ECD 技術在勘探鉆井中的應用及提速效果

翟立偉（中海油深圳分公司深水工程技術中心，廣東 深圳 518000）

1 ECD 的概念

ECD(equivalent circulating density)是鉆井液循環當量密度的簡稱,它是指在鉆井液循環過程中某深度處的鉆井液液柱壓力(包括循環壓耗、波動壓力等)折算成的當量密度。在鉆井液正常循環時，井底的液柱壓力等于環形空間靜液柱壓力與環空中循環壓力損失之和。

2 實測ECD 的計算模型

目前，學術上對于ECD 值的計算模型研究，主要分為理論ECD 值計算和實測ECD 值計算。對于理論上鉆進至某一深度處的ECD 值，可通過下式計算

式中：α 為校正系數，利用井眼清潔時的實測ECD 對理論計算出的ECD 進行相應的校正；R 為考慮鉆柱偏心對環空壓耗產生的影響因子。

可見，理論計算出的ECD 值僅與鉆井液的密度、井筒的摩擦系數與鉆井液和鉆柱偏心度以及鉆柱旋轉速度有關，而與井眼是否干凈無關[1]。

但實測ECD 值是由實測環空壓力轉換而來，與井眼干凈與否密切相關。例如在大斜度井或者大位移井中，在部分井段，當鉆屑沉積形成巖屑床時，實際環空壓力下降，對應的實際ECD 值下降；當巖屑在環空中滯留時，實際環空壓力上升，對應的實際ECD 值上升。

對于實測ECD 的計算模型，在鉆進過程，環空壓力Fa主要由環空中攜帶鉆屑的鉆井液所產生的靜液柱壓力FS和環空循環摩阻損失Ff以及井口回壓Fb組成。

式中：Fa為環空壓力（Pa）；FS為靜液柱壓力（Pa）；Ff為環空循環摩阻損失（Pa）；Fb為井口回壓（Pa）；ρs為混合鉆屑的鉆井液密度（kg/m3）；h 為垂直井深（m）；f 為鉆井液摩擦系數，無量綱；V 為鉆井液在環空中的流速（m/s），△L 為井段長度(測深)(m)；Rb、Rd分別為井眼半徑與鉆柱外徑(m)。

鉆進過程，當鉆頭破碎或剪切的巖屑無法及時從井筒返出時，環空中鉆屑的濃度就會不斷增加，導致鉆井液密度增加，最終使得鉆井液靜液柱壓力不斷增加，井下環空壓力相應增加。將井下環空壓力進行相應的變換，將其轉化為鉆井液當量密度（ECD）值ρ實，則

3 實例計算

根據上述實測ECD 的計算方法，現以南海東部某井相關資料對鉆頭處ECD 值進行計算，并與現場儀器監測值進行對比。

該井井型為直井，一開鉆進36”井眼至318 m，下30”導管至317.46 m，二開鉆進17-1/2”井眼至760 m，下13-3/8”套管至751.76 m，三開鉆進12-1/4”井眼至2 553 m，下9-5/8”套管至2 545.64 m，四開鉆進8-1/2”井眼至3 791 m。

鉆進至3474.12m 時，現場記錄sρsρ =1.31×103kg/m3，V=1.57 m/s，通過鉆井液性能實驗，此時f=0.7，代入公式（4）及（3）得

另一方面，根據現場儀器監測，鉆進至3474.12m 時，ECD監測值如圖1 所示。

由圖可知，鉆頭處ECD 監測值為1.32。因此，該井鉆進至3 474.12 m 時，ECD 的實測計算值與儀器監測值相符。

圖1 現場儀器監測值

4 鉆進過程降低ECD 的方法

在鉆進過程，通過實測ECD 的計算或者現場儀器的監測，可以得到ECD 值。該值的大小對于判斷井眼清潔狀況具有借鑒意義，現場鉆井作業可以通過采取以下工藝技術來降低ECD 值。

