉆速5 m/h和鉆井液動塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與轉盤轉速的關系，如圖2所示。

圖2 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨轉盤轉速變化規律

圖2所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與轉盤轉速負相關，說明提高轉盤轉速有利于提高井眼清潔狀況。從圖2中還可以看出，滑動鉆進過程中(轉盤轉速為0)最易形成巖屑床。

1.3 鉆井液排量影響分析

假定井斜角65°、機械鉆速5 m/h、轉盤轉速60 r/min和鉆井液動塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與鉆井液排量的關系，如圖3所示。

圖3 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨排量變化規律

圖3所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與鉆井液排量負相關，說明提高鉆井液排量有利于提高井眼清潔狀況。

1.4 機械鉆速影響分析

假定井斜角65°、鉆井液排量30 L/s、轉盤轉速60 r/min和鉆井液動塑比0.5，得出了懸浮巖屑濃度和巖屑床厚度與機械鉆速的關系，如圖4所示。

圖4 巖屑床厚度、懸浮巖屑濃度隨機械鉆速變化規律

圖4所示，巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與機械鉆速成正相關，說明機械鉆速越高，井眼清潔難度越大。這主要是因為機械鉆速越高，單位時間內產生的巖屑量越多，需要更大的鉆井液排量、更高的轉盤轉速保證井眼清潔。

2 井眼清潔判斷方法

巖屑床和懸浮巖屑的存在影響了井眼清潔程度，然而實鉆過程中無法直接獲取巖屑床和懸浮巖屑濃度的數據，進而影響井眼清潔程度的判斷。但是，實鉆數據表明，當井壁上形成大量的巖屑床后鉆井液中懸浮巖屑濃度大幅增加后，鉆進過程中的扭矩和起鉆時的大鉤載荷會異常變化，甚至出現蹩停轉盤或頂驅、卡鉆的現象[9]。因此，本文結合巖屑床厚度與大鉤載荷的相互關系，提出了利用實鉆過程中的大鉤載荷變化判斷井眼清潔程度的方法，該方法判斷過程主要有3個步驟。

第一步，鉆前預測大鉤載荷曲線。根據鉆井工程設計的井身結構、井眼軌跡、鉆井液體系及性能、鉆具結構等參數，利用鉆井參數優化軟件預測整口井鉆井過程中的大鉤載荷數據，包括復合鉆進載荷、滑動鉆進載荷和起鉆載荷，并繪制成曲線。

第二步，實鉆過程中繪制大鉤載荷曲線。通過收集錄井系統采集的大鉤載荷數據，實時繪制實鉆過程中的大鉤載荷變化曲線。

第三步，對比分析。將鉆前和實鉆過程中的大鉤載荷變化曲線繪制在同一坐標系統下，根據兩條曲線的偏離程度判斷井眼清潔狀態。如圖5某井所示，實鉆鉆進至3 800 m、4 100 m和4 300 m附近預測和實鉆大鉤載荷偏離程度急劇增大，說明井眼不清潔，隨后及時采取了井眼清潔措施，保證了后續安全鉆進。

圖5 某井利用摩阻曲線判斷井眼清潔情況

3 井眼清潔技術措施

3.1 常規技術措施

井眼軌跡控制過程中，盡量減少井斜角50～70°的斜井段，并盡量減少在該井段滑動鉆進。轉速在無特殊要求的前提下，盡量提高轉速，利用高速旋轉的鉆具刮削巖屑床和擾動攜巖提高井眼清潔效率。根據懸重變化情況，控制機械鉆速，及時進行短起下鉆配以劃眼。為了方便現場優選合適的排量，繪制了保證?215.9 mm井眼清潔的最小循環排量，如圖6所示。

圖6 保證井眼清潔的最小循環排量

3.2 主動井眼清潔技術

在井斜角50°～70°井段，一旦形成巖屑床，巖屑堆積會越來越嚴重，清除難度越來越大，僅僅依靠鉆井液沖刷、鉆桿的刮削很難從根本上清除巖屑床。此時，就需要在鉆具中加入巖屑床破壞器，利用特殊結構機械刮削和水力旋流的雙重作用，提高井眼清潔效率[10]。巖屑床破壞器清除巖屑床的原理如下：首先，在轉盤或頂驅的帶動下，巖屑床破壞器高速旋轉，利用具有特殊結構的螺旋棱刮削井壁，使井壁上的巖屑床從壓實狀態變為自由狀態；然后高流速鉆井液流經巖屑床破壞器的特殊結構槽道后產生渦流作用，將自由狀態的巖屑向上推舉并攜帶出井眼。由于單個巖屑床破壞器的能力有限，現場需要根據井眼軌跡、鉆井液性能等參數，優化巖屑床破壞器的數量和安放位置。

4 結論

1)巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度與井斜角、機械鉆速正相關，與鉆井液排量、轉盤轉速負相關，井斜角50°～70°井段最容易形成巖屑床。

2)當井眼形成巖屑床之后，隨著巖屑床厚度和懸浮巖屑濃度增加，大鉤載荷會出現階梯式變化。因此，可以通過對比大鉤載荷變化判斷井眼清潔狀況，當預測和實鉆的大鉤載荷的偏離程度增大時，就需要采取相應技術措施，破壞巖屑床，提高井眼清潔效率。

3)在未形成巖屑床之前，可以通過提高鉆井液排量和轉盤轉速等方式提高井眼清潔效率；當形成巖屑床之后，就需要在鉆具中下入巖屑床破壞器，采用機械刮削和水力旋流相結合的方式，保證井眼清潔。