4.1 泵入高粘度或者高密度鉆井液。

高粘度鉆井液俗稱稠漿，是指漏斗粘度通常在120 ～180 s之間的鉆井液。高密度鉆井液俗稱重漿，是指密度通常高于正在循環鉆井液0.2～0.3 g/cm3的加重鉆井液。利用上述兩種鉆井液優良的攜巖性能及時帶出鉆頭破碎或剪切的巖屑，能有效改善鉆柱與所鉆井眼環空的清潔狀況，從而降低環空壓力，降低ECD 值。該方法是海上鉆井作業改善井眼清潔程度的常用方法。

4.2 調整鉆井液的性能。

實驗表明低流變性的鉆井液有助于降低井眼環空摩擦損失，降低ECD 值。當環空返速一定時，選擇合適的流變參數是井眼清潔的關鍵。比如鉆進過程適當提高屈服值，適當提高Yp/Pv 的值均有利于井眼的清潔，同時提高鉆井液低剪切速率下的流變性也有利于井眼的清潔。結合鉆井液性能與振動篩返出情況，表明在較高的低剪切速率下的鉆井液能明顯減少井內巖屑數量，提高攜砂效果，且在鉆進過程可以通過提高3 r/min和6 r/min 的讀數，及時排出鉆屑，達到降低ECD 的效果。

此外，可以使用相關專業軟件，分析鉆井液的流態和流變性，得出最佳的參數配合組合，從而降低ECD 值。

4.3 增大泵排量。

理論與實踐證明，在泥漿泵等鉆井設備及工況條件允許的情況下，增大泵排量，鉆井液可以及時攜帶井底巖屑，同時也能提高鉆井液的環空返速，進而改善井眼清潔的效果，降低ECD值。另一方面，平板型層流攜巖效果好于層流，盡量采用平板型層流流態也是一種改善井眼清潔狀況，降低ECD 值的方法。

4.4 進行短起下鉆作業。

當鉆頭持續進尺較多時，ECD值會相應一定程度的增大，進行短起下鉆作業，可以最大限度的攜帶所鉆井眼鉆進過程滯留在井底及環空的巖屑，使井筒徹底清潔。繼續進行鉆進作業時，ECD 值會相應低一些。

4.5 使用較新技術。

4.5.1 連續循環系統

該系統由BP，SHELL UK, TOTALD 等六家石油公司投資研發，且于2003 年7 月試驗成功。它是一種在頂驅鉆機上使用的不間斷循環系統，核心是一個連續循環聯結器以實現鉆完一柱卸頂驅接新立柱時，仍保持井筒與地面循環，及時攜帶巖屑改善井眼清潔狀況，降低ECD 值[2]。

4.5.2 降低ECD 工具

該工具由威德福公司研制。它由三部分組成：上部是一臺渦輪馬達，它從循環的鉆井液中吸收液壓能并將其轉換成機械能；中部是由渦輪馬達驅動的多級混合流量泵（部分軸向、部分徑向），它抽吸環空返回的鉆井液；下部由軸承和密封組成。該泵可以在裸眼井段產生更低的ECD 值。該工具主要優點是可降低裸眼井段局部ECD 值，保持井筒壓力，從而保持井眼清潔。

5 結語

(1)ECD 值對于現場鉆井工作者具有重要參考意義，它是判斷井眼清潔與否的主要指標之一，通過實測ECD 的計算或者儀器監測，可以判斷所鉆井眼清潔狀況是否在合適范圍內。

(2)目前，降低ECD 值的方法有多種。視現場作業具體情況，采取泵入高粘度或者高密度鉆井液、調整鉆井液的性能、增大泵排量、進行短起下鉆作業以及使用較新技術等措施對于降低井眼ECD 值具有良好效果。

(3)在鉆進過程，鉆井液及時攜帶出鉆頭破碎或剪切的巖屑，避免巖屑壓持在井底，縮小環空壓力與地層壓力之間的壓差，使ECD 保持在相對較低值，可提高機械鉆速。